"Природа", №01-03, 1925 год, стр. 47-56

Почвенная гипотеза лессообразования.

Проф. С. С. Неуструев.

Лессовая проблема является одной из самых трудных в геологии и почвоведении. Большая литература трактует распространение и образование лесса, а высказываемые по поводу последнего взгляды большей частью взаимно исключают друг друга, или, во всяком случае сильно противоречивы. Даже нет полного единства во мнениях, что считать лессом, так как помимо "настоящего" лесса существуют различные "лессовидные" или "лессовые" породы (глины, суглинки, пески). Отвлекаясь от этих частностей, напомним, что под лессом разумеют породу светлопалевого (желтоватого) цвета, рыхлую, неслоистую, пористую, карбонатную, т. е. обогащенную углекислой известью и частью углекислым магнием. Рыхлость и сравнительно хорошая проницаемость лесса для воды объясняется его механическим составом, в котором очень мало "илистых" частиц (<0.001 мм.) и преобладающую роль играют "пылеватые" частицы от 0,1 до 0,01 мм. в диаметре, а также его пористостью, обязанной некогда пронизавшим его толщу корешкам; некоторое значение (по мнению некоторых, большое) в этом отношении имеет мало компактное сложение частиц лесса вследствие коагулированвости составляющих их веществ. Обычно преобладание "пылеватых" частиц в лессе многими геологами и географами приписывалось эоловому (ветровому) способу его происхождения, хотя в этом нельзя усмотреть ни логической, ни фактической связи, потому что ветер еще с большей легкостью переносит частицы гораздо меньшего размера, а потому могли бы существовать и глинистые лессы, каковые, впрочем, кое-где и констатированы, как и обратно, песчанистые их разности. Объяснить "лессовые" свойства породы, исходя из одного факта отложения их ветром, невозможно, да в конце концов этого и не было сделано с достаточной полнотой и точностью. Всякий эоловый осадок подвергается обработке водою и благодаря этому может изменить свои первоначальные свойства, не говоря уже о возможных процессах почвообразования, которые придают поверхностным горизонтам лесса особенности, существенно зависящие от климата. Не касаясь, значит, вопроса о происхождении материала, процесс "облессования" породы следует как-то точное объяснить с физико-химической точки зрения.

Впервые эти две стороны — происхождение материала лессовых пород и лессообразование, насколько нам известно, определенно предложил расчленять Л. С. Берг, который выскавал мысль, что лессовые породы могут происходить из аллювиальных, делювиальных, пролювиальных, флювиоглациальных и др. мелкоземистых пород, но что для придания им лессового облика необходим специфический почвенный процесс, свойственный сухому климату. Эта весьма важная и интересная идея о лессе, как продукте почвообразования, позволяет подойти методически правильнее к генезису лесса вследствие того, что заставляет нас заглянуть в механизм процесса и не ограничиваться общими географическими схемами и иногда доводить сложную проблему до игры слов, сопоставляя "пылеватые" частицы и "эоловое" происхождение. Но проникнуть ближе в физико-химические процессы, приводящие к лессообразованию, нельзя без анализа явлений выветривания в различных климатических условиях. Между тем, ни в почвоведении, которое занимается этими явлениями, ни в минералогии, по вопросам выветривания до последнего времени не дано законченных и определенных схем, которые были бы общепризнанны. Однако, с прогрессом наших знаний в области коллоидной и физической химии, многие явления, казавшиеся ранее необъяснимыми, получают более или менее вероятное истолкование.

Одной из попыток обосновать идею о лессе, как климатическом образовании является статья немецкого ученого Р. Ганссена (Ганса ¹), который уже давно занимается вопросами выветривания силикатов и статья которого о происхождении лесса следует непосредственно за разработанной им теорией процессов почвообразования алюмосиликатных пород ²).

