Физико-химическая модель преобразования железа в культурном слое
Физико-химическая модель преобразования железа в культурном слое
Модель состоит из 208 потенциально возможных в равновесии водных компонентов, 16 газов и 241 твёрдой фазы (наиболее вероятные гипогенные и гипергенные минералы). Коэффициенты активности рассчитывались по уравнению Дебая-Гюккеля в модификации Хельгесона (Helgeson et al 1981). Исходная термодинамическая информация (энергия Гиббса, энтальпия, энтропия, коэффициенты для уравнения теплоемкости) взяты из публикаций (Johnson et al 1988). Расчеты проводились для условий: температура 25 градусов Цельсия и давление 1 бар.
Моделирование показало, что в песчаных отложениях на глубине 0.7-2.3 м от поверхности почвы основными минералами являются кварц (более 50%), гидрослюды (до 30%), каолинит (10-15%), монтмориллонит, серицит и хлорит. Здесь железо распределено относительно равномерно. Основная его часть, как и алюминий, входит в состав гидрослюд (иллитов). Доля гидроокислов железа весьма незначительна и представлена гидроксидом железа (III), гидрогетитом и лепидокрокитом. Рыхлые отложения на глубине 1.3 м характеризуется повышенным содержанием гидрослюд и каолинита, что говорит о формировании в этом уровне водоупорного слоя. Из этого следует, что вышележащий грунт (глубина 1.2 м) должен был находиться длительное время под воздействием слабоминерализованных вод с pH, близким к нейтральному, что подтверждается низкими содержаниями металлов в образце из этого слоя. Источником этих вод могли являться речные паводки, дождевые и талые воды. Песчаные отложения на глубинах 2-2.3 м также должны были длительное время находиться в контакте с водным раствором.
Алевритовые слои на глубинах 0.7-1.7 м, основными минералами которых являются гидрослюды, каолинит и монтмориллонит, также характеризуется относительно равномерным распределением железа.
В исследуемых объектах устанавливается алюмосиликатная буферная система, обуславливающая слабокислую среду, что подтверждается экспериментально (pH водных вытяжек из образцов).
При смене окислительной обстановки на восстановительную значительная часть гидроокислов железа переходит в форму железа (II). При смене восстановительных условий на окислительные двухвалентное железо, при наличии свободного кислорода и при отсутствии или недостатке воды переходит в магнетит и, в гораздо меньшей степени, в гематит. В водном растворе наиболее вероятно образование карбонатов и сульфатов железа (III).
При увеличении концентраций хлора, брома, фосфора и серы наблюдается уменьшение валовых концентраций железа. Отсюда можно сделать вывод, что локальные зоны с пониженным содержанием железа могут указывать на бытовые очаги, зола которых может быть источником этих элементов. Уменьшение валовых концентраций железа и увеличения содержания натрия может указывать на солоноватый характер грунтовых вод, что не отмечено на участке исследований. Следовательно, в грунте отсутствуют геохимические признаки проникновения морских вод в северную часть Краскинского городища.
Введение органического вещества, напротив, способствует обогащению грунта железом, алюминием и кальцием. Это происходит, главным образом, за счет образования гуминовых комплексов, которые плохо растворимы в воде. Образование магнетита в этом случае, происходит, скорее всего, по бактериальному механизму.
Получаемое при расчетах обогащение гумусовых веществ грунта железом, алюминием и обеднение другими, кроме водорода, обменными катионами отражает общую тенденцию в изменении обменного комплекса гумусовых веществ при подкислении почв – снижение содержания одно- и двухвалентных катионов и увеличение относительной доли водорода, железа и алюминия. Равновесное или близкое к равновесию состояние почвенных растворов приводит к тому, что при растворении каждой новой порции вещества грунта происходит не к стадийная последовательность образования минералов от простых минеральных фаз к сложным, а образование парагенезиса минералов уже на начальных стадиях протекания реакции, включающего слоистые минералы 2:1, каолинит, окислы и гидроокислы элементов. Формирующиеся вторичные слоистые минералы являются алюможелезистыми силикатами с высоким содержанием железа, кремния и низким - одновалентных и двухвалентных катионов. При этом в более кислых условиях формируются более ожелезненные слоистые минералы.
По результатам проведенного физико-химического моделирования, при дополнительном притоке и застое влаги, который наблюдается на территории Краскинского городища, подпочвенные отложения подвергаются восстановительным процессам и оглеению. Это выражено в процентном соотношении главных компонентов исследованных проб грунта (табл. 3, 4). До глубины 0.7 м в разрезе по вертикали для песчаных отложений наблюдается концентрирование Al, Fe, Mn, Mg, Ca в поверхностном (почвенном) слое и на уровне 0.7 м от поверхности. В то время как в отложениях, представленных супесью, вышележащий почвенный слой и нижний уровень разреза обеднены этими элементами. Для песчаных отложений такая ситуация складывается в результате процессов протекающих под влиянием восходящих миграционных потоков биогенных элементов, захватываемых почвенной растительностью и при одновременном нисходящем миграционном потоке, элементы которого сорбируются глинистыми минералами в нижележащей части разреза.
Для супеси наблюдается оглинивание на уровне 0.35-0.5 м от дневной поверхности и образование вторичных минералов железа и алюминия, которые сорбируют Al, Fe, Mn, Mg, Ca.
