CC BY
80
УДК 550,384:561
А. И. Жданова, Г. Г. Матасова, И. Д. Зольников, А. Ю. Казанский, С. А. Гуськов
условия накопления четвертичных субаэральных отложений новосибирского приобья по геологогеофизическим данным разреза кольцово *
введение. Южная часть Западной Сибири является областью широкого распространения четвертичных отложений различных литогенетических типов. Геологогеоморфологическая обстановка, а также определенные климатические режимы, существовавшие и сменявшие друг друга на протяжении четвертичного периода, привели к формированию ярко выраженных в рельефе областей развевания и областей накопления мелкозернистого материала из взвешенного субаэрального наноса [1]. К одной из наиболее крупных областей второго типа можно отнести Приобскую увалистую равнину, где распространен почти сплошной покров лессовых отложений, залегающий на широко развитых здесь аллювиальных отложениях, которые образовались в долинах р. Оби и ее притоков во время активизации процессов водного стока [1]. Покровный субаэ-ральный комплекс, однако, является полигенетической ассоциацией. Помимо эоловых отложений, в него также входят отложения делювиального, солифлюкционного генезиса, а также ископаемые почвы [2, 3]. Циклично построенные лессово-почвенные последовательности разбросаны по территории континентов и повсеместно являются классическими объектами для построения региональных стратиграфических шкал четвертичной системы. Кроме того, физические и химические свойства лесов и ископаемых почв несут информацию о глобальных колебаниях климата и местных особенностях климатических флуктуаций, об источниках сноса обломочного материала, о направлении ветров и изменении их интенсивности, о диагенетических и постседиментационных преобразованиях осадков. Сравнительный анализ изменений различных физических и гранулометрических характеристик субаэральных отложений с вариациями климатических индикаторов в океанических, морских и озерных осадках позволяет проводить палеоклиматические и палеогеографические реконструкции [4-8].
Процессы переотложения и преобразования осадков приводят к возникновению иных генетических типов, таких как перевеянные эоловые пески, делювиальные отложения. При изучении лессово-почвенных разрезов эти типы отложений практически не выделяются как самостоятельные, а рассматриваются как «иные лессовидные отложения» [например, 9, с. 17]. За исключением работ по Сибирской субаэральной формации [1, 2, 10], нам известны только исследования коллектива, возглавляемого китайским ученым Джимином Саном (J. Sun), в которых магнитными методами детально изучается вся полигенетическая ассоциация отложений [7, 11]. По своим физическим и гранулометрическим характеристикам эоловые пески, делювий рассматриваются, как правило, в составе лессово-почвеннных серий в качестве более грубозернистых прослоев. Однако их роль
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 06-05-65135а и проект № 2 Программы 7 ОНЗ.
© А. И. Жданова, Г. Г. Матасова, И. Д. Зольников, А. Ю. Казанский, С. А. Гуськов, 2009
нельзя недооценивать в изучении истории развития регионов в четвертичном периоде и при палеогеографических реконструкциях.
Совместный анализ магнитных свойств и гранулометрического состава лессовопочвенных отложений используется с целью уточнения, детализации и повышения достоверности палеоклиматических и палеогеографических реконструкций. Дополняя друг друга, магнитные (чаще всего, магнитная восприимчивость) и гранулометрические (средний размер кварцевого зерна, количество фракций > 63 мкм, отношения различных фракций) параметры позволяют восстанавливать изменение интенсивности летних (теплых) и зимних (холодных) муссонов [5, 12, 13], оценивать количество поступающей эоловой пыли [11] и скорость аккумуляции лессово-почвенных отложений [13], определять цикличность осадконакопления [5, 6], проводить стратиграфические корреляции [5, 11] и корреляции с климатическими (хейнриковские события) либо с тектоническими (поднятие Тибетского плато) событиями [7], реконструировать структуру крупного климатического цикла или отдельного периода [11], определять миграцию границ пустынных и полупустынных областей — питающих провинций для лессово-почвенных формаций [11, 14], оценивать вклад дальних и ближних источников обломочного материала [7, 15].
Таким образом, с использованием магнитных и гранулометрических характеристик решается широкий круг задач, но возможности совместного анализа этих параметров для диагностики, характеристики и разделения различных генетических типов субаэральных отложений до сих пор не разработаны. Настоящая работа продолжает исследования, начатые авторами в Новосибирском Приобье [10] с целью расширения области применения магнитных методов и гранулометрического анализа субаэральных отложений в палеогеографических реконструкциях. В данной работе приводятся результаты детального изучения второго крупного разреза Новосибирского Приобья (разрез Кольцово) комплексом методов: геологическими (макровизуальное описание, текстурно-фациальный анализ), рентгеноструктурным, магнитными методами и методом лазерной гранулометрии.
Геологическое строение разреза Кольцово. Разрез Кольцово расположен на правом берегу р. Оби на северо-восточной окраине Приобской увалистой равнины (54°57' с. ш., 83°12' в. д.) (рис. 1), в области развития субаэрального комплекса отложений [1]. Территория правобережья Оби является относительно приподнятой и более густо расчленена сетью долин второго и третьего порядка, чем левобережье, поэтому в отличие от типичных увалов, сложенных в основном эоловыми образованиями, здесь более широко распространены овражно-балочный аллювий и склоновые отложения.
Геологическое строение разреза было изучено по ряду обнажений и расчисток (рис. 2, а—г). Макровизуальная характеристика в полевых условиях позволила выделить семь литологических разновидностей отложений. Двумя гранулометрическими типами представлены лессовидные неслоистые отложения: 1) суглинок легкий (слои 2, 4, 9),
2) супесь (слои 6, 8). По текстурно-структурным особенностям от неслоистых отложений отличается переслаивание (слои 5, 7), параллельное склону, двух литотипов: 3) песка и 4) супеси. Два ископаемых педокомплекса (ПК) также различаются по гранулометрическому составу и представлены: 5) средним суглинком (слой 3); 6) легким суглинком опесчаненным (слой 10). Педокомплексы состоят из гумусовых и иллювиальных горизонтов различных по цвету и мощности. В основании разреза залегает 7) мелкосреднезернистый песок (слой 11).
