Материал: GOSY-1_vmeste

Вертикальное распределение ЕРЭ по глубине почвенного профиля определяется спецификой почвообразовательного процесса.

• Карбонатные почвы на остаточной коре выветривания имеют наибольшие концентрации ЕРЭ в верхнем гумусовом горизонте с убыванием в более глубоких слоях.

• Оподзоливание, лессивиро-вание, осолонцевание, осолодение и оглеение сопровождаются выносом ЕРЭ из элювиальных горизонтов и накоплением в иллювиальном и глеевом горизонтах, где концентрация ЕРЭ повышается в 1,5—3 раза.

• Слабо дифференцировано распределение ЕРЭ по профилю серых лесных, черноземных, каштановых, полупустынных и пустынных почв.

В целом в распределении ЕРЭ по профилю почв проявляется тесная корреляция с распределением глинистых частиц и полуторных оксидов.

Дифференциация наблюдается и в пространственном распределении ЕРЭ в системе сопряженных ландшафтов, ибо различи в миграционной подвижности этих элементов.

По интенсивности водной миграции тяжелые ЕРЭ в окислительных условиях ряд: 238U > 226Ra > 232Th. В окислительных условиях уран находится преимущественно в форме U(VI), у кот относительно высокая миграционная способность, выражаемой через коэффициент водной миграции К_х. В этих условиях 238U относится к сильным мигрантам (К_х = 4—16); Ra — средний (К_х = 0,5—0,1); Th — очень слабый водный мигрант (К_х = 0,02—0,002).

U (VI) выносится из элювиальных ландшафтов и концентрируется на восстановительных геохимических барьерах (в пойменных, болотных и заболоченных почвах), где он восстанавливается до относительно малоподвижного U (IV). В гумидных элювиальных и трансэлювиальных ландшафтах почвы обеднены ураном в пользу радия по сравнению с их равновесным соотношением. Гидроморфные почвы аккумулятивных ландшафтов обогащены ураном. В аллювиальных русловых наносах концентрации U и Ra низкие вследствие их выщелачивания и выноса водами, отношение Ra/U в них высокое, поскольку U более подвижен; в водах преобладает уран. Сдвиг радиоизотопных отношений в почвах сопряженных ландшафтов наблюдается и для Th/U и Th/Ra, поскольку торий характеризуется гораздо меньшей миграционной подвижностью по сравнению с U и Ra.

О возможной роли ЕРЭ в почвообразовательном процессе

в качестве показателей почвообразовательного процесса отношение в почвах радия к урану и тория к урану. Они могут служить в качестве характеристики почвообразовательного процесса лишь для гидроморфных и палеогидроморфных почв. На других почвах оба показателя не обнаруживают достоверных изменений, обусловленных характером почвообразования.

Есть преполоджение, что ядерные излучения ЕРЭ в почвах могут играть важную роль в почвообразовательном процессе, якобы вызывая полимеризацию органических макромолекул и способствуя улучшению структуры почвы. Фактором, обусловливающим эти процессы, считались так называемые свободные радикалы, возникающие при взаимодействии ионизирующих излучений со многими веществами и характеризующиеся высокой реакционной способностью. Сейчас установлено, что возможность улучшения структуры почвы таким способом представляется невероятной, так как доза, создаваемая излучениями естественных радиоактивных элементов, недостаточна для образования свободных радикалов в заметных концентрациях.

Определение возраста почвообразующих пород и почв с помощью радиоактивных изотопов

Явление естественной радиоактивности используется в геохронологии для определения возраста горных пород и почв. Датирование основано на измерении отношения содержания в образцах отдельных радиоизотопов к содержанию конечных стабильных продуктов их распада или соответствующих радиоактивных и стабильных изотопных аналогов. Значения этих отношений однозначно связаны с возрастом образцов.

Из имеющихся радиоактивных методов измерения возраста (урано-свинцовый, калиево-аргоновый, рубидиево-стронцевый, радиоуглеродный) лишь последний находит применение в определении возраста почв. Остальные могут быть использованы для датирования почвообразующих горных пород, так как нижнее предельное значение возраста, устанавливаемое этими методами, исчисляется десятками миллионов лет, что на много порядков превышает фактический возраст любой почвы.

Урано-свинцовый метод. В результате радиоактивного распада 238U, 235U и 232Th образуются конечные стабильные изотопы ²⁰⁶РЬ, 207РЬ, 208РЬ. Отношение содержания любого из исходных нуклидов к содержанию соответствующего стабильного конечного изотопа является функцией возраста образца:

где t — возраст, лет; N — число атомов соответствующего изотопа, определяемое экспериментально; % — постоянная радиоактивного распада, равная 0,693/Т_1/2.

Калиево-аргоновый метод. 40К распадается двумя способами — путем р-распада с образованием стабильного 40Са (постоянная радиоактивного распада λ_β=4,72•10^-10 год^-1) и К-захвата с образованием 40Ar λ_k=0,585•10^-10 год^-1). Значение возраста t рассчитывается из соотношения

t=(2,303/(λ_β-λ_k))•lg(1+(λ_β+λ_k)/λ_k)•⁴⁰Ar/⁴⁰K

Основное требование к образцам — отсутствие утечек газообразного 40Аr.

Рубидиево-стронциевый метод. При распаде 87Rb образуется ⁸⁷Sr, что позволяет использовать эту пару изотопов в качестве геохронометра. Период полураспада 87Rb составляет 47•10⁹ лет. Определение возраста основано на измерении в образцах содержания 87Rb и 87Sr и расчете их соотношения аналогично другим парам изотопов.

Радиоуглеродный метод. Радиоуглерод 14С образуется в атмосфере под действием нейтронов космического излучения по реакции l4N+n –> 14С + протон. Радиоуглерод в воздухе относительно быстро окисляется до 14СO₂, который поглощается растениями и ассимилируется ими примерно в том же отношении со стабильным 12С, в котором они находятся в атмосфере. С момента гибели организма концентрация 14С в его останках уменьшается в соответствии с периодом полураспада. На этом и основано определение возраста веществ органического происхождения. Отношение 14С/¹²С в образце, определяемое по интенсивности бета-излучения 14С, в сравнении с равновесным отношением этих изотопов в современном образце однозначно связано с возрастом.

Максимальное значение возраста, которое можно определить этим методом даже при самых совершенных условиях эксперимента, не выше 70 000 лет; минимальное составляет около 100 лет.

Наилучшая точность достигается при измерении возраста в диапазоне 3000—8000 лет.

Основной источник возможных ошибок метода — это загрязнение образца атмосферным углеродом в процессе его отбора и предварительной подготовки к анализу. Существенную роль может играть также изотопное фракционирование 14С по отношению к 12С в процессах химической обработки образцов (что дает ошибку ±50 лет в определении возраста), а также в процессе фотосинтеза и при разложении растительных остатков в почве в результате жизнедеятельности животных и микроорганизмов. В частности, 14С как более тяжелый изотоп по сравнению с ¹²С включается в фотосинтез в меньшем отношении к 12С по сравнению с соотношением этих изотопов в атмосфере. Поэтому при разложении растительных остатков гумус оказывается обедненным радиоуглеродом, что вносит искажение в измеряемый возраст. Постоянство измеренной поправки позволяет принять ее для всех образцов гумуса равной +115 лет, не прибегая каждый раз к дорогостоящим масс-спектрометрическим измерениям.

Возможны и другие ошибки радиоуглеродного метода датирования, обусловленные поступлением в атмосферу больших количеств так называемого радиологически мертвого углерода при сжигании ископаемого топлива — угля, нефти, газа. Загрязнение атмосферы этим углеродом и включение его в процесс фотосинтеза приводит к завышению результатов измерений возраста. Другой источник ошибок связан с поступлением в атмосферу С при испытании термоядерного оружия и загрязнением им анализируемых образцов, что дает ошибку другого знака, т. е. приводит к омоложению образца. Однако указанные ошибки невелики и не приводят к существенному снижению возраста исследуемых образцов.

Особого внимания заслуживает вопрос интерпретации данных о возрасте гумуса и его отдельных фракций, измеряемых радиоуглеродным методом. Современные почвы — это природные образования, в которых происходит непрерывное обновление углерода за счет разложения старого органического вещества и притока свежего в процессе ежегодного поступления и разложения растительных остатков. В полностью сформировавшихся почвах реализуется состояние динамического равновесия, при котором приток свежего органического вещества компенсируется утечкой и распадом части гумусовых веществ почвы в результате биогенных, химических и физических процессов, протекающих в ней. Поэтому, когда говорят о возрасте современных почв, измеренном радиоуглеродным методом (относительный возраст), под ним понимают среднее время жизни молекул гумуса, которое пропорционально продолжительности периода, требуемого для завершения процесса гумусонакопления. Абсолютный же возраст определяется этим методом лишь для погребенных почв, лишенных притока органических веществ из верхних горизонтов в нижние.

В настоящее время опубликовано значительное число работ как в нашей стране, так и за рубежом по измерению абсолютного возраста погребенных почв и относительного возраста современных почв. К ним относятся, в частности, работы И. П. Герасимова, Г. В. Добровольского, А. П. Виноградова и их сотрудников и др. Измерения возраста погребенных почв дали результаты, совпадающие с датировкой другими методами, что указывает на их надежность для палеогеографических реконструкций.

Относительный возраст современных почв варьирует от нескольких сотен лет (для подзолов) до нескольких тысяч лет (для черноземов). Это указывает на то, что круговорот углерода в подзолистых почвах и, соответственно, процесс почвообразования происходят значительно быстрее, чем в черноземах. Эти различия связывают с тем, что в подзолах преобладает биологически активный и менее стойкий гумус, в черноземах — биологически инертный, который защищен от биологических агентов более выраженной степенью конденсированности и связями с минеральной частью почвы. Биологически активный гумус является показателем относительного возраста почв, биологически инертный — абсолютного, т. е. древних этапов почвообразования, запечатленных в почвенной толще.

Обнаружено также, что измеряемый возраст почв возрастает от верхних горизонтов к нижним, что обусловлено эффектом постепенной изоляции нижних горизонтов от притока молодого углерода по мере роста гумусированного слоя почвы вверх. Так, на трех разных типах почв Венесуэлы выявлена линейная зависимость между измеренным радиоуглеродным методом возрастом фракций органического вещества, остающегося в почве после ее обработки NaOH, и глубиной отбора образца. Предполагается, что радиоуглерод этих устойчивых к разложению фракций почвы не загрязнен молодым органическим веществом и его содержание в большей мере характеризует абсолютный возраст почв; радиоуглерод фракции, экстрагируемой NaOH, — современного происхождения. Обработка полученных экспериментальных данных по этой модели дала значение абсолютного возраста 15 000 лет, что соответствует окончанию последнего ледникового периода, т. е. отражает истинный возраст почв. Возраст фракции, извлекаемой NaOH, в верхних горизонтах дает даже отрицательные значения, что объясняется загрязнением гумуса радиоуглеродом, образовавшимся в атмосфере при ядерных испытаниях.