Содовые солончаки южного Таджикистана

Содовые солончаки в Таджикистане встречаются редко. Наибольшее распространение они имеют в одном из районов Южного Таджикистана, расположенном на правом крыле конуса выноса р. Пянджа. Содовое засоление почв обусловлено миграцией к поверхности глубинных восстановленных вод и дополнительным содообразованием в оторфованных прослойках мелкозема.
В долинах Таджикистана широко распространены засоленные почвы.
В Таджикистане генезис «нейтральных» (хлоридных, хлоридно-сульфатных, сульфатных) солончаков подробно исследован Грабовской. Однако работ, касающихся генезиса содовых солончаков, встречающихся в пределах Таджикистана, нет, есть только указание на наличие соды в некоторых засоленных почвах Южного Таджикистана в работе Антипова-Каратаева и Керзума.
Район исследований находится в одной из южных долин Таджикистана. По данным ближайших метеорологических станций, среднегодовая температура воздуха здесь равна 15,3°, средняя температура июля около 30°, а января 2,5°. Абсолютный максимум за время исследований был около 42° (в июле), а абсолютный минимум— 11° (в январе). Среднегодовая температура почвы на глубине 20 см равна 18°. Безморозный период длится в среднем 227 дней, с 20 марта до конца октября. Среднегодовое количество атмосферных осадков составляет ,342—542 мм; большая часть их выпадает в зимне-весенний период; лето и осень сухие.
Обследованная территория находится в пределах Ях-Суйской впадины, которая рассматривается как обособленный геологический район (Кулябский). Характерными чертами его являются наличие высоких соляных куполов (Ходжа-Мумин, Ходжа-Сартис) и карстовых явлений и широкое развитие четвертичных аллювиальных, пролювиаль-ных и лёссовых отложений, почти полностью маскирующих глубинное строение района.
Исследованный массив с наибольшим проявлением содового засоления почв располагается на правом крыле конуса выноса р. Пянджа. В части, удаленной от реки, на севере и северо-востоке конус выноса ограничивается подножием соляного купола Ходжа-Мумин, а на западе периферийная часть его срезается долиной р. Кзыл-Су. Он сложен мощной толщей галечника, перекрытой сверху слоистым супесчано-суглинистым с глинистыми прослойками аллювием р. Пяндж. В западной периферийной части конуса выноса аллювий Пянджа сменяется аллювиальными отложениями р. Кзыл-Су.
В разрезе покровной толщи выделяются две пачки слоев, разделенных оторфованной рослойной и остатками тростника (погребенный тугай). Судя по состоянию погребенной почвы, можно предположить, что она развивалась в субаэральных условиях значительно дольше, чем современная, и также была засолена содой.
Рыхлое сложение валунно-галечниковой толщи в верхней части конуса «выноса и ее господствующее положение над остальной частью исследованной территории создают благоприятные условия для фильтрации воды из р. Пяндж и оттока грунтовых вод в стороны. В настоящее время, кроме р. Пяндж, весьма существенным источником питания грунтовых вод здесь являются ирригационные воды, фильтрующиеся в грунт из оросительной сети и на полях.
Вниз по конусу выноса уклон поверхности постепенно уменьшается, и механический состав аллювия становится мельче. В связи с этим движение грунтовых вод замедляется, они накапливаются и уровень их приближается к дневной поверхности. Это ведет к увеличению расхода грунтовых вод на испарение с поверхности почвы и на транспирацию растительностью. В результате уровень грунтовых вод несколько снижается, а минерализация их увеличивается. Исходной минерализацией для грунтовых вод конуса выноса является минерализация воды основного источника питания — р. Пянджа. Средневзвешенная минерализация воды последней составляет 0,192 г/л. По качественному составу она сульфатно-гидрокарбонатная кальциевая. Отношение С1' : ЗО/'= 0,12. При движении грунтовой воды в пределах конуса выноса происходит некоторое увеличение ее общей минерализации и метаморфизация химического состава в тип хлоридно-гидрокарбонатный натриевый. Особенно резкое повышение хлоридности почвенно-грунтовых вод за счет хлорида натрия, при сравнительно небольшом повышении общей минерализации, происходит в северо-западной части массива, ближайшей к соляному куполу. Здесь в дренажных водах отношение С1': 504"= = 3,0, тогда как в дренажной воде с юго-западной части массива — 0,8, а в начале зоны выклинивания — 0,5. Причинами метаморфизации являются как восстановительные процессы, происходящие в луговых и лугово-болотных почвах зоны выклинивания грунтовых вод, так и миграция к поверхности глубинных восстановленных вод.
