На правах рукописи

Долгих Андрей Владимирович

ФОРМИРОВАНИЕ ПЕДОЛИТОСЕДИМЕНТОВ И

ПОЧВЕННО-ГЕОХИМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

ДРЕВНИХ ГОРОДОВ ЕВРОПЕЙСКОЙ РОССИИ

25.00.23 – физическая география и биогеография,

география почв и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Лаборатории географии и эволюции почв Института географии Российской академии наук

Научный руководитель: доктор географических наук Александровский Александр Леонтьевич

Официальные оппоненты: доктор географических наук Лихачева Эмма Александровна доктор биологических наук Демкин Виталий Александрович

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Защита состоится "4" июня 2010 г. в 11 час. на заседании диссертационного совета Д.002.046.03 в Институте географии РАН по адресу: 119017, Москва, Старомонетный пер., 29. Факс (495) 959 00 33. E-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии РАН.

Автореферат разослан "04" мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук Л.С. Мокрушина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Почвенно-литогенные образования городов (культурные слои) можно отнести к антропогенной разновидности поверхностно-почвенных седиментационных систем, формирующихся при постепенном накоплении мелкозема, поступление которого не прерывает текущий (синхронный) педогенез. В результате такого взаимосвязанного протекания седиментации и педогенеза образуются толщи педолитоседиментов (Глазовская, 2009). В данной работе отложения городов, представленные культурными слоями и включающие признаки почвообразования и диагенеза, названы городскими педолитоседиментами.

Исследования на обширной площади археологических раскопов в центральных частях древних городов, дают возможность охарактеризовать городские педолитоседименты (ПЛС), представленные мощным культурным слоем (до 10 м) с признаками почвообразования, вложенными слаборазвитыми почвами, и погребенные под ними исходные почвы, а также выяснять историю и характер деятельности человека в прошлом (Рис. I – цветная вставка). В результате получен большой репрезентативный материал по направленности процессов и темпам развития городских толщ и почв, их загрязненности, и по эволюции почвенногеохимической среды городов; проведены реконструкции палеоэкологических условий исторического периода.

Сейчас почвы городов исследуются главным образом для понимания современного состояния городских систем. Анализируется только верхняя 2-х метровая толща почв и городских отложений. Но понять генезис и экологию почв городов, и городских ландшафтов в целом, можно только изучив всю историю их развития, с момента появления поселения. Для этого необходимо исследование всей городской толщи, включая исходную погребенную почву.

В связи с вышесказанным, исследования процессов формирования городских педолитоседиментов и почв, а также эволюции геохимической среды городов являются важной и актуальной научной задачей.

Цель работы – выявить процессы, формирующие мощные педолитоседименты древних городов Европейской России и эволюцию городской почвенно-геохимической среды в разных географических и исторических обстановках.

Основные задачи работы:

1. Изучить строение, свойства и разнообразие ПЛС и погребенных под ними почв ряда городов лесных и сухостепных (приморских) регионов Европейской России.

2. Определить процессы педолитогенной трансформации городских отложений и палеопочв, выяснить их региональные различия.

3. Выявить направленность эволюции почвообразования на культурных слоях в разных географических условиях.

4. Охарактеризовать почвы, залегающие в толще ПЛС, выяснить их генезис и палеоэкологическое значение.

5. Проанализировать процессы и стадии развития почвенно-геохимической среды древних городов в разных природных условиях.

Положения, выносимые на защиту:

1. В древних городах Европейской России в результате одновременного протекания процессов антропогенного седиментогененеза и природного педолитогенеза формируются толщи городских педолитоседиментов. Они представлены мощными рыхлыми поверхностными образованиями средневекового и античного возраста, обогащенными органическим веществом, карбонатами, фосфором, тяжелыми металлами и другими химическими элементами.

Их эволюция тесно связана с составом материала, привносимого человеком, а также с биоклиматическими условиями и расчлененностью рельефа на территории города, но не зависит от литологии подстилающих отложений.

2. Для современных этапов развития ПЛС (дневных почв) древних городов характерна конвергентная эволюция, в результате которой вместо разнообразных исходных почв (подзолистых суглинистых и песчаных, черноземов, пойменных) формируются сходные урбаноземы: карбонатные легко-среднесуглинистые почвы, часто высокогумусные и слоистые.

3. Среди ПЛС переувлажненные урбо-органические отложения городов лесной зоны выделяются наибольшим антропогенным накоплением многих химических элементов (фосфор, медь, цинк, свинец, мышьяк, бром, марганец). Это обусловлено большей сорбционной способностью этих отложений, насыщенных остатками древесины и растительным детритом (сорбционный геохимический барьер), по сравнению с урбо-органоминеральными слоями лесной зоны и урбо-минеральными отложениями степной зоны.