] территория г. Новосибирска
Рис. 1. Местоположение разреза Кольцово
Отн. отм., Абс. отм.. м м
10 140
Обнажение
Огн. отм.,
- 6
'"V 'V- ■ *"\> ■ ;<*!&!
\|/ \|/ ^ \|/ \і/ \і/
- 2 0
53 -1 ЕЗ -2[53 -з ЕЭ-4 ГТЛ-5
4 8 12 ї
-6 ИИ НИН ЕЬЙ -9 Е^-юГТЯ-пгаЛ-12
Рис. 2. Геологическое строение разреза Кольцово:
а — схема расположения изученных обнажений разреза; б — обнажение 1; в — обнажение 2; г — обнажение 3.
1 — суглинок средний; 2 — суглинок легкий; 3 — супесь; 4 — переслаивание песков и супесей; 5 — песок; палеопочвы (6-8): 6 — гумусовый горизонт; 7 — иллювиальный горизонт (суглинок средний); 8 — иллювиальный горизонт (суглинок легкий); 9 — осыпь; 10 — местоположение изученных обнажений (сплошной линией указаны участки, приведенные на рис. 2, б-г); 11 — местоположение расчисток для отбора образцов; 12 — номера слоев
Глуб..
м
От
1
2-
3-
4
5
6
7-
8
9
10-.
11
12-
Выделенные литологические разновидности были описаны в трех обнажениях, по которым была составлена сводная литологическая колонка, включающая в себя последовательность из 11 слоев, краткая характеристика которых приведена на рис. 3. Мощности слоев в колонке соответствуют мощности в расчистках, из которых отбирались образцы. В разрезе отмечены три структурных несогласия. Первое несогласие фиксируется в подошве слоя, который ложится облекающим покровом на слой 3 в обнажениях 1, 2 и на слой 9 в обнажении 3. В обнажении 2 на слое 10 залегает слой 7 в северо-восточной части и слой 8 в юго-западной части обнажения. Таким образом, можно сделать вывод о том, что формированию слоев 2, 7 и 8 предшествовали этапы денудации, которые с различной интенсивностью проявлялись в разных частях разреза.
Результаты гранулометрического анализа отложений. Гранулометрический состав изучался на анализаторе размера частиц {^¡сгай'ас Х-100» по 114 образцам, отобранным в трех расчистках через 10 см (рис. 2). Для диспергирования образцов применялось ультразвуковое воздействие. Результаты получены в виде содержания 60 подфракций (размером от 704 до 0,026 мкм) в объемных процентах по каждому образцу.
№ слоя Лито- логия Описание
1 Современная почва
2 'Чу 'Ч/ 'Чу 'Чу 'Чу 'Чу у. 'X' Лессовидный суглинок легкий палево-бурый, с вертикальной столбчатой отдельностью, субгоризонтально полосчатый в верхней части; прослойки гумусированного материала, в нижней части карбонатные включения размером до 1 мм.
3 1 Педокомплекс, сложно построенный. Гумусовые прослои на уровнях 1,9-2,0,2,4—2,5, 3,2-3,5 м (суглинки средние светло-серого, серого цвета) и 3,9-4,3 м (суглинки средние темно-серого цвета), в основном солифлюкционно преобразованные без четкого почвенного профиля. В промежутках между прослоями суглинок средний темнопалевый.
/ Суглинок легкий неслоистый палевый, в нижней части опесчаненный.
4 '"Чу /“Чу 'Ху /Переслаивание линзовидное, наклонное, песка крупнозернистого светло-серо-желтого с супесями коричневатыми, тонкослоистыми (слойки 2-3 см мощностью), с пластинчатой отдельностью, параллельной подошве слоя. Прослой песка среднезернистого на шуб. 5,4-5,7 м.
5 'Ху • 'Х/ * 'Ху * 'Хт-Оуу
6 'Ху 'Х, 'Ху СЧу Супесь неслоистая с большим количеством мелких включений (до нескольких мм) гидроокислов железа.
7 'Ху-'Х/ . 'Ху • 'Ху-'Ху * "Ху * Переслаивание наклонное песков светло-желтых, тонкослоистых и коричневато-серых супесей. Встречаются слои ожелезненные желтовато-серые толщиной 0,3-2 см, растасканный гумусовый материал (пятнами, слойками). На 7,4—7,8 м серые, бурые супеси гумусированные. Ниже слои песка увеличиваются по мощности.
8 ^ 'Ху ^Супесь неслоистая, аналогичная слою 6.
9 'Чу 'Чу 'Чу ~ 'Чу 'Чу Лессовидный суглинок легкий неслоистый светло-серый с вертикальной столбчатой отдельностью.
Педокомплекс, включающий три ярко выраженных гумусовых горизонта: суглинки легкие коричневого цвета мощностью 10 см на глубине 10,2,10,6 м и темно-коричневого цвета мощностью 25-30 см на глубине 10,9 м. Горизонты вымывания — суглинки средние опесчаненные светло-коричневого цвета. Затеки \гумуса по крутонаклонным
10 г
11
Песок среднезернистый желто-серый с рыжими прослоями и пятнами ожелезнения.
