Палеогляциология
УДК 551.510
Свидетельства вулканических извержений Тамбора и Кракатау (XIX в.) по данным химического и электронно-микроскопического исследования снежно-фирновых кернов из
района станции Восток (Антарктида)
© 2011 г. Т.В. Ходжер1, Л.П. Голобокова1, Э.Ю. Осипов1, О.В. Артемьева1, М.М. Масленникова1, В.Я. Липенков2, Ю.А. Шибаев2, О.Ю. Белозерова3, Е.В. Лихошвай1
Лимнологический институт СО РАН, Иркутск; 2Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург; 3Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, Иркутск
khodzher@lin.irk.ru
Статья принята к печати 15 марта 2010 г.
Аккумуляция, Антарктида, вулканы, Кракатау, ледовые керны, станция Восток, сульфаты, Тамбора, тефра. Accumulation, Antarctica, ice cores, Krakatau, Tambora, sulfates, tephra, volcanoes, Vostok station.
Представлены новые результаты химических исследований снежно-фирновых кернов из района станции Восток (Восточная Антарктида) - ^в. VFL-1 (78°05' ю.ш., 102°45' в.д.) и скв. VK-07 (78°27' ю.ш., 106°52' в.д.). Методами масс-спектрометрии и высокоэффективной жидкостной хроматографии измерены концентрации ионов и растворённых металлов с высоким разрешением (три пробы на год аккумуляции). Интервалам керна с повышенной электропроводностью соответствуют пики концентраций сульфат-ионов (до 1360 мкг/л), коррелируемые с глобальными вулканическими событиями Тамбора (1815 г.) и Кракатау (1883 г.). Вулканические проявления маркируются также по снижению величины pH. Рассчитанная по маркирующим вулканическим слоям скорость аккумуляции в точке VFL-1 составила 2,09 -2,19 г/см2 год, в точке VK-07 - 2,05 г/см2 год. С помощью сканирующей электронной микроскопии и микрозондового анализа в слоях, соответствующих вулканическим событиям, обнаружены микрочастицы, напоминающие вулканические стекла.
Введение
Ледниковые керны полярных районов содержат ценную информацию о вулканических событиях и особенностях атмосферной циркуляции. Вулканический пепел и газы, выбрасываемые в атмосферу, переносятся в виде аэрозолей воздушными массами и аккумулируются на поверхности ледниковых покровов. В ледовых кернах следы вулканической деятельности представлены интервалами с повышенной кислотностью. Они хорошо устанавливаются с помощью измерения электропроводности и химического (ионного) анализа [30]. Исследования химического состава, формы и характера поверхности частиц тефры (вулканического пепла) и вулканического стекла (застывшей лавы) в ледовых кернах Арктики и Антарктики позволяют восстановить условия извержения вулканов в прошлом [16—18, 27].
Вулканические извержения, особенно хорошо известные в истории, используются для корреляции и датирования ледовых кернов с высокой точностью. Причём, если следы высокоширотных вулканов (например, Исландии) фиксируются на уровне полушарий, то извержения в экваториальной зоне (напри-
мер, в Индонезии) дают хорошо выраженный глобальный сигнал.
Станция Восток расположена в центральной части Восточной Антарктиды, вдали от основных вулканических районов, поэтому есть все основания ожидать в кернах этого региона проявлений более чётких глобальных вулканических сигналов. Так, анализ ледникового керна со станции Восток позволил установить климатические изменения за последние 420 тыс. лет [28]. При исследовании прослоев тефры в кернах из районов станции Восток и Южного полюса с помощью химического анализа и электронной сканирующей микроскопии [22, 26] установлены их синхронность (вулканическое событие около 3200 л.н.) и общий источник поступления материала — Южные Сандвичевы острова в Южной Атлантике. Позднее, в ледниковом керне станции Восток в интервале глубин 103— 2586 м обнаружено 15 видимых прослоев тефры, возраст которых колеблется от 3,5 до 213,7 тыс. лет [12].
Сравнительный анализ элементного и изотопного составов вещества ледникового керна и районов вулканических проявлений в Субантарктическом регионе идентифицировал четыре возможных источника вулка-
нического материала. Недавно в районе станции Восток обнаружено два новых прослоя тефры, возраст которых 406 и 414 тыс. лет соответствует извержениям вулканов в Антарктике и Южных Андах [25]. Исторически документированные вулканические события последних 200 лет идентифицированы в антарктических кернах по электропроводности, кислотности, сульфатам и другим главным ионам [14, 15, 23]. Наиболее продолжительная вулканическая стратиграфия на континенте (последние 45 тыс. лет) получена для района Купола C с максимально высоким разрешением (до 1,5 лет) для голоцена [13]. Отметим, что самая верхняя часть снежно-фирнового разреза в районе станции Восток на предмет идентификации вулканических извержений глобального масштаба детально не исследовалась. Среди наиболее классических примеров таких событий — извержения вулканов Тамбора и Кракатау в XIX в.