Таким образом, в процессе физико-химического моделирования показано, что наиболее динамично по вертикали процессы преобразования железа протекают в самой верхней части культурного слоя – почве и подпочвенных отложениях. В средней части и основании изученного разреза установлено относительно равномерное распределение железа.
Моделирование показало, что в песчаных отложениях на глубине 0.7-2.3 м от поверхности почвы основными минералами являются кварц (более 50%), гидрослюды (до 30%), каолинит (10-15%), монтмориллонит, серицит и хлорит. Здесь железо распределено относительно равномерно. Основная его часть, как и алюминий, входит в состав гидрослюд (иллитов). Доля гидроокислов железа весьма незначительна и представлена гидроксидом железа (III), гидрогетитом и лепидокрокитом. Рыхлые отложения на глубине 1.3 м характеризуется повышенным содержанием гидрослюд и каолинита, что говорит о формировании в этом уровне водоупорного слоя. Из этого следует, что вышележащий грунт (глубина 1.2 м) должен был находиться длительное время под воздействием слабоминерализованных вод с pH, близким к нейтральному, что подтверждается низкими содержаниями металлов в образце из этого слоя. Источником этих вод могли являться речные паводки, дождевые и талые воды. Песчаные отложения на глубинах 2-2.3 м также должны были длительное время находиться в контакте с водным раствором.
Алевритовые слои на глубинах 0.7-1.7 м, основными минералами которых являются гидрослюды, каолинит и монтмориллонит, также характеризуется относительно равномерным распределением железа.
В исследуемых объектах устанавливается алюмосиликатная буферная система, обуславливающая слабокислую среду, что подтверждается экспериментально (pH водных вытяжек из образцов).
При смене окислительной обстановки на восстановительную значительная часть гидроокислов железа переходит в форму железа (II). При смене восстановительных условий на окислительные двухвалентное железо, при наличии свободного кислорода и при отсутствии или недостатке воды переходит в магнетит и, в гораздо меньшей степени, в гематит. В водном растворе наиболее вероятно образование карбонатов и сульфатов железа (III).
При увеличении концентраций хлора, брома, фосфора и серы наблюдается уменьшение валовых концентраций железа. Отсюда можно сделать вывод, что локальные зоны с пониженным содержанием железа могут указывать на бытовые очаги, зола которых может быть источником этих элементов. Уменьшение валовых концентраций железа и увеличения содержания натрия может указывать на солоноватый характер грунтовых вод, что не отмечено на участке исследований. Следовательно, в грунте отсутствуют геохимические признаки проникновения морских вод в северную часть Краскинского городища.
Введение органического вещества, напротив, способствует обогащению грунта железом, алюминием и кальцием. Это происходит, главным образом, за счет образования гуминовых комплексов, которые плохо растворимы в воде. Образование магнетита в этом случае, происходит, скорее всего, по бактериальному механизму.
Получаемое при расчетах обогащение гумусовых веществ грунта железом, алюминием и обеднение другими, кроме водорода, обменными катионами отражает общую тенденцию в изменении обменного комплекса гумусовых веществ при подкислении почв – снижение содержания одно- и двухвалентных катионов и увеличение относительной доли водорода, железа и алюминия. Равновесное или близкое к равновесию состояние почвенных растворов приводит к тому, что при растворении каждой новой порции вещества грунта происходит не к стадийная последовательность образования минералов от простых минеральных фаз к сложным, а образование парагенезиса минералов уже на начальных стадиях протекания реакции, включающего слоистые минералы 2:1, каолинит, окислы и гидроокислы элементов. Формирующиеся вторичные слоистые минералы являются алюможелезистыми силикатами с высоким содержанием железа, кремния и низким - одновалентных и двухвалентных катионов. При этом в более кислых условиях формируются более ожелезненные слоистые минералы.
По результатам проведенного физико-химического моделирования, при дополнительном притоке и застое влаги, который наблюдается на территории Краскинского городища, подпочвенные отложения подвергаются восстановительным процессам и оглеению. Это выражено в процентном соотношении главных компонентов исследованных проб грунта (табл. 3, 4). До глубины 0.7 м в разрезе по вертикали для песчаных отложений наблюдается концентрирование Al, Fe, Mn, Mg, Ca в поверхностном (почвенном) слое и на уровне 0.7 м от поверхности. В то время как в отложениях, представленных супесью, вышележащий почвенный слой и нижний уровень разреза обеднены этими элементами. Для песчаных отложений такая ситуация складывается в результате процессов протекающих под влиянием восходящих миграционных потоков биогенных элементов, захватываемых почвенной растительностью и при одновременном нисходящем миграционном потоке, элементы которого сорбируются глинистыми минералами в нижележащей части разреза.
Для супеси наблюдается оглинивание на уровне 0.35-0.5 м от дневной поверхности и образование вторичных минералов железа и алюминия, которые сорбируют Al, Fe, Mn, Mg, Ca.
Таким образом, в процессе физико-химического моделирования показано, что наиболее динамично по вертикали процессы преобразования железа протекают в самой верхней части культурного слоя – почве и подпочвенных отложениях. В средней части и основании изученного разреза установлено относительно равномерное распределение железа.
