ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 9, с. 1124-1132
МИНЕРАЛОГИЯ И МИКРОМОРФОЛОГИЯ
ПОЧВ
УДК 631.41:631.437.8
СУБМИКРОМОРФОЛОГИЯ МАГНИТНЫХ ФРАКЦИЙ ПОЧВ
© 2009 г. А. М. Загурский, А. В. Иванов, С. А. Шоба
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: a.zagurskiy@gmail.com Поступила в редакцию 22.07.2008 г.
На примере дерново-подзолистых почв и черноземов обыкновенных, подверженных техногенному воздействию, рассмотрены основные закономерности профильного и пространственного распределения различных морфологических форм ферромагнетиков. На базе полученных данных создана классификация морфологических форм магнитных частиц в почвах. Она учитывает специфику форм и характер поверхности, которые определяются генезисом магнитных частиц и могут использоваться в диагностических целях.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитная восприимчивость почв является важным показателем, используемым в диагностике почвенных процессов, изучения истории формирования почв и их эволюции [4, 26, 37-39]. Магнитная восприимчивость почв обусловлена наличием в них магнитных частиц различного генезиса.
Морфология магнитных частиц является важным диагностическим признаком, позволяющим установить генезис самих частиц, а также эколо-го-геохимические условия формирования почв, из которых они выделяются.
Впервые оценка морфологических свойств магнитных частиц из почв была проведена для проверки гипотезы биогенного формирования магнетиков [12, 15]. В ходе этих работ стало очевидно, что, в связи с крайне низким содержанием магнитных минералов в почвах, необходимо проводить выделение магнитной фракции из почв, то есть магнитную сепарацию, основанную на способности ферромагнетиков втягиваться в неоднородное магнитное поле. Очевидно, что эта операция нарушает естественное сложение почв, и, таким образом, изучение магнитной фракции проводится на уровне отдельных магнитных частиц, без учета их взаиморасположения относительно других частиц почвенного вещества, то есть на субмикроморфологическом уровне.
В результате исследований в составе магнитных фракций из почв были выделены и морфологически описаны сферические магнитные частицы. Одной из первых гипотез их происхождения стал бактериальный синтез. Позже начали развиваться техногенная [4, 10, 14, 16, 32-34, 38, 41], космогенная [27, 28, 30, 40] и магматическая [21, 31, 39] гипотезы их формирования.
Специфика формы таких частиц, указывающая на их высокотемпературное происхождение,
делает их удобным объектом изучения в качестве трассеров переноса естественных почвенных и загрязняющих веществ [10, 33, 36].
В то же время тесная связь магнитной восприимчивости с содержанием органического вещества почв оставляет открытым вопрос педогенно-го происхождения почвенных ферромагнетиков с прямым или косвенным участием почвенных микроорганизмов. Исследования бактерий с маг-нитотаксисом показывают, что спецификой таких частиц является их маленький размер, сравнимый с размером образующего их микроорганизма и высокая степень монодисперсности [7, 20, 24, 25, 29, 35]. Выделение педогенных магнитных частиц ультрамалого размера из почв является трудоемкой задачей [1, 37, 38], а доказательство происхождения выделенных частиц - являются они результатом прямого или косвенного биогенного синтеза или химического происхождения -проблематично. Их вклад может быть оценен по магнитным профильным кривым с учетом данных о морфологии всех частиц [18, 19].
Менее изучены в почвах морфологические формы литогенных магнитных частиц. Они встречаются в осадочных породах и, как один из важных компонентов шлихового материала, изучаются при геологическом обследовании территорий [2, 13]. Эти формы также встречаются в почвообразующих и материнских породах [9, 18], но их поведение и устойчивость в почвенных процессах изучены слабо.
Помимо описанных выше, в почвах встречаются другие формы магнитных частиц - например, техногенные, не имеющие характерного признака высокотемпературной оплавленности, и пирогенные формы, образующиеся в результате термического воздействия на почвы [3, 8]. Они также обеспечивают повышенные значения магнитной восприимчивости верхних, а иногда и сре-
динных горизонтов почв, но их морфологические свойства в почвах изучены недостаточно.
Таким образом, на настоящий момент имеются представления о различном генезисе магнитных соединений железа. Поэтому целью данной работы явилось изучение и разработка морфологической классификации магнитных частиц на субмикроморфологическом уровне для решения генетических и диагностических задач.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для исследований было отобрано 33 образца магнитной фракции из различных горизонтов почв, подверженных техногенному воздействию. Указанные почвы расположены та территории подземных хранилищ газа (ПХГ) в двух природных зонах: Щелковское ПХГ (Московская обл.) и Северо-Ставропольское ПХГ (Ставропольский край). Почвенный покров первого представлен сочетаниями дерново-подзолистых почв разного гранулометрического состава и разной степени оподзоленности с болотно-подзолистыми и болотными почвами, а также их антропогенно преобразованными аналогами и техногенными грунтами. Второго - черноземами обыкновенными тяжелосуглинистыми на лёссовидных суглинках, а также техно-черноземами. Обе территории характеризуются активным техногенным привно-сом магнитного материала, а также интенсивным синтезом педогенных форм магнетита в нижних горизонтах, где создаются благоприятные окислительно-восстановительные и микробиологические условия благодаря поступлению в них природного газа из горизонта-коллектора [18].
Для наиболее полного извлечения магнитной фракции из почв была разработана методика влажной магнитной сепарации с использованием матрицы из постоянных редкоземельных супермагнитов диаметром 5 мм из сплава неодим-железо-бор (№БеВ) с остаточной величиной индукции магнитного поля 0.7-0.8 Тл.
Сепарацию проводят в несколько этапов. В емкость с широким горлом помещают образец почвы и заливают водой до получения очень жидкой суспензии. На первом этапе в течение 20 мин проводят взбалтывание суспензии. Осевшую на магнитной матрице фракцию смывают в пластиковую емкость, где в дальнейшем проводят более тонкую сепарацию. Для этого полученную магнитную фракцию переносят магнитной иглой в емкость, в которой будет проводиться взвешивание и подвергают размагничиванию. После этого повторяют все этапы сепарации до прекращения оседания магнитной фракции на матрице, увеличивая при этом время взбалтывания до 40-60 мин.
Исходные величины удельной магнитной восприимчивости исходных образцов составляли
(6-24) х 10-8 м3/кг. Уменьшение магнитной восприимчивости от исходных значений для данной методики составила от 8 до 77% в зависимости от свойств почвенного образца. Величина удельной магнитной восприимчивости выделенных магнитных фракций составляла от 24500 до 155000 х х 10-8 м3/кг. Отмечено, что чем ниже начальная магнитная восприимчивость образца и магнитная восприимчивость извлекаемой магнитной фракции, тем ниже эффективность проводимой сепарации. Магнитная фракция лучше выделялась из образцов с легким гранулометрическим составом и глеевых горизонтов, хуже - из образцов гумусовых горизонтов.
Исследование магнитной фракции проводилось на сканирующем электронном микроскопе с интегрированной системой энергодисперсионного микроанализа ШОЬ 18М-6060А.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенный субмикроморфологический анализ магнитных фракций показал существенное пространственное и профильное варьирование их состава. Наибольшее многообразие частиц, составляющих магнитные фракции, отмечается в гумусовых и иллювиальных горизонтах исследованных почв, наименьшее - в оглеенных, глеевых и некоторых техногенных горизонтах.
Всего было выделено 35 разновидностей магнитных частиц, входящих в состав магнитных фракций исследуемых почв. Все формы были разделены на 3 большие группы по морфометри-ческим признакам: сферические, полиэдрические и глобулярные частицы. Каждая группа частиц разделена на несколько подгрупп по форме частиц. В группе сферических частиц выделяется 3 подгруппы: отдельные сферулы, сростки сферул и слоистые сферулы; группа полиэдрических - на 6: изометричные октаэдрические, анизометричные с ровным изломом, с раковистым изломом, с невыраженными гранями, пластинчатые и окатанные; глобулярные - на 3: собственно глобулы, кокковидные и кокковидно-петельчатые. Подгруппы разделены на виды по характеру поверхности частиц и описаны в соответствии с используемой в литературе терминологией [5, 6, 11, 2123, 26, 27]. Поверхность частиц является очень важным показателем подверженности магнитных частиц процессам физического и химического выветривания. С другой стороны, согласно уровням организации почв, поверхность крупных частиц может быть сложена частицами более мелкого уровня организации, что может свидетельствовать о накоплении или переотложении материала на частицах.
Наибольшее многообразие форм отмечается в группе сферических частиц, где было выделено
Рис. 1. Микростроение сферических магнитных частиц.
16 различных видов магнитных частиц. Немного меньше видов (13) выделено в группе полиэдрических частиц. В группе глобулярных частиц было выделено всего 6 форм магнитных частиц. Полная классификация приведена в таблице.
Сферические магнитные частицы наиболее широко распространены в исследуемых почвах. Для них характерна четкая привязка к горизонтам и широкое разнообразие микроморфологических форм (рис. 1). Эти частицы повсе-
СУБМИКРОМОРФОЛОГИЯ МАГНИТНЫХ ФРАКЦИЙ ПОЧВ Классификация морфологических форм магнитных частиц
Форма частиц
Особенности формы частиц Характер поверхности частиц
Отдельные сферулы Шероховатая
Полигонально-зернистая
Бороздчатая
Гладкая
Кавернозная
Извилистая
Клиновидная
Бугристая
Игольчатая
Зернистая
Упорядоченно-зернистая
Ячеистая
С хорошо выраженной слоистостью Шероховато-бороздчатая
Шероховато-зернистая
Зернисто-гладкая
Сростки сферул Полиморфная
Окатанные Шероховатая
Изометричные октаэдрические Шероховатая
Петельчато-бугорчатая
Анизометричные с ровным изл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.