Secondary carbonate accumulations in soils of the Baikal region: formation processes and significance for paleosoil inve.pdf Введение Первостепенное значение при изучении эволюции почв имеет выделение устойчивых эволюционно-генетических признаков, маркирующих отдельные этапы педогенеза, особенно тех, что поддаются датированию методами абсолютной геохронологии. К таким признакам относятся новообразования карбонатов. Процессы их формирования тесно связаны с генезисом почв и их эволюцией. Особенности распределения и морфологии педогенных карбонатов в профиле почв отражают направленность и интенсивность педогенеза [1, 2]. Их изотопный состав несет информацию о палеоклиматических условиях, составе древней растительности [3-5] и динамике процессов ре-льефообразования [6]. Применение различных методов датирования педо-генных карбонатов позволяет решать вопросы геохронологии [7-10]. Подобные сведения представляют значительную ценность для познания закономерностей эволюции почв и ландшафтов, что обусловило большой интерес исследователей к педогенным карбонатам. За счет этого в течение последних лет произошло стремительное накопление фактических данных, сочетавшееся с глубоким совершенствованием методик исследований [1113]. Появилась необходимость создания новых обобщающих работ. В настоящее время в Байкальском регионе большинство палеоэкологических исследований сосредоточено на отложениях озера Байкал и прилегающих к нему небольших озер и торфяников. Получен значительный объем данных, характеризующих региональные особенности развития ландшафтов. Гораздо меньше внимания уделяется палеопочвенным исследованиям, которые позволяют получать информацию с большим пространственным разрешением за счет формирования почв in situ. Поэтому педогенные карбонаты являются новым многообещающим инструментом для исследования палеоэкологических изменений в регионе. Тем не менее на данный момент вопросы, касающиеся строения, хронологии и специфики их формирования в почвах Байкальского региона, остаются практически незатронутыми. В данной работе мы обобщаем сформировавшиеся за последние годы представления о разнообразии, вещественном составе, факторах и механизмах формирования карбонатных новообразований почв и дополняем их материалами собственных исследований на территории Байкальского региона. Пути поступления карбонатов в почвы и основные факторы их аккумуляции Выделяются следующие источники и механизмы поступления карбонатов в почвы: 1) унаследованность от материнской породы; 2) осаждение из растворов, образованных в результате выветривания содержащих кальций минералов; 3) осаждение карбонатов, вызванное увеличением концентрации Са2+ при дегазации за счет эмиссии СО2; 4) отложение карбонатной пыли на поверхность почвы с последующим перемещением карбонатов вглубь профиля в составе растворов; 5) осаждение в результате объединения Са2+, поступающего с атмосферными осадками, с HCO3-, находящимся в составе почвенных растворов; 6) привнос с грунтовыми водами [14]. Таким образом, пути поступления карбонатов в почвы могут быть условно разделены на две группы: 1) формирование карбонатов непосредственно в почве и 2) поступление их извне. В первом случае синтез карбонатов происходит в результате процесса карбонатизации при выветривании содержащих кальций минералов. Следствием этого процесса является появление растворов щелочей и щелочных земель слабых концентраций, которое в присутствии угольной кислоты сопровождается образованием карбонатов и бикарбонатов [15]. Такой процесс может протекать практически в любых климатических условиях. Однако в гумидных областях результат процесса может быть диагностирован только в почвенном растворе. Твердофазный эффект карбонатизации (карбонатные новообразования) будет наблюдаться лишь в аридных условиях, где синтез сопряжен с аккумуляцией карбонатов [16]. Второй путь поступления карбонатов в почвы - перемещение продуктов выветривания карбонатных пород любыми геологическими агентами. В зависимости от способа переноса и климатических условий источниками карбонатов могут быть атмосферные осадки, пыль, грунтовые и поверхностные воды. В большинстве семиаридных и аридных областей основным источником кальция являются пыль и атмосферные осадки [17]. Особая роль в регулировании поступления карбонатов в почвы и их дальнейшей динамике принадлежит растениям [18]. Обобщенная схема источников и механизмов поступления карбонатов в почвы представлена на рис. 1. Рис. 1. Основные источники и механизмы поступления карбонатов в почвы (по [13, 14, 17] с дополнениями): I - выветривание горных пород; II - развевание пыли; III - атмосферные осадки; IV - грунтовые воды; V - выветривание карбонатсодержащих пород и минералов; VI - нисходящее перемещение карбонатов, поступивших в составе наносов; VII - эмиссия CO2, испарение, эвапотранспирация, микробная деятельность; VIII - разложение органических остатков [Fig. 1. The main sources and mechanisms of carbonate input into soils (according to [13, 14, 17] with additions). I - Weathering of rocks; II - Dust transfer; III - Precipitations; IV - Groundwater; V - Weathering of carbonate-bearing rocks and minerals; VI - Downward migration of carbonates received with sediments; VII - CO2 emission, evapotranspiration, microbe activity; VIII - Decomposition of organic residues] Многообразие путей поступления карбонатов в почвы диктует необходимость четкого разграничения собственно педогенных (вторичных) карбонатов и других их форм. В почвах могут быть встречены генетически принципиально различные формы карбонатов, из которых основные: - литогенные карбонаты, унаследованные от почвообразующих пород. Часто характеризуются магниевым составом, более крупными размерами минеральных зерен, тяжелым изотопным составом углерода [19]. В почвах они могут встречаться в виде обломочных включений, конкреций, раковин моллюсков, но чаще находятся в дисперсном состоянии [20]. Иногда литоген-ные карбонаты обнаруживаются в составе педогенных новообразований [21]; - гидрогенные карбонаты формируются за счет привноса боковым или восходящим током капиллярных растворов от грунтовых вод. Отличия гидрогенных и педогенных карбонатов следующие: 1) прослои гидрогенных карбонатов имеют резкие границы с вмещающей массой как в нижней, так и в верхней частях; 2) толща гидрогенных карбонатов массивна (в ней отсутствуют горизонты либо они выражены слабо); 3) не содержат вертикальных следов корневых каналов и структурных отдельностей; 4) гидрогенные карбонаты не могут залегать над горизонтом иллювиирования ила [22]; - к педогенным карбонатам относятся аутигенные карбонатные минералы, формирующиеся в почвах [13]. Это карбонаты кальция, магния, натрия и другие, новообразованные или преобразованные в почвах при участии угольной кислоты, продуцируемой при разложении органических остатков и дыхании корней [18]. Формирование собственно педогенных карбонатов происходит под влиянием следующих факторов. В зависимости от гидротермических условий поступившие в почву карбонаты или полностью вымываются из почвенного профиля, или подвергаются локальному перемещению [18], которое имеет элювиально-иллювиальный характер [15, 17, 23]. Основными физико-химическими факторами, влияющими на динамику карбонатов в почвах, являются концентрация почвенных растворов, температура, парциальное давление СО2. Эти факторы определяются особенностями гидротермического и газового режимов почв, а также активностью биоты [23-25]. Благодаря деятельности живых организмов формируется большое разнообразие биогенных почвенных карбонатов [26]. К ним относят игольчатый кальцит, трубки и чехлики, ризокреции и ризолиты, окарбоначенные экскременты и клетки растений, образующиеся путем заполнения клеточных ячеек кальцитом [26, 27], а также кристаллы щавелевокислого кальция - вевеллита, формирующегося в растительных клетках [11, 18]. Вещественный и изотопный состав педогенных карбонатных новообразований Минеральная фаза аккумуляций вторичных карбонатов представлена, главным образом, кальцитом (CaCO3) [11, 20, 24], магнезиальным кальцитом (CaxMg1-x(CO3)) и доломитом (CaMg(CO3)2) [14]. Присутствие педоген-ного кальцита характерно для хорошо дренируемых почв, формирующихся в семигумидных, семиаридных и аридных климатах [28, 29] c относительно низкими суммами атмосферных осадков (< 800 мм/год) [28]. Арагонит (CaCO3) обнаруживается в почвах достаточно редко в силу своей неустойчивости [11, 14]. В почвенной среде он постепенно перекристаллизовывает-ся в кальцит [11]. Тем не менее известны случаи его нахождения в составе некоторых почвенных новообразований [8, 21, 24]. Сидерит (FeCO3) обнаруживается в почвах в форме кутан на стенках пор и мелких инфиллингов [11]. Его формирование характерно для плохо дренируемых почв с восстановительным режимом [30]. Хотя все минералы группы карбонатов, встречающиеся в почвах, могут быть унаследованы от почвообразующих пород, доломит и арагонит относятся к литогенным практически всегда. Случаи формирования доломита в почвах очень редки [31, 32]. Основным компонентом химического состава новообразований является карбонат кальция, который обычно слагает более 80% их массы [33, 34]. На 98% из кальцита состояли аккреционные белоглазки, обнаруженные нами в черноземах Селенгинского среднегорья. Исследования карбонатных кутан в черноземах Южного Прибайкалья показали, что содержание карбоната кальция в пределах различных слоев одного новообразования может варьировать от 77 до 96% [35]. Минимальные значения данного компонента (34%) зафиксированы К.Е. Пустовойтовым в кутанах криоаридных почв Северо-Востока Сибири [34]. Подобные вариации обусловлены различными примесями в составе новообразований. Это могут быть включения кварца, силикатного глинистого материала, внедренного из вмещающей почвенной массы, пленки полуторных оксидов Fe и Al на поверхности кристаллических индивидов минералов, аморфных и слабоокристаллизованных форм кремнезема, гумуса. Все эти примеси отмечены в карбонатных кутанах криоаридных почв Тувы [36], Северо-Востока Сибири [34] и в черноземах Байкальского региона [35]. Их интерпретация использована в указанных работах для диагностики процессов иллювиирования и отклика почв на климатические изменения голоцена. Углерод попадает в состав педогенных карбонатов из растворенного СО2 в почвенном растворе. Дыхание корней и микроорганизмов, разложение растительного опада и органического вещества почв являются основными источниками CO2 в почвенном воздухе во время вегетационного периода [37]. Однако в промерзающих почвах или почвах с очень низкими скоростями дыхания (например, в пустынях) концентрация CO2 частично контролируется диффузией атмосферного диоксида углерода в почву [3]. Источником кислорода в педогенных карбонатах является кислород почвенной воды [3, 38]. Изотопный состав углерода педогенных карбонатов контролируется значением 513С почвенного СО2, которое, в свою очередь, является производной от смешения двух изотопно различных источников: атмосферного и биологически выделенного (почвенного) СО2 [3, 38, 39]. Значение 513С атмосферного СО2 обычно находится в пределах от -6 до -7%о. Значения 513С СО2, выделяемого растениями, фотосинтез которых идет по циклу Кальвина (С3) или Хэтча-Слэка (С4), существенно различаются и в среднем составляют -26 и -12% соответственно [38]. Характер профильного распределения значений 513С педогенных карбонатов обусловлен диффузионным смешиванием изотопно более тяжелого углерода атмосферного СО2 с более легким, происходящим из дыхания корней растений и минерализации органического вещества. На небольших глубинах в почве влияние атмосферного СО2 более велико, по мере увеличения глубины данное влияние падает, и на больших глубинах значения 513С педогенных карбонатов уже являются функцией скорости почвенного дыхания и количественного соотношения С3 и С4 растений в экосистемах. В регионах с холодными климатическими условиями формирование изотопного состава педогенных карбонатов может идти в условиях подавленной активности почвенной биоты, что приводит к повышению концентрации атмосферного СО2 в почвенном воздухе и утяжелению изотопного состава углерода новообразований. Это явление отмечено нами в новообразованиях черноземов Южного Прибайкалья. Оно проявилось в несоответствии изотопного состава углерода педогенных карбонатных натеков и органического вещества почв [40]. Вымораживание почвенных растворов ведет к облегчению изотопного состава кислорода относительно атмосферных осадков [3, 38], что также отмечалось и для кутан в Южном Прибайкалье [40]. При сравнении изотопного состава углерода и кислорода карбонатов в резко континентальных областях Сибири обнаруживаются довольно близкие значения. Так, в черноземах Южного Прибайкалья значения 513С варьируют от -5,41 до -2,05%о [40]. В криоаридных почвах Тувы они колеблются от -5,2 до -2,7% [36], а в кутанах криоаридных почв