ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 1, с. 137-140
УДК 550.4:543.427.4:548.732:621.384.665
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЗОННОГО ГЕОХИМИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ГОДОВЫХ СЛОЯХ ДОННЫХ ОСАДКОВ оз. ДОНГУЗ-ОРУН МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕГО РФА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОКАПИЛЛЯРНОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ОПТИКИ
© 2015 г. А. В. Дарьин1, Я. В. Ракшун2, Д. С. Сороколетов2, Ф. А. Дарьин2, И. А. Калугин1, Н. В. Максимова1, Т. И. Маркович1
E-mail: darin@ngs.ru
Методом сканирующего рентгенофлуоресцентного микроанализа на пучках синхротронного излучения из накопителя ВЭПП-3 исследовано распределение микроэлементов вдоль образца донных осадков оз. Донгуз-Орун (Северный Кавказ). С использованием микрокапиллярной рентгеновской оптики был получен пучок возбуждающего излучения диаметром 15 мкм, что позволило провести детальные исследования внутреннего строения отдельных годовых слоев. Показано, что отношение Rb/Sr связано с размером частиц и может служить маркером весеннего паводка. Оценка скорости современного осадкообразования в озере по подсчету визуально выделяемых слоев и геохимическим индикаторам совпадает с изотопными данными. Найдены количественные связи состава осадка и метеоданных (температура и атмосферные выпадения).
DOI: 10.7868/S036767651501010X
ВВЕДЕНИЕ
Донные озерные отложений с годовой слоистостью (т.н. "варвы") [1] используются для палео-климатических реконструкций уже около столетия, однако применение современных аналитических методов открывает новые возможности для получения принципиально новой информации о связи состава осадков и условий их образования.
Озеро Донгуз-Орун находится в Центральном Кавказе в Приэльбрусье в верховьях притока р. Баксан на высоте 2545 м. Озеро проточное, с несколькими впадающими с ледника ручьями и вытекающей рекой Донгуз-Орун. Средняя глубина около 4.5 м, с максимумом до 14 м. Самая глубокая часть озера находится недалеко от моренной плотины в узкой северной части озера. Состав осадков в озере связан с динамикой ледникового стока, который приносит терригенный материал в озеро. Сток, в свою очередь, существенно зависит от интенсивности таяния ледников и определяется весенней и летней температурой.
Таким образом, детальное исследование современных осадков озера позволит установить связь их химического состава с инструментальными ме-
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии имени В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.
теоданными и использовать полученные зависимости для построения климатических палеоре-конструкций.
МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ ОБРАЗЦОВ
В августе 2012 г. в глубоководной части озера Донгуз-Орун (12 м) с использованием гравитационной трубки был отобран керн длиной 450 мм. Осадок представлен бежево-коричневой глиной с редкими линзами песка и имеет ярко выраженную слоистость. Керн после вскрытия в лабораторных условиях разрезался на две половины вдоль главной оси. Половина керна резалась на дискретные пробы с шагом опробования 5 мм. Полученные пробы использовались для определения влажности керна и скорости осадконакоп-ления по распределению изотопов 137С8 и 210РЬ. Вторая половина керна использовалась для высокоразрешающих исследований донных осадков методами аналитической микростратиграфии [2].
Методика приготовления твердых препаратов из влажного керна включает три этапа:
— наложение боксов из алюминиевой фольги на поверхность осадка и извлечение их из керна с неповрежденным слоем осадка;
— замораживание полученных образцов в жидком азоте и сушка в лиофильной камере;
— насыщение полимером — смесью эпоксидной смолы и ацетона.
Полученные препараты имеют размеры — 170 мм длина, 20 мм ширина и 5 мм толщина — и пригодны
для длительного хранения. Для сканирующего анализа из них выпиливались плоскопараллельные пластинки толщиной 2 мм. Также были изготовлены оптические шлифы толщиной 30 мкм, соответствующие анализируемой плоскости образца. Наличие оптических шлифов позволило привязать профили сканирования к детальным фотографиям исследуемой поверхности образцов, а в ряде случаев провести анализ отдельных участков непосредственно по поверхности шлифа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для получения профилей распределения микроэлементов вдоль поверхности образцов керна донных осадков оз. Донгуз-Орун использовалось оборудование станции "Элементный анализ" ЦКП "Сибирский центр синхротронно-го и терагерцевого излучения" с поликапиллярными рентгеновскими линзами [3]. Фокусировка излучения проводилась с использованием автоматизированной системы юстировки поликапиллярной оптики и выполнялась в автоматическом режиме. В ходе выполнения фокусировки получен диаметр пятна порядка 15 мкм.
РФА-сканирование с шагом 200 мкм проводилось на образцах, соответствующих верхнему интервалу керна 0—170 мм. Пучок коллимировался выходными щелями, без использования поликапиллярных линз. Условия эксперимента: энергия возбуждения 22 кэВ; размеры пятна возбуждающего излучения на образце высота 100 мкм, длина 500 мкм; время измерения в точке 10 с.
Кроме того, с шагом 30 мкм были изучены образцы, соответствующие интервалу керна 0— 100 мм. Условия эксперимента: энергия возбуждения 19 кэВ; размеры пятна возбуждающего излучения на образце высота 20 мкм, длина 30 мкм; время измерения в точке 15 с.
Были получены профили распределения следующих элементов: К, Са, N1, V, Сг, Мп, Fe, N1, Си, Zn, Ga, Аз, Вг, ЯЪ, 8г, У, Zr, №. Результаты представлены в виде площадей аналитических пиков указанных элементов, нормированные на площадь пика, рассеянного на образце излучения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для поиска геохимических индикаторов климата и установления количественных связей с инструментальными метеоданными необходимо построить максимально точную временную модель для пересчета линейных размеров керна в года. Вместе с визуально выделяемыми слоями нами использованы геохимические данные, позволяющие произвести подсчет годовых слоев [4]. Были использованы данные по сканированию верхних 100 мм керна с шагом 30 мкм.
В качестве маркера годового цикла использовано отношение аналитических пиков ЯЪ/8г. В основе такого подхода лежит простая модель гравитационного фракционирования частиц осадка во время весеннего паводка. Светлый крупнозернистый слой относится к весеннему паводку и началу активного таяния ледника, когда озеро за короткий период наполняется большим количеством принесенного осадочного материала. После бурного паводка наступает затишье, происходит дифференциация осаждаемого на дне материала по размеру частиц и формируется слой более тонкозернистого осадка.
Начало годового слоя составляют самые крупные, слабо выветрелые обломочные частицы с отношением ЯЪ/8г, характерным для пород территории водосбора в целом. Затем осаждаются частички глины, в которых содержание стронция меньше: чем меньше размер частиц, тем больше удельная площадь и тем сильнее происходит выветривание и вынос стронция, более подвижного, чем рубидий. В этом слое отношение ЯЪ/8г будет выше. Таким образом, паводковая часть слоя на профиле отношения ЯЪ/8г будет представлена в виде минимумов, тогда как слои более тонкого осадка, отлагающиеся позже, будут иметь более высокое значение отношения ЯЪ/^г [5].
Очевидно, что помимо весенних паводков, в разрезе могут быть отражены и другие события, обеспечивающие поступление обильного осадочного материала в озеро: ливневые осадки, сели, и пр. Подобные события могут привести к неоднозначной временной оценке выделенного слоя. В варвохро-нологии погрешности связанные с подсчетом слоев оцениваются величиной порядка 1—2% [1].
Основное поступление обломочного материала в озеро Донгуз-Орун связано с периодом снеготаяния, которое на этой высоте происходит в мае-июне. Следы паводков, вызванных другими возможными причинами (дожди, интенсивное таяние ледника, селевые и склоновые процессы), будут отличными по своим характеристикам в отложениях от самого существенного по своим масштабам события года. Таким образом, для осадков озера Донгуз-Орун возможна ошибочная интерпретация границы годового слоя (когда внутрисезонный паводок принимается за весенний). Однако на достаточно длинных интервалах вклад случайных составляющих может быть незначительным и уравновешиваться вероятностью пропуска годового слоя.
На рис. 1 представлен профиль изменения отношения ЯЪ/8г для верхних 160 мм керна, сканированных с шагом 200 мкм. Всего выделяется 91 минимум, что дает оценку скорости осадконакопле-ния 1.76 мм/год.
При этом положение пиков, соответствующих 1961—63 гг. (глобальные выпадения) совпадает с
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЗОННОГО ГЕОХИМИЧЕСКОГО СИГНАЛА
139
1.0 ц 0.9 и 0.8 £ й 0.7
С^ нн
I I 0.6
5 5 0.4
Я т 0.3
6 0.2 Н 0.1
0
2010 г.
2000 г.
1990 г. 1980 г. 1970 г. 1960 г.
-ЯЬ/Яг
1к
л
у
йм
(I__I__I__г И|1
(к
|| и
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 1
Глубина керна от вода—осадок, мм
«Ф»1? "МР1 ■,й1р,1!|!111|11111!;|];!]|]|||]:1!1-1!|1!;1!:;1!
1'п И1Л1
Рис. 1. Профиль вариации отношения ЯЬ/Яг в интервале керна 0—160 мм. Подсчет слоев по геохимическому маркеру в предположении о годовой слоистости дает оценку скорости 1.75 мм/год.
0
1950
1.2 г
0
1950
Т_апп Вг
1960
1970
1980 Годы
б
1990
2000
2010
Рг_апп Теп^еп
1960
1970
1980 Годы
1990
2000
2010
Рис. 2. Сравнение нормированных (от 0 до 1) величин метеоданных (верх — годовая температура, низ — атмосферные выпадения) с геохимическими данными по профилю сканирования образца Д-О.
а
данными по распределению радиоизотопа 137С8. Таким образом, полученные оценки скорости современного осадконакопления в озере Донгуз-Орун сходятся к величине 1.6—1.8 мм/год.
Предположение о годовой стратификации слоев осадка в озере Донгуз-Орун дает возможность прямой корреляции характеристик этих слоев с метеорологическими данными. Так, содержание в
осадке Вг — элемента, который характеризует органическую компоненту осадка и является индикат
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.