Биогеохимическая роль ледниковой органики в гляциальном литогенезе на примере морено- ледниковых комплексов центральной Азии

Показано, что при гляциальном литогенезе высокогорных районов в формировании геохимических особенностей мелкоземистого заполнителя морен решающую роль играет ледниковая органика в виде гляциохионофильных организмов. Это послужило основой для получения надежных количественных генетических признаков морен в виде геохимических показателей. Установленные закономерности гляциального литогенеза высокогорных районов не ограничиваются горами ЦА. Они имеют место и в других горных районах мира, в которых автор проводил исследования, в частности, в горах Кавказа, в Гималаях и Андах. Таким образом, эту закономерность можно считать межконтинентальной и вне зависимости от широты местности и климатических особенностей.

Цель работы. Целью описанных в статье исследований было изучить роль ледниковой органики в гляциальном литогенезе, а именно: в формировании специфических геохимических особенностей мелкоземистого заполнителя морен, которые являются руководящими при генетической идентификации морен.

Материалы и методы. При написании статьи были использованы материалы собственных исследований автора в горах ЦА и некоторых других регионов (Кавказ, Гималаи, Анды) и частично - опубликованные материалы географов, геохимиков и почвоведов. В основу статьи положены материалы предыдущих опубликованных и еще неопубликованных материалов автора. Основные из них изложены в его диссертационной работе «Фациально-литологические особенности четвертичных отложений высокогорья Северного Тянь-Шаня» [5].

Под ледниковой органикой понимают микроорганизмы, приспособленные для жизни во льду и снеге. Это особая группа криофильных (от греч. «криос» – холод) организмов,  в  гляциологии  их   называют  гляциохионофильными  организмами.  Они широко развиты на ледниках горных стран, в том числе – в горах Центральной Азии. Представлены они в основном водорослями, условно называемыми «снежными». В качестве  главного  классификационного  признака  определения  групп  (таксонов) водорослей  принята окраска таллома (слоевища). По  этому признаку выделены следующие отделы (классы) водорослей: сине-зеленые, зеленые, красные, золотистые, желто-зеленые, диатомовые, бурые. «Снежные» водоросли относятся к группе криопланктона – населения талой воды. В настоящее время «снежных» водорослей насчитывают свыше 100 видов. Среди них наиболее распространены зеленые, сине- зеленые, диатомовые водоросли.

В местах значительной популяции водорослей ледники приобретают характерные окраски – это так называемые «цветущие» ледники. Окраска ледников зависит от преобладающего типа водорослей. Исследователями описаны случаи обнаружения красных, розоватых, фиолетовых и др. пятен и участков на ледниках в горах Кавказа, Гималаев, Альп и др. С увеличением абсолютной высоты видовой состав водорослей становится менее разнообразным, и ведущая роль переходит к ранее почти незаметным в общей массе сине-зеленым.

В горах Тянь-Шаня и Памира ледники окрашиваются преимущественно в бурый цвет. Это происходит за счет покрытия их поверхностей эоловым мелкоземом от бурого до темно-серого цвета. Видовой состав гляциохионофильной органики на ледниках Тянь- Шаня описан М.А. Глазовской [7] на примере ледников хребта Терскей-Ала-Тоо. По ее описаниям, в состав так называемой органической пыли входят зеленые, сине-зеленые и диатомовые водоросли, споры мхов и грибов, отчасти пыльца растений.

Строго говоря, средой обитания гляциохионофильной органики являются не снег и лед, а эоловые мелкоземистые накопления на ледниках, в которых по гранулометрическому составу преобладают пылеватые фракции (0,050-0,001 мм). Это так называемый крупитчатый мелкозем, структурно он представлен в виде гранул диаметром от 0,25 до 3,00 мм (рис. 1).

На поверхности ледников он может быть в виде сплошного покрова (как правило, это на языковых частях ледников), либо в виде пятен и полос (рис. 2). Встречаются и более мощные скопления эолового мелкозема с образованием конусов высотой до 0,5-1,0 м с ледяным стержнем по форме в виде муравьиных куч (рис. 2).

Рис. 1 – Крупитчатый мелкозем на одном из ледников Тянь-Шаня

а)                                                                    б)

Рис. 2 – Органосодержащий эоловый мелкозем (а) и эоловый мелкозем в виде

«муравьиных куч» на одном из ледников Тянь-Шаня (б)

В местах скопления крупитчатого мелкозема ощущается сероводородный запах. Это же ощущается при раздавливании пальцами отдельных крупиц. В теплых городских условиях  отобранные  автором  пробы  эолового  мелкозема  издавали  резкий сероводородный запах, по интенсивности соизмеримый с городской канализацией. При просмотре под микроскопом видно, что каждая структурная крупинка представляет собой сплетение нитей водорослей, которые подобно арматуре в бетоне скрепляют частицы минеральной пыли. Водоросли и продукты их гумификации склеивают тонкодисперсные минеральные частицы, создавая относительно прочные и водоустойчивые гранулы. Эти гранулы в такой степени устойчивые к размоканию, что автору не удавалось размочить их даже при многочасовом кипячении в воде. Склеивающая роль гумуса описывается и грунтоведами. Ими установлено, что наличие гумуса в грунтах придает им совершенно иные свойства, делает их водоустойчивыми (неразмокаемыми). По наблюдениям автора, на поверхности ледников эоловый мелкозем практически не размывается талыми ледниковыми водами. Повсеместно наблюдается такая картина: участки льда, покрытые мелкоземом, за счет усиленного таяния как бы погружаются в лед, оказываясь там в ямках и промоинах, однако при этом мелкозем не размывается и остается на местах. Усиленное таяние льда в местах скопления мелкозема связано с более низким альбедо этих участков. Эоловый мелкозем обнаруживается и в толщах ледникового льда, где он находится в сильно загрязненных этим мелкоземом слоях льда.

В научной литературе сведения о гляциохионофильной органике ограничиваются только описанием их видового состава и установлением факта ее существования на ледниках, точнее говоря, в эоловом ледниковом мелкоземе на поверхности ледников. Автором выявлена биогеохимическая роль этой органики в гляциальном литогенезе с образованием морен горных ледников.

Методы исследований автора заключались в полевом изучении литологических и структурно-текстурных особенностей основных генетических типов четвертичных отложений  высокогорных  зон,  преимущественно  гляциальных  и  гравитационных. Полевые обследования сопровождались отбором проб мелкоземистого заполнителя изучаемых отложений и эолового мелкозема с поверхности ледников. Пробы сдавались в лаборатории на гранулометрический, геохимический и почвенно-химический анализы. В статье использованы некоторые результаты лабораторных анализов.

Для оценки степени оглеения изучаемых отложений применялся окисно-закисный коэффициент по железу (K=Fe2O3/FeO). Материалом для тестирования были железо- окисные пленки (железистые «рубашки») на минеральных зернах. Стандартные методы определения фазового состояния железа давали непоказательные результаты анализов. Это связано с наложением на общий окисно-закисный фон железосодержащих минералов- примесей, и в первую очередь, окислов и гидроокислов железа. В вязи с этим автором был применен колориметрический анализ по разработанной им методике. Сущность методики сводилась к следующему. Для анализа отбирались минеральные зерна фракции 0,14  –

0,10, мм, отмывались в тяжелой жидкости и подвергались электромагнитному сепарированию с целью отделить кварц-полевошпатовые зерна от более тяжелых и железосодержащих минералов. Выделенные минеральные зерна обрабатывались слабым раствором соляной кислоты до полного их осветления с целью растворения (удаления) железистых «рубашек». При этом содержавшееся на поверхности минеральных зерен железо переходило в раствор, и дальнейший анализ выполнялся традиционным методом. Применялся колориметрический метод, как наиболее чувствительный.

Содержание в пробах гумуса выполнялось по методу Тюрина. Полученные результаты пересчитывались на содержание органического углерода. Для ряда проб был выполнен  фракционный  анализ  гумуса  с  целью  определить  содержание  основных фракций гумусовых кислот – фульвокислот, гуминовых кислот и гумина.

Приведенные в статье фотографии сделаны автором.

Полученные результаты. Предыдущими исследованиями автора были установлены основные закономерности гляциального литогенеза с образованием морен горных ледников, раскрыта роль ледниковой органики в гляциальном литогенезе [5, 3]. Здесь кратко изложены основные результаты этих исследований. В частности, было установлено, что морены ЦА в качестве доминирующей составляющей содержат абляционную морену. Показано, что мелкоземистый заполнитель морен формируется не за  счет  конседиментационного  диспергирования  более  крупных  обломков  (как  это принято считать), а за счет эолового мелкозема, выпадающего на его поверхности. Основным источником этого мелкозема являются местные склоны ледниковых долин. В связи с абляцией ледников накапливающийся на них эоловый мелкозем вытаивает и ассимилируется с грубообломочным материалом. Так формируется гранулометрический состав мелкоземистого заполнителя горных морен. На примере некоторых ледников Тянь- Шаня показано, что в гранулометрическом составе эолового мелкозема содержание пылеватой фракции более 40%. Содержание органики в ледниковом мелкоземе весьма значительное. Так, в 2-х образцах, отобранных на Тянь-Шаньских ледниках, содержание органического углерода и гумуса оказалось 2,66% и 4,59% соответственно, во втором –

0,93% и 1,61%.

Было установлено, что на поверхность ледников эоловый мелкозем поступает в виде минеральных частиц, несущих на себе железистые «рубашки» в виде железоокисных соединений. В связи с этим сам мелкозем имеет исключительно бурый или красновато-

коричневый цвет. По определению в 10 пробах, взятых на ледниках Тянь-Шаня, окисно- закисный коэффициент этого мелкозема был от 0,20 до 0,75 (тестировались минеральные зерна фракции 0,14-0,10 мм). Источником железа в железистых рубашках минеральных зерен являются в основном минералы слюды из кристаллических решеток которых в процессе физического выветривания высвобождается железо. Высвободившееся железо в условиях аридного климата ЦА активно окисляется с образованием окислов и гидроокислов железа, которые покрывают минеральные зерна. Наблюдениями автора установлено, что, попав на поверхность ледника, эоловый мелкозем интенсивно, как правило, в течение одного абляционного сезона, осветляется, приобретая окраску серого цвета. Это происходит в результате оглеения, т.е. восстановления окисных соединений железа в закисные. Его окисно-закисный понижался на порядок.

Оглеение  ледникового  мелкозема  происходит  не  только  на  поверхности,  но  и внутри ледниковых тел, и это связано с жизнедеятельностью гляциохионофильных организмов. Процессы оглеения ледникового мелкозема происходят по традиционной схеме. Самая ранняя стадия моренного (равно, как и любого другого) диагенеза характеризуется поглощением микроорганизмами свободного кислорода, что сопровождается восстановлением окислов железа и марганца. При разложении органического  вещества  ледникового  мелкозема  образуется  гумус.  Основная составляющая гумуса – гумусовые кислоты – фульвокислоты и гуминовые кислоты. Они отличаются  высокой  активностью  в  окислительно-восстановительных  процессах. Опытами почвоведов установлено, что наиболее активно разложение органического вещества происходит в первые три месяца, а наиболее благоприятными для гумификации являются чередование оптимальных условий увлажнения с недостатком влаги. Согласно им же, важными агентами гумусообразования являются мороз и сухость. В силу сказанного, ледниковые условия являются благоприятными для активного протекания гумификации. Анализы 2-х образцов эолового мелкозема, отобранных автором с ледника Чон-Тер (Киргизский хребет, Северный Тянь-Шань), подтвердили это. Первый образец был взят в фирновой зоне, где мелкозем еще не подвергся гипергенезу, второй – из оглеенного материала ниже фирновой линии в начальный период абляции. Видимо, оглеение второго образца произошло в течение 1,5–2 месяцев. При этом окисно-закисный коэффициент оглеенного образца уменьшился на порядок – с 0,75 до 0,07.

Источником гумусовых кислот в гляциальном литогенезе является разлагающаяся ледниковая органика (отсюда и сероводородный запах). Известно, что наибольшей растворимостью обладают фульвокислоты, в связи с чем в составе гумусовых кислот они имеют наибольшие концентрации. Концентрация фульвокислот в водной среде, как правило, превышает содержание гуминовых кислот в 10 раз.

Гумусовые кислоты способны переводить в раствор все компоненты минералов. Экспериментальные исследования В.В. Пономаревой и А.В.Плотниковой [2]показали, что агрессивность  гумусовых  кислот  по  отношению  к  минералам  не  уступает  соляной кислоте, а в некоторых случаях даже превосходит ее. Наиболее разрушительно действуют фульвокислоты. При соединении с железом они образуют нерастворимые в воде органо- минеральные соединения. Ими установлено, чем сильнее разбавлен раствор, тем значительнее  миграционная  способность  органоминеральных  соединений,  а растворимость соединений железа возрастает с увеличением концентрации фульвокислот по крайней мере на три порядка. А.В. Ивановым и А.Б. Базаровой [6] обнаружено, что железосодержащие минералы выщелачиваются растворами минеральных и органичских кислот при отрицательных температурах намного интенсивнее, чем при положительных. Им это объясняется значительным увеличением концентрации растворов при вымораживании (фактор криогенного концентрирования). Следовательно, в гляциальном литогенезе, протекающем в высокогорных условиях, установленная ими закономерность вполне имеет место.

Важной особенностью геохимической обстановки ледниковой среды является ее кислотность, поскольку она обусловливает восстановительную геохимическую среду.

Выполненные автором определения pH в 2-х образцах ледникового мелкозема на леднике Чонг-Тер показали кислую реакцию – 5,0 и 5,6, что характерно для кислых болотных вод. В условиях низких pH увеличивается растворимость и миграционная способность химических элементов. Согласно [1], растворимость гидроокиси железа при уменьшении pH с 8 до 6 увеличивается на 4 порядка.

На  основании  вышесказанного  есть  основание  считать,  что  в  условиях гляциального литогенеза процессы разрушения окислов и гидроокислов железа и последующий вынос железосодержащих органоминеральных соединений происходят чрезвычайно активно.

Наряду с редукцией содержания Fe3+  в гляциальном литогнезе происходят и процессы  его  восстановления.  В  этом  случае  главную  роль  играет  разлагающаяся органика, создающая восстановительную геохимическую среду. Образующиеся при гумификации   гумусовые  кислоты  повышают   кислотность   среды,   что   способствует