География
и геология /8. Почвоведение
Мартынова
Н.А.
Иркутский
государственный университет, Россия
Эколого-функциональные особенности ФосфоритныХ
почв горных геосферно-биосферных
систем котловины озера Хубсугул Монголии
Байкало-Хубсугульская
природная территория представляет собой очень своеобразную сложную
географическую систему, в ландшафтной структуре которой нашли отражение
основные черты природы бореально-таежного и бореально-степного планетарных типов среды Азии. Бассейн озера Хубсугул принадлежит к тем территориям, чье
устойчивое развитие имеет как национальное, так и большое международное
значение.
Изучено поведение фосфора на примере
естественной природной лаборатории - выходов на дневную поверхность коренных
пород месторождения, простирающегося в пределах всех высотных ландшафтных зон. В
Западном Прихубсугулье находится наиболее крупное из более чем тридцати
месторождений и проявлений фосфоритов, объединяемых в Хубсугульский
фосфоритоносный бассейн общей площадью 30000 кв. км - собственно Хубсугульcкое. Оно протягивается
вдоль западного берега озера полосой в 50 км при ширине 30 км. Содержание P2O5, представленной фторапатитом (франколитом) с примесью карбонатапатита,
колеблется в широких пределах, достигая 31-32 %. Запасы месторождения близки к
I млрд. т [3].
В районе исследования
распросранена шишхидская свита рифейско-кембрийского комплекса и урундушская
свита вендско-кембрийского возраста [1]. Первая представлена фосфатоносными
кремнистыми доломитами, черными известняками с прослоями кремней, хлоритовых и
филлитовых сланцев, алевролитов возраста в 840-708 млн. лет. Вторая -
известняками и доломитами (иногда мергелистыми) с прослоями кремней и
фосфоритов. Фосфориты состоят из
микрожелваков, внутри которых хорошо различимы хорошо выраженные трубчатые
остатки организмов, относимых к сходными с цианобактериями (размером в
несколько мкм) - неизвестными бактериально-водорослевыми образованиями, при
жизни откладывавшими фосфор в слизистом чехле [2].
Проведено комплексное изучение
морфогенетических и экологических особенностей почв, процессов почвообразования
и миграции фосфора в основных типах горных почв тундрового, лесного и степного
пояса, приуроченных к выходам фосфоритов Онголигнурского месторождения
Хубсугульского фосфоритоносного бассейна Монголии. Получен новый
фактический материал о слабо изученных
почвах, целостная информация о генезисе
и свойствах, потенциальной экологической устойчивости почв и ландшафтов, формирующихся
на фосфатно-карбонатных породах месторождения.
Территория Прихубсугулья входит в состав
Алтае-Саяно-Монгольской горной страны и
относится к юго-западному окончанию Байкальской рифтовой зоны, сформировавшейся
на границе неогена и антропогена.
Геологические особенности
и природные условия региона определили своеобразие его почвенного покрова. Расположение озера в
области сплошного распространения многолетнемерзлых пород обусловливает
развитие в береговой зоне процессов солифлюкции, пучения грунтов и
термопросадки. Почвы наземных экосистем различного генезиса и таксономического
уровня носят отпечаток мозаичности горных пород и проявлений многолетней и
сезонной мерзлоты. Высотное распределение почв региона подчинено циклональности
и антициклональности в гидротермическом режиме макросклонов горных хребтов и их
отдельных частей. Крутизна элементов рельефа способствует нередко весьма контрастной инверсии почв. Процессы денудации значительно опережают
процессы физико-химического выветривания, что в конечном итоге приводит к
господству маломощных почв, обогащенных обломочным материалом. Важнейшими
из рельефообразующих мерзлотных процессов является полигональное растрескивание
грунтов, при промерзании (или усыхании), происходящее вследствие
структурных изменений в грунте (переходе коагуляционных структур в
кристаллизационно-конденсационные), сопровождающехся
сокращением объема.