Научная новизна работы. Впервые проведено сравнительное морфоаналитическое изучение мощных (до 10 м) педолитоседиментов и палеопочв древних городов на примере объектов, расположенных в лесных и сухостепных регионах Европейской России.

Установлены региональные различия в формировании городских отложений и в их педолитогенном преобразовании: в гумидных ландшафтах лесной зоны с затрудненным дренажем формируются урбо-органические ПЛС, в гумидных лесных ландшафтах со свободным дренажем – урбо-органо-минеральные ПЛС, и в степной зоне – урбо-минеральные ПЛС. Наряду с уже известными процессами окарбоначивания и ощелачивания городских почв, выявлен процесс подкисления, развивающийся в переувлажненных урбо-органических слоях. Установлено более интенсивное накопление тяжелых металлов в урбо-органических слоях по сравнению с урбо-минеральными слоями городов, в связи с высокой сорбционной способностью грубого органического материала.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют реконструировать условия существования человека в городской среде в древности и в новое время. Знание процессов, происходящих при формировании и эволюции городских педолитоседиментов, необходимо для оценки и прогноза состояния почвенно-геохимической среды городов, а также для выработки мероприятий, направленных на охрану городской среды, и, в особенности, почв и грунтовых вод против загрязнений.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы» (Пущино, 26-31 октября 2009 г.); XXIII научной конференции «Новгород и Новгородская земля. История и археология» (В. Новгород, 27-29 января г.); Международном научном семинаре «Изменения климата, почвы и окружающая среда»

(Белгород, 16-19 сентября 2009 г.); XV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2008» (Москва, 8-12 апреля, 2008г.);. XVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2009» (Москва, 14-16 апреля 2009г.); XXIV научной конференции «Новгород и Новгородская земля. История и археология» (В. Новгород, 26-28 января 2010 г.), на научном семинаре «Почвы во времени и пространстве» (Москва, ИГ РАН, 9 февраля 2010г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 в ведущих рецензируемых журналах списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, включая 10 таблиц, 36 рисунков и приложения. Список литературы состоит из наименований, в том числе 25 на иностранных языках.

А.Л.Александровскому за неоценимую помощь и поддержку на всех этапах работы, а также сотрудникам лаборатории И.В.Замотаеву, С.А.Сычевой, С.В.Горячкину, Н.А.Караваевой, В.О.Таргульяну, А.А.Гольевой, Р.Г.Грачевой, А.М.Чугуновой, И.В.Туровой, Е.А.Агафоновой, Т.А.Востоковой, Н.С. Мергелову, А.А.Титовой; Е.И.Александровской;

коллегам из БелГУ – Ю.Г.Чендеву, Ф.Н.Лисецкому, а также многим другим коллегам за советы, ценные замечания, помощь и искренний интерес к работе. Особая благодарность археологам, руководителям раскопов: О.М.Олейникову, М.И.Петрову, А.М. Степанову, Д.В.Пежемскому, В.Д.Кузнецову, К.В.Воронину, С.М.Ильюшенко, за предоставленную возможность исследований на археологических раскопах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Почвы и педолитоседименты древних городов и их геохимические особенности (литературный обзор) Изучение почв и культурных слоев древних городов Европейской России проводилось многими исследователями. В большей части работ городские почвы рассматриваются как современные образования, сформированные на мощных городских отложениях предыдущих этапов функционирования городских ландшафтов (Blume, 1989; Агаркова и др., 1991;

Строганова М.Н., Агаркова М.Г., 1992; Burghard, 1994; Почва, город…, 1997; Герасимова и др., 2003; Norra, Stuben, 2003, Lehmann, Stahr, 2007). Однако, в них отсутствуют сведения о свойствах и генезисе ПЛС. В то же время, более ясно понять генезис, основные свойства и экологические функции современных городских почв возможно только на основе изучения всей истории развития городской толщи.

Археологами культурные слои городов исследуются с целью изучения истории и хронологии городов (Колчин, 1956; Шелов, 1970; Рабинович, 1971; Янин, Колчин, 1978;

Чхаидзе, 2008), геологами – с целью характеристики строения антропогенной породы (Котлов, 1960; Кушнир, 1975; Никифоров, 1995). Имеются работы почвоведов, геохимиков и палеоботаников (Евдокимова, 1986; Кайданова, 1991; Бойцов и др., 1993; Демкин, Дьяченко, 1993; Александровская, Александровский, 1997; Alexandrovskaya at al, 2000; Сычева, 1999, 2006; Сычева и др., 2000; Марфенина, 2006; Бронникова и др., 2008; Гольева, 2008;

Зазовская, 2008), посвященные изучению строения, истории развития и палеоэкологии культурных слоев. Проводятся комплексные геоархеологические исследования культурных отложений древних городов с использованием микроморфологического метода (Каздым, 2006; Goldberg, Macphail, 2006; Devos, Vrydaghs, 2009). Однако строение, физико-химические свойства и генезис мощных ПЛС рассматривались лишь в небольшом количестве городов, например, в Ростове Великом (Александровский, Александровская, 2005, 2007).

