ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕСКОВ АРАЛКУМОВ

АННОТАЦИЯ

В статье представлен системный обзор физической и химической характеристики песков Аралкума антропогенной пустыни, образовавшейся на осушенном дне Аральского моря. Анализируется минеральный и элементный состав, включая доминирующий SiO₂, примеси Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, соли (хлориды, сульфаты) и микроэлементы (Zn, Cr, Pb). Обсуждается влияние химического состава на пыльные бури, солевой вынос и экологические последствия для Приаралья. Образец №1 почти чистый тонкозернистый пылеватый песок. Очень высокое содержание фракции 0,10–0,01 мм (80,3 %). Образец №2 классический эолово-перевеянный песок Аралкума, доминирует фракция 0,10–0,01 мм (85,9 %). Образец №3 пылевато-илистый вариант, высокий иль (<0,01 мм = 12,5 %). Образец №4 самый «крупный» из списка, значительная доля 0,25–0,10 мм (17,1 %) и 1,0–0,5 мм (7,3 %). Образец №5 наиболее глинистый/илистый, высокое содержание <0,01 мм (19,2 %) + 0,10–0,01 мм (66,3 %) → супесь или пылевато-глинистый песок.

ABSTRACT

This article presents a systematic review of the physical and chemical characteristics of the Aralkum sands, an anthropogenic desert formed on the dried bed of the Aral Sea. The mineral and elemental composition is analyzed, including the dominant SiO2, trace elements of Al2O3, Fe2O3, CaO, salts (chlorides, sulfates), and trace elements (Zn, Cr, Pb). The influence of the chemical composition on dust storms, salt runoff, and environmental consequences for the Aral Sea region is discussed. Sample #1 is a nearly pure, fine-grained silty sand. It has a very high content of the 0.10–0.01 mm fraction (80.3%). Sample #2 is a classic aeolian-blown sand from Aralkum, with the 0.10–0.01 mm fraction dominating (85.9%). Sample #3 is a silty-silty variant, with high silt (<0.01 mm = 12.5%). Sample #4 is the "coarsest" on the list, with a significant proportion of 0.25–0.10 mm (17.1%) and 1.0–0.5 mm (7.3%). Sample No. 5 is the most clayey/silty, with a high content of <0.01 mm (19.2%) + 0.10–0.01 mm (66.3%) → sandy loam or silty-clayey sand.

Ключевые слова: пески Аралкума, химический состав, соли, пыльные бури, методы анализа, экология

Keywords: Aralkum sands, chemical composition, salts, dust storms, analytical methods, ecology

ВВЕДЕНИЕ

Аралкум — молодая антропогенная пустыня, возникшая в результате высыхания Аральского моря в 1960–2020-х гг., занимает площадь около 60 000 км² в Приаралье (Узбекистан, Казахстан). Пески Аралкума формируются из морских отложений, насыщенных солями, пестицидами и тяжелыми металлами, что делает их источником экологических рисков. Химическая характеристика этих песков важна для понимания процессов дефляции, солевого выноса и воздействия на окружающую среду. Основной компонент — кварц (SiO₂), но примеси (Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO) и соли (NaCl, Na₂SO₄) определяют свойства. Исследования показывают ежегодный вынос 100–150 млн т соли и пыли, влияющий на здоровье и сельское хозяйство. Цель статьи — обобщить данные о химическом составе, методах анализа и применении для фитомелиорации и мониторинга. [1] Литература по химической характеристике песков Аралкума фокусируется на пыли и солях. В пре-Аральском регионе (Узбекистан) пыль содержит SiO₂ (кварц), CO₂, CaO, Al₂O₃, с вариациями по элементам (Zn, Cr). Солевая пыль Аралкума гигроскопична, с минеральным составом, отличающимся от типичных пустынь. В южном Приаралье пыль обогащена солями, тяжелыми металлами и агрохимикатами, с ежегодным выносом до 100 млн т соли. Характеристики солевой пыли межгодовой вариации показывают доминирование хлоридов и сульфатов. [2]

