Физико-химические исследования почвы и близповерхностного грунта на раскопе XL
2. Физико-химические исследования почвы и близповерхностного грунта на раскопе XL
Наиболее общим и характерным свойством грунтов (в состав которых входят почвенные образования) является самопроизвольное стремление их компонентов к химическому взаимодействию и равновесию. Далее по тексту под термином ≪почва≫ подразумеваются почвенные и генетически связанные с ними подпочвенные отложения до глубины 1m.
Фундаментальной основой теоретического анализа почвенных систем служит метод физико-химического моделирования сложных химических равновесий в мультисистемах (мультисистемы -это системы, в которых число фаз в равновесии априори неизвестно, а потенциально возможных-превышает число независимых компонентов). При построении модели за основу взято теоретическое и практическое решение проблемы физико-химического моделирования состава сложных химических равновесий в гетерогенных мультисистемах, в которых одновременно присутствуют водный раствор электролита, конденсированные фазы (однокомпонентные и твердые растворы), газоваясmесь и другие фазы различного агрегатного состояния, которое впервые осуществлено профессором И.К. Карповым и его школой (Карпов, 1972, 1981, Карпов и др., 1971, 1976а, 1976б, 1995, 2001, Казьмин и др., 1975).
В отличие от традиционных методов расчета равновесного состава простых систем по константам равновесия протекающих в них реакций, метод физико-химического моделирования реализует гиббсовский принцип минимума свободной энергии системы в равновесном состоянии, при котором составление уравнений реакций становится излишним. Это имеет решающее значение при изучении сложных систем, в том числе и почв и грунтов, в которых неизвестны все реакции.
На практике, в почвенных растворах анализируются главным образом минеральные или органические соединения, тогда как в растворах всегда присутствуют органо-минеральные комплексы. Также в почвах практически отсутствуют ≪чистые≫ гумусовые кислоты, а содержатся их производные-комплексно-гетерополярные соли гумусовых кислот с поливалентными катионами, высокодисперсные глинистые минералы не являются строго минеральными образованиями, поскольку формируют сорбционные комплексы с высоким содержанием (до 30%) гумусовых веществ. На данном этапе исследований реальный количественный анализ основных составляющих почв возможен лишь для почвенных растворов и гумусовых веществ. Глинистые минералы почв, окислы и гидроокислы элементов нами рассматриваются на уровне индивидуальных минеральных соединений, не осложненных взаимодействием с гумусовыми веществами.
Почвенный раствор, почвенная влага - понятия, которые относятся к одной из важнейших почвенных фаз. По современным представлениям почвенный раствор можно определить как квазиравновесный (близкий к равновесию) раствор электролита, существующий в почве в интервале влажности между пленочной и гравитациионной формами влаги (Pearson, 1971, Орлов, 1985, Снакин, 1989). К глинистым минералам почв относятся высокодисперсные кристаллические силикаты со слоистыми решетками, характеризующиеся переменным составом и высокой реакционной способностью. Гумусовые вещества почв - это сложная система высокомолекулярных и поликомпонентных органо-минеральных соединений, основу которых составляют азотсодержащие оксикарбоновые кислоты с интенсивной темно-бурой или красновато-бурой окраской (Орлов, 1990).
Культурный слой Краскинского городища представляет собой природную органо-минеральную систему, в которой происходит образование и функционирование разнообразных органических, минеральных и органо-минеральных соединений. В этой системе наиболее активными и важными компонентами или составляющими являются почвенные растворы, гумусовые вещества и вторичные минералы.