Северо-Востока Сибири составляют в среднем -2,3% [34]. И хотя часто такие высокие значения интерпретируются как влияние литогенных карбонатов, схожесть значений в столь отдаленных регионах скорее наводит на мысль о доминирующем влиянии климата в формировании изотопного состава углерода педогенных карбонатов Сибири. Его влияние проявляется в коротком периоде биологической активности почв и, как следствие, большом влиянии атмосферного СО2 на изотопный состав карбонатов, откуда и происходят высокие значения 513С. Подобное явление наблюдалось и в других холодных областях [3, 8]. В то же время в условиях Средиземноморья значения 513С в карбонатах облегчаются до -10% [5]. Изотопный состав кислорода карбонатных новообразований варьирует в широких пределах от -7,8% в почвах Тувы [36] до -17,4% в почвах Северо-Востока Сибири [34]. В черноземах Южного Прибайкалья они находятся в пределах от -10,15 до -16,33% [40]. Основные формы педогенных карбонатных новообразований в почвах Байкальского региона и их значение для палеореконструкций Ризолиты (рис. 2) формируются из растворов, насыщенных Ca2+, перемещающихся по направлению к корням, и последующего осаждения кальцита вдоль корня. Поскольку корни растений поглощают Ca2+ значительно хуже, чем воду, ионы Ca2+ соединяются с CO2, выделяемым корнями в ходе дыхания, и осаждаются в виде CaCO3, формируя таким образом ризолиты [41]. Рис. 2. Ризолиты в дюнных песках долины р. Белой (разрез Холмушино (52°51' с.ш., 103°20' в.д., абс. выс. 428 м)). Фото В.А. Голубцова [Fig. 2. Rhizoliths formed in dune sands in the Belaya river valley (Kholmushino section, 52°51' N, 103°20' E, absolute height 428 m). Photo by VA Golubtsov] Формирование ризолитов - довольно распространенное явление для корней кустарников и деревьев, но не характерное для трав из-за их короткого жизненного цикла. По данным [42], углерод карбонатов из вмещающих отложений полностью замещается углеродом CO2, выделяемым корнями во время формирования ризолитов. Эти новообразования формируются относительно быстро (месяцы-годы) и, как правило, не перекристаллизовыва-ются после окончания формирования. Перечисленные факторы обусловливают их высокий потенциал при палеореконструкциях, на что также указано и в [43]. На территории Южного Прибайкалья наиболее выраженные формы таких новообразований обнаружены нами в псаммоземах гумусовых, формирующихся на дюнных песках раннеголоценового возраста в долине р. Белой (см. рис. 2). Игольчатый кальцит (рис. 3) обнаруживается в межагрегатных порах, трещинах усыхания и других пустотах в почвенной массе. Однако он редко полностью заполняет эти пространства [12]. Он может присутствовать и в составе других карбонатных новообразований, что было обнаружено нами в кутанах Южного Прибайкалья (см. рис. 3). Данная форма карбонатных новообразований чаще всего приурочена к переходной по гумусу части почвенного профиля. Здесь он формируется благодаря относительно влажным условиям накопления органического вещества, когда иссушение профиля компенсируется капиллярным подъемом влаги [27]. Происхождение игольчатого кальцита может быть связано с биологическими процессами. Один из них - грибная биоминерализация внутри пучков мицелия. Освобожденные после разложения органического вещества грибных стенок пучки мицелия могут быть заполнены кальцитом с формированием зубчатых пластинок. Второй путь - сапрофитная биоминерализация [1, 27]. Рис. 3. Строение игольчатого кальцита в карбонатных кутанах черноземов Южного Прибайкалья. Фото В.А. Голубцова [Fig. 3. Structure of needle-fiber calcite in carbonate coatings of chernozems in the Southern Cisbaikalia. Photo by VA Golubtsov] Биологическое происхождение приписывается монокристаллическим формам. Поликристаллические образуются при быстром испарении растворов [12]. С точки зрения реконструкций условий среды игольчатый кальцит является индикатором достаточного почвенного увлажнения [27]. Гипокутаны (рис. 4) формируются из растворов, просачивающихся через почвенную массу, в результате быстрого осаждения CaCO3 вокруг больших и средних пор. Быстрое осаждение происходит из-за значительно большего снижения парциального давления СО2 в крупных порах по сравнению с микропорами. Из-за быстрого осаждения эти формы карбонатных новообразований имеют малый возраст и формируются в течение недель - месяцев [27]. Гипокутаны могут также формироваться из-за колебаний уровня грунтовых вод в почвенном профиле [11]. Еще одна гипотеза объясняет их формирование деятельностью корневой системы растений - быстрое поглощение влаги корнями обусловливает интенсивную кристаллизацию карбонатов из растворов [12]. Эта гипотеза объясняет форму данных аккумуляций, которые часто образуют как бы чехол вокруг отмерших корней. В отличие от ризолитов, гипокутаны более характерны для корневых систем травянистых растений. Гипокутаны - это скопления карбонатных минералов вокруг корней, в то время как ризолиты рассматриваются и как внутрикорневые структуры цементации [12]. Рис. 4. Морфология гипокутан в лессовидных почвообразующих породах Байкальского региона: а - распределение новообразований во вмещающих отложениях; b - мезоморфология гипокутан (в центре). Фото В.А. Голубцова [Fig. 4. Morphology of hypocoatings in loess-like parent material of the Baikal region: a - Distribution of accumulations in sediments; b - Mesomorphology of hypocoatings. Photo by VA Golubtsov] С.В. Овечкин [25] выделяет несколько разновидностей гипокутан: 1) слабосцементированные, состоящие из мелкозернистого кальцита, который формируется при медленной кристаллизации из растворов невысокой концентрации, полностью заполняющих крупные поры; 2) инкрустации по стенкам пор плотной однородной массой преимущественно микрозернистого кальцита. Образуются при полном заполнении пор растворами высокой концентрации, при более высокой скорости кристаллизации; 3) столбики -плотные сплошные заполнения микрозернистым кальцитом пор и корневых каналов, образующиеся при интенсивном испарении пленочной влаги. Гипокутаны широко распространены в лессовидных отложениях Прибайкалья и Забайкалья. Они обнаруживались нами в профилях разновозрастных (позднеплейстоценовых, голоценовых) почв, сформированных на таких отложениях (см. рис. 4). По мнению многих исследователей, они диагностируют сухие условия среды и сопоставимы по возрасту с вмещающими их отложениями [12, 27]. Белоглазка (рис. 5) - объемные мучнистые скопления карбонатов округлой, неправильной, слегка вытянутой или угловатой формы. Может резко отграничиваться от вмещающей почвенной массы или постепенно переходить в нее через пропитку. В работе [24] описаны формы белоглазки с мелкими округлыми плотными ядрами (1-3 мм), а также с одиночным относительно крупным ядром (3-5 мм диаметром), находящимся среди мучнистой карбонатной массы. Образование таких разновидностей связывалось авторами с чередованием автоморфно-гидроморфных циклов почвообразования. Подобные разновидности белоглазки считаются переходной формой к журавчикам. Согласно исследованиям [24] белоглазка может образовываться несколькими путями: 1) инкреционным (постепенная концентрация в почвенной массе микрозернистого кальцита вокруг пор и пустот в результате испарения в них почвенных растворов). Микрозоны повышенной концентрации крипто-микрозернистого кальцита среди минеральной массы (пропитки) являются зародышами белоглазки [20]. Таким путем формируется палево-желтая белоглазка с нечеткими границами и низким содержанием CaCO3 (25-35%), что обусловлено значительной примесью кластического и глинистого материала; 2) аккреционным (испарение пленочной влаги из пор, а также в пустотах на стыках структурных отдельностей); так формируется белоглазка, четко отграниченная от вмещающей породы, содержащая минимальное количество кластических зерен и, как следствие, наибольшую (выше 60%) долю CaCO3. Как правило, такая разновидность новообразования имеет чисто белую окраску. В отложениях легкого механического состава белоглазка не обнаруживается. В то же время она является довольно типичным представителем карбонатного профиля черноземов, развивающихся в Байкальском регионе на лессовидных отложениях (см. рис. 5). Так, в разрезе Большой Куналей (Селенгинское среднегорье) белоглазки имеют довольно крупные размеры (8-10 см), четкие границы с вмещающей почвенной массой. Субмикроскопические исследования показали, что аккумуляции сложены преимущественно микроспаритовыми (4-50 мкм) таблитчатыми кристаллами кальцита с ровными поверхностями и хорошо выраженными гранями (см. рис. 5). Подобные размеры и форма кристаллов могут указывать на их быструю кристаллизацию из насыщенных растворов. Такой характер кристаллизации свойствен для относительно сухого климата [2], что согласуется с выводами об условиях формирования почв [44]. м Рис. 5. Строение белоглазки, сформированной в профиле чернозема (разрез Большой Куналей (51°25' с.ш., 107°34' в.д., абс. выс. 735 м). Фото В.А. Голубцова) [Fig. 5. Structure of "white-eye" formed in chernozem (Bol'shoy Kunaley section, 51°25'N, 107°34'E, absolute height 735 m). Photo by VA Golubtsov] Нодули (рис. 6) представляют собой твердые стяжения округлой или вытянутой формы, легко отделяющиеся от вмещающей почвенной массы. Нодули различны по форме и размерам. Их облик варьирует от мелких округлых (кальцитовые ооиды) до широких плоских образований [45]. В основном они гомогенны и мономинеральны, но иногда могут встречаться полиминеральные образования, демонстрирующие концентрическую зональность. Такие образования относятся к конкрециям. Как правило, они имеют округлую или эллиптическую форму [45]. В отличие от гипокутан, ризолитов и других педогенных карбонатных новообразований формирование нодулей не привязано к естественным поверхностям и пустотам почвенной матрицы, а происходит в результате постепенной цементации кальцитом вмещающих отложений. Рост нодулей начинается на каком-либо ядре (минеральные частицы, органические остатки и пр.), служащем в качестве затравки [11, 12]. Механизмы формирования нодулей остаются до конца невыясненными и во многом дискуссионными. Указывается на роль процессов метасоматоза в формировании этих новообразований [20]. Высказаны гипотезы о происхождении нодулей из коллоидных растворов, что аргументируется большим количеством элементов-примесей, трещин усыхания, скрытокристаллической структурой [46]. Карбонатные ноду-ли в почвенном профиле часто рассматриваются как аллохтонный материал, на что указывают их резкие границы и отличное от вмещающей почвенной матрицы внутреннее строение и состав [2]. В целом нодули формируются в ходе перераспределения карбонатов in situ, без их существенной миграции по профилю [13], однако некоторые авторы рассматривают их формирование как результат процессов выщелачивания [12]. С этой точки зрения нодули могут служить индикатором интенсивности и направленности процессов выщелачивания. Но расшифровка этой информации затруднительна, так как но-дули формируются в течение длительного времени (десятки-сотни лет) [13] и всегда отражают многофазную историю развития карбонатного профиля почв [1], а их морфология зачастую не позволяет выделить стадии развития. В Южном Прибайкалье такие новообразования обнаруживались нами в нижних горизонтах черноземов, формирующихся на лессовидных отложениях террас левых притоков р. Ангара, а также в бассейне р. Куда (см. рис. 6). Рис. 6. Строение нодулей. Слева - положение новообразований в нижних горизонтах чернозема в долине р. Куда (Южное Прибайкалье), справа - общий вид новообразования. Фото В.А. Голубцов [Fig. 6. Structure of nodules. Left - Nodules at lower depth of chernozems in the Kuda river valley (Southern Cisbaikalia), right - Morphology of nodule. Photo by VA Golubtsov] Кутаны (рис. 7), как правило, представляют собой слоистые отложения карбонатного материала на поверхности различных включений в почвенном профиле [8, 40, 47]. Карбонатные кутаны широко распространены в почвах аридных и семиаридных областей. В почвах, развивающихся на известняках и других карбонатных породах, они могут формироваться и в условиях гумидного климата [47]. Присутствие карбонатных кутан в почвах и отложениях зафиксировано в различных частях земного шара, включающих высокие широты Арктики [8], умеренные области Атлантики [48], Средиземноморье [5], различные климатические зоны США [33], а также холодные резко континентальные области Сибири [34, 36, 40]. Кутаны состоят из последовательно расположенных слоев карбонатного материала, которые, в свою очередь, могут быть стратифицированы на микрослои [8, 47], различимые на мезо- и микроморфологическом уровнях [36] (см. рис. 7). Подобное строение кутан обусловлено характером аккумуляции материала этих новообразований - они формируются в результате последовательной кристаллизации карбонатов из тонких пленок влаги, остающихся на нижних поверхностях грубообломочных и гравийно-галечниковых включений [8, 11]. Однако в отношении их генезиса не все столь однозначно. Так, в работе [48] изучен генезис карбонатных кутан, формирующихся в семи-аридных и умеренных климатических условиях. Показано, что генезис натеков определяется характером перехода кристаллов кальцита, слагающего кутаны, из одной формы кристаллизации в другую в процессе роста. Первая представлена беспорядочно ориентированным монокристаллическим кальцитом игольчатой формы. Следующая кристаллическая форма - гетерогенные поликристаллические иглы большего размера (50 цм). Заключительная фаза кристаллизации представлена ромбоэдрическим спаритом. Описанный последовательный переход сопровождается изменениями химического состава, в частности, содержания Mg [48]. Рис. 7. Строение карбонатных кутан в почвах Южного Прибайкалья: а - положение новообразований в профиле, b - мезоморфология кутан, c - микрослои кутан, по резким контактам сменяющие друг друга, d - радиально-ориентированные шестоватые кристаллы кальцита, слагающие один из микрослоев. Фото В.А. Голубцова [Fig. 7. Structure of carbonate coatings in soils of the Southern Cisbaikalia: a - Position of carbonate accumulations in soil profile, b - Mesomorphology of coatings, c - Microlaminae of coatings, replacing each other by sharp boundaries, d - Radial-oriented bladed calcite crystals composing one of microlamina. Photo by VA Golubtsov] Как правило, внутренний слой кутан - наиболее древний, а внешний слой - молодой. Тем не менее даже в этом случае возможны исключения -пустоты, иногда имеющие место на контакте включения и натека, могут служить местом для кристаллизации нового карбонатного материала и формирования здесь наиболее молодого слоя [49]. Важным фактором, обусловливающим слоистое строение кутан, считаются вариации размеров и морфологии кристаллов, слагающих различные слои [33, 35]. Наличие микрослоев коричневых, серых и других оттенков связывают с присутствием в карбонатном материале кутан примесей органического вещества и железа [36, 47]. Новообразования имеют конусообразную или округлую форму и формируются на нижней стороне включений [11]. Однако в некоторых случаях они покрывают и его верхнюю часть, что может быть связано со спецификой климатических условий [47]. Карбонатные кутаны наиболее репрезентативны для палеопочвенных исследований. На данный момент перспективным подходом для реконструкции палеоэкологических условий является измерение соотношений стабильных изотопов углерода и кислорода в слоях натеков [5, 40]. Морфология и вещественный состав педогенных карбонатных кутан неоднократно использовались для реконструкции климатических и почвообразовательных условий [8, 33-36, 40]. Отмечено большое влияние иссушения на скорость роста кристаллов кальцита, слагающих кутаны [33]. На основании изучения натеков, находившихся в различных гидротермических условиях, авторы [33] предположили, что формирование кристаллов кальцита, слагающих новообразования, может быть обусловлено климатическими факторами. Изометричные и параллельно-ориентированные призматические кристаллы слагали кутаны, формировавшиеся в сухих условиях. В то же время в относительно влажных условиях наблюдались беспорядочно ориентированные волокнистые и острореберные кристаллы. Специфическая морфология кристаллов кальцита наблюдалась в кутанах криогенного происхождения. Формирование в таких новообразованиях игольчатого кальцита иногда объясняют псевдоморфозами по кристаллам льда [50]. Некоторые слои кутан, изученных нами в Южном Прибайкалье, сложены радиально-волокнистыми сферолитами, что в сочетании с изотопными данными позволило нам сделать вывод об активном участии процессов промерзания почвенной толщи в формировании новообразований [40]. В целом предполагается, что светлые микрослои, сложенные чистыми, хорошо сформированными и параллельно-ориентированными кристаллами кальцита, отражают более сухие климатические условия, которые были менее благоприятны для биологической активности. Высокое содержание примесей, хуже сформированные и произвольно ориентированные кристаллы кальцита указывают на более влажные периоды [47]. Датирование слоев педогенных карбонатных кутан успешно проводилось различными методами, среди которых 230Th/U [10] и радиоуглеродный [5, 7, 36], а также термолюминесцентный [9]. Однако на данный момент наиболее представительные результаты получены именно с помощью радиоуглеродного метода. Радиоуглеродный возраст наиболее древних слоев карбонатных кутан, как правило, демонстрирует хорошую корреляцию с возрастом культурных слоев, почв и отложений, в которых они формируются. Отмечается, что радиоуглеродный возраст наиболее древних слоев карбонатных кутан может указывать на минимальный возраст почв и отложений, в которых сформированы новообразования [5]. Формирование большинства карбонатных кутан происходило в голоцене, и лишь в некоторых случаях получены даты, соответствующие концу позднего плейстоцена. Как правило, радиоуглеродный возраст педогенных карбонатных кутан возрастает с увеличением глубины их залегания [5]. Измерение возраста слоев кутан позволило оценить скорости их аккумуляции [5], которые зависят от многих факторов внешней среды и, таким образом, могут служить дополнительным инструментом для реконструкции динамики локальных экологических условий. Продолжительность образования карбонатных кутан толщиной 0,5-4 мм составила от 500 до 10 000 лет, а рассчитанная скорость роста изменялась в диапазоне от 0,17 до 10 мм за 1 000 лет. Наиболее быстрый рост был отмечен в семигумидных и гумидных условиях [51]. Рис. 8. Лессовые куколки в нижней части профиля современной почвы (Усть-Менза-15, Забайкальский край). Фото В.А. Голубцова [Fig. 8. Loess dolls in lower part of modern soil profile (Ust-Menza-15, Zabaikalsky Krai). Photo by VA Golubtsov] В Прибайкалье карбонатные кутаны были изучены нами в черноземах, сформированных в пределах террас р. Белой [35, 40] (см. рис. 7). Многие из них отчетливо разделены на микрослои, состоящие из радиально ориентированных шестоватых кристаллов кальцита (см. рис. 7). Возникновение подобной структуры интерпретируется нами как результат перерыва в их росте, в результате чего на внешней поверхности остается множество мелких зерен кристаллов. Последующее возобновление роста провоцирует конкуренцию между такими произвольно ориентированными зародышами, что в конечном итоге выражается в формировании своеобразной радиаль-но-шестоватой структуры. В результате довольно частых перерывов в росте и формируются многочисленные микрослои, по резким контактам сменяющие друг друга (см. рис. 7). Лессовые куколки формируются в трещинах и пустотах (макропоры, ходы корней и почвенных животных). Такие участки отличаются наибольшей аэрацией, что значительно снижает парциальное давление CO2 в растворах и ведет к осаждению карбонатов [12]. Несмотря на их название, наиболее выраженные формы таких карбонатных новообразований в Байкальском регионе были обнаружены нами в супесчаных отложениях археологического памятника Усть-Менза-15 (Забайкальский край) (рис. 8). Здесь они приурочены к ходам крупных роющих животных в нижней части профиля современных лесных почв. Их формирование способствовало сохранению этих ходов в целости и позволило предположить наличие этапа остепнения во время формирования почв. Выводы 1. В почвах Байкальского региона отмечается значительное разнообразие карбонатных новообразований, среди которых наиболее часто встречаются игольчатый кальцит, ризолиты, гипокутаны, белоглазки, нодули, кутаны. Все они могут успешно применяться для реконструкции условий почвообразования, однако наиболее информативными являются карбонатные кутаны. 2. Отмечается специфика в морфологии и изотопном составе карбонатных новообразований почв Байкальского региона, связанная, по-видимому, с резко континентальными климатическими условиями и активным участием процессов сезонного промерзания-протаивания почв в формировании новообразований. 3. Вещественный состав рассматриваемых новообразований в целом сходен с таковым для других резко континентальных областей юга и северо-востока Сибири. Преобладает карбонат кальция, но его содержание значительно варьирует как в различных формах карбонатных аккумуляций, так и в пределах одного новообразования. Это обусловлено примесями силикатного глинистого материала, кремнезема, кварца, полуторных оксидов и гумуса. 4. Различия в вещественном и изотопном составе служат одними из наиболее информативных индикаторов для реконструкции процессов почвообразования и отклика почв на климатические изменения.

Скачать электронную версию публикации