Рассолы с минерализацией >300 г/л хлоридно-натриевого состава с небольшим содержанием сульфатов встречаются только в мелких родниках и в ручье у подножия соляного купола. В стороны они не распространяются, а опускаются, по-видимому, под мощный поток сравнительно слабоминерализованных грунтовых вод конуса выноса. Миграция кверху и добавление к воде конуса выноса даже ничтожных количеств (1—2 мл/л) этих рассолов может резко увеличить хлоридность верхнего слоя грунтовых вод, не повышая существенно общей минерализации. О возможной миграции к поверхности глубинных восстановленных вод свидетельствует газо-проявление в почвах.
В периферийной части конуса выноса, наиболее удаленной от основного источника питания грунтовых вод, минерализация их сильно повышается, а состав становится сульфатно-хлоридным магниево-натриевым.
На основании полученных данных по грунтовым водам в пределах исследованной территории можно выделить 4 гидрогеологических района.
I. Район глубокого залегания (зона погружения) слабоминерализованных гидрокарбонатно-сульфатных кальциевых грунтовых вод.
II. Район близкого залегания грунтовых вод в условиях интенсивного внутреннего оттока и выклинивания их (зона выклинивания); вода слабоминерализованная хлоридно-гидрокарбонатная натриевая, на отдельных участках хлоридно-гидрокарбонатная магниевая.
III. Район устойчивого близкого залегания грунтовых вод, затухающего выклинивания и замедленного внутреннего оттока; минерализация средняя, тип тот же.
IV. Район неустойчивого близкого залегания высокоминерализованных сулвфатно-хлоридных магниево-натриевых грунтовых воя.
В зоне выклинивания грунтовых вод (II и III гидрогеологические районы) со дна естественных и искусственных дрен непрерывно поднимаются пузырьки газа. Анализ пробы его, взятой в восходящем роднике несколько выше уреза воды в дренажном коллекторе, показал содержание кислорода около 16% по объему. Этот газ, как видно, представляет растворенный воздух, захваченный водой при фильтрации в грунт из реки и каналов. Повышение температуры и особенно концентрации солей в воде по мере ее движения внутри грунта снижает растворимость газов и способствует интенсивному выделению их.
Проявление горючего газа в почвах исследуемого района наблюдается на многих участках в широкой полосе протягивающейся на юго-запад от соляного купола Ходжа-Мумин. Горючий газ выделяется в почвенных скважинах глубиной 1,5—3 м из-под экранирующих глинистых прослоек, где он под некоторым давлением насыщает почвенно-грунтовые воды. При поджигании в скважине он взрывается или горит некоторое время спокойно.
Пробы газа для анализа были взяты в двух почвенных скважинах. Скважина 53/59 заложена на пятне содового солончака. Мощность слоя покровного мелко-земистого аллювия здесь около 3 м< Он содержит несколько оторфованных прослоек и полуразложившийся тростник.
В скважине 156/59, расположенной на слабозасоленной сильнощелочной почве, в 60 м выше по уклону от скважины 53/59 мощность мелкозема около 1 м.
По составу газ в скв. 53/59 относится к группе газов глубинного происхождения, а в пределах ее — к классу газов чисто газовых месторождений.
О его глубинном происхождении свидетельствует высокое содержание метана и пропана.
Можно было бы предполагать чисто «почвенное» происхождение горючего газа, так как погребенный в обводненных слоях полуразложившийся тростник представляет хороший материал для метанового брожения. Но в этом случае содержание метана было бы значительно меньше, а тяжелые углеводороды либо отсутствовали бы полностью, либо содержались в ничтожных количествах. Кроме того, сильнощелочные почвы и выделение растворенного газа из-под глинистых прослоек наблюдаются и там, где нет оторфованных слоев или они настолько незначительны, что явно не могут быть источником «болотного» газа.
Мигрирующие снизу газы в данном случае, проходя через аэрированные грунтовые воды, частично разбавляются растворенным воздухом. Примером такого разбавленного газа является проба из скв. 156/59.
