Вариации изотопов кислорода в ростках современных сингенетических повторно-жильных льдов в низовьях реки Колымы

Работа выполнена при поддержке РНФ (№19-17-00126 – изотопный анализ), РФФИ (17-05-00793, анализ метеоданных и 18-05-60272 Арктика – обобщение данных).

Введение

Впервые об изотопном составе повторно-жильных льдов в связи с зимними температурами упоминал Ю.К.Васильчук в статье 1984 г. ^[1]: "...можно предполагать, что процесс фракционирования изотопов кислорода в воде, формирующей повторно-жильные льды, контролируется прежде всего температурами конденсации атмосферной влаги зимой... Следовательно, по изотопно-кислородному составу ледяных жил можно характеризовать преимущественно температуру приземного слоя воздуха времени выпадения снега" ^{[1, с. 426-427]}. Впоследствии в статье, переданной для публикации в ДАН в 1984 г, посвященной Нижнеколымским повторно-жильным льдам близ пос. Зеленый Мыс, Ю.К.Васильчук отмечает: "Палеотемпературная интерпретация вариаций содержания стабильных тяжелых изотопов кислорода может быть выполнена на основе сопоставления с содержанием ¹⁸О в современных сингенетических жилках и в снеге” ^{[2, с. 906]}.

Район исследований

Исследования проводились в низовьях р.Колымы и ее притоков, между пос.Колымское и о.Каменка. Нижнеколымский район охватывает примерно 250-километровый отрезок нижнего течения Колымы от Евсейских островов на юге по побережья Восточно-Сибирского моря на севере. По территории региона проходит северная граница лиственничной тайги, выступающая на правобережье Колымы далеко к северу. С юго-востока в Колыму впадают крупнейшие притоки – реки Омолон и Анюй. По левому берегу к долине Колымы примыкает Колымо-Индигирская низменность, с многочисленными термокарстовыми озерами на водоразделах и в долинах рек. Не менее 90% территории Нижнеколымского района представлены водно-болотными ландшафтами ^[3].

По данным метеостанции в пос.Колымское среднегодовая температура воздуха составляет –13,4 ^оС, средняя температура января –34 ^оС, средняя температура июля +7,8 ^оС. Среднегодовое количество осадков около 225 мм, половина их выпадает в виде снега ^[4]. По данным из ^[4] метеостанции Бухта Амбарчик в устье р.Колыма за период наблюдений 1933-1991 гг. средняя температура января составляла –29,7 ^оС, тренда изменения температуры за данный период не отмечено (рис. 1).

Рис. 1. Вариации средней температуры воздуха в январе и феврале на метеостанции “Бухта Амбарчик” (69°6′с.ш., 162°3′в.д., высота 23 м н.у.м.) за период 1933–1991 гг. (данные из ^[4])

Отобраны образцы льда из элементарных жилок в разных точках исследуемого района (рис. 2) и проанализирован их изотопно-кислородный состав.

Рис. 2. Карта района исследований в низовьях р.Колымы: 1 – метеостанция Бухта Амбарчик, 2 – о.Каменка, 3 – пос.Походск, 4 – пос. Зеленый Мыс, 5 – пос.Черский, 6 – стационар Амболиха, 7 – Плахинский Яр, 8 – Дуванный Яр, 9 – пос.Колымское, 10 – разрез Красивое, 11 – разрез Молотковский Камень.

Методы

Определения изотопного состава кислорода выполнялись в лаборатории изотопной геологии ИГ АН Эстонии и в лаборатории изотопной гидрологии ИВП АН СССР при содействии А.Д.Есикова на приборе G-50. Проводились контрольные сопоставления стандартов обеих лабораториях.

Результаты

Результаты изотопно-кислородного анализа элементарных жилок показывает, что значения δ¹⁸O в жилках из разных точек варьируют в диапазоне от –23,0 до –27,1 ‰ (табл. 1), составляя в среднем около –25,8 ‰.