Всеми этими исследованиями установлено, что в городских почвах появляются новые искусственно созданные слои, несвойственные естественным почвам. Археологами показано, что основным источником накопления культурного слоя города являются остатки построек, строительный, производственный и бытовой мусор (Авдусин, 1980). В почвах и отложениях города происходит трансформация антропогенного вещества, в результате чего формируются новые химические соединения, определяющие необычные свойства культурного слоя города и погребенных под ним почв. В лесной зоне, по сравнению с естественными кислыми дерново-подзолистыми почвами, в урбаноземах отмечаются щелочные значения рН, что объясняется интенсивным поступлением хлоридов кальция и натрия, например за счет противогололедных солей, а также карбонатов и других веществ со строительным мусором, цементом, остатками кирпича (Гантимуров, 1966, Ахтырцев и др., 1980, Никодемиус, Раманн, 1984, Бериня, 1985, Обухов и др., 1989, 1990; Blume 1989; Hollis, 1991; Никифорова и др., 1995; Почва.., 1997). Также карбонаты кальция поступают из многочисленных прослоев золы, связанных с регулярными пожарами в истории древних городов (Александровский, 1997, 2007). Происходит окарбоначивание и ощелачивание почв и отложений (Александровский, 1997, Александровская, Александровский, 1997).

Образуются вторичные минералы, характерные для культурных слоев города (Каздым, 2001).

В культурных слоях древних городов отмечается значительное накопление тяжелых металлов (медь, цинк, свинец), мышьяка, связанное с интенсивной хозяйственной деятельностью человека (Евдокимова, 1986; Кайданова, 1991; Александровская, Александровский, 2003). В слоях, содержащих остатки производств, концентрации тяжелых металлов могут достигать очень высоких значений (Alexandrovskaya, Alexandrovskiy, 2000).

При этом состав элементов несет в себе информацию о характере антропогенной деятельности, об отличиях разных функциональных зон в поселениях: производственных, селитебных (Евдокимова, 1986; Александровский и др., 1997; Бронникова и др., 2008) Глава 2. Объекты и методы исследования В Европейской части России расположены многие древние урбанистические центры нашей страны. Некоторые из них перестали существовать (древнегреческие полисы, города древнерусских княжеств, хазар, булгар), другие же продолжают функционирование на протяжении многих веков, а иногда более тысячи лет.

В основу работы положен материал, собранный диссертантом на археологических раскопках, проводившихся в древних городах лесной зоны Европейской России, функционирующие и сейчас:

Великий Новгород (с X в.), Москва (с XII в.), Ярославль (с XI в.); и древних городах сухостепной зоны Причерноморья и Приазовья: Танаис (III в.до н.э.–V в.), Фанагория (VI в.до н.э.–IX в.), ТаманьГермонасса (VI в.до н.э.–современность).

По условиям формирования почв и городских педолитоседиментов, данные объекты существенно среднегодовые температуры +3-+5 С, осадков 500-650 исследованных городов мм/год, К увлажения = 1,1-1,4; в сухостепных семи-аридных ландшафтах температуры выше (+9-+11 С),осадков мало (350-450мм/год), К увл. = 0,4-0,6.

Педолитоседименты городов, являющиеся объектами исследования данной работы, сформировались в разных географических условиях и различаются по своему составу и строению (Рис.2).

Исследованные объекты в городах лесной зоны расположены в долинах на низких террасах рек Волхова и Волги (Новгород и Ярославль), и на высокой террасе Москвы-реки (Москва), которые сложены песчано-суглинистыми отложениями. Города степной зоны расположены на морских террасах Таманского п-ва (Фанагория и Гермонасса), сложенных песками и суглинками, и на высокой цокольной террасе Дона (Танаис), сложенной с поверхности суглинками, подстилаемыми известняками.

Использованы методы: сравнительно-географический, стратиграфический (сравнительнохронологический), морфогенетического анализа профиля почв и ПЛС. Строение и свойства педоседиментов изучены в сравнении с погребенной почвой, подстилающими отложениями и фоновыми почвами. Сотрудниками химической лаборатории ИГ РАН (рук. А.М.Чугунова) определялись: pH в водной суспензии потенциометрическим методом, содержание гумуса (органического углерода) методом Тюрина, потеря при прокаливании, содержание карбонатов по Козловскому, содержание общего фосфора по Гинзбургу, гранулометрический состав пирофосфатным методом (Воробьева, 1998). Валовой химический состав определялся рентген-флюоресцентным методом (ИГЕМ РАН, Почвенный институт РАСХН, БелГУ). Возраст слоев и почв определен с помощью археологических и дендрохронологических методов. Абсолютные датировки слоев любезно предоставлены автору археологами.