Ганссен различает три типа выветривания алюмосиликатных пород: глинистое, латеритное и гидратное. Глинистое выветривание алюмосиликатов дает два главных продукта, установленных еще фан-Беммеленом ³): 1) разлагаемый соляной кислотой коллоидный "цеолитный" силикат и 2) разлагаемый крепкой серной кислотой коллоидальный "каолиновый" силикат. Первый — силикат "А" фан-Беммелена — обладает способность обменивать основания, поглощая их из растворов, и может быть сравнительно легко разрушен до свободных коллоидных гидратов кремнезема и глинозема. Второй — силикат "В" фан-Беммелена — трудно разрушим и способных к обмену оснований не содержит. Этот тип выветривания свойствен, по Ганссену, умеренному влажному климату. В жарком влажном и жарком полусухом климате или в жарких климатах с чередованием сухих и влажных периодов наблюдается разложение цеолитных силикатов с накоплением гидрата окиси алюминия: это — латеритный тип выветривания, при котором в одних случаях (влажные климаты) накопление полуторо-окисей сопровождается накоплением каолина (каолино-латериты), в других (сухие и полусухие климаты) каолин не образуется. Наконец, гидратное (hydratisch) выветривание свойственно сухому (аридному) и полусухому (семиаридному) климату теплых и умеренных зон. При этом выветривании "происходит, главным образом, гидратация алюмосиликатных пород без всякой потери или только с небольшой потерей материала" (оснований, кремнезема). Удаление составных частей почвы здесь затрудняется тем, что влаги в почве мало или она целиком впитывается порозной породой и испаряется внутри нее. В таких случаях образуются преимущественно разрушаемые соляной кислотой коллоидные цеолитные силикаты. Образующиеся здесь также (при гидролизе алюмосиликатов) щелочно-земельные и щелочные силикаты обусловливают щелочную реакцию почвенного раствора, чем в свою очередь ускоряется дальнейший гидролиз алюмосиликатов. Каолиновые силикаты, если они при этом гидролизе образуются или почему-либо присутствуют в почве, связываются со щелочными или щелочно-земельными силикатами и переходят в цеолитные силикаты, которые и составляют таким образом характерные продукты аридного и семиаридного выветривания. Между тем как "глинистое" выветривание приводит к образованию весьма связных (пластичных) глин, гидратное, при котором каолиновые силикаты вовсе отсутствуют, переходя в цеолитные, дает в результате тонко-зернистые структуры и обусловливает песковатый (рассыпчатый) вид получающихся продуктов, вследствие полного насыщения основаниями цеолитных силикатов ⁴).

Реакцию превращения каолинового силиката в цеолитный Ганссен обосновывает экспериментом. Обрабатывая каолин, содержавший 93,5% частиц менее 0,01 мм. в диаметре, раствором щелочного силиката, он к концу опыта констатировал, что нерастворимый каолиновый силикат превратился на половину в растворимый в соляной кислоте цеолитный силикат, причем продукт реакции содержал уже только 45,3% частиц менее 0,01 мм., тогда как количество пылеватых частиц (0,01—0,1 мм. в диаметре) увеличилось с 3,3% до 43,2%. Подобный результат — укрупнение величины зерна, — правда, можно ожидать и при обработке глин солевыми растворами, как например углекислым кальцием. Ганссен пытается объяснить и светлый (серовато-желтый или палевый) цвет лесса: он приписывает его значительному содержанию SiO₂ в цеолитном силикате. Щелочный сплав железо-содержащей глины с содержанием 2 молек. SiO₂ на L молек. Аl₂O₃ гидратизируется (по его опытам) в бурый продукт, при прибавлении же SiO₂ сплав приобретает светлый серый оттенок. Поэтому для лессообразования наиболее пригодны алюмосиликаты, богатые кремнеземом. Как на причину рыхлого сложения лесса указывается малый удельный вес цеолитных силикатов, имеющих характер абсоритивно насыщенного геля.

Материал для образования лесса должен, по Ганссену, отлагаться постепенно — отложение и гидратация должны совершаться параллельно и одновременно (gleichen Schritt mit einander halten) — в целях сохранения рыхлого сложения и пористой структуры, что достигается при эоловом отложении породы. Но Ганссен допускает, что при действии растворов, содержащих щелочноземельные силикаты и углекислый кальций, могут облессовываться и неэоловые породы, а эоловые могут быть как продуктами развевания ледниковых отложений, так и пустынной дефляции.

Все перечисленные условия лессообраэования обусловливают общие черты, наблюдаемые в характере различных лессовых пород. В сухом и теплом климате лессы, по Ганссену, должны претерпевать в дальнейшем латеритное выветривание: доказательство этому можно усмотреть в том, что почвы сухих стран, согласно Гильгарду, содержат нередко свободный гидрат окиси алюминия, т. е. цеолитный силикат претерпевает в этих условиях дальнейшее разложение. Насколько вообще это верно, однако, сказать трудно, так как неизвестно в точности, к какому именно типу почвообразования принадлежат северо-американские почвы, исследованные Гильгардом. На юге и юге-западе Соединенных Штатов Северной Америки, действительно, имеются почвы красноземного типа, как и в Европейском Средиземьи, но как они связаны с лессами — не выяснено, как еще спорным является и вообще вопрос о происхождении латеритов. Отметим, что идеи Ганссена о генезисе латеритов в сухом или полусухом, но жарком климате в известной мере совпадают с взглядами Рих. Ланга ⁵), хотя он и не отрицает латерито-образование и во влажном жарком климате, где, по его схеме, образуются каолино-латериты, в природе, действительно, наблюдаемые.

Относительно древности лессов Ганссен делает лишь краткое замечаиие о трудности идентификации ископаемых (fossile) лессов, которые большей частью бывают изменены дальнейшими процессами выветривания — латеритизацией, выщелачиванием и т. д., причем теряют рыхлость, карбонаты, светлую окраску, пористость и др. свойства.

