Проект РФФИ №18-35-00686

Исследование состава и строения лёссово-палеопочвенной серии западного макросклона Ставропольской возвышенности: новые аналитические методы и подходы для палеогеографических реконструкций

Отчет за первый год реализации проекта РФФИ 18-35-00686
Е.А. Мазнева, Институт географии РАН

Введение
За отчетный период выполнен комплекс аналитических работ по образцам лессовых отложений, полученным из двух скважин, которые были пробурены летом 2017 года на специально выбранных участках плоских междуречий западного макросклона Ставропольской возвышенности в Ипатовском (скв. PM-1, N 46,08998; E 42,26630) и Новоалександровском районах (скв. SB-1, N 45,53076; E 41,45168). Для 398 образцов выполнено определение гранулометрического состава, потерь при прокаливании в двух температурных режимах (550 и 950 °С), проведено измерение магнитной восприимчивости. В первый год также было запланировано выполнение валового химического анализа на базе в Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино) с использованием рентген-флуоресцентного спектрометра «СПЕКТРОСКАН МАКС – GV». Однако из-за поломки прибора, было принято решение передать первую партию образцов (45 шт.) для химического анализа в ЦКП «ИГЕМ-АНАЛИТИКА». В настоящее время образцы находятся в работе. В октябре 2018 года было передано 4 образца для определения возраста методом оптически-стимулированной люминесценции (ОСЛ) в лабораторию ОСЛ ФГБУ «ВСЕГЕИ». Получены предварительные результаты датирования по трем образцам.

Методика
Для проведения гранулометрического анализа был использован метод лазерно-дифракционной гранулометрии. Анализ проводился на лазерном анализаторе размеров частиц Malvern Mastersizer 3000 в лаборатории Эволюционной географии ИГ РАН. Подготовка проб к анализу включала в себя последовательную обработку материала 10 % раствором соляной кислоты (с целью удаления карбонатов) и 4 % раствором пирофосфата натрия (для диспергирования глинистых агрегатов). После обработки реактивами материал пипеткой переносился в жидкостную кювету блока диспергирования анализатора. В кювете материал на протяжении 100 секунд испытывал воздействии ультразвука мощностью 40 Вт и интенсивно перемешивался специальной вертушкой на скорости 2400 об/мин. После отключения ультразвука производилось 10 повторных измерений, результаты которых усреднялись в приложении Mastersizer v.3.62. Вычисление распределения частиц по размерным фракциям выполнялось на основе дифракционной модели Фраунгофера.
Последовательное определение потерь при прокаливании (ППП) было выполнено в лаборатории эволюционной географии ИГ РАН с использованием муфельной печи МИМП-6М. Анализ проводился с целью оценки содержания органического вещества и карбонатов в осадке, что имеет большое значение при диагностике палеопочв в лёссово–почвенных сериях (ЛПС). Согласно (Heiri et al., 2001 и Bengtsson et al., 1986) ППП 550°C отражают содержание органического вещества, а разница ППП 950°C — ППП 550°C характеризует потери СО2 из карбонатов. Образцы объемом 10 мл высушивались 12 часов при 105°C с целью удаления гигроскопической влаги. Затем проводилось прокаливание в муфельной печи при двух температурных режимах: 4 ч при 550°C и 2 ч при 950°C. Потери в весе определялись повторным взвешиванием на электронных весах с точностью до 0,01 грамма. Результирующие значения вычислялись следующим образом: ППП 550 =((DW105-DW550)/DW105)100; ППП Δ950 = ((DW550-DW950)/DW105)100, где DW – сухой вес.
Измерение магнитной восприимчивости образцов отложений проведено при помощи каппаметра ZHinstruments SM-30 в лаборатории Эволюционной географии ИГ РАН. Магнитная восприимчивость является косвенным параметром, который зависит от концентрации и формы нахождения магнитных минералов в осадке (Палеомагнитология, 1982; Большаков, 1996). В свою очередь эти переменные связаны с питающими провинциями и условиями осадконакопления. В ЛПС высокие значения магнитной восприимчивости наблюдаются, как правило, в гумусовых горизонтах автоморфных палеопочв, что связано с изменением формы железосодержащих оксидов под действием педогенеза (Maher, 1998).
ОСЛ датирование выполняется в Лаборатории оптически стимулированной люминесценции ВСЕГЕИ. В ходе работ используется следующее оборудование: 1) автоматизированная система ТЛ/ОСЛ датирования Risø TL/OSL Reader DA-20 C/D; 2) низкофоновый спектрометр гамма-излучения на основе кристалла из чистого германия CANBERRA BE3825. Для измерения люминесцентного сигнала используется две фракции частиц — 63-90 мкм и 90-180. Расчет палеодозы осуществляется по отдельности для зерен кварца и полевого шпата.
Принципы палеопочвенной корреляции.
Корреляция палеопочв опирается на лёссово–палеопочвенную схему ИГ РАН для юга Восточно–Европейской равнины (табл. 2), созданную коллективом под руководством А.А. Величко (Величко и др., 2015 – последняя редакция схемы). На сегодняшний день эта схема является наиболее обоснованной для верхнеплейстоценовой ЛПС Северо–Восточного Приазовья. Здесь в последние годы были получены 14С и ОСЛ-датировки по разрезам Беглица (Величко и др., 2017; Chen et al., 2018a) и Чумбур-Коса (Chen et al., 2018a), подтвердившие справедливость схемы.

