ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Бондар Ксенія Михайлівна

УДК 550.382.3.83

Природна залишкова намагніченість сучасних ґрунтів України та її геофізичне значення

04.00.22 – Геофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата геологічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: | кандидат геолого-мінералогічних наук, доцент Сухорада Анатолій Васильович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, доцент кафедри геофізики.

Офіційні опоненти: | доктор геологічних наук, Бахмутов Володимир Георгійович, Інститут геофізики НАН України, заступник директора;

доктор геологічних наук, професор Денисюк Володимир Павлович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри геофізики.

Провідна установа: |

Український державний геологорозвідувальний інститут, м. Київ.

Захист відбудеться “27” серпня 2004 р. в 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д026.001.32 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, Київ-22, вул. Васильківська, 90.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “24“ липня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д026.001.32

доктор геологічних наук, професор М. Н. Жуков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Особливості будови ґрунтового покриву відображаються у магнітному полі. Ґрунтовий шар є досить інтенсивною завадою при мікромагнітних дослідженнях, оскільки накладає на локальне магнітне поле власну складну структуру. Границі між різними типами ґрунтів, явища змиву, перезволоження, засолення фіксуються за змінами напруженості локального магнітного поля і його вертикального градієнту. Величину природної залишкової намагніченості (Jn) необхідно знати для оцінки її внеску до сумарної намагніченості (Jсум) і введення поправки за ґрунтовий покрив. Це важливо при магнітометричних дослідженнях як власне ґрунтів, так і слабкомагнітних гірських порід, перекритих сильномагнітними ґрунтами.

Керуючись принципом актуалізму, можемо вважати сучасні ґрунтові процеси подібними тим, що протікали у викопних ґрунтах лесово-ґрунтових формацій четвертинного віку, які активно вивчаються палеомагнітологами. Таким чином, вивчення розподілу намагніченості в сучасних ґрунтах різних природних зон значно наблизить нас до розуміння палеокліматичних умов, в яких формувалися палеоґрунти.

Дослідження розподілу Jn у сучасному ґрунтовому покриві по латералі і вертикалі, виявлення її носіїв і природи можуть дати підстави для виділення характеристичної намагніченості викопних ґрунтів, а також дозволять оцінити вплив на намагніченість хімічних змін, що відбуваються при захороненні ґрунту.

Зв’язок роботи з науковими програмами і планами НДР. Запропонована робота ґрунтується на матеріалах педомагнітних досліджень 1999 – 2002 років, що проводилися на базі Студентського Конструкторсько-Дослідницького Бюро геологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Основні результати отримані при виконанні досліджень по темах “Дослідження петромагнітних особливостей орного шару деяких характерних ґрунтів України у зв`язку із визначенням їх агрогеофізичної інформативності” (державний реєстраційний №4-99-183/1) та "Комплексні магнітометричні дослідження найважливіших родючих ґрунтів України для визначення раціонального комплексу агрогеофізичних робіт" (державний реєстраційний №4-99-183/2), які розроблялися ДП “Агрогеофізика” НАК “Надра України”.

Метою роботи є дослідження особливостей Jn ґрунтів різних типів і оцінка її магнітометричного і палеомагнітного значення.

Основні завдання досліджень. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі.

1. Відпрацювати технологію відбору зразків та аналізу Jn ґрунтів.

2. Оцінити величину і напрямки векторів Jn типоморфних ґрунтів різних кліматичних зон України.

3. Визначити основні закономірності розподілу Jn у ґрунтовому шарі як по латералі, так і по вертикалі.

4. Визначити феримагнітні сполуки – носії Jn різноманітних ґрунтів.

5. З'ясувати характер Jn сучасного ґрунту, тобто її стабільність і компонентний склад.

6. Оцінити внесок Jn ґрунтового покриву до величини його сумарної намагніченості (Jсум).

7. Оцінити принципову можливiсть збереження первинної намагніченості ґрунтів досліджених типів.

Перераховані задачі дослідження вирішено за допомогою комплексу магнітних методів, до якого увійшли вимірювання і обрахунки Jn, магнітної сприйнятливості (?) , фактору Кеніксбергера (Q), Jсум; визначення і аналіз напрямків векторів Jn та Jсум; термомагнітні методи; вимірювання параметрів магнітного гістерезису; розмагнічування Jn змінним полем.

Об’єктом наукового дослідження є ґрунтовий покрив території України, а саме типоморфні ґрунти основних агрокліматичних зон нашої держави.

Предметом наукового дослідження є природна залишкова намагніченість сучасних ґрунтів, її природа, стабільність і носії.

Наукова новизна отриманих результатів. Проведений на території України значний обсяг педомагнітних досліджень, серед яких основним було дослідження природної залишкової намагніченості і магнітної сприйнятливості зразків в лабораторних умовах, дозволив отримати цінну інформацію про розподіл магнітних властивостей як в орному шарі, так і у глибоких генетичних горизонтах основних типів ґрунтів природних зон нашої держави, вперше оцінити варіабельність модуля і напрямку Jn в ґрунті. Вперше встановлені основні закономірності поведінки Jn у відповідності до змін ландшафтно-географічних умов, а отже й спектру природних факторів, що на неї впливають. Вперше вивчено компонентний склад і стабільність Jn сучасних ґрунтів.

Таким чином основні положення дисертаційного дослідження, які відображають наукову новизну роботи, наступні:

- Jn ґрунтового покриву України зростає в напрямку на південний схід при переході від дернових, дерново-підзолистих ґрунтів Полісся до сірих лісових і чорноземів типових Лісостепу і досягає максимальних значень в чорноземах і темно-каштанових ґрунтах Степу і Сухого Степу;

- вектор Jn всіх ґрунтів в усій їх вертикальній потужності спрямований колінеарно сучасному геомагнітному полю;

- у складі Jn сучасних ґрунтів переважають в`язка й орієнтаційна компоненти, Jn є надзвичайно нестабільною;

- частка Jn у сумарній намагніченості ґрунтів за абсолютною величиною найбільша у степових і сухостепових ґрунтах, а за відсотковим внеском - у ґрунтах Полісся з високим фактором Кеніксбергера.

Практичне значення і впровадження одержаних результатів. Практичне значення результатів роботи полягає у отриманні інформації, необхідної для введення поправки за ґрунтовий покрив при мікромагнітних дослідженнях в районах розповсюдження сильномагнітних ґрунтів. Результати дослідження природної залишкової намагніченості сучасного ґрунтового покриву рекомендується враховувати при аналізі природної залишкової намагніченості викопних ґрунтів четвертинного віку. Методичні напрацювання й результати роботи використано при розробці раціонального комплексу агрогеофізичних робіт ДП "Агрогеофізика" НАК "Надра України" ( звіти №4-99-183/1 та №4-99-183/2).

Особистий внесок здобувача. Авторкою виконані наступні етапи роботи: аналіз світової наукової літератури з магнетизму ґрунтів; польові роботи, в ході яких відібрано колекції зразків основних типів ґрунтів України; лабораторні вимірювання колекцій зразків ґрунтів; аналіз фактичного матеріалу та інтерпретацію отриманих результатів, в ході якої виявлені закономірності розподілу, утворення й існування природної залишкової намагніченості у ґрунтах; впровадження результатів роботи при розробці агрогеофізичної технології.

Основні результати дисертаційної роботи відображені у фахових публікаціях [1-4]. Додатково матеріали дисертації опубліковані в роботах [5-14].

Особистий внесок здобувача у основні роботи, виконані у співавторстві, визначається наступним чином. В роботах [1-6,8] авторці належить виконання експериментальних досліджень і аналіз результатів, підготовка висновків. В роботах [9,10,13,14] дисертантці належить безпосередня участь у виконанні польових і лабораторних досліджень, обробці та аналізі результатів. В роботах [11,12] дисертанткою виконані експериментальні дослідження, аналіз та узагальнення отриманих даних.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались авторкою на:

Міжнародних наукових конференціях “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища (Київ, 2001,2002);

Міжнародній науковій конференції “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища (Київ, 2003);

Міжнародній конференції "Четвертые геофизические чтения имени В.В. Федынского" (Москва, 2001);

Міжнародних семінарах "Палеомагнетизм и магнетизм горных пород" (Борок, 2002, 2003);

3-й та 4-й Міжнародних конференціях Національної Гірничої Академії України (Дніпропетровськ 2002, 2003);

cемінарі відділу земного магнетизму Інституту геофізики Польської академії наук (Варшава, 2002);

Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених "Геофизика-2003" (Санкт-Петербург, 2003);

засіданнях НТР НАК "Надра України" та його ДП "Агрогеофізика".

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 статей в наукових журналах та збірниках наукових праць, 4 з них у фахових виданнях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків та списку використаних джерел, котрий налічує 100 найменувань. Вона має обсяг 177 сторінок, містить 14 таблиць, 23 малюнки, 4 додатки.

Роботу виконано на кафедрі геофізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка, де здобувачкою отримані основні результати польових і експериментальних досліджень.

Авторка висловлює щиру подяку науковому керівникові кандидату геол.-мін. наук, доценту А.В.Сухораді за постановку задачі і визначення методології роботи, допомогу у польових дослідженнях і зауваження при інтерпретації результатів. Авторка вдячна колективу відділу геомагнетизму Інституту геофізики Польської академії наук за надану можливість проведення вимірювань та експериментів на сучасній апаратурі.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, викладені основні завдання, визначено новизну і практичну цінність, а також наведено загальну характеристику роботи.

У першому розділі наведені елементи теорії залишкової намагніченості та обрисований стан проблеми дослідження Jn сучасних ґрунтів. При розгляді природних процесів, які можуть впливати на природну залишкову намагніченість сучасних ґрунтів, формуючи окремі її компоненти, наведені ті, які мають загальний характер.

Природною залишковою намагніченістю (Jn) називається залишкова намагніченість гірської породи або іншого об’єкта, що має природне походження (Храмов А.Н.,1982). Окрім залишкової намагніченості природні об`єкти мають також індуктивну намагніченість Ji, яка визначається їх магнітною сприйнятливістю ? та інтенсивністю геомагнітного поля HT, або іншого, штучно створеного магнітного поля: .

Векторна сума індуктивної та природної залишкової намагніченостей носить назву сумарної намагніченості Jсум і визначається співвідношенням.

Для оцінки внеску кожної з компонент до сумарної намагніченості використовується відношення Jn/Ji, яке називають відношенням Кеніксбергера чи фактором Q.

Природна залишкова намагніченість може мати різний характер в залежності від умов існування системи, у якій вона формується. Дослідженням процесів намагнічування сучасних грунтів займалися Оздемір O., Банерджи С., Смірнов Ю. А., Бабанін В. Ф., Трухін В. І., Майер Б., Жорданова Д, Петровськи Е. та інші.

Ознайомлення зі станом проблеми вивчення Jn сучасних ґрунтів свідчить, що нечисленні дослідження, які проводилися досі, не мали на меті комплексного аналізу цього геофізичного параметру.

У другому розділі поданий опис методики дослідження Jn та інших магнітних властивостей сучасних грунтів.

Для вивчення Jn сучасних ґрунтів відібрані орієнтовані зразки за стандартною палеомагнітною технологією (Храмов та ін., 1982), які вимірювалась на кріогенному та астатичному магнітометрах. Паралельно вивчена також об`ємна магнітна сприйнятливість і обраховані фактор Q і Jсум. Напрямки векторів Jn проаналізовані статистично і представлені на стереопроекціях.

Феримагнітні мінерали ґрунтів визначалися за точками Кюрі методами Js(T), ч(T) ?а за блокуючими температурами методом Jrs(T). У ґрунтах відбувається інтенсивне утворення феримагнетиків в процесі вимірювального нагріву, що ускладнює інтерпретацію результатів методів Js(T), ч(T). ?айбільш інформативним є метод Jrs(T), оскільки на його результати не впливають новоутворені магнітні фази.

Магнітна жорсткість ґрунтів і доменний стан їх феримагнітних фаз охарактеризовані за параметрами Jrs, Js, Hc, Hcr і їх відношеннями Hcr/Hc, Jrs/Js.

Виконувалося розмагнічування Jn ґрунтів змінним полем, результати якого представлялися у вигляді кривих інтенсивності, стереопроекцій і діаграм Зійдервільда. Проведено досліди по моделюванню Jn грунтів і вивченню її поведінки в залежності від часу витримки зразка, ступеня зволоженості, положення відносно геомагнітного поля.

У третьому розділі міститься загальногеографічний опис дослідних ділянок. Ґрунтовий покрив України характеризується значним розмаїттям, а отже на його прикладі можна прослідкувати глобальні закономірності просторового розподілу Jn. Обрані дослідні ділянки містять всі основні типи ґрунтів і є репрезентативними щодо магнітних властивостей ґрунтових типів кліматичних зон України.

Дослідні ділянки впорядковані оптимальним чином, згідно принципів фізико-географічного та агроґрунтового районування території нашої держави (Вернандер Н.Б. ,Гринь Г.С. ,Скорина С.О., Кисіль В.Д., Яровенко А.Ф.,1969). В межах Поліської зони досліджені лучні, дернові, дерново-підзолисті ґрунти, у Лісостеповій зоні вивчені чорноземи типові та сірі лісові ґрунти . Ґрунти Степу представлені чорноземи звичайними, Сухий Степ – темно-каштановим ґрунтом і чорноземом південним. У роботі наведена їх детальна характеристика.

У четвертому розділі наведена характеристика розподілу природної залишкової намагніченості у типоморфних ґрунтах України.

У межах території України всі ґрунти за абсолютними величинами Jn їх гумусових горизонтів можна поділити на 3 великі групи:

- ґрунти з низькою Jn (2-8*10-3 А/м). До цієї групи відносяться лучні і болотні ґрунти Полісся й Лісостепу, дернові ґрунти;

- ґрунти з середньою Jn (8-15*10-3 А/м). Сюди входять сірі лісові ґрунти Дністровсько-Дніпровського і Західного Лісостепу, чорноземи типові Лівобережного Високого лісостепу, чорноземи звичайні Степу Північного Донецького, темно-каштанові ґрунти Степу Сухого Північно-Кримського;

- ґрунти з високою Jn (15-32*10-3 А/м). До таких відносяться чорноземи типові Полтавщини, чорноземи звичайні Степу Північного Лівобережно-Дніпровського, темно-каштанові ґрунти Степу Сухого Причорноморського і чорноземи південні Криму. Високі значення Jn мають також ґрунти з ділянки "Умань", розташованої в межах південної підпровінції Правобережного Лісостепу, а також з ділянки "В`язівок" з Лівобережного високого Лісостепу.

Отже, спостерігається тенденція до зростання Jn ґрунтового покриву при переході між агрокліматичними зонами у південно-східному напрямку (Полісся – Лісостеп – Степ – Сухий Степ).

Поверхневі гумусові горизонти ґрунтів характеризуються підвищеними значеннями Jn, виключення складають ґрунти з опідзоленим вертикальним профілем: дерново-підзолисті (рис.4.1 б), сірі лісові (рис. 4.1 в). У них максимальні значення Jn приурочені до ілювійованих шарів. Вертикальний профіль болотних і дернових ґрунтів Полісся майже не розчленовується за Jn, природна залишкова намагніченість лучних ґрунтів плавно зменшується з глибиною (рис.4.1 а).

Чорноземним (рис. 4.1 г, д) і темно-каштановим ґрунтам (рис.4.1 е) притаманне значне зростання Jn з глибиною в межах гумусових горизонтів (Н), у перехідному шарі (Нp) спостерігаємо різке падіння природної залишкової намагніченості, порівняно низькі значення якої характерні для лесовидних суглинків, на яких утворилися ці ґрунти.

Фактор Q майже всіх ґрунтів, окрім дерново-підзолистих і чорноземних різновидів Південного Полісся - Північного Лісостепу, підвищується з глибиною, що свідчить про відповідне зростання магнітної жорсткості.

Вектори Jn сучасних ґрунтів орієнтовані за напрямком сучасного геомагнітного поля.

У п`ятому розділі викладені результати визначення мінералів-носіїв і природи Jn cучасних ґрунтів України.

Всі криві температурного ходу Js, Jrs, ч ?разків сучасних ґрунтів мають характерні ознаки наявності різноманітного тонкодисперсного магнітного матеріалу з широкими спектрами точок Кюрі та блокуючих температур. Серед таких ознак – увігнута форма кривих Js(T), ділянки плавного падіння Jrs в процесі нагріву.

Для всіх кривих означених температурних методів спільною рисою є значне підвищення ізотермічних величин після вимірювального нагріву, що свідчить про утворення нових феромагнетиків в процесі експериментів. ? підвищується у 3-5 разів, Js та Jrs – в 1,5-3 рази.

Рис. 5.1 Криві Jrs(Т) зразків: а) дернового грунту, б) сірого лісового грунту, в) чорнозему звичайного, г) лесовидного суглинку, д) темно-каштанового грунту.

Основним носієм залишкової намагніченості у ґрунтовому покриві України виступає магеміт. Він широко розповсюджений у ґрунтах Лісостепу, Степу і Сухого Степу. При знятті кривих Js(T) для зразків лучного ґрунту і чорнозему типового з Київської обл., дернового борового ґрунту Львівщини, а також сірого лісового з Тернопільщини зафіксована кінцева точка Кюрі в околі 603…6110С, характерна для магеміту у слабко окристалізованому стані (Оzdemir O., Dunlop D., 1998). У сірих лісових та чорноземних ґрунтах з високою Jn кінцева блокуюча температура становить більше 5900, що дозволяє ідентифікувати в них магеміт (рис. 5.1 б, в).

У деяких ґрунтах визначений магнетит. Зразки з гумусового горизонту чорноземів звичайних та з поверхневого шару темно-каштанового ґрунту мають Тс магнетиту 5860С. Понижена температура Тс =5270С зафіксована для чорнозему типового з Київської обл. Результати аналізів Jrs(Т) свідчать про наявність магнетиту з Тб=5200 у дерновому ґрунті Західного Лісостепу , а також у поверхневому шарі темно-каштанового ґрунту (рис. 5.1 а, д). На кривих першого нагріву Jrs(T) чорноземів звичайних і темно-каштанових ґрунтів існує характерний перегин в околі 180…2000С, який пояснюється зняттям структурних напруг у мішаних окислених магнетит-магемітових зернах (Матасова Г. Г., Казанский А. Ю. и др., 2001).

Магніто-мінералогічна фаза з Тб зафіксована у дернових і дерново-підзолистих ґрунтах. Такі низькі блокуючі температури властиві гідроксидам, вміст яких за даними (Водяницкий Ю. Н., 2000) великий у ґрунтах зони мішаних лісів.

Вміст гематиту у ґрунтах, сформованих на лесовидних суглинках, якими є чорноземи типові і звичайні, сірі лісові і темно-каштанові ґрунти, зростає з глибиною, що свідчить на користь його літогенного походження. Кінцеві блокуючі температури підвищуються до 6800С (рис. 5.1 г). У діапазоні температур 590-7000С присутнє невелике зростання магнітної сприйнятливості, обумовлене наявністю первинного або новоутвореного гематиту.

В процесі нагрівання ґрунтів відбувається фазовий перехід магеміту в гематит. З ним пов`язане стрімке падіння ? після 210-2300С для зразків з поверхневих гумусових горизонтів, 300-3100С для ґрунтотвірних лесовидних суглинків. На кривих Jrs(T) темно-каштанових ґрунтів і чорноземів звичайних при переході Fe2O3 Fe2O3 в процесі швидкого нагрівання (>100/хв.) утворюється перегин в околі 3500С.

Доменний склад феримагнетиків ґрунтового покриву України коливається в межах суперпарамагнетизм – псевдооднодоменність, про що свідчать величини відношень Jrs/Js та Hcr/Hc. Для досліджених ґрунтів величина відношення Jrs/Js лежить в межах 0,09 - 0,17, причому найменші значення зареєстровані у дернових та дерново-підзолисті ґрунтах. Найбільшу кількість суперпарамагнетиків, відповідно, містять ґрунти Полісся-Північного Лісостепу.

З іншого боку Hcr чорноземів звичайних Степової зони значно нижча ніж у ґрунтів Полісся і Лісостепу, оскільки магеміт у дерново-підзолистих, сірих і чорноземних ґрунтах Лісостепу і Полісся є слабко окристалізованим і ледве досягає однодоменного розміру. У ґрунтах Степової зоні з більшою сумою ефективних температур в окислювальних умовах зерна магеміту виростають до псевдооднодоменних і, можливо, дрібних багатодоменних.

Відсотковий вміст однодоменних часток у магнітній фазі автоморфних ґрунтів на лесовидних сугликах важкого механічного складу зростає з глибиною. Укрупнення часток спостерігається на фоні мінералогічних змін у профілі ґрунтів: на границі гумусового і лесового горизонтів різко зростає вміст літогенного гематиту. Величини Is та Irs значно спадають з глибиною, оскільки намагніченість магеміту, як основного мінералу власне ґрунту, значно перевищує намагніченість гематиту. Якщо грунтотвірна порода представлена суглинками легшого складу (вміст глинистої фракції біля 20%), магнітна жорсткість зменшується з глибиною, оскільки гематиту, який входить до складу плівок на поверхні глинистих мінералів [Осипов Ю. Б., 1978] небагато і він слабкоокристалізований.

Загальною особливістю природної залишкової намагніченості усіх ґрунтів є наявність щонайменше 2-х компонент, одна з яких є надзвичайно нестабільною. У нашому дослідженні під нестабільною, або м`якою намагніченістю (Jnм) ми розуміли ту, яка зникає під дією змінного магнітного поля інтенсивністю 20 мТл. Стабільною, або жорсткою (Jnж), вважалася намагніченість, яка зберігається після впливу змінним полем інтенсивністю 60 мТл.

На протязі розмагнічування напрямок усіх компонент Jn лишався тотожнім напрямку сучасного геомагнітного поля.

Найменша Jn сучасного ґрунтового покриву території України властива лучним і болотним ґрунтам. Нестабільна намагніченість складає >50% Jn. Величина цієї компоненти не перевищує 3*10-3 А/м , а медіанне руйнуюче поле (MDF) досягає 22 мТл. Жорстка компонента (Jnж) намагніченості частково реєструється навіть після впливу змінного поля у 140 мТл .

У дерново-підзолистих ґрунтах, де інтенсивність Jn загалом не перевищує 15*10-3 А/м, м`яка намагніченість становить до 70% (рис. 5.1, б). Величини Jnм і MDF значно відрізняються для ґрунтів з Києва і Львова, що, ймовірно, пояснюється їх різною магнітною мінералогією (у ґрунтах Львівщини виявлений магнетит).

Сірі лісові ґрунти також мають широкий діапазон величин Jn і Jnм, як і чорноземи типові Лісостепової зони (рис. 5.1 в,г). Величина Jnм ґрунту з глибини 20 см з ділянки "В`язівок" (Полтавська обл.) значно перевищує таку для зразків з глибини 60 см, що свідчить про менший вміст носія залишкової намагніченості, магеміту, у глибшому шарі.

При розмагнічуванні Jn зразків чорнозему звичайного і темно-каштанового ґрунтів (рис. 5.1 д,е) зафіксована найбільша величина нестабільної компоненти намагніченості (до 27,6*10-3 А/м). Лесовидний суглинок втрачає половину Jn при впливі змінного поля інтенсивністю 6 мТл, що свідчить про дрібнодисперсний стан гематиту, як основного магнітного мінералу-носія Jn (Багин В. И., 1980).

Із зразками ґрунтів різних типів були проведені експерименти, що прояснили природу виділених компонент Jn. Виходячи з отриманих результатів можемо стверджувати про значний внесок VRM до Jn сучасних ґрунтів. Величина VRM зростає в ґрунтовому ряді лучні – дернові - дерново-підзолисті - сірі лісові – чорноземи – темно-каштанові ґрунти по мірі того як зростає вміст і падає коерцитивність носіїв VRM. Носієм її є, вміст якого у ґрунтах збільшується з півночі на південь. VRM має швидку і повільну компоненти.

Орієнтаційний фактор формування Jn також присутній у сучасних ґрунтах. Орієнтуватися вздовж діючого поля спроможні лише найдрібніші частинки, які, з одного боку, мають невеликі розміри, а з іншого – досить високу намагніченість. Формування орієнтаційної намагніченості сучасних ґрунтів відбувається за схемою для системи з невзаємодіючих часток, тобто дуже швидко. В процесі тривання експериментів поведінка Jn виявилася аналогічною, незалежно від того чи була попередньо зруйнована природна структура ґрунту. Отже, за характер і інтенсивність DRM відповідають частки однодоменного і псевдооднодоменого магеміту, не зв'язані з мінеральним скелетом ґрунту.

Внесок VRM і DRM до Jnм контролюється вологістю ґрунту. Вміст вологи, при якому відбувається блокування часток-носіїв орієнтаційної намагніченості, не перевищує кількох відсотків. В природних умовах вологість коливається біля цієї межі. В загальному випадку ступінь зволоженості ґрунту впливає в першу чергу на стабільність його Jn. Достатньо, аби ґрунт містив 10% води, щоб Jn набула спроможності швидко змінювалася під дією зовнішнього поля за рахунок орієнтаційних процесів. Подальше зволоження суттєвого впливу на стабільність Jn не справляє (рис. 5.3).

Спостережена у сучасних ґрунтах України більш стійка намагніченість Jnж має хімічне походження. Абсолютна величина її невелика, 0,2-1,9 мА/м, приблизно однакова для ґрунтів різних типів, простежується тенденція до збільшення Jnж у ґрунті порівняно з лесовидним суглинком.

Шостий розділ присвячений обґрунтуванню геофізичного значення природної залишкової намагніченості сучасних ґрунтів у двох основних аспектах: при дослідженнях тонкої структури локального магнітного поля, а також при розробці різноманітних питань палеомагнетизму і магнетизму ґрунтів, як сучасних, так і викопних.

Геофізичне значення Jn ґрунтового покриву визначається її внеском до сумарної намагніченості ґрунту, котра справляє безпосередній вплив на напруженість локального геомагнітного поля. Цей внесок досить значний і становить близько половини для ґрунтів Полісся й Лісостепу і близько третини для степових і сухостепових ґрунтів (табл.6.1). Абсолютна величина сумарної намагніченості має ту саму закономірність латерального розподілу, що й Jn. Втім, оcкільки Jn спрямована колінеарно напрямку сучасного геомагнітного поля, вона підсилює ефект від індуктивної компоненти намагніченості. Таким чином, інформація про величину Jn важлива при магнітометричному картування ґрунтового покриву і підстилаючих гірських порід.

Спираючись на дані магніто-мінералогічного аналізу сучасних ґрунтів і компонентного аналізу їх Jn приходимо до висновку про принципову неможливість її збереження у ґрунтах досліджених типів при захороненні, оскільки:

Хоча при дегідратації ґрунту, коли вміст вологи зменшується нижче граничного рівня кількох відсотків, блокується орієнтаційна намагніченість, пов`язана з дрібнозернистим педогенним магемітом, але, як було встановлено, він може перемагнічуватись по в`язкому механізму за відносно невеликий проміжок часу.

Як відомо, при захороненні ґрунтового покриву переважно під лесовим шаром більш молодого віку у ньому відбуваються різноманітні хімічні процеси, які відображаються на Jn. При вторинному намагнічуванні відбувається запису більш пізнього геомагнітного поля ніж час існування ґрунту. Хімічні перетворення феримагнітної фази похованого ґрунту можуть тривати протягом довгого періоду часу, залежно від швидкості протікання хімічних змін і запасів первинного феримагнетика.

Дослідивши деякі викопні ґрунти з розрізів "Чорторий", Київська обл., і "В`язівок", Полтавська обл., приходимо до висновку, що їх Jn в усьому своєму компонентному складі продовжує формуватися під дією фізико-хімічних процесів, що тривають після захоронення.

Таблиця 6.1

Внесок Jn до Jсум ґрунтів України

ВИСНОВКИ

Встановлені основні закономірності зміни природної залишкової намагніченості у ґрунтовому покриві України. Виявляється, що Jn різних ґрунтів змінюється в широкому діапазоні від 3 до 35*10-3А/м. Найменші значення Jn спостерігаються у дернових, лучних та болотних ґрунтів Полісся та Лісостепу. Найвищі значення зафіксовані у сірих лісових ґрунтах Черкаської обл., чорноземах звичайних Харківської, Донецької обл. та Криму, темно-каштанових ґрунтах Херсонщини та Криму. Отже природна залишкова намагніченість ґрунтового покриву зростає у південному напрямку. Фактор Q перевищує 1 у дерново-підзолистих та сірих лісових ґрунтах Полісся й північної частини Лісостепу, але ледве досягає 0,6 у вищеназваних сильномагнітних ґрунтах. Співвідношення ізотермічних магнітних параметрів кожного з ґрунтових типів мають оригінальний характер, за яким можлива їх діагностика.

Природна залишкова намагніченість сучасних ґрунтів орієнтована в напрямку сучасного геомагнітного поля. Це означає, що вона, навіть у випадку сильномагнітних чорноземних ґрунтів не може суттєво спотворити картини локального магнітного поля. Однак, Jn сучасних ґрунтів відображає особливості будови ґрунтового покриву, які впливають на тонку структуру локального магнітного поля.

За допомогою термомагнітних аналізів, а також результатів визначення параметрів петлі гістерезису встановлений магніто-мінералогічний склад сучасних ґрунтів. Слабко окристалізований магеміт з невеликими (590-6000С) блокуючими температурами є основним носієм залишкової намагніченості усіх автоморфних ґрунтів України, тобто дерново-підзолистих ґрунтів Полісся, чорноземів і сірих лісових ґрунтів Лісостепу, чорноземів і темно-каштанових ґрунтів Степу і Сухого Степу. Окрім магеміту, у деяких ґрунтах виявлений магнетит, зокрема у дернових ґрунтах Львівської обл., чорноземах типових Київської обл., темно-каштанових ґрунтах Херсонщини. Ці два мінерали ґрунтів часто утворюють асоціації. Автоморфні ґрунти України сформовані переважно на лесових породах, які містять гематит літогенного походження. Наведений склад феримагнітної фракції сучасних ґрунтів найбільше відповідає експериментальним даним.

Форма існування феримагнетиків ґрунту представляється у вигляді невеликих зерен з розмірами від суперпарамагнітних, кількість яких найбільша у поверхневому шарі ґрунтів Полісся, до псевдооднодоменних, якими загалом представлений весь магнітний профіль автоморфних ґрунтів Степу і Сухого Степу.

Природна залишкова намагніченість сучасних ґрунтів є дуже нестабільною, при її утворенні переважають орієнтаційні та в`язкі процеси. Jn ґрунтів має у загальному випадку двокомпонентний склад. Величина магнітом`якої компоненти намагніченості ґрунту, яка становить (0,5-0,9)Jn, залежить від вмісту її носія – дрібнодисперсного магеміту. Вона зростає при переході між кліматичними зонами Полісся – Лісостеп – Степ - Сухий Степ. Магнітожорстка частина Jn ґрунтів має хімічну природу, величина її більша у гумусових горизонтах порівняно з лесовидними суглинками. На стабільність Jn ґрунту значно впливає ступінь його зволоженості.

Для визначення ролі ґрунту у магнітометричних дослідження виключне значення має характеристика розподілу Jn по латералі і вертикалі. У ґрунтовому покриві України внесок Jn до Jсум зменшується від 50% до 30% у південному напрямку.

На етапі існування ґрунту не відбувається фіксації намагніченості в усій його вертикальній потужності. Таким чином, Jn похованого ґрунту не може бути індикатором напрямку геомагнітного поля часу існування ґрунту. Час фіксації намагніченості у викопних ґрунтах потребує спеціального дослідження у кожному окремому випадку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Cухорада А.В., Тяміна К.М. До питання про магнітні властивості ґрунтів України.// Вісн. Київ. ун-ту, Геологія. – 2003. – Вип. 26-27. - С. 31-36.

Сухорада А.В., Тяміна К.М., Меньшов О.І.Про намагніченість деяких ґрунтів України.// Вісн. Київ. ун-ту, Геологія. – 2002. – Вип. 23-24. - С. 104-105.

Бондарь К.М., Сухорада А.В. Естественная остаточная намагниченность почвенного покрова.// Науковий вісник НГАУ. – 2003. - №8.- С.77-80.

Попов С.А., Сухорада А.В. Тяміна К.М. О роли почвенного покрова в формировании локальных магнитных аномалий – индикаторов залежей углеводородов.// Науковий вісник НГАУ. – 2002. - №4. - С.47-49.

Сухорада А.В., Тямина К.М. Намагниченность почв Украины. Первые результаты рекогносцировочных работ.// В кн.: "Геофизика ХХI столетия: 2002 год". – М.: Научный мир, 2003. – С. 432-434.

Сухорада А.В., Тяміна К.М. Природна залишкова намагніченість ґрунтів України.// Тези доповідей Міжнародної наукової конференції “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. - К., 2002. - С. 115-116.

Бондарь К.М. Естественная остаточная намагниченность почвенного покрова и ее природа.// Тезисы докладов Международной конференции "Геофизика – 2003". – С-Пб.:ЕАГО. – 2003. – С. 24-25.

Сухорада А.В., Бондар К.М. Природна залишкова намагніченість сучасних ґрунтів у контексті їх геофізичних досліджень.// Тези доповідей Міжнародної наукової конференції “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. - К., 2003. - С. 141.

Науменко Т.І., Попов С.А., Сухорада А.В., Тяміна К.М. Деякі особливості раціональної методики вивчення тонкої структури локального геомагнітного поля в агро- і екогеофізиці.// Тези доповідей Міжнародної наукової конференції “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. - К., 2001. - С.67.

Гузій М.І., Коркошенко О.С., Тяміна К.М., Сухорада А.В. Особливості методики високоточних магнітних досліджень з метою вивчення ґрунтового покриву.// Тези доповідей Міжнародної наукової конференції “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. - К.,2002.- С. 132.

Сухорада А., Бондар К., Кіт М. Про магнітну сприйнятливість деяких типів ґрунтів Західної України.// Генеза, географія та екологія ґрунтів: Зб. наук. пр. – Л., 2003 – С.364-367.

Бондар К.М., Попов С.А., Сухорада А.В. Намагніченість і магнітна жорсткість природних магнетиків на прикладі сучасних ґрунтів і гірських порід.// Тези доповідей Міжнародної наукової конференції “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. - К., 2003. - С. 133-134.

Єлєнська М., Каджалко-Хофмокл М., Хассо-Агопсович А., Сухорада А.В., Бондар К. М., Матвіїшина Ж. М. Порівняльна характеристика магнітних властивостей ґрунтів з екологічно сприятливих та техногенно забруднених територій України // Тези доповідей Міжнародної наукової конференції “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. - К., 2003. – С.131-132.

Шевченко І.П., Шепель С.І., Сухорада А.В., Тютюнник Д. А., Тяміна К.М. Агрогеофізичний стаціонар "Халеп'є" у Київському Придніпров`ї – перші кроки системних натурних досліджень.// Тези доповідей Міжнародної наукової конференції “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. - К., 2002. - С.130-132.

???

АНОТАЦІЯ

Бондар К. М. Природна залишкова намагніченість сучасних ґрунтів України та її геофізичне значення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22 – геофізика. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2004.

Дисертація присвячена дослідженню природної залишкової намагніченості сучасних ґрунтів України та оцінці її геофізичного значення. Вивчені скалярні величин і орієнтація векторів природної залишкової намагніченості у різних типах ґрунтів основних кліматичних зон України. Встановлені загальні закономірності розподілу природної залишкової намагніченості, магнітної сприйнятливості, фактора Кеніксбергера у гумусових горизонтах автоморфних ґрунтів, а також у глибоких генетичних горизонтах вертикального ґрунтового профілю. Запропонована класифікація ґрунтів України за величиною їх природної залишкової намагніченості. Термомагнітними методами досліджений магніто-мінералогічний склад сучасних ґрунтів і виявлені мінерали-носії природної залишкової намагніченості для основних кліматичних зон України. Вивчена магнітна жорсткість і доменна будова феримагнетиків ґрунтового покриву і ґрунтотвірних лесів. Встановлений компонентний склад і вивчена стабільність природної залишкової намагніченості сучасних ґрунтів. Оцінений внесок природної залишкової намагніченості до величини сумарної намагніченості ґрунтового покриву. Обґрунтована принципрва неможливість збереження первинної намагніченості у похованих грунтах досліджених типів.

Ключові слова: природна залишкова намагніченість, сучасні ґрунти, феримагнетики, магеміт, чорнозем.

АННОТАЦИЯ

Бондарь К. М. Естественная остаточная намагниченность современных почв Украины и ее геофизическое значение. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.22 – геофизика. – Киевский национальный университет имени Тараса Шевченка, Киев, 2004.

Современный почвенный покров является геологическим объектом, в котором процесс формирования естественной остаточной намагниченности происходит в реальном времени в ныне существующих ландшафтных условиях. Изучение естественной остаточной намагниченности современных почв различных типов важно в связи с исследованиями палеомагнитных особенностей их погребенных аналогов. Кроме того, почва является магнитоактивным горизонтом, вклад которого в локальное аномальное магнитное поля зачастую превышает влияние слабомагнитных горных пород, что необходимо учитывать при микромагнитных съемках.

В диссертации оценены величины и направления векторов естественной остаточной намагниченности типоморфных современных почв различных климатических зон Украины. Определены основные закономерности распределения естественной остаточной намагниченности, магнитной восприимчивости, отношения Кенигсбергера в почвенном покрове как по латерали, в гумусовых горизонтах автоморфных почв, так и по вертикали, в различных генетических горизонтах почвы. Показано влияние почвообразовательных процессов на намагниченность почвы. Предложена классификация изученных современных почв по величине естественой остаточной намагниченности. Термомагнитными методами изучен магнитоминералогический состав почв Украины. Выделены характерные признаки кривых Js(T), Jrs(T), ч(T) ?ля современных почв и почвообразующих лессов. Определены основные ферримагнитные минералы – носители естественной остаточной намагниченности почв, выяснена их магнитная жесткость и доменная структура. Исследовано распределение магнитной жесткости почв в связи с минеральным составом их магнитной фазы. Изучена природа естественной остаточной намагниченности современных почв, т.е. выяснен ее компонентный состав и стабильность, проведена экспериментальная работа по моделированию различных компонент естественной остаточной намагниченности. В частности, установлен характер влияния весовой влажности образца почвы на стабильность естественной остаточной намагниченности. Оценены величины магнитожесткой ы магнитомягкой компонент намагниченности различных типов современных почв Украины. Показано геофизическое значение естественной остаточной намагниченности современных почв в двух аспектах: магнитометрическом и палеомагнитном. Оценен вклад естественной остаточной намагниченности почвенного покрова в величину его суммарной намагниченности. Обоснована принципиальная невозможность сохранения первичной намагниченности в погребенных почвах исследованных типов.

Ключевые слова: естественная остаточная намагниченость, современные почвы, ферримагнетики, маггемит, чернозем.

SUMMARY

Bondar K. M. Natural remanent magnetization of the recent soils of Ukraine and its geophysical importance. – Manuscript.

Thesis for a candidates degree of geological sciences on a specialty 04.00.22 – geophysics. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Kyiv, 2004.

The thesis is devoted to investigation of the natural remanent magnetization of the recent soils of Ukraine and its geophysical importance estimation. The scalar values and orientation of vectors of the natural remanent magnetization in various soil types of the main climatic zones of Ukraine are studied. The general tendencies for lateral and vertical distribution of the natural remanent magnetization, magnetic susceptibility, Keonigsberger ratio are defined. The classification of the recent soils of Ukraine according to their natural remanent magnetization is suggested. The magnetic mineralogical composition is investigated applying termomagnetic methods, ferrimagnetics-carriers of the natural remanent magnetization in soil of the main climatic zones of Ukraine are defined. The magnetic hardness and domain structure of the soil ferrimagnetic minerals is studied. The component composition and stability of the natural remanent magnetization of the recent soils is investigated. The geophysical importance of the natural remanet magnetization of the recent soils is considered in two aspects: magnetometric and paleomagnetic ones. The contribution of the natural remanent magnetization value to the total magnetization of the top-soil is estimated. The principal impossibility for saving of primary magnetization of buried soils of investigated types is exhibited.

Key words: natural remanent magnetization, recent soils, ferrimagnetic minerals, maghemite, chernozem.