Sylwia K. DYTŁOW, Beata GÓRKA-KOSTRUBIEC * magnetyzm środowiskowy, podatność magnetyczna, poziomy pedogeniczne, czarnoziemy WYZNACZANIE POZIOMÓW GLEBOWYCH PRZY UŻYCIU MAGNETOMETRII Celem pracy było wyznaczenie parametrów magnetycznych, na podstawie których możliwe jest wydzielenie poziomów pedogenicznych w profilach glebowych. Badano cztery profile A2, A3 (Askania Nowa), H2 (Homutovsky Step) pobrane z niezanieczyszczonych terenów Ukrainy i profil MD pobrany w Młodzewie w południowej Polsce. Dla wszystkich profili skałą macierzystą był less. Profile różniły się pionowym rozmieszczeniem poziomów pedogenicznych. Do badań zastosowano metodę magnetyczną polegającą na pomiarach własności magnetycznych gleb wzdłuż profilu. Wyznaczono następujące parametry magnetyczne: podatność magnetyczną χ, bezhisterezową podatność magnetyczną χ ARM, zależność podatności od częstotliwości pola magnetycznego χ fd i parametry pętli histerezy. Poziomy A próchnicze charakteryzują się maksymalnymi wartościami ARM i, co świadczy o największej zawartości małych ziaren SP i SD związanych z intensywnością procesów pedogenicznych. Niska koercja i wysokie wartości M s i M rs cząstek magnetycznych wskazuje na obecności magnetytu. Poziomy iluwialne B charakteryzuje silny spadek podatności. W głąb poziomu B obserwujemy zmniejszenie wartości ARM i, co wynika ze zmniejszonej produkcji ziaren SP i SD. W poziomie iluwialnym B z głębokością wzrastał udział ziaren o niskim namagnesowaniu i wysokiej koercji prawdopodobnie hematytu. Poziom C skały macierzystej charakteryzował się najniższymi wartościami podatności magnetycznej. Uzyskane rezultaty wskazują na możliwość wykorzystania pomiarów właściwości magnetycznych do analizy procesów pedogenicznych i wyznaczenia głębokości poszczególnych poziomów pedogenicznych w glebach. 1. WSTĘP Magnetyzm środowiskowy wykorzystuje własności magnetyczne naturalnych minerałów do badania procesów glebotwórczych - pedogenezy oraz czynników antropogenicznych (związanych z działalnością człowieka) wpływających na zmiany w środowisku naturalnym. Własności magnetyczne gleb zależą zarówno od pierwotnych * Polska Akademia Nauk, Instytut Geofizyki, ul. Księcia Janusza 64, 1-452 Warszawa.
146 S. DYTŁOW, B. GÓRKA-KOSTRUBIEC właściwości litogenicznych podłoża jak i od procesów pedogenicznych kształtujących gleby [1]. Typ skały macierzystej, na której powstała gleba wpływa na rodzaj i dystrybucję cząstek magnetycznych z głębokością profilu [2]. Procesy pedogeniczne będące naturalnym źródłem związków żelaza (tlenków i wodorotlenków) w glebach są odpowiedzialne za różnice w koncentracji i granulometrii cząstek wzdłuż profilu [3-5]. Metoda magnetyczna opiera się na pomiarach między innymi: podatności magnetycznej, parametrów histerezy i bezhisterezowej pozostałości magnetycznej próbek wzdłuż profilu glebowego w celu określenia koncentracji, mineralogii i granulometrii frakcji magnetycznej [7,8]. Do badań wybrano profile czarnoziemów uformowanych w klimacie umiarkowanym na lessach przy udziale roślinności stepowej pozbawionych wpływów antropopresyjnych. Celem pracy było określenie zakresu występowania głównych i mieszanych poziomów glebowych w profilach w oparciu o badania zmian struktury magnetycznej wywołanej przez naturalne procesy glebotwórcze. 2. MATERIAŁ BADAŃ I METODA POMIAROWA W pracy badaniami objęto cztery profile glebowe czarnoziemów utworzonych na lessach. Próbki gleb pobrano na terenie Polski i Ukrainy w kilku zróżnicowanych pod względem ekologicznym strefach klimatycznych rozciągających się na terenie pokrytym roślinnością stepowo-leśną. Badane czarnoziemy charakteryzowały się wysoką miąższością poziomu próchniczego (do 4 cm) związaną z duża zawartości humusu (około 4%). W profilach z Ukrainy występował leżący poniżej A poziom wzbogacony w węglan wapnia. Profile A2, A3 pobrano z rezerwatu stepowego Askania Nowa na Ukrainie pokrytego glebą kasztanową z konkrecjami solnymi. Profil H2 czarnoziemu typowego pochodzi z rezerwatu Homutovski Step pokrytego niezmienioną od 12 lat roślinnością stepową. Profil MD to czarnoziem niezdegradowany pochodzący z terenu pokrytego długoletnią roślinnością trawiastą w Młodzawie na obszarze Zespołu Parków Krajobrazowych Ponidzia. Dla wszystkich próbek z poszczególnych profili glebowych wyznaczono: a) podatność magnetyczną na jednostkę masy mierzoną w trzech częstotliwościach pola magnetycznego przy użyciu mostka MFK1-FA Multi-Function Kappabridge firmy Agico, b) bezhisterezową pozostałość magnetyczną nałożoną przy jednoczesnym działaniu na próbkę malejącego pola zmiennego o maksymalnym natężeniu
Wyznaczanie poziomów glebowych przy użyciu magnetometrii 147 mt i pola stałego T. Otrzymaną pozostałość mierzono przy użyciu magnetometru SQUID firmy 2G Enterprises. c) parametry pętli histerezy magnetycznej: magnetyzację nasycenia M S, remanencję nasycenia M rs, pole koercji H c, koercję remanencji H cr, przy użyciu magnetometry wibracyjnego VSM firmy Molspin. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunkach 1-4 przedstawiono zmiany podatności magnetycznej () bezhisterezowej podatności ( ARM ) i pole koercji H C dla badanych profili A2, A3, H2 i MD. Zmiany podatności magnetycznej z głębokością w badanych profilach odzwierciedlają rozkład, koncentrację i strukturę minerałów magnetycznych wzdłuż profilu. Rys. 1. Zmiany parametrów magnetycznych z głębokością dla profilu A2: (a) podatność magnetyczna χ mierzona w trzech częstotliwościach; (b) bezhisterezowa podatność χ ARM. We wszystkich profilach, najwyższe wartości podatności obserwowane są w wierzchnich warstwach gleby: 6-8 1-8 m3/kg dla profili A2, A3 i H2, około 4 1-8 m 3 /kg dla profilu MD. Z głębokością podatność maleje osiągając najniższe
Głębokość profilu [cm] 148 S. DYTŁOW, B. GÓRKA-KOSTRUBIEC wartości 2-15 1-8 m 3 /kg dla poziomów tworzących skałę macierzystą. Obserwowany rozkład podatności jest charakterystyczny dla czarnoziemów, dla których intensywnie zachodzące procesy biochemiczne w warstwie próchniczej produkują silne magnetycznie związki żelaza. Gwałtowny spadek podatności magnetycznej obserwowany jest we wszystkich profilach poniżej poziomu próchniczego A i jest związany z występowaniem poziomu iluwialnego B uboższego w związki żelaza w stosunku do poziomu próchniczego A. Najniższą podatność zaobserwowano w lessach tworzących skałę macierzystą, ubogich w silne magnetycznie związki żelaza. Wartości podatności czarnoziemów ukraińskich (profile A2, A3, H2) są w każdym profilu wyższe od wartości dla czarnoziemu polskiego (MD). Różnice te można tłumaczyć wyższą zawartością związków żelaza w czarnoziemach wynikającą z intensywności procesów glebotwórczych przebiegających w różnych warunkach klimatycznych. 1-8 [m 3 /kg] ARM 1-8 [m 3 /kg] Hc [mt] 2 4 6 8 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 (a) (b) (c) 2 A 4 6 B 8 12 C 14 16 f 1 = 99 Hz f 2 = 4 Hz f 3 = 15 Hz Profil glebowy A3 Rys. 2. Zmiany parametrów magnetycznych z głębokością dla profilu A3: (a) podatność magnetyczna χ mierzona w trzech częstotliwościach; (b) bezhisterezowa podatność χ ARM ; (c) pole koercji H c. Pomiary podatności magnetycznej w trzech częstotliwościach pozwalają na wskazanie głębokości, przy której w poszczególnych profilach kończy się proces pedogenezy i rozpoczyna poziom skały macierzystej. Dla profilu A2 i A3 procesy pedogeniczne zakończyły się na głębokości około 7-75 cm natomiast dla profilu H2 i MD odpowiednio na głębokości 11 cm i 85 cm. Na rysunkach 1c-4c przestawiono zmiany pola koercji (H C ) z głębokością dla badanych profili. Parametr H C zmienia się od niskich wartości dla poziomu próchniczego (-6 cm) do wysokich dla skały macierzystej (powyżej 9 cm). Podwyższone
Głębokość profilu [cm] Głębokość profilu [cm] Wyznaczanie poziomów glebowych przy użyciu magnetometrii 149 wartości koercji poniżej 6 cm wskazują na wzrost zawartości minerałów wysoko koercyjnych np. hematytu. 1-8 [m 3 /kg] ARM 1-8 [m 3 /kg] Hc [mt] 4 3 9 2 6 8 4 6 7 8 1 11 12 (a) (b) (c) 2 A 4 6 8 B 12 14 16 C 18 f 1 = 99 Hz f 2 = 4 Hz f 3 = 15 Hz Profil glebowy H2 Rys. 3. Zmiany parametrów magnetycznych z głębokością dla profilu H2: (a) podatność magnetyczna χ mierzona w trzech częstotliwościach; (b) bezhisterezowa podatność χ ARM ; (c) pole koercji H c. 1-8 [m 3 /kg] ARM 1-8 [m 3 /kg] H cr [mt] 1 2 3 4 5 15 25 6 7 8 9 1 11 (a) (b) (c) A h 2 A 4 6 A/C 8 C 12 f 1 = 99 Hz 14 f 2 = 4 Hz f 3 = 15 Hz Profil glebowy MD Rys. 4. Zmiany parametrów magnetycznych z głębokością dla profilu MD: (a) podatność magnetyczna χ mierzona w trzech częstotliwościach; (b) bezhisterezowa podatność χ ARM ; (c) pole koercji H c.
15 S. DYTŁOW, B. GÓRKA-KOSTRUBIEC 5 4 4 3 ARM ARM 3 (a) (b) 5 25 5 75 25 5 75 4 3 ARM ARM 25 5 75 (c) 1 2 3 4 (d) Rys. 5. Zależność χ ARM od χ dla profili: A2 (a), A3 (b), H2 (c) i MD (d). Na Rys. 5 przedstawiono zależność ARM od dla badanych profili glebowych. Podatność ARM odzwierciedla udział ziaren jednodomenowych frakcji magnetycznej wnoszących największy wkład do bezhisterezowej pozostałości magnetycznej. Podatność zależy od zawartości ziaren superparameagnetycznych. Koncentracja minerałów magnetycznych wpływa w ten sam sposób na ARM i. 4. DYSKUSJA WYNIKÓW I PODSUMOWANIE Zmiany parametrów magnetycznych wzdłuż profili glebowych pozwalają na wyznaczenia poziomów glebowych objętych procesami glebotwórczymi oraz obszar skały macierzystej. W czarnoziemach A2, A3, i H2 występowały trzy główne poziomy pedogeniczne: próchniczy A wzbogacony w humus, poziom iluwialny B oraz poziom C skały macierzystej, profil MD pozbawiony był poziomu iluwialnego B. Dla wszystkich badanych profili gleb poziomy próchnicze i podpróchnicze wzbogacone były w silną magnetycznie frakcję ferrimagnetycznych związków żelaza. Podatność magnetyczna w tym obszarze wykazuje wysokie wartości, silnie zależne od częstotliwości pola magnetycznego. Procentowa zależność podatności od częstotliwości (χ fd ) w pedofi-
Wyznaczanie poziomów glebowych przy użyciu magnetometrii 151 lach A2, A3 i H2 zmienia się od 6,5% dla próbek z poziomu próchniczego A do 3,5% dla lessu, w profilu MD wartości są niższe i wynoszą odpowiednio 4,5% i,8%. Poziomy A w poszczególnych profilach, poza najpłytszą warstwą <1 cm (A h ), charakteryzują się maksymalnymi wartościami ARM i, co świadczy o największej zawartości małych ziaren SP i SD związanych z intensywnością procesów pedogenicznych. Poziom iluwialny B wzbogacony w węglany wapnia charakteryzuje silny spadek podatności magnetycznej wywołany mniejszym stężeniem cząstek magnetycznych. W głąb poziomu B obserwujemy zmniejszenie wartości ARM i, co wynika z zaniku aktywności procesów pedogenicznych objawiających się zmniejszoną produkcją ziaren SP i SD. Poziom C zawierający materiał macierzysty charakteryzował się najniższymi wartościami ARM i podatności magnetycznej. Niska zależność podatności od częstotliwości pola magnetycznego (χ fd =,8-3.5%) wskazuje na brak procesów pedogenicznych kształtujących glebę w tym poziomie. Wyznaczone parametry histerezy magnetycznej pokazują, że dominującym minerałem magnetycznym w poziomie próchniczym A był magnetyt o niskiej koercji i w wysokich wartościach M s i M rs. W poziomie iluwialnym B z głębokością wzrastał udział ziaren o niskim namagnesowaniu i wysokiej koercji. Na poziomie skały macierzystej nośnikami magnetycznymi były charakterystyczne dla np. hematytu wysoko koercyjne ziarna wielodomenowe. Rezultaty obecnej pracy pozwalają na wyznaczenia głębokości występowania w badanych profilach poszczególnych poziomów pedogenicznych. Na rysunkach 1-4 przedstawiono przedziały głębokości dla poszczególnych poziomów i podpoziomów wyznaczone na podstawie zmian własności magnetycznych w badanych profilach. Podział tu pokrywa się z opisem pedogenezy profili. Uzyskane rezultaty badań wskazują na możliwość wykorzystania pomiarów właściwości magnetycznych wzdłuż profili glebowych do analizy procesów pedogenicznych i wyznaczenia głębokości poszczególnych poziomów glebowych. Zastosowanie metody magnetycznej do pomiarów gleb jest efektywnym i szybkim sposobem określenia rodzaju minerałów i wielkości cząstek magnetycznych zawartych w glebie. LITERATURA [1] SHENGGAO L., Lithological factors affecting magnetic susceptibility of subtropical soils, Zhejiang Province, China, Catena,, Vol. 4, 359 373. [2] HANESCH M., SCHOLGER R., The influence of soil type on the magnetic susceptibility measured throughout soil profiles, Geophys. J. Int., 5, Vol. 161, 5 56. [3] SINGER M.J., FINE P., Pedogenic factors affecting magnetic susceptibility of Northern California soils, Soil Sci. Soc. Am. J., 1989, Vol. 53, 1119 1127. [4] SANGODE S.J., BLOEMENDAL J., Pedogenic transformation of magnetic minerals in Pliocenepleistocene palaeosol of the Siwalik Group, NW Himalaya, India, Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 4, Vol. 212, 95 118.
152 S. DYTŁOW, B. GÓRKA-KOSTRUBIEC [5] MAHER B.A., ALEKSEEV A., ALEKSEEVA T., Magnetic mineralogy of soils across the Russian Steppe: climatic dependence of pedogenic magnetite formation, Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol, 3, Vol. 21, 321 341. [6] JORDANOVA D., JORDANOVA N., Magnetic characteristics of different soil types from Bulgaria, Stud. Geophys. Geod., 1999, Vol. 43, 33 318. [7] JELEŃSKA M., HASSO-AGOPSOWICZ A., KĄDZIAŁKO-HOFMOKL M., SUKHORADA A., BONDAR K., MATVIISHINA ZH., Magnetic iron oxides occurring in chernozem soil from Ukraine and Poland as indicators of pedogenic processes, Stud. Geophys. Geod., 8, Vol. 52, 255 27. [8] HASSO-AGOPSOWICZ A., JELEŃSKA M., WICIK B., Wpływ procesów pedogenicznych oraz czynników antropogenicznych na charakterystyki magnetyczne czarnoziemów, II Kongres Inżynierii Środowiska, Materiały tom 2, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN. DISTRIBUTION OF PEDOGENIC HORIZONS IN SOIL PROFILES The aim of the present study is to find the set of magnetic parameters characterizing a vertical structure of soil. It is expected that, when besides pedologic criteria, magnetic parameters will be used for description of soil horizons - the quality of determination of individual horizons would increase. In this study fast and non-destructive magnetic techniques has been used. Discrimination of individual horizons has been made by tracing changes of magnetic properties along soil profile.