ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 1, с. 132-136
УДК 550.42/551.89/551.583.7
ИССЛЕДОВАНИЯ ДОННЫХ ОСАДКОВ ПРОГЛЯЦИАЛЬНОГО ОЗЕРА ЭХОЙ (ВОСТОЧНЫЙ САЯН)
МЕТОДОМ РФА-СИ
© 2015 г. О. Г. Степанова1, В. А. Трунова23, А. В. Сидорина2, В. В. Зверева2, М. С. Мельгунов4, С. К. Петровский1, С. М. Крапивина1, А. П. Федотов1, Я. В. Ракшун5
E-mail: sog@lin.irk.ru
В статье приведены результаты изучения донных отложений прогляциального озера Эхой, питающегося талыми водами ледника Перетолчина. Донные отложения, сформированные с 1885 по 2013 г., изучались с временным разрешением год—сезон рентгенофлуоресцентным анализом c использованием синхротронного излучения в режиме сканирования и традиционного анализа (РФА-СИ-скан, РФА-СИ), методом инфракрасной спектроскопии, цветовой обработкой фотографий керна.
DOI: 10.7868/S0367676515010317
ВВЕДЕНИЕ
Ледники признаны одними из самых чувствительных индикаторов изменений климата [1, 2], когда даже незначительные колебания в региональной температуре и влажности могут вызвать существенные изменения в их балансе [3]. При этом внутриконтинентальные ледники, располагающиеся на значительном удалении от источников влаги, наиболее чувствительны к климатическим изменениям.
Изучаемый ледник расположен в горном массиве Мунку-Сардык (3491 м над уровнем моря) Восточного Саяна. Первые инструментальные измерения ледника были выполнены С.П. Пере-толчиным в 1896—1903 гг. [4]. Ледник состоит из двух частей: южной, расположенной с монгольской стороны г. Мунку-Сардык и принадлежащей к водосборному бассейну озера Хубсугул, и северной части, относящейся к водосборному бассейну р. Иркут. В начале прошлого столетия площадь ледника составляла 0.68 км2 [4]. За прошедшие
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук, Иркутск.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии имени А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.
3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский национальный исследовательский государственный университет.
4 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии имени В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.
5 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.
100 лет ледник сильно сократил свои границы, и в 2006 г., его площадь была 0.3 км2 [5].
Хорошо известно, что современное отступание ледников началось с середины XIX века, когда закончился климатический режим Малого ледникового периода (МЛП). Однако динамика ледников в разных частях Северного полушария не была синхронной [2, 6, 7].
В последние десятилетия, с развитием высокоразрешающих инструментальных методов, был достигнут значительный прогресс в реконструкции активности ледников на основе изучения вещественного состава донных осадков из озер, примыкающих к современным ледникам [8, 9]. Одним из таких методов может быть РФА-СИ-метод в режиме сплошного сканирования недеформирован-ных кернов.
Цель данной работы — использование РФА-СИ-метода для реконструкции отклика ледников Восточной Сибири (на примере ледника Перетолчина) на изменения климата последних 110 лет с временным разрешением год—сезон, на основе исследования элементного состава керна донных отложений прогляциального озера Эхой.
МЕТОДЫ
В работе изучалась верхняя часть (0—255 мм) керна ЕИ-01/13, отобранного в центральной части озера в августе 2013 г. Глубинно-возрастная модель строилась на основе подсчета количества годовых слойков по данным цифровой модели изменчивости цветовой гаммы осадка. Контроль модели осуществлялся по анализу распределения активностей изотопов 210РЬ, 137С8, 238и и 226Яа.
(BICP-MS
Nb
K
Ca Ti Fe Mn "Ni Cu Br _ U "Rb Sr Zr Nb Y Th
0 20 40 60
(Dlink/Dmax) ■ 100
80
24 22 m20 ft 18 16 14
22 г
i 16
15 S
15 a ft
J 14
17
16g 15 ft 14
640 645 650 655 660 665 670 675 680 Длина керна, мм
Рис. 1. а — выделение групп элементов в керне ЕИ-01/13 на основе кластерного анализа; б — сопоставление данных полученных РФА-СИ-методом при сканировании с шагом в 0.5 мм (черная жирная линия — осреднение по трем точкам) и ИСП-МС методом. Применение РФА-СИ-метода позволяет обнаруживать годичную ритмику в поступлении элементов третей группы, серый прямоугольник соответствует одному году.
2
3
Для изучения элементного состава керна был проведен рентгенофлуоресцентный анализ на станции элементного РФА-СИ-анализа в СЦСТИ (ИЯФ СО РАН). Станция элементного анализа оборудована специальным сканирующим устройством. Сканер позволяет перемещать плашку с керном на длину до 400 мм, перпендикулярно плоскости падающего монохроматического излучения. Минимальный шаг сканирования равен 0.1 мм. Кроме того, программное обеспечение позволяет тестировать наличие пучка СИ из накопительного кольца и осуществлять повторный набор спектра в случае, если происходит перенакопление пучка электронов в кольце. Механическая точность сканера была проверена при помощи датчика перемещения (Burleigh Instruments, Inc.) с разрешением 0.1 мкм. Было проведено сплошное сканирование недеформированного влажного керна на пучках синхротронного излучения (РФА-СИ-скан) с шагом в 0.5 и 1 мм.
Для определения концентраций химических элементов вдоль всего керна был проведен традиционный РФА-СИ-анализ сухого растертого материала фрагментов керна (прессованного в таблетки диаметром 8 мм и массой ~30 мг) по способу внешнего стандарта. В качестве образца сравнения использовался стандартный образец ГСО 7126-94 БИЛ-1 (Байкальский ил). Таблетки для определения концентраций химических элементов изготавливались из материала, отобранного на участках керна с равной интенсивностью аналитического сигнала для каждого элемента
(данные сканирующего анализа). Энергия возбуждающих квантов составляла 23 кэВ. Рентгено-флуоресцентные спектры обрабатывали при помощи программы АХ^. Были определены концентрации породообразующих К, Са, Т1, Мп, Fe, редких и рассеянных N1, Си, Zn, А8, Вг, ЯЪ, Sr, X Zr, №, Мо, Ва, La, Се элементов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Керн представлен тонким переслаиванием алев-ро-пелитовых илов оливково-серого цвета с мелко-среднезернистым песком, мощностью от 1 до 7 мм.
Анализ распределения элементов вдоль керна на основе кластерного анализа и метода главных компонент показывает, что проанализированные элементы могут быть объедены в три группы (рис. 1а). Группа 1 объединяет Са, К, Т1, Fe и Мп. Указанные элементы, за исключением титана, являются высокомобильными элементами [10, 11]. Однако присутствие Т1 в этой группе свидетельствует, что калий и кальций, вероятнее всего, поступали в виде кластогенного материала. Изначальные содержания Fe и Мп в осадке могут быть значительно трансформированы окислительно-восстановительными и микробиальными процессами [12]. Между тем близкое распределение Fe, Мп и Т1 свидетельствует, что эти трансформации были минимальны вследствие высоких скоростей осад-конакопления.
В группу 2 входят №, Си, Вг и и (рис. 1а). Перечисленные элементы очень часто образуют ком-
134
СТЕПАНОВА и др.
Год
2000 1980 1960 1940 1920 1900
400 t
48
U 44
° 40 36 5000
& 4000 &
3000
4
3
^ 2 1
0
2000 1980 1960 1940 1920 1900 Год
Рис. 2. Сравнение полученных летописей с региональными климатическими параметрами за ледником Перетолчина и геоморфологическими наблюдениями. ООВ — общее органическое вещество (определено методом инфракрасной спектроскопии). Температура — сумма летних температур в районе исследований (5-летнее сглаживание, http:// climate.geog.udel.edu/). Осадки — количество атмосферных выпадений за год (5-летнее сглаживание, http://climate.geog.udel.edu/).
плексные соединения с растворенным органическим веществом и могут интенсивно накапливаться в процессе жизненного цикла аквальной биоты, например в створках диатомовых водорослей [13, 14]. Мы предполагаем, что эта группа элементов описывает интенсивность первичной биопродуктивности озера и распределение органической составляющей. При этом профили распределения общего органического вещества (ООВ) и элементов группы 2 во многом схожи (рис. 2), что также подтверждает биогенный характер накопления этих элементов.
Группа 3 элементов включает в себя ЯЬ, Sr, Zr, №, Y и ТЬ и, по нашему мнению, именно за счет поступления этой терригенной группы элементов увеличивается мутность воды озера и снижается его биопродуктивность.
Использование РФА-СИ-метода с разрешением от 0.5 до 1 мм позволяет выделить годовую ритмику слоев в интервалах, где она литологически
плохо проявлена (рис. 1б). При этом использование РФА-СИ-метода гораздо эффективнее по сравнению с более традиционным ИСП-МС-анализом.
Наиболее показательно распределение элементов групп 2 и 3, когда содержание элементов группы 2 убывает снизу вверх керна в противоположность распределению элементов группы 3. Обратная взаимосвязь между распределением элементов групп 2 и 3 может объясняться уровнем мутности вод озера, за счет поступления так называемого "ледникового молока". Этот механизм был предложен в качестве одного из объяснений исчезновения диатомей в Байкале в периоды оледенений плейстоцена [15] и изменений фито- и зоопланктона в малых озерах [16, 17]. На основании этого можно предположить, что распределение элементов группы 3, вероятнее всего, соответствует интенсивности поступления в озеро Эхой терриген-ного материала мелкоразмерной фракции.
Метод главных компонент и кластерного анализа профилей элементов по глубине керна позволяет выделить пять переходов, когда изменения элементного состава были наиболее контрастными. Они произошли около 1911, 1928, 1946, 1976 и 2000 гг. (рис. 2).
Мы предполагаем, что поставку кластогенного материала в озеро талыми водами ледника можно описать двумя состояниями ледника. Первое состояние — ледник "стационарен", т.е. незначительно или со
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.