Paleosols of Permian red-bed formation of the middle Volga region

Abstract

The work provides a detailed description of four stacked soil profiles that make up the “crimson clay” pedocomplex in two Urzhumian reference sections of the Middle Volga region, Cheremushka ravine and Grebeni. Paleosol profiles have a similar structure with eluvial-gley, illuvial-carbonate and structural differentiation of the profile. Pedogenic processes were reconstructed: gleyization from the surface and along the root network, redistribution and segregation of iron oxides, slitogenesis, redistribution of carbonates. Four stages of pedogenesis have been identified, with a total duration of at least 20–25 thousand years, which occurred on flat fluviolacustrine plains in conditions of a warm semi-arid climate with pronounced seasonality of precipitation. The difference in the structure of the pedocomplex in the studied sections is determined by differences in the facies conditions of pedosedimentogenesis: an alluvial-floodplain regime for the Cheremushka ravine section and a lake-playa regime for the Grebeni section. The pedocomplex of “crimson clays” reflects a long stage of geomorphic stability of the landscape, it has been traced in sections of the right bank of the Volga River over a distance of about 100 km and is a pedostratigraphic marker, or Geosol.
To discuss the actual results obtained, the article provides a review of the author's data on paleosols on Permian red beds of the Middle Volga region, including Ufimian, Kazanian, Urzhumian, Severodvinian and Vyatkian deposits. For each stratigraphic interval, characteristic pedogenic and sedimentary features of paleosols and host rocks are given, on this basis, soil-forming processes and landscape-climatic factors were reconstructed. In general, the Permian red paleosols have a chemical and mineralogical composition inherited from the host rocks and a high degree of weathering of the siliciclastic material associated with ancient soils and weathering crusts of the provenance areas. The autochthonous nature of the gley features of paleosols formed during the process of pedosedimentogenesis are shown. Most mature soils are classified as chromic stagnicvertic calcic Paleocambisols or chromic stagnicverticPaleocalcisols. Mean annual precipitation calculated from geochemical indicators of illuvial horizons of paleosols shows cyclical changes. The minimum amount of precipitation — 400 mmyear–1 — was typical for the Urzhumian (Wordian) time, the maximum values — 777 mmyear–1 — were revealed for the Severodvinian (Capitanian) time.
Evaluation of the pedostratigraphic potential of Permian red-bed deposits and identification of the role of microorganisms and organic matter in the formation of paleosols are tasks for further study.

References

1.    Aлексеева Т.В., Aлексеев А.О., Губин С.В.Палеопочвенный комплекс в кровле михайловского горизонта (визейский ярус нижнего карбона) на территории южного крыла Московской синеклизы // Палеонт. журн. 2016. № 4. С. 5–20.
2.    Арефьев М.П. Идеальный циклит компенсированного прогиба и природа цикличности красоцветнойпермо-триасовой формации Восточно-Европейской платформы. Осадочные комплексы Урала и прилежащих регионов и их минерагения // 11 Уральское литологическое совещание: Материалы. Екатеринбург, 2016. С. 22–24.
3.    Арефьев М.П., Наугольных С.В.Изолированные корни в отложениях татарского яруса р. Сухоны и Малой Северной Двины: стратиграфическое положение, таксономия и палеоэкология // Палеонт. журн. 1998. № 1. С. 86–99.
4.    Балабанов Ю.П., Миних М.Г., Миних А.В. Граница Киама-Иллавара в опорном разрезе пограничных отложений биармийского и татарского отделов перми в овраге Монастырском // Вторая Всерос. конф. «Верхний палеозой России: стратиграфия и фациальный анализ» (Казань, 27–30 сент. 2009 г.): Материалы. Казань, 2009. С. 168–169.
5.    Геологические памятники природы Республики Татарстан / Под ред. И.А. Ларочкиной. Казань, 2007. 296 с.
6.    Гусев А.К. Татарский ярус // Стратотипы и опорные разрезы верхней перми Поволжья и Прикамья / Отв. ред. Н.К.Есаулова, В.Р. Лозовский. Казань, 1996. С. 113–141.
7.    Игнатьев В.И.Татарский ярус центральных и восточных областей Русской платформы. Ч.II. Фации. Палеогеография. Казань, 1963. 335 с.
8.    Игнатьев В.И. Формирование Волго-Уральской антеклизы в пермский период. Казань, 1976. 256 с.
