نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 کارشناسی ارشد گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
2 استاد گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
چکیده
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Extended Abstract
Introduction
Vesicular horizons are common on the surface of landforms in arid regions and play an important role in the hydrological properties and pedogenic processes in these areas. Vesicular pores are a characteristic feature of vesicular horizons and include separate pores with spherical to elliptical shapes and dimensions of micrometers to millimeters in diameter (Dietze et al., 2012). The eastern region of Isfahan located in the eastern part of the Zayandehroud River basin is affected by environmental disasters due to severe environmental drought, destructive human activities, and desertification processes. Although vesicular horizons are frequent in the soils and landforms of the eastern region of Isfahan (Bayat et al., 2018), there is no information about the geochemical and mineralogical properties of these horizons. The aim of the present study was to investigate the physical, chemical, geochemical, and mineralogical properties of vesicular horizons at different elevation levels of three landforms in the eastern region of Isfahan.
Materials and Methods
The study area is located in the center of Iran, east of Isfahan and around Segzi Playa. According to the meteorological stations of the region, the mean annual precipitation and temperature are about 107 mm and roughly 15 ˚C, respectively. Groundwater in piedmonts and plateaus of the region is deep and there are no signs of groundwater activity in the studied soils and landforms. The studied landforms include a remnant paleosurface across the Zayandehroud River (RP), a pediment in Jey industrial city (JP), and an alluvial fan near the Zefreh (ZA). Seven samples of vesicular horizons were taken from vesicular horizons in RP (at altitudes of 1542 and 1552 m), ZA (altitudes of 1623, 1764, and 1901 m), and JP (at altitudes of 1542 and 1557 m) landforms. The samples were described according to Schoenberger (2012) and analyzed regarding standard methods (Soukup et al., 2008; Soil Survey Staff, 2014).
Results and Discussion
The thickness of the studied vesicular horizons varied in the range of 3-6 cm, and on the alluvial fan, the thickness of the horizon increases with increasing the elevation. The chemical properties of the studied samples indicated very low electrical conductivity and organic carbon content and were similar to vesicular horizons in the Mojave Desert of California (McFadden et al., 1998). The particle size distribution indicated the predominance of sand particles in all samples and all samples were characterized by a bimodal distribution of particle sizes suggesting the contribution of at least two mechanisms in the transfer of particles to the studied vesicular horizons (Karimi et al., 2017; Sweeney et al., 2013). Mineralogical analysis of the samples showed the predominance of quartz and calcite in all samples and varied concerning the presence of mica and fibrous minerals. It seems that quartz is inherited from the parent material while calcite and mica minerals originated from the parent material and were also added by the wind. Fibrous minerals were probably of autogenic origin. The geochemical properties of the samples were consistent with the mineralogical results and showed the abundance of SiO2 and CaO in all samples. Among the trace elements, the highest abundance is observed in the strontium, which is due to the association of this element with carbonates (Ding et al., 2019). A comparison of geochemical properties of vesicular horizons with associated rocks showed the enrichment of SO3 and CaO relative to corresponding parent material indicating the addition of soluble ions, carbonates, and especially gypsum to the surface of the studied landforms. The Zr/Al ratio showed an increasing trend with increasing the silt content which proved the aeolian source of the silt particles as previous studies have shown a very strong correlation between aeolian sediments and the element zirconium (e.g., Waroszewski et al., 2018).
Conclusions
Increasing the amount of silt and the ratio of fine-grained particles to sand with increasing the elevation indicated the role of aeolian processes in adding fine-grained particles to the surfaces of different landforms of eastern Isfahan. Mineralogical and geochemical evidence also confirms the effect of dust on the formation of these horizons, so that the addition of mica minerals along with silt particles has occurred at higher altitudes. The geochemical study of vesicular horizons and application of Zr/Al ratios show that the composition of past and current dust in eastern Isfahan was the origin of dust for different landforms of the region is the same.
Finally, the existence of developed vesicular horizons in the surfaces of the landforms of the region demonstrates long-term processes of wind erosion and dust influx into the soils. These natural processes are probably intensified by anthropogenic activities in recent years.
Keywords: Aeolian Processes, Dust Addition, Alluvial Fan, Bulk Mineralogy.
References
- Anderson, K., Wells, S., & Graham, R. (2002). Pedogenesis of vesicular horizons, Cima volcanic field, Mojave Desert, California. Soil Science Society of America Journal, 66(3), 878-887.
- Bayat, O., Karimzadeh, H. R., Eghbal, M. K., Karimi, A., & Amundson, R. (2018). Calcic soils as indicators of profound Quaternary climate change in eastern Isfahan, Iran. Geoderma, 315, 220-230.
- Blair, T. C., & McPherson, J. G. (2009). Processes and forms of alluvial fans. In A.J. Parsons and A. D. Abrahams (Eds.) Geomorphology of Desert Environments (pp. 413-466). Springer, Berlin, Germany.
- Brown, K. J., & Dunkerley, D. (1996). The influence of hillslope gradient, regolith texture, stone size and stone position on the presence of a vesicular layer and related aspects of hillslope hydrologic processes: A case study from the Australian arid zone. Catena, 26(1-2), 71-84.
- Carolin, S. A., Walker, R. T., Day, C. C., Ersek, V., Sloan, R. A., Dee, M. W., Talebian, M., & Henderson, G. M. (2019). Precise timing of abrupt increase in dust activity in the Middle East coincident with 4.2 ka social change. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(1), 67-72.
- Chen, B., Yang, X., Jiang, Q., Liang, P., Mackenzie, L. L., & Zhou, Y. (2022). Geochemistry of aeolian sand in the Taklamakan Desert and Horqin Sandy Land, northern China: Implications for weathering, recycling, and provenance. Catena, 208, 105769.
- Dietze M., Bartel, S., Lindner, M., & Kleber, A. (2012). Formation mechanisms and control factor of vesicular soil structure. Catena, 99, 83-96.
- Ding, M., Peng, S. M., Zhang, W., Zhao, Q., Mao, L., Yang, J., & Zhang, L. (2019). Distribution of trace elements in Holocene loess-paleosol sequence and environmental change in lower reaches of the yellow river. Journal of Earth and Environmental Science, 237(3), 032052.
- Gee, G. W., & Bauder, J. W. (1986). Particle-size analysis, In A. Klute (Ed.), Methods of Soil Analysis Part 1, Physical and Mineralogical Methods (pp. 383-412). Second Edition. Soil Science Society of America, Book Series No. 5. SSSA and ASA, Madison, Wisconsin, USA.
- Gerson, R., & Amit, R. (1987). Rates and modes of dust accretion and deposition in an arid region- the Negev, Israel. In L.E. Frostick and I. Reid (Eds.), Desert Sediments: Ancient and Modern (pp. 157-169). Blackwell Scientific Publications, Oxford, UK.
- Gheysari, F., Ayoubi, S., & Abdi, M. R. (2016). Using Cesium-137 to estimate soil partivle redistribution by wind in an arid region of central Iran. Eurasian Journal of Soil Science, 5(4), 285-293.
- Han, F. X., & Singer, A. (2007). Biogeochemistry of trace elements in arid environments. Springer.
- Harris, W., & White, G. N. (2008). X-ray diffraction techniques for soil mineral identification, In A.L. Ulery and R. Drees (Eds.), Methods of Soil Analysis, Part 5- Mineralogical Methods (pp. 81-115). Soil Science Society of America, Madison, USA.
- Jones, S., Arzani, N., & Allen, M. B. (2014). Tectonic and climatic controls on fan systems: The Kohrud mountain belt, central Iran. Journal of Sedimentary Geology, 302, 29-43.
- Karimi, A., Khormali, F., & Wang, X. (2017). Discrimination of sand dunes and loess deposits using grain-size analysis in northeastern Iran. Arabian Journal of Geoscience, 10(12), 1-13.
- Loeppert, R. H., & Suarez, D. L. (1996). Carbonate and gypsum. In D. L. Sparks (Ed.), Methods of Soil Analysis: Part 3, Chemical Methods. Second Edition. (pp. 961-1010). Soil Science Society of America, Inc. American Society of Agronomy, Inc. Madison, Wisconsin, USA.
