Влияние гидротермального процесса на почвообразование: На примере Камчатки

Исследования гидротермального процесса в областях современного и древнего вулканизма достаточно многочисленны (Аверьев, 1966; Набоко, 1963,1974,1980; Белоусов, Сугробов, 1976; Пампура, 1977,1985; Ерощев-Шак, 1987,1992; Карпов, 1988 и др.). Изучены различные аспекты взаимодействия термальных растворов с породами в недрах гидротермальных систем и на их поверхности — в зонах разгрузки гидротерм. В то же время, влияние гидротермального процесса на почвообразование остается практически не изученным.

В основных монографиях, посвященных вулканическим почвам Камчатки (Ливеров-ский, 1959; Зонн, Карпачевский, Стефин, 1963; Соколов, 1973), почвообразование под влиянием гидротермальной деятельности не рассматривается. Отдельные работы почвоведов, занимавшихся гидротермальным процессом, посвящены минералогическому составу гидротермальных глин как субстратов почвообразования (Градусов и др., 1975; Васильев, Бабанин и др., 1986; Карпачевский и др., 1989). В то же время, остаются без рассмотрения морфология и основные химические свойства почв гидротермальных систем, собственно почвенные признаки и процессы.

Наиболее подробные исследования почвообразования на территориях гидротермальных систем проводились в Новой Зеландии и США (Cross, 1963; Wells, Whitton, 1966; Vucetich, Wells, 1978; Rodman et al., 1996; Wilson et al., 1997 и др.). Изучены минералогический и гранулометрический состав почв термальных полей, их температурный режим (Rodman et al., 1996; Wilson et al., 1997). Приводятся отдельные данные по макрои микроэлементному составу почв, некоторые физико-химические показатели, а также морфологические описания почвенных профилей. Значительная часть исследований носит сугубо прикладной характер: изучаются содержания в почвах элементов-индикаторов гидротермального процесса (Hg, As, Sb и др.), состав и концентрации почвенных газов в целях обнаружения и разведки зон скрытой разгрузки гидротерм и разломов (Capuano, Bamford, 1978; Phelps, Buseck, 1979,1980; Varekamp, Buseck, 1983; Hinkle, Botinelly, 1988 и др.).

Анализ литературных материалов свидетельствует о том, что работы, в которых бы проводился комплексный почвенно-геохимический и генетический анализ влияния гидротермального процесса на почвы и почвообразование в целом, на сегодняшний день отсутствуют.

В то же время обсуждается вопрос о связи существующих ферраллитных почв и кор выветривания, глинистых минералов почв и пород, многих карбонатных, кремниевых и солевых аккумуляций с влиянием гидротермального процесса (Разумова, 1977; Соколов, Михайлов, 1992; Соколов, 1992,1993; Грачева, Замотаев, 1996; и др.). Выдвинута гипотеза, согласно которой «.во многих случаях, и отнюдь не только локальных или узко региональных, явления и закономерности, которые принято считать педогенными, или, во всяком случае, гипергенными, в действительности имеют эндогенную природу и могут быть объяснены прежде всего с учетом влияния именно гидротермальных процессов. .Все это делает актуальной постановку проблемы генетического, диагностического, классификационно-терминологического и географического разграничения собственно педогенных и гидротермальных характеристик объектов, образующих современную педосферу"*. В связи с этим, значимость изучения почвообразования в гидротермальных условиях для понимания эволюционных и генетических особенностей почв и ландшафтов гидротермальных систем достаточно очевидна. Совместное изучение вопросов почвообразования и литогенеза в областях современной гидротермальной активности позволит подойти к выявлению роли гидротермального процесса в формировании педосферы в целом (Соколов, Михайлов, 1992).

Цель работы — изучить влияние гидротермального процесса на почвообразование, -определяет постановку и решение следующих задач:

1. Рассмотреть условия формирования и характерные свойства почв гидротермальных систем.

2. Выявить закономерности изменений, происходящих в составе и свойствах почв под влиянием гидротермального процесса (с учетом его неоднородности в пределах гидротермальных систем).

3. Оценить специфичность почвообразования на территориях гидротермальных систем и определить классификационное положение формирующихся здесь почв.

В основу работы положены результаты почвенно-геохимических исследований, проведенных автором в 1991, 1992, 1995 и 2002 гг" на территориях гидротермальных систем восточной и южной Камчатки (кальдеры вулкана Узон, Долины Гейзеров, Паужетской). За четыре полевых сезона изучено более 40 почвенных разрезов, из них (с учетом основных почвенных разностей) отобрано и проанализировано 156 проб почв. Использованы также полевые и аналитические материалы д.г.н. Н. П. Солнцевой — описания более 60 почвенных разрезов и результаты анализов 464 образцов почв и 10 проб воды. Личный вклад автора состоит в выполнении полевых наблюдений и части аналитических работ, систематизации и интерпретации химико-аналитических данныхтеоретическом обобщении экспериментальных и литературных материалов.

