The diversity of calcareous inclusions and the specificities of their transformation within the soils of thermal Pym-Va-Shor area

Кристаллические карбонатные осадки, формирующиеся в результате деятельности гидротермальных вод (или гидротерм), называемые «травертинами» или «карбонатными туфами» (Швецов, 1958) , широко распространены в мире (Ford, Pedley, 1996) . По мнению исследователей (Viles, Goudie, 1990) , «травертин» и «карбонатный туф» – абсолютно равнозначные понятия, а классифицировать известковые отложения возможно по ботаническому составу, геоморфологическим и гидрологическим характеристикам. В современных публикациях, освещающих различные аспекты изучения кристаллических отложений карбоната кальция в гидротермальных системах (Систематика и классификация…, 1998) , активно используется термин «травертин» (Pentecost, 2005; D'Alessandro et al., 2007; Tomoyo et al., 2012; Nduwumuremyi et al., 2013; Фирстов и др., 2011) , которого в дальнейшем мы будем придерживаться.

Необходимые условия осаждения травертина – насыщенность углекислым газом гидротермальных вод и их прохождение через карбонатные образования (Hammer et al., 2010) . Минимальные показатели воды для процесса седиментации: минерализация 0.6 г/л, реакция среды 7.3 (Лепокурова, 2005) . При этом газовый и химический состав, температура вод могут варьироваться в широком диапазоне (Евченко и др., 2011; Логвиненко, 1987) . Механизм возникновения травертина сводится к увеличению скорости воды при преодолении препятствия и последующему уменьшению внутреннего давления газов, что приводит к дегазации вод и седиментации карбонатных отложений согласно уравнениям реакции (Viles, Goudie 1990; Pentecost, 2005) :

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O,

Ca(HCO 3 ) 2 + OH^- = CaCO 3 + HCO 3 ^-+ H 2 O.

Активно принимают участие в образовании травертинов бактерии (Pentecost, Terry 1988) . Таким образом, травертин – результат

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2018. Вып. 92 химических, физических и биологических процессов осаждения карбонатов, соотношение которых регулируется температурами вод (Gocke, Kuzyakov 2011) . Объекты, подходящие для изучения современных и древних комплексов почва–травертин, единичны и расположены локально (табл. 1).

На территории европейского севера России есть функционирующая в настоящее время уникальная гидротермальная система, формирующая травертины – урочище Пым-Ва-Шор (восток Боль-шеземельской тундры, Ненецкий автономный округ: 67°09´ N, 60°51´ E) (рис. 1).

Территория исследования относится к Среднеадзьвинскому району южной кустарниковой (крупноерниковой) тундры Печорской провинции (Функционирование субарктической…, 2009) . Территория урочища сформирована в результате тектонического разлома плит (Malov et al., 2015) . Источники берут свое начало в верхней части склона, сложенного известняками нижнего карбона различного типа (в большей степени представленные тонко- и среднеплитчатыми крепкими серыми и желтовато-серыми известняками, реже песчановидными желтоватыми доломитами) (Силаев и др., 2008) . В рамках исследования влияния отепляющего воздействия термальных источников на компоненты окружающей среды (экспедиция Института экологических проблем Севера УрО РАН (г. Архангельск)), в том числе и на почвы, отобраны образцы ненарушенного сложения из почв, расположенных на склоне урочища Пым-

Таблица 1. Опубликованные данные о почвах на травертинах

Почвы	Ссылка
Дерново-карбонатные на 250-летнем травертине, Англия Палеопочвы постледникового травертинового комплекса, Уэльс Почвы на отложениях травертинов “Massanetta Variant Soil Series” – азональная разновидность “mollisols”, Вирджиния “Мерзлотные  маломощные  перегнойные почвы” на травертинах, центральная часть Восточного Саяна Палеопочвы травертиновых каскадов бассейна Денизли, Турция	Pentecost, 2005 Pedley,1987 McFarland, Sherwood, 1990
	Edmonds, Martens, 1990 Лопатовская и др., 1999;
	Лопатовская, 2009 Özkul et al., 2002

Рис. 1. Карта-схема местоположения урочища Пым-Ва-Шор (Romanis et al., 2016) .

Ва-Шор, и выходов карбонатных пород вблизи них – образцы травертинов из обнажений и обломков плит известняков, являющихся подстилающими породами.

Цель работы – изучение особенностей микростроения карбонатных включений разного генезиса (травертинов, исходных девонских пород) и их преобразований в почвах, развивающихся в условиях различного влияния теплых гидротерм.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Гидротермальный комплекс Пым-Ва-Шор включает 9 действующих источников, но только 4 источника действуют на контакте с почвами различной мощности и типов (рис. 2).