- May, J. H., Wells, S. G., Cohen, T. J., Marx, S. K., Nanson, G. C., & Baker, S. E. (2015). A soil chronosequence on Lake Mega-Frome beach ridges and its implications for late Quaternary pedogenesis and paleoenvironmental conditions in the drylands of southern Australia. Quaternary Research, 83(1), 150-165.
- McFadden, L. D., McDonald, E. V., Wells, S. G., Anderson, K., Quade, J., & Forman, S. L. (1998). The vesicular layer and carbonate collars of desert soils and pavements: Formation, age, and relation to climate change. Journal of Geomorphology, 24(2-3), 101-145.
- McFadden, L. D., Wells, S. G., & Jercinovich, M. J. (1987). Influences of eolian and pedogenic processes on the origin and evolution of desert pavements. Journal of Geology, 15(6), 504-508.
- Mohammed, A., Hirmas, D., Nemes, A., & Giménez, D. (2020). Exogenous and endogenous controls on the development of soil structure. Geoderma, 357, 113945.
- Neaman, A., & Singer, A. (2011). The effects of palygorskite on chemical and physico-chemical properties of soils. In E. Galan. & A. Singer (Eds.), Developments in Palygorskite-sepiolite Research (pp. 325-349). Developments in Clay Science, Vol. 3, Elsevier, the Netherlands.
- Nelson, D. W., & Sommers, L. E. (1996). Total carbon, organic matter. In D. L. Sparks (Ed.), Methods of Soil Analysis: Part 3, Chemical Methods. Second Edition. (pp. 961-1010). Soil Science Society of America, Inc. American Society of Agronomy, Inc. Madison, Wisconsin, USA
- Omran, E. E. (2016). A simple model for rapid gypsum determination in arid soils. Journal of Modelling Earth Systems and Environment, 2(4), 1-12.
- Schaetzl, T. J., & Thompson, M. L. (2015). Soils Genesis and Geomorphology. Cambridge: Cambridge University Press.
- Scheib, A. J., Birke, M., & Dinelli, E. (2013). Geochemical evidence of aeolian deposits in European soils. Boreas, 43(1), 175-192.
- Schoeneberger, P. J., Wysocki, D. A., &Benham, E. C. (2012). Field book for describing and sampling soils. Version 3.0. Natural Resources Conservation Service, National Soil Survey Center, Lincoln, NE.
- Soil Survey Staff. (2014) Kellogg soil survey laboratory methods manual. Soil Survey Investigations Report No. 42, Version 5.0. R. Burt and Soil Survey Staff (Ed.). U.S. Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service.
- Soukup, D. A., Buck, B. J., & Harris, W. (2008). Preparing soils for mineralogical analyses. In A. L. Ulery & R. Drees (Eds.), Methods of soil analysis, part 5- mineralogical methods (pp. 13-31). Soil science society of America, Madison, USA.
- Sweeney, M. R., McDonald, E. V., & Markley, C. E. (2013). Alluvial sediment or playas: What is the dominant source of sand and silt in desert soil vesicular a horizons, southwest USA. Journal of Geophysical Research, 118(1), 257-275.
- Thomas, G. W. (1996). Soil pH and soil acidity, methods of soil analysis; Part 3 Chemical Methods. Soil Science Society of America Book Series.
- Toomanian, N., & Salami, H. R. (2020). Structural evolution of the Zayandeh-rud river basin based on historical climate changes. In S. Mohajeri, L. Horlrman, A. A. Besalatpour & W. Raber (Eds.), Standing up to Climate Change, (pp. 199-224). Springer, Cham, Switzerland.
- Turk, J., & Graham, R. C. (2011). Distribution and properties of vesicular horizons in the western United States. Soil Science Society of America Journal, 75, 1449-1461.
- Waroszewski, J., Sprafke, T., Kabala, C., Musztyfaga, E., Labaz, B., & Wozniczka, P. (2018). Aeolian silt contribution to soils on mountain slopes (Mt. Sleza, southwest Poland). Journal of Quaternary Research, 89(3), 702-717.
- Young, M. H., McDonald, E. V., Caldwell, T. G., Benner, S. G., & Meadows, D. (2004). Hydraulic properties of a desert chronosequence in the Mojave Desert, USA. Vadose Zone Journal, 3(3), 956-963.
کلیدواژه‌ها [English]
مقدمه
افق‌های وزیکولار معمولاً در زیر سنگ‌فرش بیابانی خاک‌های مناطق خشک دنیا تشکیل می‌شوند و نقش مهمی در ویژگی‌های هیدرولوژیک و تکامل پدوژنیک خاک‌های مناطق خشک دارند. تکامل افق‌های وزیکولار طی زمان سبب تشکیل سله و کاهش چشمگیر ظرفیت نفوذپذیری خاک‌ها، تشدید خشکی هیدرولوژیک برای گیاهان، ایجاد رواناب سطحی و تأثیر بر فرایندهای ژئومورفیک در مناطق خشک می‌شود (McFadden et al., 1987; Young et al., 2004; Turk and Graham, 2011). منافذ وزیکولی از ویژگی‌های مشخصة این افق‌هاست که منافذی جدا از هم با شکل‌های کروی تا بیضوی و با ابعادی در اندازة میکرومتر تا میلی‌متر هستند (Dietze et al., 2012). مطالعات نشان داده که ساختار وزیکولی منافذ در افق‌های وزیکولار با چندین فرایند حاصل شدهاست؛ شامل اول، به‌دام افتادن هوا و جابه‌جایی ذرات خاک طی خیس‌شدن خاک، دوم، گرم‌شدن هوای زیر سنگ‌فرش بیابانی و آزادشدن گاز دی‌اکسیدکربن در اثر گرم‌شدن خاک‌های آهکی، سوم، آزادشدن دی‌اکسیدکربن به دلیل تنفس خاک و چهارم، تکرار وقایع خیس‌شدن و خشک‌شدن یا انجماد و ذوب (McFadden et al., 1987; Turk and Graham, 2011). مقادیر زیاد ذرات شن در افق وزیکولار سبب ایجاد منافذ وزیکولی بزرگ‌تر و گردتر می‌شود؛ در حالی که کربنات کلسیم اثر معکوس دارد (Dietze et al., 2012). به‌طورکلی تکامل افق‌های وزیکولار با تشکیل منافذ حباب‌مانند وزیکولی و سپس با بزرگ‌شدن و اتصال منافذ و درنهایت با تخریب منافذ وزیکولی و تشکیل ساختمان ستونی و صفحه‌ای در خاک رخ می‌دهد (Young et al., 2004; Mohammed et al., 2020).
مطالعة روند تکاملی افق‌های وزیکولار در مناطق خشک جنوب استرالیا نشان داد که تکامل این افق‌ها به‌طور مستقیم به شیب اراضی و ابعاد سنگ‌ریزه‌ها بستگی دارد و اراضی با شیب کمتر و سنگ‌ریزه‌های کوچک‌تر، افق‌های وزیکولار تکامل‌یافته‌تری دارند (Brown and Dunkerley, 1996). ریشة گیاهان نیز بر منافذ وزیکولی شدیداً مؤثر است و مهم‌ترین عامل محدودکنندة منافذ وزیکولی در خاک محسوب می‌شود. ریشه‌ها با جذب آب و ایجاد مسیر ترجیحی برای جریان آب، ایجاد مسیر برای خروج هوا طی گسترش جبهة رطوبتی و تخریب فیزیکی منافذ طی رشد سبب تخریب منافذ وزیکولی می‌شوند و بنابراین افق‌های وزیکولار بیشتر در مناطق خشک با پوشش پراکندة گیاهی و بارش سالانة کمتر از 350 میلی‌متر مشاهده می‌شوند (Dietze et al., 2012).
افق‌های سطحی وزیکولار هنوز به‌عنوان یک افق مشخصة اصلی یا یک ویژگی حاصل از فرایند خاک‌سازی در سامانة رده‌بندی خاک آمریکایی (Schoenberger et al., 2012) معرفی نشده‌اند؛ با این حال این افق با نماد Av و در مواردی با عنوان یک افق اصلی با علامت V و در صورتی که حاوی کربنات‌های ثانویه باشد، با علامت Avk (McFadden et al., 1998; May et al., 2015) و در صورت تجمع رس با علامت Avt (Anderson et al., 2002) نمایش داده می‌شود. تجمع کربنات‌های ثانویه و رس در افق‌های وزیکولار به افزایش پایداری و مقاومت این افق‌ها درمقابل فرایندهای تخریب منجر می‌شود (Anderson et al., 2002; Dietze et al., 2012).
منطقة شرق اصفهان در بخش شرقی حوضة آبخیز رودخانة زاینده‌رود و در فلات مرکزی ایران قرار گرفته و در حال حاضر به دلیل خشکی شدید محیطی، فعالیت‌های انسانی مخرب و بیابان‌زایی، وضعیت زیست‌محیطی آن به‌شدت بحرانی است. منطقة سگزی در شرق اصفهان به دلیل شرایط خاص توپوگرافی و اکولوژی در حال حاضر یکی از کانون‌های بحران زیست‌محیطی و فرسایش بادی کشور محسوب می‌شود (بخشنده‌مهر و همکاران، 1392؛ پیری، 1396). با توجه به نزدیکی دشت سگزی به شهر اصفهان، شهرک‌های صنعتی و همچنین فرودگاه اصفهان و از سوی دیگر، وضعیت بحرانی فرسایش بادی و بیابان‌زایی در منطقه، مطالعات متعددی دربارة بیابان‌زایی، تخریب اراضی و فرسایش خاک در این منطقه انجام شدهاست؛ ازجمله بررسی فرایندهای فرسایش بادی در منطقة سگزی اصفهان با تله‌های نمونه‌بردار از ذرات غبار در ارتفاعات مختلف (کریم‌زاده، 1381)، کاربرد مدل‌های فرسایش بادی (اختصاصی و زارع چاهوکی، 1395)، استفاده از شبکة باور بیزی (network belief Bayesian) (بوعلی و همکاران، 1396)، استفاده از غبارسنج دیجیتال (پیری، 1396) و استفاده از تکنیک سزیم-137 (Gheysari et al., 2016). درمجموع وقوع فرایندهای بیابان‌زایی و فرسایش بادی در این منطقه عمدتاً به تأثیر فعالیت‌های مخرب انسانی (مانند زهکشی اراضی و کاهش رطوبت خاک، چرای بی‌رویه، برداشت غیراصولی گچ و استفادة نامناسب از اراضی) (کریم‌زاده، 1381؛ پیری، 1396) به‌ویژه طی یکصد سال اخیر نسبت داده شدهاست (تومانیان و همکاران، 1387).
با وجود تشکیل افق‌های وزیکولار در سطح خاک‌ها و لندفرمهای منطقة شرق اصفهان (کریم‌زاده، 1381؛ بیات 1386) تاکنون مطالعة جامعی دربارة این افق‌ها در این کانون بحرانی زیست‌محیطی انجام نشده‌است. مطالعة حاضر با هدف بررسی ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی، ژئوشیمیایی و کانی‌شناسی افق‌های وزیکولار در سطوح ارتفاعی لندفرمهای مختلف اطراف پلایای سگزی در منطقة شرق اصفهان انجام شد.
مواد و روش‌ها
منطقة مطالعه
منطقة مطالعه در مرکز ایران و در شرق شهر اصفهان و در اطراف پلایای سگزی قرار دارد (شکل 1). شرق اصفهان از دیدگاه زمین‌شناسی، در زون سنندج- سیرجان واقع است (جعفریان، 1365) و ساختار کوه- دشت (Basin and Range) دارد که درنتیجة فعالیت‌های کوه‌زایی دوران سوم و تا حدودی اوایل کواترنری است (جعفریان، 1365؛ کریم‌زاده، 1381؛ بیات، 1386). آخرین فاز رسوب‌گذاری مخروط‌افکنه‌ای در منطقة شرق اصفهان طی دورة مرطوب هولوسن ابتدایی تا میانی رخ داده‌است (Jones et al., 2014). مطالعات پیشین نشان می‌دهد که منطقة شرق اصفهان تغییرات محیطی بسیار شدیدی از میوسن تاکنون تجربه کرده‌است (تومانیان و همکاران، 1387؛ بیات و همکاران، 1392). همچنین ترکیب ایزوتوپی کربنات‌های پدوژنیک در خاک‌های منطقه نشان می‌دهد تغییرات رطوبتی این منطقه با افزایش خشکی محیطی از پلیستوسن میانی تاکنون همراه بوده‌است (Bayat et al., 2018).
شکل 1. موقعیت منطقة مطالعه و محل نقاط نمونه‌برداری از افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده در اطراف پلایای سگزی، شرق اصفهان
Fig. 1. Location of study area and sampling points of vesicular horizons around the Segzi playa, eastern Isfahan
براساس آمار ایستگاه هواشناسی شرق اصفهان در بازة زمانی 1997 تا 2015، اقلیم فعلی منطقة خشک و میانگین بارندگی و دمای سالانه به ترتیب حدود 107 میلی‌متر و 3/15 درجة سلسیوس است. جهت وزش باد غالب در منطقة اصفهان در بیشتر ماههای سال غربی است؛ اما نکتة بسیار مهم آن است که در ماههای گرم و خشک سال (خرداد- شهریور) جهت وزش باد غالب شرقی است که با توجه به خشک‌بودن سطح اراضی در این موقع از سال، امکان انتقال غبار از منطقة شرق اصفهان به شهر اصفهان را ایجاد می‌کند (کریم‌زاده، 1381). سرعت آستانة فرسایش بادی در دشت سگزی 5/3 متر بر ثانیه است و با وقوع بادهای با سرعت 12 تا 16 متر بر ثانیه امکان انتشار گرد و غبار تا شهر اصفهان وجود دارد (پیری، 1396).
پوشش گیاهی طبیعی منطقة مطالعه‌شده بسیار پراکنده و عمدتاً شامل بوته‌های بیابانی با مسیر فتوسنتزی C3 است (بیات، 1386). کاربری اراضی دشت سگزی در حال حاضر شامل کشت آبی (عمدتاً گندم، جو و صیفی‌جات)، اراضی لخت و بدون استفاده (شوره‌زار)، اراضی مسکونی، شهرک‌های صنعتی، کوره‌های آجرپزی و گچ‌پزی و معادن شن است. آب زیرزمینی در مخروط‌افکنه‌ها و فلات‌های منطقه عمیق است و اثری از فعالیت آب زیرزمینی در خاک‌ها و لندفرمهای مطالعه‌شده مشاهده نشد.
مطالعات صحرایی و آزمایشگاهی
لندفرمهای مطالعه‌شده شامل سطوح قدیمی باقی‌مانده در جنوب منطقه با شیب عمومی بسیار کم (بیات، 1386)، مخروط‌افکنة زفره با میانگین شیب حدود 2 درصد، شعاع حدود 3/6 کیلومتر و مساحت حدود 309 کیلومترمربع و با غالب‌بودن سنگ‌های آتشفشانی بازالتی، آندزیتی و همچنین سنگ‌های دولومیتی در شمال شرق (Jones et al., 2014) و پدیمنت شهرک صنعتی جی در شمال غرب منطقة مدنظر است (شکل 1).
تعداد هفت نمونه از افق‌های وزیکولار شامل دو نمونه RP1 و RP2 از سطوح قدیمی باقی‌مانده در دو سطح ارتفاعی 1539 و 1549 متر، سه نمونه ZA1، ZA2 و ZA3 از مخروط‌افکنة زفره در سه سطح ارتفاعی 1623، 1764 و 1901 متر و دو نمونه JP1 و JP2 از پدیمنت شهرک صنعتی در دو سطح ارتفاعی 1542 و 1557 متر برداشت شد. ویژگی‌های نقاط نمونه‌برداری در جدول 1 آورده شدهاست. همچنین سنگ همراه با افق‌های وزیکولار برای آزمایش‌های کانی‌شناسی و ژئوشیمیایی انجام شد.
