Moraine weathering in cold, arid bioclimatic conditions: a case study of the Kargy river valley, South-Western Tuva

Abstract

Выветривание горных пород относится к одной из фундаментальных проблем естествознания и имеет длительную историю исследования. На современном этапе развития науки решение вопросов, стоящих в рамках этой проблемы, требует реализации междисциплинарного подхода, а именно использования методов, применяемых в биологии, геологии и физической географии. Знания об особенностях физико-географических условий исследуемой территории, о минералогическом составе морен, а также о составе и строении биообрастаний на их поверхности позволяют выявить основные закономерности в выветривании горных пород. Эти данные вносят существенный вклад в решение таких вопросов, как относительного датирования морен, которое включает в себя ряд параметров, отражающих степень выветрелости породы. Данные междисциплинарные исследования особенно актуальны для труднодоступных слабоизученных горных регионов – зон дегляциации, примером которых и является долина р. Каргы (горный Алтай, Юго-Западная Тува). Объекты исследования – моренные отложения (плотные породы) отобраны в верховье долины р. Каргы в качестве материала для относительного датирования и микроскопических исследований. Для выявления особенностей физико-географических условий, в которых протекало выветривание образцов морен, на основании обзора литературных данных приведена комплексная физико-географическая характеристика территории исследования. Выявлены особенности геологического строения, геоморфологических и биоклиматических условий для современного выветривания морен на ключевом участке. На основании метода математической статистики обоснованы знак и степень изменчивости основных климатических параметров и их совместные тренды за доступные для метеорологических наблюдений временные интервалы (1963-2019 гг.). Показано, что выветривание образцов морен протекало в неоднородных климатических условиях. Учитывая, что интенсивность выветривания пород, во многом, зависит от их минералогического состава, определен состав образцов морен в петрографических шлифах. Показано, что образцы морен представлены сланцами, легко подверженными механическому разрушению, в отличие от более устойчивых к выветриванию гранитов, слагающих базовый объект горный массив Монгун-Тайга, расположенный рядом с территорией исследования. Для выявления особенностей выветривания на микроуровне произведен анализ образцов морен с помощью сканирующей электронной микроскопии. Выявлено, что агентами выветривания морен являются микроэкосистемы – биопленки. Определен состав и строение биообрастаний. Показано, что биопленки развиваются на поверхности плотных пород крайне неравномерно и оказывают разрушающее воздействие на каменистый субстрат (биологическое выветривание). На поверхности образцов на макроуровне зафиксировано наличие железистой корки (один из параметров для относительного датирования морен) – результат химического выветривания. Полученные в результате междисциплинарных исследований данные об особенностях выветривания морен в условиях, приближенных к экстремальным, позволяют экстраполировать результаты на труднодоступные территории с похожими климатическими условиями.

Rock weathering is one of the fundamental scientific problems and it has a long history of research. At the present stage of the development of science, the solution of the issues facing this problem requires the implementation of an interdisciplinary approach, namely, the use of methods used in biology, geology and physical geography. Knowledge about the features of the physical and geographical conditions of the study area, about the mineralogy composition of moraines, as well as about the composition and structure of biofouling on their surface allows us to identify the main patterns in the weathering of rocks. These data make a significant contribution to the solution of such issues as the relative dating of moraines, which includes a number of parameters that reflect the degree of weathering of the rock. These interdisciplinary studies are particularly relevant for hard-to-reach poorly studied mountain regions – zones of deglaciation, an example of which is the valley of the Kargy River (the Altai, South-Western Tuva). The objects of the study – moraine deposits (dense rocks) were selected in the upper reaches of the Karga River valley as a material for relative dating and microscopic studies. To identify the features of the physico-geographical conditions in which the moraine samples were weathered, a comprehensive physico-geographical characteristic of the study area is presented on the basis of a review of the literature data. The features of the geological structure, geomorphological and bioclimatic conditions for the modern weathering of moraines in the key area are revealed. Based on the method of mathematical statistics, the sign and degree of variability of the main climatic parameters and their joint trends over the available for meteorological observations time intervals (1963-2019) are justified. It is shown that the weathering of moraine samples occurred in inhomogeneous climatic conditions. Taking into account that the intensity of rock weathering largely depends on their mineralogy composition, the composition of moraine samples in petrographic thin sections is determined. It is shown that the samples of moraines are represented by shales that are easily subject to mechanical destruction, in contrast to the more resistant to weathering granites that make up the base object of the Mongun-Taiga mountain range, located near the study area. To identify the features of weathering at the micro level, moraine samples were analyzed using scanning electron microscopy. It was revealed that the agents of moraine weathering are microecosystems – biofilms. The composition and structure of biofouling was determined. It is shown that biofilms develop extremely unevenly on the surface of dense rocks and have a destructive effect on the dense rock (biological weathering). On the surface of the samples, the presence of a weathering rind at the macro level (one of the parameters for the relative dating of moraines) is revealed – the result of chemical weathering of rock. The data obtained as a result of interdisciplinary research on the features of moraine weathering in conditions close to extreme conditions allow us to extrapolate the results to hard-to-reach areas with similar climatic conditions.