Рис. 3. Литологическая колонка отложений разреза Кольцово: условные обозначения см. на рис. 2
О -1 • -2 ▲ -3 О -4 X -5 □ -6 ■ -7
Рис. 4. Диаграммы распределения гранулометрических подфракций, типичных для различных литологических типов отложений, распределения гранулометрических фракций: а — лессовидные отложения: 1 — суглинок (слои 2, 4), 2 — суглинок (слой 9); 3 — супесь; б — слоистые отложения: 4 — песок, 5 — супесь; в — палеопочвы: 6 — суглинок средний; 7 — суглинок легкий опесчаненный
Подфракции, которые имеют наиболее высокие коэффициенты корреляции между собой по содержанию в отложениях, были объединены в группы (фракции): 1) 704124,5 мкм (песчаная фракция), 2) 104-44 мкм (крупноалевритовая); 3) 37-11 мкм (мелкоалевритовая), 4) < 9,25 мкм (глинистая или пелитовая). Границы выделенных фракций совпадают с общепринятыми классификациями [16], кроме границы между крупноалевритовой и мелкоалевритовой фракциями, которая смещена в сторону мелкоалевритовой на ~10 мкм. Типичное распределение гранулометрических подфракций литологических разновидностей, выделенных при полевом описании, приведено на рис. 4.
Для лессовидных легких суглинков характерно распределение, где наибольший процент составляют частицы размером 37-44 мкм (рис 4, а) Кривые характеризуются положительной асимметрией, что означает существенный вклад мелкозернистых частиц. Супеси лессовидные характеризуются наилучшей сортировкой и симметричным видом кривой распределения гранулометрических фракций. Максимальное содержание имеет фракция размером 52-63 мкм.
Пески и супеси слоистой толщи характеризуются двумя типами гранулометрического состава (рис. 4, б): 1) бимодальным распределением гранулометрических фракций (песок) с наибольшим содержанием песчаных зерен размером 248,9 мкм, меньший пик соответствует крупноалевритовым частицам размером 62,33 мкм и 2) распределением, сходным с распределением в лессовидных суглинках (супеси), но отличается от них повышенным содержанием песчаной фракции и в целом, судя по отрицательному эксцессу, супеси хуже сортированы.
Палеопочвы имеют распределение, близкое к лессовидным суглинкам, однако в них наибольшее процентное содержание имеют частицы размером 27-31 мкм. (рис. 4, в) Распределение имеет асимметричный характер. Некоторой спецификой обладают образцы нижней палеопочвы (слой 10), где присутствует второстепенный пик (296 мкм) в области песчаной фракции. Такое бимодальное распределение, вероятнее всего, связано с развитием педокомплекса на песчаных отложениях, которые обеспечили повышенное содержание в почве крупнозернистого материала.
Из графиков распределения гранулометрических параметров (рис. 5) видно, что лессовидные супеси имеют содержание песчаного материала 5-15 %, глинистой
Кольцове А,,, мк.м 704-125,5 мкм, % 104—44мкм, % 37-11 мкм, % <9,25мкм, %
0 100 250 0 40 80 0 30 60 0 30 60 0 25 50 0
глуб., м
Рис. 5. Графики зависимости от глубины — среднего диаметра (Дср, мкм), содержания фракций (в %) и степени агрегированности (С, %) в отложениях разреза Кольцово: условные обозначения см. на рис. 2
фракции 10-15 %. Лессовидные суглинки легкие характеризуются содержанием песчаной фракции 0-10 %, глинистой 20-25 %. При этом лессовидные супеси заметно выделяются на фоне других отложений разреза повышенным количеством крупноалевритовых частиц (45-60 %), в суглинках их содержание составляет ~ 30 %. Размер среднего диаметра _Оср в супесях и суглинках колеблется в пределах 45-60 и 30-40 мкм, соответственно.
Слоистая толща очень контрастна по гранулометрическому составу и обладает высокой изменчивостью гранулометрических характеристик. В песках средний диаметр зерна 120-220 мкм, содержание песчаной фракции до 60 %. В супесях средний диаметр составляет 25-50 мкм, а содержание песчаных зерен не превышает 10 %. Кроме того, по сравнению с песком в супесях более высокое содержание глинистой и мелкоалевритовой фракций (15-40 и 30-45 % в супесях, 5-12 и 5-35 % в песках, соответственно).
Гранулометрический состав разновозрастных палеопочв обнаруживает существенное различие в содержании песчаной фракции. Если верхний педокомплекс (слой
3) суглинистого состава содержит всего до 3 % песчаных зерен, то в нижнем (слой 10) наблюдается содержание песчаной фракции 5-25 %. По содержанию остальных фракций больших различий не обнаруживается. Содержание крупноалевритовой фракции колеблется в пределах 10-25 %, мелкоалевритовой 35-50 %, глинистой — 25-45 %, однако в нижней палеопочве эти значения ближе к нижним пределам диапазонов. В связи с повышенным содержанием песчаной фракции в нижнем ПК средний диаметр зерна существенно больше и варьирует в пределах 40-100 мкм, в верхнем ПК он составляет ~25 мкм.
Суммарная степень агрегированности — С, % (сумма разностей одного знака между содержаниями фракций до и после ультразвуковой обработки) является важным параметром, характеризующим вклад химических процессов в формирование и преобразование отложений. В разрезе Кольцово с колеблется, в среднем, от 5 до 30 %, составляя
в лессовидных суглинках и супесях 15-20 %, в песках и супесях слоистой толщи 5-13 % и 15-20 %, соответственно. Наиболее высокие значения d (20-30 %) наблюдаются в ископаемых почвах.
Результаты петромагнитных исследований отложений. Для петромагнитных исследований из свежезачищенной вертикальной стенки были отобраны ориентированные образцы через каждые 10 см штуфами (5*5*10 см) из плотных отложений и пластиковыми контейнерами (2*2*2 см) из рыхлых. Штуфы распиливались на три уровня по вертикали, из каждого уровня изготавливалось по 2 образца-кубика ребром 2 см. Общая коллекция составила более 400 образцов.
У всех образцов измерены высокочастотная и низкочастотная магнитная восприимчивость (xLF, xHF) и естественная остаточная намагниченность (NRM). Остальные магнитные параметры: остаточная намагниченность насыщения (SIRM), полученная в поле 1,4 Тл, изотермическая остаточная намагниченность (IRM) — в обратном поле 300 мТл, идеальная остаточная намагниченность (ARM), созданная в переменном поле 100 мТл в присутствии постоянного магнитного поля Земли измерены на образцах через 10 см. Для более детальных исследований привлекались расчетные характеристики: фактор Кенигсбергера Q = Ji/NRM, дающий информацию о природе остаточной намагниченности; FD-фактор, характеризующий в процентах относительную частотно-зависимую магнитную восприимчивость, чувствительную к суперпарамагнитным (СПМ) зернам магнитных минералов, FD = 100((%LF — XHF)/XLF); параметр S=IRM/SIRM, оценивающий соотношение магнитомягких и магнитожестких минералов; отношения %/SIRM, %/ARM, SIRM/ARM, прямо пропорциональные эффективному размеру магнитного зерна.
Все измерения проведены на стандартной аппаратуре и по стандартным методикам [8]. Магнитная восприимчивость измерялась на каппабридже Bartington MS-2B, величина различных видов намагниченности измерялись на криогенном магнитометре HSM и рок-генераторе ИОН-1. Для создания SIRM, IRM применялся электромагнит 5Р, ARM приобреталась образцами на установке переменного поля конструкции ИФЗ РАН. Дифференциальный термомагнитный анализ проводился на коэрцитивном спектрометре Казанского государственного университета.
Определение магнитных минералов, кроме магнитных методов, производилось рентгено-дифракционным анализом магнитной фракции, извлеченной с помощью ручного магнита из разрыхленных в агатовой ступе образцов.
Магнитная восприимчивость х, характеризующая главным образом концентрацию магнитных минералов, в субаэральных отложениях разрезе Кольцово варьирует от 20 до 200 * 10-8 м3кг-1 (рис. 6). Самыми магнитными являются лессовидные супеси (х = 140 г 200 * 10-8 м 3кг-1), в лессовидных суглинках также отмечаются высокие значения X (100 г 180 * 10-8 м3кг-1). Наибольшим разбросом величин х обладает слоистая толща, где х колеблется в диапазоне от 30 до 200 * 10-8 м3кг-1, причем низкие значения приурочены к прослоям гумусового материала и грубозернистого песка. Наименьшие значения х (20 г 60 * 10-8 м 3кг-1) встречаются в гумусовых горизонтах верхнего и частично нижнего педокомплекса. Нижняя часть верхнего ПК характеризуется повышенными значениями х (120 г 140 * 10-8 м3кг-1).
Параметры Q и FD обнаруживают четкую дифференциацию в разрезе в зависимости от литологической разновидности отложений (рис. 6). В лессовидных отложениях и в слоистой толще величина Q < 1 и значения FD < 2 % свидетельствуют о детритной
NRM, X SIRM, ARM, Q FD, % S X/SIRM X/ARM SIRM/ARM
1Л-5А.Д__-1 1 ir2 A *.2,,тГ1 Irt^AwW1
гауб., m
Рис. 6. Петромагнитные характеристики отложений разреза Кольцово: условные обозначения см. на рис. 2
природе естественной остаточной намагниченности и хорошей сохранности осадков, не подвергшихся химическому выветриванию. В палеопочвах Q > 1, FD > 2 %, причем в наиболее развитых гумусовых горизонтах обоих ПК Q достигает 2,3, а FD возрастает до 7 %, указывая на относительно интенсивные педогенные процессы и образование аутигенных тонкозернистых магнитных минералов (био)химического происхождения. Отражая один и тот же процесс, в педокомплексах эти два параметра связаны между собой коэффициентами корреляции 0,4-0,5.
Остаточная намагниченность насыщения SIRM варьирует по глубине синхронно с х, хотя в целом по разрезу коэффициент корреляции не очень высок, R = 0,51. В отдельных горизонтах он повышается до 0,95 (ПК1). В верхней (выше 4,5 м) и нижней (ниже 9 м) частях разреза эти два параметра тесно связаны между собой с коэффициентом корреляции 0,92 и 0,79, соответственно. Также сильна их взаимосвязь в метровой толще неслоистой супеси в срединной части разреза (слой 6), R = 0,89, и нарушается она только в наиболее магнитно разнородной слоистой толще (слои 5, 7).
Безгистерезисная остаточная намагниченность ARM является индикатором присутствия в отложениях мелких однодоменных (ОД) частиц магнитных минералов. В лессовидных суглинках, супесях, слоистых отложениях ARM показывает наиболее низкие значения (5 15 х 10-5 Ам2кг-1), отражая малое содержание мелкозернистых магнитных
минералов в этих литологических разновидностях. Высокие значения ARM встречаются в гумусовых горизонтах ПК (от 15 до 40 х 10-5 Ам2кг-1), в тех, которые характеризуются и повышенными значениями Q и FD, что подтверждает химические преобразования магнитных минералов и новообразование педогенных тонкозернистых (СПМ, ОД) минералов.
Поскольку связи между х, SIRM, IRM, с одной стороны, и ARM, с другой стороны, в выделенных литологических разновидностях отложений различаются, имеет смысл охарактеризовать их для отдельных частей разреза. В верхней части разреза (выше 4,5 м) эти
параметры тесно связаны между собой, коэффициенты корреляции высоки: R ARM = 0,86, Rsirm, ARM = 0,81, Rirm, ARM = 0,93. В нижней части синхронно изменяются только IRM и ARM с R = 0,95. В более грубозернистых разностях отложений взаимосвязи ослабляются, за счет этого общие коэффициенты корреляции по разрезу менее 0,5. Отражая процесс новообразования мелких аутигенных магнитных частиц и химической естественной остаточной намагниченности, в палеопочвах тесно связаны между ARM и NRM с R = 0,73 в верхнем ПК и R = 0,75 в нижнем ПК.
Параметр S, варьирующий между 0,62 и 0,98, указывает на относительно высокое содержание высококоэрцитивных минералов (гематита и/или гетита) в магнитной фракции субаэральных отложений. С учетом величин Q и FD, можно считать, что в лессовидных суглинках, супесях и слоистой толще эти минералы (вероятнее всего, гематит) терриген-ного происхождения. Параметр S имеет общую тенденцию увеличения по разрезу снизу вверх, что указывает на увеличение относительного количества магнитомягких минералов в более молодых отложениях.
Все отношения (x/SIRM, //ARM, SIRM/ARM), отражающие изменение эффективного размера магнитного зерна, показывают, что самая мелкозернистая магнитная фракция содержится в палеопочвах; в лессовидных суглинках и супесях размеры магнитных частиц увеличиваются, а слоистая толща содержит самые крупнозернистые магнитные минералы. Размер магнитного зерна уменьшается и в прослоях гумусового материала в слоистой толще. При детальном рассмотрении видно, что в нижней части разреза (ниже 9 м) все три отношения изменяются по-разному, особенно в нижнем ПК. В средней и верхней частях разреза вариации %/ARM и SIRM/ARM совершенно аналогичны, с коэффициентом корреляции 0,9, при этом уменьшение величин этих отношений, а значит, и уменьшение магнитного зерна, четко соответствуют гумусовым горизонтам современной и ископаемых почв и приурочены даже к прослоям гумусированного материала в слоистой толще. Вариации %/SIRM не совпадают с %/ARM и SIRM/ARM практически по всему разрезу. Такое различное поведение всех трех отношений по глубине разреза объясняется тем фактом, что все они связаны с разными по размеру магнитными зернами. %/SIRM чувствительно к крупным многодоменным (МД) магнитным частицам и показывает их большое количество в средней грубозернистой части разреза, состоящей из песка и супеси, и очень малое количество Мд-зерен в нижних гумусовых горизонтах обоих ПК. отношения, содержащие ARM, чувствительны, соответственно, к мелким магнитным ОД-частицам и своими низкими значениями указывают на их повышенное содержание в гумусовых горизонтах ПК, а высокими величинами — на отсутствие или очень малое количество ОД-частиц в средней части разреза.
Для определения состава магнитной фракции отложений использовался дифференциальный термомагнитный анализ (рис. 7, а). Основным магнитным минералом во всех литологических разновидностях отложений установлен магнетит, который четко диагностируется на кривых J (T) первого нагрева по температуре Кюри (~570 °C). На дифференциальной кривой первого нагрева, кроме пика на 570 °C, присутствует пик в районе 350 C, что предполагает наличие маггемита. Кривая в увеличенном масштабе для температур от 550 до 750 °С обнаруживает небольшой перегиб при температуре около 700 °C, что соответствует точке Кюри гематита. При повторном нагреве образцов лессовидных и слоистых отложений наблюдается потеря намагниченности после первого прогрева, что связано, вероятно, с необратимым переходом маггемита в гематит. Для палеопочвенных отложений характерно повышение намагниченности после первого прогрева образцов,
в результате которого происходит химическое новообразование сильномагнитных минералов, судя по дифференциальной кривой — магнетита. Этот факт можно объяснить превращением парамагнитных глинистых минералов (например, монтмориллонита, гидрослюд [17]) в магнетит в результате воздействия высоких температур и отжигом органического (гумусового) материала с образованием магнетита.
Диагностика минералов магнитными методами совпадает с данными рентгеноструктурных исследований (рис. 7, б). На диаграммах видно, что состав магнитной фракции во всех отложениях одинаков, что может служить косвенным признаком постоянства источника сноса и превалирующего направления ветра в период накопления осадочной толщи в Новосибирском Приобье.
I, имп/сек
100 80 60 -40 -20 -0
Лессовидный суглинок (слой 1), н глуб. 1,3 м
Ж-Ч
А. Л 3 Й
_____А?
ж
100
80
60-
40-
20-
0
Палеопочва, суглинок легкий, н (слой 11), | глуб. 11,7 м
'тА гЛ'
£
г
.-/ч.
Е
Е
А-|
-А-
60 65
20 +Сика
Рис. 7. Результаты исследования магнитоминералогического состава: а — кривые термомагнитного анализа (сплошной линией показаны кривые первого нагрева, пунктирной — второго); в правой верхней части графиков показана увеличенная часть кривой первого нагрева; б — рентгеноструктурные диаграммы наиболее типичных образцов
Все отложения характеризуются определенными взаимосвязями магнитных свойств. На рис. 8 приведены графики распределения некоторых магнитных характеристик в выделенных литологических разновидностях отложений.
На графике (рис. 8, а) зависимости х от SIRM четко разделяются относительно крупнозернистые и среднезернистые литологические разновидности осадков — лессовидные суглинки, супеси и пески по размерам магнитных частиц: наиболее крупные магнитные частицы содержат песчаные прослои слоистой толщи, лессовидная супесь занимает промежуточное положение между лессовидными суглинками и слоистой толщей. Лессовидные суглинки различного возраста содержат близкие концентрации магнитного материала, но разделяются по размеру частиц: более мелкие магнитные частицы содержатся в более молодых отложениях. Зависимость х от ARM (рис. 8, б) хорошо разделяет по размеру магнитного зерна относительно мелкозернистые и среднезернистые осадки — ископаемые почвы и лессовидные суглинки. В суглинках магнитная фракция состоит из более крупных частиц, чем в палеопочвах, при этом наиболее крупнозернистыми по магнитному зерну
100
Рис. 8. Распределение некоторых магнитных характеристик в различных литогенетических
типах отложений: условные обозначения см. на рис. 4; единицы измерения см. на рис. 6
являются лессовидные отложения нижней части разреза. О наличии СПМ-частиц и соотношении их с ОД-зернами можно судить по зависимости SIRM/ARM от FD (рис. 8, в). Здесь очень четко разделяются все лессово-почвенные отложения разреза как по литологии, так и по возрасту. Наибольшее количество мелких ОД- и СПМ-частиц наблюдается в нижнем ПК, чуть меньше их в более молодом верхнем ПК, затем их общее содержание уменьшается в лессовидных суглинках верхней части разреза (слои 2, 4). И в нижних суглинках при приблизительно той же малой концентрации СПМ-зерен уменьшается и количество ОД-зерен, т. е. подтверждается факт наличия самой крупнозернистой магнитной фракции в нижних суглинках среди лессово-почвенных разновидностей данного разреза. И последний график на рис. 8, г демонстрирует взаимоотношение МД- и ОД-частиц в лессовидных суглинках, супесях и песках: ОД-частицы в заметном количестве могут содержаться только в суглинках верхней части разреза и практически отсутствуют во всех остальных крупнозернистых литологических разновидностях отложений разреза.
Суммируя вышесказанное о магнитных свойствах субаэральных отложений, можно охарактеризовать все выделенные литогенетические разности отложений следующим образом:
• ископаемые почвы (педокомплексы) — самые слабомагнитные отложения с наименьшей концентрацией магнитных минералов. Отложения подвергались интенсивному химическому выветриванию с новообразованием тонкозернистых аутигенных магнитных минералов. В ансамбле магнитных зерен преобладают мелкие ОД- и СПМ-частицы, особенно в гумусовых горизонтах. Более древний (нижний) ПК характеризуется более интенсивным аутигенным образованием магнитных минералов и более мелким эффективным размером магнитного зерна по сравнению с верхним (молодым) ПК;
• лессовидные суглинки — более магнитны, чем палеопочвы, довольно однородны по магнитным свойствам. Слабо выветрелые отложения, с преобладанием физического выветривания над химическим. В магнитной фракции практически отсутствуют мелкие магнитные зерна — СПМ и ОД. Концентрация магнитных минералов в суглинках нижней и верхней частях разреза приблизительно одинакова, но суглинки нижней части содержат более крупнозернистые магнитные минералы. Лессовидные суглинки и педокомплекс верхней части разреза очень близки по магнитным свойствам, в то время как в нижней части аналогичные отложения сильно отличаются, и их дифференциация по магнитным свойствам гораздо более выражена;
• лессовидные супеси — самые магнитные из отложений, вскрытых разрезом, с наибольшей концентрацией магнитных минералов. Подвергались только физическому выветриванию. Довольно однородны магнитно. Магнитная фракция состоит, в основном, из крупных магнитных МД-зерен. От суглинков отличаются большей концентрацией магнитных минералов и более крупным эффективным размером магнитного зерна;
• пески — наиболее разнородны по магнитным свойствам, магнитные характеристики меняются от «почвенных» до «супесных», это происходит, в основном, за счет сильно меняющейся концентрации магнитных минералов. Магнитная фракция состоит только из крупных МД-частиц, самый большой эффективный размер магнитного зерна, что отличает наиболее магнитные прослои песка от супеси.
11
средний диаметр зерна, количество крупноалевритовой и песчаной фракции
степень агрегированное™, количество глинистой фракции
Ископаемые Лессовидные Лессовидные Пески
почвы суглинки супеси
концентрация, эффективный размер зерна, изменчивость магнитных характеристик
>
Пі
1 (био)химические преобразования, количество СПМ-, ОД-зерен
& <
Рис. 9. Закономерности изменения гранулометрических и магнитных характеристик в различных
литогенетических типах отложений
Изменение магнитных и гранулометрических характеристик в лито-генетических разновидностях отложений разреза Кольцово наглядно изображены на рис. 9.
Связи между магнитными свойствами отложений и их гранулометрическим составом. Корреляционный анализ изменений магнитных характеристик и гранулометрических показателей субаэральных отложений дал возможность установить тесную связь между процессом формирования магнитных свойств и гранулометрическим составом осадков. Прежде всего, высокие коэффициенты корреляции характеризуют взаимные изменения концентрационно зависимых магнитных характеристик (х, SIRM, ІЯМ) и содержание крупноалевритовой фракции (40-104 мкм), в верхней и нижней частях разреза Я меняется от 0,5 8 до 0,86. В средней части, где наиболее сильно меняется гранулометрический состав отложений (рис. 5), наиболее высокие коэффициенты корреляции у концентрационных параметров с содержанием алевритовой фракции (11-104 мкм), Я колеблется между
0,55 и 0,79. Это означает, что магнитные свойства субаэральных отложений разреза Коль-цово зависят, в первую очередь, от концентрации магнитных минералов в алевритовой, а более конкретно, в крупноалевритовой фракции.
В нижнем ПК с наиболее интенсивными педогенными процессами и аутигенным образованием СПМ-частиц магнитных минералов поведение FD и 2 обусловлено магнитными минералами глинистой фракции (< 11 мкм), их связь характеризуется коэффициентами корреляции 0,56 и 0,63, соответственно.
В нижней части разреза, где магнитная фракция ПК включает в себя наибольшее количество мелких магнитных частиц, а лессовидные суглинки более контрастны по отношению к ПК по размеру магнитного зерна, структурно-чувствительные показатели—отношения %/АЯМ, SIRM/ARM — тесно коррелируют с содержание крупноалевритовой фракции с коэффициентами 0,96 и 0,76, соответственно.
В целом по разрезу, поведение магнитной восприимчивости отложений обусловлено вариациями содержания крупноалевритовой фракции (Я = 0,60), эффективный размер
магнитного зерна зависит от размера магнитных частиц физического песка (>40 мкм) (для x/ARM R = 0,63, для x/SIRM R = 0,60), средний диаметр кварцевого зерна отражается теми же структурно-чувствительными отношениями (для x/ARM R = 0,45, для x/SIRM R = 0,48). Магнитные характеристики FD и Q, показывающие степень измененности отложений диагенетическими и постгенетическими преобразованиями, обусловлены содержанием глинистой фракции в осадках (R = 0,36, R = 0,38, соответственно). Все коэффициенты корреляции являются значимыми для вероятности существования связи 95 % (а = 0,05).
обсуждение результатов. Гранулометрический состав лессовидных легких суглинков с унимодальным распределением, средним размером зерна 35-40 мкм, низким содержанием песчаных и крупноалевритовых частиц и слабой положительной ассиметрией свидетельствует о преимущественно эоловом поступлении (в виде пыли) обломочного материала из одного неблизкого источника. В совокупности с текстурными признаками, а именно, цвет палевый, палево-бурый, отсутствие слоистости, вертикальная отдельность в обнажении, гранулометрический состав позволяет отнести их к генетическому типу эоловых навеянных отложений (лессы). Слабая ассиметрия предполагает небольшой вклад в состав суглинков глинистой фракции, возможно элювиального характера, образовавшейся в результате частичной диагенетической переработки отложений
Гранулометрический состав ископаемых почв имеет два типа распределения, соответствующие двум ПК: 1) унимодальное, близкое к составу лессовидных суглинков, но со смещенным в сторону мелких частиц пиком (27-31 мкм), характерное для верхнего Пк и 2) бимодальное, с второстепенным пиком в области песчаной фракции (296 мкм). Оба типа обладают ярко выраженной положительной ассиметрией, т. е. характеризуются более высоким содержанием глинистых частиц по сравнению с лессами.
Такие особенности гранулометрического состава лессов и ископаемых почв нашли свое отражение в магнетизме отложений. Сходство унимодальных распределений приводит к близким диапазонам изменения концентрационно зависимых магнитных параметров (рис. 10, а). Смещение основного пика в сторону мелкозернистых фракций обусловливает и небольшое уменьшение x и SIRM в ископаемых почвах, поскольку величина и поведение этих параметров связаны с содержанием крупноалевритовой фракции. Более высокие значения ARM, FD и Q в палеопочвах (рис. 10, б, в) совпадают с повышенным содержанием глинистой фракции, вмещающей аутигенные тонкозернистые магнитные минералы, т. е. являются показателями интенсивных (био)химических преобразований материнских пород (лессов и аллювиальных отложений) в процессе педогенеза. общее уменьшение среднего размера обломочного зерна в ископаемых почвах по сравнению с лессами сопровождается и уменьшением эффективного размера магнитного зерна (рис. 10, г).
Гранулометрический состав лессовидных супесей подобен составу суглинков, с унимодальным распределением, но в отличие от почв, пик смещен в сторону крупнозернистых фракций (62 мкм). В супесях преобладает крупноалевритовая фракция, которая переносится ветром не как пыль, а лишь в результате сальтации [18]. Распределение содержания гранулометрических фракций и отсутствие асимметрии указывают на очень хорошую сортировку отложений, а наличие одного пика связано с ярко выраженным действием одного седиментологического процесса. Магнетизм супесей соответствует данному гранулометрическому типу распределения, показывая довольно узкий диапазон изменения магнитных параметров, высокие значения концентрационно зависимых (рис. 10, а) и структурно чувствительных (рис. 10, г) характеристик, а также низкие
Рис. 10. Гистограммы магнитных параметров литологических разновидностей отложений разреза Кольцово:
1 — суглинки лессовидные; 2 — супеси лессовидные; 3 — пески (слоистая толща); 4 — ископаемые почвы. Единицы измерения магнитных параметров см. на рис. 6
величины показателей, отражающих вторичную переработку отложений химическими процессами (рис. 10, б, в). Судя по распределению магнитных параметров, формирование отложений происходило в довольно постоянных условиях осадконакопления и близком источнике сноса. Учитывая гранулометрический состав и диапазоны изменения магнитных параметров, генезис данной литологической разновидности можно интерпретировать как эоловый перевеянный.
Слоистая толща сформировалась за счет перераспределения обломочного материала лессовидной супеси по склону временными водными потоками. В результате произошла дифференциация на слойки, по гранулометрическому составу: 1) сходные с супесью и 2) более опесчаненные. Гранулометрический состав песков слоистой толщи с бимодальным распределением фракций свидетельствует о более активной среде осадконакопления. На близкий источник сноса и нестабильные динамические условия среды осадконако-пления указывают концентрационные магнитные параметры, которые имеют большой разброс и достигают высоких значений. Структурно чувствительные магнитные характеристики показывают наиболее крупный размер магнитного зерна по сравнению со всеми остальными литологическими разновидностями отложений (рис. 10, г), что также указывает на близкий источник сноса. Структура слоистой толщи (чередование маломощных слойков с различным гранулометрическим составом), как и диапазон магнитных
характеристик, также свидетельствует в пользу нестабильности условий образования данной толщи. Отсутствие химической переработки (судя по низким (2 и FD, рис. 10, б, в) связано, вероятно, с высокой скоростью осадконакопления. Исходя из условий сильно расчлененного рельефа, по всей видимости, слоистая толща могла сформироваться в результате делювиальных процессов. Совокупность петромагнитных характеристик и гранулометрический состав позволяют определить генезис слоистой толщи как склоновые отложения в результате делювиального перемещения перевеянных отложений по склону.
Заключение. Выделенные в полевых условиях при макровизуальном геологическом описании и текстурно-структурном анализе литогенетические разновидности субаэральных отложений были дополнительно изучены в лабораторных условиях магнитными методами и методом лазерной гранулометрии. В результате комплексного подхода удалось установить происхождение и условия образования отложений каждого литогенетического типа. Основные результаты сводятся к следующему:
1. Лессовидные суглинки образовались в результате осаждения слабомагнитной эоловой пыли, транспортируемой из довольно удаленного источника. В результате диагене-тических и постгенетических преобразований суглинки слабо изменены преимущественно физическим выветриванием, доля химического выветривания невелика. Генезис — эоловый навеянный.