Результаты
Стратиграфия лессово-почвенной серии
Скважина SB-1. В скважине под палевым лессовидным суглинком на глубине 5,3-6,3 м вскрыт интервал слабого побурения. Непосредственно ниже выражен (6,3-6,9 м) светло-палевый интервал с повышенным содержанием рассеянных пылеватых карбонатов. Такая последовательность представляет собой почвенный профиль сухо-степного типа со слабо выраженным гумусово-аккумулятивным горизонтом. По своей стратиграфической позиции и морфологии почвенного профиля этот уровень может быть предварительно определен нами как брянская почва. Ниже в интервале 6,8-9,7 м вскрыт хорошо выраженный педокомплекс, который имеет слабо заметную (по цвету) двухфазность в своем строении. Верхний уровень – бледно-бурый, нижний – темно бурый. У нижней почвы в B горизонте встречены рыхлые карбонатные конкреции. На основании стратиграфической позиции и строения профиля данный ПК идентифицирован нами как мезинский.
На глубинах 13,3-13,9 м и 15,3-16 м довольно четко по цвету выделяются уровни буровато-коричневого цвета. Верхний интервал предварительно интерпретируется как каменская палеопочва, нижний – инжавинская палеопочва (согласно схеме А.А. Величко (Величко и др., 2015)).
Скважина PM-1. В скважине под современной почвой был вскрыт мощный слой палево-бежевого суглинка с карбонатными и гипсовыми конкрециями, который продолжается до глубины 9,3 м. В интервале глубин 9,3-10,3 м вскрыта палеопочва (брянская? /фаза мезинсого ПК?). На глубине 11,3-13,8 м и 12,8-13,8 выделяются еще две палеопочвы. Верхняя почва (11,3-12,5) представлена серо-коричневым гумусовым горизонтом с выраженным B-карбонатным горизонтом внизу. Нижняя почва (12,8-13,8 м) имеет буровато-коричневый гумусовый горизонт и выраженный B-карбонатный горизонт с карбонатными конкрециями.
Гранулометрический состав
Скважина SB-1. В механическом составе осадка преобладает фракция алеврита, содержание которой изменяется от 49 до 78%, в среднем 69%. Содержание пелитовой фракции колеблется от 10 до 32%, среднее 17%, причем в палеопочвах отмечается небольшой рост доли пелита, что может объясняться постседиментационными процессами. Содержание тонкопесчаной фракции колеблется в пределах 5-23%, среднее 11%. Максимальных значений доля тонкого песка достигает в интервалах глубин 0,0-0,4 м (голоценовая почва), 2,0–3,0 м (деснинский лёсс?) и 10,5-12,5 (днепровский лёсс). Совокупная доля песка, представленного в скважине SB-1 тонкой (0,05–0,1 мм), мелкой (0,1–0,25 мм), средней (0,25–0,5 мм) фракциями, значительно изменяется — от 7 до 41%; среднее значение – 13%. Медиана колеблется от 0,0095 до 0,035 мм, среднее значение 0,019 мм. Распределение в основном мономодальное с модой в крупном алеврите. Однако на глубине 2,5-2,9 м (деснинский лёсс?) отмечается полимодальное распределение с модами в крупном алеврите и мелком песке.
Скважина PM-1. В осадке преобладает фракция алеврита, содержание которой изменяется от 60 до 77%, в среднем 71%. Содержание пелитовой фракции колеблется от 10 до 24%, среднее 17%, в палеопочвах отмечается небольшой рост доли пелита, что может объясняться постседиментационными процессами. Содержание тонкопесчаной фракции колеблется в пределах 5-19%, среднее 10%. Максимальных значений доля тонкого песка достигает в интервалах глубин 0,0-0,4 м (голоценовая почва) и 10,3-11,3 м (хотылёвский лёсс?). Совокупная доля песка, представленного в скважине SB-1 тонкой, мелкой, средней, крупной и грубой фракциями, изменяется — от 6 до 26%; среднее значение – 11%. Медиана колеблется от 0,013 до 0,028 мм, среднее значение 0,018 мм. Распределение мономодальное с модой в крупном алеврите.

