Техногенные поверхностные образования на отвалах и хвостохранилищах в Кемеровской области: опыт классификации

DOI: 10.19047/0136-1694-2017-89-90-103

В последние годы наблюдается расширение понятия «почва» за счет отнесения к почвам различных поверхностных образований, подлежащих учету (картографированию) и частично функционирующих как обычные почвы: они служат местом обитания живых организмов, прежде всего, растений, депонирующей средой органического вещества и различных загрязнителей, участвуют в биологическом круговороте, выполняя ряд функций почвы. Примерами таких образований служат твердофазные субстраты в городах (Апарин, Сухачева, 2012; Строганова и др. 1997) , а также

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 89 отходы промышленных и горнодобывающих предприятий (Андроханов и др., 2004) . К почвам относят субстраты мелководий (Demas, Rabenhorst, 1999) , тонкие пленки как на поверхности («почвы пятен» в высоких широтах), так и в трещинах или полостях скальных пород (эндолитные почвы С.В. Горячкина (2012)) . Часть таких образований уже является объектом почвенных классификаций (Строганова и др., 1997; Прокофьева и др., 2014; IUSS…, 2014 ).

При разработке субстантивно-генетической классификации почв России в начале 2000-х годов Валентин Дмитриевич Тонконогов постоянно подчеркивал различия между почвами и «непоч-вами». Последние были названы им техногенными поверхностными образованиями ( ТПО ), их отличия от природных почв отражены формально и по существу. Формально, ТПО во всех изданиях классификации почв России (1997, 2004 и 2008 гг.) вынесены за пределы собственно почвенной системы, они описываются отдельно, после всех почв и даже после перечня критериев количественных и субстратных показателей для низших уровней систематики почв. Второй формальный способ выделения ТПО – предложенные для них названия: искусственные на основе латыни, умышленно громоздкие, не похожие на привычную (и даже новую) почвенную номенклатуру, например, органолитостраты, ток-сифабрикаты. Названия отражают свойства ТПО: токсичность (токси-…) и их происхождение: природное: (натур-…) или искусственное (арти-…). Поскольку техногенными субстратами считаются даже природные отложения, но перемещенные техническими средствами с места своего исходного залегания (ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация»), то большая часть ТПО отнесена В.Д. Тонконоговым к «фабрикатам» – созданным, измененным или перемещенным человеком твердофазным телам из природных или неприродных материалов.

Неформальный, или сущностный, подход к ТПО заключается в том, что в отличие от почв ТПО не имеют системы генетических горизонтов, сформированных комплексом взаимосвязанных процессов; по В.Д. Тонконогову (2001) ТПО состоят из «горизонтоподобных слоев». ТПО не имеют длительной истории формирования и закономерных связей с условиями среды. ТПО молоды, их возраст измеряется первыми годами и немного варьирует в разных ландшафтных зонах. Со временем ТПО превращаются в почвы: сначала в слабораз-

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 89 витые, затем – в органо-аккумулятивные. Эволюционный ряд молодых (15–40-летних) органо-аккумулятивных почв на угольных отвалах Кузбасса детально изучен В.А. Андрохановым с соавторами, назвавшими их эмбриоземами инициальными, которые в дальнейшем эволюционируют в эмбриоземы органо-аккумулятивные, затем в дерновые, и, наконец, в гумусово-аккумулятивные (Курачев, Анд- роханов, 2002; Андроханов и др., 2004) . В.М. Фридланд (1982) называл подобные образования «парапочвами», считая превращение их в почвы только вопросом времени.

В статье сравниваются две группы ТПО на отходах горнодобывающих предприятий Кузбасса, существенно различающиеся исходными свойствами субстратов и биоклиматическим потенциалом почвообразования, и возможность применения к ним систематики ТПО, предложенной В.Д. Тонконоговым.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования выбраны ТПО на отвалах, образованных при добыче каменного угля открытым способом, и на хво-стохранилищах железорудных обогатительных фабрик, расположенные попарно в двух природных зонах: лесостепной и горнотаежной – черневой тайги (рис. 1).

Субстраты обоих отвалов состоят из смеси обломков плотных осадочных пород: юрских алевролитов, аргиллитов и песчаников с четвертичными суглинистыми отложениями; размеры обломков незакономерно колеблются от первых сантиметров до 0.5 м. Доля мелкозема составляет 10–20% и не превышает 30%, причем его количество обычно больше в верхнем полуметре. Среди обломков пород присутствуют обломки каменного угля, попадающие в тело отвала из-за несовершенства технологии отделения угля от вмещающих и вскрышных пород. Согласно классификации, по пригодности к рекультивации все породы отвалов можно отнести к категории «потенциально плодородные» (Баранник, Шмонов, 1988) . Химические свойства пород в обоих отвалах довольно неоднородны: значения рН Н 2 О колеблются от 6.6 до 8.4, сумма солей не превышает 0.03%. Содержание углерода варьирует в широких пределах: от 0.1 до 20%, в зависимости от количества включений обломков угля, что ограничивает оценку содержания

Рис. 1. Местоположение объектов исследования.

гумуса в ТПО. Емкость катионного обмена обычно не превышает 15 мг-экв/100 г (Берлякова и др., 2012) .

Субстраты двух хвостохранилищ близки по морфологическим и аналитическим свойствам и представляют собой высохшую песчано-пылеватую пульпу – измельченные отходы обогатительных фабрик. Сложение субстратов хвостохранилищ слоистое с чередованием песчаных и пылеватых прослоев (мощностью 0.5– 3 см), вследствие разновременного оседания частиц пыли и песка при послойном заполнении хвостохранилища. Слои залегают горизонтально или с небольшим наклоном и различаются по цвету, плотности, сложению и составу (рис. 2).

Для субстратов хвостохранилищ характерна нейтральная– слабощелочная реакция среды: значения рН Н 2 О варьируют от 7.5 до 8.2. Однако в лесостепной зоне на Абагурском хвостохранили-ще в местах скопления железистых минералов величины рН резко

Рис. 2. Суглинистые (а, б) и пылеватые (в, г) слои в материале хвосто-хранилищ с разным содержанием зерен железистых минералов. Суглинистые слои, состоящие из окатанных агрегатов (техногенных «окатышей») с низким (а) и повышенным (б) содержанием зерен железистых минералов. Песчаные слои (разнозернистый песок): с низким (в) и высоким (г) содержанием зерен железистых минералов.

падают (до 3.1). Содержание солей связано с технологическими процессами; в обеих природных зонах оно превышает 0.11%, достигая 3.5% в лесостепной зоне. По данным А.Ю. Столбоушкина (2014), среди солей в составе пульпы преобладают сульфаты кальция, магния и натрия. Содержание углерода колеблется от 1 до 2%, что, как и в случае отвалов, связано с технологическим процессом (сбросом веществ органического происхождения с соседних производств). Субстрат хвостохранилищ оценивается как фи-тотоксичный и относится к категории малопригодных для рекультивации (Баранник, Шмонов, 1988) . По содержанию токсичных солей субстраты хвостохранилищ относятся к среднезасоленным (Мундыбашское горнотаежное хвостохранилище), сильно и очень сильно засоленным (Абагурское лесостепное хвостохранилище) (по Панковой и др., 2006) .

Несмотря на расположение отвалов и хвостохранилищ в окружении высокопродуктивных растительных сообществ лесостепи и горной черневой тайги, на ТПО практически отсутствует растительный покров, на их поверхности могут присутствовать лишь единичные растения, которые в большинстве случаев угнетены.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В толще ТПО в отличие от почв отсутствуют органогенные или гумусово-аккумулятивные горизонты, однако выделяются слои, различающиеся степенью выветрелости обломков пород и их размерами в отвалах или сложением в хвостохранилищах.

Несмотря на неоднородность пород и хаотичность сложения отвалов, морфологические и химические свойства ТПО пространственно достаточно однородны, за исключением участков самовозгорания. ТПО хвостохранилищ также имеют высокую степень сходства на разных участках. Различий между ТПО, расположенными в разных природных зонах, не было обнаружено в отличие от почв на техногенных объектах.

Почвы и ТПО, формирующиеся на отходах горнодобывающих предприятий, представляют собой пространственновременной континуум: по мере развития почвообразования ТПО сменяются почвами. Данный процесс протекает постепенно, начинаясь в отдельных локусах, где по мере улучшения качества местообитания, ТПО «превращаются» в почвы. Четкую границу между этими двумя твердофазными телами, соответственно, понятиями провести довольно сложно, вопрос об их разделении является концептуальным, связанным с определением понятия «почва» или вопросом договоренности.

В большинстве публикаций разделение почв и непочвенных образований на техногенных объектах не обсуждается. Впервые термин «техногенные поверхностные образования» был использован И.И. Лебедевой и др. (1993) для обозначения искусственных грунтов и почво-грунтов. С.А. Тарановым и др. (1974) было предложено название «молодые почвы техногенных ландшафтов», заменяющее прежние: неразвитые, пионерные, примитивные, мелкопрофильные, антропогенные. С.С. Трофимов и др. для обозначения групп почв, формирующихся под воздействием техногенеза на отвалах, предлагают термин «инициальные» почвы (Гумусо-образование.., 1986). В.М. Курачев и В.А. Андроханов (2002) используют термин «эмбриоземы». На наш взгляд, система эмбри-оземов В.А. Андроханова представляет более поздние эволюционные стадии существования техногенных объектов, когда уже имеется почвенный профиль с различными органическими и/или гумусовыми горизонтами. Аналогичным образом в международной классификации – WRB (IUSS.., 2014) в реферативной группе Техносолей присутствуют явные ТПО: «имеющие плотный техногенный материал в пределах верхних 5 см» (с. 81) наряду с субстратами, характеризующимися высоким содержанием артефактов. Группа французских исследователей, рассматривая Техносоли на хвостохранилищах, аналогичных нашим объектам, подчеркивает высокие темпы почвообразования в них, пространственную однородность и многие другие сходные черты, но не разделяют почвы и ТПО (Huot et al., 2015; Leguédois et. al., 2016).

В продолжение разработок В.Д. Тонконогова в настоящей статье проведено классификационное определение ТПО четырех объектов на двух таксономических уровнях и предложено разделение на следующем уровне.

Классификация ТПО угольных отвалов и хвостохранилищ

Угольные отвалы состоят из пород естественного происхождения, сложение которых было нарушено в процессе добычи и отсыпки. Вскрышные и вмещающие породы были раздроблены, перемешаны и помещены в отвалы неселективно, что позволяет отнести образования на их поверхности к группе натурфабрика-тов , подгруппе литостратов (Тонконогов, 2001; Классификация…, 2004 ).

В «Полевом определителе почв России» (2008) не предусматривается выделение таксономических единиц для ТПО, более низких, чем подгруппа. Предлагаемое разделение ТПО на третьем таксономическом уровне во многом соответствует подходам к разделению почв на уровне рода в отечественных почвенных классификациях, что сомнений не вызывает. Однако поскольку ТПО подчеркнуто отделяются от почв в классификации почв России, в том числе терминологически, то для этого третьего уровня целесообразно использовать другой термин вместо «занятого» для почв термина «род». Предлагается новый для почвоведов термин

Систематика ТПО на отвалах и хвостохранилищах

Таксономический уровень	Отвалы	Хвостохранилища
Группа Подгруппа Триба	Натурфабрикаты Литостраты Скелетные, натечнокарбонатные, термомодифицированные	Артифабрикаты Артииндустраты Слоистые, засоленные

«триба» (от лат. tribuo – делю, разделяю), обозначающий у ботаников и зоологов таксономический ранг, стоящий в иерархии систематических категорий ниже семейства и выше рода, т.е., в нашем случае, отражающий ближайшую связь ТПО – связь с породой, от которой реально зависят все его конкретные свойства. Другими словами, введением термина «триба» подчеркивается генетический характер таксона, с одной стороны, и отделение ТПО от почв, с другой.

Разделение на трибы предлагается осуществлять по химическим свойствам субстратов, а также по некоторым морфологическим признакам (таблица).

На угольных отвалах среди литостратов выделены трибы: скелетные – с долей обломочного материала, превышающей 50%, и натечнокарбонатные – с карбонатными пятнами на обломках пород. На участках возникновения очагов самовозгорания предлагается триба термомодифицированные , диагностическими признаками которой является доминирование красноватых тонов в окраске пород, наличие обожженных и спекшихся обломков, а также наличие резкого запаха, дыма, повышенной температуры. Стоит отметить, что на исследуемых объектах воздействия открытого огня на отвальный субстрат не происходит. Породы тлеют: протекает процесс беспламенного горения при недостатке кислорода, в связи с чем использование термина «пирогенный», имеющегося в классификации почв России ( 2004 ), не вполне корректно, поэтому предлагается его замена термином «термомодифицированный», по аналогии с предложениями А.Н. Геннадиева и др. (1992).

Субстраты хвостохранилищ представляют собой отходы обрабатывающей промышленности, что дает возможность отнести их к одной из двух групп: токсифабрикаты или артифабрикаты .

Определение принадлежности ТПО хвостохранилищ к какой-либо из этих групп вызывает затруднения: с одной стороны, субстраты содержат токсичные для некоторых растений вещества (сульфаты и хлориды), что может быть критерием для их отнесения к группе токсифабрикатов. С другой стороны, критерии токсичности в классификации почв России достаточно неопределенны. В нашем случае присутствие токсичных веществ не препятствует поселению растительности и дальнейшему развитию почв, поэтому ТПО на исследуемых хвостохранилищах были отнесены к группе ар-тифабрикатов , подгруппе артииндустратов , т.е. слоев ( страт ), искусственно созданных ( арти ) в процессе индустриальной ( инду ) деятельности.

Дальнейшее разделение ТПО хвостохранилищ, так же как ТПО отвалов, осуществляется по тем же критериям, т.е. по химическим и морфологическим свойствам. Так, выделены трибы слоистых (по хорошо выраженной слоистости) и засоленных (содержащих более 0.1% солей ( Классификация.., 2004 )) артииндустратов.

Еще одним аспектом систематики ТПО являются обозначения-символы по аналогии с символами и индексами, принятыми для почв. Для обозначения техногенных пород предлагается использовать индексы, предложенные Т.В. Прокофьевой и др. (2014) для почв города.

Общим для техногенных субстратов является индекс ТСН² («техногенный горизонт»), которым вышеупомянутые авторы предлагают дополнить перечень почвообразующих пород. Кроме того, для обозначения различных техногенных пород в формулах профиля ими предложены специальные символы, которые целесообразно использовать и для наших объектов. Так, для литостратов, как образований, состоящих из природных пород, перемещенных с места исходного залегания, возможен символ # . Для артииндустра-тов, как для отходов промышленности, имеющих искусственное происхождение, можно использовать символ Ω. Схематическое строение ТПО отвалов и хвостохранилищ приведено на рис. 3.

Рис. 3. Схемы строения литостратов скелетных на отвалах и артиинду-стратов слоистых на хвостохранилищах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование ТПО на контрастных техногенных объектах (отвалах и хвостохранилищах), расположенных в двух природных зонах Кемеровской области показало, что зональные различия в строении ТПО не проявляются. Морфологические и химические свойства ТПО определяются технологическим фактором (особенностями производства, свойствами техногенных субстратов, способом заполнения).

Классификация, проведенная в рамках подходов, предложенных В.Д. Тонконоговым, позволила отнести ТПО к группе натурфабрикатов, подгруппе литостратов, а ТПО хвосто-хранилищ – к группе артифабрикатов, подгруппе артииндустра-тов. Двухуровневую систему классификации предлагается дополнить третьим иерархическим уровнем «трибы», которая бы отражала свойства техногенного субстрата.

Проведенное исследование касалось только двух групп техногенных объектов, хотя и наиболее распространенных. Можно предположить, что для других объектов и их ТПО (например, отсыпок карьеров нерудных ископаемых, золоотвалов и др.) возможны и другие подгруппы и трибы.