Общая специфическая черта
в регионе — низкий энергетический уровень почвообразования, Ведущее значение имеют
криогенные механизмы дезинтеграции: расклинивающее действие льда при замерзании
воды в крупных трещинах и криогидратация – колебания расклинивающего давления
тонких пленок воды, адсорбированных в микротрещинах. Совместное действие
процессов дезинтеграции, растворения и тотального выноса растворенных продуктов
приводит к дроблению породы до фосфоритной муки и снижению объемной плотности
материала. Попеременное
промерзание-протаивание, обусловливая пылеватость почв, изменяет количество
связанной воды, а также масштабы проявления химического и биохимического
выветривания. В ходе криогидратационного
выветривания преимущественно накапливаются тонкопесчаные и крупнопылевые
фракции. Морозобойные трещины, постепенно заполняясь минеральным, органогенным
и хемогенным материалом - выполняют роль естественных дренажных систем.
Благодаря этому почвы обедняются многими компонентами, что создает пестроту
почвенно-растительного покрова. В результате развития почв в условиях медленно
движущегося под уклон субстрата образуются толщи с погребенным горизонтом. Как
правило, они локальны.
Почвенный покров Прихубсугулья имеет сложную
структуру. Наряду с "геоморфологической" моделью не обширных
пространствах тундровых, лесных и степных ландшафтов Прихубсугулья реализуется
модель "климатогенной зональности почвообразования", контролируемая и
осложняемая разнокачественностью свойств почвообразующих пород, или литогенной
матричностью почвообразования. По мере упрощения информационно-энергетической
структуры минеральной массы наблюдается существенная конвергенция ряда базовых
свойств, характеризуемых длительностью взаимодействия почвообразующей породы с
биотическими и абиотическими компонентами экосистемы. Наименьшей
рефлекторностью отличаются почвы на чисто карбонатных породах, выветривание
которых не меняет химизма процесса почвообразования. В значительно большей
степени сенсорность и рефлекторность присуща почвам на кремниево-карбонатных
породах. В горных условиях Прихубсугулья матрица в силу своей биоклиматической
рафлекторности определяет направления почвообразования в данном климате,
образуя литогенный спектр почв на породах разной степени карбонатности н
фосфатности, осложненной стратиграфической и фациальной изменчивостью
фосфатно-(кремнисто)-карбонатных пород в условиях горных экосистем
Прихубсугулья с незамкнутым круговоротом веществ.
В исследуемых почвах разных высотных зон Прихубсугулья
могут сочетаться как процессы буроземообразования, так и лессивирования и
оподзоливания. Их интенсивность зависит от обогащенности пород
легковыветриваемыми первичными минералами, степени карбонатности, структурных и
текстурных особенностей пород. В процессе
почвообразования отложения фосфоритов расчленяются на плиты, а мелкоземистые
продукты «педогенеза» располагаются по карманам и представлены глинистыми
кутанами лессиважа. Почвенно-грунтовая
толща всех изучаемых ландшафтов, как правило, короткопрофильная и
сильноскелетная.
Почвы
разных климатических зон оказываются непринципиально различающимися по составу
на фоне карбонатности почвенного профиля. В условиях щелочной реакции
почвенного профиля выщелачиваются кальций и кремний, образуя по нижним
частям скелетных отдельностей карбонатные
и силикатно-карбонатные
натеки и бородки различной формы (грибовидные, пленочные,
игольчатые, лишайникообразные и др).
На фосфатопроявлениях развиваются фитоценозы,
отличные по структуре и сложению - лиственничные леса, степи, тундровые ценозы
с исключительно богатым травянистым ярусом из злаков и бобовых. Никаких изменений в структуре типоморфных
элементов не было замечено от тундры до
сухих степей.
Степень аккумуляции химических элементов в
отдельных звеньях ландшафтных каскадно-геохимических систем Прихубсугулья
зависит от взаимного сочетания процессов гумусообразования,
почвообразования и особенностей
миграции химических элементов. В исследуемых ландщафтах карбонатный компонент
“затушевывает” влияние фосфатного материала пород. Выветривание фосфатоносных
почвообразующих пород, относящихся к разряду силикатно-карбонатных пород, в
почвах всех высотных поясов юго-западного Прихубсугулья приводит к
значительному накоплению силикатного мелкозема по мере разложения и выноса
карбонатного компонента.