Источники выходят из толщи нижнекаменноугольных отложений, а их минерализация обусловлена разным содержанием ионов натрия и хлора (табл. 2). Ртищева (1952) классифицирует их как слаботермальные, трещинно-пластовые и трещинно-жильные, высоконапорные, газирующие, отмечает наличие в них Br, Sr, Ba и небольшого количества сероводорода, а также повышенную радиоактивность вод по радону и радию. В дальнейшем дана дополнена

Рис. 2. Схема расположения разрезов по высотному профилю рельефа местности в зоне ( 1 ) и вне зоны ( 2 ) воздействия современных источников, 3 – место выхода современных термальных источников.

химическая характеристика этих источников содержанием гидро-карбонат-иона на уровне 0.15–0.16 г/л (Силаев и др., 2008) . Значение минерализации вод не превышает 1.48 г/л, что по классификации подземных вод соответствует слабосолоноватым водам (Шварцев, 1996) . Опасность осолонцевания почв возникает при сочетании показателей минерализации и SAR соответственно: 1 г/л и более 10 SAR; 2 г/л и более 6 SAR и т.д. (Вальков и др., 2004) . В таком случае, источником засоления почв в ряду изученных гидротерм может выступать лишь один ручей (№ 2) со значениями минерализации 1.5 г/л и 10.1 SAR.

Таблица 2 . Физико-химические параметры вод термальных источников

№	t , °C	pH	Минера-	Cl-	SO 4 2-	Ca2+   Mg2+		Na+	SAR
			лизация,		ммоль экв/л
			г/л
1	26.7	8.5	1.4	21.0	1.8	5.4	2.6	19.2	09.6
2	25.7	8.1	1.5	22.3	1.6	5.6	2.6	20.5	10.1
3	27.4	8.0	1.4	20.9	1.5	6.0	2.5	18.5	09.0
4	27.4	8.1	0.3	03.2	0.3	1.7	0.6	05.3	04.9

Морфологических признаков засоления в исследованных почвах не выявлено, что связано с отсутствием испарительного барьера в данных климатических условиях при среднегодовом количестве осадков 300–400 мм (Научно-прикладной справочник…, 1989) . По опубликованным данным (Силаев и др., 2008) с 1900 по 1954 гг. источники сформировали слой травертина толщиной 2– 5 мм. Таким образом, скорость осаждения современного травертина составляет от 0.037 до 0.090 мм/год. К сожалению, расчетов на конец ХХ–начало ХХI вв. не приведено. В отдалении от современных источников находится массивная террасированная постройка травертинов. Средняя длина террасы составляет 94.5 ± 10.5 см, средняя высота террасы – 29 ± 4 см (Любас, 2016) . На микроуровне нами изучены образцы ненарушенного сложения из основных генетических горизонтов почв (табл. 3), находящихся как в зоне влияния

Таблица 3. Объекты исследования

Разрез №	Почва	Мощность профиля (см), глубина разреза (см), генетические горизонты	Растительность; проективное покрытие ТКЯ/МХЯ*, %	Воздействие современных источников**
1	Серогумусовая глееватая оста-точно-карбо-натная	60, 110, Oao–AY1–AY2– Bg–Cca–Dca	Разнотравный закустаренный луг; 40/5	Да
2	Глеезем перегнойный	75, 75, Hg1–Hg2–Bg–G–Gca	Вейниково-осоковое низинное болото; 60/10	Да
3	Серогумусовая иллювиальноглинистая остаточно-кар-бонатная	64, 115, Oao–AY–Ctca–Cca– Dca	Ивово-круп-ноерниково-ку-старничково-моховая тундра; 40/55	Нет
4	Подбур опод-золенный	30, 100, O–Oh–e–BF–BHF– Cca–Dca	Можжевелово-ерниково-ку-старничковая тундра; 70/30	Нет

* ТКЯ – травяно-кустарничковый ярус; МХЯ – мохово-лишайниковый ярус.

** Оценка территории воздействие современных источников проведена на основании данных аэрофотосъемки и термосъемки в инфракрасном диапазоне (Функционирование субарктической…, 2011) .

современного теплового воздействия гидротерм, так и вне его. Индексация горизонтов почв проведена по морфологическим признакам в соответствии с классификацией почв России (2004) и более подробно рассмотрена ранее (Романис и др., 2015) . Шлифы изготовлены в лаборатории минералогии и микроморфологии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева М.А. Лебедевым. Исследование микростроения образцов проведено на микроскопе Olympus BX 51.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На основании сравнительного анализа микропризнаков подстилающих плотных известняков нижнего карбона и обломков травертинов из разных почвенных горизонтов и обнажений выявлены их существенные различия. Известняки , аналогичные по микропризнакам подстилающим породам, вскрыты только в подбуре оподзоленном и в незначительных количествах в подстилающих породах серогумусовой глееватой остаточно-карбонатной почвы.