Таблица 1. Значения δ¹⁸O в ростках современных сингенетических повторно-жильных льдов в низовьях р. Колымы, данные из ^{[5, 6]}

* Индексы образцов соответствуют инициалам исследователей, проводивших отбор. YuV – Васильчук Ю.К., РВ – Р.А.Вайкмяэ, ТЯ – Т.Я.Якимова

За период с 2001 по 2010 гг. на метеостанции в пос.Черский проводился отбор образцов осадков и определение его изотопного состава, полученные результаты были включены в базу данных GNIP (Global Network of Isotopes in Precipitation). Вариации значений δ¹⁸O в осадках зимнего периода составили от –15,4 до –36,7‰, среднее значение составило от –25,1 до –26,9‰ (табл. 2, 3).

Соотношение δ¹⁸O - δ²Н в зимних осадках описывается уравнением δ²Н = 7,2δ¹⁸O – 14,1, что близко к Глобальной Линии Метеорных Вод (ГЛМВ) (рис. 3).

Таблица 2. Вариации среднемесячных величин δ¹⁸O, δ²Н и d_exc в метеоосадках пос. Черский за период 2001-2010 гг. Данные из базы GNIP ^[7]

Таблица 3. Вариации среднемесячных величин δ¹⁸О и δ²Н в метеоосадках пос. Черский в 2008-2010 гг. Данные из базы GNIP^[8]

Рис. 3. Соотношение δ¹⁸O - δ²Н в зимних осадках в пос.Черский за период 2001-2010 гг.

По данным Л.Велп ^[9], проводившей исследования изотопного состава осадков и поверхностных вод в районе пос.Черский, в осадках с положительными значениями дейтериевого эксцесса (это преимущественно зимние осадки в виде снега) уравнение соотношения δ¹⁸O - δ²Н имеет вид δ²Н = 7δ¹⁸O – 11,7. Все осадки зимнего периода расположены вблизи ГЛМВ (рис. 4).

Рис. 4. Соотношение δ¹⁸O - δ²Н в осадках и поверхностных водах в районе пос.Черский за период 2002-2004 гг. Из Welp ^[9]

Наблюдения М.А.Коняхина на стационаре Амболиха ИГ ДВНЦ РАН вблизи пос. Черский и на о.Каменка (устье р.Колыма) показали хорошее соответствие среднего изотопного состава снега и элементарной жилки ^{[10, 11]}. Так, на стационаре Амболиха среднее значение δ¹⁸O зимнего снега (период отбора – зима 1983-84 гг.) составило –25,7‰, во льду элементарной жилки - –25,7 и –25,9 ‰. На о.Каменка среднее значение δ¹⁸O зимнего снега (период отбора – зима 1984-85 гг.) составило –20,5‰, во льду элементарной жилки - –20,6 и –20,8 ‰ (табл. 4).

Таблица 4. Изотопно-кислородный состав (δ¹⁸O) современных жилок и снега и приземные температуры воздуха зимнего периода, низовья р.Колымы. Из ^{[5, 6, 10, 11]}

Это позволяет говорить о том, что жилки формируются преимущественно из талого снега, при этом изменение изотопного сигнала снега в результате фракционирования не отмечается. Об этом ранее упоминал Дж.Росс Маккай ^[12], делая вывод о том, что скорость замерзания воды в морозобойной трещине настолько велика, что фракционирование при образовании элементарной жилки не происходит.

Сопоставление средних значений изотопного состава современных жилок, снега и зимних температур воздуха показывает, что изотопно-кислородный состав современных жил льда в различных районах в низовьях р.Колымы закономерно изменяется в зависимости от зимних температур приземного воздуха (табл. 4, рис. 5).

Коэффициент соотношения значений δ¹⁸O в жилках со среднезимней температурой воздуха составляет 0,86, при высоком значении достоверности аппроксимации (R² = 0,8).

Рис. 5. Зависимость значений δ¹⁸O в современных ледяных жилках со среднезимней температурой воздуха в Нижнеколымском районе (по данным из табл. 1 и 4).

Для Колымской низменности было показано, что изотопный состав элементарных жилок определяется значениями зимних температур воздуха. Нами было прослежено изменение изотопного состава льда жилок на поймах и лайдах от побережья вглубь материка и установлено, что с удалением от побережья изотопный состав жильных ростков становился более изотопически отрицательным. Такая же тенденция ранее отмечена и М.А.Коняхиным с В.И.Соломатиным (табл. 5, рис. 6). Так, жилки на о.Каменка (дельта р.Колымы) характеризовались средним значением δ¹⁸O –20,5 ‰, у пос.Походск (40 км от устья) –24,3 ‰, у пос.Черский (80 км от устья) –25,2 ‰, у стационара Амболиха (105 км от устья) –24,6 ‰, в районе пос.Колымское (130 км от устья) –25,8 ‰ ^[11]. Такое выраженное понижение значения изотопного состава современных жилок Колымской низменности с удалением от побережья согласуется с понижением среднезимних температур приземного воздуха (разница среднезимних температур между поселками Амбарчик в устье Колымы и Колымское составляет 3,1 °С) и является еще одним доказательством того, что жилки формируются в основном из талого зимнего снега. Поэтому их изотопный состав отражает зимние температурные условия периодов их формирования ^[11].

Таблица 5. Изменение изотопно-кислородного состава (δ¹⁸O) современных жильных льдов Колымской низменности с удалением от побережья. Из ^{[10, 11]} с дополнением из ^{[5, 6]}

Рис. 6. Изменение значений δ¹⁸O в современных ледяных жилках Нижнеколымского района в зависимости от расстояния от устья р.Колымы вглубь материка (построено по данным из табл. 1 и 5).

Дискуссия

Зависимость между значениями δ¹⁸O в элементарных жилках и среднезимней температурой в 1‰ на 1^оС и среднеянварской температурой как 1,5‰ на 1^оС, предложенная Ю.К.Васильчуком ^[13] для российской криолитозоны была впоследствии подтверждена исследованиями Николаева и Д.В.Михалева, которые получили зависимость 0,83-0,86‰ на 1^оС для осадков холодного периода и 0,48‰ на 1^оС для среднеянварской температуры. Х.Майер в своей диссертации (защищенной в 2001, опубликованной в 2003) ^[14] проанализировал полученные зависимости и построил график по всем имеющимся данным и получил зависимости:

δ¹⁸O_пжл = 1,02 х Т_ср.зим. – 0,72 (R² = 0,81) (1)

δ¹⁸O_пжл = 1,02 х Т_ср.янв. – 3,46 (R² = 0,72) (2)

Данные, полученные Х.Майером по Быковскому п-ову (n=8) и о.Большой Ляховский (n=22) хорошо согласуются с полученными зависимостями. Для идентификации возраста современных жилок был проведен анализ трития в них, который показал высокий уровень ³Н, характерный для последних десятилетий ^[14].

Ряд исследований в российской и зарубежной Арктике посвящен изучению зависимостей изотопного состава осадков и приземной температуры воздуха и изотопного состава снега и современных жилок.

Исследования на о.Самойлова в дельте р.Лены были проведены с целью изучения участия снега в заполнении морозобойных трещин и формирования современных ледяных ростков. Для этого было отобрано и проанализировано на содержание стабильных изотопов около 250 образцов снега в различных районах острова в 2013 г. ^[15].

Было показано, что во льду в морозобойной трещине значения δ¹⁸O варьировали от –25,4‰ до –20,3‰, среднее –23,7‰. По образцам снега получены значения между –29,2‰ и –24,8‰, среднее значение –26,2‰, близко к наиболее низкому значению по льду из жилки. Образцы глубинной изморози имели значения между –26,4‰ и –22,9‰, среднее –24,3‰. Показано, что изотопный сигнал, сохраняющийся в годичной жилке, лучше всего соответствует изотопному сигналу снега из нижней части снежного покрова, глубинной изморози и талому снегу в понижениях над трещинами ^[15].

Для периода исследований 2004-2010 гг. была показана наилучшая корреляция изотопного состава снега с температурой холодного периода (r² = 0,67). Исследования показали, что морозобойные трещины образуются преимущественно в декабре. Заполнение трещин происходит как после их образования в декабре (сухим снегом), так и в апреле-мае, когда начинает снеготаяние (талым снегом). Как результат, изотопный состав современных жилок, образовавшихся в течение одного года, заметно варьирует. Однако, вариабельность среднего изотопного состава жилок разных лет гораздо ниже (0,13 ‰ на 1°C), что близко к предсказанным В.Дансгором значениям для среднегодовой температуры воздуха (0,7 ‰ на 1°C). Это, скорее всего, объясняется тем, что процесс формирования ледяных жил ограничен холодным периодом (наиболее низкие температуры при формировании морозобойных трещин и температура немного выше 0^оС при заполнении их талым снегом), а также гомогенизацией изотопного сигнала осадков в снеге.

Для о.Самойлова показано, что все температуры холодного сезона (ноябрь-май) могут быть рассмотрены для калибровки изотопного термометра. Для периода наблюдений 2004-2010 гг. была получена корреляция с весенними температурами (уравнение зависимости имеет вид: T = 4,40δ¹⁸O + 77,34), что указывает на преимущественное заполнение трещин в весеннее время ^[16].

Исследования изотопного состава осадков и льда современных жилок, проведенные на побережье моря Лаптевых, в 300 км к западу от дельты р.Лена (73°36’ с.ш., 117°10’ в.д.) показали, что для снега получены средние значения δ¹⁸O и δ²Н –20,5‰ и –154‰, соответственно, при этом среднезимняя температура воздуха в данном районе составляет –22°С. Наклон линии δ¹⁸O-δ²Н для снега составляет 7,9 (для Глобальной Линии Метеорных Вод (ГЛМВ) он равен 8), почти все значения изотопного состава расположены на ГЛМВ. Средний изотопный состав современных жилок (δ¹⁸O = –20,5 ‰, δ²Н = –156 ‰) идентичен среднему изотопному составу снега, что позволяет говорить о генетической корреляции изотопного состава зимних осадков и современных жилок ^[17].

Для о.Большой Ляховский показано различие изотопного состава современного снега и ледяных ростков. Средний изотопный состав снега снежников составляет –26,3‰ для величин δ¹⁸O и –199‰ для значений δ²Н. Наклон линии соотношения δ¹⁸O-δ²Н составляет 7,1. Значительный диапазон значений дейтериевого эксцесса (от 3,5 до 23 ‰) объясняется просачиванием дождевой или талой снеговой воды или испарением. Изотопный состав современных жилок заметно отличается от среднего состава снежников и составляет –20,5 ‰ для значений δ¹⁸O и –152‰ для величин δ²Н, значения d_exc 4,5‰, что соответствует изотопически тяжелым значениям для снежников и легким значениям для дождей. Это может указывать на 2 причины: 1) современные жилки на о.Большой Ляховский формируются из снега, пропитанного дождевой водой или 2) они формируются и талой снеговой воды, которая подверглась изотопному обогащению перед заполнением трещины. Эти данные противоречат результатам, полученным для Быковского п-ова и п-ова Таймыр, для которых показано, что процессы фракционирования не влияют на изотопный состав талого снега, попадающего в трещины ^[14].

Исходя из этого, высказано предположение, что современные жилки на о.Большой Ляховский формируются из последних порций тающего снега и поэтому обогащенного тяжелыми изотопами, как это было показано Б.Лауриолем с соавторами ^[18] для севера Канады. Также возможным объяснением может быть малое количество снега, выпадающее в районе исследований, что способствует сублимации снега и как результат, формированию низких значений d_exc. Кроме того, надо принимать во внимание сезонность формирования и заполнения морозобойных трещин, которые могут заполняться как в январе (более низкие изотопные значения) так и в марте (более высокие значения). Поскольку неизвестно точное время формирования и заполнения трещин, приходится рассматривать зимние температуры воздуха как основу для формирования изотопного состава жил ^[14].

Для континентальных районов Сибири, однако, не было показано влияния сублимации на изотопный состав зимних осадков. Снег в районе г.Якутск характеризовался наклоном линии соотношения δ¹⁸O-δ²Н равным 7,6, среднее значение dexc составило 8,9, большая часть полученных значений расположена на ГЛМВ ^[19]. Для молодых жил (моложе 700 лет), исследованных на р.Тумара, показано обогащение изотопного состава льда, что объяснялось как формированием льда жил из последних порций талого снега, так и участием поверхностных вод, разбавляющих снег и заметно изменяющих его первичный изотопный сигнал ^[19].

Для северной Америки (Аляска, Юкон) показано в целом хорошее соответствие температуры воздуха в зимний период и изотопного состава осадков в данный период. Так, сопоставление изотопного состава осадков и поверхностных вод Аляски показало, что температуры и количество осадков зимы (декабрь – февраль) в наибольшей степени определяют изотопный состав поверхностных вод ^[20]. Для этого периода была получена зависимость δ¹⁸O = 0,28 x T_{дек-фев} –14,9 (R² = 0,59), уравнение для локальной линии метеорных вод очень близко к таковому для ГЛМВ и имеет вид δ²Н = 8δ¹⁸O + 6,8. Однако, для ледяных жил, исследованных в туннеле Фокс Пермафрост, наклон линии соотношения δ¹⁸O - δ²Н имеет наклон 6,4, хотя значения изотопного состава находятся внутри диапазона современного снега. Скорее всего, снег, заполняющий жилы, подвергался изотопному фракционированию ^[20].

На севере Юкона, в районе оз. Ту Муз (Two Moose Lake) многие позднеголоценовые ледяные жилы (не старше 3 тыс. лет) характеризуются изотопно-кислородным составом (δ¹⁸O от –22‰ до –24‰) близким к современным зимним осадкам в Майо (–22,32 ± 3,06‰) и к значению в современной жилке в 10 км севернее (–22,4±0,5‰) ^[21]. При этом наклон линии соотношения δ¹⁸O-δ²Н для жильного льда во многих случаях заметно ниже локальной линии метеорных вод (ЛЛМВ), что может отражать, например, фракционирование в результате неоднократного замерзания-протаивания воды. Также низкая статистическая корреляция (R²<0,3) для некоторых графиков, построенных по жилам, может указывать на различные источники влаги, формирующей лед ^[21].

Для континентального Юкона было показано ^[22], что зависимость изотопного состава осадков и температуры описывается уравнением δ¹⁸O_осадки = 0,41‰/°С x T – 20,2 (R² = 0,87) и δ²Н_осадки = 3,1‰/°С x T –155 (r₂ = 0,87). Для молодых жил (возраст не более 500 лет) в Бримстоуне среднее значение δ²Н составило –187±3‰, что близко к среднему значению δ²Н в снеге (выпадающем с октября по май) на ближайшей метеостанции в Майо (–191 ‰). Также было отмечено хорошее соответствие приземной температуры воздуха в период октябрь-май в Клондайке (–12°С) и температурой, реконструированной по значениям δ²Н жил в Бримстоуне (–10°С), что, по мнению Т.Портера, позволяет рассматривать ледяные жилы как довольно надежный зимний палеотермометр ^[22], что, примерно за 30 лет до этого, и было показано Ю.Васильчуком ^{[1, 2, 6, 13 и др]}.

Выводы

1. Показано, что вариации значений δ¹⁸O в ростках современных ледяных жил в низовьях р.Колымы составляют около 4‰ от –23 до –27,1‰, средние значения по жилкам варьируют в более узком диапазоне от –23,7 до –25,8‰.

2. Показано подтверждение зависимостей, полученных около 30 лет назад Ю.К.Васильчуком для Сибири в целом и Нижнеколымского района, связывающих значения δ¹⁸O в ростках современных жил со среднеянварскими температурами воздуха.