Магнитная восприимчивость
Скважина SB-1. Показатель магнитной восприимчивости изменяется в пределах 0,123-0,476, при среднем 0,252 10-3 СИ. Высокие значения магнитной восприимчивости приурочены к почвенным горизонтам, и максимума они достигают в инжавинской палеопочве. Для голоценовой почвы они в среднем составляют 0,320 10-3 СИ. В валдайском лёссе значения снижаются до 0,140-0,210 10-3 СИ. В брянской почве наблюдается небольшой рост — 0,190-0,240 10-3 СИ. Для мезинского ПК средние значения существенно выше — 0,310 10-3 СИ. В днепровском лёссе они снова снижаются до 0,230 10-3 СИ, в каменской палеопочве повышаются до 0,340 10-3 СИ, в борисоглебском лёссе снижаются до 0,260 10-3 СИ. Максимальных значений (0,476 10-3 СИ) показатель достигает на глубине 15,8 м в инжавинской почве (при среднем 0,428 10-3 СИ).
Скважина PM-1. Показатели магнитной восприимчивости значительно изменяются по разрезу – от 0,097 до 0,577, при средних значениях 0,180 10-3 СИ. Высокие значения магнитной восприимчивости приурочены к почвенным горизонтам, и максимума они достигают в голоценовой почве. Для голоценовой почвы они в среднем составляют 0,329 10-3 СИ. В валдайском лёссе значения снижаются до 0,140-0,180 10-3 СИ и достигают минимума (0,097 10-3 СИ) на глубине 6,4 м. В брянской почве наблюдаются также невысокие значения (до 0,180 10-3 СИ). Для мезинского ПК средние значения выше — 0,220 10-3 СИ. Причем в салынской палеопочве показатель существенно больше (среднее 0,310 10-3 СИ), чем в крутицкой (среднее 0,195 10-3 СИ).