В разрезе северо-восточной части археологического памятника (раскоп XL) вскрыто до 1 м осадка, представленного рыхлыми отложениями верхнеголоценового возраста, в котором выделены сверху вниз
Фундаментальной основой теоретического анализа почвенных систем служит метод физико-химического моделирования сложных химических равновесий в мультисистемах (мультисистемы -это системы, в которых число фаз в равновесии априори неизвестно, а потенциально возможных-превышает число независимых компонентов). При построении модели за основу взято теоретическое и практическое решение проблемы физико-химического моделирования состава сложных химических равновесий в гетерогенных мультисистемах, в которых одновременно присутствуют водный раствор электролита, конденсированные фазы (однокомпонентные и твердые растворы), газоваясmесь и другие фазы различного агрегатного состояния, которое впервые осуществлено профессором И.К. Карповым и его школой (Карпов, 1972, 1981, Карпов и др., 1971, 1976а, 1976б, 1995, 2001, Казьмин и др., 1975).
В отличие от традиционных методов расчета равновесного состава простых систем по константам равновесия протекающих в них реакций, метод физико-химического моделирования реализует гиббсовский принцип минимума свободной энергии системы в равновесном состоянии, при котором составление уравнений реакций становится излишним. Это имеет решающее значение при изучении сложных систем, в том числе и почв и грунтов, в которых неизвестны все реакции.
На практике, в почвенных растворах анализируются главным образом минеральные или органические соединения, тогда как в растворах всегда присутствуют органо-минеральные комплексы. Также в почвах практически отсутствуют ≪чистые≫ гумусовые кислоты, а содержатся их производные-комплексно-гетерополярные соли гумусовых кислот с поливалентными катионами, высокодисперсные глинистые минералы не являются строго минеральными образованиями, поскольку формируют сорбционные комплексы с высоким содержанием (до 30%) гумусовых веществ. На данном этапе исследований реальный количественный анализ основных составляющих почв возможен лишь для почвенных растворов и гумусовых веществ. Глинистые минералы почв, окислы и гидроокислы элементов нами рассматриваются на уровне индивидуальных минеральных соединений, не осложненных взаимодействием с гумусовыми веществами.
Почвенный раствор, почвенная влага - понятия, которые относятся к одной из важнейших почвенных фаз. По современным представлениям почвенный раствор можно определить как квазиравновесный (близкий к равновесию) раствор электролита, существующий в почве в интервале влажности между пленочной и гравитациионной формами влаги (Pearson, 1971, Орлов, 1985, Снакин, 1989). К глинистым минералам почв относятся высокодисперсные кристаллические силикаты со слоистыми решетками, характеризующиеся переменным составом и высокой реакционной способностью. Гумусовые вещества почв - это сложная система высокомолекулярных и поликомпонентных органо-минеральных соединений, основу которых составляют азотсодержащие оксикарбоновые кислоты с интенсивной темно-бурой или красновато-бурой окраской (Орлов, 1990).
Культурный слой Краскинского городища представляет собой природную органо-минеральную систему, в которой происходит образование и функционирование разнообразных органических, минеральных и органо-минеральных соединений. В этой системе наиболее активными и важными компонентами или составляющими являются почвенные растворы, гумусовые вещества и вторичные минералы.
В разрезе северо-восточной части археологического памятника (раскоп XL) вскрыто до 1 м осадка, представленного рыхлыми отложениями верхнеголоценового возраста, в котором выделены сверху вниз
∙ почва - 20сm
∙ гумусированная темно-серая супесь/песок с дресвой и корешками - 5~10сm
∙ песок буровато-рыжий, среднезернистый, рыхлый (северо-западная часть раскопа)/ супесь бурая мелкозернистая (юго-восточная часть раскопа) - 30~50сm
∙ гумусированная темно-серая супесь/песок с дресвой и корешками - 5~10сm
∙ песок буровато-рыжий, среднезернистый, рыхлый (северо-западная часть раскопа)/ супесь бурая мелкозернистая (юго-восточная часть раскопа) - 30~50сm
В процессе исследований на раскопе XL для определения кислотно-основных свойств, гранулометрического, минерального и валового химического состава отобраны образцы грунта на различных уровнях культурного слоя по сети 1×1m. По измерениям pH в водных вытяжках и общему химическому составу исследованные образцы соответствуют бурым лесным типам почв (5.42-5.72) и бурым таежным (5.1-5.16). Верхний слой культурных отложений, представленный современной почвой, характеризуется повышенной кислотностью; нижележащая супесь обладает слабо выраженными кислотными свойствами; в основании разреза кислотно-основные свойства песчаных отложений и супеси соответствуют современной почве.