Песок – это система, состоящая из двух фаз – газообразной и твердой, поэтому он относится к сыпучим телам. Песок представляет свободнодисперсную систему, в которой содержание твердой фазы достаточно высоко, но из-за низкой величины силы сцепления в местах контакта частицы песка способны перемешиваться под действием внешних сил, например, под действием ветра. При этом наблюдается флюидизация песка, то есть его течение, распыление [9]. Частицы, лежащие на поверхности слоя, состоящего из тех же частиц, движутся тремя способами: перекатываются по поверхности; отрываются от поверхности и сейчас же падают обратно (прыжок); переходят в состояние аэрозоля, то есть в виде аэродисперсной системы с газовой (воздушной) дисперсионной средой.

При определенной скорости воздуха (ветра) частицы, выступающие из слоя песка, начинают перекатываться. Эти песчинки, попав в небольшие углубления, останавливаются. С увеличением силы ветра некоторое число песчинок снова начинает перекатываться, а затем останавливается и т.д. Движущиеся таким образом песчинки, сталкиваясь с другими, более крупными частицами, выступающими над поверхностью, отскакивают. При критической скорости ветра большая часть песчинок начинает передвигаться прыжками.

В работах Реджепова и Новиковой пески Арала полиминеральные, с составом SiO₂ - 89,24%, Al₂O₃ - 2,36%, Fe₂O₃ - 1,89%, солями NaCl и Na₂SO₄. В зоне Туркмендарья пески слабо солончаковые, с CaCO₃ - 2,30–4,90%, SO₄ - 0,023–0,413%. Пески Приаралья используются для укрывных материалов, с кварцем 40%, глиной 30%. Экспедиции подтверждают накопление солей в солончаках, с экстремофильными микроорганизмами. Ландшафт Аралкума включает солончаки с Cl 0,06–2,10%, SO₄ 0,27–3,0%, минерализацией грунтовых вод 32–34 г/л. [3, 4]

Эволюция методов: от титрования к спектроскопии, с акцентом на экологические последствия.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Анализ песков Аралкума включает:

Гранулометрический состав песка (зерновой, механический, гранулометрия) — это количественное распределение зёрен (частиц) по размерам, выраженное в процентах по массе от общей сухой массы пробы.

Он определяет разновидность песка (очень крупный, крупный, средний, мелкий, пылеватый), его фильтрационные свойства, водопроницаемость, несущую способность, пригодность для фитомелиорации и т.д.

Пробоподготовка: сушка, измельчение. Статистика: корреляции для

Пошаговый порядок (сухой/мокрый вариант):

1. Отбор средней пробы (квартование по ГОСТ 8735).
2. Сушка пробы до постоянной массы (105–110 °C).
3. Взвешивание навески (обычно 500–1000 г для песка).
4. Рассев через набор сит (стандартный ряд для песка):
   • 10 мм, 5 мм, 2 мм, 1 мм, 0,5 мм, 0,25 мм, 0,1 мм (иногда 0,063 мм).
   • Начинают с самого крупного сита → вниз.
5. Вариант с промывкой: песок промывают на сите 0,1 мм или 0,063 мм → промывные воды отстаивают или анализируют ареометром.
6. Взвешивание остатка на каждом сите + поддоне.
7. Расчёт % содержания каждой фракции

где m_i ​ - масса фракции на сите i, m₀ - масса абсолютно сухой пробы.

Координаты полученных образцов

№1 - 43°24'53.9"N 59°58'23.2"E,

№2 - 43°24'53.5"N 59°58'35.1"E,

№3 - 43°24'51.5"N 59°58'27.6"E,

№4 - 43°24'47.7"N 59°58'22.5"E,

№5 - 43°24'45.3"N 59°58'33.3"E.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОВЕРХНОСТИ ЗЁРЕН ПЕСКА

Характер поверхности песчаных частиц, их цвет и форма зерен во многом предопределяют скорость взаимодействия между песком и фиксатором. Песчаные частицы делят на группы в соответствии со степенью их окатанности [5]. При этом выделяют окатанные зерна – форма близка к шарообразной; полуокатанные - с более волнистым очертанием; углы и острые грани притуплены; угловатые острые ребра и угловатые очертания. Различают еще регенерированные зерна, которые образуются в результате нарастания на песчинках одноименного материала (на кварцевых песчанках – кварца, на известняках – карбоната кальция и т.д.), восстанавливая при этом их первоначальную форму. Степень окатанности песчаных частиц зависит от размера, минералогического состава, характера и условий переноса, а также расстояния и длительности переноса и увеличивается с возрастанием крупности песчинок.

В некоторых случаях оболочку предлагают делить на глинистый, железистый и смешанный типы [5]. Представляет интерес классификация оболочек, в основе которой лежит представление о веществе оболочки как о сложном комплексе различных минеральных и органических соединений [6].

I тип – глинистый. Вещество оболочек близко к обычным глинам, присутствие таких оболочек на песчинках сообщает последним способность адсорбировать катионы. С поверхностью кварцевых зерен оболочка связана через обменный Са. Вытеснение Са вызывает отделение оболочек и раздевание песчинок. Цветной песок обесцвечивается, давая окрашенные суспензий.

II тип – железистый. Оболочка представляет коллоидный комплекс, подавляющая часть которого необратимо связана с гидроокислом железа. Вещество оболочек растворимо в минеральных и органических кислотах.

III тип – переходный между I и II. Вещество оболочек с невысоким отношением SiO₂/R₂O₃.

IV тип – оболочки смешанного типа.

Каждый тип отражает особенности условий генезиса и парагенезиса песчаных отложений. Вещества, находящиеся в поверхностном слое песчинок, являются неактивными, а избыточная свободная энергия системы понижена за счет адсорбции веществ из окружающей среды. Вследствие этого сила контактного взаимодействия между песчинками минимальна, и при действии даже незначительных внешних сил пески приходят в движение.

ГРАНУЛОМЕТРИЯ ПЕСКА

Характерная особенность песков обсохшего дна Аральского моря Каракалпакстана в том, что они сложены частицами неширокого диапазона крупности.

Они довольно хорошо отсортированы и состоят в основном из частиц мелких фракций независимо от их генезиса, района и глубины отбора образцов (табл. №1-2). Степень отсортированности перевеянных песков зависит от минералогического и механического состава исходного материала, длительности времени перевеяния. В перевеянных песках по сравнению с материнскими резко сокращается содержание пылеватых и глинистых частиц.

Результаты ситового анализа песков из осушенного дна Аральского моря (Аралкум), где преобладают мелкие и тонкие фракции, что характерно для морских отложений с последующей эоловой переработкой.

Таблица 1.

Гранулометрический состав песка, %

По общим данным из полученных образцов можно сделать следующие выводы: образец №1 — почти чистый тонкозернистый пылеватый песок. Очень высокое содержание фракции 0,10–0,01 мм (80,3 %) — типично для осушенных морских отложений с минимальной эоловой сортировкой. Мало крупного материала → слабая устойчивость к дефляции без закрепления. Образец №2 — классический эолово-перевеянный песок Аралкума. Доминирует фракция 0,10–0,01 мм (85,9 %), но есть небольшая доля крупнее 0,25 мм → типичный «барханный» или навеянный песчаный чехол. Очень однородный, легко развевается. Образец №3 — Пылевато-илистый вариант. Высокий иль (<0,01 мм = 12,5 %) → повышенная связность, но и склонность к коркообразованию и засолению. Типично для понижений / солончаков. Образец №4 — самый «крупный» из списка. Значительная доля 0,25–0,10 мм (17,1 %) и 1,0–0,5 мм (7,3 %) → переходный тип, возможно, бывшая дельтовая или прибрежная зона с частичной сортировкой. Лучше подходит для фитомелиорации. Образец №5 — наиболее глинистый / илистый. Высокое содержание <0,01 мм (19,2 %) + 0,10–0,01 мм (66,3 %) → супесь или пылевато-глинистый песок. Типично для солончаков с близкими грунтовыми водами, высокая засоленность и плохая водопроницаемость.

Таблица 2.

