Age mark of holocen soil formation of Moscow region′s (upper Klyazma basin)

Full Text

Изучение изменений природы и климата последнего послеледниковья (голоцена) представляются одной из фундаментальных задач четвертичной геологии, палеогеографии, палеоклиматологии и почвоведения. Участившиеся в последние годы природные катастрофы заставляют более детально изучать строение и эволюцию речных долин, заселенных человеком. Для реконструкции истории развития природы крайне важно изучать типы и особенности формирования голоценовых почв. Использование же радиоуглеродного метода позволяет определять возраст тех или иных событий, рассчитывать скорость осадконакопления, коррелировать друг с другом удаленные разрезы, а также привязывать выявленные и датированные природные и антропогенные события к шкале абсолютного возраста.

Мы начали проводить комплексные геохронологические работы в Московском регионе с целью реконструкции природных условий, изменений климата и особенностей заселения региона древним человеком. Одним из наиболее важных объектов исследования представляется долина реки Клязьмы. Главной целью наших исследований является определение изотопного возраста почв. В настоящей статье мы приводим первые данные, полученные в результате геохронологических работ в долине верхней Клязьмы в окрестностях деревни Чашниково.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Шурф 1 (56°01’37.3” c. ш., 37°12’03.8” в. д.) был заложен в заболоченной котловинке в смешанном лесу в привершинной части водораздельного холма в 2.4 км к восток‒юго-востоку от станции МГУ (рис. 1). Основание шурфа представлено мощными покровными суглинками, предположительно связанными с валдайским оледенением. Верхние 30 см разреза представлены влажным слабо разложившимся торфом (торфянистой почвой) с большим количеством современных корней, а также с рассеянными угольками (следы пожара?). Нижние 5 см торфа были взяты для определения возраста начала торфонакопления в данном разрезе (рис. 2).

 

Рис. 1. Карта района работ. На врезке фрагмент из работы [Гидрогеологическая …, 1974].

На врезке — вверху номер скважины по реестру и индекс водоносного горизонта: C₃ ksm — касимовский водоносный горизонт позднего карбона, C₂ ks-ms — мячковско-каширский водоносный комплекс среднего карбона. Слева в числителе — дебит (л/сек), в знаменателе — понижение (м). Справа в числителе — глубина установившегося уровня воды (м), в знаменателе — минерализация воды (г/л). Воды — гидрокарбонатные.

 

Рис. 2. Схематическое строение разрезов.

1 — дернина; 2 — торф; 3 — почва супесчаная; 4 — почва оторфованная; 5 — суглинок; 6 — травертины; 7 — озерные алевриты; 8, 9 — место отбора образцов: 8 — на радиоуглеродный анализ (рядом показаны значения ¹⁴С возраста), 9 — на изотопный анализ.

 

Шурф 2 (56°03’01.8” c. ш., 37°10’28.6” в. д.) был заложен на высокой пойме правого берега р. Клязьмы в 1.6 км к север‒северо-востоку от станции МГУ. В настоящее время поверхность представляет собой разнотравный луг. Однако, на снимке местности (см. рис. 1) в районе шурфа видны следы мелиоративных канав и иной сельскохозяйственной деятельности, т. е. кровля разреза должна быть нарушена. На космических снимках 2009 г., представленных в компьютерной программе Гугл Земля (Google Earth), можно увидеть, что обсуждаемая поверхность разрабатывалась грейдерами. Ниже маломощной современной дернины в разрезе было вскрыто около 30 см среднесуглинистой почвы (пойменная фация аллювия? антропоген?), которая, с волнистым контактом, подстилалась мощным (115 см) хорошо- и средне-разложенным уплотненным торфом. Основание разреза представлено голубовато-светло-серыми алевритами с небольшой примесью песка, контакт с торфом четкий горизонтальный. На определение возраста было отобрано четыре образца торфа (см. рис. 2).

Шурф 3 (56°02’49.6” c. ш., 37°10’22.7” в. д.) был заложен в тыловой части поймы в 30 м от склона холма под ЛЭП в 1.2 км к север‒северо-востоку от станции МГУ (см. рис. 1). На поверхности разреза разнотравный луг. В шурфе под современной дерниной вскрываются горизонты супесчаной и оторфованной почв, залегающих на стратифицированных отложениях травертиноподобных карбонатов (см. рис. 2). В почвах встречено большое количество карбоната кальция размерности крупного гравия. Травертины представлены разнозернистыми, преимущественно грубыми песками с горизонтами крупного (до 1‒2 см в диаметре) гравия карбоната кальция. По слою травертинов часто прослеживаются пятна ожелезнения, следы корней, пятна и маломощные прослои гумусированной почвы практически черного цвета. Для определения изотопного возраста было отобрано три образца: в кровле и подошве гумусированной почвы, перекрывающей травертины, а также один из почвенных прослоев внутри пачки карбонатов (см. рис. 2). Для определения генезиса карбонатов было отобрано 9 образцов на изотопные исследования (см. рис. 2).

ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ (δ¹⁸О, δ¹³C) И ГЕНЕЗИС ТРАВЕРТИНОПОДОБНЫХ КАРБОНАТОВ

Карбонаты в шурфе 3 представлены в виде пачки крупнозернистого песчаного и мелко- и крупногравийного материала, сильно сцементированного, общей мощностью более 50 см. Цвет осадков различается от грязно-белого до светло-коричневого. В настоящее время по этой пачке осуществляется разгрузка грунтовых вод. Сверху пачка перекрыта современными почвами. Нижняя граница была скрыта под урезом воды, но можно предположить, что карбонатный материал залегает непосредственно на толще глинистого и суглинистого материала, являющегося локальным водоупором в данном районе.

Изучение изотопного состава кислорода и углерода (δ¹⁸О, δ¹³C) позволяет получить дополнительную информацию о палеогеографических условиях формирования отложений [Ферронский, Поляков, 1983]. Для определения δ¹⁸О и δ ¹³C в карбонатах обсуждаемого разреза был использован комплекс аппаратуры корпорации Thermoelectron, включающий масс-спектрометр Delta V Advаntage и установку Gas-Bench-II. Карбонаты разлагались в 100%-й ортофосфорной кислоте при 50°C. Разложение проводилось в виале, предварительно продутом гелием. Значения δ¹³C приводятся в промилле (‰) относительно стандарта V-PDB, значения δ¹⁸О — в промилле относительно стандарта V-SMOW. Для привязки результатов анализов к V-PDB использовались сверочные пробы и стандарты NBS-19 и CO-1 EAEA. Точность определения δ¹⁸О, δ ¹³C, находится в пределах ±0.2‰, ±0.1‰, соответственно.

Полученные данные (табл. 1, рис. 3) свидетельствуют о сравнительно небольшом разбросе значений по всем девяти образцам (не более 3‰). δ¹³C колеблется от -10.4 до -8.3‰, δ¹⁸О — от 17.9 до 19.2‰. На рис. 3 отчетливо видна обратная корреляция значений δ¹⁸О и δ¹³C. Наибольшее отклонение от общего фона дает образец № 5, который был отобран из наиболее грубого и монолитного участка карбонатов, вскрытого в шурфе (см. рис. 2). Тем не менее, все полученные значения свидетельствуют об образовании карбонатов в пресноводных условиях при умеренных температурах.

 

Рис. 3. Кривые вариации δ13С и δ18O для образцов низкотемпературных травертиноподобных карбонатов, вскрытых в шурфе 3.

Нумерация образцов идет сверху вниз согласно их положению в разрезе (см. рис. 2).

 

Таблица 1. Изотопный состав С и О карбонатных отложений, вскрытых в шурфе 3

№ образца	Глубина отбора, см	δ13С‰ PDB	δ18O‰ SMOV
ЧШН-1	1	-10	19.2
ЧШН-2	8	-9.7	19.1
ЧШН-3	16	-10.4	19.1
ЧШН-4	20	-9.7	18.8
ЧШН-5	22	-8.7	17.9
ЧШН-6	25	-10.3	18.5
ЧШН-6А	25	-10.2	18.9
ЧШН-7	40	-9.3	18.9
ЧШН-8	53	-9.6	18.8

Примечание. Глубина отбора от кровли карбонатного горизонта.

 

Предположительно, в шурфе были вскрыты отложения низкотемпературных травертиноподобных карбонатов. Осаждение могло происходить из грунтовых вод, разгружающихся у подножья холма. Значения δ¹⁸О в образцах соответствуют температуре воды 10‒15°C, характерной для современных грунтовых вод. Значения δ¹³C указывают на примерно равное распределение привнесенного (древнего) и органического углерода. Образец ЧШН-5, имеющий экстремальные значения, может соответствовать периоду максимального переотложения растворенного вещества древних карбонатов.

Таким образом, садка низкотемпературных травертиноподобных карбонатов из грунтовых вод, вскрытых в шурфе 3, определена гидрогеологической обстановкой и положением в рельефе. Выпадение карбонатов происходило при разгрузке у подножия холма грунтовых вод, обогащенных древними карбонатами. Тот факт, что карбонатный слой содержит несколько почвенных прослоек, и непосредственно перекрыт оторфованной почвой, может указывать на наличие небольшого мелководного водоема, куда и происходила разгрузка грунтовых вод на определенных этапах развития рельефа.

ВОЗРАСТ ПОГРЕБЕННЫХ ПОЧВ И ТОРФОВ

Радиоуглеродные даты, приведенные в публикации, получены авторами статьи в лаборатории геохимии изотопов и геохронологии Геологического института РАН по стандартной методике, детально описанной в работе [Певзнер, 2015]. Приведение радиоуглеродного возраста к календарному выполнено по программе Оксфордского университета OxCal v. 3.10 [OxCal …, 2005] (рис. 4, рис. 5).

 

Рис. 4. Калиброванное значение возраста образцов разрезов 1 (а) и 3 (б–г) по [OxCal …, 2005].

а — подошва торфа; б — кровля (А₁), в — подошва (А₂) оторфованной почвы, г — прослой почвы в травертиноподобных карбонатах (А₃). Прочие пояснения см. в тексте.

 

Рис. 5. Калиброванное значение возраста образцов разреза 2, по [OxCal …, 2005].

а — кровля (А₃), б — середина (А₂), в — в 20 см над подошвой (А₁), г — подошва (А₁₂) торфа. Прочие пояснения см. в тексте.

 

На рисунках 4 и 5 показаны графики вероятностного распределения калиброванного календарного возраста (ККВ) продатированных образцов. Наиболее ярко выраженные пики выделены вертикальными линиями, цифрами показан возраст пиков (AD — в годах н. э., BC — в годах до н. э.). На рис. 5г мы имеем один ярко выраженный пик, что позволяет предполагать соответствие его значения с калиброванным возрастом почвы (9250 BC). Сложнее обстоит дело с датами, которые попадают на крайне неровный отрезок калибровочной кривой. В итоге полученная гистограмма ККВ не только охватывает значительный временной интервал (около 400 лет), но также изобилует многочисленными пиками, в том числе плосковершинными (см. рис. 5б). В этом случае нам пришлось выбирать наиболее выраженные пики, не противоречащие общей стратиграфии отложений и закономерному удревнению дат сверху вниз по разрезу.

На рис. 4а гистограмма ККВ представлена четырьмя разобщенными пиками, три из которых довольно ярко выражены. Самое молодое значение возраста (2000 г.) кажется маловероятным, поскольку мощность торфа в разрезе 1 составляет 30 см, а на поверхности холма, где был заложен шурф, растет уже довольно густой и высокий лес. За 15‒20 лет такой лес точно вырасти не может. Таким образом, нам остается два варианта возраста: 1650 г. или 1790 г. и без дополнительных исследований (последовательного радиоуглеродного датирования толщи торфа) точнее определить время торфонакопления пока невозможно.

На рис. 4б‒4г показаны значения ККВ почв в разрезе с травертиноподобными карбонатами. На фрагменте гидргеологической карты (см. рис. 1, врезка) видно, что в верхнем течении р. Клязьмы и непосредственно в районе деревни Чашниково гидрокарбонатные воды присутствуют в изобилии. По-видимому, именно с ними и связаны вскрытые в шурфе 3 травертиновые пески. Аналогичные отложения описаны и вблизи соседней деревни Льялово [Жуков, 1925]. Образование гидрокарбонатных вод в районе исследований обусловлено размывом известняков среднего карбона [Геологическая …, 1979]. Следовательно, воды насыщены большим количеством древнего углерода, не содержащего радиоактивный изотоп ¹⁴С. Возможно проявление так называемого эффекта “жесткой воды”, при контакте с которой почвы, торфа и иная органика могут изменять свой возраст в сторону удревнения. Величина такого удревнения индивидуальна для каждого района и может составлять несколько сотен лет [Святко, 2016; Culleton, 2006].

В связи с возможной проблемой “жесткой воды” даты, полученные по разрезу 3 (табл. 2, см. рис. 4б‒4г) могут быть задревнены. В особенности это касается даты, полученной по пятисантиметровому горизонту почвы, захороненной внутри пачки травертинов (см. рис. 2, рис. 4г). Убедиться в достоверности полученных значений возраста можно только в результате дополнительных радиоуглеродных исследований. Тем не менее, дата, полученная по оторфованной почве, отобранной внутри пачки карбонатов (см. рис. 2, рис. 4г), в целом соответствует наиболее активной фазе генерации пресноводных карбонатов на Северо-Западе России и в Прибалтике [Никитин, 2015; Никитин и др., 2011].

 

Таблица 2. Возраст погребенных почв и торфов в окрестностях деревни Чашниково

№ лаб. ГИН	Разрез, номер и мощность образца	Материал	14С дата, лет (BP)	Калиброванный календарный возраст*, лет
15401	1 ‒ А1, 5 см	Оторфованная дернина	240±30 г	1650, 1790 AD
15402	2 ‒ А3, 2 см	Торф	7640±40 г	6470 BC
15403	2 ‒ А2, 2 см	-″-	8850±50 г	8140, 7960 BC
15404	2 ‒ А1, 2 см	-″-	9370±100 г	8630 BC
15638	2 ‒ А12, 5 см	-″-	9740±100 г1 9760±40 г2	9230 BC 9250 BC
15405	3 ‒ А1, 3 см	Почва оторфованная	1135±30 г	940 AD
15406	3 ‒ А2, 3 см	-″-	2210±40 г	290 AD
15407	3 ‒ А3, 4‒5 см	-″-	8300±40 г	7420, 7350 BC

Примечание. BP (Before Present) — годы до 1950 г.; AD (Anno Domini) — годы новой эры; BC (Bеforе Crist) — годы до новой эры. *Перевод радиоуглеродного возраста в календарный выполнен по [OxCal …, 2005]. г₁ — холодная, г₂ — горячая щелочная вытяжка из остатка г₁, г — единственная горячая щелочная вытяжка.

 

Даты, полученные для начала (см. рис. 4в) и завершения (см. рис. 4б) формирования гумусированной почвы, перекрывающей травертины, близко согласуются с интервалом пониженного стока (2000‒1000 календарных л. н.), выделенным А. В. Паниным для бассейнов рек Москвы и Протвы [Панин, 2015]. В это время на поймах активно формировались почвы и торфяники. Интервал повышенного стока рек, экстремальных паводков, крупных перестроек русел рек и активная эрозия на пойме отмечаются в долине р. Протвы 6500‒2300 и 800‒700 календарных л. н., а образование почв и торфяников в бассейне реки Москвы отмечено около 6500 календарных л. н. [Панин, 2015]. По-видимому, история развития бассейнов рек Клязьмы, Москвы и Протвы в голоцене должна демонстрировать определенные черты сходства. Мы надеемся в процессе дальнейших радиоуглеродных исследований погребенной органики разрезов верхнего течения Клязьмы существенно дополнить представленные в настоящей публикации данные.

Весьма интересен и информативен оказался разрез 2. Его подошва представлена озерными алевритами, а начало торфонакопления датируется ранним голоценом (см. табл. 2). Весьма вероятно, что в долине Клязьмы в конце плейстоцена существовало подпрудное приледниковое озеро. Топография района исследований позволяет предположить, что подпруда располагалась в районе современной деревни Льялово (см. рис. 1). Верхняя граница торфа, видимая в разрезе 2, вряд ли отражает природные причины осушения болота, но скорее связана с антропогенным нарушением. Тем не менее, зная калиброванный календарный возраст подошвы и видимой кровли торфа, можно рассчитать, что скорость его накопления была не очень высока и составляла около 4 см за 100 лет. Поверхность, которую мы называем высокой поймой р. Клязьмы (на ней расположены разрезы 2 и 3), может представлять собой террасу, поскольку в перечисленных разрезах отложения пойменного аллювия не установлены.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных работ в верхнем течении р. Клязьмы были обнаружены крайне интересные природные объекты: погребенные торфа и отложения гидрокарбонатных источников. Полученная серия радиоуглеродных дат позволила составить первое представление о возрасте погребенной органики на высокой пойме и некоторых особенностях гидрологического режима в районе исследований. Так, определены возрастные рубежи начала заболачивания на водораздельном холме (1650 или 1790 г. н.э.), прекращения деятельности гидрокарбонатного источника и начала почвообразования в тылу высокой поймы (около 300 лет до н. э.), а также начала торфонакопления (около 9.3 тыс. лет до н. э.) после спуска или осушения приледникового озера.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят сотрудников факультета почвоведения МГУ Г. В. Стома и М. И. Кондрашкину за помощь в проведении полевых исследований.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена в соответствии с Госзаданием по теме ГИН РАН № 0135-2019-0059.

About the authors

M. M. Pevzner

Geological Institute of RAS

Author for correspondence.
Email: m_pevzner@mail.ru
Russian Federation, Pyzhevsky per. 7, Moscow, 119017

O. L. Petrov

Geological Institute of RAS

Email: m_pevzner@mail.ru
Russian Federation, Pyzhevsky per. 7, Moscow, 119017

R. I. Nechushkin

Geological Institute of RAS

Email: m_pevzner@mail.ru
Russian Federation, Pyzhevsky per. 7, Moscow, 119017

T. D. Karimov

Geological Institute of RAS; M. V. Lomonosov Moscow State University

Email: m_pevzner@mail.ru

Department of Soil Science

Russian Federation, Pyzhevsky per. 7, Moscow, 119017 ; Leninskiye Gory, Moscow, 119991

V. V. Bolshakova

M. V. Lomonosov Moscow State University

Email: m_pevzner@mail.ru

Факультет почвоведения

Russian Federation, Leninskiye Gory, Moscow, 119991

References

Supplementary files