Работа выполнена на основе методологии почвенно-геохимических исследований, основные положения которых развиты в трудах Б. Б. Полынова (1956), И. П. Герасимова и М. АГлазовской (1960,1964,1981), А. А. Роде (1971), А. И. Перельмана (1975,1987,1989) и др. Для выявления почвенно-геохимической неоднородности территории использовались методы ландшафтно-геохимического профилирования с изучением опорных разрезов и микро.

Цит. по: Соколов И. А. Теоретические проблемы генетического почвоведения, Новосибирск, «Наука», 1993, с.206−207. В 1995;96гг. изучение гидротермального почвообразования проводилось при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 95−05−14 600). катен. Изучение рядов почвообразования при разной интенсивности и длительности гидротермального воздействия, использование профильно-генетического и сравнительно-географического подходов позволило установить изменения в составе и свойствах почв, вызванные гидротермальным процессом, послужило основой для оценки его роли в почвообразовании в пределах гидротермальных систем.

Аналитическая обработка материалов проводилась в лабораториях Почвенного института им. В. В. Докучаева, Института географии РАН, Географического факультета МГУ, Пермской станции химизации сельского хозяйства по стандартным методикам. Перечень анализов, использовавшихся в работе, приведен в таблице 1. В целях наглядного представления и интерпретации результатов исследований строились различные геохимические диаграммы и графики, применялись методы описательной и вариационной статистики.

Таблица 1.

Аналитические материалы, использовавшиеся для написания работы.

Вид анализа Количество проб.

1. Определение минералогического состава почв 32.

2. — «- содержания гумуса в почвах (по методу Тюрина) 580.

3. — «- фракционного состава гумуса (по Пономаревой-Плотниковой) 21.

4. — «- солевого состава почв (водная вытяжка) 380.

5. — «- солевого состава вод (титриметричсским методом) 10.

6. — «- обменных If и (по Соколову) 537.

7. -" - обменных Ca" r, Mg^, Na+ (по Шолленбергеру) 491.

8. — «- обменных Ca’f, Mg2*, Na+ (по Пфефферу) 46.

9. — «- актуальной кислотности почв (потенциометрическим методом) 580.

Основные положения работы докладывались на заседаниях кафедры геохимии ландшафтов и географии почв Географического факультета МГУ в 1993;96 и 2004 гг., отдельные результаты исследований представлены в научных отчетах РФФИ, тезисах докладов на 1-ом Международном совещании по геохимии биосферы (Новороссийск, 1994), Ш-ей Международной конференции по биогеохимии тяжелых металлов (Франция, Париж, 1995), IV-ом Международном симпозиуме по геохимии земной поверхности (Англия, Илкли, 1996).

По теме диссертации имеется 7 публикаций.

Научная новизна и теоретическая значимость работы. Впервые дается подробное описание морфологического строения, минералогического, солевого и ионообменного составов, гумусного состояния и щелочно-кислотных условий почв современных гидротермальных систем Камчатки. Проведен комплексный анализ изменений, происходящих в составе и свойствах почв в зависимости от интенсивности и длительности гидротермального процесса, в соответствии с его пространственной и химической неоднородностью. Рассмотрены генетические модели почвообразования на территориях гидротермальных систем. Выявлена специфика почвообразовательных процессов. Показано, что под влиянием гидротермального Подробное описание методов исследования дается в соответствующем разделе (с.49). процесса формируются новые, генетически своеобразные почвы, требующие самостоятельного выделения в классификации на разных таксономических уровнях. Предложен вариант классификации почв гидротермальных систем в соответствии с принципами новой классификации почв России (Классификация., 2004). Полученные результаты дополняют региональные исследования по почвам Камчатки и вносят вклад в разработку проблемы «педосфера и гидротермальный процесс».

Практическая значимость. Разбуривание термальных площадей в целях разведки и эксплуатации парогидротермальных месторождений приводит к нарушению естественного почвенного покрова территорий. Вместе с тем, почвы, формирующиеся в окрестностях горячих источников, являются уникальными природными объектами, требующими тщательного изучения и охраны. Материалы исследований могут быть использованы природоохранными организациями при выборе участков под природные резерваты и подготовке обоснований о необходимости особого статуса таких территорий.

