CC BY
38
------------------------------------------------- © Г. Л. Макаренко, 2008
УДК 622.1:553.97:624.131.43 Г.Л. Макаренко
РАЗВИТИЕ КОНЦЕПЦИИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ ТОРФЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ СТЕПЕНИ ТРОФНОСТИ СРЕДЫ ТОРФОНАКОПЛЕНИЯ
Семинар № 1
/долота, как природные объекты в
Х^виде наземных образований суши, с одной стороны, представляют собой биологический ресурс в живом естественном состоянии (растительный покров и его обитатели, поддерживающий саморазвитие болотной экосистемы). с другой. природное полезное ископаемое образование в форме геологического тела (торфяное месторождение). Более 1/5 территории России - оторфо-ванные площади с общим количеством выявленных торфяных месторождений более 65 тысяч, на которых сосредоточены запасы торфа в количестве 186 млрд т (около 37 % от мировых запасов торфа) на общей площади в 80.5 млн га
[7]. В составе многих регионов РФ торфяные месторождения составляют местную сырьевую базу для создания, развития и совершенствования производственного потенциала и являются неотъемлемой составной частью системы использования торфяного сырья по целому ряду приоритетных направлений хозяйственной, рекреационной и природоохранной деятельности.
Подстилающая материнская порода, ее генезис, строение, вещественный состав и свойства являются средой формирования и последующего развития болото- и торфообразовательного процесса на поверхности суши Земли, где на первоначальном этапе имели место
природные геологические процессы и явления как результат прямого соприкосновения и активного взаимодействия литосферы, атмосферы и гидросферы при последующей максимальной насыщенности органической жизнью в условиях избыточного увлажнения территории. Избыточную увлажненность, в условиях относительной неподвижности и покое геологической среды, формирование и развитие болото- и торфообразовательного процесса обуславливает наличие подвижного горизонта капиллярной каймы ПГКК, который по сути единовременно обеспечивает питательный режим живых болотных растений и процесс активного разложения отмершей растительной массы в динамической части залежи с последующим накоплением торфяных отложений [2]. Ботанический состав и основные природные свойства торфяные отложения приобретают и наследуют от материнских пород. Главное значение в образовании слоистости залежного слоя имеют количество и размеры поступающего и аккумулирующегося в осадок растительного материала в виде сохранившихся и разложившихся остатков растений-торфообразовате-лей. Подстилающие
материнские породы, независимо от генезиса, по фракционному составу представляют собой раздробленный обломочный раз-дельнозернистый или трещино-
ватый материал. Как энергетически ослабленная зона, он изначально является субстратом наземных форм жизни на суше и областью минерального питания болотных растений. Несмотря на то, что область питания грунтовой воды совпадает с областью ее распространения, болото- и торфоообразовательный процесс получает развитие только там, где вблизи поверхности суши присутствует ПГКК [4].
Отложения залежного слоя торфяных месторождений - результат атмоземного (органогенного) почвообразования [1]. Характер условий горизонтального залегания пластообразующих генетических слоев торфяных отложений и их структура (тонкозернистая пластичная связная, грубозернистая или зернистокомковатая слабосвязная, ленточная, войлочная, волокнистая, чешуйчатослоистая, плойчатая, губчатая) зависят от динамики торфонакопления, характера исходного материала и интенсивности микробиологических процессов распада, различны в различных фитоценозах [5]. Мощность генетических слоев торфяных отложений колеблется в диапазоне 0,1-3,25 м [2]. Их чередование представляет собой проявление неоднородности в толще залежи и указывает на изменение природных условий отложения осадка.
