The transformation of mineral composition of permafrost soils formed on sedimentary deposits of the northern taiga in Central Siberia | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya - Tomsk State University Journal of Biology. 2025. № 71. DOI: 10.17223/19988591/71/1

The transformation of mineral composition of permafrost soils formed on sedimentary deposits of the northern taiga in Central Siberia

In recent years, soil formation processes have been actively studied in areas with harsh climatic conditions and dominating post-lithogenic soils. It is assumed that there is no active accumulation of fresh material in these soils and there is no differentiation of chemical composition along the horizons. The prediction of intensity and direction of soil processes is crucial due to climate warming and the expansion of mineral resource extraction. One of the least studied soil parameters is the mineralogical composition of coarse fractions and its changes during soil formation. The unique geological structure and rich mineralogical composition of deposits, combined with harsh climatic conditions, result in highly specific mineral transformation processes during cryogenic weathering. The paper reflects the possibility of using a geochemical approach to analyse the transformation of the soil column composition in relation to the genetic horizons and the parent rock. For the research on the territory of the Daldyn-Alakit mining district (66°24'N, 112°17'E) located in the northeastern part of the Central Siberian Plateau, soil sections of the most predominant soil types (Cryosols, Gleysols, and Leptosols divisions) have been established. The soils are formed on eluvial-deluvial-solifluction deposits with close occurrence of bedrock, represented by dense dolomites, yellowish limestones and oolitic dolomite limestones. The climate of the region is strongly continental with long cold winters and short summers, the average monthly temperature in January is -33...-38°C, in July +16...+18°C, the amount of precipitation is low (about 247 mm). The most typical pedons (See Fig. 1), physicochemical properties, and bulk composition of the soils (See Tables 1, 2) are described along with X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric (TGA), and scanning electron microscopy (SEM) analyses (See Figs. 2-4). The main physicochemical indicators include a slightly acidic reaction in the upper organogenic horizon and a near-neutral reaction lower in the profile, relatively high carbon content (up to 10% in the upper and 1-3% in the lower horizons), and a heavy granulometric composition (See Table 1). The bulk chemical composition of the studied soil types in the Daldyn-Alakit mining district is quite similar (See Table 2). By weight, the major oxides follow this decreasing order: SiO2 > Al2O3 > CaO > MgO > Fe2O3 > K2O > TiO2 > Na2O > MnO. The behavior of dominant oxides in the soils depends not on the subtype or main soil-forming process but correlates well with organic matter content. The studied soil types are similar in mineralogical composition, consisting of quartz, feldspars, carbonates, and layered silicates. Scanning electron microscopy revealed common micromorphological features of pedogenesis. Soil aggregates in Cryosols and Gleysols have a more rounded shape and smaller size (about 10 pm) in the upper horizon compared to the lower one. The thermograms of the soils differ in exothermic and endothermic effects, reflecting key genetic characteristics within each soil type. The predominance of humic acid combustion in Cryosols, compared to other soils, indicates more intensive decomposition of plant residues due to microbial activity (See Figs. 2-4). For the geochemical characteristics of the soils, calculations of oxide ratios and a series of coefficients (chemical weathering in soils of G.J. Retallack, CIA and ICV) were carried out on the basis of gross chemical analysis data. The weak eluvialilluvial differentiation is also evident in the molar ratios of SiO2 ÷ R2O3 and R2O ÷ Al2O3, with differences between horizons observed in the RO ÷ Al2O3 ratio. Overall, biological activity and productivity in permafrost-affected soils of the northern taiga are low, but the calculated coefficient values increase in the upper organogenic horizons compared to mineral horizons (See Table 3). Analysis of geochemical coefficients revealed soil heterogeneity relative to the parent material at the level of morphogenetic characteristics (See Figs. 5a, 5b). Soil-forming processes are least pronounced in Leptosols, while Gleysols occupy an intermediate position. Cryosols are the most sensitive to pedogenesis. The main morphogenetic differences occur between soils with higher organic carbon content. The use of geochemical coefficients helps identify changes in the mineral composition of permafrost-affected soils and more distinctly reflects the differentiation of post-lithogenic soil profiles. All studied soils exhibit relatively low weathering indices, indicating minor alterations in mineral composition. However, an increase in the clay fraction relative to the parent material is observed. Biochemical weathering is likely to play a greater role in the transformation of the mineral soil component. In terms of the degree of soil material transformation, the investigated permafrost-affected soils of the northern taiga landscapes can be ranked as follows: Leptosols → Gleysols → Cryosols. The article contains 5 Figures, 3 Tables, 44 References. The Authors declare no conflict of interest.

Download file
Counter downloads: 1

Keywords

Cryosols, Gleysols, Leptosols, physico-chemical and thermogravimetric properties, mineralogical composition, ratio of oxides, weathering coefficients

Authors

NameOrganizationE-mail
Vasileva Tatiana Ig.Diamond and Precious Metal Geology Institute of the Siberian Branch of the RASvasilevatig@yandex.ru
Legostaeva Yana B.Diamond and Precious Metal Geology Institute of the Siberian Branch of the RASylego@mail.ru
Всего: 2

References

Горячкин С.В., Мергелов Н.С., Таргульян В.О. Генезис и география почв экстремальных условий: элементы теории и методические подходы // Почвоведение. 2019. № 1. C. 5-19. doi: 10.1134/S0032180X19010040.
Горячкин С.В. География экстремальных почв и почвоподобных систем // Вестник Российской академии наук. 2022. Т. 92, № 6. C. 564-571. doi: 10.31857/S0869587322 060056.
Collins Ph.E.F. Ice-affected soil systems under rapid climate warming - insights from the past // Bulletin of L.N. Gumilyov Eurasian National University. Technical Science and Technology Series. 2021. Vol. 135, № 2. PP. 27-36. doi: 10.32523/2616-7263-2021-135-2-27-36.
Худяков О.И., Решоткин О.В. Динамика температуры мерзлотных почв в вегетационный период на фоне повышения среднегодовой температуры воздуха // Почвоведение. 2020. № 5. С. 576-589. doi: 10.31857/S0032180X2005007X.
Chen L., Aalto J., Luoto M. Significant shallow-depth soil warming over Russia during the past 40 years // Global and Planetary Change. 2021. Vol. 197. 103394. doi: 10. 1016/j. gloplacha.2020.103394.
Goncharova O.Yu., Matyshak G.V., Epstein H.E., Sefilian A.R., Bobrik A.A. Influence of snow cover on soil temperatures: Meso- and micro-scale topographic effects (a case study from the northern West Siberia discontinuous permafrost zone) // Catena. 2019. Vol. 183. 104224. doi: 10.1016/j.catena.2019.104224.
Novenko E.Y., Kupryanov D.A., Mazei N.G., Prokushkin A.S., Phelps L.N., Buri A., Davis B.A.S. Evidence that modern fires may be unprecedented during the last 3400 years in permafrost zone of Central Siberia, Russia // Environmental Research Letters. 2022. Vol. 17, № 2. 025004. doi: 10.1088/1748-9326/ac4b53.
Чевычелов А.П. Лесные пожары в Якутии и их влияние на почвенный покров в аспекте прогнозируемого изменения климата // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. Серия «Науки о Земле». 2019. № 1. С. 55-67. doi: 10.25587/SVFU.2019.13.27557.
Lebedeva M., Makeev A., Rusakov A. Microfeatures of cryogenesis in modern and late pleistocene soils // Cryosols in perspective: A view from the permafrost heartland. Proceedings of the VII International Conference on Cryopedology. Yakutsk : Institute of Biological Problems of the Cryolithozone, 2017. PP. 89-90.
Соколова Т.А. Глинистые минералы в почвах гумидных областей СССР. Новосибирск : Наука, 1985. 256 с.
Губин С.В., Лупачев А.В. Почвы и отложения озерно-аласных котловин тундр Колымской низменности // Почвоведение. 2020. № 7. С. 775-790. doi: 10.1134/ S1064229320070042.
Lessovaia S.N., Goryachkin S.V., Desyatkin R.V., Okoneshnikova M.V. Pedoweathering and mineralogical change in cryosols in an ultracontinental climate (Central Yakutia, Russia) // Acta Geodynamica et Geomaterialia. 2013. № 4. PР. 465-473. doi: 10.1134/ S1064229321120048.
Десяткин Р.В., Лесовая С.Н., Оконешникова М.В., Иванова А.З. Криоземы и палевые слабодифференцированные почвы тундр и тайги Якутии: свойства, минералогический состав и классификация // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1423-1436. doi: 10.31857/S0032180X21120042.
Геологическая карта СССР масштаба 1 : 200 000. Серия Анабарская. Лист Q-49-XVII. Объяснительная записка. М. : Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр, 1960. 68 с.
Салихов Р.Ф., Салихова В.В., Иванюшин Н.В., Охлопков В.И. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1 : 200 000. Серия Верхневи-люйская. Лист Q-49-XXI, XXII (Айхал). Объяснительная записка. М. : МФ ВСЕГЕИ, 2013. 284 c.
Спесивцева Н.А. Климатическая особенность Западной Якутии. Новосибирск : Наука. Сибирское отделение. 1979, С. 87-95.
Анисимов О.А., Анохин Ю.А., Лавров С.А., Малкова Г.В., Мяч Л.Т., Павлов А.В., Романовский В.А., Стрелецкий Д.А., Холодов А.Л., Шикломанов Н.И. Континентальная многолетняя мерзлота. Методы оценки последствий изменения климата для физических и биологических систем / под ред. С.М. Семенова. М. : Науч. изд. центр «Планета», 2012. С. 301-359.
Горячкин С.В., Водяницкий Ю.Н., Конюшков Д.Е., Лесовая С.Н., Мергелов Н.А., Титова А.А. Биоклиматогенные и геогенные проблемы географии почв Северной Евразии // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2008. № 62. С. 48-68.
Полевой определитель почв России. М. : Институт почвоведения им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.
IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources 2022.International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports. 4th edition. Vienna, Austria : International Union of Soil Sciences (IUSS), 2022. 234 р.
Качинский Н.А. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения. М. : Изд-во АН СССР, 1958. 192 с.
Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М. : Изд-во МГУ, 1970. 487 с.
Мамонтов В.Г. Химический анализ почв и использование аналитических данных. СПб. : Лань, 2021. 328 с.
Русанова Г.В., Шахтарова О.В. Структурная организация и профильная дифференциация вещества в автоморфных почвах юго-востока Большеземельской тундры // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012. № 3 (19). С. 18-32. doi: 10.17223/19988591/19/2.
Nesbitt H.W., Young G.M. Prediction of some weathering trends of plutonic and volcanic rocks based on thermodynamic and kinetic considerations // Geochimica et cosmo-chimica acta. 1984. Vol. 48, № 7. PP. 1523-1534. doi: 10.1016/0016-7037(84)90408-3.
Мамонтов В.Г., Гладков А.А., Кузелев М.М. Практическое руководство по химии почв : Учебное пособие. М. : Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2012. 225 с.
Retallack G.J., Krull E.S., Bockheim J. New grounds for reassessing paleoclimate of the Sirius Group, Antarctica // Journal of The Geological Society. 2001. Vol. 158, № 6. PP. 925-935. doi: 10.1144/0016-764901-030.
Cox R., Lowe D.R., Cullers R.L. The influence of sediment recycling and basement composition on evolution of mudrock chemistry in the southwestern United States // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995. Vol. 59, № 7. PP. 2919-2940. doi: 10.1016/ 0016-7037(95)00185-9.
McLennan S.M., Hemming S., McDaniel D.K., Hanson G.N. Geo-chemical approaches to sedimentation, provenance and tectonics // Geological Society of America Special Paper. 1993. Vol. 284. PP. 21-40. doi: 10.1130/SPE284-p21.
Fedo C.M., Nesbitt H.W., Young G.M. Unraveling the effects of potassium metasomatism in sedimentary rocks and paleosols with implications for paleoweathering conditions and provenance // Geology. 1995. Vol. 23. PP. 921-924. doi: 10.1130/0091-7613(1995) 023%3C0921:UTEOPM%3E2.3.CO;2.
Suttner L.J., Dutta P.K. Alluvial sandstone composition and palaeoclimate framework mineralogy // Journal of Sedimentary Petrology. 1986. Vol. 56. PP. 329-345. doi: 10. 1306/212F8909-2B24-11D7-8648000102C1865D.