Слабокислые почвы района исследований развиваются в условиях постоянного окислительного режима, сильного проявления миграционных процессов и низкой аккумуляции гумусовых веществ. Наиболее характерными признаками буроземов являются:
Слабокислые почвы района исследований развиваются в условиях постоянного окислительного режима, сильного проявления миграционных процессов и низкой аккумуляции гумусовых веществ. Наиболее характерными признаками буроземов являются:
∙ развитие в условиях влажного почвообразования на переотложенных продуктах выветривания плотных пород
∙ богатство пород и почв первичными минералами и отсутствие морфологически выраженной дифференциации профиля по подзолистому типу
∙ промывной водный режим и обусловленные свободным дренажем окислительные условия почвообразования
∙ кислая или слабокислая реакция среды, сильная или слабая ненасыщенность поглощенными основаниями, аккумуляция в верхней части профиля биогенных элементов и гумуса гуматно(ульматно)-фульватного состава
∙ накопление оксалаторастворимых (аморфных) форм полуторных окислов по всему профилю с преобладанием их в верхней или средней частях профиля
∙ оглинивание верхней и средней частей профиля, приводящее к накоплению в мелкоземе глинистых минералов
∙ разнообразие типов кривых распределения по профилю общего железа, алюминия и кремния, с преобладанием слабой дифференциации элементов по генетическим горизонтам
∙ богатство пород и почв первичными минералами и отсутствие морфологически выраженной дифференциации профиля по подзолистому типу
∙ промывной водный режим и обусловленные свободным дренажем окислительные условия почвообразования
∙ кислая или слабокислая реакция среды, сильная или слабая ненасыщенность поглощенными основаниями, аккумуляция в верхней части профиля биогенных элементов и гумуса гуматно(ульматно)-фульватного состава
∙ накопление оксалаторастворимых (аморфных) форм полуторных окислов по всему профилю с преобладанием их в верхней или средней частях профиля
∙ оглинивание верхней и средней частей профиля, приводящее к накоплению в мелкоземе глинистых минералов
∙ разнообразие типов кривых распределения по профилю общего железа, алюминия и кремния, с преобладанием слабой дифференциации элементов по генетическим горизонтам
В зависимости от состава пород, рельефа и климатических условий отмеченные свойства бурых почв могут существенно меняться. По результатам проведенного моделирования, при дополнительном притоке и застое влаги, который наблюдается на территории Краскинского городища, подпочвенный грунт подвергается восстановительным процессам и оглеению. Это выражено в процентном соотношении главных компонентов исследованных проб грунта (табл. 1). Пробы, маркированные буквами ≪Б≫, ≪В≫ отобраные в западной части раскопа XL, характеризуются среднезернистым составом песчаных отложений. Пробы, маркированные буквами ≪З≫, ≪Ж≫ отобранные в восточной части раскопа, характеризуют отложения представленные супесью. Первая цифра в маркировке проб указывает на номер уровня поверхности отбора вниз от поверхности почвы, соответствующий планиграфии раскопок.
В разрезе по вертикали для песчаных отложений наблюдается концентрирование Al, Fe, Mn, Mg, Ca в почвенном слое и на нижнем уровне раскопа. 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 при одновременном нисходящем миграционном потоке, элементы которого сорбируются глинистыми минералами в основании разреза. Для супеси наблюдается оглинивание в средней части отложений на уровне 35~50сm от дневной поверхности и образование вторичных минералов железа и алюминия, которые сорбируют Al, Fe, Mn, Mg, Ca. Этот вывод подтверждается данными минералогического анализа, пробы для которого отобраны на уровне 3-его пласта на раскопе XL.