Моделирование является наиболее эффективным способом отображения сложных природных объектов, каковым является торфяное месторождение. Это дает возможность замещать его и получать о нем новую информацию. Предлагается априорная геологическая модель внутреннего строе-ния торфяного месторождения, в соответствии с которой сверху вниз выделены [2, 4]: многоярусный растительный покров РП, динамическая часть залежи ДЧЗ, собственно залежный торфяной слой СЗС, подсти-
лающая материнская порода в виде геологической среды, преобразованной в процессе проявления природных геологических процессов и явлений (озерные, водно-ледниковые, озер-но-ледниковые, ледниковые и лессовидные образования, сапропелевые отложения, скальные
трещинные породы, кора выветривания, аллювиальные отложения, мерзлотная геологическая среда и т.д.). ДЧЗ и СЗС образуют залежный слой болота ЗС. ДЧЗ сложена подземными органами живых болотных растений и отмершей активно разлагающейся растительной массой. Здесь наблюдается быстрое изменение во времени содержания влаги, количества тепла и воздуха, обусловленные гидрометеорологическим режимом (ходом осадков, интенсивностью солнечной радиации, эвапотранспирацией и стоком). В силу биогенного развития, в зависимости от положения уровня болотной воды УБВ, ДЧЗ торфяного месторождения по вертикали предложено разбивать на две зоны: верхнюю -транспирационно-инфильтра-ционную, и нижнюю - транспирационно-фильтрационную. В ДЧЗ, помимо условий и среды произрастания болотных растений-торфообра-зователей (подземные органы), при действии тесно взаимосвязанных природных факторов (физического, биологического и химического), единовременно идет активный и сложный процесс их неполного разложения в отмершем состоянии и превращения в торфяные отложения, закладывающий основу развития и увеличения мощности СЗС. СЗС образован генетическими слоями торфяных отложений (растительные остатки и
продукты их разложения) различного ботанического и компонентного состава и природными свойствами, отражаю-
щими специфику и особенности процесса торфонакопления.
Видов растений, произрастание которых было бы приурочено исключительно к переходному типу болота, не обнаружено. Отсутствие строго приуроченных видов к переходному типу болот и наличие обширных групп, так называемых евтрофно-ме-зотрофных и олиготрофно-мезо-трофных видов
свидетельствуют о постепенном характере смен растительности одного типа болот другим в процессе их развития. При этом наиболее богатая и разнообразная флора низинной (эв-трофной) стадии по мере перехода в стадию верховую (олиготрофную) обедняется и становится менее разнообразной [1]. Этому нашли подтверждение результаты ранее проведенных исследований по взаимосвязи процентного содержания сохранившейся и разложившейся частей остатков расте-ний-торфообразователей, а также по оценке и анализу взаимосвязи концентрации установленных основных подвижных форм катионов (по Л.О. Кар-пачевскому) в молекулярной (истинной) составляющей внутрипорового раствора с фактическим процентным содержанием растительных остатков эвтрофной и олиготрофной групп в составе торфяных отложений [2].
На основе установления в составе торфяных отложений процентного соотношения средних значений концентрации С и активности в растворе А,С свободных катионов кальция Са++, магния Mg++, алюминия А1+++, водорода Н было выявлено, что основными катионами внутрипорового раствора торфяных отложений являются катионы кальция Са++ или катионы водорода Н [2]. Это подтверждают и результаты исследований гидрохимического состава болотных вод торфяников Западной Европы
[8]. При этом учитывалась активность подвижных форм катионов кальция Са++ и водорода Н+ при бесконечном разбавлении А,ш, которая у катионов водорода почти в шесть раз превосходит катионы кальция [6]. Процентное соотношение катионов по концентрации С и активности во внутрипоровом растворе А,с=А,ш-С для торфяных отложений выразилось в следующих пропорциях (%):
• торфяные отложения нацело сложеные эвтрофными растительными остатками или последние преобладают над олиготрофными (обогащенный водно-минеральный режим торфонакопле-ния) -
С(71Са++:15М?++:7А/+++:7Н+);
Xc(55Са++■32Н■Шg++:4Аl+++);
• торфяные отложения нацело сложеные олиготрофными растительными остатками или последние преобладают над эвтрофными (обедненный водно-минеральный режим торфонакоп-ления)-
С(47Н+■28Са++:15Аl+++:10Мg++)■;
Хс (84Н+:8Са++:5Аl+++■3Мg++).
В настоящее время при выполнении ботанического анализа торфа, по традиционной методике, первоначально определяется степень разложения, затем образец отмучивается на сите с отверстиями диаметром 0,25 мм. При этом с водой уходят гумифицированная часть и мелкие частицы тканей, на сите остаются крупные остатки растений и семена. По промытому волокну под микроскопом ведется определение ботанического состава с установлением принадлежности растительного остатка к тому или иному виду растения.
При оценке количественных соотношений между растительными остатками в поле зрения микроскопа все торфяное волокно принимается за 100
Рис. 1. Номограмма по определению фактического процентного содержания сохранившихся растительных остатков в торфе
%, а по площади, занимаемой отдельными видами растительных остатков, устанавливается процентное соотношение между ними.
Это не отвечает фактическому процентному содержанию (от общей массы торфа) и не учитывает разложившуюся растительную массу (степень разложения торфа). Проблема оценки фактического процентного содержания растительных остатков в составе торфяных отложений ранее была поставлена З. Руофф [1918] и Н.Я. Кац [1941], в соответствии с которой процентное покрытие растительными остатками поля зрения микроскопа, учитывающее разложившуюся растительную массу, определяет более полную характеристику торфяных отложений, а количественное соотношение компонентов позволяет рассматривать их как действительное, то есть в неискаженном виде. Установление фактического процентного содержания нераз-ложившихся растительных остатков в торфе предлагается проводить тремя методами: расчетным, по номограмме и, для более ускоренного перевода информации в фактическое процентное содержание растительных остатков в торфе, программно-алгоритмическим методом пересчета с использованием микроЭВМ [2].
Расчетный метод по формуле Сф = Смба • (100 - Я)/100, %, где Сф - фактическое процентное содержание растительных остатков в торфе (по типовой принадлежности, группе или отдельно взятому виду), %; СМБА -
Номограммный метод
100 - Я,%
процентное содержание растительного остатка в торфе по результатам ботанического анализа под микроскопом (по типовой принадлежности, группе или отдельно взятому виду), %; Я - степень разложения торфа (содержание разложившейся растительной массы), %.
На номограмме вертикальные линии отражают процентное содержание остатков тканей неразложившихся расте-ний-торфообразователей от общей массы торфа (100 - Я), наклонные линии -содержание остатков тканей неразложившихся растений торфообразователей в торфе по результатам ботанического анализа торфа под микроскопом, горизонтальные линии - фактическое процентное содержание растительных остатков в торфе. Фактическое процентное содержание растительных остатков в торфе устанавливается по горизон-тальной линии, проходящей через точку пересечения вертикальной и наклонной линиями номограммы.
За основные биогенные компоненты торфяных отложений, определяющие их состав и отражающие степень трофно-сти среды торфонакопления, приняты: фактическое процентное содержание растительных остатков эвтрофного типа Э; фактическое процентное содержание
Таблица 1
Характерные признаки таксономических единиц генетической
кладЫфшюцииЭтррфянижютложвцийг и ка природных свойств торфяных отложений
—Тип- торф яных отло Рв уппа Класс
а »ж ний Общете? нич&кие С1%г ЮХ|Й?ИЧС 'і/нрМ от /Эд ФрЄМз» И!вМ§£К1 е Эк
^ э я ЇЦ: їй Э свш 1СЭ=50 и Э <50 і=50 Преобладающие :вЭ>^гва і>^в/1 < ЮІ=50