Глава 3. Строение и свойства мощных педолитоседиментов древних городов Городские ПЛС представляют собой мощную толщу антропогенных отложений, в разной степени измененных процессами педолитогенеза. Их быстрое накопление и специфический состав связаны с поступлением строительного, бытового и производственного мусора.

На основании проведенных исследований педолитоседименты древних городов можно разделить на три основные группы: 1. ПЛС древних средневековых городов лесной зоны с плоским рельефом и ослабленным дренажом (Великий Новгород, Ростов Великий). 2. ПЛС древних средневековых городов лесной зоны с расчлененным рельефом и свободным дренажом (Москва, Ярославль). 3. ПЛС древних античных и средневековых городов степной зоны, располагающихся в Причерноморье и Приазовье (Фанагория, Гермонасса, Танаис) (Рис. 2).

3.1.Строение и свойства педолитоседиментов городов лесной зоны. Для городов лесной зоны до XVIII века (этап преимущественно деревянного строительства) характерно накопление урбо-органического слоя, в основном состоящего из щепы и «торфообразной массы». С XVIII века (этап каменного строительства) в городах лесной зоны начинается Рис. 2. Строение педолитоседиментов древних городов:Au, ELg, PU и др. – индексы почвенных горизонтов по (Классификация почв, 2004) МС – урбо-минеральный слой; ОС – урбо-органический слой; ОМС – урбо-органо-минеральный слой формирование урбо-органо-минерального и урбо-минерального слоев, за счет значительного привноса остатков кирпича, камня, извести, песка, глины, и небольшой примеси органического материала. Повсеместно встречаются обломки керамики, кости животных.

Мощность культурных отложений Великого Новгорода в историческом центре от (раскопы Десятинный-1, Ильменский) до 6 м (Троицкий-XIII) (Рис. II – цветная вставка). В палеодепрессиях отмечается мощность средневекового слоя до 10 м.

Строение профиля, включающего культурный слой и погребенную почву, представлено на рис 3. Погребенные почвы, залегающие под культурным слоем, на всех раскопах – дерновоподзолистые тяжелосуглинисто-глинистые оглеенные, часто пахотные (мощность гор.Р до 12 см).

Мощность элювиальной части профиля 15-30 см. Почва существенно изменилась после погребения под культурным слоем. В результате накопления мощных отложений, выравнивания рельефа и подъема уровня грунтовых вод в профиле почвы резко усилились признаки оглеения. Понизилось содержание органического углерода (до 2 %). Кислая реакция среды, характерная для фоновых подзолистых почв (рНводн 4,8-5,3) сменилась более щелочной (от слабокислых, нейтральных и слабощелочных в гор.P, ЕLg, BELg до щелочных в текстурном оглеенном гор.BTg), что видимо связано с вмыванием легкорастворимых солей в профиль почвы из культурного слоя. Местами отмечается накопление карбонатов, вмытых из культурного слоя, а также проникновение материала культурного слоя в погребенную почву по тонким трещинам. Также в почву вмываются соединения фосфора, что выражено в формировании кутан с новообразованным керченитом и высоким содержанием фосфора в гор.EL и BTg (Рис. III – цветная вставка). Таким образом, выявляется процесс глубокопочвенного иллювиирования.

Рис. 3. Великий Новгород, раскоп Ильменский. Строение и свойства ПЛС Выше залегают ПЛС, основная часть которых по описаниям археологов называется «мокрым» или «темно-коричневым» слоем и относится к X-XVI вв. Нами они названы урбоорганическими. Они слагают нижнюю и среднюю переувлажненную часть ПЛС, органического материала «торфообразного» облика, представленной остатками травы и соломы среднесуглинистого состава и включения обломков известняка (урбо-минеральная составляющая), прослоев золы и древесного угля, артефактов, деревянные мостовые, бревна нижних венцов домов. Сохранность органического вещества очень хорошая, встречаются изделия из дерева, берестяные грамоты. Доля органического вещества от 50 до 90 % по объему.

Органические прослои отличаются наиболее кислыми значениями рН (до 5,8). На поверхности структурных отдельностей видны пленки вивианита. При этом, прослои золы бурно вскипают от НСl и являются важным источником карбонатов в педолитоседиментах.

Выше залегает слой XVII-XX вв. (темно-серый, сухой слой по археологическим описаниям), по нашим данным это урбо-органо-минеральный слой. В нем, по сравнению с органическим, значительно больше минеральной массы, но много и гумифицированного органического вещества, встречаются остатки щепы, в основном плохой сохранности, истончившейся, с признаками разрушения. Имеются включения обломков известняка, кирпича, прослои песка и глины, а также строительной извести, что обусловливает карбонатность и щелочность слоя. Для слоя характерны следующие свойства: Сорг – 20-30%, pH – 7,5-8, фосфора – 1,5-3,5%, CaCO3 – 1,5-8%, а в слоях пожаров с большим количеством золы – до 40%.

Таким образом, формируется своеобразный кислотно-щелочной профиль: в верхней части ПЛС (урбо-органо-минеральной) наблюдаются щелочные значения pH, в их нижней части (урбо-органической) – слабокислые и нейтральные, и снова щелочные – в погребенной почве.

Вероятно, причиной понижения значений рН в органическом слое являются процесс образования органических кислот. Сходные процессы идут в торфяниках (Глаголев, 2008). В урбо-органическом слое карбонаты нейтрализуются под воздействием кислот, продуцируемых в результате разложения органического вещества данного слоя, но сохраняются в наиболее крупных прослоях угля и золы.

В мощной толще педолитоседиментов встречаются погребенные почвы, соответствующие Рассматриваемые почвы, как в урбо-органических, так и в урбо-минеральных слоях, часто имеют признаки трансформаций в результате агрогенных воздействий (пашня и огороды). По данным археологов, на исследованных раскопах эти почвы относятся к XI, XIII, XVI-XIX вв. В перечисленные периоды здесь возникал агроландшафт, седиментация прерывалась, происходила агропедогенная гомогенизация ранее отложенного материала, протекали процессы педогенеза, заключавшиеся в гумификации и минерализации органического вещества (снижение Сорг с 28-34 до 8-11%), оструктуривании, выщелачивании.

В Ярославле погребенные почвы – дерново-подзолистые супесчаные и песчаные, местами отмечается пахотный горизонт; содержание Сорг низкое (менее 0,7%), значения рН слабощелочные и щелочные (до 7,9), карбонаты отсутствуют. ПЛС разделяются на те же два слоя: нижний урбо-органо-минеральный (XII–XVI вв.) и верхний урбо-минеральный (XVI–XX вв.), состав верхнего – более легкий. В нижнем слое идут процессы подкисления, а в погребенной почве - ощелачивания. Этот слой, по сравнению с Великим Новгородом, менее влажный, легкосуглинистый, имеет слабокислые и нейтральные значения рН, содержание Сорг значительно ниже (в среднем около 10%). Урбо-минеральный слой супесчаный, слабощелочной (рН до 7,65), содержание Сорг невысокое (менее 3,5%). Карбонаты отмечаются по всему профилю ПЛС, максимум приурочен к верхнему минеральному слою (до 8,4%). Содержание фосфора в ПЛС выше фоновых значений (до 1 %), но не такое высокое, как в В. Новгороде.

Педолитоседименты центральной части Москвы формируются в условиях расчлененного рельефа и более высокой дренированности территории. Поэтому особенностями ПЛС являются преобладание минерального вещества и пространственная неоднородность. В них часто встречаются слаборазвитые почвы (Александровский, Александровская, 2005).

Городские педолитоседименты нами были изучены на территории Китай-города, на объекте «Теплые Ряды» (раскопы 1 и 2). На раскопе 1 (рис. 4), под ПЛС мощностью 4-5 м, погребена дерново-подзолистая псевдофибровая почва, с турбированным гумусовым горизонтом.

Рис. 4. Москва, Теплые Ряды, раскоп 1. Строение и свойства ПЛС В ПЛС, в нижнем урбо-органо-минеральном слое XIII-ХVII вв содержание органического вещества повышено (Сорг – до 13,8%, потеря при прокаливании - 33,8%), значения рН слабощелочные, содержание карбонатов невысоко. Урбо-минеральный слой XVIII-XX вв.

содержит много обломков кирпича, известь керамику, кости. Он более щелочной (рН до 8,35), существенно меньше содержание Сорг (4,2%), много карбонатов (10,9%). Раскоп 2 располагается в непосредственной близости от раскопа 1, но ПЛС здесь резко отличается. Изначально органический слой сильно метаморфизован и по составу и свойствам ближе к минеральному.

По сравнению с раскопом 1 содержание Сорг значительно меньшее (0,5-7,5%), значения рН слабокислые и нейтральные (от 6,0 до 6,6). Карбонатов мало. Содержание фосфора (до 1,2%) выше, чем в Ярославле, но ниже чем в В. Новгороде.

В целом, по строению и свойствам педолитоседименты центральной части Москвы и Ярославля сходны. Хорошо развитые урбо-органические слои в Москве, близкие к новгородским, встречаются лишь в крупных понижениях рельефа, в погребенных долинах рек и балках. Встречаются они и на плоских междуречьях (Китай-город), чередуясь при этом с участками без органического слоя.

3.2.Строение и свойства педолитоседиментов городов сухостепной зоны. ПЛС городов юга Европейской России формируются в условиях более теплого и сухого климата степных ландшафтов. В процессе строительства, как в античное и средневековое время, так и в современный период, используются сырцовый и обожженный кирпич, камень. Это приводит к образованию урбо-минерального слоя различной мощности. Поскольку органический материал не поступал в таких масштабах, как в городах лесной зоны, а также в связи с интенсивной деструкцией органического вещества, урбо-рганический слой здесь не образуется.

ПЛС Фанагории изучены в центральной части города (раскоп Верхний Город, площадь м2). Культурные отложения мощностью до 5,5 м археологами датируются VI-в..до н.э.-IX-в. н.э.

Соответственно продолжительность антропогенной седиментации составила около 1500 лет. На ПЛС за 1100–1200 лет под степной растительностью сформировалась хорошо развитая почва – чернозем. Под культурным слоем погребена полигенетичная супесчаная почва. Ее профиль представлен горизонтами: гумусовым АJ и иллювиальным псевдофибровым Bff. Палеопочва может быть классифицирована как серая псевдофибровая (Рис. 5).

Педолитоседименты представляют собой слоистую светло-бурую суглинистую массу с пятнами и прослоями палевого, светло-серого и темно-серого материала того же состава. В нижней части профиля отмечены признаки сооружений из сырцового кирпича. Следы разрушенных построек прослеживаются во всем профиле культурных отложений. Встречаются прослои золы, античная керамика, кости животных, фрагменты штукатурки, местами со следами краски.

Рис. I. Великий Новгород, археологический раскоп Троицкий-XIII, XIV. На переднем плане сохранившиеся остатки средневековой мостовой Рис.II. Великий Новгород, раскоп Троицкий XIII, строение педолитоседиментов Рис. III. Великий Новгород, раскоп Десятинный-I, погребенные почвы и нижняя часть ПЛС. Содержание Р2О5 в кутанах до 7,6% Рис. IV. Гермонасса – Тамань. ПЛС античного и средневекового времени (10 м), урбоминеральный слой с признаками лессовидности. 1 – исходная почва, чернозем Рис. 5. Фанагория, раскоп Верхний Город. Строение и свойства ПЛС.

педолитоседиментов неравномерно. Содержание органического углерода невысокое (до 1%) и увеличивается в черноземе (2,27%), сформированном на городских отложениях. Содержание фосфора по сравнению с исходными почвами повышено (до 1,2%), но заметно ниже по сравнению с ПЛС Великого Новгорода, и сравнимо с Москвой и Ярославлем.

Культурные отложения Гермонассы начали накапливаться с VI в. до н.э, но отличие от Фанагории, Гермонасса (впоследствии Тмутаракань, Матрега, Тамань) функционирует с незначительными перерывами и по сей день. Мощность городских ПЛС, сформированных за лет, составляет в среднем около 10 м, из них к античному времени и средневековью относится по 5 м.

Под городскими отложениями Гермонассы залегает чернозем, сформировавшийся на лессе, на поверхности ПЛС – слаборазвитый чернозем (Рис. 6, IV – цветная вставка).

Рис. 6. Гермонасса. Строение и свойства ПЛС Хотя исходные почвы Гермонассы и Фанагории разные, ПЛС этих городов сходны по строению и свойствам. Причем по морфологическим и аналитическим данным средневековые слои не отличаются от античных. В ПЛС Гермонассы содержание органического вещества невысокое (Сорг – до 1,2%), рН щелочной и сильнощелочной (8,1-9,5), карбонатов до 5,7%, P2O до 1,2%. Гранулометрический состав, как и для ПЛС Фанагории – суглинистый.

Почвы и культурный слой Танаиса, расположенного на высокой цокольной террасе Дона, сложенной известняками миоцена и перекрытыми лессом, имеют много общего с таковыми Гермонассы и Фанагории. Палеопочва, как и дневные почвы, сформировавшиеся в течение VIXX вв., являются черноземами. ПЛС Танаиса относятся к урбо-минеральным, они каменистые, среднесуглинистые, малогумусные (Сорг до 1,5%), щелочные (рН до 8,4). Содержание карбонатов (до 7,75%) и фосфора (2,65%) высокое. Однако мощность их невысока (2-2,5 м). Это связано с практикой повторного использования в строительстве камня, в изобилии здесь встречающегося, и слабым поступлением мелкозема, характерным для городов, строившихся из сырцового кирпича. В черноземе на поверхности слоя Сорг 3,7%; pH 7,7; P2O5 – 2,9%.

Таким образом, в древних городах лесной и степной зон в течение античного времени и средних веков сформировались мощные педолитоседименты, легко и среднесуглинистые, в основном карбонатные, щелочные. Активно ощелачиваются и погребенные под ними почвы.

Следовательно, погребенная почва, ПЛС и почва на поверхности формируются под воздействием взаимосвязанных процессов педогенеза и диагенеза и могут рассматриваться, как единая педолитогенная толща. В ПЛС городов первой группы нижняя, часто основная, часть городских отложений представлена урбо-органическим слоем, содержащим до 95% остатков древесины и «торфообразного» органического вещества. В них много фосфора, встречается карбонатный материал, но при этом прослеживаются процессы подкисления, с гидроморфизмом (подтоплением) связана миграция соединений фосфора. Верхняя часть отложений представлена урбо-органо-минеральным слоем, преимущественно легко суглинистым, богатым карбонатами и фосфором. В ПЛС городов второй группы идет минерализация органического вещества, частичная его гумификация и существенное снижение мощности. Основную часть толщи составляет урбо-минеральный слой. В ПЛС городов третей группы развиты урбо-минеральные слои с признаками лессовидности, в максимальной степени выражены процессы деструкции органического вещества и ощелачивания.

Глава 4. Пространственно-временные изменения почвенно-геохимической среды древних Важнейшим фактором формирования городской среды является поступление в почвы и отложения разнообразных химических элементов. Человек с давних пор активно вовлекал и вовлекает в среду своего обитания новые элементы, изменяя ее химический состав (Евдокимова, 1986; Кайданова, 1991; Thornton, 1991; Александровская, 1996). Источниками их поступления могут быть такие виды деятельности человека, как строительство, металлургическое производство, металлообработка, производство лаков и красок, гончарное ремесло, кожевенное производство и многие другие виды деятельности, Также отмечается (Александровская, Александровский, 2003, 2007).

Установлено, что содержание загрязнителей в ПЛС городов повышено начиная с самых ранних слоев, но в погребенной почве резко снижается и обычно не превышает фоновых значений (Евдокимова, 1986; Alexandrovskaya et al., 2000). Этому во многом способствует щелочная и слабощелочная среда характерная для городских педоседиментов и почв. Вместе с тем, отмечаются случаи миграции соединений фосфора и их проникновения в погребенную почву.

Содержание кальция в культурных отложениях всех исследованных городов, от Великого Новгорода до Гермонассы (Тамани) существенно выше кларковых значений. Это связано с поступлением большого количества карбонатного материала (известь, обломки известняка, зола). Отмечается некоторое снижение карбонатности в органогенных слоях Великого Новгорода, однако, не сопровождаемое снижением содержания кальция.

Среднее содержание калия, железа, титана в культурном слое не отличается от кларковых значений. Накопление марганца, особенно в слоях пожаров (до 6000 мг/кг), обусловлено повышенным содержанием данного элемента в древесине, и особенно характерно для деревьев, выросших во влажных условиях (береза, ольха, ива) (Александровская и др., 2001).

накапливающиеся в ПЛС всех городов. Нахождение в городских слоях меди и свинца, вполне закономерно – они использовались человеком в различных производствах и в быту с давних времен. Цинк поступал в отложения городов, в основном при металлургии, являясь примесью в руде или сырье, но также мог поступать с остатками рыбы, в которых этот элемент накапливается в чешуе и жабрах (Александровская, Александровский, 2003). Например, в слоях Танаиса насыщенных рыбьей чешуей содержание цинка достигает максимальных значений для культурного слоя этого города (210 мг/кг).

Во всей толще культурных отложений Великого Новгорода обнаруживается накопление цинка и меди (до 1545 и 167 мг/кг соответственно). В отличие от них мышьяк и свинец, по историческим и археологическим данным также широко применявшиеся в прошлом, накапливаются в основном только в верхней части отложений, в урбо-органо-минеральном слое (до 10 и 290 мг/кг соответственно). Следовательно, в отложениях города мышьяк и свинец не столь стабильны, как цинк и медь.

В педолитоседиментах Ярославля и Москвы содержание кальция, фосфора и тяжелых металлов также заметно выше, чем в фоновых почвах, но несколько ниже, чем в отложениях В.

Новгорода. При этом в Москве (объект Теплые ряды) отмечается более высокое содержание цинка в органогенном слое раскопа 1 (до 760 мг/кг), по сравнению с раскопом 2 (до 150 мг/кг), в котором органогенный слой отсутствует. Это является подтверждением большой сорбционной способности урбо-органического слоя. Однако, в данном случае, повышенная сорбция отчетливо проявляется по отношению к цинку. Поведение же меди в органическом и минеральном слоях примерно одинаково.

В Москве, на объекте Теплые ряды выявлены высокие концентрации олова в слоях нового времени (до 286 мг/кг). Данный элемент в ПЛС еще более подвижен, чем свинец, и в слоях ранее XVIII-XIX вв. никогда не встречается. Можно полагать, что характерное время нахождения свинца в слое, в который он поступил, редко превышает 300-500 лет, а олова – не более 200 лет. Медь и цинк могут сохраняться в слое более 1000 лет.

В изученных педолитоседиментах городов степной зоны (Фанагория, Тамань, Танаис) максимально выражено ощелачивание, очень мало органического вещества. В этих условиях накопление фосфора (среднее 1-1,5 %) и тяжелых металлов (медь до 80 мг/кг, цинк до мг/кг, свинец до 40 мг/кг) не достигает величин, характерных для городов лесной зоны, и особенно городов первой группы. Фанагория и Танаис являются античными городами, более древними, чем средневековые города лесной зоны. Поэтому большой интерес представляет Гермонасса (современная Тамань) в которой кроме античных имеются 5-метровые средневековые отложения. По данным почвенных и геохимических анализов, средневековые городские отложения этого города не отличается от античного. Для него характерны те же содержания органического углерода, карбонатов, фосфора и тяжелых металлов, что и для ПЛС античного времени.

В целом, в составе городских педоседиментов отмечается повышенное содержание следующих макро- и микроэлементов: кальция, фосфора, калия, марганца, цинка, меди, свинца, брома и мышьяка. Из этого ряда следует выделить 4 элемента (кальций, фосфор, цинк и медь), концентрация которых максимальна для всех культурных отложений городов лесной и степной зоны. Данные элементы характеризуются не только активным поступлением, но и большой устойчивостью.

Вместе с тем, проведенные исследования процессов накопления элементов, связанных с деятельностью человека, показывают существенные различия в их проявлениях между ПЛС городов, относящихся к трем выделенным нами группам, расположенных в разных географических условиях. Слабо увлажняемые или даже сухие педолитоседименты городов сухостепной зоны (третья группа), малогумусные, карбонатные, щелочные, содержат меньше фосфора и тяжелых металлов, чем влажные, органические, слабощелочные и нейтральные отложения городов лесной зоны с ослабленным дренажем (первая группа). Понижено содержание данных элементов и в отложениях городов второй группы (Москва, Ярославль).

Следовательно, важнейшим фактором накопления анторопогенных элементов в городских ПЛС является наличие мощного урбо-органического слоя, состоящего из древесины и торфообразного органического вещества, обладающих высокой сорбционной способностью.

Глава 5. Закономерности формирования и трансформации педолитоседиментов и Педолитоседименты городов представляют собой мощные закономерно построенные толщи, формирующиеся под воздействием последовательно и/или совместно протекающих процессов антропогенной седиментации, и педолитогенной трансформации. Так как седиментация идет быстро, почвенные процессы успевают лишь слабо переработать материал культурного слоя, который через относительно небольшое время оказывается на глубине 1,5– м и более, и уже подвергается воздействию иных, диагенетических процессов.

Рассматриваемые ПЛС резко различаются по своему генезису, составу, условиям залегания и характеру процессов их преобразования. В разных городах соотношения между урбоорганическим, урбо-органо-минеральным и урбо-минеральным слоями резко отличаются (табл.1).

Процессы седиментации в основном определяются накоплением строительного мусора, связанного с возведением, функционированием и разрушением построек (щепа, кирпич, известь, песок, глина). В несколько меньшем количестве накапливаются бытовой мусор (навоз, пищевые остатки, древесные остатки, кости, керамика) и производственный мусор (шлаки, остатки инструментов, выплески). Встречаются остатки печей (в том числе бытовых) и горнов, представленные зонами прокаленного грунта, горелые прослои (зола, угли).

Поступление бытовых и производственных отходов в большой степени определяют уровень накопления фосфора, тяжелых металлов и других элементов. Также встречаются подсыпки, выбросы материнской породы из ям, прослойки аллювия и делювия, почвы. В связи со всем вышесказанным, антропогенные седименты города обычно резко отличаются от естественных почв и подстилающих отложений. Они характеризуются слоистостью, во влажных условиях накапливаются органические слои (торфообразная масса со щепой), в сухих - минеральные (карбонатные опесчаненные суглинки).

Почвенные процессы выражены в формировании самостоятельных профилей слаборазвитых почв, соответствующих периодам замедления или полной остановки седиментации, а также в появлении почвенных признаков, рассеянных в толще культурного слоя (Александровский, 1997).К ним относятся копролиты и ходы червей, карбонатные и железо-марганцевые новообразования, а также кутаны из вивианита (керченита) на поверхности структурных отдельностей и включений.

Таблица 1. Основные свойства ПЛС, почвенно-геохимическая среда древних городов.

Великий Нижний 100(120)ТМ (Десятинный- ОС, XI–XV вв.