Геохимия природных вод и льдов Земли Норденшельда (о. Зап. Шпицберген)
С.М. Архипов1, Х.-В. Хуббертен2, Б.Г. Ванштейн3, Х. Мейер2, М.Д. Ананичева1, Л.М. Саватюгин4,
С.М. Прямиков4, Р.А. Чернов1, Д.А. Стрелецкий5
Институт географии РАН, Москва; 2Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Potsdam; 3ВНИИ Океангеология, Санкт-Петербург; 4Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург; 5Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Сравнительный анализ основных геохимических характеристик природных вод и льдов различного генезиса: ледниковых, озерных (конжеляционных), снежниковых, наледных, жильных, погребенных (предположительно ледникового происхождения).
Введение
Генезис погребенных пластовых льдов до конца еще не определен. Один из возможных путей решения этой задачи — определение закономерных различий в параметрах современных наземных и подземных льдов разного, но известного генезиса, что и служит основной целью настоящей работы. Крайне полезной представляется и разработка общей модели преобразования изотопно-химического состава отложенных твердых атмосферных осадков по мере их преобразования в относительно монолитный лед и при формировании жидкого стока.
Химический, изотопно-кислородный и изотопно-водородный состав природных вод и льдов Шпицбергена исследован относительно хорошо, однако основное внимание уделялось изучению глубинных ледниковых кернов, полученных в центральных частях наиболее крупных ледников в палеогеографических целях (см. например, обзор [9]). Остается открытым и вопрос о точности и, главное, сопоставимости результатов исследований в целом и особенно химических анализов, проводившихся разными группами исследователей по различным методикам.
Объекты и методика исследований
Исследования 2002 г. на архипелаге Шпицберген (о. Западный Шпицберген, п-ов Земля Норденшельда) проводились 10 июля — 17 августа в районе поселка Баренцбург западнее и восточнее залива Грёнфьорд: на леднике Альдегонда (№ 14108) и в его перигляциальной области (77,96—77,99° с.ш., 14—14,20° в.д.) (рис. 1); по правому борту (включая ледник № 14107 [8], около 78° с.ш., 14° в.д.) долины Стенброхультдален; на наледи в долине Линнея (южнее оз. Линнея, около 78° с.ш., 14° в.д.); на булгуння-хе в Грёндален (около 77° с.ш., 14,6° в.д.).
Методология наших работ определялась следующими обстоятельствами: выбором в качестве основного объекта исследований краевых зон небольших деградирующих ледников, так как именно относительно тонкие краевые участки отступающих ледников скорее всего и захоранивались в прошлом; отбором коллекции образцов всех семейств природных вод и льдов Земли Норденшельда (см. табл. 1 и рис. 1); соблюдением на всех этапах работ единообразия методик отбора, хранения, предварительной подготовки и анализа образцов.
Таблица 1
Природные льды и воды Земли Норденшельда
Тип
Класс
Семейство
IEE Льды
IEA ледники и снежники (снег, фирн и инфильтрационные льды)
SFI снег, фирн и молодой инфильтрационный лед
IEG ледниковый лед
IEC озёрно-речные льды (конжеляционные)
IEB погребенные массивно-пластовые (неопределенного генезиса)
IEN наледные (смешанного генезиса)
IEW ледяные жилы
WIW Водо-снежно-фирно-ледяная смесь ("болото", "каша")
WEE Воды
WEG на/в леднике, наледи, снежнике
WEB по границе ледника, наледи, снежника
WEP в перигляциальной области
WRP реки и другие водотоки
WLP озера и другие водоемы
Всего было отобрано 177 образцов снега, фирна, льда, воды (объемом >1 л) из разных природных объектов: озер и небольших водоемов (включая лужи); рек, ручьев и других водотоков; однолетних и многолетних снежников; погребенных льдов предположительно снежниково-ледникового генезиса (точки 25, 50, 52 на рис. 1); конжеляционных льдов (точка 43); снега, фирна и льда приповерхностных горизонтов ледников; фирна и льда из наледи; льда с
большим количеством минеральных включений из ледяной жилы в приповерхностных горизонтах бул-гунняха в долине Грёндален.
При отборе образцов снега и фирна использовались пластиковые совки и керамический нож, которым зачищали и образцы льда (ледяного керна), отбиравшиеся с помощью шнекового механического ручного бура. Образцы растапливали в полиэтиленовых пакетах и, после тщательного взбалтывания, пе-
Рис. 1. Долина Альдегонда и ледник Альдегонда, правый борт долины Стенброхультдален и расположенные в ней ледники (точки 49—53). Цифрами обозначены точки отбора образцов Fig. 1. Aldegonda valley and Aldegonda glacier, Stenbrohultdalen valley and glaciers located in it (sites 49—53)
реливали в герметичные фляги высокого давления из полиэтилена. Жидкие и полужидкие образцы отбирали непосредственно во фляги. Все полиэтиленовые пакеты и фляги прошли предварительную очистку в лабораторных условиях.
Измерения изотопно-кислородного S18O и изотопно-водородного SD (V-SMOW) состава выполнены в Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (Potsdam) Х. Мейером. Относительная погрешность измерений S18O и SD, составила, соответственно, 0,1 и 0,8 %с. Кислотность pH и концентрации отдельных ионов CN измерены в лаборатории ВНИИ Океангео-логия под руководством Б.Г. Ванштейна. Нижняя граница определения концентраций отдельных ионов DL составила для катионов < 0,01 мг/л, для анионов: С032-<0,12 мг/л, S042-<0, 4 мг/л; для Cl- и HCO3- все полученные значения значимы. При статистических расчетах и построении графиков значениям CN<DL присваивались значения CN=DL/2.
