ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 2, с. 207-209
УДК 543.427.4:621.384.665:551.583.7:551.332.26
СКАНИРУЮЩИЙ РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ МИКРОАНАЛИЗ
ГОДОВЫХ СЛОЕВ В ОБРАЗЦАХ ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗ. ШИРА © 2013 г. А. В. Дарьин1, И. А. Калугин1, М. А. Максимов1, Г. А. Третьяков1, Я. В. Ракшун2
E-mail: darin@ngs.ru avd@igm.nsc.ru
Методом сканирующего рентгенофлуоресцентного микроанализа с использованием синхротрон-ного излучения из накопителей ВЭПП-3 (Новосибирск) и BESSY-II (Берлин) изучены межгодовые и межсезонные вариации микроэлементного состава годовых слоев в донных осадках озера Шира (Хакассия). Установлена зависимость состава от погодно-климатических условий. Показана возможность палеоклиматических реконструкций годового временного разрешения.
DOI: 10.7868/S0367676513020117
Ежегодно ламинированные (варвные) осадочные последовательности рассматриваются мировым палеоклиматическим сообществом как один из наиболее важных архивов, поскольку предполагают точную временную информацию в календарных годах в сочетании с высоким временным разрешением вплоть до внутригодовых климатических рефлексов. Подсчет числа годовых слоев позволяет получать абсолютные временные шкалы.
Озеро Шира — бессточное соленое озеро, расположенное в центре Азиатского континента, в южной части Чебако-Балахтинской котловины. Озеро протянулось на 9.5 км при наибольшей ширине 5 км, максимальная глубина озера — 21 м, площадь — 35 км2. Шира — слабосоленое озеро, минерализация — около 20 г • л-1, по составу вода слабощелочная, сульфатно-хлоридная, натриево-калиевая, с повышенным содержанием магния [1].
В центральной части озера Шира (Хакасия) в 2009-2011 гг. были подняты керны современных донных илов, имеющие тонкую ритмичную слоистость, заключающуюся в чередовании светло-серых, темных и черных слоев. Отбор верхних слоев осадков осуществлялся при помощи ящика-пробоотборника (box-corer), обеспечивающего получение ненарушенных колонок 20 см донных отложений, что при скорости осадконакопления ~1 мм/год соответствует временному интервалу ~200 лет. Для дальнейших исследований из влажного керна путем лиофильной сушки и насыщения полимером по методике [2] были приготовлены твердые препараты. Из твердого препарата готовили пластины размерами 180 х 5 х 2 мм с
1 Учреждение Российской академии наук Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Новосибирск.
2 Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск.
плоскопараллельными полированными поверхностями.
Сканирующий микроанализ проводился на экспериментальной станции "Элементный анализ", установленной на канале № 3 вывода излучения из накопителя ВЭПП-3 (Сибирский центр синхротронного излучения, ИЯФ СО РАН, Новосибирск). На энергиях возбуждения 12 и 20 кэВ были получены профилограммы распределения микроэлементов К, Са, Т1, V, Сг, Мп, Бе, N1, Си, Zn, Оа, Аз, Вг, ЯЪ, 8г, У, Zr, № вдоль верхних 180 мм керна донных осадков с пространственным разрешением 100 мкм.
Первой задачей исследования было доказательство именно варвной структуры осадка, т.е. содержащей отдельные годовые слои. Гипотеза "варвов" была проверена независимым методом с использованием изотопа Сз137. Искусственный изотоп Сз137 маркирует в донных осадках начало атомных испытаний в атмосфере — конец сороковых годов прошлого века, а максимум активности приходится на период 1961—1963 гг. (так называемые глобальные выпадения, связанные с проводимыми в это время испытаниями ядерного оружия). Временная модель, основанная на подсчете годовых слоев по визуальным и геохимическим индикаторам, совпадает с данными изотопных исследований: временной интервал 1961—1963 гг. находится на глубине 91—93 мм от границы вода-осадок (рис. 1).
Тонкая (0.5-2 мм) ритмичная слоистость, соответствующая годичному циклу, маркируется вариациями Са/8г-отношения. Модельные расчеты показали, что подобный эффект может быть связан с понижением температуры и сокращением объема воды за счет поверхностного ледостава, что приводит к появлению содержания стронци-
208
ДАРЬИН и др.
Внутригодовые распределения Ca/Sr и Br/Rb в осадках оз. Шира
Зима
0 123456789 10 11 12
Месяцы
Рис. 2. Геохимические индикаторы, маркирующие начало (Са/8г) и конец (Вг/ЯЪ) годового слоя в донных осадках оз. Шира, получены на основе экспериментального измерения распределения микроэлементов внутри 16 годовых слоев.
Внутригодовые распределения Rb, Sr и Br в осадках оз. Шира
Зима
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130 Core depth, мм
Рис. 1. Временная модель, основанная на подсчете годовых слоев по визуально выделяемым слоям и геохимическим индикаторам, дает положение 1963 г. на глубине 92 мм от границы вода—осадок, что точно совпадает с данными изотопных исследований: максимум активности 137Cs, маркирующий временной интервал 1961—1963 г. находится на глубине 90—95 мм.
анита в осадке и резкому уменьшению Са/8г-от-ношения.
Для изучения геохимического состава современных годовых слоев с получением детальной информации о сезонных вариациях микроэлементов, созданием модели годового цикла осад-конакопления, выделением климатических индикаторов и установлением количественных зависимостей состава осадка от инструментальных метеорологических данных были проведены исследования на экспериментальной станции ц-8ро1 (ВЕ88У-П, Берлин) [3]. На энергии возбуждения 19 кэВ с шагом сканирования 20 мкм были получены профилограммы вариаций содержаний микроэлементов вдоль 16 годовых слоев с 1992 по 1977 г. Были найдены устойчивые геохимические индикаторы, маркирующие начало и конец каждого годового слоя — Са/8г- и Вг/ЯЪ-отношения (рис. 2). В таблице представлены мощности годовых слоев, вычисленные с их использованием.
Детальные экспериментальные исследования внутреннего строения годовых слоев позволили создать литолого-геохимическую модель осадко-накопления в озере Шира и выделить климатически коррелированные микроэлементы (рис. 3).
0 123456789 10 11 12
Месяцы
Рис. 3. Внутригодовое распределения терргигенных (ЯЪ), хемогенных (8г) и биогенных элементов (Вг) на основе экспериментального измерения распределения микроэлементов внутри 16 годовых слоев.
В резко континентальном климате Хакасии в гидрологическом режиме и осадконакоплении озера различаются три сезона:
1) весной и в начале лета происходит таяние снега и ледяного покрова озера с постепенным повышением температуры воды. В осадке в это время идет накопление аэрозольных и терриген-ных частиц с характерным набором элементов: Т1, Бе, N1, ЯЪ, У, 2г;
2) в середине лета и начале осени в прогретой воде интенсивно размножаются бактерии, повышается содержание биоорганики, уменьшается концентрация кислорода, увеличивается кислотность [4]. Увеличивается интенсивность биохимических процессов, в том числе образование аутигенных компонентов осадка с характерным нарастанием концентрации стронция;
3) поздней осенью и зимой устанавливается ледяной покров, водная толща изолируется от атмосферы, в охлаждающейся воде уменьшается количество бактерий. В осадке нарастает количество биогенного материала — рост концентрации брома.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 77 № 2 2013
СКАНИРУЮЩИЙ РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ МИКРОАНАЛИЗ ГОДОВЫХ СЛОЕВ
209
Параметры годовых слоев в осадках оз. Шира
Год Конец слоя (в мм от границы вода-осадок) Начало слоя (в мм от границы вода-осадок) Мощность слоя (мм)
1992 2.44 4.42 1.98
1991 4.42 6.06 1.64
1990 6.06 7.8 1.74
1989 7.8 9.02 1.22
1988 9.02 10.2 1.18
1987 10.2 11.48 1.28
1986 11.48 12.58 1.1
1985 12.58 14.18 1.6
1984 14.18 15.46 1.28
1983 15.46 16.24 0.78
1982 16.24 16.76 0.52
1981 16.76 17.72 0.96
1980 17.72 19.92 2.2
1979 19.92 21.36 1.44
1978 21.36 22.24 0.88
1977 22.24 23.5 1.26
Таким образом, в годовом осадочном цикле оз. Шира существуют условия для формирования устойчивых периодических геохимических сигналов, отражающих изменение внешних условий.
Точное выделение годовых слоев и детальные внутригодовые исследования позволили установить количественную связь региональных погод-но-климатических параметров и литолого-геохи-мических свойств осадка. Показано, что годовые содержания Sr и Ca определяются объемом весеннего паводка - суммой атмосферных выпадений с ноября прошлого по апрель текущего года (корреляция +0.76 для Sr и 0.83 для Ca). Установленные зависимости можно использовать для реконструкции климата позднего Голоцена на основе исследования кернов оз.Шира.
Работа выполнена при использовании оборудования ЦКП СЦСТИ (Новосибирск), BESSY-II Helmholtz Zentrum Berlin (Берлин) и финансовой поддержке Минобрнауки России, грантов Президиума СО РАН (ИП-34, ПП-34).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Парначев В.П., Вишневецкий И.И., Макаренко Н.А. и др. Природные воды Ширинского района республики Хакасия. Томск: Изд-во Томского ун-та, 2003. 183 с.
2. BoesX, FagelN. // Sedimentary geology. 2005. V. 179. P. 185.
3. http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/igama_output? modus=einzel&sprache=en&gid=1697&typoid=37587
4. Рогозин Д.Ю., Зыков В.В., Калугин И.А., ДарьинА.В., Дегерменджи А.Г. // Докл. РАН. 2011. Т. 439. № 2. C. 282.
8 ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 77 № 2 2013
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.