Еще 15—17 лет назад большая часть исследованной территории в пределах II и III гидрогеологических районов представляла сплошной труднопроходимый тростниковый тугай (Митен-Тугай). В 50-х годах весь массив был освоен под орошение.
Хотя условия почвообразования отчасти изменялись, но в размещении почвенных видов и разновидностей имеется определенная закономерность, обусловленная природными особенностями. Формирование почв здесь тесно связано, с одной стороны, с геоморфологическими и гидрогеологическими условиями района и характером почвообразующих пород, а с другой стороны, с мероприятиями по окультированию почв, искусственному дренированию, рассолению и др.
Засоленные содой луговые и лугово-болотные почвы приурочены к слабодренированным территориям и обычно распространены отдельными пятнами в комплексе с сероземно-луговыми почвами. По составу солей выделяются солончаки: содовые, содово-хлоридные, содово-сульфатные, содово-сульфатно-хлоридные.
Содовые солончаки встречаются во II и III »гидрогеологических районах, в условиях постоянного воздействия на почвы слабо- или среднеминерализованных гидрокарбонатно-натриевых грунтовых вод. По морфологическому строению их нельзя отнести к солонцам, так как они не имеют солонцового горизонт^ с характерным для солонцов физическими свойствами.
Исследованные нами верхние слои содовых солончаков по механическому составу легко- и среднесуглинистые, а нижние слои — глинистые и тяжелосуглинистые. Содержание частиц <0,01 мм варьирует от 30 до 90%.
Содово-сульфатные солончаки встречаются пятнами во II и III гидрогеологических районах. По условиям залегания они приурочены к районам сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатных натриевых вод. Эти почвы по строению профиля напоминают содовые солончаки.
Содержание солей в верхнем горизонте достигает 5,24%. Книзу количество их резко уменьшается. Отношение С1': 50" =0,17. В составе •солей преобладают Ыа2504 —41,52, затем Ыа2С03 — 9,74 и ЫаНС03 — 5,77 мг-экв/ЮО г почвы. Содержание гумуса низкое 0,24—1,08%. Значение рИ среды 8,80—10,1.
Карбонаты распределены равномерно (14—16%), но на глубине 100—180 с'м содержание их возрастает до 24%. Емкость поглощения составляет 22,6 мг-экв/ЮО г почвы, книзу она уменьшается до 2,8. Обменный Ыа* составляет 14,7—48,3% от емкости поглощения.
Содово-хлоридные солончаки развиваются в III гидрогеологическом районе. Глубина залегания уровня грунтовых вод изменяется в пределах 1,0—2,0 м, минерализация их увеличивается до 10 г/л.
Общая щелочность в них варьирует в пределах 1,02—3,31 мг-экв/ /100 г почвы. Щелочность от' нормальных карбонатов равна 0,77— 3,00 мг-экв/ЮО г почвы. Отношение С1': 504/,=6,8. Реакция почв сильнощелочная (рН 9,0—10,3).
Содержание поглощенного натрия в верхних горизонтах составляет 40,4—71,1% от емкости поглощения.
Распределение карбонатов кальция в содово-хлоридных солончаках по профилю равномерное (10,8—19,1%), но на глубине 300—310 см количество карбонатов резко возрастает до 28,4%. Содержание гумуса в них равно 1,5%. Книзу уменьшается, но на глубине 270—300 см возрастает до 2,47, на этой глубине расположена погребенная почва.
Содово-с1ульфатно-хлоридные солончаки отмечаются в III и IV гидрогеологических районах в виде отдельных пятен в низинах со слабопроточными грунтовыми водами. Морфологическое строение совершенно аналогично строению содовых солончаков. Поверхность почвы черная.
Максимум солей содержится в верхнем горизонте. Отношение С1 : $04" меняется от 0,91 до 4,46%.
Общая щелочность высокая—1,13—10,18 мг-экв/100 г почвы. Щелочность от нормальных карбонатов равна 0,10—3,27 мг-экв/100 г почвы. Реакция водной суспензии сильнощелочная (10,0—10,5). Емкость поглощения в верхних горизонтах равна 21,6 мв-экв/ЮО г почвы, книзу уменьшается до 4,4. Поглощенный составляет 29—62% от емкости поглощения. Количество карбонатов кальция равно 13—15%.
Содержание гумуса в содово-сульфатно-хлоридных солончаках варьирует от 0,26 до 1,82%.