Дополнительно были проанализированы характеристики, производные от CN (также рассчитанные при допущении CN<DL=DL/2; далее по тексту знак CN перед символами отдельных ионов опускается):
CE — общая минерализация, т.е. сумма CN всех основных анионов и катионов: HCO3-, CO32-, SO42-, Cl-, Na+, Mg2+, Ca2+, K+ (мг/л);
SE± — анион-катионный баланс, SE± = (E+ + E-)/(|E+| + |E-|), %, где E+, E- — сумма CN всех основных соответственно катионов и анионов с учётом знака,мг/л;
Na/Cl — «хлорный коэффициент», Na/Cl = Na+/Cl-, где CN выражены в мг-экв./л;
nssSO42- — «non-sea-salt sulfate» («сульфаты не морского происхождения»), nssSO42- = (SO42- — 0,12(Na+ — 0,5K+))/S042-, %, где CN выражены в мг-экв./л [6].
Анализ представительности полученных данных показал: концентрации HCO3-, Cl-, Ca^+ больше DL во всех образцах, Na+, Mg2+ — в подавляющем большинстве образцов. Для CO32-, SO42-, K+ во многих образцах CN<DL. Соответственно, крайне проблематичны и значения Na/Cl, nssSO42- в образцах, где CN(CO32-, SO42)<DL (относительный вклад K+ в расчёт nssSO42- ничтожно мал, и его значениями в этом случае можно пренебречь).
В сериях образцов протаявшего снежного покрова, фирна и ледникового льда критериям нормального распределения соответствуют, как правило, не сами значения CN, S18O, а натуральные логарифмы этих величин lnCN или их модулей ln|S18O| [2—5]. Оценка параметров распределения pH, CN (включая концентрации H+, мг-экв./л), S18O, SD и т.д. в анализируемых сериях однотипных образцов (ледниковый лед, снежно-фирново-ледяные образцы из снежников, конжеляционные льды и т.п.) показала: критериям нормальности распределения соответствуют распределения значений CO32-, Cl, S18O, SD и натуральных логарифмов значений Ca2+, Na/Cl, а также модулей S18O, SD. Для остальных параметров от вы-
борки к выборке может наблюдаться несоответствие указанным критериям распределений как самих значений параметров или их натуральных логарифмов, так и тех, и других. Попытки исключения из выборок некоторых образцов (например, с большим количеством минеральных включений [1]) однозначного результата не дали. Поэтому все средние значения параметров X вычислены как для самих значений рН, С^ §180, SD (Хп), так и для /ярН, lnCN, 1п|8180|, ln|8D| (X;) с последующим обратным пересчетом (Xe). Для серий образцов, отбиравшихся в шурфах и скважинах, рассчитывались средние взвешенные значения с учетом интервала глубин отбора (Хп(, Хе(); для образцов с поверхности объектов и из водоемов и водотоков различия в глубине отбора не принимались во внимание (Хщ , Х^). Средние значения СЕ, 8Е±, N/0, nssSO42- (Еп, Ее) вычислены для отдельных групп образцов на основе Хп и Хе отдельных ионов.
Многоступенчатая система классификации природных льдов (см. табл. 1) позволяет провести их сравнительный анализ с разной степенью детализации (на уровне типов, классов или семейств), а также изучить геохимию природных объектов (ледник, наледь, снежник и т.п.) в целом. На первом этапе работ основное внимание было уделено нивально-гляци-альным комплексам как своего рода природным «моделям» формирования и взаимных переходов льдов различного генезиса.
Под нивально-гляциальными мы понимаем природные комплексы различного таксономического уровня, формирующиеся при активном круглогодичном воздействии снега и льдов разного генезиса.
Нивально-гляциальный комплекс «Бергшрунд»
Нивально-гляциальный комплекс «Бергшрунд» — подгорная трещина в верховьях ледника Альдегон-да (см. рис. 1) — включает небольшие водотоки (глубиной до 15 мм, шириной до 100 мм) на поверхности ледника (WEE=>WEB=>WRP), многолетний снежник внутри трещины толщиной более 2,5 м и шириной до 3 м (IEE=>IEA=>SFI), собственно ледниковый лед (IEE=>IEA=>IEG), конжеляционные льды двух различных генераций, залегающие по периметру трещины в виде «полосы» шириной до 2 м и толщиной более 0,5 м (1ЕЕ=>1ЕС). Анализ полученных данных (рис. 2) показывает следующее.
1. Различия в геохимических характеристиках природных льдов, снежно-фирновых образований и вод даже в пределах небольшого по площади ниваль-но-гляциального комплекса в целом весьма велики: концентрации отдельных ионов могут отличаться в 10-20 (НС03-, №+), 30-50 (С032-, С1-, №+, МБ2+, Са2+, К+) и даже более чем в 100 ^042-) раз; значения §180 и 8D — на 6 и 34 %с, соответственно. Аналогичная картина наблюдается и по отдельным классам и семействам, особенно для снежника и ледникового льда. Состав конжеляционных льдов и воды в водотоках значительно стабильнее. При этом в большом количестве образцов концентраций СО32-, SO42- и К+
Рис. 2. Геохимические параметр
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.