Разработка комплекса геофизических методов для решения прикладных задач почвенного картирования

Четвёртый раздел.

В разделе 4 изложены результаты комплексных почвенно-геофизических исследований на территории полигона ВНИИСХ Владимирского Ополья.

В первой части раздела рассматриваются почвенные характеристики объекта исследований.

Комплекс почвенных и геофизических научно-исследовательских работ проводился в Суздальском районе Владимирской области (Владимирское Ополье) в пределах опытного хозяйства Владимирского НИИСХ на экспериментальном участке размером 84^.280 метров. Владимирская область входит в зону подзолистых почв. Все эти почвы бедны гумусовым веществом. Содержание его колеблется от 0,5% до 1,5%, наиболее бедны гумусом песчаные почвы. На этом фоне, в плане почвенного районирования, ярко выделяется Владимирское Ополье. Эта площадь характеризуется тёмноцветными серыми лесными оподзоленными почвами, отличающимися большей мощностью и высоким плодородием по сравнению с остальными светлыми подзолистыми почвами. Среднее содержание гумусового вещества в этих почвах около 6-8 %. Отличительной особенностью является наличие участков почвенного покрова, где в разрезе присутствует второй гумусовый горизонт (далее ВГГ), о происхождении которого учёные спорят до сих пор.

Своеобразие почв Владимирского ополья привлекало внимание исследователей еще в XIX столетии. Благодаря темной окраске их называли Юрьевскими черноземами. В работах Л.П. Рубцовой, А.Н. Тюрюканова и Т.Л. Быстрицкой, В.М. Алифанова, Е. В. Шеина и др. отмечается наличие отчетливо выраженного комплекса почв, образование которого связывают с палеорельефом. На рис. 6 представлен фрагмент почвенной карты участка исследования. Почвенный покров достаточно неоднороден и представлен комплексами серых лесных освоенных остаточно-карбонатных почв на повышениях микрорельефа, и серых лесных освоенных почв с ВГГ на микропонижениях. В пределах участка выделены следующие почвы: серая лесная (Л₂сЛ), серая лесная слабооподзоленная (Л₂^оп1сЛ), серая лесная среднеоподзоленная (Л₂^оп2сЛ), серая лесная сильнооподзоленная (Л₂^оп3сЛ), серая лесная среднеоподзоленная со 2 м гумусовым горизонтом (Л₂^hоп2сЛ), серая лесная сильнооподзоленная со 2 м гумусовым горизонтом (Л₂^hоп3сЛ), серая лесная грунтово-слабоглеевая (Л₂^сгсЛ), серая лесная остаточно-карбонатная (Л₂^оксЛ_к). Основные особенности структуры почвенного покрова Владимирского Ополья проявляются в широком распространении почвенных комбинаций, на формирование которых повлияли процессы гидроморфизма, оподзоленности, смытости, остаточной карбонатности покровных отложений, мощности гумусовой части профиля и особенно в наличии (отсутствии) ВГГ. Основные механизмы дифференциации почвенного покрова основаны на различиях в увлажнении и минеральном составе (карбонатности).

Строение почвенного разреза. Изучение структуры почвенного разреза, а так же агрофизических характеристик почвенного слоя, проводилось при участии автора в рамках комплексных почвенно-геофизических исследований на траншеях в 2002 и 2003 годах. Типичная для этого участка схема строения почвенного профиля приведена на рис. 7. При изучении морфологического строения почвенного разреза были выявлены некоторые особенности, характерные для изученных траншей. Пахотный горизонт характеризуется одинаковой мощностью и сходными характеристиками на всем протяжении каждой из траншей. Подпахотные слои представлены горизонтами B₁, В₂, ЕВ, BE, Ah, АhЕ. В том случае, если под пахотным горизонтом располагается ВГГ в виде Ah, наблюдается следующее строение почвенного профиля Aпах - Ah - AhE - ВE - B₁ - В₂. Если мощность ВГГ невелика (10-20 см), то нижняя граница гумусово-аккумулятивной толщи (Ah+AhE) достаточно ровная, лишь иногда имеет волнистый характер. Если мощность ВГГ превышает эти пределы, то его нижняя граница приобретает форму языка (конуса), вершина которого направлена вниз и может достигать глубины более 100 см. Максимальной мощности ВГГ достигает приблизительно в центре этого языка, и его мощность уменьшается по направлению от центра к его краям.

