ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, № 5, с. 90-96
УДК 543.51:546.791.027(282.256.341)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ОБРАЗЦОВ САПРОПЕЛЯ ОЗЕРА КИРЕК (ЗАПАДНАЯ СИБИРЬ) МЕТОДОМ РФА СИ
© 2012 г. В. А. Бобров1, |М. А. Федорин|2, Г. А. Леонова1, Ю. Н. Маркова3,
Л. А. Орлова1, С. К. Кривоногов1
Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск, Россия 2Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, Новосибирск, Россия 3Институт геохимии имени А.П. Виноградова СО РАН Поступила в редакцию 22.09.2011 г.
Методом РФА СИ выполнено сканирование двух кернов сапропеля 6.2 м (координаты бурения 56°11'93'' с.ш., 84°23'22'' в.д.) и 3.6 м (56°10'93'' с.ш., 84°22'94'' в.д.), поднятых с глубин 5 и 7 м соответственно в оз. Кирек (юг Томской области, Западная Сибирь). На основе различия содержания восьми химических элементов в стратифицированных горизонтах кернов установлены геохимические типы сапропелей и их распространенность. В осадке 6.2-метрового керна на протяжении всего голоцена преобладает известковистый низкожелезистый сапропель, геохимическая характеристика которого представлена средними значениями 13 химических элементов в слоях, сгруппированных по основным климатическим периодам голоцена. Органожелезистый сапропель мощностью в 90 см вскрыт в 3.6-метровом керне в интервале 215—305 см (возраст 7—4 тыс. л. н.). На остальных горизонтах керна осадок представлен известковистым сапропелем, но содержащим более высокие концентрации железа по сравнению с первым типом. Геохимическая специализация этих двух типов сапропелей (в 3.6-метровом керне) охарактеризована средним содержанием 31 химического элемента. Выдержанность составов и концентраций химических элементов в сапропелях в голоценовом разрезе осадков в свою очередь свидетельствует о тождественности условий формирования разновидностей (типов) сапропеля.
ВВЕДЕНИЕ
Органогенные озерные осадки — сапропели (так же, как торф и почва) являются биокосной системой, депонирующей атмосферный углерод, биогенные элементы и тяжелые металлы, тем самым участвуя в формировании геохимического фона поверхности, и в частности, поверхности обширной болотно-таежной равнины Западной Сибири. В озере Кирек, расположенном в таежной полосе юга Томской области, за период голоцена накопились большие объемы (2.2 млн. м3) сапропеля [1]. В настоящее время поверхность дна на мелководных прибрежных участках покрыта ковром водной растительности (макрофитами), которые исчезают на глубинах в 5—7 м, где накапливается планктоногенный детрит, оставаясь во взвешенном состоянии десятки лет (по присутствию 137Cs и атмосферного 210Pb). На мелководных участках формировался известкови-стый сапропель (Ca/Fe = 150) за счет разложения биомассы макрофитов. Органожелезистый сапропель (Ca/Fe = 0.25) формировался за счет отмирания биомассы фито- и зоопланктона, заселявшего водное пространство озера [2]. На переходных глубинах (3.5—4.5 м) формировался сапропель смешанного генезиса, который является разновидностью известковистого сапропеля
(Ca/Fe = 6). Для образования первого типа сапропеля принципиальным является мелководье и гидрокарбонатный состав воды, для второго — глубина дна и приток болотных вод, поставляющих железо с заболоченных территорий. Таким образом, обводненность озера и химический состав воды в геологическом прошлом в различные климатические периоды голоцена могли явиться определяющими факторами формирования микроэлементного состава стратифицированных горизонтов осадка. Обмеление водоема выводит глубинные площади донной поверхности на уровень, благоприятный для формирования известкови-стого сапропеля с участием водной растительности (макрофитов). Более того, обмеление озера может привести к развитию болотной растительности, в минеральном питании которой играют заметную роль атмосферные выпадения. Основной задачей исследования является выявление геохимической характеристики основных типов сапропелей и их распространенность в осадочной толще го-лоценовых отложений, вскрытых в точках бурения. Материалом наших исследований служили 6.2- и 3.6-метровые керны, поднятые ударным бурением в точках с координатами 56°П'93" с.ш., 84о23'22'' в.д. и 56°10'93'' с.ш., 84°22'94'' в.д. Глубины поверхности дна в момент бурения составляли 5 и 7 м соответственно. На основе радио-
углеродного датирования определен возраст поднятых осадков: для 6.2-метрового керна (12 тыс. л. н.) даны шесть датировок через каждые 90 см поднятого керна, для 3.6-метрового керна (8.6 тыс. л. н.) получены две датировки.