9.    Иноземцев С.А., Наугольных С.В., Якименко Е.Ю.Верхнепермские палеопочвы на известняках: Морфология и генезис (среднее течение р. Волга) // Почвоведение. 2010. № 6. С. 660–674.
10.    Иноземцев С.А., Таргульян В.О. Верхнепермские палеопочвы: свойства, процессы, условия формирования. М., 2010а. 188 с.
11.    Иноземцев С.А., Таргульян В.О. Верхнепермские палеопочвы Восточно-Европейской платформы: диагностика педогенеза и палеогеографическая реконструкция // Почвоведение. 2010б. № 2. С. 143–156.
12.    Макеев А.О., Русаков А.В. Горизонты палеопочвоведения // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2023. Т. 78, № 4. С. 29–43https://doi.org/10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-4-29-43
13.    Мировая реферативная база почвенных ресурсов. Международная система почвенной классификации для диагностики почв и составления легенд почвенных карт: пер. с англ. Софии Фортовой / Науч. ред. пер. М.И. Герасимовой, П.В. Красильникова. 4-е изд. Международный союз наук о почве. М., 2024. 248 с. https://doi.org/10.29003/m4174.978-5-317-07235-3
14.    Муравьев Ф.А., Арефьев М.П., Силантьев В.В. и др. Палеогеографические условия накопления красноцветных алевропелитов средней–верхней перми на территории Казанского Поволжья // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2016. Т. 158, кн. 4. С. 548–568.
15.    Муравьев Ф.А., Кропотова Т.В.Палеопочвы уржумского яруса Антоновского оврага Казанского Поволжья: стратиграфия, палеоклимат и палеоландшафты // Международная конференция KazanGolovkinskyStratigraphicMeeting 2023 «Осадочные системы: стратиграфия, геохронология, палеоклимат, углеводородные ресурсы» и Седьмая Всероссийская конференция «Верхний палеозой России»: Сб. тезисов. Казань, 2023. С. 67.
16.    Муравьев Ф.А., Кропотова Т.В., Гареев Б.И. и др. Палеопочвы красноцветных отложений казанского яруса разреза Сентяк // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2022. Т. 164, кн. 4. С. 590–605. https://doi: 10.26907/2542-064X.2022.4.590-605
17.    Муравьев Ф.А., Кропотова Т.В., Гареев Б.И. и др. Педокомплексы уржумских отложений Казанского Поволжья (Восточная Европа): пример палеоклимата и палеоландшафтов субтропиков континентальной Пангеи в средней перми // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2024. Т. 166, кн. 1. С. 145–168. https://doi.org/10.26907/2542-064X.2024.1.145-168
18.    Муравьев Ф.А., Хасанова Н.М., Юнусова Э.З.Доломитовые калькреты из красноцветных отложений верхней перми Оренбургского Приуралья // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2021. Т. 163, кн. 3. С. 371–389. https://doi.org/10.26907/2542-064X.2021.3.371-389
19.    Наугольных С.В. Казанская и татарская растительность пермского периода // Геологические памятники природы Республики Татарстан / Под ред. И.А. Ларочкиной. Казань, 2007. С. 236–254.
20.    Наугольных С.В. Палеопочвы перми и раннего триаса // Климат в эпохи крупных биосферных перестроек / Гл. ред. М.А. Семихатов, Н.М. Чумаков // Тр. ГИН РАН. 2004. Вып. 550. C. 304–314.
21.    Постановления Межведомственного стратиграфического комитета и его постоянных комиссий. СПб., 2006. Вып. 36. 64 с.
22.    Путеводитель научных полевых экскурсий IX съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (г. Казань, 12–16 августа 2024 г.). Уникальные и эталонные почвенные объекты Республики Татарстан / Науч ред. Е.В. Смирнова, Д.В. Иванов. Казань, 2024. 90 с.
23.    Сементовский Ю.В. Условия образования месторождений минерального сырья в позднепермскую эпоху на востоке Русской платформы. Казань, 1973. 256 с.
24.    Твердохлебов В.П.Каличе в континентальных красноцветных формациях на востоке Европейской части России // Изв. вузов. Геология и разведка. 2001. № 6. С. 145–148.
25.    Твердохлебов В.П. Континентальные аридные формации востока Европейской России на рубеже палеозоя и мезозоя: Дис. … д-ра геол.-минерал. наук. Саратов, 1996. 67 с.
26.    Твердохлебов В.П.Равнинный пролювий – генотип аридных и семиаридных зон // Изв. вузов. Геология и разведка. 2003. № 1. С. 22–24.
27.    Твердохлебов В.П., Твердохлебова Г.И., Сурков М.В.Континентальные палеоэкосистемы рубежа палеозоя и мезозоя. Статья 2. Позднетатарское (северодвинское и вятское) время, юго-восток Восточно-Европейской платформы // Изв. вузов. Геология и разведка. 2006. № 1. С. 3–12.
28.    Чалышев В.И. Буро- и красно-пестроцветные ископаемые почвы семиаридного климата уфимского века пермского периода // Почвоведение. 1971. № 8. С. 21–35.
29.    Чалышев В.И. Методика изучения ископаемых почв. М., 1978. 72 с.
30.    Якименко Е.Ю., Таргульян В.О, Чумаков Н.М. и др.Палеопочвы в верхнепермских отложениях, река Сухона (Бассейн Северной Двины) // Литол. и полезн. ископ. 2000. № 4. С. 376–390.
31.    Constantini E.A.S.Paleosols and pedostratigraphy // Applied Soil Ecology. 2018. Vol. 123. P. 597–600. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2017.09.021
32.    de la Horra R., Benito M.I., Lopez-Gomez J. et al.Palaeoenvironmental significance of Late Permian palaeosols in the South-Eastern Iberian Ranges, Spain // Sedimentology. 2008. Vol. 55. P. 1849–1873. https:// doi.org/ 10.1111/j.1365-3091.2008.00969.x
33.    Foster T.M., Soreghan G.S., Soreghan M.J. et al. Climatic and paleogeographic significance of eolian sediment in the Middle Permian Dog Creek Shale (Midcontinent U.S.) // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 2014. Vol. 402. P. 12–29.
34.    Gastaldo R.A., Knight C.L., Neveling J. et al. Latest Permian paleosols from Wapadsberg Pass, South Africa: Implications for Changhsingian climate // Geol. Soc. Am. Bull. 2014. Vol. 126. P. 665–679. https://doi .org /10 .1130 /B30887.1
35.    Gulbranson E.L., Sheldon N.D., Montañez I.P. et al. Late Permian soil-forming paleoenvironments on Gondwana: A review // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 2022. Vol. 586. P. 1–23.
36.    Kessler J.L.P., Soreghan G.S., Wacker H.J. Equatorial aridity in western Pangea: lower Permian loessite and dolomitic paleosols in northeastern New Mexico, U.S.A. // J. Sediment. Res. 2001. Vol. 71(5). P. 817–832. https://doi.org/10.1306/2dc4096b-0e47-11d7-8643000102c1865d
37.    Kraus M.J. Paleosols in clastic sedimentary rocks: Their geologic applications // Earth-Sci. Rev. 1999. Vol. 47,№ 1–2. P. 41–70. https://doi.org/10.1016/S0012-8252(99)00026-4
38.    Mack G.H., James W.C., Monger H.C. Classification of paleosols // Geol. Soc. Am. Bull. 1993. Vol. 105,№ 2. P. 129–136. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1993)105<0129:COP>2.3.CO
39.    Mouraviev F.A., Arefiev M.P., Silantiev V.V. Paleosols and pedostratigraphy of the Urzhumian (Middle Permian) deposits of the Kazan Volga region // Kazan Golovkinsky Stratigraphic Meeting “Late Paleozoic Sedimentary Earth Systems: Stratigraphy, Geochronology, Petroleum Resources” (Kazan, Sept. 24–28, 2019): Abstract Vol. Kazan, 2019. P. 173–174.
40.    Mouraviev F.A., Arefiev M.P., Silantiev V.V. et al. Paleosols and host rocks from the Middle–Upper Permian reference section of the Kazan Volga region, Russia: A case study // Palaeoworld. 2020a. Vol. 29,№ 2. P. 405–425. https://doi.org/10.1016/j.palwor.2019.05.004
41.    Mouraviev F.A., Arefiev M.P., Silantiev V.V. et al. Red paleosols in the key sections of the Middle and Upper Permian of the Kazan Volga region and their paleoclimatic significance // Paleontol. J. 2015. Vol. 49, № 10. P. 1150–1159. https://doi.org/10.1134/S0031030115110064
42.    Mouraviev F.A., Kropotova T.V., Gareev B.I. et al. Loess-like siltstones from the Urzhumian (Middle Permian) red beds of Kazan Volga Region, Russia // 20th Int. Multidiscip. Sci. Geoconf.: Science and Technologies in Geology, Exploration and Mining, SGEM 2020b. Vol. 2020-August. № 1.1. P. 155–162. https://doi.org/10.5593/sgem2020/1.1/s01.020
43.    Mouraviev F.A., Silantiev V.V., Gareev B.I. et al. Paleosols from the Urzhumian (Middle Permian) reference section, Kazan Volga region, Russia // Int. Multidiscip. Sci. GeoConf. Surv. Geol. Min. Ecol. Manage., SGEM. 2018. Vol. 18, № 1.1. P. 387–394. https://doi.org/10.5593/sgem2018/1.1/S01.049
44.    Nesbitt H.W., Young G.M. Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites // Nature. 1982. Vol. 299,№ 5885. P. 715–717. https://doi.org/10.1038/299715a0
45.    Nurgaliev D.K., Silantiev V.V., Nikolaeva S.V. (Eds.) Type and reference sections of the Middle and Upper Permian of the Volga and Kama river regions. A Field Guidebook of XVIII International Congress on Carboniferous and Permian. Kazan, 2015. 208 p. https:// doi.org/10.13140/rg.2.1.2619.1206
46.    Obrist-Farner J., Yang W. Implications of loess and fluvial deposits on paleoclimatic conditions during an icehouse–hothouse transition, Capitanian upper Quanzijie low-order cycle, Bogda Mountains, NW China // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 2016. Vol. 441(4). P. 959–981. https://dx.doi.org/10.1016/j.palaeo.2015.10.041
47.    Retallack G.J. Field recognition of paleosols // J. Reinhardt, W.R. Sigleo (Eds.). Paleosols and Weathering Through Geologic Time: Principles and Applications. Ser.: GSA Special Papers. 1988. Vol. 216. P. 1–21. https://doi.org/10.1130/SPE216-p1
48.    Retallack G.J. Pedogenic carbonate proxies for amount and seasonality of precipitation in paleosols // Geology. 2005. Vol. 33,№ 4. P. 333–336. https://doi.org/10.1130/G21263.1
49.    Retallack G.J. Permafrost palaeoclimate of Permian palaeosols in the Gerringong volcanic facies of New South Wales // Australian Journal of Earth Sciences. 1999. Vol. 46. P. 11–22. https://doi.org/10.1046/J.1440-0952.1999.00683.X
50.    Retallack G.J. Permian–Triassic life crisis on land // Science. 1995. Vol. 267. P. 77–80. https:\\ doi.org\ 10.1126/science.267.5194.77
51.    Sheldon N., Retallack G., Tanaka S. Geochemical climofunctions from North American soils and application to paleosols across the Eocene–Oligocene boundary in Oregon // J. Geol. 2002. Vol. 110,№ 6. P. 687–696. https://doi.org/10.1086/342865
52.    Sheldon N.D., Tabor N.J. Quantitative paleoenvironmental and paleoclimatic reconstruction using paleosols // Earth-Sci. Rev. 2009. Vol. 95,№ 1–2. P. 1–52. https://doi.org/10.1016/j.ea rscirev.2009.03.004
53.    Tabor N.J., Smith R.M.H., Steyer S.J. et al. The Permian Moradi Formation of northern Niger: Paleosol morphology, petrography and mineralogy // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 2011. Vol. 299. P. 200–213. https:// doi.org/10.1016/j.palaeo.2010.11.002
54.    Thomas S.G., Tabor N.J., Yang W. et al. Palaeosol stratigraphy across the Permian–Triassic boundary, Bogda Mountains, NW China: Implications for palaeoenvironmental transition through earth's largest mass extinction // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 2011. Vol. 308. P. 41–64. https:// doi.org/10.1016/j.palaeo.2010.10.037
55.    Yingyue Yu, Li Tian, Daoliang Chu et al. Latest Permian–Early Triassic paleoclimatic reconstruction by sedimentary and isotopic analyses of paleosols from the Shichuanhe section in central North China Basin // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 2022. Vol. 585. 110726. P. 1–17. https:// doi.org/10.1016/j.palaeo.2021.110726
56.    Ziegler A.M., Hulver M.L., Rowley D.B. Permian world topography and climate // Martini P. (Ed.). Late Glacial and Postglacial Environmental Changes. Quaternary, Carboniferous–Permian and Proterozoic. Oxford, NY, 1997. P. 111–146.