2. Ископаемые почвы образовались в результате переработки лессового субстрата интенсивными (био)химическими процессами с новообразованием педогенных тонкозернистых магнитных минералов. Генезис — почвенный.
3. Лессовидные супеси сформировались, в основном, в результате транспортировки обломочного материала из близкого источника (возможно, руслово-балочный аллювий притоков р. Оби) путем сальтации. Отложения магнитно однородны, практически не подвержены переработке химическими процессами. Вероятна высокая скорость аккумуляции. Генезис — перевеянный.
4. Слоистая толща, представленная чередованием слойков песка и супеси, образовалась в результате склонового переотложения. Неоднородный гранулометрический состав и большой разброс магнитных характеристик свидетельствуют о нестабильных динамических условиях среды осадконакопления. Генезис — делювиальный.
5. Накопление супесей и слоистых отложений в средней части разреза (глубина 4,7-9 м), вероятно, относится к временному этапу, когда сильные ветра в сухих и холодных климатических условиях (перевеянные супеси), сменялись ослаблением эоловой деятельности с неравномерным выпадением осадков (делювиальная слоистая толща с прослоями гумусированного материала). Магнитные свойства перевеянных отложений близки по многим параметрам и свидетельствуют об одновременном событии с высокой скоростью осадконакопления.
6. Если считать верхний ПК по местоположению в разрезе, образовавшимся в ОИС-3, то, предположительно, возраст накопления супесей и слоистой толщи ОИС-4, ермаковское оледенение, согласно стратиграфической схеме Западной Сибири.
7. Магнитные параметры отложений изменяются согласно гранулометрическому составу изученных литогенетических разновидностей отложений (рис. 9). Данный вывод пока имеет местное значение. Выявленные закономерности будут проверяться и уточняться на аналогичных разрезах Новосибирского Приобья для определения региональных закономерностей формирования магнитных свойств субаэральных
отложений в зависимости от обстановок осадконакопления и климатических особенностей региона.
Таким образом, используемый комплексный подход позволяет уточнять фациально-генетическую диагностику и более детально реконструировать обстановки формирования и преобразования отложений. Это имеет важное значение для понимания условий палеосреды, сменявших друг друга при формировании субаэральной толщи.
Литература
1. Волков И. А. Позднечетвертичная субаэральная формация. М., 1971. 274 с.
2. Мартынов В. А., Мизеров Б. В., Никитин В. П., Шаевич Я. Е. Геоморфологическое строение долины р. Оби в районе г. Новосибирска. Новосибирск, 1977. 35 с.
3. Зыкина В. С., Волков И. А., Дергачёва М. И. Верхнечетвертичные отложения и ископаемые почвы Новосибирского Приобья. М., 1981. 204 с.
4. Beget J. E., Stone D. B., Hawkins D. B. Paleoclimatic forsing of magnetic susceptibility variations in Alaskan loess during the late Quaternary // Geology. 1990. Vol. 18. P. 40-43.
5. Ding Z., Liu T., Rutter N. W. et al. Ice-volume forcing of East winter monsoon variations in the past 800 000 years // Quat. Res. 1995. Vol. 44. P. 149-159.
6. Florindo F., Zhu R., Guo B. et al. Magnetic proxy climate results from the Duanjiapo loess section, southernmost extremity of the Chinese loess plateau // J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104. N B-1. P. 645-659.
7. Sun J., T. Liu. Stratigraphic evidence for the uplift of the Tibetian plateau between 1,1 and 0,9 myr ago // Quat. Res.
2000. Vol. 54. P. 309-320.
8. Evans M. E., Heller F. Environmental magnetism. Academic Press, USA. 2003. 299 p.
9. Волков И. А., Зыкина В. С. Стратиграфия четвертичной лессовой толщи Новосибирского Приобья // Проблемы стратиграфии и палеогеографии плейстоцена Сибири / отв. ред. С. А. Архипов. Новосибирск, 1982. Вып. 521. С. 17-28.
10. Жданова А. И., Казанский А. Ю., Зольников И. Д., Матасова Г. Г., Гуськов С. А. Опыт фациально-генетического расчленения субаэральных отложений Новосибирского Приобья геолого-петромагнитыми методами на примере опорного разреза «Огурцово» // Геология и геофизика. 2007. Т. 48. № 4. С. 446^59.
11. Sun J., Ding Z., Liu T. et al. 580 000-year environmental reconstruction from aeolian deposits at Mu Us Desert margin, China. // Quat. Sci. Rev. 1999. Vol. 18. P. 1351-1364.
12. Sun J., Z. Ding. Deposits and soils of the past 130 000 years at the Desert-Loess transition in the Northern China // Quat. Res. 1998. Vol. 50. P. 148-156.
13. Porter S. C. Chinese loess record of monsoon climate during the last glacial-interglacial cycle. // Earth-Sci. Rev.
2001. Vol. 54. P. 115-128.
14. Sun J. Origin of eolian sand mobilization during the past 2300 years in the Mu Us Desert, China. // Quat. Res. 2000. Vol. 53. P. 78-88.
15. FangX. M., Li J. J., Van der Voo R.. Rock magnetic and grain size evidence for intensified Asian atmospheric circulation since 800 000 years B. P. related to Tibetian uplift // Earth and Planet. Sci. Lett. 1999. Vol. 165. P. 129-144.
16. Раукас А. В. Классификация обломочных пород и отложений по гранулометрическому составу // Институт геологии АН ЭССР. 1981. 24 с.
17. Осипов Ю. Б. Магнетизм глинистых грунтов. М., 1978. 200 с.
18. Градзиньский Р., Костецкая А., Радомский А., Унруг Р. Седиментология / пер. с польск. М., 1980. 640 с.