В разрезе по вертикали для песчаных отложений наблюдается концентрирование Al, Fe, Mn, Mg, Ca в почвенном слое и на нижнем уровне раскопа. 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 при одновременном нисходящем миграционном потоке, элементы которого сорбируются глинистыми минералами в основании разреза. Для супеси наблюдается оглинивание в средней части отложений на уровне 35~50сm от дневной поверхности и образование вторичных минералов железа и алюминия, которые сорбируют Al, Fe, Mn, Mg, Ca. Этот вывод подтверждается данными минералогического анализа, пробы для которого отобраны на уровне 3-его пласта на раскопе XL.
Таблица.1. Валовый химический состав проб грунта (раскоп XL).Валовый химический состав приведен по результатам силикатного анализа. Количественная характеристика (%) содержания элементов приводится в пересчёте на оксиды. Анализ выполнен на атомно-адсорбционном спектрофотометре (Shimadzu), аналитик Н. Середа.
N обр. | SiO2 | TiO2 | AI2O3 | Na2O | К2O | Fe2O3 | МпО | MgO | СаО |
1-Б-3 | 66.6 | 0.57 | 14.03 | 2.81 | 1.97 | 5.19 | 0.099 | 1.69 | 2.64 |
2-Б-3 | 67.1 | 0.55 | 14.01 | 2.91 | 1.93 | 4.84 | 0.094 | 1.66 | 2.9 |
3-Б-3 | 65.7 | 0.44 | 13.52 | 2.77 | 1.93 | 4.41 | 0.092 | 1.40 | 2.55 |
4-Б-3 | 68.9 | 0.30 | 13.04 | 2.81 | 1.90 | 3.91 | 0.080 | 1.17 | 2.38 |
5-Б-3 | 66.5 | 0.54 | 13.86 | 2.70 | 1.92 | 5.29 | 0.106 | 1.70 | 2.88 |
1-В-3 | 63.0 | 0.73 | 14.61 | 2.83 | 1.98 | 5.83 | 0.103 | 1.97 | 2.39 |
2-В-3 | 65.4 | 0.70 | 13.91 | 2.26 | 1.96 | 5.52 | 0.102 | 1.81 | 2.54 |
3-В-3 | 66.7 | 0.62 | 13.61 | 2.50 | 1.92 | 5.25 | 0.109 | 1.67 | 2.52 |
4-В-3 | 64.5 | 0.60 | 14.34 | 2.69 | 1.91 | 5.44 | 0.108 | 1.71 | 2.73 |
5-В-3 | 64.8 | 0.68 | 14.64 | 2.38 | 1.89 | 6.55 | 0.113 | 1.91 | 2.5 |
1-З-6 | 64.2 | 0.66 | 14.61 | 2.40 | 1.95 | 5.78 | 0.102 | 1.98 | 2.47 |
2-З-6 | 63.1 | 0.70 | 15.34 | 2.28 | 1.96 | 6.21 | 0.114 | 1.99 | 2.46 |
3-З-6 | 64.9 | 0.60 | 14.82 | 2.41 | 1.90 | 5.87 | 0.119 | 1.81 | 2.46 |
4-З-6 | 65.2 | 0.50 | 14.40 | 2.64 | 1.92 | 5.03 | 0.135 | 1.60 | 2.64 |
2-Ж-3 | 64.5 | 0.68 | 15.27 | 2.28 | 1.95 | 6.17 | 0.112 | 1.99 | 2.29 |
Минералогический и гранулометрический анализы (табл. 2) были выполнены для зерен гравийно-песчаного (западная часть раскопа) и крупноалевритового размера (восточная часть раскопа). Гравийно-крупнопесчаные зерна практически полностью состоят из обломков пород, сростков зерен кварца и полевого шпата, которые редко содержат включения магнетита и ильменита. Более мелкие фракции (средний песок-крупный алеврит) представлены обломками пород, кварцем, полевыми шпатами, роговой обманкой, эпидотом, пироксенами и др. минералами. При этом зерна пробы, взятой в песчаных отложениях, являются довольно чистыми и относительно свежими, что может быть результатом их поставки при разрушении недалеко расположенного гранитоидного массива. Зерна пробы, взятой в восточной части раскопа отличаются плохой сохранностью. Многие из них покрыты тонкой железистой пленкой, они трещиноваты, при этом трещины заполнены глинистым материалом и гидроокислами железа. Такое состояние зерен может свидетельствовать об их поступлении при размыве неглубокой площадной коры выветривания, развитой по гранитоидам.
Таблица 2. Гранулометрический состав проб грунта (раскоп XL).
Проба | Вес навески (г) | Вес фр. (г): (>0.5мм) | Вес фр. (г): (0.5-0.1mm) | Вес фр. (г): (0.1-0.05mm) | Вес фр. (г): (<0.05mm) | Вес тяж. фр. (г): (0.5-0.05mm) | Вес немагн. фр. (г): (0.5-0.05mm) | Вес магн. фр., (г): (0.5-0.05mm) |
Западная часть (песок) | 25.41 (100%) | 5.85 (23.0%) | 8.68 (34.2 %) | 0.97 (3.8%) | 9.91 (39.00 %) | 0.16 (1.66%) | 0.139 (86.87%) | 0.021 (13.13%) |
Восточная часть (супесь) | 22.89 (100%) | 1.92 (8.39%) | 4.04 (17.65 %) | 0.96 (4.19°/ | 15.97 (69.77%) ° | 0.6 (12 %) | 0.57 (95 %) | 0.03 (5 %) |
Состав глинистых минералов почв зависит от состава почвообразующих пород и характера процессов почвообразования и выветривания. Распределение этих минералов в почвах может быть следствием различных процессов, среди которых основное значение принадлежит трансформационным изменениям унаследованных от породы слоистых силикатов, преимущественно слюд и хлоритов, выносу минералов без разрушения, их разрушению с образованием аморфных соединений, а также неосинтезу глинистого материала in situ (Соколова, 1985).
В результате минералогического анализа образцов, отобранных на уровне 3-его пласта, количественно установлено преобладание крупнозернистой фракции в западной части раскопа, оно почти в 3 раза выше, чем в отложениях восточной части (табл. 2). Для тонкой фракции соотношение обратное - её количество в восточной части раскопа почти в два раза превышает содержание зерен такого размера по весу на западе. Гидроокислы железа отмечены в виде единичных зерен в обеих частях раскопа. Содержание окислов железа на западном участке составляет 0.56% от общего количества минеральных зерен, на востоке оно несколько ниже - 0.35%. Изучение железосодержащих минералов в тяжелой подфракции вышеуказанных размерных фракций показало практически равное количество магнитной фракции (зерна магнетита) в обеих пробах (0.021 и 0.03 % соответственно) и незначительно повышенное содержание ильменита в пробе из восточного участка раскопа 6.58 % по отношению к пробе, взятой в западной части- 5. 62 %.
Высокодисперсные слоистые минералы почв относятся к метастабильным соединениям, состояние временного равновесия которых поддерживается за счет других процессов, лежащих в основе функционирования почв и их органо-минеральных систем. На этот счет можно сделать предположение, что к такому процессу относится биологический круговорот веществ в почвах. Ежегодно вовлекая в состав растительных и животных организмов и постоянно освобождая из опада химические элементы, биологический круговорот обеспечивает в почвах высокие значения свободной энергии и химических потенциалов этих элементов в образуемых ими соединениях. Для широко распространенных в почвах кремния, алюминия, железа и марганца наиболее растворимыми соединениями являются аморфные гидроокислы металлов, аморфный кремнезем и аллофан. Несмотря на то, что эти соединения неустойчивы и подвержены дегидратации и кристаллизации, они всегда присутствуют в почвах вследствие постоянного поступления ≪свежего материала≫.
В результате минералогического анализа образцов, отобранных на уровне 3-его пласта, количественно установлено преобладание крупнозернистой фракции в западной части раскопа, оно почти в 3 раза выше, чем в отложениях восточной части (табл. 2). Для тонкой фракции соотношение обратное - её количество в восточной части раскопа почти в два раза превышает содержание зерен такого размера по весу на западе. Гидроокислы железа отмечены в виде единичных зерен в обеих частях раскопа. Содержание окислов железа на западном участке составляет 0.56% от общего количества минеральных зерен, на востоке оно несколько ниже - 0.35%. Изучение железосодержащих минералов в тяжелой подфракции вышеуказанных размерных фракций показало практически равное количество магнитной фракции (зерна магнетита) в обеих пробах (0.021 и 0.03 % соответственно) и незначительно повышенное содержание ильменита в пробе из восточного участка раскопа 6.58 % по отношению к пробе, взятой в западной части- 5. 62 %.
Высокодисперсные слоистые минералы почв относятся к метастабильным соединениям, состояние временного равновесия которых поддерживается за счет других процессов, лежащих в основе функционирования почв и их органо-минеральных систем. На этот счет можно сделать предположение, что к такому процессу относится биологический круговорот веществ в почвах. Ежегодно вовлекая в состав растительных и животных организмов и постоянно освобождая из опада химические элементы, биологический круговорот обеспечивает в почвах высокие значения свободной энергии и химических потенциалов этих элементов в образуемых ими соединениях. Для широко распространенных в почвах кремния, алюминия, железа и марганца наиболее растворимыми соединениями являются аморфные гидроокислы металлов, аморфный кремнезем и аллофан. Несмотря на то, что эти соединения неустойчивы и подвержены дегидратации и кристаллизации, они всегда присутствуют в почвах вследствие постоянного поступления ≪свежего материала≫.
Заключение
В этом разделе приводятся результаты физико-химических исследований почвы и подпочвенного грунта культурного слоя Краскинского городища на раскопе XL. Даётся обоснование применения физико-химического моделирования процессов миграции и преобразования основных химических элементов, влияния глинистых минералов и органического вещества. Представлены выводы, полученные с помощью предварительных расчётов физико-химических моделей. Эта работа является начальным этапом изучения преобразований минералов железа в культурном слое археологического памятника. Конечной целью исследования является повышение достоверности интерпретации результатов магнитометрических работ и разработка методики выделения слабомагнитных антропогенных образований, погребенных в современных геологических отложениях на основе оценки статистической меры содержания магнитных минералов в поверхностном слое почвы.
Процессы образования, взаимодействия, трансформации и миграции компонентов почвы и подпочвенного грунта происходят в водной среде, характеризующейся определенными кислотно-щелочными, окислительно-восстановительными, миграционно-аккумулятивными и другими условиями. Эти условия не задаются извне, а формируются и изменяются сопряженно с образованием и эволюцией почв. Определяющее значение в регулировании геохимической среды горизонтов и профиля почв принадлежит факторам почвообразования - климату, растительности, породам, рельефу и грунтовым водам. Однако существенное влияние при этом оказывают и внутренние свойства самих почв. Так, аккумуляция гумусовых веществ или глинистых минералов приводит к увеличению буферности почв, а дифференциация на горизонты, структурные агрегаты или формирование новообразований - к образованию геохимических барьеров. Особенности процессов почвообразования определяются еще и тем, что все они в той или иной степени находятся под воздействием биологического круговорота веществ, что требует учета двухсторонней миграции элементов: нисходящей - с гравитационным движением водных растворов и восходящей - в связи с жизнедеятельностью растений.
Основными процессами являются выветривание первичных минералов и вторичное глинообразование преимущественно в окислительных условиях, аккумуляция аморфных и окристаллизованных форм железа, алюминия и других элементов, образование органо-минеральных соединений и их закрепление в маломощном гумусовом горизонте, значительная роль биологического круговорота в мобилизации химических элементов и интенсивная миграция водорастворимых продуктов почвообразования за пределы профиля.
Получаемое при расчетах обогащение гумусовых веществ почв 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 растворение каждой новой порции породы приводит не к стадийной последовательности образования минералов от простых минеральных фаз к сложным, а к образованию парагенезиса минералов уже на начальных стадиях протекания реакции, включающего слоистые минералы, каолинит, окислы и гидроокислы элементов. В связи с высокой буферностью органо-минеральных систем почв такой характер взаимодействии породы с почвенными растворами сохраняется на широком участке возможных степеней протекания реакции. Формирующиеся в бурых почвах вторичные слоистые минералы являются алюможелезистыми силикатами с высоким содержанием железа, кремния и низким - одновалентных и двухвалентных катионов. При этом в более кислых условиях бурых лесных почв формируются более ожелезненные слоистые минералы.
Таким образом, распределение количественного содержания минералов железа, в том числе магнитной фракции в поверхностном слое почвы, генетически связанном с нижележащими рыхлыми отложениями, является обоснованием для интерпретации результатов каппаметрии поверхности почвенного слоя с целью локализации антропогенных объектов, скрытых во вмещающих породах культурного слоя.
Процессы образования, взаимодействия, трансформации и миграции компонентов почвы и подпочвенного грунта происходят в водной среде, характеризующейся определенными кислотно-щелочными, окислительно-восстановительными, миграционно-аккумулятивными и другими условиями. Эти условия не задаются извне, а формируются и изменяются сопряженно с образованием и эволюцией почв. Определяющее значение в регулировании геохимической среды горизонтов и профиля почв принадлежит факторам почвообразования - климату, растительности, породам, рельефу и грунтовым водам. Однако существенное влияние при этом оказывают и внутренние свойства самих почв. Так, аккумуляция гумусовых веществ или глинистых минералов приводит к увеличению буферности почв, а дифференциация на горизонты, структурные агрегаты или формирование новообразований - к образованию геохимических барьеров. Особенности процессов почвообразования определяются еще и тем, что все они в той или иной степени находятся под воздействием биологического круговорота веществ, что требует учета двухсторонней миграции элементов: нисходящей - с гравитационным движением водных растворов и восходящей - в связи с жизнедеятельностью растений.
Основными процессами являются выветривание первичных минералов и вторичное глинообразование преимущественно в окислительных условиях, аккумуляция аморфных и окристаллизованных форм железа, алюминия и других элементов, образование органо-минеральных соединений и их закрепление в маломощном гумусовом горизонте, значительная роль биологического круговорота в мобилизации химических элементов и интенсивная миграция водорастворимых продуктов почвообразования за пределы профиля.
Получаемое при расчетах обогащение гумусовых веществ почв 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 растворение каждой новой порции породы приводит не к стадийной последовательности образования минералов от простых минеральных фаз к сложным, а к образованию парагенезиса минералов уже на начальных стадиях протекания реакции, включающего слоистые минералы, каолинит, окислы и гидроокислы элементов. В связи с высокой буферностью органо-минеральных систем почв такой характер взаимодействии породы с почвенными растворами сохраняется на широком участке возможных степеней протекания реакции. Формирующиеся в бурых почвах вторичные слоистые минералы являются алюможелезистыми силикатами с высоким содержанием железа, кремния и низким - одновалентных и двухвалентных катионов. При этом в более кислых условиях бурых лесных почв формируются более ожелезненные слоистые минералы.
Таким образом, распределение количественного содержания минералов железа, в том числе магнитной фракции в поверхностном слое почвы, генетически связанном с нижележащими рыхлыми отложениями, является обоснованием для интерпретации результатов каппаметрии поверхности почвенного слоя с целью локализации антропогенных объектов, скрытых во вмещающих породах культурного слоя.
Литература:
Казьмин Л.А., Халиуллина О.А., Карпов И.К. Расчет химических равновесий поликомпонентных гетерогенных систем, когда число фаз превышает число независимых компонентов в исходных условиях методом минимизации свободной энергии (Программа ≪Селектор≫) // Алгоритмы и программы. - М.: Всесоюз. научно-техн. информ. центр, 1975.-Информ. бюл.-№3. C. 18~19.
Карпов И.К. Расчет химических равновесий в открытых системах путем численной минимизации на ЭВМ потенциала Коржинского // Докл. АН СССР. - 1972. - Т. 205. №5. С. 1221~1224.
Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1981. C. 245.
Карпов И.К., Киселев А.И., Дорогокупец П.И. Термодинамика природных мультисистем с ограничивающими условиями. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1976а. C. 132.
Карпов И.К., Киселев А.И., Летников Ф.А. Моделирование природного минералообразования на ЭВМ. - М.: Недра, 1976б. C. 255.
Карпов И.К., Чудненко К.В., Бычинский В.А. и др. Минимизация свободной энергии при расчете гетерогенных равновесий // Геология и геофизика. - 1995. -Т. 36. № 4. С. 3~21.
Карпов И.К., Чудненко К.В., Кулик Д.А., Авченко О.А., Бычинский В.А. Минимизация энергии Гиббса в геохимических системах методом выпуклого программирования // Геохимия. -2001. № 11.С. 1207~1219.
Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. - М.: Изд-во МГУ, 1990. C. 323.
Орлов Д.С. Химия почв. - М.: Изд-во МГУ, 1985. C. 374.
Снакин В.В. Анализ состава водной фазы почв. - М.: Наука, 1989. C. 117.
Соколова Т.А. Глинистые минералы в почвах гумидных областей СССР. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1985. C. 250.
Pearson R.W. Introduction to symposium - the soil solution // Soil Sci. Soc. Amer. Proc. - 1971. - Vol. 35. - P. 417~420.
Карпов И.К. Расчет химических равновесий в открытых системах путем численной минимизации на ЭВМ потенциала Коржинского // Докл. АН СССР. - 1972. - Т. 205. №5. С. 1221~1224.
Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1981. C. 245.
Карпов И.К., Киселев А.И., Дорогокупец П.И. Термодинамика природных мультисистем с ограничивающими условиями. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1976а. C. 132.
Карпов И.К., Киселев А.И., Летников Ф.А. Моделирование природного минералообразования на ЭВМ. - М.: Недра, 1976б. C. 255.
Карпов И.К., Чудненко К.В., Бычинский В.А. и др. Минимизация свободной энергии при расчете гетерогенных равновесий // Геология и геофизика. - 1995. -Т. 36. № 4. С. 3~21.
Карпов И.К., Чудненко К.В., Кулик Д.А., Авченко О.А., Бычинский В.А. Минимизация энергии Гиббса в геохимических системах методом выпуклого программирования // Геохимия. -2001. № 11.С. 1207~1219.
Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. - М.: Изд-во МГУ, 1990. C. 323.
Орлов Д.С. Химия почв. - М.: Изд-во МГУ, 1985. C. 374.
Снакин В.В. Анализ состава водной фазы почв. - М.: Наука, 1989. C. 117.
Соколова Т.А. Глинистые минералы в почвах гумидных областей СССР. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1985. C. 250.
Pearson R.W. Introduction to symposium - the soil solution // Soil Sci. Soc. Amer. Proc. - 1971. - Vol. 35. - P. 417~420.