CC BY
61
^еоиНии, декабрь, 2011 г., № 12
УДК [551.311.21 +631.43]:551.734(234.83)
ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАЛЕОПОЧВ 0 ДЕВОНСКИХ КРАСНОЦВЕТНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ СРЕДНЕГО ТИМАНА
И. X. Шумилов
Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар shumilov@geo.komisc.ru
Рассмотрены причины ограниченности использования некоторых наиболее широко распространенных методов исследования, применяемых при изучении погребенных почв, в приложении к древним почвам в красноцветных верхнедевонских отложениях Среднего Тимана. Показано, что это обусловлено прежде всего особенностями генезиса красноцветной толщи, литологическими свойствами пород, условиями захоронения палеопочв.
Ключевые слова: палеопочвы, погребенные почвы, верхний девон, красноцветные отложения.
PARTICULAR FEATURES OF RESEARCH OF PALEOSOLS IN DEVONIAN RED SEDIMENTS OF THE MIDDLE TIMAN
I. Kh. Shumilov
Institute of Geology of Komi SC UB RAS, Syktyvkar
The paper considers application restriction of some general research methods to study paleosols as applied to burial sols in Upper Devonian red sediments of the Middle Timan. First of all it is caused of features of genesis of red beds, their lithology and conditions of burial paleosols.
Keywords: paleosols, burial sols, ancient sols, upper Devonian, red sediments.
Согласно существующей ныне концепции «памяти почв» современная и древняя педосфера рассматривается в качестве источника информации об эволюции и взаимодействии биосферы, атмосферы и геосфер во времени [1, 7]. Таким образом, исследование палеопочв имеет большое значение для реконструкции климатических, седиментационных и экологических обстановок формирования осадочной толщи [2, 13]. Нередки случаи, когда в континентальных отложениях, например красноцветных, бедных органическими остатками, палеопочвы служат едва ли не единственным «банком» данных о климате, ландшафтах и растительности эпохи, в которой эти почвы формировались. Особого внимания заслуживают погребенные почвы древних геологических эпох, поскольку частота их находок и сохранность обратно пропорциональны их возрасту.
Палеопочвоведение как системное исследование дочетвертичных почв оформилось сравнительно недавно — в 60—70 гг. XX в. [9, 10] и находится на стыке таких наук, как литология, почвоведение, геоморфология, геохимия и др. Соответственно со
временем были выработаны и вырабатываются по сей день специальные подходы к изучению древних почв, интегрирующие методики перечисленных выше научных направлений.
В настоящее время при исследовании палеопочв применяется аналитический комплекс, включающий оптические петрографические методы (изучение прозрачных шлифов), рен-тгенодифрактометрический анализ иловых фракций (менее 2—5 мкм), минералогический, гранулометрический, силикатный, карбонатный и изотопный анализы, определяются почвенные структуры, рН водных вытяжек, несиликатные формы железа, содержание органического углерода, электронно-микроскопические исследования, ИК-спектроскопия, ЯМР и некоторые другие. В работах различных исследователей (коллективов) главное внимание может уделяться одним характеристикам погребенных почв при игнорировании других диагностических признаков. Так, например, палеозойские почвы в зарубежной науке изучались в основном седиментологами, уделявшими особое внимание карбонатной составляющей палеопедов [14, 16, 17]. Отече-
ственные исследователи обычно пользуются «стандартным» комплексом, включающим как минимум литологическое описание пород субстрата и генетических горизонтов палеопочв, структур почв, рентгенодиф -рактометрический анализ глинистой составляющей, карбонатный анализ, определение содержания органического углерода.
В предлагаемой статье на примере результатов изучения палеопочв в девонских красноцветных отложениях Среднего Тимана показана ограниченность применения некоторых стандартных методик исследований в силу особенностей генезиса рассматриваемых осадочных пород, выполнявших функцию субстрата при древнем почвообразовании, их филогении и некоторых особых черт собственно древнего педогенеза.
Палеопочвенные горизонты в верхнедевонских отложениях (тиман-ский горизонт, фран) на Среднем Ти-мане в бассейне р. Цильмы впервые были обнаружены нами в 2008 г. [11, 12]. Они относятся к одним из древнейших образований, возникновение которых связано с началом расцвета и массовым заселением суши высши-
ми растениями с хорошо развитыми корневыми системами. Следует подчеркнуть, что сама толща, невзирая на ее солидный возраст, не несет существенных признаков катагенетичес-ких и метаморфических преобразований, тектонические дислокации в ней незначительны, некоторые разности пород не литифицированы, а существенная глинистость отложений обусловила их великолепные консер-вационные свойства. Особо ярко выражены погребенные почвы в красноцветных породах пестротой и контрастностью окраски генетических горизонтов (рис. 1).