Механический состав песков, %

Судя по фракциям, глубинам отбора и преобладанию тонких фракций, типичны для осушенного дна Аральского моря (Аралкум) — преимущественно тонкозернистые пылеватые пески с заметным содержанием физической глины (<0,01 мм), что характерно для морских отложений с последующей эоловой сортировкой и засолением.

№1 - преимущественно среднезернистый/мелкозернистый песок с заметной примесью пыли и глины (физическая глина 6–7 %). Верхние горизонты — пылеватый песок или супесь песчанистая.

№2 - мелкий и пылеватый песок (очень чистый внизу — почти 96 % фракции 0,05–2 мм, пыль+глина всего 3–4 %). Самый "чистый" песок из всех.

№3 - мелкий пылеватый песок (очень высокое содержание фракции 0,05–2 мм — 94–96 %, низкая глина 3–4 %).

№4 - мелкий/пылеватый песок с переменным содержанием пыли и глины (глина до 6–7 % в отдельных горизонтах).

№5 - мелкий/пылеватый песок с повышенным содержанием пыли и глины (особенно в верхних горизонтах — физическая глина ~3–4 %, но местами ближе к супеси).

Образцы отбирались из всех разновидностей песков и механический состав песков существенно не меняется. Почти во всех случаях содержание пылеватых частиц на поверхности несколько меньше, чем на глубине 50-70 см. выноса этих частиц с поверхности не наблюдается, что объясняется непрерывным пополнением их за счет перетирания крупных частиц. Образцы песков на изучаемой территории неодинаковы по составу. Здесь встречаются хорошо отсортированные, содержащие более 80% частиц 0,25-0,1 мм, и слабо отсортированные, в составе которых резко уменьшается содержание мелкозернистой фракции 0,25-0,1 мм и заметно возрастает количество частиц 0,1 и более 1 мм. Различная обогащенность песков крупными и пылеватыми частицами, как и степень их отсортированности, в равной мере зависят от длительности эоловой переработки состава исходных масс и отдаленности источников их питания.

Гранулометрический состав очень чувствителен к воздействию ветра. При перевевании улучшается сортировка песков, выносятся пылеватые частицы, концентрируются крупные зерна и происходит изменение состава песков.

Количественное распространение песчаных частиц в оазисных песках имеет другую картину [7]. Здесь пески мелкозернистые с преобладанием фракции 0,25-0,05 мм (88-89%). Содержание крупного песка 1-0,25 мм незначительно (0,3-0,6%), пылеватых фракций 0,05-0,001 мм также незначительно (4-6%), физической глины (6,2-7,7%) (табл. №2). Количество глинистой фракций в эоловых песках Муйнакского района Республики Каракалпакстан – 3,26-6,38% (табл. №2).

Движение песка

Если частицы выпадают из потока воздуха, двигающегося ламинарно у самой поверхности, то их подхватывают турбулентные вертикальные пульсирующие потоки воздуха. Песчинки иногда отскакивают от поверхности рикошетом, повторяя прыжок, иногда падают, зарываясь в песок, и передают свой импульс другим песчинкам, которые начинают перекатываться или отскакивают. Таким образом, процесс переноса и движения песка имеет характер цепной реакции. Движение распространяется на большие расстояния, начинается этот процесс на небольших возвышениях под действием ветра и случайных причин. А.В. Ивановым рассмотрены траектории перекатывания в зависимости от формы зерен песка, значения начальной скорости движения частиц от их поперечника, закономерности проявления упругих свойств при ударах частиц и их вращение в потоке [8].  Им найдено аналитическое выражение зависимости количества переносимого песка от скорости ветра. В основу берется импульсная теория отрыва и переноса песчаных частиц воздушным потоком (табл. №3-5).

Чем крупнее песчинка, тем выше критическая скорость ветра. Это классическая закономерность, описанная формулой Багнольда [9] и уточнённая в последующих работах [10, 11]. В таблице видно чёткое увеличение порога с ростом диаметра. Даже небольшая влажность (2 %) значительно повышает порог дефляции: для самых мелких фракций (58 %), для средних (56–58 %) и для крупных (33 %). Это объясняется капиллярными силами и поверхностным натяжением воды между частицами — песок становится «склеенным». В Аралкуме влажность верхнего слоя часто <1 % летом, дефляция начинается уже при 4–6 м/с.

