В 2024 г. исследованы почвенно-мерзлотные комплексы в ландшафтах типичных и южных тундр севера Западной Сибири. Исследованные профили почв были отнесены к отделам криогенных почв, а также альфегумусовым и глеевым мерзлотным почвам, подстилаемым мёрзлыми породами. В их криогенном строении выделена переходная зона с выраженными переходным и промежуточным слоем. Описаны криогенные текстуры мёрзлых отложений, прослежена их дифференциация в зависимости от состава пород. Были измерены валовые содержания химических элементов и вычислены значения некоторых геохимических коэффициентов и индексов в структурных элементах почвенно-мерзлотных комплексов. Исследовано их распределение в системе почва – переходная зона – многолетнемёрзлые породы.

Ключевые слова: криогенез, криолитозона, мерзлотные почвы, переходный слой, промежуточный слой, текстурообразующий лёд, геохимические индексы, геохимические барьеры, полуостров Ямал, Гыданский полуостров, Арктика.

Введение. Современная климатогенная динамика многолетнемёрзлых пород (ММП), заключается преимущественно в росте их среднегодовых температур, сокращении их площади и мощности. Особенно восприимчивыми к положительному климатическому тренду являются наиболее льдистые ММП [Streletskiy et al., 2021]. Переходный и промежуточный слои (ПС, ПрС) ММП, сформированные вследствие динамики мощности сезонноталого слоя (СТС) в голоцене, также отличаются высокой льдистостью [Шур, 1988], однако, их реакция на оттаивание зависит от глубины проникновения положительных температур. ПС и ПРС, обладающие повышенной объёмной влажностью (льдистостью), выполняют защитную функцию, предотвращая вытаивание нижележащих мёрзлых толщ [Конищев, 2009; Oblogov et al., 2023]. В отдельных случаях наиболее глубокого протаивания, на территории активизируются процессы термокарста [Desyatkin et al., 2021]. Кроме того, ПС и ПРС, протаивавшие на разных этапах голоцена, могли входить в сферу почвообразования. Вследствие этого они способны сохранить в своей структуре некоторые морфологические и физико-химические признаки процессов почвообразования в геологическом прошлом [Lupachev, Gubin, 2023]. Взаимодействие криогенеза и педогенеза в верхней части мёрзлой толщи приводит к формированию чрезвычайно сложной по криогенному строению, морфологическим свойствам и структурной организации системы. Совокупность её структурных элементов, объединённых вещественно-энергетическими потоками, – СТС, ПС и ПРС, – называется почвенно-мерзлотным комплексом (ПМК) [Лупачёв, Губин, 2008]. ПМК является основой современного состояния и функционирования мерзлотных экосистем, прежде всего, в случае неглубокого залегания ММП.

Большая часть исследований ПМК проведена в северо-восточной и центральной Якутии [Лупачёв, Губин, 2008; Черепанова, Шепелев, 2023; Lupachev, Gubin, 2023], а также в северной Канаде и на Аляске [Ping et al., 2015]. Сведений о региональных особенностях строения и свойств ПМК в Западносибирском секторе российской Арктики в настоящее время нет, несмотря на достоверно установленное наличие ПС и ПРС в криогенном строении мёрзлых толщ морских террас п-ова Ямал, Гыданского п-ова, и о-ва Белый [Каневский и др., 2005; Слагода и др., 2013; Королёва и др., 2021]. Недостаточная изученность взаимодействия почв с подстилающими ММП обусловила актуальность проведения данной работы.

Объекты исследования. Ключевые участки расположены на севере Западносибирской низменности. Участок «Яры» находится вблизи одноимённой фактории на Полярноуральском берегу Байдарацкой губы, участок «Васькины Дачи» – в окрестностях Бованенковского НГКМ на центральном Ямале, участки «Новый Порт» и «Ныда» – вблизи одноимённых населённых пунктов на юго-востоке п-ова Ямал и юго-западе п-ова Тазовский, а участок «Тазовский» – в окрестностях пос. Тазовский и с. Газ-Сале на севере Пур-Тазовского междуречья (рис. 1).

Территория расположена в области субарктического климата, среднегодовая температура воздуха составляет от –4,2 до –7,6°C, летом редко превышает +20°C. За год здесь выпадает 225-350 мм атмосферных осадков, преимущественно в зимний период. По геоботаническому районированию Арктики [Walker et al., 2005] она относится к южно- и типичнотундровой зонам Арктики и Субарктики, широко распространены кустарничково-мохово-лишайниковые растительные ассоциации. Распространение ММП на участке «Васькины Дачи» характеризуется как сплошное, на остальных участках – прерывистое. Их температуры варьируют от –5 до примерно –2°C как между ландшафтными зонами, так и на мезо- и микроландшафтном уровнях [Obu et al., 2019]. На территории распространены различные криогенные процессы, в т.ч. опасные – термокарст и термоэрозия, криогенное оползание, термоабразия и др., активизирующиеся на фоне возрастающей температуры воздуха и увеличения глубины сезонного протаивания [Бабкина и др., 2019].