Проведенные исследования позволили установить ряд важных особенностей строения и генезиса красноцветной толщи и развитых в ней палеопочвенных профилей, довольно сильно отличающие их от аналогичных образований, описанных в мировой литературе. Эти особенности не позволяют использовать некоторые широко применяемые методы изучения, а результаты других следует интерпретировать весьма осторожно, учитывая специфику объектов.
Литологические особенности красноцветных пород. Геологические и петрографические исследования шлифованных образцов и прозрачных шлифов позволили установить, что красноцветная толща сложена цикли-тами мощностью 0.2—1.7 м, образовавшимися в результате импульсных (катастрофических) сбросов рыхлого материала кор выветривания с возвышенностей в виде единовременных гряземутьевых потоков. Таким образом, отложения слагают классический пролювиальный конус выноса с проксимальной зоной в районе устья р. Космы и дистальной зоной в форме субмеридианальной полосы, проходящей через рр. Рудянку, Осиновую и Березовую. По простиранию красноцветные осадки фациально сменяются озерно-болотно-аллювиальны-
ми зеленоцветными. В кровлях многих циклитов присутствуют признаки древнего педогенеза различных степеней развития.
По комплексу признаков, выявленных при литологических и геохимических исследованиях боковых зеленоцветных отложений и собственно красноцветов, было установлено, что осадконакопление происходило при теплом переменно-влажном климате с преобладанием гумидных условий.
Большинство элементарных циклитов, особенно в проксимальной зоне, сложено обломками нелитифи-
цированных пород преимущественно глиняного состава с различной примесью алевритовой и мелкопесчаной фракций. Окраска обломочного материала варьируется в широких пределах — от темно-коричневой до почти
белой. Часто в шлифованных образцах порода имеет порфировую структуру, поскольку сложена обломками пород различных цветов (рис. 2). Размер кластогенных зерен изменяется от 0.п до п.0 мм, т. е. соответствуют песчано-гравийной фракции. Иногда отмечаются породные обломки галечной крупности — до 1.5 см в поперечнике. Форма обломков, как правило, округлая, реже округло-угловатая, часто встречаются сгустковидные образования с «рваными» границами, представляющие собой не до конца размокшие и разрушенные при транспортировке обломки. В роли цемента выступает масса усредненного состава и цвета. На долю обломков пород нередко приходится до 80—90 % объема осадка. В распределении зерен различных цветов и размеров по профилю отдельно взятых циклитов никаких закономерностей обнаружено не было.
Исследования валового силикатного и минерального составов разно-окрашенных обломков с помощью растровой электронной микроскопии показали широкую вариабельность некоторых параметров. Так, например, обломки темно-коричневых пород характеризуются высокими содержаниями окисного железа (до 30 %) и иллит-смектитовым составом глиняной составляющей, а обломки желтовато-, зеленовато-, голубовато-белых
Рис. 2. Грубообломочная структура красноцветных отложений, сложенных обломками разноокрашенных пород; шлифованные образцы
Рис. 1. Палеопочвенные профили в расчистках красноцветных отложений тиманско-го горизонта
Рис. 3. Трещиноватость (отдельность) одной и той же породы в различных генетических горизонтах палеопочвенного профиля: а — Е1, б — Е1В, в — В, г — С
пород содержат сравнительно небольшое количество трехвалентного железа (обычно 1—3 %), отличаются заметной примесью каолинита. Остальные параметры минерального и химического составов колеблются в нешироких пределах.
Поскольку породы не литиф ици-рованы, они довольно легко размокают в воде и распускаются полностью. В результате попытки определить гранулометрический состав после подобной пробоподготовки образцов, например пипет-методом Качинского, приводят к результатам, не имеющим ничего общего с реальными структурами пород.
Таким образом, установлено, что палеопочвы развивались на субстрате, состоящим из мусорных отложений, в которых произвольным образом сочетаются обломки пород из различных горизонтов кор выветривания. Соответственно не представляется возможным определить изменения гранулометрического состава субстрата, степень трансформации глинистых минералов и их перераспределение по профилю в процессе древнего педогенеза.
Трещиноватость пород. В течение длительной геологической истории развития региона сплошность пород неоднократно нарушалась тектоническими трещинами. В результате возникли виды отдельности, не имеющие ничего общего с отдельностью, типичной для структуры почвы (термин, используемый в почвоведении). Как правило, красноцветные глинистые породы разбиты системами трещин на остроугольные неправильнополиэдрические, ромбоэдрические, параллелепипедальные, реже кубические осколки-блоки с размерами в сантиметровом диапазоне. Системы трещин имеют ориентацию, согласующуюся с рядом расположенными разломами. Тем не менее замечено, что в литологически однородных пластах-циклитах с развитыми палеопочвами трещиноватость закономерно изменяется по вертикали от горизонта к горизонту (рис. 3). Породы пестроокрашенных элювиальных па-леопочвенных генетических горизонтов (Е1) часто характеризуются комковато-рыхлым состоянием или раздробленностью на осколки размером до 1 см. Та же порода, но в переходном интервале (Е1В) к иллювиальному горизонту (В) обычно раздроблена на блоки размером 1—2 см. И далее вниз по профилю палеопочвы
размеры осколков, на которые разбита порода-субстрат, постепенно увеличиваются. Как правило, порода без признаков педогенеза или с его слабыми проявлениями (ВС или С) характеризуется трещиноватостью, при которой размеры осколков достигают 10 см.
Вполне очевидно, что трещиноватость пород имеет тектоническое происхождение, но изменения, произошедшие при древнем педогенезе, существенно отразились на физико-механических характеристиках отложений, что в свою очередь сказалось на интенсивности и морфологии трещин кливажа. Зеркала скольжения, в том числе и мелкие, не являются почвенными кута-нами скольжения (зИскеп-з1йез), поскольку они возникли при тектонических дислокациях, а глинистые кутаны — натечные глинистые пленки на поверхностях нынешних осколков-блоков — образовались после подвижек.
Химические особенности отложений. Главной особенностью химического состава исследуемых красноцве-тов является почти полное отсутствие в них карбонатов: обычно они содержат 0.1—0.2 % СО2. Это обстоятельство почти полностью исключает широчайшим образом применяемый комплекс аналитических работ, направленных на исследование карбонатов в пе-допрофилях.
Органические остатки в палеопочвах. Весьма примечательной особенностью большинства рассматриваемых палеопочвенных горизонтов яв-
ляется наличие в них углефицирован-ного (буроугольной стадии) органического вещества инситных корневых систем наземной растительности.
Для красноцветных толщ не характерно присутствие органических остатков, поскольку в условиях образования красноцветных формаций они весьма быстро «выгорают» [6, 8]. Причина хорошей сохранности корней в рассматриваемых отложениях кроется в одномоментном катастрофическом характере образования пластов, перекрывающих палеопочвен-ные горизонты, и их преимущественно глинистом составе (даже при грубозернистой структуре), способствовавшем полной изоляции органики от кислорода атмосферы и воды. Поскольку циклиты образовались в усло -виях суши, вода, транспортировавшая материал, довольно быстро отжималась и стекала вниз по склону пролю-виального конуса выноса. Судя по всему, осадок становился настолько сухим, что в нем со временем подавлялась жизнедеятельность даже анаэробных бактерий: оглеение пород вокруг органических остатков широко развито, но и сама органика сохранилась в значительных объемах.
Многие исследователи отмечают, что органические вещества в почвах плохо сохраняются. Установлено, что потеря органического углерода в четвертичных палеопочвах может достигать до 70 % уже за первые сотни лет погребения, а в более древних углерод, как правило, полностью минера-
лизуется [3]. Почвенный гумус по оценкам А. Г. Заварзина и С. В. Рож-нова [5] сохраняется в течение максимум 10 тыс. лет. Такое же примерно время существуют и наиболее устойчивые органоминеральные соединения [4, 15]. Обычно следы присутствия органического углерода фиксируются по микростроению почв, наличию карбонатных микро- и макроструктур (следов корней, копролитов
и др.), педогенных карбонатов и т. д. [2]. В этом аспекте исследованные нами палеопочвы девонского возраста обладают исключительной характеристикой: содержание органического углерода в некоторых горизонтах может достигать нескольких процентов.
Здесь следует более подробно остановиться на описании самих инсит-ных корней. В результате исследований было выделено два основных морфотипа корневых систем. К первому типу принадлежат сложноветвя-щиеся системы корней с тремя-че-тырьмя порядками ветвления, максимум их ветвления происходит на глубине 15—25 см. Диаметры осей колеблются от 0.п до 4.0 мм. Проникали корни на глубину 30—35 см от былой дневной поверхности. Ко второму типу отнесены тоже сложноветвящи-еся системы корней с теми же порядками ветвления, но отличающиеся рядом параметров. Главное отличие состоит в том, что ось первого порядка (основной корень) проникает на глубину 40—50, а в отдельных случаях — 70—80 см, где начинает весьма интенсивно ветвиться на оси более мелких порядков.
Поскольку в палеопочвенных разрезах обычно присутствуют одинаково сохранившиеся корневые системы обоих морфотипов, в распределении содержания органического углерода наблюдается два пика, соответствующие пучкам их интенсивного ветвления. Если первый пик прихо-
дится на верхние горизонты древних почв (Е1, Е1В), то второй может попасть в нижнюю часть иллювиального горизонта (В) или даже в зону его перехода в субстрат (ВС), где отсутствует накопление химических элементов, но присутствуют корни. Отмечены случаи, когда приповерхностные корневые системы развиты слабее корней глубокого проникновения (рис. 4), соответственно содержание
С на глубоких палеопочвенных го-
орг J
ризонтах получается выше, чем в при-кровельной части.
Таким образом, в настоящее время содержание органического углерода в исследованных нами палеопочвах, прямо пропорциональное степени развития корневых систем произраставших в девоне растений в период, предшествовавший их захоронению (прижизненному), вне зависимости от зрелости самой палеопочвы, отражает тем самым особые условия скорее биоценоза, чем педогенеза.
В итоге получается, что наиболее широко применяемые методы исследования палеопочвенных профилей: дифрактометрический анализ плазмы почвенного субстрата, минералогический, карбонатный анализы, определение содержания, состава и распределения Сорг, либо не применимы при изучении многих погребенных почв, либо их результаты следует интерпретировать с большим вниманием, учитывая особенности генезиса отложений и древнего педогенеза.
Литература
1. Алексеева Т. В., Алексеев А. О., Кабанов П. Б. и др. Палеопочвы карбона московской синеклизы: гуминовые вещества, минералогические и геохимические свойства // Палеопочвы и индикаторы континентального выветривания в истории биосферы / Отв. ред. С. В. Рожнов, В. А. Демкин: Серия «Гео-биологические про-
цессы в прошлом». Москва, ПИН РАН, 2010. С. 76—94. 2. Алексеева Т. В., Кабанов П. Б., Золотарева Б. Н. и др. Гуминовые вещества в составе палыгорскитового ор-гано-минерального комплекса из ископаемой почвы верхнего карбона южного Подмосковья // ДАН, 2009. Т. 425. № 2. С. 265—270. 3. Демкин В. А., Гугалинская Л. А., Алексеев А. О. и др. Палеопочвы как индикаторы эволюции биосферы. М.: НИА-Природа, Фонд «Инфосфера», 2007. 282 с. 4. Заварзина А. Г. Реконструкция возникновения палеопочв на основе современных процессов гумусообразования // Палеопочвы и индикаторы континентального выветривания в истории биосферы / Отв. ред. С. В. Рожнов, В. А. Демкин: Серия «Гео-биологические процессы в прошлом». Москва, ПИН РАН, 2010. С. 36—75. 5. Заварзин Г. А., Рожнов С. В. Выветривание и палеопочвы // Там же. С. 4—9. 6. Перельман А. И., Борисенко Е. Н. Геохимия ландшафтов пустынь пермско -го периода // Изв. АН. Сер. геогр., 1999. № 6. С. 32—38. 7. Таргульян В. О., Горячкин С. В. Память почв: почва как память биосферно-геосферно-антропосферных взаимодействий. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. С. 182—204. 8. Фролов В. Т Литология. М.: Изд-во МГУ. Т. 1, 1992; Т. 2, 1993; Т. 3, 1995. 9. Чалышев В. И. Методика изучения ископаемых почв. М.: Недра, 1978. 72 с.
10. Чалышев В. И. Открытие ископаемых почв в пермских и триасовых отложениях // ДАН, 1968. Т. 182. № 2. С. 426-429.
11. Шумилов И. X, Мингалев А. Н. Первая находка палеопочв в красноцветных отложениях Среднего Тимана // ДАН, 2009. Т. 428. № 2. С. 225-227. 12. Шумилов И. X. Первая находка палеопочв в зеленоцветных отложениях Среднего Тимана // ДАН, 2010. Т. 434. № 4. С. 515-517.
13. Якименко Е. Ю., Таргульян В. О., Чумаков Н. Ми др. Палеопочвы в верхнепермских отложениях, река Сухона (бассейн Северной Двины) // Литология и полезные ископаемые, 2000. № 4. С. 376-390.
14. Marriot S. B., Wright V. P. Investigating paleosol completeness and preservation in mid-Paleozoic alluvial paleosols: A case study in paleosol taphonomy from the Lower Old Red Sandstone // GSA, Special Paper 416, 2006. P. 43-52. 15. Mikutta R, Kleber M, Torn M. S., Jahn R. Stabilization of soil organic matter: association with minerals or chemical recalcitrance? // Biogeochemistry, 2006. V. 77. P. 25-56. 16. Retallack G. J. Soils ofthe Past: an Introduction to Paleopedology. 2nd Ed. Oxford: Blackwell, 2001. 600 p. 17. Wright V. P. Paleosols in shallow marine carbonate sequences // Earth-Sci. Rev, 1994. V. 35. P. 367-395.
Рецензент д. г.-м. н. Я. Э. Юдович
Рис. 4. Углефицированные корневые системы в палеопочвенном профиле: а — слабо развитые первого морфотипа в кровле; б — густые сильно ветвящиеся на глубине 50— 70 см. Органическое вещество окружено каймами оглеенной породы