Таблица 3.

Значение скорости ветра, при которых начинается передвижение песков различной крупности

Средняя скорость ветра в Приаралье (Муйнак, Аральск, Казалинск): 5–8 м/с (летом часто >10 м/с при бурях). Пороговые значения для преобладающих фракций (0,10–0,25 мм) — 4,8 м/с (сухой) → дефляция начинается почти при любом устойчивом ветре >5 м/с. При 2 % влажности (после дождя или росы) порог поднимается до 7,5 м/с бури реже, но мощнее. Из таблицы №4 видно, что образец №1 — резко отличается от остальных очень высоким ППП = 15,82 %, значительное содержание карбонатов (CO₂ = 10,45 %) + органика/гидроксиды, низкий содержанием SiO₂ = 42,89 % (самый низкий в таблице), высокие Al₂O₃ = 14,59 %, CaO = 15,41 %, MgO = 2,90 %. Относится типу: карбонатно-глинистый песок / карбонатный суглинок / солончаковый горизонт с сильным кальцитизацией. Вероятно: понижение, солончак или такыр с близкими грунтовыми водами, где осаждался кальцит.

А в образцах №2–№5 — типичные кварцевые пески Аралкума SiO₂ = 71,6–78,3 % (высококачественный кварцевый песок), ППП низкое (5,8–5,9 %) → мало карбонатов и органики, низкие Al₂O₃ (0,9–4,1 %), Fe₂O₃+FeO (1,0–2,0 %), TiO₂ (<0,02 %), CaO варьирует от 2,87 % (№2) до 8,28 % (№4) — умеренная карбонатность. Относится к типу: кварцевые тонкозернистые пески эолово-морского генезиса (перевеянные после осушения). Самый чистый кварц — №2 (78,31 % SiO₂, минимум примесей).

Из данных можно сделать следующие выводы, что Высокое содержание SiO₂ (86,6–93,0 %), №1 — один из самых чистых (93 % SiO₂) — близок к кондициям стекольного песка. Низкие примеси (Fe₂O₃) 0,39–1,35 %, (Al₂O₃) 1,85–4,20 % минимум в №1–№3, максимум в №4 — возможно, примесь глинистого материала, (CaO) 1,00–3,00 % умеренная карбонатность, ниже, чем в предыдущей, (MgO) 0,20–1,70 % низкое, кроме №5, (SO₃) 0,03–1,19 % повышен в №2 — возможно, гипс или сульфаты из грунтовых вод. Щелочи (K₂O + Na₂O) = 0,34–0,38 % — очень низкие (нет сильного засоления). Потери при прокаливании 2,4–3,0 % низкое значение органического вещества, гидроксидов и карбонатов, по CaO можно оценить ~0,8–2,5 % карбонатов. Это подтверждает, что пески сильно переработаны эоловыми процессами. Очень низкое содержание азот (N) 0,010–0,019 % типично для аридных песков без гумуса. Органическое вещество практически отсутствует.

Чем меньше размер частиц песка, тем меньше сила ветра, вызывающая их движение. Небольшое увлажнение требует увеличения силы ветра в 1,5 раза. Для песчинки с радиусом больше 50 мкм критическая скорость «течения» по поверхности песка пропорциональна квадратному корню из радиуса песчинок.

Для песчинок с радиусом меньше 50 мкм критическая скорость возрастает при переходе к более мелким частицам благодаря молекулярным силам, действующим между частицами [12, 14]. Ветры называются активными, если они приводят в движение мелкозернистый песок с размером частиц 0,25-0,10 мм [13]. Скорость таких ветров у поверхности песка близка к 3,5-4,0 м/с, что соответствует скорости ветра 5-6 м/с (по шкале Бофорта) на флюгере высотой 10 м [15].