Для известняков характерно массивное микростроение (рис. 3а), преобладание криптокристаллического кальцита в структуре, отсутствие зон перекристаллизации и растворения материала. Признаки разрушения связаны с их физическим растрескиванием (рис. 3б). Однако на стенках трещин отмечены глинисто-железистые кутаны, что предположительно связано с процессом иллюви-ированния этих веществ в подбуре оподзоленном.

Рис. 3. Микростроение включений известняков нижнего карбона в подбуре оподзоленном иллювиально-железистом (XN): а – массивное строение, криптокристаллический кальцит (кк), фораминиферы (ф); б – трещина (т) в карбонатном материале с железистой кутаной (жк).

На основании результатов сравнения образцов из обнажений каскада травертинов древнего происхождения и включений травертинов в почвенный профиль определены микропризнаки их разрушения в почвах. Травертины из обнажений характеризуются неоднородным микростроением и относительно высокой пористостью (рис. 4а).

Наряду с тонкозернистыми кальцитовыми участками с размером зерен <5 мкм (микритом) с рыхлой упаковкой зерен, в образцах присутствуют плотные участки кальцита с зернами 5–35 мкм (микроспаритом) и >35 мкм (спаритом). Микритовые зоны и небольшого размера поры преимущественно формируются при активном

Рис. 4. Микростроение травертинов из обнажений (XN): а – высокая неоднородность по размерности кристаллов кальцита и пористости обломков (мк – микрит; сп – спарит; п – пора); б – перекристаллизация внутри травертина (в квадрате); в – прослойки чистого кальцита ламинарного строения (в прямоугольнике) и ооидные образования (о); г – внутренние зоны с тонкодисперсным органо-минеральным веществом, кайма перекристаллизации (пк), выщелачивание (в) на контакте с порами (п).

участии микробов и растений, низком расходе вод температурой до 30 ° C (Tomoyo et al., 2012) . Отдельные внутренние части обнажений травертинов окружены тонкими бурыми прослойками, предположительно, криптокристаллического кальцита и спарита с силикатно-органическим тонкодисперсным веществом. По мере нахождения на дневной поверхности травертины Пым-Ва-Шор “стареет”, что выражается в укрупнении кристаллов кальцита и уменьшении порового пространства в границах раковин моллюсков (рис. 4б). В структуре травертинов наблюдаем нерегулярные округлые образования – ооиды размером 50–200 мкм (рис. 4в). Подобные структуры описаны при биореминерализации карбоната с участием цианобактерий (Wu et al., 2014) . Единичные участки слоев кальцита ламинарного строения (рис. 4в) в массе травертинов являются свидетельством кратких периодов преобладания физико-химических процессов седиментации обнажений. На границе с внешней средой в травертине из обнажений формируются карбонатные зерна спа-ритовой размерности с плотной упаковкой. Спарит ориентирован перпендикулярно к поверхности раздела обломка и среды (рис. 4г).

Исследование микростроения шлифов почв вблизи теплового воздействия современных гидротерм и вне его выявило наличие включений травертинов в трех разрезах из четырех. Исключение составил разр. 4. Соответствующий ему тип почв по морфологическим признакам определен как подбур оподзоленный иллювиально-железистый. Он является зональным типом почв плакора на песчаных отложениях и в дренированных позициях рельефа на территории Большеземельской тундры (Горячкин, 2010) .

Разр. 3 (серогумусовая глинисто-иллювиированная оста-точно-карбонатная почва) заложен вне зоны современного воздействия термальных вод на склоне урочища Пым-Ва-Шор. Включения травертинов, появляющиеся в профиле на глубине 75 см, свидетельствуют о древнем воздействии гидротермальной системы. Для разр. 3 характерны плотные мелкие остатки травертинов размером 200 мкм (рис. 5а) с зубчатой границей выщелачивания; пористые фрагментированные травертины спаритово-микритового состава, подобные участкам ненарушенных обнажений травертинов размером до 1000 мкм (рис. 5б).

Первые включения карбонатов размером 200–400 мкм в зоне действия гидротерм появляются в разр. 2 ( почва – глеезем

Рис. 5. Включения травертинов в профиле серогумусовой глинисто-иллю-виированной почвы (XN): а – глубина 75–80 см; б – глубина 85–92 см.

Рис. 6. Карбонатные включения в почвах в зоне действия гиротерм (XN): а – глеезем перегнойный 32–39 см (тр – травертин, пл – плазма); б – серогумусовая глееватая почва 91–100 см (тр – травертин; д – обломок известнков нижнего девона).