При рассмотрении почв, засоленных содой, естественно, встает вопрос о генезисе щелочности.
Возможных 'источников соды в почвах известно несколько [1, 3, 11]. Она может поступать как со стороны с поверхностными и грунтовыми водами, так и образовываться на месте в результате химических, физико-химических и биохимических реакций.
Состав солей в воде р. Пяндж, питающей грунтовые воды конуса выноса, .сульфатно-гидрокарбонатный кальциевый, что не дает оснований предполагать поступление соды с речной водой. Между тем метаморфизация грунтовых вод в хлоридно-гидрокарбонатные натриевые отмечается уже в пределах конуса выноса и усиливается по мере движения в сторону соляного купола Ходжа-Мумин.
По данным Сулина [14], Ковды [12] и Егорова [7], источником соды могут быть напорные подземные воды, близкие по составу водам нефтяных месторождений. Если учесть общую перспективность исследованного нами района в отношении нефте-газоносности и близость мощного соляного купола Ходжа-Мумин, то предположение о «глубинных» причинах содового засоления почв выглядит вполне вероятным. Указанием на это может быть также выделение растворенного горючего газа в почвенных скважинах на содовых солончаках.
Высокая щелочность почв (рН до 9,5—10,5) наблюдается также и в долине Ях-Су, к северу и северо-западу от Ходжа-Мумина, в колхозе «Дружба». С приближением к подножию это явление усиливается. Горизонты с максимальной щелочностью (рН 10,5) начинаются в пределах капиллярной каймы и поэтому встречаются на различной глубине, в зависимости от залегания уровня гидрокарбонатных магниево-натриевых грунтовых вод.
Покровные отложения в этой части района представлены аллювиальными песками, супесями и суглинками без погребенных органических остатков. Тем не менее в почвах ясно заметно наличие процесса восстановления сульфатов — вполне ощутимый запах сероводорода при пробе с НС1, а по анализу. 10—20 мг сульфидов по Н25 на 100 г почвы. Свободного сероводорода в почве нет. Поставщиками углерода и водорода для сульфатредуцирующих бактерий в данном случае могут являться восходящие углеводородные газы, хотя газо-проявление здесь слабое.
Ковда и Кононова считают, что содержание битумов растительно-наземного происхождения в почвенном гумусе является довольно устойчивой величиной и не превышает, как правило, 5—10% от общего количества гумуса. Если же содержание битумов несколько выше, то это можно отнести за счет дополнительного источника битумов.
В описываемых содовых солончаках содержание битумов в органическом веществе достигает 13,3—17,6%, что указывает на возможное влияние глубинных углеводородов, источником которых может быть нефтегазовая залежь.
При проведении микробиологических исследований нами обнаружены метановые бактерии, которые являются косвенным показателем нефтега-зоносности недр.
На основании приведенных данных можно сделать заключение, что содовое засоление почв в изученном районе обусловлено миграцией к поверхности глубинных восстановленных вод, связанных с газовым или лефтяным месторождением.
В верхних «слоях этот процесс осложняется восстановлением сульфатов и дополнительным содообразованием в оторфованных прослойках мелкозема. Частично метаморфизация почвенно-грунтовых вод происходит в обводненных слоях покровной мелкоземистой толщи. Наличие растительных остатков создает здесь благоприятные условия для биохимических реакций восстановления/сульфатов до сульфидов с последующим образованием соды и других карбонатов согласно следующей схематической реакции [Ыа2, Са, М^, Ре...]504+[С, Н] орг. вещества~4Ыа2, Са, М§, Ре...]5 + С02 + Н20-4Ыа2, Са, М^, Ре...]С03 + Н25. Главным условием развития процессов десульфатизации является наличие сульфатов в грунтовой воде и органических веществ в обводненных слоях почвы и грунтах [1]. В исследованных почвах имеются оба эти фактора.
Количественный учет сульфатредуцирующих бактерий в содовом солончаке показал очень высокое содержание, их по всему профилю (8000—6400 тыс./г почвы). Особенно много их в оторфованных слоях, где происходит интенсивное восстановление сульфатов (110 мг сульфидов на 100 г почвы по Н25). На глубине 240— 275 см обнаруживается много карбонатных конкреций сложного состава. Согласно приведенной выше реакции, должен быть и свободный сероводород. Отсутствие последнего объясняется, по-видимому, окислением его выше восстановительной зоны.
