sergeogrИзвестия Российской академии наук. Серия географическаяIzvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya2587-55662658-697510.31857/S2587556620040032sergeogr-1138Research ArticleЭволюция природных системEvolution of Natural SystemМинералогические и геохимические параметры, отражающие палеоэкологию этапов почвообразования на юге Восточно-Европейской равнины в четвертичное времяThe Mineralogical and Geochemical Parameters Reflecting the Palaeoenvironment of Soil Formation in the South of the East European Plain in QuaternaryАлексеевА. О.AlekseevA. O.

Пущино

Pushchino

alekseev@issp.psn.ruКалининП. И.KalininP. I.

Пущино

Pushchino

АлексееваТ. В.AlekseevaT. V.

Пущино

Pushchino

АлексееваВ. А.AlekseevaV. A.

Москва

Moscow

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАНРоссияInstitute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of SciencesRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation202005112020844562–576Copyright © Алексеев А.О., Калинин П.И., Алексеева Т.В., Алексеева В.А., 20202020Алексеев А.О., Калинин П.И., Алексеева Т.В., Алексеева В.А.Alekseev A.O., Kalinin P.I., Alekseeva T.V., Alekseeva V.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestia.igras.ru/jour/article/view/1138

Выполнены реконструкции динамики климатических параметров условий почвообразования в четвертичное время на юге Восточно-Европейской равнины, базируясь на изучении палеопочв как индикаторов эволюции биосферы в масштабе геологического и исторического времени. Полнота и достоверность палеогеографических реконструкций определяется выбранными объектами исследования, среди которых палеопочвы археологических памятников (курганов) степной зоны европейской части России, а также лёссово-почвенные толщи Приазовья, содержащие серии ископаемых почв плейстоцена (последние 800 тыс. лет). Для проведения количественных реконструкций параметров состояния окружающей среды использованы три независимых метода: 1) магнитный метод (магнитная восприимчивость почв), связывающий почвенную “магнитную запись” с предшествующими условиях окружающей среды степей и позволяющий получать количественные характеристики климата (атмосферные осадки) в плейстоцене и голоцене; 2) геохимический, базирующийся на эмпирических зависимостях геохимических коэффициентов выветривания, связывающих изменения валового химического состава почвенной массы и еe элементов с климатическими факторами, а также комплекс минералогических исследований; 3) методы изотопной геохимии, изотопный состав углерода, позволяющие получать информацию о климатическом режиме территории, реконструировать некоторые параметры климатических систем. На основании полученной совокупности магнитных, геохимических, изотопных параметров почв и пород предложен оптимальный вариант набора показателей для палеоклиматических реконструкций и промоделированы климатические условия (палеотемпература, палеоосадки, аридность), характерные для природной среды степей Евразии в голоцене и плейстоцене.

Reconstructions of the dynamics of soil formation conditions’ climatic parameters in Quaternary in the south of the East European Plain are performed. Reconstructions are based on the study of paleosols as indicators of biosphere evolution on the scale of geological and historical time. The completeness and reliability of paleogeographic reconstructions is determined by the selected research objects, including the paleosols of archaeological sites (kurgans) of the steppe zone of the European part of Russia, as well as loess-soil sections of the Azov region, containing a series of Pleistocene paleosols (the last 800 thousand years). Three independent methods were used to perform quantitative reconstructions of paleoenvironment: 1) magnetic method (magnetic susceptibility of soils) linking the soil “magnetic record” with the previous environmental conditions of the steppes and allowing to obtain quantitative climate characteristics (precipitation, aridity) in the Pleistocene and Holocene; 2) geochemical method based on empirical dependencies of geochemical coefficients of weathering, linking changes in the bulk chemical composition of soil mass and its elements with climate factors, as well as a complex of mineralogical studies; 3) methods of isotopic geochemistry, the isotopic composition of carbon, allowing us to obtain information about the climate regime of the territory, reconstruct some parameters of climate systems. Based on the obtained set of magnetic, geochemical, and isotopic parameters of soils and rocks, the optimal indicators’ set for paleoclimatic reconstructions is proposed. The climatic conditions (paleotemperature, paleoprecipitation, and aridity) of the natural environment of the Eurasian steppes in the Holocene and Pleistocene were modeled.