При рассмотрении шлифов микростроения почвенных
горизонтов под микроскопом хорошо выделяются халцедоновые натеки, похожие на
кальцитовые. Кремниевые кислоты с опалом и карбонатами «текут» (передвигаются вниз по профилю) и выпадают в
осадок в определенных условиях почвообразования, заполняя пустоты отмерших
растительных тканей. В них кремнисто-карбонатная плазма образует частицы по
типу «биолитов». Они имеют форму
микроагрегатов, но границ между частицами микроагрегатов не видно, показатель
преломления их невысокий. Отмечается также много глауконита - водного силиката
осадочного генезиса, сопутствующего фосфоритам и образующегося в прибрежных
зонах морских бассейнов на небольших глубинах. В верхних горизонтах почв тундрово-лесной
зоны идет также процесс хлоритизации – относительное накопление хлоритов,
имеющих специфичную интерференционную окраску, изотропность и
радиально-лучистое строение. Фосфоритные зерна выветрелые – с «кавернозными»
пустотами внутри и переотлагаемыми кристаллами карбонатных частиц ромбоподобной
формы на поверхности.
Общая направленность исследованной территории ведет к
образованию качественно схожего минералогического состава глинистой части почв,
в основе которого - различные сочетания гидрослюд, хлоритов, трудно
диагностируемых смешанно-слойных образований и тонкодисперсного кварца и приводит
к остаточной аккумуляции глинистых
минералов гидрослюдисто-хлорито-иллитового состава с признаками плохой окристаллизованности и
супердисперсности иллитов, а также -
илистого органического вещества.
В
таежном поясе юго-западного Прихубсугулья на фосфатно-карбонатных породах
развиваются серые метаморфические
(дерново-карбонатные) почвы, в зоне тундр развиваются карболитоземы
перегнойные (тундровые перегнойные почвы), в степном поясе – формируются
черноземы криогенно-мицеллярные (черноземы южные высоковскиающие). В прибрежных
зонах озера развиты темно-гумусово-(перегнойно)-глеевые (лугово-болотные)
почвы. Комплексное
изучение морфогенетических и экологических особенностей, процессов
почвообразования и миграции фосфора показало, что все исследуемые почвы
характеризуются большим количеством валового и подвижного фосфора,
определяющими их своеобразные свойства.
Фракционный анализ минеральных и органических фосфатов показал, что в процессе
почвообразования фосфор выщелачивается
в виде минеральных и фосфорорганических соединений (ФОС) и может мигрировать в ландшафтах, причем
большая доля фосфора приходится на фракцию фульвокислот. Фракционирование фосфорорганических
соединений, показало, что наиболее активно накапливаются в почве фосфаты
Al и Fe, что неразрывно связано с количеством органического вещества и
глинистого компонента, интенсивно способствующих закреплению алюмо- и железофосфатов
в профиле почв.
Почвенный гумус исследованных почв
по результатам химического фракционирования, можно охарактеризовать как
слабоподвижный, фульватно-гуматный и гуматно-фульватный, образующийся in situ за счет разложения корневого и постепенно
накапливающегося поверхностного опада, с высоким содержанием органических
веществ во II и III фракциях и значительным количеством негидролизуемого остатка.
Высокое содержание гумусовых кислот, обусловлено, возможно, 1) присутствием
франколита (трехкальциевого фосфата), «закрепляющего» гуминовые вещества,
выводящего их из процессов постоянного обновления молекул, т.е. способствующего
консервации и «старению» гумуса, а также – 2) дегидратацией подвижных гумусовых
кислот в условиях резко континентального климата, сопровождающейся усилением
конденсированности ядерной части молекул, избыточного содержания фосфора.