МЕТОДИКА
Широкий круг химических элементов, начиная с атомного номера 19, вплоть до ^ РЬ, ТЬ, и на станции элементного анализа ВЭПП-3 Института ядерной физики (ИЯФ) определяется на уровне кларковых концентраций в земной коре [3—5]. Геохимическая особенность сапропеля состоит в том, что на долю Н20 приходится до 90— 95% весовой массы в силу его высокой влажности; на долю всех остальных химических элементов, включая биогенные, — не более 10—5%. Таким образом, чувствительность метода РФА СИ при анализе исходного (природного) сапропеля на два порядка снижается для элементов, присущих глинистым озерным осадкам. Процедура высушивания (избавление от влажности) не гарантирует сохранности в зольной части сапропеля биогенных элементов, входящих в структуру органического вещества: возникает вторичное перераспределение микроэлементов при извлечении керна сапропеля из его природной водной среды. Тем не менее, применение метода сканирования на станции элементного анализа ВЭПП-3 ИЯФ дает возможность, несмотря на низкую концентрацию зольных элементов, проследить за распределениями К, Са, Мп, Бе, Си, Zn, Аз, Вг, Sr, Rb и Zr во всем голоценовом разрезе с временным шагом 1—3 года. Несмотря на ограниченную чувствительность к выявлению более широкого списка микроэлементов, сканирование именно влажного сапропеля является принципиальным предварительным методом комплексного исследования образцов кернов, поскольку при этом сохраняется целостность и непрерывность керна.
Методика сканирования кернов выдерживалась согласно работам [6—9]. Образцы осадка (слэбы длиной 30 см, шириной 1.5 см, толщиной 0.5 см) вырезались из осевой части керна и упаковывались пищевой пленкой. Тем не менее, упаковка слэбов в пищевую пленку не гарантирует сохранности исходной влажности сапропеля, которая могла меняться в различной степени в разных слэбах. Это зависело как от природы самого сапропеля, так и от времени отбора до измерения в атмосфере лабораторных помещений. В связи с этим расчет абсолютных концентраций элементов по спектрам флуоресцентного излучения мог содержать систематические ошибки, большие для легких по атомному номеру элементов. Вертикальная апертура пучка СИ составляла 0.5 мм, шаг сканирования равнялся 0.5 мм для верхних 360 см керна и 1 мм для нижних 360—620 см керна.
Таким образом, для 6.2-метрового керна сапропеля получена запись РФА-спектров для 9300 микрогоризонтов, а для 3.6-метрового керна в интервале 1.8—3.6 м — 1800 микрогоризонтов.
Параллельно с отбором влажного сапропеля в слэбы в этих же интервалах керна отбирали фрагменты сапропеля толщиной 2 см, высушивали до воздушно-сухого состояния для последующего изготовления прессованных таблеток плотностью 0.1 г/см2. Таким образом было изготовлено 20 таблеток, соответствующих 20-ти слэбам. Содержание элементов в каждой таблетке соответствовало среднему содержанию элементов в (40— 20) микрогоризонтах в пределах каждого слэба. Работа с влажным сапропелем (в слэбах) создает большие методические трудности. Неконтролируемые значения влажности в микрогоризонтах в момент сканирования слэбов сказывались на расчетах абсолютных значений содержания химических элементов при тестировании по прессованным таблеткам. Вертикальное размещение слэбов приводило к избыточной увлажненности нижних частей слэбов, что, естественно, сказывалось на поглощении флуоресцентных линий Ca-Kx и Sr-Kx (3.6 и 14.1 кэВ). В окончательных корректировках результатов расчетов использовалось отношение значений Ca/Sr (400), принимаемое в качестве постоянного значения для биогенного карбоната. При расчетах содержания химических элементов в таблетках по данным РФА СИ использовались стандартные образцы сравнений СО с углеродной, карбонатной и силикатной матрицами — Тр-1, СИ-1, СИ-3, БИЛ-1, СА-1, СТ-1а. Расшифровка спектров сканирования сопоставлялась с данными по таблеткам и приведена к концентрациям в сухом сапропеле.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенного сканирования 6.2-метрового керна сапропеля получена сплошная, без пропусков, запись спектров РФА СИ, по которым определены концентрации восьми химических элементов в каждом из 9300 микрогоризонтов керна. Распределение химических элементов по временной шкале разреза керна представлено на рис. 1. Определены средние скорости накопления осадка и средние значения концентраций 13 элементов в основные климатические периоды голоцена (табл. 1). Средние скорости накопления осадка менялись от 0.108 см/год в пребореальный период до 0.23 см/год в атлантический период, оставались довольно высокими в суббореальный период — 0.090 см/год и снижались в субатлантический период до 0.038 см/год. Высокие отношения Ca/Fe (более 100 отн. ед.) и высокие значения Ca (Sr) в микрогоризонтах указывают на высокую распространенность известковистого сапропеля первого типа (90%) в разрезе 6.2-метрового керна.
мг/кг 200
100
мг/кг
400 200 0
мг/кг 400
IL
|Cu
200
|Br
0
мг/кг 150 г
100
50
0
мг/кг 200 Ь Zr
100
0
%
0.15 0.10 0.05
0
%
5 4 3 2 1
0
%
60
30
2000 4000 6000 8000 1000012000 годы
Рис. 1. Распределение химических элементов по микрогоризонтам 6.2-метрового керна сапропеля оз. Ки-рек во временной шкале.
Концентрации литогенных элементов (Ti, Rb, Zr, Ga) в слоях не достигают величин, допускающих сколько-нибудь значимый привнос кальция с терригенным материалом, а низкие концентрации железа исключают хемогенный вариант обогащения кальцием. Таким образом, подтверждается биогенная природа карбоната кальция в сапропеле. Несмотря на то что 6.2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.