Агрофизическая характеристика почв. Традиционно при почвенных исследованиях проводят измерения следующих агрофизических параметров почв: плотность, сопротивление пенетрации, влажность, водопроницаемость, наименьшая влагоемкость, коэффициент фильтрации. В ходе полевых исследований на траншеях Владимирского Ополья по сети 1 м^.0.2 м были измерены следующие агрофизические характеристики: плотность, влажность, наименьшая влагоемкость, водопроницаемость. Как видно из рисунка 8. А плотность почвы (σ) максимальна на дне траншеи (1,5-1,8 м) и в подплужной подошве на глубине 0.2 м (А₂пах), при этом размах варьирования величины плотности минимален на дне траншеи. Минимум плотности приходится на горизонты глубины 0,4-0,6 м, что соответствует горизонтам Ah, AhE, EB. Наибольшая неоднородность по σ (1.30-1.44 г/см³) характерна для глубин 0,0-0,2 м (горизонт А₁пах). На рис. 8. Б представлены статистики изменения агрофизических характеристик с глубиной. Для влажности хорошо выражена тенденция увеличения с глуби-ной. Влажность верхних горизонтов (0,0-0,2 м) колеблется в пределах от 4 до 12 %. На глубинах 50-60 см происходит резкое увеличение влажности c 12% до 20%. На этих глубинах находятся переходные горизонты АЕ и ЕВ и, очевидно, такое увеличение диапазона колебаний влажности связано с генетической неоднородностью этого слоя. Анализ статистик распределения водопроницаемости и влагоемкости вдоль траншей показывает, что наименьшие величины этих параметров приурочены к глубинам 0,2-0,4 м, что соответствует горизонтам А₂пах и Аh. Итак, сложность почвенного покрова определяет "мозаичность" распределения физических свойств. Физические свойства почв, исследуемого автором опытного участка Владимирского Ополья, сильно дифференцированы по влажности, плотности и водопроницаемости и др. Автору представляется, что выявленная контрастность агрофизических характеристик создает предпосылки для постановки геофизических работ методами георадиолокации и электроразведки, данные которых, могут быть включены в экспертно-оценочные, физически обоснованные показатели.

Вторая часть раздела 4 содержит основные результаты комплексных геофизических исследований, выполненных автором на почвенных траншеях.

Исследования проводились на двух почвенных траншеях Владимирского Ополья: 2002г. - Западная, 2003г. - Восточная, и включали следующие методы: площадная каппаметрия на вертикальной стенке траншеи, электроразведка на постоянном токе в модификации сплошных электрических зондирований (СЭЗ), георадиолокация в диапазоне частот 250МГц- 1200МГц. Уникальность подобного рода работ состояла в том, что автору заведомо было известно детальное почвенное строение объекта исследования, а так же в распоряжении автора имелись данные о распределении стандартных агрофизических характеристик, определяемых в процессе почвенных исследований (плотность, влажность, влагоёмкость, сопротивление пенетрации и т.д.). Целью проведенных исследований являлось изучение закономерностей распределения магнитных, электрических и диэлектрических свойств по генетическим горизонтам почв, а так же выявление характера изменения свойств в пределах выделенных горизонтов.

Как было сказано выше, распределение магнитной восприимчивости по вертикали позволяет изучить структуру почвенного покрова, выделить отдельные генетические горизонты, особенно те, которые характеризуются повышенными значениями магнитной восприимчивости. Чаще всего такими характеристиками обладают гумусовые горизонты.

Исследования неоднородности магнитной восприимчивости проводились на 2 почвенных траншеях длинной порядка 20 метров и глубиной 1.8 м. Общий объем измерений магнитной восприимчивости составил более 9500. На вертикальных стенках траншей проводилась площадная каппаметрия по сети 25 см^.6 см. Один из примеров распределения магнитной восприимчивости стенки траншеи приведен на рис. 9. Как видно из рисунка, изменения магнитной восприимчивости с глубиной имеют сложный характер. До глубин 15 см наблюдаются несколько пониженные значения χ_ср (43^.10^-5-45^.10^-5ед. СИ). Максимум χ_ср приходится на глубины 25-30 см, где значения χ_ср достигают 50^.10^-5-55^.10^-5ед. СИ, далее на глубинах 50 - 60 см наблюдается резкое понижение χ_ср до 30^.10^-5-20^.10^-5ед. СИ, и в интервале глубин 60-180см среднее значение магнитной восприимчивости практически не меняется и лежит в пределах 25^.10^-5-20^.10^-5ед. СИ. Для сопоставления результатов измерения магнитной восприимчивости с морфологическими особенностями изучаемых траншей были построены статистики χ в пределах генетических горизонтов (рис. 9Б). Анализ статистик показал, что области наиболее повышенных значений χ до 80^.10^-5ед. СИ приурочены к пахотному (А1р), подпахотному (А2р), и структурно выраженному в почвенном разрезе, второму гумусовому горизонту АhumЕ. Таким образом, именно эти горизонты будут наиболее ярко проявляться в аномальном магнитном поле.

Массовые измерения магнитной восприимчивости на траншеях были дополнены электроразведочными работами по методике СЭЗ и георадиолокацией в диапазоне частот 250МГц - 1200МГц.

Сплошные электрические зондирования проводились при помощи комбинированной трехэлектродной установки со следующими параметрами: длина приемных линий - 0.5, 1 м; разносы - 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5 и 6 м; ток в питающей линии - 10 мА; шаг по профилю - 0.5 м. В качестве аппаратуры использовался генератор АНЧ-3 (4.88 Гц), и измеритель из комплекта ЭРА.

Геоэлектрический разрез (рис. 10Д) имеет сложное строение. В верхней части разреза фиксируется достаточно неоднородный по сопротивлению слой (ρ= 40-70 Ом^.м), мощностью 30-40 см, пространственно совпадающий с положением пахотного горизонта, обозначенного в морфологическом разрезе траншеи. На геоэлектрическом разрезе на глубине от 80см до 180см надежно фиксируется практически однородный слой сложной формы, характеризующийся сопротивлением около 30 Ом^.м на фоне пониженных значений ρ = 10-15 Ом^.м. Интерпретация этих данных позволяет сделать вывод о том, что данный слой соответствует конфигурации оподзоленного горизонта ЕВ.

На рис. 10Б, 10В, 10Г представлены георадарограммы для трех частот зондирования (250МГц, 400МГц , 1200МГц). Наиболее детальное расчленение разреза на горизонты получено для антенны 1200МГц, при использовании которой, уверенно выделяются четыре отражающие границы. Они соответствуют конкретным генетическим горизонтам: границе пахотного горизонта А пах, второго гумусового горизонта Аhum, горизонтов АЕ и ВЕ. Сопоставляя эту радарограммму с результатами георадиолокации для частот 250МГц и 400 МГц нельзя не заметить, что на этих частотах не удается детально расчленить верхнюю часть разреза, что подтверждает достоверность теоретических расчетов, выполненных автором в разделе 3.

В третей части раздела автор анализирует результаты площадных геофизических съемок масштабов 1:1400, 1:700, 1:100, выполненных методами магниторазведки и георадиолокации с целью изучения пространственной неоднородности почвенного покрова на опытном участке ВНИИСХ.

Перед началом магнитных исследований автор, в большом объеме, провел опытно-методические работы с отечественной и зарубежной магниторазведочной аппаратурой разного класса точности. Отдельно, для оптимизации учета поля магнитных вариаций, исследовались поля естественных и искусственных помех Проведенные опытно-методические исследования позволили автору добиться высокой точности измерений магнитного поля, варьирующей в пределах от 0.6 нТл до 1.2 нТл, а так же выбрать оптимальную высоту съемки (0.5-0.7 м) и шаг наблюдений. Общий объем измерений превысил 100000 точек наблюдений. При этом высокая точность наблюдений обеспечила возможность построения магнитных карт с сечением 1-2нТл. На рис. 11 представлен фрагмент карты аномального магнитного поля ΔТа, масштаба 1:100 по одному из исследованных участков. В структуре магнитного поля отчетливо выделяются зоны положительных магнитных аномалий интенсивностью до 12 нТл сложной конфигурации с поперечными размерами в среднем 10 м.

Сопоставление полученных материалов площадных магнитных съемок с почвенными картами показало, что выделенные зоны положительных аномалий пространственно коррелируются с участками распространения почв со вторым гумусовым горизонтом. Такая закономерность подтверждена для всех опытных участков, где проводились магнитные площадные съемки. Автор показывает, что этот результат следует рассматривать, как диагностический признак почвенных неоднородностей, который можно использовать как экспресс - оценку сложности почвенного покрова.

Для исследования площадных неоднородностей почвенного покрова и выделения границ, связанных с существованием второго гумусового горизонта, улучшающего агрономические свойства почв, при участии автора были проведены в большом объеме (5 погонных километров) георадиолокационные исследования. На рис. 12 представлен набор радарограмм по результатам измерений георадаром ОКО-2, на частоте 1200МГц. Интерпретация этих данных проводилась с учетом рассчитанных синтетических радарограмм и результатов траншейных исследований. Это позволило, на исследуемой площади, надежно откартировать положение в почвенном разрезе пахотного горизонта Апах, второго гумусового горизонта Аhum и переходных оподзоленных горизонтов ВЕ и ЕВ.

Важно, что выделенные пространственные границы гумусового горизонта в целом совпадают и с почвенной картой и положением обозначенных выше магнитных аномалий.

В заключение раздела, автором показано, что комплексирование методов магниторазведки и георадиолокации, выполняемых без нарушения сплошности почвенного покрова, может с успехом применяться для изучения горизонтальной и вертикальной неоднородности почв. Впервые показано, что опережающий комплекс геофизических методов способен решать картировочные задачи, схожие с широким спектром задач геологического картирования.