Причем под влиянием избыточного содержания фосфора (фосфоритных пластов) этот
процесс «созревания» гуминовых кислот явно усиливается. Фракционный анализ
гуминовых кислот, их гельхроматограммы и инфракрасные спектры на фоне схожих
процессов зонального горного гумусообразования позволяет выделить лучшее
закрепление С в фосфоритных почвах в виде гуматов Ca, а в почвах на доломитизированных известняках – преимущественно в
виде органоминеральных комплексов. Стабилизирующая роль
фосфора и карбонатов состоит в формировании прочных
карбонатно-фосфорно-гумусовых
скоагулированных комплексов. Их
дальнейшая гумификация и минерализация затруднена благодаря большому количеству
ограничений зонального гумусонакопления.
Почвы, содержащие в себе фосфоритовый щебень, приобретают
ряд свойств, отличающих их от нормальных почв. При оценке субстантивных
параметров рассматриваемых фосфоритных почв возникает необходимость выделения
их в особую группу (самостоятельный род) - «фосфатоземы», например, с
последующим ее делением по выщелоченности и ландшафтной принадлежности. Валовый
состав этих почв и их гранулометрических фракций показывает, что из них в
процессе почвообразования выщелачиваются карбонаты щелочноземельных металлов, а
также фосфаты (рис.1).
В горах имеется сильный
боковой сток веществ, но нет благоприятных условий для роста ареалов
распространения фосфатной дисперсии.
Вокруг исследуемых геосистем развит карбонатный геохимический барьер,
представленный продуктами трансформации доломитов и известняков. В прямой
зависимости с этим находится,
возможно,. и малое содержание
минерального фосфора в водах озера Хубсугул и реках юго-западного
Прихубсугулья, богатого месторождениями
фосфоритов.
Северные районы Монголии по
своим природным условиям сходны и тесно связаны с Восточной Сибирью и
Забайкальем. Бассейн озера Хубсугул, являющегося одним из стабильных
основных питающих источников р.
Селенги, а следовательно, и озера Байкал, практически еще не затронут 
влиянием
человека и может служить для воссоздания и расшифровки моделей
эталонов
природы. Эти уникальные экосистемы и места обитания характеризуются высокой
степенью разнообразия, большим числом эндемичных или находящихся в опасности
видов, содержат дикую живую природу, имеют социальное, экономическое,
культурное и научное значение.
В процессе исследования расширены представления
о возможностях эволюционного развития почвенного покрова и экологической
сбалансированности существования почвенных тел как в условиях естественного
развития геосистем, так и под воздействием дестабилизирующего антропогенного
фактора. Cпрогнозированы возможные последствия усиливающегося техногенного пресса на уникальную в природном и культурном
отношении экосистему оз. Хубсугул в аспекте возможного освоения месторождения
фосфоритов.
Инстабилизацию физических и
физико-химических свойств "фосфатоземов" в результате их возможной
промышленной дезинтеграции в случае
разработки месторождений и привнос вторичных продуктов в акваторию озера
Хубсугул надо рассматривать с позиций определения направлений потоков веществ в
системе сопряженных ландшафтов и существования геохимических барьеров,
подвижности почвенных фосфатов и вещественного состава вод озера. К тому же корнеобитаемые горизонты почв
способны поглощать, дезактивировать и задерживать от последующего выщелачивания
неограниченные количества фосфора. С увеличением дисперсности материала можно
предположить повышение растворимости фосфатов. Но низкие температуры вод озера
и высокая насыщенность их гидрокарбонатами Са и кислородом будут, видимо, способствовать
консервации фосфора, из-за чего возможно увеличение продуктивности фито- и
зоопланктона, т.е. образование вторичных ареалов рассеивания фосфора.
Из
типоморфных для Хубсугульского месторождения фосфоритов элементов ртуть
относится к I классу сангигиенической опасности, но ее аномалии локальны и
малоконтрастны, фтор – ко II классу (с большими размерами ареалов), фосфор –
биогенный элемент, опасность редких земель не изучена. Эти данные позволяют
формально отнести Хубсугульское месторождение к экологически среднеопасным, по
классификации, основанной на параметрах аномальных геохимических полей
месторождений. Если же учитывать контрастную природно-социально-антропогенную
ситуацию в экосистеме Байкальского региона, то Хубсугульское месторождение можно
отнести к первому классу опасности, хотя фосфор в сангигиеническую классификацию
не включен. Опасность заключается в воздействии на биоту ландшафтов с фосфорной
специализацией и очень большими объемами отходов (при открытой разработке),
содержащих фосфор – лимитирующий фактор экосистемы оз. Хубсугул. При отработке
месторождения возможна активизация природно сбалансированной системы с
повышением местного фона, повышением его динамики и разноса на большие
расстояния по розе ветров. Будут нарушены и транспирационные (газово-жидкие) ареалы
фосфора под растительным покровом. С их наличием, возможно, связаны аномальные
содержания фосфора в фильтрате снеговой воды на акватории оз. Хубсугул.
Литобиохимические
ареалы значительно превышают по ширине фосфатоносные пачки и будут включаться в
контур карьерной отработки. Водных потоков практически нет, гидрохимических
аномалий в подземных водах не установлено. Т.о., собственно природное
геохимическое поле как источник загрязнения будет иметь минимальное значение,
его воздействие будет опосредовано техногенными процессами от отработки
месторождения. Ванадий, никель, фтор, ртуть – элементы с повышенным содержанием
в среде месторождения, способные накапливаться в трофических цепях, - являются
трансформерами, способными приводить к отдельным генетическим нарушениям в
биоте. Для ландшафтов с фосфоро-марганцевой специализацией отмечена повышенная
заболеваемость уролитиазом («уровской болезнью»). Горные ландшафты
месторождения, где развиты вторичные ареалы фосфора и фтора, не благоприятны
для постоянно проживания и сельского хозяйства и эта опасность пока не актуальна.
В данный момент
природные комплексы Прихубсугулья находятся в сбалансированном состоянии.
Разработка месторождения повлечет за собой эвтрофикацию части или всей
акватории оз. Хубсугул (и оз. Байкал), гибель наименее устойчивых компонентов
почвенной микробиоты, отдельных эндемиков фауны и флоры оз. Хубсугул. Сероводородное
заражение потребует «геологических» периодов времени на восстановление их
нынешней ультраолиготрофности. Среди всего разнообразия воздействий на
природную среду основными можно считать воздействия не на отдельные ее компоненты,
а на связи между ними, осуществляемые через атмосферное рассеяние, водные
потоки и пищевые цепи.
Поскольку до конца не
изучены факторы, обспечиваюшие уникальные особенности и способности экосистем
оз. Байкал и оз. Хубсугул (75% эндемиков в открытой экосистеме, центр видообразования
отдельных групп фауны и т.д.) - существует опасность невольного воздействия на
эти факторы и условия и деградации уникальных экосистем до обычных, что явится
нарушением национальных обязательств в отношении участков мирового наследия. Отмеченное повышает научную, природную и
эстетическую ценность созданного по рекомендациям результатов исследований
Хубсугульской комплексной советско-(российско)-монтольской экспедиции
Национального парка оз. Хубсугул и определяет необходимость охраны и
мониторинга этих своеобразных, вызванных высокой фосфатоносностью
почвообразующих пород, необычных ландшафтов, не имеющих аналогов в пределах МНР
и РФ.
Литература
1. Кузнецов
Г.А., Сульдин В.А. Геология и полезные ископаемые. Стратиграфия/Природные
условия и ресурсы Прихубсугулья в МНР. - М.: Недра, 1976. - С. 46-5З.
2. Розанов А.Ю. Древнейшие организмы и образование
фосфоритов //Палеонтологические исследования в Монголии.- М.: Природа, 1989, №
9. С.61-65
3. Яншин А.А., Жарков М.А.
Фосфор и калий в природе.- Новосибирск: Наука, 1986. с. 6-29