эволюция почвпалеопедосфераглобальные изменения климатамагнитные свойства почвгеохимияпочвенная минералогияevolution of soilspaleopedosphereglobal climate changesoil magnetic propertiesgeochemistrysoil mineralogyРабота выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 1929-05178; 19-54-45008).The work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (grant nos. 19-29-05178; 19-54-45008).ReferencesАлексеев А.О., Алексеева Т.В. Оксидогенез железа в почвах степной зоны. М.: ГЕОС, 2012. 204 с.Alekseev A.O., Alekseeva T.V. Oksidogenez zheleza v pochvakh stepnoi zony [Iron Oxidogenesis in Steppe Soils]. Moscow: GEOS Publ., 2012. 204 p.Алексеева В.А. Микроморфология поверхности кварцевых зерен как индикатор условий ледникового осадкообразования (на примере бассейна р. Протвы) // Литология и полезные ископаемые. 2005. № 5 (40). С. 420–428.Alekseeva V.A. Micromorphology of quartz grain surface as indicator of glacial sedimentation conditions: Evidence from the Protva River basin. Litologiya i Poleznye Iskopaemye, 2005, vol. 40, no. 5, pp. 420–428. (In Russ.).Величко А.А. Природный процесс в плейстоцене. М.: Наука, 1973. 254 с.Velichko A.A. Prirodnyi protsess v pleistotsene [Natural Processes in the Pleistocene]. Moscow: Nauka Publ., 1973. 254 p.Величко А.А. К оценке тренда аридизации юга России: по результатам исследований разреза Семибалки-1, Приазовье // Современные проблемы аридных и семиаридных экосистем юга России: Сб. научных статей. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2006. С. 108–133.Velichko A.A. Aridization trends in southern Russia according to the studies of Semibakli-1 section (Azov region). In Sovremennye problemy aridnykh i semiaridnykh ekosistem yuga Rossii [Modern Problems of Arid and Semiarid Ecosystems of the Southern Russia]. Rostovon-Don: Yuzhn. Nauchn. Tsentr RAN, 2006, pp. 108133. (In Russ.).Величко А.А. Палеоклиматы и палеоландшафты внетропического пространства северного полушария. Поздний плейстоцен–голоцен / Атлас-монография. М., 2009. 120 с.Paleoklimaty i paleolandshafty vnetropicheskogo prostranstva severnogo polushariya. Pozdnii pleistotsen – golotsen [Paleoclimates and Paleolandscapes of the ExtraTropical Northern Hemisphere in the Late Pleistocene and Holocene]. Velichko A.A., Ed. Moscow: GEOS Publ., 2009. 120 p.Демкин В.А., Рысков Я.Г., Алексеев А.О., Олейник С.А., Губин С.В. Палеопедологическое изучение памятников степной зоны // Изв. АН. Сер. геогр. 1989. № 6. С. 40–51.Demkin V.A., Ryskov Ya.G., Alekseev A.O., Oleinik S.A., Gubin S.V. Paleopedological analysis of archaeological monuments in the steppe zone. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 1989, no. 6, pp. 40–51. (In Russ.).Демкин В.А. Почвоведение и археология. Пущино, 1997. 213 с.Demkin V.A. Pochvovedenie i arkheologiya [Soil Science and Archeology]. Pushchino: ONTI NTsBI AN SSSR, 1997. 213 p.Демкин В.А., Ельцов М.В., Алексеев А.О., Алексеева Т.В. и др. Развитие почв Нижнего Поволжья за историческое время // Почвоведение. 2004. № 12 (37). С. 1324–1333.Demkin V.A., El’tsov M.V., Alekseev A.O., Alekseeva T.V., Demkina T.S., Borisov A.V. Soil development in the Lower Volga area during the historical period. Pochvovedenie, 2004, vol. 37, no. 12, pp. 13241333.Демкин В.А., Борисов А.В., Алексеев А.О., Демкина Т.С., Алексеева Т.В., Хомутова Т.Э. Археологическое почвоведение: новые подходы в изучении истории природы и общества // Почвоведение. История, социология, методология. М.: Наука, 2005. С. 324–330.Demkin V.A., Borisov A.V., Alekseev A.O., DemkinaT.S., Alekseeva T.V., Khomutova T.E. Archaeological soil science: New approaches to the study of the history of nature and society. In Pochvovedenie. Istoriya, sotsiologiya, metodologiya [Pedology. History, Sociology, Methodology]. Moscow: Nauka Publ., 2005, pp. 324–330. (In Russ.).