جدول 1. ویژگی‌های مکانی و محیطی نقاط نمونه‌برداری از افق‌های وزیکولار در شرق اصفهان
Table 1. The geographic and environmental characteristics of the sampling points of vesicular horizon in eastern Isfahan
کد نمونه
Sample code طول جغرافیایی
Latitude عرض جغرافیایی
Longitude ارتفاع (متر)
Elevation (m) لندفرم
Landform زمین‌شناسی
Geology
Remnant paleosurface سطوح قدیمی باقی‌مانده
RP1 52 06 14E 32 26 31N 1542 Remnant of gravelly alluvial paleosurface Coarse gravelly alluvial deposits
RP2 52 11 55E 32 24 19N 1552
Zefreh alluvial fan مخروط‌افکنة زفره
ZA1 52 10 42E 32 45 10N 1623 Alluvial fan Alluvial from cretaceous igneous rocks
ZA2 53 13 35E 32 48 58N 1764
ZA3 52 15 06E 32 52 25N 1901
پدیمنت شهرک صنعتی جی Jey pediment
JP1 51 51 47E 32 40 55N 1542 Pediment Alluvial from limestone and shale
JP2 51 51 04E 32 40 59N 1557
وضعیت منافذ افق‌های وزیکولار مطابق با راهنمای تشریح خاک‌رخ (Schoenberger et al., 2012) بررسی و شاخص تکامل افق وزیکولار با استفاده از ضخامت و ویژگی‌های منافذ (ابعاد و فراوانی) مطابق با روش Turk and Graham (2011)محاسبه شد. در این روش، نخست مشخصات منافذ خاک کمّی می‌شود و سپس اعداد به‌دست آمده پس از نرمال‌شدن، در ضخامت افق وزیکولار ضرب می‌شوند. به‌منظور دریافت جزئیات بیشتر دربارة نحوة محاسبة این شاخص به منبع Turk and Graham (2011) مراجعه شود.
نمونه‌ها پس از برداشت از صحرا و انتقال به آزمایشگاه و هوا خشک‌شدن، از الک دو میلی‌متر عبور داده شدند. درصد حجمی سنگ‌ریزه (2 میلی‌متر تا 5/7 سانتی‌متر) اندازه‌گیری شد. توزیع اندازة ذرات به روش پیپت (Gee and Bauder, 1986) تعیین و جداسازی اجزای شن و سیلت به ترتیب به روش الک خشک و روش پیپت انجام شد. ذرات شن در پنج طبقه شن خیلی درشت (1- 2 میلی‌متر)، شن درشت (5/0- 1 میلی‌متر)، شن متوسط (25/0- 5/0 میلی‌متر)، شن ریز (1/0- 25/0 میلی‌متر) و شن خیلی ریز (05/0- 1/0 میلی‌متر) و ذرات سیلت در سه طبقه سیلت درشت (20- 50 میکرون)، سیلت متوسط (5- 20 میکرون) و سیلت ریز (2- 5 میکرون) و رس (کمتر از 2 میکرون) تفکیک شد. منحنی تجمعی ذرات برای افق‌های مطالعه‌شده با استفاده از مقادیر تجمعی ذرات و اندازة ذرات در مقیاس فی (لگاریتم منفی قطر ذره در پایه 2) رسم شد.
ویژگی‌های هدایت الکتریکی (EC) و واکنش خاک (pH) در نسبت 2:1 آب به خاک اندازه‌گیری شد (Thomas, 1996). مقدار کربن آلی خاک به روش اکسایش تر (Nelson and Sommers, 1996) و کربنات کلسیم معادل به روش تیتراسیون برگشتی (Loeppert and Suarez, 1996) انجام شد. کانی‌شناسی کلی ذرات به روش پودری و با استفاده از روش تفرق اشعة ایکس در زاویة 2Ө بین 2 تا 80 درجه مطالعه (Soukup et al., 2008) و شناسایی کانی‌ها مطابق با روش‌های استاندارد و کاربرد نرم‌افزار Xpert highscore انجام شد (Harris and White, 2008). عناصر اصلی و کمیاب در نمونه‌های وزیکولار و همچنین سنگ‌های همراه به روش اسپکتروسکوپی فلورسنس اشعة ایکس (X-ray fluorescence: XRF) اندازه‌گیری شد.
یافته‌ها
ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی افق‌های وزیکولار
افق‌های وزیکولار بررسی‌شده در زیر سنگ‌فرش بیابانی تشکیل شده‌اند (شکل 2). سنگ‌ریزه‌ها در سطوح باقی‌ماندة قدیمی شدیداً گرد شدند و در سطح مخروط‌افکنه‌ها ذرات زاویه‌دار بودند. مقادیر سنگ‌ریزه در سطوح باقی‌ماندة قدیمی و پدیمنت شهرک صنعتی جی بیش از 50 درصد و در مخروط‌افکنة زفره کمتر و در دامنة 18 تا 32 درصد بود (جدول 2). وجود این سنگ‌ریزه‌ها سبب ایجاد زبری در سطح زمین و میکروتوپوگرافی در منطقه شدهاست (شکل 2). وجود زبری سطحی می‌تواند سبب تلاطم در جریان هوا، جداسازی و رسوب‌گذاری ذرات غبار شود (Gerson and Amit, 1987; McFadden et al., 1998). ضخامت افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده در محدودة 3 تا 6 سانتی‌متر در منطقه متغیر بود و روی مخروط‌افکنة زفره با افزایش ارتفاع ضخامت افق بیشتر می‌شد (جدول 2). ضخامت افق‌های وزیکولار معمولاً کم و در بیابان‌های جنوب غرب ایالات متحدة آمریکا بین 5/0 تا 8 سانتی‌متر (McFadden et al., 1992; Sweeney et al., 2013) و در جنوب استرالیا 5/1 تا 5 سانتی‌متر گزارش شدهاست (May et al., 2015).
شکل 2. سنگ‌فرش بیابان در سطح مخروط‌افکنة زفره همراه با پوشش گیاهی بسیار کم و پراکنده (سمت راست)؛
افق وزیکولار تشکیل‌شده در زیر سنگ‌فرش بیابانی (سمت چپ)
Fig. 2. Desert pavement on the Zefreh alluvial fan (right-side image) with sparse vegetation;
The vesicular horizon beneath the desert pavement (left-side image)
جدول 2. بعضی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده
Table 2. Selected physical and chemical properties of the studied vesicular horizons
هدایت الکتریکی
EC کربن آلی
Organic carbon کربنات کلسیم معادل
CCE سنگ‌ریزه
Gravel شن
Sand سیلت
Silt رس
Clay (Si+C)/S بافت
Texture pH ضخامت (سانتی‌متر)
Thickness (cm) کد نمونه
Sample code
dS/m %
Remnant paleosurface سطوح قدیمی باقی‌مانده
1.5 0.27 40.3 53 63.5 28.8 7.8 0.57 SL 7.5 4 RP1
9 0.11 40.5 38 47.7 44.3 8.6 1.1 L 7.7 5
RP2
Zefreh alluvial fan مخروط‌افکنة زفره
2.2 0.13 24.1 23 72.1 20.1 7.8 0.38 SL 7.1 3 ZA1
0.2 0.13 22 32 71.1 25.4 3.5 0.40 SL 7.3 5 ZA2
0.2 0.15 22.3 18 56.6 30.2 4.2 0.52 SL 7.8 6 ZA3
پدیمنت شهرک صنعتی جی Jey pediment
0.2 0.23 56.5 53 64.3 28.3 7.4 0.55 SL 8 6 JP1
0.9 0.23 54.8 50 59.6 34.8 5.6 0.67 SL 7.9 5 JP2
افق‌های مطالعه‌شده شوری زیادی نداشتند و EC آنها 2/0 تا 2/2 دسی‌زیمنس بر متر متغیر بود؛ جز نمونة RP2 که در نزدیکی یک میکروپلایای بسیار شور (سیان نمکی) قرار گرفته‌است و EC آن 9 دسی زیمنس بر متر بود (جدول 2). با توجه به موقعیت سطوح باقی‌ماندة قدیمی و نبود آب زیرزمینی، شوری سطحی این افق احتمالاً به دلیل انتقال نمک به‌وسیلة گرد و غبار است. مقادیر pH افق‌های مطالعه‌شده در محدودة 1/7 تا 0/8 و میزان کربنات کلسیم معادل 22 تا 56 درصد متغیر بود (جدول 2). این افق‌ها فاقد کربنات ثانویه بودند و کربنات‌های موجود منشأ اولیه داشتند. مقادیر کربن آلی در تمام نمونه‌ها کم و در محدودة 11/0 تا 27/0 درصد بود (جدول 2) که به علت حاکمیت اقلیم خشک و پوشش گیاهی بسیار پراکنده در منطقه است (شکل 2).