Потери при прокаливании
Скважина SB-1. ППП 550 изменяется в интервале 2,1-9,1%, при среднем 4,1%. Максимальные значения характерны для голоценовой почвы, минимальные – для днепровского лёсса. Средние значения для валдайского лесса составляют 3,9%. В мезинском ПК значения ППП 550 варьируют от 3,2 до 5,7%, в каменской палеопочве – от 3 до 4,4%, в инжавинской – от 3 до 3,9%, несколько превышая фоновые показатели в гумусовых горизонтах палеопочв.
ППП Δ950 изменяется в пределах от 1,8 до 10,1%, при среднем 4,9%. Высокие значения ППП Δ950 характерны для B-горизонтов почв. В нижней части голоценовой почвы ППП Δ950 достигает 6,4%. Для валдайского лесса характерны незначительные вариации в интервале 3,0-6,5 %. Максимальные значения ППП Δ950 наблюдаются в B-горизонте брянской почвы, достигая 10,1%. Высокие значения (до 8,4%) приурочены также к B-горизонту салынской и каменской палеопочв.
Скважина PM-1. ППП 550 изменяется в интервале 2,1-6,2%, при среднем 3,6%. Максимальные значения характерны для голоценовой почвы, минимальные – для валдайского лёсса. Средние значения для валдайского лесса составляют 3,5%. В мезинском ПК значения ППП 550 варьируют от 2,6 до 5,2%, несколько превышая фоновые показатели в гумусовых горизонтах палеопочв.
ППП Δ950 изменяется в пределах от 1,5 до 8,9%, при среднем 4,5%. Высокие значения ППП Δ950 характерны для B-горизонтов почв. В нижней части голоценовой почвы ППП Δ950 достигает максимального значения — 8,9%. Для валдайского лесса характерны незначительные вариации в интервале 3,0-6,4 %. Высокие значения ППП Δ950 (6-6,2%) наблюдаются в B-горизонтах брянской, крутицкой и салынской палеопочв.
Предварительные результаты ОСЛ датирования (см. прикрепленный файл).
Из-за высокой мощности дозы и значительного возраста датируемых отложений результаты датирования по кварцевым зернам получились не представительными. По полевому шпату рассчитан предварительный возраст для трех образцов: SB-1-2(10,7-11,0) — 100±8 т.л.н.; PM-1-1 (9,5-9,8 м) — 98±5 т.л.н.; PM-1-2 (12,8-13,1 м) — 102±7 т.л.н.

Предварительные выводы

1. Строение и механический состав верхнеплейстоценовой ЛПС в двух скважинах принципиально сходно. Уверенно устанавливается положение мезинского ПК, основная фаза которого коррелирует с микулинским межледниковьем.
2. Предварительные результаты ОСЛ-датирования в целом подтверждают принятую стратиграфическую схему, основанную на палеопочвенной корреляции. Вместе с этим новые данные несколько корректируют положение брянского интервала в скважине PM-1, перемещая ее выше по разрезу.
3. Мощность отложений верхнего плейстоцена в скважине PM-1 (13,7) выше, чем в скважине SB-1 (9,8 м). При этом средний размер частиц в отложениях в обеих скважинах примерно схожий. Разница в мощности может объясняться более высокой степенью сохранности палеоархива на участке PM ввиду меньшего воздействия дефляции и водной эрозии . Это может быть связано с более низким высотным положение скважины PM-1 и ее изолированностью от балочно-долинных систем.
4. В скважине SB-1 в интервале глубин 2,3-3,0 м наблюдается резкий всплеск содержания песчаной фракции – до 41 %. В скважине PM-1 такого не обнаружено. Накопление этого опесчаненого прослоя могло стать следствием локального эолового события (пыльно бури), не затронувшего большие территории.
5. Лессово-почвенная серия верхнего плейстоцена западного макросклона ставропольской возвышенности существенно отличается по своей мощности и составу как от ЛПС Пиазовья, так и от ЛПС Терско-Кумской низменности. По сравнению с Приазовьем – выше мощность и содержание песчаной фракции, по сравнению Терско-Кумской низменностью – ниже мощность и содержание песчаной фракции (см. статью). Таким образом, нами реконструируется преобладающее направление эолового переноса материала в позднем плейстоцене на территории Предкавказья как восток — запад.