Извержение вулкана Тамбора (8,15° ю.ш., 118,0° в.д.) на о. Сумбава в Индонезии в апреле 1815 г. считается не только самым мощным, исторически задокументированным извержением, но и самым значительным эксплозивным событием за последние 10 тыс. лет. Даже согласно консервативным оценкам, за 24 ч объём изверженного нефелин-трахиан-дезитового пирокластического материала составил около 175 км3, что эквивалентно 50 км3 скальных пород [32]. Индекс эксплозивности (volcanic explosivi-ty index, VEI) равен 7, а индекс запылённости (dust veil index, DVI) — 3000 ед. [23]. В ходе извержения в атмосферу поступило свыше 1011 кг SO4 [33]. В результате извержения образовалась кальдера размером 6 х 7 км глубиной около 1 км; вулканический пепел слоем более 1 см покрыл более 500 тыс. км2 акватории Яванского моря и прилегающих островов. В результате извержения в стратосферу Земли поступило огромное количество соединений серы, что стало причиной глобальной климатической аномалии — в 1816 г. (этот год часто именуется как «год без лета») глобальная температура были ниже обычной на 0,4—0,7 °C [33].
Извержение индонезийского вулкана Кракатау (6,1° ю.ш., 105,4° в.д.) началось в мае 1883 г., а на конец августа приходится его кульминация. Это извержение считается весьма умеренным по объёму выбросов, игнимбритообразующим (игнимбрит грубозернистый, не спаянный, дацитового состава). Суммарный выброс пирокластического материала, включая вулканический пепел, оценивается в 18—21 км3 [31]. По оценке [23], в атмосферу Земли было выброшено около 3 х 1010 кг твёрдого вещества, а индексы VEI и DVI составили соответственно 6 и 1000 ед. Тем не менее, взрывы вулкана вызвали формирование мощных пирокластических потоков, вторжение которых в море спровоцировало разрушительное цунами. По данным [3], мельчайший вулканический пепел был поднят на высоту до 80 км и в течение трёх лет его следы в виде аэрозолей присутствовали в верхних слоях атмосферы. Вулканический пепел обусловил многочисленные оптические явле-
ния, которые наблюдались в атмосфере после августа 1883 г. По некоторым оценкам, средняя глобальная температура в результате этого извержения понизилась на 0,35 °С [23]. Однако, несмотря на катастрофические последствия, извержение вулкана Кракатау было менее мощным, чем вулкана Тамбора в 1815 г.
Следы обоих извержений имеют глобальное распространение. Они хорошо идентифицируются химическими методами в ледовых кернах полярных ледниковых покровов обоих полушарий [23 и др.] и служат надёжными возрастными маркерами при датировании верхней части разреза ледников. В этой работе приводятся результаты высокоразрешающего химического анализа двух снежно-фирновых кернов из района станции Восток. Они позволили идентифицировать сигналы вулканов Тамбора и Кракатау, а также описать морфологию и элементный состав микрочастиц, обнаруженных в слоях, отвечающих этим глобальным событиям.
Материалы и методы исследований
Снежно-фирновые керны были отобраны в 2006— 2007 гг. в ходе 51-й и 52-й РАЭ в районе станции Восток в двух скважинах. Скважина УРЬ-1 (2006 г., 78°05' ю.ш., 102°45' в.д.) глубиной 15 м расположена в 113 км вверх по линии тока льда от станции Восток. В 200 м к юго-западу от станции был пройден двухметровый шурф УК-07, с забоя которого выполнено бурение скважины глубиной 18 м. Параллельно с бурением велись непрерывные измерения электропроводности (ЕСМ), на основе которых [6] выбирались отрезки кернов для химического анализа и идентификации вулканических событий. Детальное исследование снежно-фирновых кернов велось в интервалах 6,7—7,5 и 10,1—10,8 м (скважина УРЬ-1) и 7,6—10,6 м (скважина УК-07). Керны разрезались по 2 см (примерно 1/3 слоя годовой аккумуляции снега [4]) в стерильном помещении. Разрешающая способность измерений составила около трёх образцов на год аккумуляции.
Внешняя часть образцов (1,5—2 см) удалялась скальпелем. Анализировалась только центральная часть керна, которую помещали в предварительно вымоченные в дистиллированной воде (в течение 6 месяцев) полипропиленовые бюксы объёмом 100 мл. Их закрывали герметичной крышкой, и при комнатной температуре велось таяние образцов. Для установления в растворе химического равновесия растаявшую пробу выдерживали в этих же условиях не менее 3 ч. Из полученного образца отбирали 2—3 мл раствора и измеряли величину рН при температуре 25 °С (рН-метр НопЪа Б-21, Япония) с комбинированным электродом; точность определения составляла ±0,02. Оставшуюся часть раствора фильтровали через фильтр с размером пор 0,2 мкм. В фильтрате определяли катионы (Са2+, М§2+, №+, К+) и анионы (N0^, СГ, SO42 , БГ). Химические анализы выполнялись в лаборатории гидрохимии и химии атмосферы Лимнологического института СО РАН по методикам как рекомендованным для анализа
пресных вод [24], так и разработанным и аттестованным в Институте [11, 34]. Содержание катионов и растворённых металлов определяли масс-спектромет-рическим методом с индуктивно связанной плазмой на приборе «Agilent 7500 се», США (метод количественного элементного анализа по масс-спектрам ионов). Метод позволяет одновременно анализировать в пробе большое число элементов с низкими концентрациями [8]. Концентрации анионов исследовали методом высокоэффективной жидко
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.