Калинин П.И., Алексеев А.О. Геохимический подход к исследованию происхождения лёссовых отложений юго-востока Русской равнины // Вестн. Воронеж. ун-та. Сер. Геология. 2013. № 2. С. 53–60.Kalinin P.I., Alekseev A.O. Geochemical approach to the analysis of the origin of loess sediments in the southeastern part of the Russian Plain. Vestn. Voronezh. Gos. Univ., Ser. Geol., 2013, no. 2, pp. 53–60. (In Russ.).Калинин П.И., Алексеев А.О., Савко А.Д. Лёссы, палеопочвы и палеогеография квартера юго-востока Русской равнины // Труды НИИ геологии Воронеж. ун-та. Вып. 58. Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 2009. 140 с.Kalinin P.I., Alekseev A.O., Savko A.D. Lessy, paleopochvy i paleogeografiya kvartera yugo-vostoka Russkoi ravniny [Loesses, Paleosols, and Paleogeography of the Quaternary Period in the Southeastern Part of the Russian Plain]. Tr. Nauchno-Issled. Inst. Geol., Voronezh. Gos. Univ., no. 58. Voronezh: Voronezh. Gos. Univ., 2009. 140 p.Калинин П.И., Алексеев А.О. Геохимическая характеристика лёссовопочвенных комплексов ТерскоКумской равнины и Азовокубанской низменности // Почвоведение. 2011. № 12. С. 1315–1332.Kalinin P.I., Alekseev A.O. Geochemical characterization of loess-soil complexes on the Terek-Kuma Plain and the Azov-Kuban’ Lowland. Eurasian Soil Sci., 2011, vol. 44, no. 12, pp. 1315–1332.Палеогеографические методы исследований. Реконструкция палеогеографических событий и этапов: Учеб. пособие / под ред. И.А. Каревской, А.В. Панина. М.: Географический факультет МГУ, 2012. 200 с.Paleogeograficheskie metody issledovanii. Rekonstruktsiya paleogeograficheskikh sobytii i etapov: Uchebnoe posobie [Paleogeographic Research Methods. Reconstruction of Paleogeographic Events and Stages: a Study Handbook]. Karevskaya I.A., Panin A.V., Eds. Moscow: Mosk. Gos. Univ., 2012. 200 p.Рогов В.В. Особенности морфологии частиц скелета криогенного элювия // Криосфера Земли. 2000. Т. IV. № 3. С. 67–74.Rogov V.V. Characteristic features of particle morphology in the skeleton of cryogenic eluvium. Kriosfera Zemli, 2000, no. 3, pp. 67–74. (In Russ.).Рысков Я.Г., Демкин В.А., Мергель С.В., Олейник С.А. Формирование карбонатного профиля темнокаштановой почвы по данным изотопного состава углерода и кислорода // Почвоведение. 1996. № 9 (29). С. 992–998.Ryskov Ya.G., Demkin V.A., Mergel S.V., Oleinik S.A. Formation of the carbonate profile of dark chestnut soil according to the isotopic composition of carbon and oxygen. Eurasian Soil Science, 1996, vol. 29, no. 9, pp. 992–998.Рысков Я.Г., Борисов А.В., Рыскова Е.А. Олейник С.А., Демкин В.А. О соотношении педогенных и литогенных карбонатов в степных почвах и закономерности их профильной динамики за последние 4000 лет // Почвоведение. № 3 (32). 1999. С. 263–270.Ryskov Ya.G, Borisov A.V., Ryskova E.A., Oleinik S.A., Demkin V.A. On the relationship between pedogenic and lithogenic carbonates and their dynamics in the profile of steppe soil during the last 4000 years. Pochvovedenie, 1999, vol. 32, no. 3, pp. 263–270.Трофимов В.Т. Лёссовый покров Земли и его свойства / ред. В.А. Трофимов и др. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001. 464 с.Trofimov V.T. Lessovyi pokrov Zemli i ego svoistva [Loess Cover of the Earth and Its Properties]. Moscow: Mosk. Gos. Univ., 2001. 464 p.Alekseev A.O., Alekseeva T.V., Maher B.A. Magnetic properties and mineralogy of iron compounds in steppe soils // Eurasian Soil Sci. 2003. V. 36. № 1. P. 59–70.Alekseev A.O., Alekseeva T.V., Maher B.A. Magnetic properties and mineralogy of iron compounds in steppe soils. Pochvovedenie, 2003, vol. 36, no. 1, pp. 59–70.Alekseeva T., Alekseev A., Maher B.A., Demkin V. Late Holocene climate reconstructions for the Russian steppe, based on mineralogical and magnetic properties of buried palaeosols // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2007. V. 249. P. 103–127.Alekseeva T., Alekseev A., Maher B.A., Demkin. V. Late Holocene climate reconstructions for the Russian steppe, based on mineralogical and magnetic properties of buried palaeosols. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 2007, vol. 249, pp. 103–127.Alley R.B. The Younger Dryas cold interval as viewed from central Greenland // Quat. Sci. Rev. 2000. V. 19. P. 213–226.Alley R.B. The Younger Dryas cold interval as viewed from central Greenland. Quat. Sci. Rev., 2000, vol. 19, pp. 213–226.Cerling T.E., Quade J., Ambrose S.H., Sikes N.E. Fossil soils, grasses, and carbon isotopes from Fort Ternan, Kenia: Grassland or woodland? // J. Human Evolution. 1991. V. 21. № 4. P. 295–306.Cerling T.E., Quade J., Ambrose S.H., Sikes N.E. Fossil soils, grasses, and carbon isotopes from Fort Ternan, Kenia: Grassland or woodland? J. Human Evolution, 1991, vol. 21, no. 4, pp. 295–306.Gallagher T.M., Sheldon, N.D. A new paleothermometer for forest paleosols and its implications for Cenozoic climate // Geology. 2013. V. 41. № 6. P. 647–650.Gallagher T.M., Sheldon N.D. A new paleothermometer for forest paleosols and its implications for Cenozoic climate. Geology, 2013, vol. 41, no. 6, pp. 647–650.Gallet S., Borming J., Masayuki T. Geochemical characterization of the Luochuan loess-paleosol sequence China and paleoclimatic implications // Chemical Geology. 1996. V. 133. P. 67–88.Gallet S., Borming J., Masayuki T. Geochemical characterization of the Luochuan loess-paleosol sequence China and paleoclimatic implications. Chemical Geology, 1996, vol. 133, pp. 67–88.Koch P.L. Isotopic reconstruction of past continental environments // Annual Rev. Earth & Planet Sci. 1998. V. 26. P. 573–613.Koch P.L. Isotopic reconstruction of past continental environments. Annu. Rev. Earth Planet Sci., 1998, vol. 26, no. 1, pp. 573–613.Krinsley D.H., Doornkamp J.C. Atlas of quartz sand surface textures. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2011. 102 p.Krinsley D.H., Doornkamp J.C. Atlas of Quartz Sand Surface Textures. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2011. 102 p.Mahaney W.C. Atlas of sand grain surface textures and applications. NY: Oxford Univ. Press, 2002. 237 p.Mahaney W.C. Atlas of Sand Grain Surface Textures and Applications. New York: Oxford Univ. Press, 2002. 237 p.Maher B.A., Alekseev A.O., Alekseeva T.V. Climate dependence of soil magnetism across the Russian steppe: significance for use of soil magnetism as a palaeoclimatic proxy // Quat. Sci. Rev. 2002. V. 21. P. 1571–1576.Maher B.A., Alekseev A.O., Alekseeva T.V. Climate dependence of soil magnetism across the Russian steppe: significance for use of soil magnetism as a palaeoclimatic proxy. Quat. Sci. Rev., 2002, vol. 21, pp. 1571–1576.Maher B., Possolo A. Statistical models for use of palaeosol magnetic properties as proxies of palaeorainfall // Global and Planetary Change. 2013. V. 111. P. 280–287.Maher B., Possolo A. Statistical models for use of palaeosol magnetic properties as proxies of palaeorainfall. Global Planet. Change, 2013, vol. 111, pp. 280–287. doi 10.1016/j.gloplacha.2013.09.017Maher B.A. The magnetic properties of Quaternary aeolian dusts and sediments and their palaeoclimatic significance // Aeolian Res. 2011. V. 3. № 2. P. 87–144.Maher, B.A. The magnetic properties of Quaternary aeolian dusts and sediments and their palaeoclimatic significance. Aeolian Res., 2011, vol. 3, no. 2, pp. 87–144.Nesbitt H.W., Young G.M. Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites // Nature. 1982. V. 299. P. 715–717.Nesbitt H.W., Young G.M. Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites. Nature, 1982, vol. 299, pp. 715–717.Nordt L., von Fischer J., Tieszen L. Late quaternary temperature record from buried soils of the North American Great Plains // Geology. 2007. V 35. № 2. P. 159–162.Nordt L., von Fischer J., Tieszen L. Late quaternary temperature record from buried soils of the North American Great Plains. Geology, 2007, vol. 35, no. 2, pp. 159–162.Retallack G.J. Soils of the Past: An introduction to paleopedology. 2nd ed. Malden, USA: Blackwell Science, 2001. 404 p.Retallack G.J. Soils of the Past: An Introduction to Paleopedology. Malden, USA: Blackwell Sci., 2001, 2nd ed. 404 p.Sheldon N.D., Tabor N.J. Quantitative paleoenvironmental and paleoclimatic reconstruction using paleosols // Earth-Sci. Rev. 2009. V. 95. P. 1–52.Sheldon N.D., Tabor N.J. Quantitative paleoenvironmental and paleoclimatic reconstruction using paleosols. Earth-Sci. Rev., 2009, vol. 95, 1–52.Sheldon N.D., Retallack G.J., Tanaka S. Geochemical climofunctions from North American soils and application to paleosols across the Eocene–Oligocene boundary in Oregon // J. Geology. 2002. V. 110. № 6. P. 687–696.Sheldon N.D., Retallack G.J., Tanaka S. Geochemical climofunctions from North American soils and application to paleosols across the Eocene–Oligocene boundary in Oregon. J. Geol., 2002, vol. 110, no. 6, pp. 687–696.Visser J.N.J., Young G.M. Major element geochemistry and paleoclimatology of the Permo-Carboniferous glacigene Dwyka Formation and post-glacial mudrocks in southern Africa // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 1990. V. 81. P. 49–57.Visser J.N.J., Young G.M. Major element geochemistry and paleoclimatology of the Permo-Carboniferous glacigene Dwyka Formation and post-glacial mudrocks in southern Africa. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 1990, vol. 81, pp. 49–57.Vos K., Vandenberghe N., Elsen J. Surface textural analysis of quartz grains by scanning electron microscopy (SEM): From sample preparation to environmental interpretation // Earth-Sci. Rev. 2014. V. 128. P. 93–104.Vos K., Vandenberghe N., Elsen J. Surface textural analysis of quartz grains by scanning electron microscopy (SEM): From sample preparation to environmental interpretation. Earth-Sci. Rev., 2014, vol. 128, pp. 93–104.Wilson M.A. NMR techniques and applications in geochemistry and soil chemistry. NY: Pergamon Press, 1987. 366 p.Wilson M.A. NMR Techniques and Applications in Geochemistry and Soil Chemistry. New York: Pergamon Press, 1987. 366 p.Woronko B. Frost weathering versus glacial grinding in the micromorphology of quartz sand grains: processes and geological implications // Sedimentary Geology. 2016 . V. 335. P. 103–119.Woronko B. Frost weathering versus glacial grinding in the micromorphology of quartz sand grains: processes and geological implications. Sediment. Geol., 2016, vol. 335, pp. 103–119.Zech M. Evidence for Late Pleistocene climate changes from buried soils on the southern slopes of Mt. Kilimanjaro, Tanzania // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2006. V. 242. P. 303–312.Zech M. Evidence for Late Pleistocene climate changes from buried soils on the southern slopes of Mt. Kilimanjaro, Tanzania. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 2006, vol. 242, pp. 303–312.Zech M., Glaser B. Improved compound-specific d13C analysis of n-alkanes for application in palaeoenvironmental studies // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2008. V. 22. № 2. P. 135–142.Zech M., Glaser B. Improved compound-specific d13C analysis of n-alkanes for application in palaeoenvironmental studies. Rapid Commun. Mass Sp., 2008, vol. 22, no. 2, pp. 135–142.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.