Устинов В.И., Чернов М.К., Ягнышев Б.С. Изучение структурно-тектонических и геохимических особенностей района коренных месторождений алмазов трубок Ай-хал и Удачная (1980-1982 гг.). Якутск : Изд-во Якутскгеология, 1983. 343 с.
Иванова А.З., Десяткин Р.В. Валовой состав основных типов почв бассейна реки Алазея // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2016. № 1. С. 110-114.
Оконешникова М.В., Иванова А.З., Десяткин Р.В. Почвы Верхоянского хребта в пределах Аркачанского плато // Почвоведение. 2020. № 5. С. 509-518. doi: 10. 31857/S0032180X2005010X.
Соколов Д.А., Кулижский С.П., Лойко С.В., Доможакова Е.А. Использование сканирующей электронной микроскопии для диагностики процессов почвообразования на поверхности отвалов каменноугольных разрезов Сибири // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2014. № 3 (27). С. 36-52.
Старых С.Э., Шнее Т.В., Одинцова И.Г., Алпатова И.Н. Термический анализ гумусовых веществ отходов прядильных культур // Современные тенденции в научном обеспечении АПК Верхневолжского региона : коллективная монография. Иваново : Издательско-полиграфический комплекс «ПресСто», 2018. T. 1. С. 412-421.
Губин С.В., Лупачев А.В. Роль пятнообразования в формировании и развитии криоземов приморских низменностей севера Якутии // Почвоведение. 2017. № 11. С. 1283-1295. doi: 10.1134/S1064229317110072.
Самофалова И.А. Диагностика процессов почвообразования и выветривания по содержанию щелочных и щелочноземельных макроэлементов в почвах Среднего Урала (хребет Басеги) // Ученые записки Казанского университета. Серия: Естественные науки. 2020. Т. 162, кн. 4. С. 592-611. doi: 10.26907/2542-064X.2020.4. 592-611.
Старцев В.В., Дубровицкий Ю.А., Жангуров Е.В., Дымов А.А. Пространственная неоднородность свойств почв в зоне распространения островной мерзлоты (Приполярный Урал) // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2019. № 48. С. 32-55. doi: 10.17223/19988591/48/2.
Белоусова Н.И., Соколова Т.А., Тяпкина Н.А. Профильная дифференциация глинистых минералов в подзолистых альфегумусовых почвах на гранитах // Почвоведение. 1973. № 11. С. 116-132.
Uziak S., Wilgat M., Klimowicz Z. Mineral composition of arctic soils in the Bellsund region, Spitsbergen // Polish Polar Research. 1999. № 1. PP. 33-41.
Wilson M.J., Jones D. Lichen weathering of minerals: implications for pedogenesis // Geological Society. 2007. Vol. 11. PP. 5-12. doi: 10.1144/GSL.SP.1983.011.01.01.
Крупская В.В., Мирошников А.Ю., Доржиева О.В. Минеральный состав почв и донных осадков заливов архипелага Новая Земля // Океанология. 2017. № 1. С. 238-245. doi: 10.7868/S0030157417010075.
Sirbu-Radasanu D.S., Huzum R., Dumitra§ D.-G., Stan C.O. Mineralogical and geochemical implications of weathering processes responsible for soil generation in Manaila Alpine Area (Tulghe§ 3 Unit-Eastern Carpathians) // Minerals. 2022. Vol. 12. 1161. doi: 10.3390/min12091161.
 The transformation of mineral composition of permafrost soils formed on sedimentary deposits of the northern taiga in Central Siberia | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya - Tomsk State University Journal of Biology. 2025. №  71. DOI: 10.17223/19988591/71/1

The transformation of mineral composition of permafrost soils formed on sedimentary deposits of the northern taiga in Central Siberia | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya - Tomsk State University Journal of Biology. 2025. № 71. DOI: 10.17223/19988591/71/1

Download full-text version
Counter downloads: 173