Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 511, № 2, стр. 181-190

ВВЕДЕНИЕ

В тропических зонах при высокой среднегодовой температуре, большом количестве осадков и переменно-влажном климате происходит миграция продуктов выветривания и их аккумуляция. Образуются мощные коры выветривания. Почвенно-растительный рыхлый слой латеритных кор выветривания является верхней зоной классического латеритного профиля. Его называют зоной деградации или “горизонтом разрушения” [1, 2]. Существуют разные гипотезы образования верхнего горизонта латеритного бокситоносного профиля. Считается, что он образуется в результате деградации нижележащего материала кирасы – автохтонное происхождение; коллювиации и переработки материала со склонов ландшафта – аллохтонное; имеет смешанное происхождение, совместно с материалом, поступающим из более глубоких горизонтов того же профиля за счет поступления мелких минеральных частиц, в результате деятельности термитов [1].

Предполагается, что термиты вносят существенный вклад в образование латеритов [3]. Почвенно-растительный слой и нижележащие породы пронизаны сетью их ходов, что повышает проницаемость профиля выветривания, способствуя процессу бокситизации [4]. За водой термиты проникают глубоко, и это часто используется как доказательство их способности переносить снизу вверх минеральные частицы [5]. Повышенное содержание кремнезема в почвенном слое объясняют выносом термитами снизу на поверхность для своих построек глинистого и песчано-глинистого материала из литомаржа коры выветривания [6].

Провинция Фута Джаллон-Мандинго (ФДМ) приурочена к ландшафтно-климатической зоне влажных саванн и лесосаванн. Климат на данной территории тропический, переменно-влажный, характеризующийся чередованием дождливого (июнь–октябрь) и сухого (ноябрь–май) сезонов в годовом цикле. Среднегодовая температура колеблется от 24 до 30°С [7, 8]. С конца ноября по середину марта на территорию провинции поступает очень сухой и пыльный, жаркий, иссушающий северо-восточный харматан [9]. Поскольку ветер проходит через пустыню, он захватывает и приносит в провинцию множество частичек пыли размером от 0.5 до 10 мкм. Климатические условия способствуют увеличению температуры почвенных растворов, что приводит к гидролизу минералов в почвенно-растительном горизонте, их дезинтеграции, образованию полостей и дроблению в результате обрушения. В почвах происходит также образование вторичных минералов – каолинита, гётита, гиббсита и др. [10].

Группа ученых, применивших уравнение баланса массы к химическому анализу профиля выветривания бокситов в Западной Австралии, показали, что обогащение бокситовой руды алюминием может быть обусловлено накоплением эоловой пыли из химически зрелых почв других регионов. Благодаря высокой пористости бокситов, их структура подходит для перемещения минеральных зерен. Эоловая пыль по образующейся сети каналов от корневой системы растений проникает через почву в нижележащие слои, тем самым обогащая руду Al и Fe [11]. Эоловым привносом также объясняют повышенные содержания в почвах кварца и алюмосиликатных минералов [12, 13].

Бокситоносная провинция ФДМ является крупнейшей в мире. Изучение почвенного горизонта, который является самым верхним элементом вертикального разреза коры выветривания, позволяет определить степень влияния состава почв на процессы бокситообразования. Он сложен сероцветными суглинками, обломками латеритов и бокситов, насыщен корнями и остатками растений. Каменистые латеритные породы в почве и под ней испытывают дезинтеграцию, растворение и перераспределение вещества по трещинам [14].

Высокая насыщенность органическим растительным веществом и микробиотой в условиях периодического насыщения дождевой водой и просушиванием между дождями обусловливает химическую и биохимическую мобилизацию вещества латеритных покровов и его перераспределение.

Рыхлые образования почвенно-растительного слоя представляют собой зону физической мобилизации вещества, влияющую на переотложение и накопление различных генетических типов континентальных образований, определяют возможности локализации механогенно-осадочных залежей бокситов [15].

В нашем исследовании мы анализировали образцы, отобранные в тех частях провинции, где кираса была срезана эрозией и подстилающими породами для почв, служили именно бокситы. Впервые был проведен гранулометрический анализ почв и документально установлены источники вещества для образования верхнего горизонта бокситоносного латеритного профиля.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Бокситоносная провинция Фута Джаллон-Мандинго расположена в крайней западной части Африканского континента. Рельеф территории представляет собой ступенчатое плато, расчлененное глубокими врезами долин рек и ручьев [16, 17]. На плоских, пологоволнистых и пологоступенчатых вершинах останцов и обособленных водораздельных массивов (бовалей) северо-западных отрогов плато Фута-Джаллон на породах латеритных покровов повсеместно развиты современные почвы изменчивой мощности c чередованием участков травянистой, кустарниковой и лесной растительности.

На залесенных участках, особенно на пологих склонах и перегибах поверхностей бовалей, наблюдается максимальная (до 1.5 м) мощность почвенного горизонта. Это хорошо прослеживается на примере месторождения Вуассо провинции (рис. 1 а, б). На выровненной поверхности бовалей она обычно не превышает 0.1–0.3 м, но в отдельных карманах и западинах увеличивается до 0.5–1 м. Иногда отмечаются линейные зоны (приуроченные к зонам трещиноватости), в которых на склонах бовалей мощность почвенного горизонта увеличивается и достигает 1 м и более.

Рис. 1.

Карта растительного покрова (а) и карта мощностей почвенного покрова (б) на бовали Вуассо.

Верхняя часть почвенного горизонта образована песчано-глинистой массой темно-серого до черного цвета, в которой заключены мелкие остроугольные дресвяные обломки (их доля составляет 10–15%) мелкогравийной размерности неизмененных или ожелезненных бокситов. Приповерхностная часть на глубину до 10–15 см пронизана тонкой корневой системой травянистых растений и реже – деревьев; доля корней может достигать 30–40% и даже до 50% у поверхности. С глубиной постепенно, без резкой границы, почва становится буровато-серой суглинистой. Доля дресвяных обломков галечной и, в меньшей степени, валунов, увеличивается и может достигать 50–60%. Крупность и доля обломков увеличиваются с глубиной. Среди них отмечается значительное количество концентрически зональных железистых стяжений – почвенных железистых пизолитов, размером от первых мм до 1 см, реже 2–2.5 см. В основании почвенного покрова условно выделяется зона, резко обогащенная крупным обломочным материалом: от 20–40 до 70–80% объема составляют ожелезненные округлые обломки и угловатые глыбы бокситов и латеритов размером до 10–15, редко до 40–50 см в поперечнике. Мелкие фракции (заполнитель) представлены суглинисто-супесчаной массой серого или буроватого цвета, схожей с заполнителем средней зоны.

Нижняя граница рыхлых образований крайне неровная, определяется бугристой поверхностью латеритного покрова, осложнена трещинами, карманами и выступами.

Для изучения почвенного горизонта были использованы результаты полевых исследований и лабораторных анализов пород рыхлой вскрыши на ряде бокситовых месторождений в бассейне рек Когон и Тингилинта бокситоносной провинции ФДМ на северо-западе Гвинейской Республики.

Для детального изучения состава и физико-механических свойств пород рыхлой вскрыши и подстилающих бокситов были проведены следующие определения:

– определение объемной массы, коэффициента разрыхления, естественной влажности (определения влажности пород рыхлой вскрыши на месторождениях проводились во второй половине сухого сезона и в первой половине сезона дождей);

– определение гранулометрического состава путем сухого рассеивания через сита на следующие фракции (мм): +100; +50 –100; +25 –50; +10 –25; +5 –10; +2 –5; +1 –2; +0.5 –1; +0.25 –0.5 и –0.25. Из фракции –0.25 мм в лаборатории методом лазерной дифракции на приборе “FRITSCH” ANALYSETTE 22 (Германия) были выделены фракции +0.1 –0.25; +0.04 –0.1 и –0.04 мм.

Лабораторные исследования включали рентгенофазовый анализ с помощью дифрактометра Ultima-IV фирмы “Rigaku” (Япония) и определение химического состава с использлванием рентгенофлуоресцентного спектрометра AxiosAx “RANalytical” (Нидерланды).

Всего было изучено 18 образцов почв, отобранных на 7 месторождениях провинции ФДМ: НДангара (P-1, P-2, P-4, P-6, P-8), Тиапикоуре (P-18), Боуроре (P-17, P-18), Вуассо (P-20, P-21), Бунде-Вааде (P-11 – P14), Парави (P-9, P-10), Кооби (P-15, P-16).

РЕЗУЛЬТАТЫ

В составе рыхлых образований повсеместно отмечаются частицы различных фракций и классов крупности – от глыб-валунов (более 100 мм) до алевритистых и глинистых фракций (табл. 1). Однако соотношение различных фракций в изученных пробах изменяется в широких пределах и определяется ландшафтной обстановкой. Выделяются две группы проб:

− Пробы первой группы отобраны в краевых частях бовали, либо на склонах локальных возвышенностей, в их гранулометрическом составе значительную роль (12–45%) играют мелкие (менее 1 мм) фракции. Всего исследовано 11 проб.

− Во вторую группу входят пробы, отобранные на выровненной поверхности бовали. Всего исследовано 7 проб. В гранулометрическом составе таких проб резко преобладают частицы крупнее 8 мм (53–90%). Песчаные и более мелкие фракции (менее 1 мм) имеют резко подчиненное количество (2–5%).

Ландшафтные ситуации не могут быть строго классифицированы в две группы, поэтому описанные два типа проб следует рассматривать как крайние члены ряда, между которыми существуют промежуточные варианты соотношения фракций с более равномерным распределением частиц различной крупности и с преобладанием средних фракций от 2 до 8 мм.

Химический состав проб почвенно-растительного слоя, а также сопоставление их с химическим составом подстилающих бокситов приведены в табл. 2. В почвенном горизонте повсеместно происходит увеличение содержания кремнезема и, соответственно, уменьшение содержания глинозема. Следует отметить накопление в почвенном покрове железа, а также незначительное, но довольно устойчивое снижение содержания титана.

Отмеченные закономерности справедливы практически для всех проб, вне зависимости от ландшафтной обстановки, и характеризуют почвенный покров в целом. Однако между различными по крупности фракциями рыхлой вскрыши существуют значительные различия в химическом составе (табл. 2).

Рентгенофазовый анализ показал, что основными минералами почв являются гиббсит, гётит, гематит, кварц, бёмит, анатаз, каолинит, полевой шпат, хлорит, монтмориллонит, ильменит, рутил, гидрослюда. Наиболее важными и характерными межплоскостными расстояниями для изученных минералов являются следующие: гиббсит – 4.82 и 4.34 Å; гётит – 4.18, 2.69, 2.45 Å; гематит – 2.69, 1.69, 2.51 Å; кварц – 3.34, 4.25, 1.81 Å, анатаз – 3.51, 1.89, 2.37 Å, бёмит – 2.34, 1.3, 1.85 Å, каолинит – 7.13, 1.49, 3.56 Å, ортоклаз – 3.18, 3.80, 4.0 Å, хлорит – 6.9, 4.6, 3.5 Å, монтмориллонит – 11.5, 1.49, 4.45 Å, ильменит – 2.74, 2.53, 1.72 Å, рутил – 1.68, 3.24, 2.48 Å, гидрослюда – 1.48, 2.54, 4.41 Å.

Крупные и средние фракции по своему минеральному составу соответствуют подстилающим бокситам: гиббсита 54.2–61.4 мас. %, бемита 3.7–7.5 мас. %, гематита 2–4.3 мас. %, гётита 3.5–8.2 мас. %, каолинита 2.3–4.2 мас. %, кварца 1.5–2 мас. %, анатаза 1–2 мас. %, рутила 1–2 мас. %.

Важной особенностью минерального состава мелких фракций является наличие в них минералов, не свойственных подстилающим бокситам и не устойчивых в профиле выветривания, таких как хлорит и калиевые полевые шпаты (табл. 3). В заметных количествах (более 5%) появляются глинистые минералы – каолинит и монтмориллонит, также не характерные для верхней части латеритного покрова.

Среди минералов глинозема бёмит преобладает над гиббситом, хотя в исходных бокситах гиббсит более распространен. Это объясняется повышенной растворимостью гиббсита, а также влиянием пожаров [18].

В составе тонкой фракции отмечаются значительные содержания рентгеноаморфной фазы (в отдельных определениях до 55 мас. %) и органического вещества (3.3–4.7 мас. %). Встречающиеся на поверхности термитники представляют собой слоистый серый и грязно-серый материал, мощностью до 15 см, состоящий из каолинита с примесью гумуса.

Мелкие и тонкие фракции почвенно-растительного слоя по трещинам заносятся в бокситовый горизонт, часто на значительную (до нескольких метров) глубину. Анализ глинистого материала с корнями растений из каверн на глубине 4.5–5 м показал содержание в нем Al₂O₃ 29.5–36.6 мас. %, Fe₂O₃ 10.9–15.1 мас. %, SiO₂ 32.5–36.5 мас. %. Этот материал по своему составу соответствует средне-песчаной фракции.

Гранулометрический состав почвенных образований изменяется в широких пределах и определяется ландшафтной обстановкой. В краевых частях бовали существенную роль играют мелкие (менее 1 мм) фракции, суммарно достигая 25%, в то время как на выровненной поверхности бовали суммарное содержание мелких фракций не превышает 5% (рис. 2). Наиболее выдержано для всех проб содержание в гранулометрическом составе рыхлых образований материала фракции от 12 до 25 мм (21–24%), представленный в основном почвенными пизолитами.

Рис. 2.

Различия в гранулометрическом составе проб почвенного покрова различных ландшафтных обстановок на примере месторождения НДангара: Р-1, Р-4, Р-8 – пробы, отобранные на склонах бовали, пробы Р-2 и Р-6 отобраны на выровненной поверхности бовали.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Вне зависимости от ландшафтной обстановки в почвенном покрове наблюдается увеличение содержания кремнезема, железа, фосфора и калия. Значительные различия в химическом составе наблюдаются только между фракциями разной крупности (рис. 3).

Рис. 3.

Химический состав почвенного горизонта различных по крупности фракций и бокситового горизонта: кружочками обозначены пробы почвенного горизонта, треугольниками – пробы бокситового горизонта.

Грубообломочные фракции (крупнее 8 мм) вне зависимости от ландшафтной обстановки содержат более 47% Al₂O₃ (рис. 3 а), 15–31% Fe₂O₃ (рис. 3 б) и менее 1.5% SiO₂ (рис. 3 в). В целом по составу они отвечают подстилающим породам латеритного покрова (табл. 2). Очевидно, что крупные обломки в рыхлой массе имеют местное происхождение, при их формировании главную роль играют процессы образования элювия, без его существенного перемещения.

Главной особенностью средне-, мелко-гравийных и крупно-песчаных фракций (1–8 мм) является повышенное содержание в них Fe₂O₃ – до 45%, при этом максимальные значения характерны для проб, отобранных на вершинах бовалей (рис. 3 б, табл. 2). Значительную роль в формировании состава этих фракций играют почвенные новообразования – железистые пизолиты, которые по размеру, как правило, попадают в мелко- и средне-гравийные фракции.

Для грубо-песчаных и мелко-гравийных фракций характерно также снижение содержания глинозема до 40% и ниже, вследствие чего они становятся разубоживающими для руды, когда заносятся по трещинам в бокситы. В этих же фракциях отмечается повышение содержания кремнезема, особенно для проб со склонов, до 30%.

Средне- и мелкопесчаные (0.25–1 мм) фракции характеризуются резкой сменой химического состава, выражающейся в первую очередь в увеличении содержания кремнезема – до 42–49 мас. %, а также RO (от 0.02–0.05 мас. % до 0.19–0.36 мас. %, главным образом в хлорите) и R₂О (от 0.04–0.05 мас. % до 0.2–0.4 мас. %, преимущественно в форме калиевого полевого шпата). Содержание Al₂O₃ снижается обычно до 23–30 мас. %. Содержание железа также уменьшается и составляет в среднем 7–19 мас. %.

Таким образом, в составе песчаных фракций играют значительную роль, а зачастую преобладают, элементы и соединения, не характерные для пород латеритного покрова, в первую очередь кремнезем. Очевидно, что накопление песчаных фракций происходит при значительной роли процессов эолового привноса материала.

Мелкие и тонкие фракции (менее 0.25 мм) дополняют описанные закономерности: содержание кремнезема возрастает до 40–43 мас. %, а в тонких фракциях до 53 мас. %; возрастают также содержания RO (до 0.9–1.2 мас. %) и R₂О (до 0.3–0.4 мас. %); продолжает снижаться содержание глинозема до 21–23 мас. %, а в самых мелких фракциях до 16 мас. %; содержание железа также снижается до 6–8 мас. %.

Компоненты, входящие в состав рыхлых образований, можно условно разделить на три группы, различные по генезису и приуроченности к тем или иным классам крупности (рис. 4).

Рис. 4.

Распределение химических элементов по различным фракциям. Элементы, связанные с процессами латеритообразования (а), элементы, связанные с эоловым привносом (б), элементы, участвующие в почвенных новообразованиях (в).

В первую группу входят химические компоненты, характерные для подстилающих почвы бокситов (рис. 4 а). Это автохтонный материал – элювий. К этой группе компонентов относятся Al₂O₃, Fe₂O₃ и TiO₂. Их повышенные концентрации наблюдаются в крупных фракциях, сложенных обломками каменистых пород.

Во вторую группу входят элементы и соединения, не свойственные латеритному покрову: в первую очередь, SiO₂, а также CaO, MgO и K₂O (рис. 4 б). Эти компоненты накапливаются в мелких фракциях в виде хлорита, калиевого полевого шпата, каолинита и монтмориллонита. Их накопление связано с эоловой деятельностью.

К третьей группе (рис. 4 в) относится та часть железа, которая накапливается в почвенных пизолитах и концентрируется в мелко-гравийной фракции (2–10 мм). Сюда же входит ванадий. Наряду с органоглинистыми рентгеноаморфными новообразованиями их следует отнести к аутигенной минерализации, связанной с почвенными процессами.

Таким образом, исследования показали, что по своей природе почвенный горизонт латеритного бокситоносного профиля провинции ФДМ относится к континентальным образованиям элювиального и делювиального генетического типа, образующимся за счет физического разрушения и химического выщелачивания подстилающих их каменистых бокситов и латеритов, а также эоловому привносу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе полевых и лабораторно-аналитических работ почвенно-растительные образования изучены в различных геоморфологических ситуациях. Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. На месторождениях бокситов в провинции ФДМ современные рыхлые образования развиты практически повсеместно. Почвенно-растительный горизонт характеризуется изменчивой мощностью (от первых сантиметров до 1–2 м) и сложной морфологией, в первую очередь неровной нижней границей с подстилающими бокситами.

2. Современные почвенные образования являются полигенными. В их составе выделяются четыре основные составляющие: остаточный элювиальный и элювиально-делювиальный материал железисто-глиноземистого состава, образованный за счет разрушения подстилающих пород латеритного покрова; аллохтонный эоловый материал, не характерный для подстилающих латеритов; продукты аутигенной минерализации: железистые пизолиты и железистые оболочки на обломках бокситов и латеритов; новообразования и почвенная регенерация глинистого вещества, связанные с разложением растительной массы, а также с мобилизацией алюминия и кремния при выветривании эолового материала; органическое вещество, присутствующее как в виде органических кислот и органогенных соединений, так и в виде фрагментов корневой системы растений.

3. Почвенно-растительные образования, залегая непосредственно на бокситах и латеритах, представляют собой тыловую зону гипергенной метасоматической колонки, каковой и является латеритная кора выветривания. В почвенном горизонте большинство компонентов становятся подвижными, преобладают процессы выщелачивания, происходит мобилизация и перераспределение вещества. Рыхлые образования первыми вступают во взаимодействие с выпадающими атмосферными осадками, в результате чего перемещаются вниз по разрезу вместе с фронтом инфильтрации дождевых вод латеритов.

4. В силу своего состава, и, прежде всего, повышенного содержания кремнезема и органического вещества, почвенный горизонт частично разубоживают подстилающую их бокситовую руду. По-видимому, большая часть кремнезема в бокситах обязана именно почвенному материалу, занесенному по трещинам в рудное тело.

5. Проведенные исследования позволили установить генетическую связь почвенного горизонта коры выветривания с подстилающими их бокситовыми рудами, определить степень влияния состава почв на процессы бокситообразования. Впервые был проведен гранулометрический анализ латеритных почв и установлено, что источником вещества, участвующего в образовании зоны деградации в бокситоносном латеритном профиле, являются породы, связанные с процессами латеритообразования, элементы, отвечающие эоловому привносу, а также участвующие в почвенных новообразованиях.