Количественные микробиологические анализы дают основание предполагать, что окисление Н25 в почве идет в значительной степени биологическим путем. В почвенной толще в данном случае создаются весьма сложные условия, определяющие то или иное направление хода биологических процессов. Для их расшифровки потребуются еще тщательные полевые исследования и лабораторные эксперименты. Пока в этом отношении можно высказать лишь некоторые предположения.
Сезонные колебания уровня грунтовых вод достигают здесь 1 ж. В летне-осенний период, при подъеме уровня грунтовых вод и полном обводнении всех оторфованных прослоек, кислород, поступающий с грунтовой водой, расходуется полностью в почвенной толще. В прослойках, богатых органическими остатками, начинаются восстановительные процессы, в том числе и восстановления сульфатов со значительным выделением сульфидов и С02. Образующиеся при этом труднорастворимые карбонаты (СаС03, М§С03 и др.) выпадают из раствора в виде сложных конкреций. Легкорастворимые крабонаты (Ыа2С03 и др.) и Н25 с капиллярными токами движутся кверху. Поскольку почвы карбонатны с рН не <7, можно предполагать, что окисление Н25 до серы осуществляется в основном тионовыми бактериями [9]. Нейтрализация карбонатов в этот период резко ослаблена, и сода, поступающая снизу, достигает поверхности почвы. В зимне-весенний период, когда уровень грунтовых вод опускается, аэрация верхних оторфованных прослоек усиливается и восстановительные процессы в них сменяются окислительными. Продуцирование Н25 при этом уменьшается. Из-за нехватки Н25 тионовые бактерии начинают окислять образовавшуюся ранее серу в серную кислоту [9]. В результате реакций Н2504 с карбонатами почвы (СаС03, М^С03, Иа2С03) образуются вторичные сульфаты кальция, магния, натрия и др. Этим, по-видимому, и объясняется присутствие наряду с содой также и сульфатов натрия в верхних слоях содовых солончаков. В нижних оторфованных бескарбонатных прослойках с низким рН могут создаться условия для жизнедеятельности серо-окисляющих бактерий. Такие прослойки с рН 5,35 и резко пониженным (до полного отсутствия) содержанием СаС03 и повышенным Са504 были обнаружены на глубине 170—200 см несколько выше слоев с карбонатными конкрециями. Но здесь же возникает вопрос, каким же образом проходит сода через подкисленную зону, где происходит разрушение ранее накопившихся карбонатов. Это, видимо, можно объяснить тем, что глубинные воды поставляют карбонаты и бикарбонаты натрия в таком количестве, что серной кислоты не хватает на нейтрализацию их.
Следы восстановительных реакций в почвах видны отчетливо. В основном же водоносном горизонте грунтовые воды хорошо аэрированы, и восстановительные реакции там не могут иметь места.
Выводы
1. Засоление луговых почв на пянджском конусе выноса обусловлено тем, что избыток притока грунтовых вод над оттоком расходуется главным образом путем испарения через почву. Существующая искусственная дренажная сеть не обеспечивает достаточного осушения почв. Кроме того, прослойки глины в нижней части почвенного профиля затрудняют водо- и солеобмен между покровными суглинками и подстилающей галечниковой водоносной толщей. Искусственная глубокая дренажная сеть построена без учета этого обстоятельства.
2. Аномалии в солевом составе грунтовых вод и содовое засоление почв в районе исследований обусловлены миграцией к поверхности глубинных вод, связанных с газовым или нефтяным месторождением. На это указывают состав газа, отобранного из исследованных резервов, и повышенное содержание в почве битумов.
3. В верхних слоях этот процесс осложняется интенсивным восстановлением сульфатов и дополнительным содообразованием в оторфованных прослойках мелкозема.
4. Первоочередным мелиоративным мероприятием должно быть расширение и заглубление искусственной дренажной сети с расчетом поддержания капиллярной каймы почвенно-грунтовых вод ниже корнеобитаемого слоя (на глубине 0,5—1,0 м). На отдельных участках необходимо заложить частый мелкий закрытый дренаж над глинистым слоем грунта для снятия верховодки. Химическая мелиорация является дополнительным мероприятием по ликвидации существующей высокой щелочности почв. Она эффективна только на фоне искусственного дренажа.