щи Э> я% О УГ,%> более А\% РІ О *ся <50 <50 и «е 5 А *мо ппы ос ховяя»3 атков: Ре2Оі Са + в и более
Эвтр< Гумі >фный 1 фицирові ип торф мная эвп, ян огравянюжений рофодеевесная
ОлЭТотро фный О0,1 О0,4 3 <»С МО1 ЬО» 0 ■4Ом и ; О Т ®' «Од ЗСМ( , 8> ЗС МОЬ ОМ
0=100% или О>Э О=50 Р *Э<50Ш і=тФ> ¿вдшадИЮЩие О>і і>О і=50 и
СМэя 42 86,3 бодее 3, )ЗО <500 и ,2 0 ■22р5 ппы »ос аткоВ: 85,3 9, 5 11,3 более
СМЭ 23 89,1 1,63 3 6І <6,0 5 боле 3 0 ,2мо ховяя 0,13 29,3 18 ,4 11,3 2,4
Среднее по группе 32,5 87,7 2,9 3 6 0,21 1,4 0 ,2 4 т ?авзная древесн 0,22 ая 57,3 13 ,9 11,3 2,1
Примечание Э — фяк ттическое п ро Эвп центн< рофная г іе содерж ЬуппаЭ „ '•яние сохрянившйй! эвтр офн тот т групп ы расти
тельных остЗтк оВ;5 О - факті чіс&о з «про іентно з бодер жЯние сохрани вШЪйо [ олиг стрbфп ойОгруп
пыОристи гел4ні їх ¡ост ітков; і ? —, фа ктиче ск^еои роцент ное,код ержани разло живш ихсягра ст0,тель
н^їх^ста' ков, (с тепень разлож сения. 0.25 1.53 0.79 0Г42* 0.57 26,9 5,72 П 8 2.3
Среднее риститш 33 >ных 87,0 оста 8,6 ткоВ і )л5и2гс троф 1,28 ного 0,52 ных 0.98 остат 0,51 коВ ил 35,6 и их прео шЯдИн ие2’над
пр»Ц( ;нмно< ї соде ржан ие2р< ізло- эвтр юфн^г ми»,5В ] .аждо мгтип [е гвыд еляют-
жившейся растительнЭй^ассыиьостая^ тоїйЯ*йрй^рУПП^І^иіі эвтрофном — эвтрофная ков тканей растений^ойфойбра^«г^р<сме«шинная ї^ктрофная СМЭ и гуми-
зоваГелеі і. УГл а.тивШнхзклгтоЧі ое с ^рое- ^иі ироВа ннИя1 э ^трофнаяг; ьэ;» % олиго-
ние (степень разложения торфа) і ! ^киготрофная О, смешанная
рыевсу мме і ^остиі ляют 100 ( %5, "Ні 1 <ос (Щи готроф ная ЗСІ АО0 и г умиф иЦиро ванная
ноЄМвом поне нтног о £ост ава, р аэра( >ота- ооли готроф ная оЬ <см> тибл > 1)5 Д ляовы-
нИргєкєт по группе ичерк ая°,кл ассиф зкац1 Чмто рфя- оЗел< групп зорф яных от^ >жений
ных ■ отл ожен ИИ . І Ні кшно иишль* лійіь меіи д тре-
единицы клас (тіШ СИШИ! 820 ^ащш 3,35 тор4 ЛП1)1/ 0,12 иі" 0,39 у 1 и. 0,11 г іьпі'ііч.а . 0,23 Г?орф 16,0 17,2 леляї
От каются Я 40 ’ соот 8X0 ветст 1&, КЛі 2,38 вии с ) у 3.2 хара 1/1 иіп <УЗ ктерн 0,37 ыми 0,14 ся ] тя кля ссыо (6 10,5 класі и иши 13,1 'ов і кИжд 10,7 ом от -
приЗнака ми »(т абл>01 ) 2,68 * з^П ~6Г^Г 0,58 °дЄті ІСі іаЛСІ ^но»Вз ятом» ти гпЄ)> і * "ЭВт 1* і Д. /1V / 1 рофЛо м ^Пп3
^Среднее по¥рийн аком устин ювлен ия,%в троф ного Огі "Эе трофн ой,груп [йегбо прео блада юЩему
(низинно составу і г9), 2т типи иЩоЭ маетс пок я-4-00 омпо % ’ со нент держ1 «ому ание офИк —тел тическ >пых о оMУоC) )статко держ* в выд нию еляЮ групп >тся: э рйсти- втроф-
эвтрофных растительных остатков или их преобладание над олиготрофными в составе торфяных отложений, а олиго-трофного (верхового) типа О - 100 % содержание олиготрофных раститель-Таблица 2
Осредненная характеристика природных свойств торфяных отложений
ный моховой Эм, эвтрофный травяной ЭТ и эвтрофный древесный Эд классы; в смешанной эвтрофной группе - смешанный эвтрофный СМЭ и смешанный эв-трофный
гумифицированный СМЭк классы; в гумифицированной эвтрофной группе -эвтрофный гумифицированный Эк
класс. В олиготрофном типе и олиго-трофной группе по преобладающему фактическому содержанию групп растительных остатков выделяя-ются: олиго-трофный моховой Ом, олиготрофный травяной ОТ и олиготрофный древесный Од классы; в смешанной олиготрофной группе - смешанный олиготрофный СМО
и смешанный олиготрофный гумифицированный СМок классы; в гумифицированной олиготрофной группе - олиго-трофный гумифицированный Ок класс (см. табл. 1). Изучены природные свойства торфяных отложений (табл. 2).
В общем виде процесс болотообразо-вания и торфонакопления начинается с эвтрофной стадии развития, при котором откладываются торфяные отложения, нацело состоящие из эвтрофных расти-
Таблица 3
Основные стадии и этапы развития современного болотообразовательного процесса и процесса торфонакопления
Динамическая часть залежного слоя — единовременная среда произрастания болотной растительности и среда активного неполного разложения отмершей растительной массы
Соотношение остатков в торфе Стадии и этапы развития собственно залежного слоя Основная характеристика торфяных отложений
О = 100 % Второй этап олиготрофной стадии развития Основная подвижная форма катионов во внутрипоровом растворе — катион Н+ Основные группы торфяных отложений на основе их компонентного состава: гумифицированная олиготрофная ЬО смешанная олиготрофная СМО олиготрофная О
О > Э Первый этап олиготроф-ной стадии развития ОЛИГОТРОФНАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ
Г Р А Н И Ц А П Е Р Е Х О Д А Основные группы контактов ПЕРВАЯ ВТОРАЯ ТРЕТЬЯ ЬЭ — ЬО СМЭ — ЬО Э — ЬО ЬЭ — СМО рСМЭ — СМ^оитМО^ естре-Ьэ - О СМЭ—*Оть грщуоризонтального
Э > О Второй этап эвтрофной стадии развития контакта перехода залежного т№тофяфыржекшртт1й ту^ишро^мтрфогсттион!сразвития Основные груштмроффя/фіх отложений на основе их компонентного состава: гумифицированная эвтрофная ЬЭ смешанная эвтрофная СМЭ эвтрофная Э
Э = 100 % Первый этап эвтрофной стадии развития ЭВТРОФНАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ
Минеральная геологическая среда на основе природных геологических процессов и явлений или лимно-гляциальные и лимногенные образования (пески, супеси, суглинки, глины, илы, са-пропели )
тельных остатков Э (Э = 100 % - первый этап эвтрофной стадии развития) (табл. 3). В последующем в его составе появляются олиготрофные растительные остатки О при доминирующем (преобладающем) содержании эвтрофных Э (Э>О - второй этап эвтрофной стадии развития).
На определенном этапе наступает переломный момент (выделяется горизонтальный контакт), при котором торфяная залежь из эвтрофной стадии развития переходит в олиготрофную стадию развития и в составе торфа начинают доминировать олиготрофные
260
растительные остатки О (Э<О — первый этап олиго-трофной стадии развития)>
На границе установленного контакта методом треугольника, на основе биологических компонент, определяется
группа торфа в эвтрофной стадии развития (нижняя часть контакта) и в олиго-трофной стадии развития (верхняя часть контакта) торфяной залежи, устанавливается тип контакта>
Всего на основе компонентного состава торфяных отложений было выделено 9 типов горизонтального контакта> Исследование типов позволило
1 группа
Таблица 4
Осредненная характеристика свойств отложений в залежном слое торфяных месторождений в соответствии с группами горизонтального контакта
Контактная группа Общетехнические свойства Агрохимические свойства, %
Я,% ’^% Ас,% рНс 8 СаО МеО АІ2О3 Рв2Оз
Первая 42,0 86,9 3,6 3,3 0,2 0,96 0,15 0,22 0,19
Вторая 34,0 88,8 2,4 3,3 0,2 0,5 0,15 0,18 0,13
Третья 22,0 91,1 3,0 3,4 0,17 0,78 0,19 0,18 0,16
Контактная
Физико-химические свойства, мг-экв/100 г
группа Са++ Н+ Ме++ А1+++
Первая 33, 3 25,0 9,5 13,9
Вторая 21,5 17,0 7,7 11,1
Третья 23,8 6, 2 7,6 7,9
выявить закономерность в соответствии с которой типы были объединены в три группы: первая группа ЯЭ-Ио; ЯЭ-СМо; Яэ-О (нижняя часть контакта сложена гумифицированным эвтрофным торфом); вторая группа СМЭ-Ио; СМэ-СМо; СМэ-О (нижняя часть контакта сложена смешанным эвтрофным торфом); третья группа Э-Яо; Э-СМо; Э- О
(нижняя часть контакта сложена эв-трофным торфом)]. На завершающем этапе развития залежного слоя торфяные отложения уже нацело состоят из олиготрофных растительных остатков О (О=100 % - второй этап олиготрофной стадии развития).
В процессе исследований была оценена относительная встречаемость групп горизонтального контакта перехода залежного слоя торфяных месторождений из эвтрофной стадии развития в олиготрофную (рис. 2).
Выявлено, что каждая из контактных групп отражает обстановку и режим
процесса торфонакопления, закономерности стратиграфии, состава и природных свойств отложений; обнаруживает генетически унаследованную взаимосвязь с растительным покровом торфяных месторождений (табл. 4) [2, 3].
Проведенными исследованиями установлено, что совокупность условий развития торфяных месторождений по степени трофности среды торфонакоп-ления (компонентный состав и природные свойства торфяных отложений, стадии и этапы развития залежного слоя) и ход смены этих условий могут быть чрезвычайно разнообразны. Каждый из этапов развития залежи торфяного месторождения, независимо от стадии, отражает природные условия наиболее длительного периода его существования и решающим образом определяет качественные характеристики залежи, ее эксплуатационное значение и генеральное направление рационального использования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бахнов В.К. Биогеохимические аспекты болотообразовательного процесса. Новосибирск: Наука, 1986. 193 с.
2. Макаренко Г.Л. Геология торфяных месторождений. Монография. Тверь: ТГТУ, 2001. 216 с. 18БК 5-7995-0164-0
3. Макаренко Г.Л. Оценка ресурсного потенциала природных объектов на примере Тверской области. Тверь: ТГТУ, 2004. 148с. 18БК 5-7995-0274-4.
4. Макаренко Г.Л., Шадрина Н.И. Основы биогеоценологии болот (геологический аспект): Учебное пособие. Тверь: ТГТУ, 1999.162 с. 18БК 5-7995-0115-2.
5. Пичугин А.В. Торфяные месторождения: Учебник. М.: Высшая школа, 1967. 275 с.
6. Шаталов А.Я., Маршаков И.К. Практикум по физической химии: Учебное посо-бие.М.: Высшая школа,1968.224с.
7. World Peat Resources: Reference book/ V.D. Markov, A.S. Olenin, L.A. Ospennikova & al., Moscow, <<Nedra>> Publiching House, 1988/ 383 p. ISBN 5-247-00330-6
8. Waugman G.I., Bellamy D.J. The distribution of majar elements between some ecosystem components in different peat land Zones // V11 International Peat Congress. - Dublin, 1984. Р.32...48.ЕШ
— Коротко об авторе -------------------------------------------------------------------
Макаренко Г.Л. - доцент, кандидат геолого-минералогических наук, кафедра геологии, переработки торфа и сапропеля, Тверской государственный технический университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 1 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. А.М. Гальперин.