نتایج توزیع اندازة ذرات نشان‌دهندة غالب‌بودن ذرات شن در تمام نمونه‌ها بود و همة نمونه‌ها حاوی مقادیر کم رس (کمتر از 10 درصد) بودند. این موضوع حاکی از هوادیدگی بسیار کم در نمونه‌ها و ورود ذرات از منشأ محلی و فواصل نزدیک به درون افق‌هاست. جز نمونة فلات سیان با بافت لوم، بقیة افق‌ها بافت لوم شنی داشتند (جدول 2). در همة نمونه‌ها، شن درشت و سیلت درشت، دو بخش غالب خاک بودند (شکل 3). نکته جالب توجه اینکه مقادیر شن خیلی ریز، خیلی کم بود و دربین دو بخش غالب سیلت درشت و شن ریز قرار گرفته است و آنها را جدا می‌کند. در شکل 3 نیز نمودار تجمعی توزیع ذرات نشان داده شده که در اندازة فی 3 (محدودة شن خیلی ریز) شیب نمودار کاهش یافته است که نشان از کم‌شدن ناگهانی این بخش از ذرات دارد و ذرات خاک را به دو بخش تقسیم کرده‌است.
شکل 3. نمودارهای فراوانی ستونی توزیع اندازة ذرات (شکل‌های بالا) و نمودارهای تجمعی توزیع اندازة ذرات نمونه‌های برداشت‌شده از لندفرمهای مطالعه‌شده؛ رس C:؛ سیلت ریز FSi:؛ سیلت متوسط MSi:؛ سیلت درشت CSi:؛ شن خیلی ریز VFS:؛ شن ریز FS:؛ شن متوسط MS:؛ شن درشت CS:؛ شن خیلی درشت VCS:
Fig. 3. Frequency histograms (top images) cumulative curves of particle size distribution of the studied vesicular horizons; C: Clay, FSi: Fine silt, MSi: Medium silt, CSi: Coarse silt, VFS: Very fine sand, Fs: Fine sand, MS: Medium sand, CS: Coarse sand, VCS: Very coarse sand
شاخص افق وزیکولار
مقادیر شاخص افق وزیکولار محاسبه‌شده برای نمونه‌های مدنظر در جدول 3 نشان داده شده که این شاخص در دامنة 81/0 تا 27/3 متغیر است (جدول 3).
جدول 3. فراوانی قطر منافذ و شاخص افق وزیکولار (VHI) برای افق‌های مطالعه‌شده
Table 3. Pores diameter frequency vesicular horizon index (VHI) of the studied vesicular horizons; M: Many, C: Common, F: Few
کد نمونه
Sample code منافذ خیلی ریز
(کمتر از 1 میلی‌متر) منافذ ریز
(1 تا 2 میلی‌متر) منافذ متوسط
(2 تا 5 میلی‌متر) شاخص افق وزیکولار
VHI
Remnant paleosurface سطوح قدیمی باقی‌مانده
RP1 M C F 2.18
RP2 - - - -
Zefreh alluvial fan مخروط‌افکنة زفره
ZA1 F C - 0.81
ZA2 M C - 1.81
ZA3 F M M 3.27
پدیمنت شهرک صنعتی جی Jey pediment
JP1 F F - 1.26
JP2 M M C 3.18
ویژگی‌های کانی‌شناسی
پراش‌نگاشت‌های افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده در شکل 4 نشان داده شدهاست. وجود پیک‌های 26/4، 04/3، 46/2، 13/2، 98/1 و 82/1 آنگستروم و پیک‌های 86/3، 04/3، 84/2 و 50/2 آنگستروم به‌ترتیب نشان‌دهندة وجود کانیهای کوارتز و کلسیت در تمام افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده است. مقادیر نیمه‌کمّی کانی‌ها در نمونه‌های مدنظر در جدول 4 نمایش داده شدهاست که نشان‌دهندة فراوانی کانیهای کوارتز و کلسیت به‌عنوان کانیهای اصلی در خاک‌های مطالعه‌شده هستند.
شکل 4. پراش‌نگاشت‌های XRDنمونه‌های پودری افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده؛ کلسیت Cal:، بیوتیت Bt:، کوارتز Qz:، موسکویت Ms:، کائولینیت Kln:، سپیولیت Sep:، پالیگورسکیت Plg
Fig. 4. XRD diffractograms of powdery samples of vesicular horizons; Cal: Calcite, Bt: Biotite, Qz: Quartz, Ms: Muscuvite, Kln: Kaolinite, Sep: Sepiolite, Plg: Palygorskite
جدول 4. نوع و مقادیر کانیهای موجود در افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده
Table 4. The kind and amount of minerals in the studied vesicular horizons
کائولینیت
Kaolinite سپیولیت
Sepiolite پالیگورسکیت
Palygorskite موسکویت
Muscovite بیوتیت
Biotite انهیدریت
Anhydrite گچ
Gypsum کلسیت
Calcite کوارتز
Quartz کد نمونه
Sample code
Remnant paleosurface سطوح قدیمی باقی‌مانده
n.d. n.d. XX n.d. XX tr n.d. XXXX XXX RP1
n.d. n.d. n.d. XX n.d. n.d. n.d. XXXXX XXX RP2
Zefreh alluvial fan مخروط‌افکنة زفره
n.d. XX n.d. n.d. n.d. n.d. XX XXX XXXXX ZA1
n.d. n.d. n.d. XXX n.d. n.d. n.d. XXX XXXX ZA2
n.d. n.d. n.d. XX X n.d. n.d. XXX XXXXX ZA3
پدیمنت شهرک صنعتی جی Jey pediment
n.d. XX n.d n.d. XX n.d. n.d. XXXX XXX JP1
XX n.d. n.d. XX XX n.d. n.d. XXXX XXX JP2
کانیهای میکایی در مقادیر کمتر نسبت به کانیهای کوارتز و کلسیت وجود داشتند و به‌وسیلة پیک‌های 51/4، 46/2 و 98/1 آنگستروم برای کانی بیوتیت در سطح قدیمی باقی‌مانده، بالاترین سطح مخروط‌افکنة زفره و هر دو سطح مخروط‌افکنة شهرک صنعتی جی شناسایی شدند؛ در حالی که کانی میکایی مسکویت در فلات سیان و سطوح میانی و بالایی مخروط‌افکنة زفره با پیک‌های 46/4، 20/3، 55/2 و 47/2 آنگستروم مشخص شدهاست. کانی گچ فقط در پایین‌ترین نقطة مخروط‌افکنة زفره و با پیک‌های 56/7، 27/4، 06/3، 87/2 و 68/2 آنگسترومی شناسایی شد و سطوح قدیمی باقی‌مانده هم حاوی مقادیر بسیار کم کانی انهیدریت با پیک‌های 87/3 و 47/2 آنگستروم بود.
کانیهای فیبری پالیگورسکیت و سپیولیت فقط در بعضی نمونه‌ها شناسایی شدند. پالیگورسکیت فقط در نمونة RP1 و با پیک‌های 4/10، 4/6 و 54/1 آنگسترومی وجود داشت. سپیولیت فقط در پایین‌ترین سطوح مخروط‌افکنة زفره (ZA1) و پدیمنت شهرک صنعتی (JP1) و به‌وسیلة پیک‌های 60/7، 50/4، 36/3 و 54/1 آنگسترومی شناسایی شد (جدول 5). همراهی سپیولیت و گچ در پایین‌ترین سطح مخروط‌افکنة زفره و پالیگورسکیت و انهیدریت در فلات بهاران مشاهده شد.
ویژگی‌های ژئوشیمیایی
ویژگی‌های ژئوشیمیایی عناصر اصلی و کمیاب در جدول 5 نشان داده شدهاست. فراوان‌ترین عناصر اصلی در تمام نمونه‌های مطالعه‌شده، SiO2 و CaO هستند که با نتایج کانی‌شناسی و فراوانی کانیهای کوارتز و کلسیت در تمام نمونه‌ها همخوانی دارد. فراوانی اکسیدهای آهن و آلومینیوم در نمونه‌های مطالعه‌شده به دلیل حضور این عناصر در آلومینوسیلیکات‌هاست (Chen et al., 2022). در بین عناصر کمیاب، بیشترین فراوانی در عنصر استرانسیوم مشاهده شد که به دلیل همراهی این عنصر با کربنات‌هاست (Ding et al., 2019). در بین عناصر دیگر، غلظت بسیار زیاد کبالت (129 میلی‌گرم بر کیلوگرم) در سطوح باقی‌ماندة قدیمی مشاهده می‌شود که در مقایسه با میانگین جهانی کبالت در خاک‌ها (10 تا 15 میلی‌گرم بر کیلوگرم) خیلی بیشتر است (Han and Singer, 2007). با توجه به اینکه در شرایط قلیایی خاک‌های مطالعه‌شده، بسیاری از عناصر غیرمتحرک هستند (Schaetzl and Thompson, 2015)، مقایسة ترکیب عنصری افق‌های وزیکولار و سنگ همراه برای عناصر متحرک انجام شد که در بخش تفسیر نتایج و بحث به تفصیل بررسی می‌شود.
جدول 5. غلظت عناصر اصلی و فرعی در افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده و سنگ همراه
Table 5. Concentration of major and trace elements in the vesicular horizons and associated coarse fragments
کد نمونه
Sample code SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 P2O5 SO3 LOI Co Cr Ni Sr V Zr Zr/Al2O3
(×10-5)
% mg kg-1
Remnant paleosurface سطوح قدیمی باقی‌مانده
RP1 61/35 93/9 31/5 76/19 70/3 68/1 52/1 52/0 19/0 34/1 24/22 129 18 88 900 17 8 0/9
RP2 65/37 29/9 88/3 63/19 54/3 59/1 26/1 59/0 19/0 32/1 04/21 16 30 72 653 16 10 0/12
Coarse fragment 20/39 35/10 82/5 69/17 68/3 47/0 22/2 42/0 07/0 06/0 54/19 12 88 69 553 53 177 -
Zefreh alluvial fan مخروط‌افکنة زفره
ZA1 19/31 77/8 38/6 89/16 97/3 94/1 38/1 57/0 n.d. 85/5 16/25 32 11 79 153 15 4 1/5
ZA2 52/41 44/9 55/5 32/14 72/3 09/2 49/1 63/0 24/0 14/0 22/21 21 12 87 150 16 8 5/9
ZA3 05/40 52/9 40/5 63/14 72/3 13/2 51/1 60/0 22/0 13/0 17/22 22 55 22 682 16 12 1/14
Coarse fragment 30/45 97/9 67/5 72/11 16/3 96/1 77/2 73/0 15/0 03/0 24/18 59 146 26 879 152 125 -
پدیمنت شهرک صنعتی جی Jey pediment
JP1 88/30 93/8 54/5 75/25 5/4 55/0 39/1 50/0 26/0 16/0 38/23 77 32 26 184 19 12 0/15
JP2 65/37 29/9 88/3 63/19 54/3 59/1 26/1 59/0 19/0 32/1 10/21 12 22 33 155 18 11 2/13
Coarse fragment 72/9 02/2 47/1 59/46 16/1 44/0 87/0 12/0 05/0 039/0 10/37 36 18 30 262 34 22 -
بحث
ویژگی‌های شیمیایی نمونه‌های مطالعه‌شده، نشان‌دهندة مقادیر بسیار اندک شوری، کربن آلی و pH قلیایی آنها بود (جدول 1) که مشابه افق‌های وزیکولار در بیابان موهاوی کالیفرنیا هستند (McFadden et al., 1998). به‌نظر می‌رسد که فراوانی کربنات‌ها نقش مهمی در کنترل pH داشته‌است (Schaetzl and Thompson, 2015).
بررسی نمودارهای توزیع اندازة ذرات نشان داد که تمام افق‌های مطالعه‌شده توزیع دونمایی (Bimodal)، یکی در بخش شن و دیگری در بخش سیلت، داشتند (شکل 3). شن خیلی ریز کمترین مقدار ذرات را تشکیل می‌داد و به‌صورت مشخص دو گروه شن و سیلت را جدا کرده‌است. وجود الگوی توزیع دونمایی در افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده نشان‌دهندة منشأ دوگانة ذرات و فعال‌بودن دست‌کم دو فرایند در انتقال ذرات به افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده است (Sweeney et al., 2013; Karimi et al., 2017).
با توجه به اینکه سطوح قدیمی باقی‌مانده شیب بسیار کم (شیب حدود 2/0 درصد) و فعالیت سیلابی بسیار محدود دارند، به‌نظر می‌رسد عمدة ذرات با فرایندهای بادرفتی (جهش و سوسپانسیون) به افق‌های سطحی این لندفرم منتقل شده باشند. در مخروط‌افکنه‌ها معمولاً با افزایش ارتفاع و نزدیک‌شدن به حوضة آبخیز آن، افزایش مقادیر ذرات درشت قابل انتظار است (Blair and McPherson, 2009)؛ اما افزایش ذرات ریز با ارتفاع در مخروط‌افکنه‌های مطالعه‌شده، نشان‌دهندة افزایش ذرات با فرایندهای بادرفتی و نقش طوفان‌های غبار در انتقال ذرات غبار به ارتفاعات بیشتر است. مطالعات نمونه‌برداری غبار به‌وسیلة تله‌های رسوب‌گیر هم نشان داده‌است ذرات غبار غالب در منطقة سگزی در ابعاد ذرات سیلت هستند (کریم‌زاده، 1381).
منحنی تجمعی توزیع اندازة ذرات (شکل 3) در سطوح قدیمی باقی‌مانده Sمانند است (شکل 3). این امر خیزش در ناحیة میانی منحنی را نشان می‌دهد که درواقع ناشی از اضافه‌شدن چشمگیر ذرات سیلت است (Karimi et al., 2017). در لندفرمهای دیگر، منحنی تجمعی عموماً شکل کروی دارد (شکل 3) که نشان‌دهندة تأثیر هر دو بخش شن و سیلت در محیط مخروط‌افکنه است. فقط در بالاترین سطح مخروط‌افکنة زفره منحنی کمی حالت Sشکل یافته‌است (شکل 3) که ناشی از اضافه‌شدن چشمگیر ذرات سیلت به این بخش است. در اندازة 3 فی در منحنی‌های تجمعی اندازة ذرات (شکل 3)، منحنی کمی تخت می‌شود که به دلیل این است که شن خیلی ریز در همة نمونه‌ها نسبت به سایر اجزا خیلی کمتر است و این وضعیت در نمودار فراوانی اندازة ذرات (شکل 3) به‌وضوح مشاهده می‌شود.
درمجموع در تمام لندفرمهای مطالعه‌شده، هم مقادیر ذرات سیلت و هم مقادیر نسبت سیلت + رس به شن با ارتفاع افزایش یافته‌است (جدول 2) و با توجه به اینکه هم مقدار ذرات ریز (سیلت + رس) (Brown and Dunkerley, 1996; Young et al., 2004) و هم ضخامت افق وزیکولار (Turk and Graham, 2011) شاخص‌های تکامل افق‌های Av محسوب می‌شوند، در منطقة شرق اصفهان با افزایش ارتفاع، تکامل افق‌های وزیکولار بیشتر می‌شود.
علاوه بر این مقادیر شاخص افق‌های وزیکولار (VHI) برای افق‌های مطالعه‌شده با افزایش ارتفاع زیاد می‌شود و بیشترین مقدار این شاخص در مرتفع‌ترین نقطة نمونه‌برداری، نمونة ZA3 در ارتفاع 1901 متر و نمونة JP2 در ارتفاع 1557متری پدیمنت شهرک صنعتی بود. افق وزیکولار در این مناطق به‌صورت اسفنجی‌شکل بود (شکل 5). این موضوع احتمالاً درنتیجة افزایش رطوبت در بخش بالایی لندفرم‌ها، تشدید فرایندهای خیس‌شدگی و خشک‌شدگی است که از مهم‌ترین فرایندهای تشکیل منافذ وزیکولی هستند (McFadden et al., 1987, 1998)؛ علاوه بر این، افزایش مقدار ذرات ریزدانه با افزایش ارتفاع نیز می‌تواند شرایط را برای تشکیل منافذ وزیکولی بهبود بخشیده باشد.
شکل 5. منافذ وزیکولی در نمونه‌های الف) RP1، ب) ZA1، ج) ZA3 و د) JP2
به توسعة حفره‌ها و اندازة بزرگ‌تر آنها در نمونه‌های ZA3 و JP2 دقت کنید.
Fig. 5. Vesicular pores in a) RP1, b) ZA1, c) ZA3 and d) JP2 samples; Note the expansion of pores and their larger size in the ZA3 and JP2 samples
کانیهای کلسیت و کوارتز، کانیهای غالب در لندفرم سطوح قدیمی باقی‌مانده با مواد مادری آهکی بودند. در سطوح قدیمی باقی‌مانده، کانی پالیگورسکیت همراه با انهیدریت و بیوتیت و در بخش شرقی (مقطع سیان) فقط مسکویت شناسایی شد (جدول 4). درمقابل در مخروط‌افکنة زفره کوارتز کانی اصلی بود و کلسیت ازنظر فراوانی در مکان دوم قرار داشت که بازتاب‌دهندة فراوانی مواد مادری آتشفشانی است. در بخش پایینی این لندفرم، کانی فیبری سپیولیت شناسایی شدهاست؛ در حالی که با افزایش ارتفاع در سطح مخروط‌افکنه، کانی فیبری حذف شدهاست و کانیهای میکایی (مسکویت و بیوتیت) افزایش یافته‌اند (جدول 4). با توجه به اینکه با افزایش ارتفاع، مقدار سیلت در سطح مخروط‌افکنة زفره افزایش می‌یابد (جدول 2) و از سوی دیگر، کانیهای میکایی بخش اصلی ترکیب کانی‌شناسی غبار در منطقة شرق اصفهان را تشکیل می‌دهند (کریم‌زاده، 1381)، به‌نظر می‌رسد کانیهای میکایی منشأ غبار در خاک‌های مخروط‌افکنة زفره داشته باشند.
در پدیمنت شهرک صنعتی جی هم مانند سطوح قدیمی باقی‌مانده، کلسیت، کانی اصلی و غالب و کوارتز، کانی فرعی بود؛ علاوه بر این، در بخش پایینی مخروط‌افکنه، کانیهای موسکویت و سپیولیت و در بخش بالایی، کانیهای بیوتیت و کائولینیت شناسایی شده‌اند. در این منطقه هم مانند مخروط‌افکنة زفره، کانی فیبری سپیولیت فقط در بخش پایینی مخروط‌افکنه مشاهده می‌شود. دربارة کانیهای فیبری با توجه به همراهی این کانی‌ها با گچ و انهیدریت، منشأ اتوژنیک این کانی‌ها در نمونه‌های مطالعه‌شده پیشنهاد می‌شود (Neaman and Singer, 2011). درمجموع، کوارتز و کلسیت، کانیهای غالب در همة نمونه‌ها بودند که تغییراتی همراه با کانیهای میکایی و فیبری نشان دادند.
مطالعة کانی‌شناسی خاک‌های منطقة شرق اصفهان نشان داده‌است در افق‌های با تکامل پدوژنیک، کانیهای اسمکتیت و پالیگورسکیت، منشأ اتوژنیک و کانیهای کوارتز، کائولینیت و کلریت حتی در بخش رس، منشأ توارثی داشتند (بیات و همکاران، 1390)؛ بنابراین می‌توان دریافت که در افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده، کانی کوارتز به‌ارث رسیده از مواد مادری، کانیهای کلسیت و میکایی حاصل از مواد مادری و بخشی ناشی از اضافه‌شدن به‌وسیلة باد و کانیهای فیبری احتمالاً منشأ اتوژنیک دارند.
ژئوشیمی رسوبات شواهدی از منشأ رسوبات و فرایندهای هوادیدگی را آشکار می‌کند (Chen et al., 2022). مقادیر عناصر اصلی و کمیاب برای افق‌های وزیکولار و سنگ‌های همراه (جدول 5) نشان می‌دهد نمونه‌های سطوح قدیمی باقی‌مانده در ارتفاع‌های مختلف، ترکیب شیمیایی مشابه با یکدیگر و کاملاً متفاوت با سنگ مادری دارند. مقادیر بسیار نزدیک TiO2 و P2O5 در افق‌های وزیکولار و بسیار متفاوت با سنگ همراه نشان داد که این افق‌ها منشأ یکسانی دارند و همچنین از هوادیدگی سنگ همراه حاصل نشده‌اند. در مخروط‌افکنة زفره با افزایش ارتفاع، مقادیر عناصر Al، Na، K، Cr و Zr افزایش و مقادیر عناصر Fe و Rb کاهش می‌یابند و این روند با تجمع کانیهای میکایی در بخش بالایی مخروط‌افکنة زفره هماهنگی دارد (جدول 5).
مقایسة ویژگی‌های ژئوشیمیایی افق‌های وزیکولار با سنگ همراه نشان داد که در سطوح قدیمی باقی‌مانده، مقادیر SiO2، Al2O3 و Fe2O3 کمتر و SO3 و LOI بیشتر نسبت به سنگ همراه هستند. افق‌های وزیکولار مخروط‌افکنة زفره در مقایسه با سنگ همراه، اکسیدهای سیلیسیم و آلومینیوم کمتر و اکسیدهای سدیم، کلسیم، منیزیم و گوگرد بیشتری داشتند؛ در حالی که در پدیمنت شهرک صنعتی با مواد مادری آهکی اکسیدهای سیلیسیم، آلومینیوم، آهن، گوگرد، منیزیم، سدیم و پتاسیم بیشتر و اکسید کلسیم کمتری داشتند (جدول 5). درمجموع در تمام لندفرم‌ها غنی‌شدگی SO3 نسبت به مواد و در لندفرمهای با مواد مادری غیرآهکی افزایش مقادیر CaO هم مشاهده شد (شکل 6). با توجه به اینکه لندفرمهای مطالعه‌شده متأثر از آب زیرزمینی نبودند، اضافه‌شدن این مواد از طریق فرایندهای بادرفتی و به‌صورت اضافه‌شدن یون‌های محلول، کربنات‌ها و به‌ویژه گچ به سطح این لندفرم‌ها بوده‌است. مطالعات نشان داده‌است ذرات غبار فعلی در منطقة سگزی آهکی و حاوی مقادیر زیادی گچ است (کریم‌زاده، 1381)؛ بنابراین مشخص می‌شود که غبار قدیمی منطقة شرق اصفهان هم مشابه با غبار فعلی و گچی-آهکی بوده‌است.