Рельеф в границах исследованных участков представляет собой выровненные поверхности морских и аллювиально-морских террас, сложенных преимущественно песчано-супесчаными четвертичными отложениями. Часть исследованных ПМК в верхней части разреза имеет песчано-супесчаный гранулометрический состав. На участках в южнотундровых ландшафтах (Ныда, Новый Порт) наблюдается двучленное строение ПМК. В районе с. Ныда в верхней части разреза залегает суглинистая толща, подстилаемая на слоистыми песками. В районе пос. Новый Порт, наоборот, косослоистая песчаная толща в верхней части ПМК подстилается морскими глинами.

Методы исследований. Разрезы почв закладывались на ключевых участках до глубины залегания кровли ММП, в которых ниже были пробурены мелкие скважины малогабаритным мотобуром с колонковым пробоотборником. Почвенные характеристики были описаны в 16 изученных ПМК, криолитологические – в 14, геохимические – в 4. Почвы описывались по наиболее современной классификации почв России [Полевой…, 2008]. Криогенные текстуры (КТ) мёрзлых отложений были описаны по Е.М. Катасонову [1961]. Изучение физико-химических свойств минеральной массы ПМК проводилось стандартными лабораторными методами [Аринушкина, 1970], валовой химический состав минерального вещества выполнялся рентгенофлуоресцентным методом (XRF) в ЦКП ИФХиБПП РАН (г. Пущино). На основе результатов XRF-анализа были рассчитаны некоторые почвенно-геохимические коэффициенты и индексы CIA, PWI, ICV, MnO/Sr, Mn/Fe, (Fe+Mn)/Fe, Ti/Al, Ti/Zr, La/Sc, Zr/Sc, R – особенности применения этих и др. соотношений в почвенно-геохимических исследований рассмотрены в работе [Приходько и др., 2020].

Результаты исследования.

Почвы и почвообразовательные процессы. Описанные в 2024 г. почвы преимущественно относятся к отделам альфегумусовых, криогенных и глеевых почв. Транспорт альфегумусовых соединений в профиле выражается в наличии на поверхностях минеральных зёрен тонких рыжевато-бурых плёнок оксидов и гидроксидов железа и алюминия. Оглеение в нижних частях профилей (а в некоторых случаях и с поверхности) проявляется в виде сизоватой окраски горизонтов вследствие периодического переувлажнения почв. Активные криогенные процессы в почвах формируют вихревые рисунки строения горизонтов (криотурбации), а также пятнистый микрорельеф дневной поверхности. В криогенных почвах оструктуренность минеральной массы выражена крайне слабо или отсутствует. Классификация криогенных почв в значительной степени затруднена [Лупачёв и др., 2019], поскольку их профили могут содержать признаки разных групп процессов почвообразования (рис. 2). Горизонт, сходный по морфологическим признакам с BF, в этой почве организован в длинный и узкий вертикальный прослой языковатой формы (рис. 2б). Его происхождение может быть обусловлено образованием мерзлотной трещины или прикорневой засыпки органоминерального материала. Профили почв в районе п. Новый Порт были отнесены к стволу первичного почвообразования, отделу слаборазвитых почв, типу псаммозёмов. Толща их песчаной почвообразующей породы С·· в незначительной степени преобразована педогенезом.

Сезонное протаивание. Мощности СТС варьируют в широких пределах. Значительная часть разрезов ПМК имеет СТС мощностью до 100-120 см (рис. 4), что определяет не только мощность поверхностного органогенного горизонта, но и геоморфологическое положение разреза. На бровках крутых склонов или обрывистых термоабразионных берегов мощность СТС нередко превышает 150-200 и более см за счёт бокового протаивания. В то же время почвы в автоморфных позициях рельефа оттаивают в среднем на 50-100 см. Резкое увеличение мощности СТС было отмечено в нижней части склона холма на участке «Васькины Дачи»: даже на глубине 200 см кровля ММП не была зафиксирована. Такой резкий перепад мощностей СТС, по нашему мнению, связан с доминированием в структуре растительного покрова ивы мохнатой (Salix ianata), которая обладает повышенной способностью к снегонакоплению.