Обсуждение. Состав песков Аралкума определяет гигроскопичность и низкую свето-поглощаемость. Вынос соли 1,17 млн т/год вызывают загрязнения почвы. Тяжелые металлы из агрохимикатов угрожают здоровью местного населения и растений. Методы анализа нуждаются в стандартизации для мониторинга. Химический состав песков определяет их применение. Высокий SiO₂ (>90%) идеален для стекла и синтеза SiO₂ частиц. Примеси Fe₂O₃ вызывают окраску, требуя очистки. В экологии рециклированные пески снижают использование природных ресурсов, но требуют контроля выщелачивания.

Таблица 4.

Результаты химического анализа песков

*ППП – потери при прокаливании

Таблица 5.

Валовой химический состав (%) песков

Выводы

Пески Аралкума доминируют SiO₂ с солевыми примесями, вызывая экологические проблемы. Рекомендуется интеграция ИИ для моделирования и фитомелиорации для стабилизации. Химическая характеристика песков подтверждает доминирование SiO₂ с вариациями примесей, зависящими от происхождения. Методы анализа позволяют точно определять состав, способствуя устойчивому использованию. Рекомендуется дальнейшие исследования по очистке и экологической безопасности. Большинство горизонтов — пески мелкие и пылеватые (преобладание фракции 0,05–0,25 мм, часто 0,1–0,25 мм). Самые чистые пески — пробы №2 (особенно 75–170 см), №3 и №5 (нижние горизонты) — содержание песчаной фракции >94–96 %, физическая глина <5 %.  Пробы №1 и №4 имеют больше пыли и глины (физическая глина 6–7 %), что делает их ближе к пылеватым пескам или супесям песчанистым (особенно в верхних слоях).  Верхние горизонты (0–25, 25–75 см) почти всегда содержат больше пыли и глины, чем нижние — типичная картина для почв/грунтов с элювиально-делювиальным или аллювиальным генезисом.

Список литературы:

1. Greening the Desert: the role of landscape restoration in Uzbekistan’s battle against sand and dust storms. https://www.worldbank.org/en/news/feature/2024/12/04/greening-the-desert-the-role-of-landscape-restoration-in-uzbekistan-s-battle-against-sand-and-dust-storms
2. Christian Opp, MichaelGroll, Ilkhom Aslanov, Tom Lotz, Nataliya Vereshagina. Aeolian dust deposition in the southern Aral Sea region (Uzbekistan): Ground-based monitoring results from the LUCA project. Journal Quaternary International, V.429, Part B, 2017, P.86-99.
3. Реджепов С.А. Водно-физические и химические свойства песков в зоне Туркмендерья. Журнал Символ науки, ISSN 2410-700X, #5, 2024, P.134-136
4. Новикова Н.М. Эколого-географический аспект Аральского кризиса. Часть 2. Исследование динамики климата и изменений обсохшего дна моря. 2020, https://aral.uz/wp/2020/10/21/21_10_2020_1/
5. Фадеев П.И. Пески СССР, ч.1. М.: МГУ, 1951.
6. Яковлев С.А. О классификации и номенклатуре рыхлых осадочных пород по механическому составу. Изв.Глав.геол-развед. Упр. 1931, Т.3, вып.34.
7. Бабаев А.Г. оазисные пески Туркменистана и пути их освоения. Ашхабад: Ылым, 1973.
8. Иванов А.П. Физические основы дефляции песков пустыни. Ашхабад: Ылым, 1972.
9. Bagnold R.A. The physics of blown sand and desert dunes. Methuen & Co Ltd., London, 1941, 265 p.
10.  White B.R. Soil transport by winds on Mars. Journal of Geophysical research (JGR), 1979, Tом 84, Вып. 9, С.4643-4651
11. Shao Yaping. Physics and Modeling of wind erosion. Издательство: Springer Science+Business Media B.V. (Kluwer Academic Publishers / Springer Dordrecht), Серия: Atmospheric and Oceanographic Sciences Library, Volume 37, 2008, 452 с.
12. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1955.
13. Петров М.П. Пустыни земного шара. Л.: Наука, 1973.
14. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1975.
15. A.Asamatdinov, U.Akhmedov, A.Reymov. Application of the superabsorbent polymer hydrogels for water retention under drying conditions. Журнал Наука и Образование в Каракалпакстан. 2018. №1(5). ISSN2181-9203. С.3-12.