Таким образом, Ганссен сводит облессование к образованию цеолитных силикатов, как главного продукта процесса выветривания. Это положение, однако, нисколько не вяжется с утверждением того же автора, что в конечном счете в составе лесса преобладает кремнекислота и углекислый кальций; последнее же обстоятельство очень трудно связать с латеритными явлениями в сухом климате (накопление Аl₂O₃), на которое также указывает Ганссен.

Кроме того, самый метод исследования состава силикатов в почве (солянокислая и сернокислая вытяжка), как показали многие работы, не достигает цели, потому что даже сравнительно слабые кислоты растворяют не только продукты выветривания, но и такие силикаты, как полевой шпат.

Количество цеолитных силикатов в лессах относительно не велико. Хотя поглощенные основания лессовых пород и плохо известны, однако из работы Соколовского и других мы знаем, что емкость поглощения их незначительна, в чем эти породы разделяют свойства вообще почв сухих степей (каштановых и бурых); уменьшение поглотительной части почв как органической (гуматной), так и минеральной (цеолитной), идет параллельно с увеличением сухости климата. Наибольшей "цеолитной" или поглотительной частью обладают черноземы. Поэтому, самое главное основание теории лессообразования Ганссена нуждается в систематической проверке, как и вся его классификация типов выветривания алюмосиликатов. Эта поверка необходима еще и потому, что Ганссен имел дело с материалами различного порядка, часто несравнимыми друг с другом (ледниковые глины, как образцы выветривания в умеренных влажных странах и черноземы русских степей по Коссовичу и др.). Нужна не только постановка опытов с превращениями алюмосиликатов при действии различных реактивов, но и изучение силикатной части почв различных зон, поставленное систематически. В частности, среди тех мыслей, которые были высказаны Ганссеном о лессообразовании, не могут вызвать возражений те, которые касаются значения в этом процессе состава исходной породы (богатство ее кремнеземом) и карбонатных солей в почвенном растворе, а также коагуляции тонких частиц и отсутствия каолина в почвах сухого климата. Вопрос же о преобладании "цеолитных" силикатов в составе лессов, повидимому, решится для разных лессов различно, смотря по их механическому составу: чем суше климат, тем более оснований ожидать преобладания не разложенных (слабо или вовсе не гидратизированных) первичных минералов. Несомненно, что некоторые различия в лессах разных стран придется приписать влиянию климата на энергию почвообразовательного процесса, другие же — характеру материала, подвергшегося облессованию.

Принципиально открытие механизма лессообразования, т. е. процесса приобретения породами лессового облика, независимо от характера их происхождения — эолового или водного — может иметь громадное значение. Этот процесс поможет объяснить превращение различных отложений в лессовидные под черноземами, на которое указывали С. Н. Никитин, Н. А. Богословский и др. исследователи степной полосы, где такая судьба постигает юрские и меловые породы — глины, мергеля, известняки и даже песчаники; под гумусным горизонтом черноземов на этих породах лежит безгумусный, светлый, пористый, карбонатный более или менее лессоподобный суглинок. Лессообразование, таким образом, не является процессом пустынного "экстра-аридного" климата, что, впрочем, нельзя вывести и из данных Ганссена. Для этого процесса необходимо достаточное содержание почвенного раотвора с наличием карбонатов.

Сторонники эоловой теории происхождения лесса слишком упрощенно смотрели на его образование, опуская из виду изменение отложенных частиц под влиянием выветривания и сводя все к постепенному накоплению пыли всегда почему-то однообразного химического и механического состава. Совершенно непонятно, почему развевание ледниковых осадков и пыль из сухих жарких пустынь должны дать однообразные продукты и почему в присутствии довольно густой растительности, необходимой, по мнению эолистов, для закрепления падающей на поверхность земли пыли, не происходит никакого почвообразования, хотя в этих условиях в почво-грунтах необходимо предположить значительное содержание воды, нужной для растений. Приходилось допускать катастрофически быстрое накопление пыли, чтобы почвообразовательный процесс при участии растений не изменил характера пылевого осадка. Отделяя происхождение породы от процесса ее облессования мы выходим из этого затруднения и можем допустить, что породы различного происхождения могут приобретать лессовидный характер, и что этот процесс облессования имеет свои особенности и стадии в зависимости от свойств самой породы и внешних условий. В самом деле, мы видим такое облессование песчанистых и суглинистых аллювиальных пород на средних и верхних террасах степных рек, как, например, Терек, Иртыш и др. Верхние горизонты валунного суглинка также принимают в степной зоне лессовидный характер. Степень облессования и характер облессованной породы весьма различны и вообще "семейство" лессовых пород далеко не однообразно.

Если Ганссену, как выше нами указано, не удалось создать вполне приемлемую теорию лессообразования, в его идеях есть зерно такой теории: он попробовал подойти к решению затронутой им интересной и важной физико-географической и геологической проблемы методом почвоведения, которое с прогрессом физической и коллоидной химии постепенно, но верно приближается к выяснению процессов выветривания в различных климатических зонах.

Февраль 1925 г.
Ленинград.