перегнойный , находящаяся в непосредственной близости к источникам) на глубине 30 см. Они также состоят из плотно упакованного микрита (рис. 6а). Включения представляют собой остатки после растворения карбоната и приурочены к зонам повышенного содержания тонкодисперсного вещества (плазмы) глинисто-гумусо-вогосостава. С глубиной их размеры постепенно увеличиваются до 1000 мкм (рис. 6б), повторяя черты строения травертинов, контактирующих с моховым покровом и воздухом. Они не перекристаллизованы, но увеличена степень пористости по сравнению с ненарушенными образцами, а также появляются поры-каналы. Наиболее стабильными оказались ооиды, составляющие травертины. В разрезе серогумусовой глееватой остаточно-карбонатной почвы

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2018. Вып. 92 отмечены растворяющиеся обломки карбонатов нижнего девона (рис. 6б) с характерной плотной микритовой упаковкой зерен, равномерным растворением карбоната с внешних сторон обломка, а также отсутствие железистых и глинистых пленок.

ВЫВОДЫ

На основе особенностей микростроения травертинов вблизи современных гидротерм выявлен метаморфизм минерального вещества, а именно их перекристаллизацию и разрушение. В почвах, расположенных вне гидротерм, травертины при сопоставимых размерах и формах несут меньше признаков разрушения: мало пор, более плотная упаковка зерен, покрытие железисто-глинистыми кута-нами. Разрушающее действие термальных вод проявляется путем перекристаллизации и растворения травертинов, в то время как зональные процессы ведут к механическому дроблению карбонатов на кристаллы (табл. 4).

Выделено три основных признака изменения травертинов: 1 – перекристаллизация, выражающаяся в укрупнении кристаллов карбоната кальция (характерен для стабильных условий в обнажениях); 2 – растворение – выщелачивание с образованием высокой внутренней тонкой пористости (характерен для разрушающихся травертинов в почвах вблизи современных гидротерм); 3 – физическое дробление плотных обломков с образованием пор-трещин между минералами (процесс физического разрушения обломков в почвах вне гидротерм). В случае выщелачивания травертинов наиболее устойчивой формой являются ооиды, что, видимо, связано с особенностями их биореминерализации. На глубине 90 см размер и форма травертинов в представленных разрезах почв, кроме подбура оподзоленного, сопоставимы. По нашему мнению, это свидетельство того, что ранее гидротермальные воды осаждали травертин на большей площади урочища. В современной гидротермальной системе вблизи источников идет интенсивное разрушение свидетельств древней гидротермальной системы, существование которой предполагали исследователи (Malov et al., 2015; Любас, 2016) . Устойчивость травертинов в почвах к разрушению определялась исходной пористостью и наличием железисто-глинистых кутан на поверхности.

Таблица 4. Информативность микростроения травертинов

Процесс	Диагностические микропризнаки	Ссылка
Растворение карбоната Чередование гидрологических  и  температурных условий при седиментации травертинов Перекристаллизация, “старение” травертинов Преобладание физико-химических процессов седиментации травертинов Биогенная инициация седиментации травертина Влияние диатомитовых водорослей и цианобактериальных нитей на седиментацию (процесс биореминерализации) “Консервация”  траверти нов – кутаны препятствуют проникновению    влаги внутрь карбонатов, сохраняют их строение	Зубчатая кайма на контакте с порами, большое количество внутренних пор Сочетание микрита, микроспарита, спарита сопряжено со слоистостью или микрозональностью материала Плотный материал спарито-вого состава в границах раковин моллюсков Плотное строение карбоната кальция с выраженной субпараллельной ориентацией кристаллов (преимущественно сопряжено с наличием    ламинарных слоев) Высокая пористость и разнообразие форм сочетаний микрита и микроспарита Ооиды Железисто-глинистые    и глинистые кутаны на поверхности карбонатов и в порах-трещинах	Croci, 2016;
		Pentecost, 2005
		Pentecost, 2005
		Tӧrӧk, 2004
		Brasier, 2011
		Tomoyo et al.,
		2012; Brasier, 2011
		Wu et al., 2014
		Бронникова,
		Таргульян,
		2005

Вне зоны современной активности термальных вод кутаны мощнее и содержат больше железа, чем вблизи гидротерм. Оба фактора затрудняют растворение карбонатов. Микроморфологический анализ особенностей строения травертинов в почвах урочища Пым-Ва-Шор позволяет подтвердить предположение И.В. Силаева (2008) о сравнительно недавнем омоложении системы: ранее существовала другая гидротермальная система, создавшая травертиновые каскады, наблюдаемые сегодня. Современные гидротермы, несмотря на способность к формированию карбонатных образований, в большей степени разрушают следы былой активности, нежели создают новые.