شکل 6. مقایسة عناصر متحرک در افق‌های وزیکولار در لندفرمهای مطالعه‌شده و سنگ‌های همراه (CF)
Fig. 6. Comparison of immobile elements in vesicular horizons in the studied landforms and associated coarse fragments (CF)
نسبت عناصر غیرمتحرک (Zr، Ti و Al) در خاک‌های مناطق خشک برای شناخت منشأ رسوبات و بررسی همگنی مواد مادری استفاده می‌شود (Sweeney et al., 2013; Chen et al., 2022). در این مطالعه از نسبت زیرکونیوم به آلومینیوم برای بررسی منشأ خاک‌های مطالعه‌شده استفاده شد. استفاده از این نسبت نشان داد که با افزایش مقدار سیلت، نسبت فوق و درواقع در مقادیر ثابت آلومینیوم، مقدار عنصر زیرکونیوم در افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده به‌صورت خطی افزایش می‌یابد (شکل 7). مطالعات پیشین هم، همبستگی قوی رسوبات بادرفتی و عنصر زیرکونیوم را نشان داده‌است. زیرکونیوم در ترکیب کانیهای زیرکون (ZrSiO4) و بدلیت (ZrO2) دیده می‌شود و تحرک بسیار اندک و پایداری بسیار زیاد درمقابل فرایندهای سطحی زمین دارد (Waroszewski et al., 2018; Scheib et al., 2013). مطالعات نشان داده‌است فرایندها و چرخه‌های رسوبی می‌توانند سبب غنی‌شدن رسوبات بادرفتی با عنصر زیرکونیوم شوند که این غنی‌شدگی می‌تواند به‌وسیلة یک فرایند سادة تک‌مرحله‌ای مانند جورشدگی تا چندین چرخه فرایندهای رسوبی باشد (Chen et al., 2022). درمجموع، نتایج ژئوشیمیایی و به‌ویژه نسبت زیرکونیوم به آلومینیوم نشان داد که مقدار سیلت، کنترل‌کنندة شاخص‌های ژئوشیمیایی در خاک‌های مطالعه‌شده است و منشأ سیلت و ذرات غبار در لندفرمهای مختلف منطقة سگزی یکسان و احتمالاً از منشأ محلی است. این نتیجه‌گیری با مطالعة کانی‌شناسی رسوبات بادرفتی منطقه به‌وسیلة تله‌های رسوب‌گیر همخوانی دارد (کریم‌زاده، 1381).
شکل 7. رابطة مقدار سیلت و نسبت زیرکونیوم به اکسید آلومینیوم در افق‌های وزیکولار مطالعه‌شده
Fig. 7. The relationship between the amount of silt and the ratio of zirconium to aluminum oxide in the studied vesicular horizons
دربارة سن افق‌های وزیکولار، مطالعات سن‌یابی به روش‌های رادیوکربن و لومینسنس در بیابان‌های جنوب غرب ایالات متحده (هم‌عرض با مرکز ایران) نشان داده‌است که سطوح ژئومورفیک با سن کمتر از 1000 سال، افق‌های وزیکولار ندارند (Young et al., 2004) و افق‌های وزیکولار در دورة زمانی 6300 تا 3000 سال قبل و به‌ویژه حدود 5000 سال قبل و در دوره‌های با شدت زیاد غبار هولوسن میانی تشکیل شده و از آن زمان پایدار مانده‌اند (McFadden et al., 1987, 1998; Anderson et al., 2002).
دربارة سن افق‌های وزیکولار در مرکز ایران اطلاعاتی در دست نیست، اما به‌تازگی مطالعة ژئوشیمی و سن‌یابی اورانیوم/توریم استالاگمیت‌ها در غار گل زرد در جنوب البرز نشان داده‌است دو دوره با افزایش ناگهانی غبارآلودگی (Dustiness) در مرکز ایران طی هولوسن میانی و در حدود 4510 و 4260 سال قبل رخ داده‌است (Carolin et al., 2019)، همچنین دورة مهم خشکی در پلایای گاوخونی و تجمع رسوبات بادرفتی در بستر پلایای گاوخونی در حدود 4500 سال قبل به‌وسیلة سن‌یابی رادیوکربن مشخص شدهاست (جلیلیان و همکاران، 1399). این نتایج با دورة زمانی افزایش فعالیت‌های بادرفتی و رسوب غبار در جنوب غرب آمریکا همخوانی دارد و می‌تواند در تشکیل افق‌های وزیکولار در مرکز ایران هم مؤثر بوده باشد، اما سن‌یابی دقیق افق‌های وزیکولار در مرکز ایران در مطالعات آینده پیشنهاد می‌شود.
درمجموع با اینکه تومانیان و همکاران (1387) و Toomanian and Saleni (2020) بر این باورند که تا یکصد سال پیش فرسایش بادی در حوضة زاینده‌رود وجود نداشته و فرسایش بادی به‌طور ناگهانی از دهة 1960 در منطقه شروع شدهاست، اما با توجه به اینکه روند خشکی محیطی منطقة شرق اصفهان از پلیستوسن میانی آغاز شده (Bayat et al., 2018)، آخرین دورة مرطوب‌تر از شرایط فعلی در منطقه در اوایل هولوسن رخ داده و حدود 6 هزار سال پیش خاتمه یافته (Jones et al., 2014) و دوره‌های با افزایش غبار در ایران مرکزی طی هولوسن میانی رخ داده‌است (Carolin et al., 2019). تشکیل افق‌های وزیکولار در منطقة مطالعه‌شده احتمالاً با شروع خشکی شدید و فرایندهای فرسایش بادی و رسوب‌گذاری غبار از هولوسن میانی روی داده‌است.
نتیجه‌گیری
افق‌های وزیکولار در سطح خاک‌ها در لندفرمهای مختلف منطقة شرق اصفهان و اطراف پلایای سگزی شناسایی شد. شواهد مختلف فیزیکی مانند توزیع اندازة ذرات دونمایی حاصل از تجمع ذرات شن متوسط و سیلت درشت و افزایش مقادیر سیلت و نسبت ذرات ریزدانه به شن با افزایش ارتفاع زیاد نشان‌دهندة نقش فرایندهای بادی در اضافه‌شدن ذرات ریزدانه به خاک‌های مطالعه‌شده بود.
شواهد کانی‌شناسی و ژئوشیمیایی هم تأییدکنندة تأثیر غبار بر تشکیل این افق‌ها بود؛ به طوری که اضافه‌شدن کانیهای میکایی همراه با ذرات سیلت در سطوح ارتفاعی بالاتر رخ داده‌است. بررسی ژئوشیمیایی افق‌های وزیکولار و کاربرد نسبت‌های Zr/Al2O3 نشان می‌دهد ترکیب غبار گذشته و فعلی منطقة شرق اصفهان یکسان و گچی-آهکی است و ذرات سیلت کنترل‌کنندة شاخص Zr/Al2O3 در سطوح ارتفاعی لندفرمهای مطالعه‌شده هستند و همچنین لندفرمهای مختلف در منطقة مطالعه‌شده منشأ یکسان ذرات سیلت دارند.
با توجه به اینکه مطالعات نشان داده تشکیل افق‌های وزیکولار در سطح خاک‌های بیابانی عمدتاً طی هولوسن میانی و در 5000 سال گذشته رخ داده‌است، وجود افق‌های متکامل وزیکولار در منطقة سگزی اصفهان نشان‌دهندة دورة بلندمدت فرسایش بادی و رسوب غبار گچی‌آهکی در منطقه بود و فرسایش بادی در این منطقه فرایندی طبیعی و طولانی‌مدت است و به یکصد سال اخیر محدود نیست؛ بنابراین منطقة شرق اصفهان به‌طور طبیعی اکوسیستم حساس به فرایندهای فرسایش بادی و رسوب غبار دارد و فعالیت‌های مخرب انسانی می‌تواند سبب تشدید این فرایند طبیعی شود.
تشکر و قدردانی
از معاونت پژوهشی دانشگاه فردوسی مشهد برای همکاری با این پژوهش و حمایت مالی از طریق طرح پژوهشی شمارة 52231/2 مصوب 13/03/1399 تشکر و قدردانی می‌شود.
)