Дополнительную значимость работе придает изучение почв Долины Гейзеров и кальдеры Узон, которые могут служить своеобразным эталоном гидротермального почвообразования, поскольку формируются в пределах Кроноцкого заповедника, на территориях, включенных с 1996 г. в список всемирного природного наследия ЮНЕСКО. за.

Автор глубоко благодарен своему научному руководителю — д.г.н. Н. П. Солнцевой предоставление материалов, критические замечания и помощь на всех этапах написания и подготовки диссертации. Ее идеи, требовательность и доброжелательное внимание привили автору интерес к проводившимся исследованиям и глубоко повлияли на его личность.

В организации полевых исследований на Камчатке большую поддержку автору оказали д.г.-м.н. Г. А. Карпов, к.г.н. С. М. Фазлуллин, д.г.-м.н. С. Н. Рычагов, к.г.-м.н. И. Ф. Делемень.

Автор благодарит д. с-х.н. Н. П. Чижикову, д.с.-х.н. Б. П. Градусова и д. г-м.н. В.А.Ерощева-Шака за неоднократные консультации, дирекцию Кроноцкого заповедника за предоставленное разрешение работать на особо охраняемой территории, А. Г. Коваленкова за осуществление вертолетной заброски на территорию исследований, Т. Ю. Самкову и А. М. Волынскую за помощь в выполнении полевых работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Гидротермальный процесс является мощным азональным фактором, определяющим формирование почвенного покрова на территориях современных гидротермальных систем. Все почвы, формирующиеся в пределах Узон-Гейзерной и Паужетской гидротермальных систем (восток и юг Камчатки), в различной степени затронуты гидротермальным воздействием. В зависимости от интенсивности и длительности гидротермального процесса происходит либо трансформация отдельных свойств почв (без существенной перестройки их морфологического облика и строения), либо коренное преобразование механизмов формирования почв, приводящее к образованию новых почвенных тел с уникальным сочетанием морфологических, минералогических, физико-химических и химических особенностей, не свойственных зональному типу почвообразования.

Под воздействием гидротермального процесса в составе и свойствах почв происходят следующие изменения:

1. Упрощается строение почвенных профилей и уменьшается их мощность. Признаки вулканических почв (слоистость, полигенетичность) постепенно исчезают, сменяясь признаками гидротермального метаморфизма почвенной массы (появление глинистых метаморфических горизонтов, моногенность). Одновременно происходит утяжеление гранулометрического состава и ухудшение водно-физических свойств почв. Выделяются три основных морфогенетических группы почв, отличающихся качественно разным строением профиля, что соответствует почвообразованию на пирокластических, гетерогенных и гидротермальных субстратах.

2. Происходят качественные изменения процессов метаморфизма минерального вещества и минералогического состава почв. Интенсивность разрушения первичных пирокластических минералов по мере приближения к термопроявлениям резко возрастает. В составе новообразованных продуктов выветривания начинают преобладать кристаллические глинистые минералы (каолинит-смектитовые смешанослойные образования и смектит). Их формирование в большинстве случаев сингенетично современному почвообразованию. Основным мор-фогенетическим группам почв гидротермальных систем соответствуют качественно разные типы профилей илистого вещества.

3. По мере приближения к термопроявлениям меняются основные показатели гумус-ного состояния почв — содержания, распределение и состав гумуса. Происходит уменьшение запасов гумуса и упрощается строение гумусовых профилей: количество гумуса резко сокращается с глубиной, а гумусовая кривая приобретает более равномерный, сглаженный характер. Снижается глубина гумификации, гумус становится еще более фульватным с увеличением долей «прочносвязанных» фракций гуминовых и фульвокислот, величины негидролизуемого остатка.

4. Несмотря на ультрагумидный климат Камчатки в почвах отмечаются повышенные содержания водорастворимых солей, вплоть до формирования горизонтов солевых аккумуляций. Количество солей и особенности солевого состава почв определяются механизмами поступления солей, химизмом источника засоления и процессами внутрипочвен-ного метаморфизма растворов. Наряду с обычными для засоленных почв ионами Са2+, Mg2+ и Na в процессах засоления участвуют ионы Fe3 Al3* и Мп2+, что приводит к формированию специфического квасцового типа засоления с низкими значениями рН.

5. Происходит глубокая трансформация свойств коллоидных систем почв: меняется величина поглотительной способности и состав обменных катионов в ППК. Высокая геохимическая контрастность термальных растворов определяет появление на близких расстояниях почв с различным качественным составом ППК, встречающихся в обычных условиях в разных природных зонах.

6. Реакция почв меняется в широких пределах (от сильнокислой до нейтральной), что существенно превышает диапазон изменений рН в фоновых вулканических почвах. Изменения щелочно-кислотных условий соответствуют изменениям качественного состава поглощающего комплекса почв и состава воздействующих на почвы растворов.

7. Контрастность и динамичность условий почвообразования в ряде случаев приводят к диссонансу почвенных свойств: в поглощающем комплексе почв могут одновременно присутствовать высокие содержания обменных Н* и Na+, насыщенность и химическая солонце-ватость могут сочетаться с кислой реакцией почвенных суспензий, а солевой состав почв может отличаться от состава вод, вскрывающихся в пределах профиля. Эти и другие диссо-нансные сочетания практически не встречаются в природных почвах.

8. Специфика почвообразования на территориях гидротермальных систем определяется взаимодействием педогенных и литогенных процессов, набор и сочетания которых глубоко своеобразны и не встречаются в других природных почвах. По мере приближения к термопроявлениям меняется соотношение процессов: степень выраженности одних процессов усиливается (разрушение первичных и синтез кристаллических глинистых минералов, минерализация органических веществ и др.), других — ослабевает (погребение почв пеплами, сухое торфонакопление и др.). Появляется группа специфических процессов, не характерных для фоновых вулканических почв (прогревание, рубефикация, засоление и др.).

Таким образом, по мере приближения к термопроявлениям почвы гидротермальных систем по совокупности признаков все более отличаются от фоновых вулканических почв, нарастает степень их генетического своеобразия. Наименее специфичными оказываются почвы на пирокластических субстратах за пределами термальных полей, отличающиеся от фоновых вулканических почв только достаточно динамичными признаками (составом почвенных растворов и поглощающего комплекса, щелочно-кислотными условиями и др.). Наиболее специфичны почвы на гидротермальных субстратах, в которых гидротермальный процесс меняет все почвенные характеристики, в том числе наиболее устойчивые и консервативные (строение почвенного профиля, минералогический состав и др.). Установленные различия позволяют относить почвы гидротермальных систем к двум разным генетическим общностям, соответствующим двум типам литогенеза и двум основным направлениям почвообразования — вулканическому и гидротермальному. Генетическую общность гидротермальных почв (термоземов) предлагается выделять на уровне нового отдела в классификации почв России (2004). Дальнейшее таксономическое подразделение почв гидротермальных систем проводится на основе обособления почвенных групп с общими генетическими горизонтами и признаками, в соответствии с их генетической значимостью.

Проведенные исследования позволяют перечислить наиболее актуальные проблемы гидротермального почвообразования, требующие дальнейшего решения. Среди них:

1. Выявление общих свойств гидротермальных почв на основе сравнительного изучения почвообразования на территориях различных гидротермальных систем Мира. Сравнение имеющихся оригинальных и литературных данных позволяет считать, что наиболее общими и специфическими признаками гидротермального почвообразования являются синтез кристаллических глинистых минералов и прогревание почв. В то же время, поскольку гидротермальный процесс затрагивает все свойства почв, существуют и другие признаки. Не исключено, что их выявление позволит подойти к выделению в международной почвенной классификации (World Reference Base) новой реферативной группы гидротермальных почв.

2. Выявление особенностей гидротермального почвообразования в различных биоклиматических условиях. Так как в настоящее время в пределах только одного Тихоокеанского вулканического пояса известно несколько тысяч гидротермальных систем, расположенных в различных ландшафтных зонах, неоднородность физико-географических условий будет по-разному сказываться на формировании почв, входящих в генетическую общность гидротермальных. По-видимому, она объединяет несколько генетических типов почв, характеризующихся различным набором и соотношением основных почвообразовательных процессов.

3. Выявление роли гидротермального процесса в формировании педосферы в целом. Почвы, формирующиеся в условиях современного гидротермального процесса, широко распространены в поясах активного вулканизма Земли, но не образуют протяженных массивов. Суммарная площадь, занимаемая ими в областях современной гидротермальной активности, с учетом общего количества гидротермальных систем, может составлять от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч квадратных километров. В то же время, площади почв, формирующихся на древних корах выветривания гидротермального происхождения, во много раз больше (Соколов, 1992,1993). Проведенные исследования подтверждают возможность гидротермального происхождения таких почвенных свойств как солевые и кремниевые новообразования, наличие красных тонов окраски, глубокая выветрелость и оглиненность почвенной массы. Вертикальная зональность глинистых горизонтов, установленная для гидротермальных почв, во многом напоминает смену латеритных горизонтов плинтитовыми в красных ферраллитных почвах и корах выветривания. Таким образом, выдвинутая И. А. Соколовым гипотеза о гидротермальном происхождении ряда феноменов современной педосферы, представляется вполне вероятной.