Микротопографические особенности кровли многолетнемёрзлых пород. Кровли ММП на горизонтальных зачистках их поверхностей имеют преимущественно ровную форму без выраженных микротопографических особенностей, за исключением разреза на слабовыпуклой вершине холма на участке «Васькины Дачи» (рис. 3а).

Предположительно, благодаря активным криотурбациям и склоновым процессам здесь наблюдается резкое нарушение залегания горизонтов ПМК, выраженное в смене переслаивания супесей погребёнными торфяными горизонтами с субгоризонтального на наклонное (в СТС), и ниже – на субвертикальное (на границе СТС-ММП) (рис. 2, 3). Перепады высотных уровней поверхности кровли ММП из-за неравномерности протаивания достигают 3-4 см. На склоне этого же холма было обнаружено, что направление падения высот кровли ММП не совпадает с общим направлением падения высот поверхности почвы. Предположительно, это может быть связано с мозаичностью растительного покрова и мощности органогенного горизонта на склоне.

Криогенные текстуры переходного и промежуточного слоёв ММП. В песчаных и супесчаных отложениях ПМК наиболее распространены массивные КТ, реже в них встречаются перистые, косолоистые и косолинзовидные КТ. В суглинистых и глинистых представлены в основном волнистые, перистые и косослоистые КТ. В большей части изученных разрезов ПМК непосредственно под СТС выделяются слои ММП, имеющие криолитологические признаки ПС и ПРС. В строении ПМК в районе «Ныды» (NYD-23-01, 02, NYD-24-01), «Тазовского» (TAZ-24-02) и «Васькиных Дач» (BVN-24-02, 03, 04, 06) выделяется последовательность всех его структурных элементов. Криогенное строение верхних горизонтов ММП в них характеризуются повышенной льдистостью с перистыми, косослоистыми или косолинзовидными, и волнистыми КТ (рис. 4). Морфологически выраженные ПС в структуре разреза ПМК BVN-24-03 и 06 имеют вертикальнослоистые КТ (рис. 4), при этом в первом случае мы связываем это с переслаиванием супесчаных отложений торфом, к прослоям которого приурочены высокольдистые участки, а во втором – именно с текстурообразованием в ходе многократного промерзания и протаивания в голоцене. В некоторых случаях (ПМК NYD-24-01, BVN-24-04) в криогенном строении верхней части ММП встречаются тонкие прослои атакситовой КТ, содержащие более 50% льда. Расположение этих прослоев может считаться маркером нижних границ структурных элементов ПМК. В разрезе BVN-24-04 прослой атакситовой КТ находится непосредственно под СТС, а в разрезе NYD-24-01 – между слоями косолинзовидной и косослоистой КТ, то есть, может маркировать глубину подошвы СТС на разных этапах развития ПМК (рис. 4).

Геохимические свойства структурных элементов почвенно-мерзлотных комплексов. Особенности геохимических свойств были вычислены в 4 ПМК южнотундровых ландшафтов на участках «Ныда» и «Новый Порт». Кварцевый состав песчаной фракции минерального вещества способствует абсолютному доминированию SiO₂ в валовом химическом составе почв. Песчаные отложения, в особенности аллювиальные, обеднены Fe₂O₃, Al₂O₃ и др. элементами, их КК редко превышают 1.

Концентрации практически всех макроэлементов почв ниже (КР Mn, Ca = 1,17-1,98), а некоторых – значительно ниже (КР Al, Fe, Na, K, Mg = 2,0-4,14) кларкового уровня. Превышением средних содержания над кларками характеризуются только Si и Ti, КК которых составляет 1,08-1,26. За счёт высокого содержания органического веществе в горизонтах O и T средние концентрации биофильных C и N в исследованных ПМК достаточно высоки, что также выражено в достаточно высоких значениях КК (для C – 4,15, для N – 2,20), а S и P свойственно рассеивание (КР S = 1,73; P = 2,73).

Выделенные нами структурные элементы ПМК достаточно чётко дифференцированы по содержанию некоторых элементов, о чём свидетельствуют параметры распределения значений коэффициента R. Так R для C в СТС составляет 2,0, в надмерзлотной части профиля почвы понижается до 1,2, а в системе ПС-ПРС (без разделения) – до 0,7. Аналогичные распределения с минимумом значения R в ПС-ПРС типичны для N и S, а значение P в этом структурном элементе, напротив, возрастает до 1,2, в остальных не превышая 1,0 (рис. 5а).

Особенно высокие значения R в ПС-ПРС имеют Mg (рис. 5б), Ni, Rb, V и Zn (рис. 5в). Предположительно, повышения их концентраций связаны с барьерной функцией мерзлотного водоупора, которая особенно ярко проявляется в ПМК песчано-супесчаного состава, а также с процессами криогенного массообмена на границе СТС-ПС. По результатам анализа распределений коэффициента R был выявлен геохимический барьер в системе ПС-ПРС. Который может являться самым контрастным в профиле ПМК.

Некоторые другие геохимические коэффициенты продемонстрировали значительную дифференциацию значений между структурными элементами ПМК. Наиболее контрастными распределениями в ПМК отличаются PWI, резкий рост значения которого выделяет надмерзлотную часть профиля, индексы биохимического выветривания (MnO/Sr, Mn/Fe) и др. (рис. 6), распределение которых между надмерзлотной частью почвенного профиля, ПС и ПРС достаточно чётко маркирует их верхние и нижние границы. Индексы выветривания (ICV, PWI, CIA) распределены в ПМК достаточно равномерно, в отличие от показателей биохимической активности. Так, например, средние значения коэффициента MnO/Sr в ПС+ПРС и ММП более чем в 2 раза выше, по сравнению с СТС и его надмерзлотной частью. Литологический контакт в профилях ПМК отмечается по значениям каждого из индексов литологической однородности. Максимальной дифференциацией отличаются значения Ti/Zr, La/Sc и Zr/Sc не показывают столь больших различий, однако факт двучленности пород был подтверждён (рис. 6).

Выводы. В исследованных типично- и южнотундровых ландшафтах криолитозоны севера Западной Сибири в верхних слоях песчано-супесчаных четвертичных отложений развиты ПМК, в структуре которых в большей части случаев выделяются почвенные профили альфегумусовых, глеевых и криогенных почв, и переходная зона, разделяемая на ПС и ПРС. Эти слои выделяются по сильнольдистым криотекстурам – перистым, косослоистым и косолинзовидным, реже – по вертикальнослоистым. Дополнительным критерием разделения этих слоёв могут служить геохимические коэффициенты и индексы. Коэффициенты выветривания в профилях ПМК распределяются относительно монотонно, а индексы биохимической активности и литологической неоднородности – значительно контрастнее, причём их значения в ПС и ПРС повышены. В перспективе анализ поведения различных химических элементов и их взаимосвязей в ПМК может способствовать более глубокому анализу педогенной трансформации верхних горизонтов ММП.

Благодарности. Работы проведены в рамках госзаданий № FMRM-2022-0009 (ИФХиБПП РАН), № FWRZ-2021-0012 (ИКЗ ТюмНЦ СО РАН) и № ЦИТИС 121051100167-1 (МГУ).

ЛИТЕРАТУРА

Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. Изд-во МГУ, 1970, 487 с.

Бабкина Е.А., Лейбман М.О., Дворников Ю.А. и др. Активизация криогенных процессов на территории Центрального Ямала как следствие региональных и локальных изменений климата и теплового состояния пород // Метеорология и гидрология. 2019. № 4. С. 99-109.

Каверин Д.А., Мажитова Г.Г., Ривкин Ф.М. и др. Исследование тундровых мерзлотных почв в системе «деятельный слой – многолетняя мерзлота» (северо-восток Европейской России) // Изв. Самар. НЦ РАН. 2012. Т. 14. № 1. С. 52-58.

Каневский М.З., Стрелецкая И.Д., Васильев А.А. Закономерности формирования криогенного строения четвертичных отложений Западного Ямала (на примере района Марре-Сале) // Криосфера Земли. 2005. Т. IX. № 3. С. 16-27.

Катасонов Е.М. Исследование состава и криогенного строения многолетнемёрзлых горных пород / В кн. Полевые геокриологические (мерзлотные) исследования. М., Изд-во АН СССР, 1961, гл. 3, с. 69-88.

Конищев В.Н. Реакция вечной мерзлоты на потепление климата // Вестник МГУ. Сер. 5. Геогр., 2009. № 4. С. 10-20.

Королёва Е.С., Слагода Е.А., Мельников В.П. и др. Идентификационные признаки переходного и промежуточного слоёв в полигональных торфяниках севера Западной Сибири // Доклады РАН. Науки о Земли. 2021. Т. 498. № 2. С. 131-137. doi: 10.31857/S2686739721060098

Лупачёв А.В., Губин С.В. Участие почвообразования в формировании и организации переходного слоя многолетнемёрзлых пород // Криосфера Земли. 2008. Т. XII. № 2. С. 75-83.

Лупачёв А.В., Губин С.В., Герасимова М.И. Проблемы диагностики криогенных почв в современной классификации почв России // Почвоведение. 2019. № 10. С. 1157-1162. doi: 10.1134/S0032180X19080100

Приходько В.Е., Азаренко Ю.А., Шаяхметов М.Р.  и др. Реконструкция климата средневековья на основе почвенных и геохимических исследований курганов сросткинской культуры и её локализация в юге Западной Сибири // Почвоведение. 2020. № 3. С. 261-278. doi: 10.31857/S0032180X20030053

Слагода Е.А., Лейбман М.О., Хомутов А.В. и др. Криолитологическое строение первой террасы острова Белый в Карском море (Часть 1) // Криосфера Земли. 2013. Т. XVII. № 4. С. 11-21.

Черепанова А.М., Шепелев А.Г. Содержание различных форм углерода в покровных отложениях ледового комплекса Центральной Якутии // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2023 № 28(1). С. 68-77. doi: 10.31242/2618-9712-2023-28-1-68-77

Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мёрзлых пород и термокарст / отв. ред. А.В. Павлов. Новосиб.: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. 214 с.

Desyatkin R., Filippov N., Desyatkin A. et al. Degradation of Arable Soils in Central Yakutia: Negative Consequences of Global Warming for Yedoma Landscapes // Frontiers in Earth Science. 2021. Vol. 9, 683730. doi: 10.3389/feart.2021.683730

Lupachev A., Gubin S. The soil-cryogenic complex: Evidence of late Pleistocene Holocene coevolution of permafrost and cryosols at the Kolyma Lowland // Permafrost and Periglacial Processes. 2023. Vol. 34. Is. 3. P. 317-330. doi: 10.1002/ppp.2191

Oblogov G.E., Vasiliev A.A., Streletskiy D.A. et al. Localized vegetation, soil moisture, and ice content offset permafrost degradation under climate warming // Geosciences. 2023. Vol. 13, 129. doi: 10.3390/geosciences13050129

Obu J., Westermann S., Bartsch A. et al. Northern Hemisphere permafrost map based on TTOP modelling for 2000-2016 at 1 km² scale // Earth-Science Reviews. 2019. Vol. 193. P. 299-316. doi: 10.1016/j.earscirev.2019.04.023

Ping C.L., Jastrow J.D., Jorgenson M.T. et al. Permafrost soils and carbon cycling // SOIL. 2015. Vol. 1. P. 147-171. doi: 10.5194/soil-1-147-2015

Streletskiy D. Permafrost degradation. In Snow and Ice-Related Hazards, Risks, and Disasters. 2^nd Edition / Ed. W. Haeberli, C. Whiteman. Amsterdam, the Netherlands: Elsevier, 2021. Ch. 10, pp. 297-322. doi: 10.1016/B978-0-12-817129-5.00021-4

Walker D.A., Raynolds M.K., Daniels F.J.A. et al. The Circumpolar Arctic Vegetation Map // Journal of Vegetation Science. 2005. Vol. 16. Is. 3. P. 267–282. doi: 10.1111/j.1654-1103.2005.tb02365.x

CRYOLITHOLOGICAL AND GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF THE SOIL-CRYOGENIC COMPLEXES STRUCTURAL ELEMENTS IN TUNDRAS OF NORTH-WESTERN SIBERIA 

Ginzburg A.P.¹, Dan’ko M.M.², Zadorozhnaya N.A.², Kuziakin L.P.³, Levochkina O.V.², Lupachev A.V.¹, Sobin R.V.³, Khomutov A.V.² 

¹ Institute of physico-chemical and biological problems in soil science RAS, Pushchino, Russia

² Earth Cryosphere Institute Tyumen Scientific Centre SB RAS, Tyumen, Russia

³ Lomonosov Moscow State University, Moscow Russia 

In 2024 the soil-cryogenic complexes in typical and south tundra landscapes of the North Western Siberia were studied. The investigated soils were classified as cryogenic as well as Al-Fe-humus and gleyic permafrost-affected soils with the underlying frozen grounds. In their cryogenic structure the transitional zone with highlighted transient and intermediate layers. The cryogenic textures of frozen sediments were descripted, their differentiation in dependence on the sediment textures. The total contents of chemicals were evaluated and the meanings of several geochemical ratios in the structural elements of the soil-cryogenic complexes were calculated. Their distribution in the system of soil – transitional zone – permafrost was obtained.

Keywords: cryogenesis, permafrost zone, permafrost-affected soils, transient layer, intermediate layer, texture-forming ice, geochemical indexes, geochemical barriers, Yamal Peninsula, Gydan Peninsula, Arctic

Ссылка на статью: