Spatial distribution of the magnetic properties in the surface and buried soils of Suzdal Opolie

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Magnetic properties of soils depend on the initial properties of soil-forming material and a number of post-sedimentary processes. Within the uplands in the center and south of the East European Plain, the heterogeneity of spatial distribution of magnetic properties correlates closely with the soil-cover heterogeneity caused by the paleocryogenic microtopography. Differences in magnetic susceptibility are sufficient to form a pronounced geophysical contrast recorded by ground magnetic survey; however, that method has rarely been applied in soil studies. The origin and age of magnetic fraction in thin soil-sedimentary strata of mantle loam remain disputable. This study aims to determine the patterns of the spatial distribution of magnetic properties in surface Late Pleistocene–Holocene pedolithocomplexes by the example of the Suzdal Plateau. A set of magnetic methods was used, including field and laboratory measurements of volume and mass magnetic susceptibility parameters, as well as a detailed magnetic survey. As a result, datasets that characterize magnetic heterogeneity at scales from individual lithogenic units and morphological elements of soil profiles to elementary soil areals constituting a soil combination of texturally differentiated agrozems, agrogray, and agrosoddy- podzolic soils were obtained and compared. It is revealed that the magnetic fraction of pedogenic and pyrogenic origin concentrated in the material of humus horizons in the Late Glacial and Holocene soils represents the main source of magnetic anomalies. The results of this study can be used for soil-cover pattern studies, reconstruction of the Late Pleistocene—Holocene environment, and interpretation of geophysical data.

About the authors

V. A. Lobkov

Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences; Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: vasilylobkov@igras.ru
ORCID iD: 0000-0001-5296-1725
Russian Federation, Moscow, 119017; Moscow, 119991

I. G. Shorkunov

Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences; Lomonosov Moscow State University

Email: vasilylobkov@igras.ru
Russian Federation, Moscow, 119017; Moscow, 119991

E. V. Garankina

Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences; Lomonosov Moscow State University

Email: vasilylobkov@igras.ru
Russian Federation, Moscow, 119017; Moscow, 119991

V. A. Shevchenko

Lomonosov Moscow State University; Institute of Archaeology of the Russian Academy of Sciences

Email: vasilylobkov@igras.ru
Russian Federation, Moscow, 119991; Moscow, 117292

References

  1. Александровский А.Л. Эволюция почв Восточно-Европейской равнины в голоцене. М.: Наука, 1983. 150 с.
  2. Александровский А.Л. Эволюция почв низких террас озера Неро // Почвоведение. 2011. № 10. С. 1155–1167. https://doi.org/10.31857/S0032180X22020022
  3. Александровский А.Л., Чендев Ю.Г., Юртаев А.А. Почвы со вторым гумусовым горизонтом и палеочерноземы как свидетельства эволюции педогенеза в голоцене на периферии лесной зоны и в лесостепи (обзор) // Почвоведение. 2022. № 2. С. 147–167. https://doi.org/10.31857/S0032180X22020022
  4. Алексеев А.О. Оксидогенез железа в почвах степной зоны. Автореф. дис. … д-ра биол. наук. М., 2010. 48 с.
  5. Алехин С.В., Квятковская Г.Н. Геологическая карта СССР масштаба 1: 200 000. Серия Московская. Лист O-37-XXXV. Объяснительная записка. М.: ВГФ, 1970. 149 с.
  6. Алешинская А.С., Кочанова М.Д., Макаров Н.А., Спиридонова Е.А. Становление аграрного ландшафта Суздальского Ополья в средневековье (по данным археологических и палеоботанических исследований) // Российская археология. 2008. № 1. С. 35–47.
  7. Алифанов В.М. Палеокриогенез и современное почвообразование. Пущино, 1995. 318 с.
  8. Алифанов В.М., Вагапов И.М., Гугалинская Л.А. Распределение магнитной восприимчивости в профилях сложных палеокриоморфных почв // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 1–8. С. 2028–2031.
  9. Бабанин В.Ф. Зависимость магнитной восприимчивости почв от условий прокаливания // Биол. науки. 1974. № 7. С. 118–122.
  10. Бабанин В.Ф., Трухин В.И., Карпачевский Л.О. Магнетизм почв. М.–Ярославль, 1995. 222 с.
  11. Бердников В.В. Палеокриогенный микрорельеф центра Русской равнины. М.: Наука, 1976. 126 с.
  12. Вагапов И.М., Алексеев А.О. Магнитная восприимчивость в оценке пространственной и профильной неоднородности почв, обусловленная палеоэкологическими факторами // Известия РАН. Сер. географическая. 2015. № 5. С. 99–106. https://doi.org/10.15356/0373-2444-2015-5-99-106
  13. Вагапов И.М., Гугалинская Л.А., Алифанов В.М. Закономерности варьирования магнитной восприимчивости в профилях палеокриоморфных почв // Почвоведение. 2013. №. 3. С. 322–322. https://doi.org/10.7868/S0032180X13030118
  14. Вадюнина А.Ф., Бабанин В.Ф. Магнитная восприимчивость некоторых почв СССР // Почвоведение. 1972. № 10. С. 55–65.
  15. Величко A.A., Морозова Т.Д., Нечаев В.П., Порожнякова О.М. Палеокриогенез, почвенный покров и земледелие. М.: Наука, 1996. 150 с.
  16. Водяницкий, Ю.Н. Минералы железа как память почвенных процессов // Память почв: почва как память биосферно-геосферно-антропосферных взаимодействий. М.: ЛКИ, 2008. С. 289–313.
  17. Гольева А.А. Фитолитные комплексы почв и культурных слоев Владимирского ополья // Перигляциал Восточно-Европейской равнины и Западной Сибири. Матер. Всерос. науч. конф. Ростов Великий, 25–26 августа 2023 г. М.: 2023. С. 36–41.
  18. Ерохин С.А., Модин И.Н., Паленов А.Ю., Шевнин В.А. Картирование реликтовых криогенных полигональных структур с помощью геофизических методов // Инженерные изыскания. 2011. № 11. С. 30–34.
  19. Золотая Л.А., Коснырева М.В. Георадиолокационные исследования при решении задач почвенной геофизики // Геофизика. 2015. № 2. С. 16–22.
  20. Карта почвенно-экологического районирования Российской Федерации. Масштаб 1 : 2 500 000 / Под ред. Добровольского Г.В., Урусевской И.С. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2013. 16 листов.
  21. Коснырева М.В. Разработка комплекса геофизических методов для решения прикладных задач почвенного картирования. Автореферат дис. ... канд. геол.-мин. наук. М.: 2007. 22 с.
  22. Коснырева М.В., Золотая Л.А. Геофизические методы в почвоведении. Lambert Academic Publishing, 2011. 132 с.
  23. Лобков В.А., Шоркунов И.Г., Гаранкина Е.В., Беляев В.Р., Шеремецкая Е.Д., Модин И.Н., Ерохин С.А., Красникова А.М., Шевченко В.А., Скобелев А.Д. Ревизия роли реликтовой криогенной морфоскульптуры в ландшафтной структуре Суздальского ополья с применением методов геофизики и палеопочвоведения // Пути эволюционной географии – 2021. Вып. 2. Матер. II Всерос. науч. Конф., посвященной памяти профессора А.А. Величко. Москва, 22–25 ноября 2021 г. Т. 2., 2021. С. 197–201.
  24. Лобков В.А., Шоркунов И.Г., Гаранкина Е.В., Шеремецкая Е.Д. Пространственная организация почвенного покрова на модельном участке Владимирского ополья // Перигляциал Восточно-Европейской равнины и Западной Сибири. Матер. Всерос. науч. конф. Ростов Великий, 25–26 августа 2023 г. М.: ИГ РАН, 2023. С. 55–64.
  25. Макаров Н. А., Красникова А.М., Ерохин С.А. Первые результаты новых исследований могильника Гнездилово под Суздалем // Краткие сообщения Института археологии. 2021. № 264. С. 7–29.
  26. Макеев А.О. Поверхностные палеопочвы лёссовых водоразделов Русской равнины. М.: Молнет, 2012. 259 с.
  27. Малышев В.В., Алексеев А.О. Сравнение площадных и профильных показателей магнитной восприимчивости степных почв Восточно-Европейской равнины // Почвоведение. 2023. № 7. С. 843–852. https://doi.org/10.31857/S0032180X22601591
  28. Матасова Г.Г. Магнетизм позднеплейстоценовых лессово-почвенных отложений Сибирской субаэральной формации. Автореферат дис. … д-ра геол.-мин. наук. Казань, 2006. 36 с.
  29. Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества почв как природные гидрофобно-гидрофильные соединения. М.: ГЕОС, 2009. 186 с.
  30. Минаев Н.В. Цифровая модель почвенно-ландшафтных связей Владимирского ополья. Автореферат дис. … канд. биол. наук. М.: 2020. 23 с.
  31. Модин И.Н., Ерохин С.А., А. М. Красникова, Шоркунов И.Г., Шевченко В.А., Скобелев А.Д. Геофизические исследования не выраженного на поверхности средневекового некрополя Шекшово-9 (Суздальское Ополье) // Вестник Моск. Ун-та. Сер. 4, геология. 2020. № 6. С. 3–15. https://doi.org/10.33623/0579-9406-2020-6-3-15
  32. Модин И.Н., Ерохин С.А., Шевченко В.А., Красникова А.М. Влияние фонового почвенно-геологического разреза на эффективность геофизических исследований в археологии (Суздальское ополье) // Геофизика. 2022. № 6. С. 106–114.
  33. Модин И.Н., Шевченко В.А., Ерохин С.А., Красникова А.М. Геофизические исследования курганного некрополя Гнездилово-12 (Суздальское Ополье) // Вестник Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2023. № 5. С. 3–12. https://doi.org/10.55959/MSU0579-9406-4-2023-63-5-3-12
  34. Сычева С.А. Палеомерзлотные события в перигляциальной области Русской равнины в конце среднего и в позднем плейстоцене // Криосфера Земли. 2012. T. 16. № 4. С. 45–56.
  35. Фролова Л.С., Шоркунов И.Г., Гаранкина Е.В., Лобков В.А., Шеремецкая Е.Д., Шишкина Ю.В. Морфологическая диагностика реликтов позднеплейстоценового педогенеза в дневных почвах Владимирского ополья // Перигляциал Восточно-Европейской равнины и Западной Сибири. Матер. Всерос. науч. конф. Ростов Великий, 25–26 августа 2023 г. М.: ИГ РАН, 2023. С. 167–175.
  36. Чижикова Н.П., Карпова Д.В. Особенности пространственного распределения минеральных компонентов почвенных сочетаний агросерых почв со вторым гумусовым горизонтом Владимирского ополья // Почвоведение. 2016. № 9. С. 1107–1117. https://doi.org/10.7868/S0032180X16090021
  37. Шеин Е.В., Калинин Т.Г., Дембовецкий А.В. Агрофизические свойства почв, их мониторинг в комплексном почвенном покрове Владимирского ополья // Современные тенденции в научном обеспечении агропромышленного комплекса. Иваново: ФГБНУ Верхневолжский ФАНЦ, 2020. С. 90–93.
  38. Шеин Е.В., Кирюшин В.И., Корчагин А.А., Мазиров М.А., Дембовецкий А.В., Ильин Л.И. Оценка агрономической однородности и совместимости почвенного покрова Владимирского ополья // Почвоведение. 2017. № 10. С. 1208-1215. https://doi.org/10.7868/S0032180X17100112
  39. Arkhangelskaya T.A. Diversity of thermal conditions within the paleocryogenic soil complexes of the East European Plain: The discussion of key factors and mathematical modeling // Geoderma. 2014. V. 213. P. 608–616. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2013.04.001
  40. Dearing J. Environmental Magnetic Susceptibility Using the Bartington MS2 System (Second Edition). Chi Publishing, 1999. 43 p.
  41. Dearing J.A., Dann R.J.L., Hay K., Lees J.A., Loveland P.J., Maher B.A., O’Grady K. Frequency-dependent susceptibility measurements of environmental materials // Geophys. J. Int. 1996. 124. P. 228–240.
  42. Garankina E., Lobkov V., Shorkunov I., Sheremetskaya E. Fine-scale heterogeneity of Suzdal plateau: deposits, paleosols, and relict periglacial features // Valdai Periglacial Field Symposium Guidebook, 27–30 August 2023 [Electronic edition]. M., 2023. P. 121–149.
  43. Garankina E.V., Lobkov V.A., Shorkunov I.G., Belyaev V.R. Identifying relict periglacial features in watershed landscape and deposits of Borisoglebsk Upland, Central European Russia // JGS. 2022. V. 179. P. jgs2021–135. https://doi.org/10.1144/jgs2021-135
  44. Hounslow M.W., Maher B.A. Laboratory procedures for quantitative extraction and analysis of magnetic minerals from sediments // Environmental Magnetism: A Practical Guide. Quarternary Research Association Technical Guide. No. 6. London. 1999. P. 139–189.
  45. Jordanova D., Jordanova N., Petrov P. Pattern of cumulative soil erosion and redistribution pinpointed through magnetic signature of Chernozem soils // Catena. 2014. V. 120. P. 46–56. https://doi.org/10.1016/j.catena.2014.03.020
  46. Jordanova N., Jordanova D., Henry B., Le Goff M., Dimov D., Tsacheva T. Magnetism of cigarette ashes // J. Magn. Magn. Mater. 2006. V. 301. P. 50–66. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2005.06.008
  47. Költringer C., Stevens T., Bradák B., Almqvist B., Kurbanov R., Snowball I., Yarovaya S. 2021. Enviromagnetic study of Late Quaternary environmental evolution in Lower Volga loess sequences, Russia // Quat. Res. 2021. 103. P. 49–73. https://doi.org/10.1017/qua.2020.73
  48. Le Borgne E. The influence of iron on the magnetic properties of the soil and on those schists and granite // Ann. De Geophys. 1960. V. 16. P. 159–195.
  49. Liu Q., Jin C., Hu P., Jiang Z., Ge K., Roberts A.P. Magnetostratigraphy of Chinese loess–paleosol sequences // Earth Sci. Rev. 2015. 150. P. 139–167. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2015.07.009
  50. Maher B.A. Magnetic properties of modern soils and Quaternary loessic paleosols: paleoclimatic implications // Palaeogeog. Palaeoclimat. Palaeoecol. 1998. 137. P. 25–54.
  51. Maher B.A., Taylor R.M. Formation of ultrafine-grained magnetite in soils // Nature. 1988. 336. P. 368–370.
  52. Peters C., Thompson R., Harrison A., Church M. Low temperature magnetic characterisation of fire ash residues // Phys. Chem. Earth. 2002. 27. № 31. P. 1355–1361. https://doi.org/10.1016/S1474-7065(02)00133-X
  53. Till J.L., Moskowitz B., Poulton S.W. Magnetic properties of plant ashes and their influence on magnetic signatures of fire in soils // Front. Earth Sci. 2021. № 8. P. 592659. https://doi.org/10.3389/feart.2020.592659

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Appendix 1
Download (663KB)
Indexing metadata
3. Appendix 2
Download (598KB)
Indexing metadata
4. Fig. 1. Structure of key areas. (a) Schematic diagram of RCM organization and inherited structure of sediments and soil cover. EPA boundaries: 1 – clear; 2 – blurred; 3 – cryomorphic areas within RCM; sediments: 4 – sediment thickness I–V; 5 – deluvial lenses VI–VII; 6 – second humus horizon; paleocryogenic structures: 7 – A; 8 – B–C; 9 – wells; 10 – pits. (b) soil-geological profile through the main elements of leveled RCM: (I) EPA of texturally differentiated agrozems with relict carbonate horizon; (II) EPA of agro-gray and agro-sod-podzolic soils with relict VGG. To illustrate the structure of the nodal junction, data from Gn26 (upper part of the formation) and Gn02 (lower part of the formation) are transferred to the profile. Horizon and feature indices are given in accordance with the Classification and Diagnostics of Soils in Russia (2004).

Download (928KB)
Indexing metadata
5. Fig. 2. Interpolation maps of the anomalous magnetic field (ΔTa) of key areas superimposed on satellite images (Google Earth): (a) Gnezdilovo-12, general plan; (b) Gnezdilovo-12, a detailed area with ΔTa isolines at 2 nT; (c) Oak Grove, general plan; (d) Oak Grove, a detailed area. Legend: red dotted rectangles are detailed areas; yellow polygons are test pits; yellow line is the profile (see Fig. 1); black circles are boreholes; ΔTa values in nT.

Download (986KB)
Indexing metadata
6. Fig. 3. Spatial variation of the magnetic field using the second-generation interblock (Gn01) as an example: (a) 3D visualization of the pit structure; (b) κ distribution (units ×10–3 SI) on vertical and horizontal sections; (c) distribution of κ (fill, units ×10–3 SI) and χLF (circles, units ×10–6 m3/kg) on the western wall. The red cross marks the position of the bright red-brown lens in the cross-section of wedge B.

Download (839KB)
Indexing metadata
7. Fig. 4. Distribution of χLF and χFD: (a) profile distribution of χLF; (b) profile distribution of χFD; (c) scatterplot of parameters for the full sample. Regression lines: purple – for the full sample; green – for the sample without samples from wedge A. Spatial position of columns (Fig. 1 and 2). Designations of units and contained structures (Table 1). Samples from the morphons of the second humus horizon (SHH) and the bright red-brown lens (Pyr) are marked separately.

Download (559KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences