Соотношение изотопных параметров δ2H-δ18О в позднеплейстоценовых и голоценовых повторно-жильных льдах

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 20-05-00782, изотопные определения) и РНФ (проект № 19-17-00126, полевые работы и радиоуглеродные определения), а также в рамках междисциплинарной научно-образовательной школы Московского университета «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды».

Введение

В равновесных условиях конденсации (называемых ещё “рэлеевский процесс”) вариации концентраций ¹⁸О и ²Н должны подчиняться некоторому соотношению, определяющемуся коэффициентами фракционирования этих изотопов. Впервые на линейную зависимость между содержанием ²Н и ¹⁸О в атмосферных осадках указал И.Фридман ^[1], а затем Х.Крейг ^[2] на основе 400 измерений по сети станций ВМО/МАГАТЭ подтвердил хорошую взаимосвязь между значениями δ¹⁸О и δ²Н получил простое эмпирическое уравнение:

δ²H = 8 δ¹⁸O + 10 (1)

Линейная зависимость значений δ²H относительно величин δ¹⁸О четко проявляется и в сезонном, и в многолетнем масштабе и постоянно подтверждается натурными наблюдениями по сети станций ^[3]. Значения содержания ²Н и ¹⁸О в атмосферных осадках аппроксимируются прямой линией с коэффициентом, близким к 8 (рис. 1), которая получила название Глобальной линии метеорных вод (ГЛМВ или GMWL - Global Meteoric Water Line). Этот термин широко используется в изотопной метеорологии, а также геокриологии, гляциологии, океанологии и палеогеографии. Глобальная линия метеорных вод является индикатором равновесного режима конденсации метеоосадков и вообще, атмосферной природы исследуемых вод и льдов.

Рис. 1. Зависимость между средневзвешенными значениями δ²H и δ¹⁸О в атмосферных осадках по всем станциям сети ВМО/МАГАТЭ. По ^[3]

Коэффициент пропорциональности в уравнении (1) обусловлен тем, что содержание ¹⁸O в источнике пара в среднем на 1,2‰ ниже по сравнению с содержанием ²Н. В.Дансгор показал ^[4], что в уравнении (1) он может варьировать от 3,5 до 8,0, а свободный член изменяется от +30 до –30 (впоследствии стало ясно, что эти изменения ещё больше). Результаты его расчетов также свидетельствуют о том, что изобарическое и адиабатическое охлаждение водяного пара на 40°C, а также изотермическое испарение в равновесных рэлеевских процессах от начальных температур 0–30°C сохраняют линейный характер соотношения между концентрациями ²Н и ¹⁸O с коэффициентом, равным 8.

Условия протекания процессов фазового перехода воды не всегда соответствуют рэлеевским. Например, испарение практически всегда происходит в неравновесных условиях из-за ненасыщенности атмосферы водяным паром и быстрого удаления влаги с поверхности жидкости. При этом на фактор фракционирования заметное влияние оказывают относительные скорости диффузии изотопных молекул через поверхностный слой жидкости и окружающий воздух. Изотопное фракционирование при испарении с поверхности океана приводит к тому, что водяной пар имеет δ²H = –80‰ и δ¹⁸O = –9‰...–13‰. Конденсация этого свежеобразованного пара протекает чаще в равновесных условиях, так как относительная влажность всегда близка к 100%, и первая порция конденсата характеризуется значениями δ²H ≈ –14‰ и δ¹⁸O ≈ –3‰.

Механизм неравновесных процессов и объясняющие его теории очень сложны. Но качественно многие наблюдаемые отклонения от простых равновесных условий можно объяснить тем, что изотопные компоненты воды характеризуются разными скоростями испарения (Е) в таком соотношении: Е(¹H₂¹⁶О) > Е(¹HD¹⁶О) > Е(¹H₂¹⁸О).

Дополнительное к равновесному фракционирование тяжелых изотопов при испарении влаги относительно больше для ¹⁸О, чем для ²Н. Кроме того, атмосферная влага постоянно контактирует с природной водой или паром. Поэтому неравновесные кинетические эффекты наряду с возможными обменными процессами на границе раздела двух фаз (жидкость – пар) могут вносить свой вклад в изотопное фракционирование ¹⁸О и ²Н в природном цикле. Это приводит к нарушению равновесного соотношения между значениями δ¹⁸О и δ²Н, подобного установленному Х.Крейгом.

Отклонения от прямой линии Крейга объясняются влиянием на фракционирование термодинамических и кинетических процессов. Поскольку при неравновесном испарении в источнике пара изотоп ¹⁸O часто обеднен по сравнению с ²Н, линия, показывающая зависимость между этими изотопами, сдвигается вверх от линии, характеризующей равновесные условия. Напротив, когда осадки подвергаются активному испарению, сдвиг зависимости δ²Н – δ¹⁸O направлен вниз от равновесной линии. В выпадающих осадках, в которых происходит изотопный обмен с окружающим паром, зависимость между δ²Н и δ¹⁸O располагается выше прямой линии δ²Н = 8δ¹⁸O+10, вблизи начальной точки.

Многолетние наблюдения за изотопным составом атмосферных осадков на станциях ВМО-МАГАТЭ позволили получить большой диапазон коэффициентов уравнений регрессии соотношения δ²H и δ¹⁸О ^{[5, 6]}. На большинстве станций значения δ²H и δ¹⁸О связаны коэффициентом чуть менее или чуть более 7, однако, например, в Бахрейне этот коэффициент составил 5,5. Это связано с сильным испарением в этом районе, и равновесные условия нарушаются в сторону утяжеления дейтерием. Эту линию регрессии, с наклоном равным 4-5 еще принято называть “линией испарения” на основе выводов В.Дансгора, который расчетным путем показал, что при значительном участии испарения в рэлеевском процессе изотопные значения осадков смещаются от глобальной линии метеорных вод.

Для арктических районов было установлено, что изотопный состав снега (выпадающего с октября по апрель) характеризуется хорошей корреляцией с температурой воздуха (особенно высока корреляция для наиболее холодных месяцев зимы – декабря, января и февраля) и значения изотопного состава снега, как правило, расположены вблизи ГЛМВ, а наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О близок к 8. Изотопный состав (значения δ¹⁸О и δ²H) жильного льда отражает изотопные характеристики зимних осадков, который в свою очередь определяется локальной температурой воздуха ^{[7, 8, 9, 10]}. Источником формирования повторно-жильного льда является преимущественно талый снег, заполняющий морозобойные трещины весной. Быстрое замерзание талой воды в трещине препятствует фракционированию ^[11], таким образом, каждая формирующаяся элементарная жилка сохраняет изотопный сигнал осадков одного зимнего сезона. Корреляции изотопного состава жилок со среднезимней и среднеянварской температурами воздуха получены для большинства районов российской криолитозоны ^{[12, 13, 14, 15]}. Часто при расположении значений изотопного состава жильного льда в системе координат δ¹⁸О и δ²H обсуждается соответствие углового коэффициента (наклона) линии соотношения δ²H-δ¹⁸О для льда относительно ГЛМВ или локальной линии метеорных вод (ЛЛМВ), которая строится по изотопному составу региональных осадков. Близкое к ГЛМВ (или ЛЛМВ) положение точек изотопного состава для жильного льда и наклон линии, близкий к 8, позволяет утверждать, что жила формировалась из атмосферных осадков и ее изотопный состав может быть использован для палеотемпературных реконструкций.

Также нередко при исследованиях изотопного состава жильного льда и описании распределения значений δ¹⁸О и δ²H и наклона линии δ²H-δ¹⁸О исследователи сравнивают эти показатели для жильного льда и сегрегационного льда из вмещающих отложений или льда расположенных рядом пинго, пластовых льдов. Как правило, для жильного льда точки значений изотопного состава расположены вблизи ГЛМВ или ЛЛМВ, а точки значений внутригрунтового льда расположены в стороне от ГЛМВ или ЛЛМВ и наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О для них, как правило, заметно ниже 8, что отражает участие летних осадков, испаренной поверхностной воды в формировании льда, а также процессы изотопного фракционирования в системе жидкость–лед при промерзании в условиях закрытой системы ^{[14, 16, 17]}. Если формирование льда происходит в условиях открытой системы, т.е. с постоянным подтоком воды или формируется небольшой объем льда из очень большого объема воды, то изотопный состав льда будет наследовать изотопные характеристики воды, из которых он формируется, со сдвигом значений δ¹⁸О примерно на +2,6 ‰, δ²Н – на +20 ‰, что обусловлено равновесным фракционированием в системе вода-лед, а аппроксимирующая линия в координатах δ²H-δ¹⁸О для образцов льда будет расположена ниже глобальной линии метеорных вод (ГЛМВ), но с тем же наклоном, что и для воды. Анализ данных по дейтериевому эксцессу может также показать различие основных источников формирования повторно-жильного и сегрегационного льда, более высокие значения d_exc для жильного льда отражают его формирование из зимнего снега, более низкие значения dexc для сегрегационного льда – смешанные летне-позднеосенние осадки ^[18].

Методы

Несмотря на то, что основным источником формирования жильного льда является талый зимний снег, описаны случаи, когда наклоны линий соотношения δ²H-δ¹⁸О по жильному льду заметно ниже, чем для ГЛМВ и ЛЛМВ (например, могут быть варьировать от 3,3 до 6,5). Также нередко для таких жил получаются очень низкие (иногда даже отрицательные), нетипичные для жильного льда, значения d_exc. Такие данные говорят о происходящих в снеге процессах изотопного фракционирования перед таянием и заполнением трещин, а именно испарение/сублимация или фазовые переходы воды (таяние – повторное замерзание), что меняет первичный изотопный сигнал осадков и искажает палеоклиматический сигнал во льду жил ^{[19, 20, 21]}. Иногда жильный лед на контакте с вмещающими отложениями имеет признаки постгенетического фракционирования в результате изотопного обмена между льдом и мерзлыми отложениями, что проявляется в повышенных значениях изотопного состава и более низких значениях d_exc, как правило, эти значения не учитываются при построении линии соотношения δ²H-δ¹⁸О и исключаются из дальнейшей интерпретации ^[14].

Мы также предполагаем, что снижению наклона линии соотношения δ²H-δ¹⁸О в жильном льду относительно ГЛМВ или ЛЛМВ может привести участие поверхностных вод в заполнении морозобойных трещин, а именно вод, скапливающихся в пределах межполигональных понижений, вод сезонно-талого слоя, паводковых вод на поймах, образующих остаточные озера и т.д. Такое участие может подтверждаться данными по химическому составу жильного льда, который существенно отличается от химического состава снега повышенными значениями некоторых ионов и в целом более высокой минерализацией.

В нашем исследовании мы проанализировали типы соотношений δ²H-δ¹⁸О в повторно-жильных льдах разного возраста из разных районов российской и североамериканской криолитозоны и выделили три основных типа: а) нормальное соотношение δ²H-δ¹⁸О (с наклоном линии соотношения близким к ГЛМВ или ЛЛМВ), б) соотношение δ²H-δ¹⁸О с отклонением от ГЛМВ или ЛЛМВ (с признаками изменения первичного изотопного сигнала атмосферных осадков) и в) аномальное соотношение δ²H-δ¹⁸О.

Результаты

Нормальное соотношение δ²H-δ¹⁸О в повторно-жильных льдах

Позднеплейстоценовые повторно-жильные льды

Север Западной Сибири, п-ов Ямал. Обнажение едомы на севере Западной Сибири, на восточном побережье п-ова Ямал в устье р.Сеяха было неоднократно детально исследовано авторами. Это первое изучение типичной едомной толщи в западной части Сибири. Наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О для жильного льда равен 7,86, что близко к наклону для ГЛМВ (рис. 2). Это говорит о том, что жила формировалась в основном из осадков (талый зимний снег), не подверженных заметной изотопной трансформации.

Рис. 2. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах Сеяхинской едомы

Едомные толщи северной Якутии. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах едомы Бизон. Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах едомы Бизон (рис. 3). В обнажении детально опробованы 3 жилы: две жилы в интервале высот от +14 до +22 м над урезом реки Колымы – верхний ярус, и одна жила в интервале высот от +8 до +12 м над урезом реки. В жилах верхнего яруса линии соотношения δ²H-δ¹⁸О имеют наклон 7,2 и 7,6 при высоком показателе достоверности линейной аппроксимации R² = 0,9 (рис. 3). Линии расположены параллельно ГЛМВ, но заметно ниже нее. Можно отметить в целом довольно низкие значения d_exc – от 3,3 до 6,5 ‰, среднее значение 5,3 ‰.

Рис. 3. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах едомы Бизон (жилы верхнего яруса)

Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах едомы Дуванного Яра. В обнажении детально опробованы 2 жилы: в интервале высот от +46,7 до +51,5 м над урезом реки – верхний ярус и одна жила в интервале высот от +14 до +20 м над урезом реки – нижний ярус. В жиле нижнего яруса линия соотношения δ²H-δ¹⁸О имеет наклон 8,2, значение свободного члена +15,6, точки изотопных значений расположены вблизи ГЛМВ (рис. 4). Значения d_exc во льду жилы варьируют от 3,4 до 12 ‰, среднее значение 6,3 ‰.

Рис. 4. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовой ледяной жиле едомы Дуванного Яра (жила нижнего яруса)

Едомные толщи центральной Якутии. Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах едомы Мамонтовой Горы. Жилы вскрыты в толще 50-м террасы р.Алдан, всего опробовано 4 жилы. Наклон линий соотношения δ²H-δ¹⁸О во льду двух жил (точки опробования 2 и 6) составляет 7,3 и 8,2 (рис. 5).

Рис. 5. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых ледяных жилах едомы Мамонтовой Горы (жилы в точках 2 и 6)

Голоценовые повторно-жильные льды

Европейский Север. Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах в районе г.Воркуты. В районе г.Воркута исследован голоценовый полигональный торфяник с повторно-жильными льдами. В одной из наиболее вскрытых жил выполнен отбор образцов для изотопного анализа. Наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 7,7, она расположена параллельно ГЛМВ (рис. 6). Значения d_exc варьируют в диапазоне от 9 до 13,8 ‰, большинство значений близко к 11 ‰. Эти данные указывают на преимущественное формирование жилы из талого зимнего снега.

Рис. 6. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовой ледяной жиле в районе Воркуты

Север Западной Сибири, п-ов Ямал. Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах в пойменной толще р.Еркутаяха. На юге Ямала, в пойменной толще р.Еркутаяха опробована позднеголоценовая ледяная жила. Наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 8,2, при высоком значении достоверности линейной аппроксимации R²=0,97 (рис. 7). Изотопные значения расположены вблизи ГЛМВ. Показатели d_exc варьируют в диапазоне от 9,2 до 13,4. Формирование жилы происходило преимущественно за счет вод атмосферного происхождения.

Рис. 7. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовой ледяной жиле на пойме р.Еркутаяха

Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах в торфяниках Бованенково. В центральной части Ямала, в районе пос.Бованенково, в голоценовом торфянике, залегающем на поверхности третьей морской террасы, шурфом вскрыта жила. Уравнение для соотношения δ²H-δ¹⁸О почти соответствует уравнению для ГЛМВ (рис. 8), наклон линии соотношения равен 8. Значения d_exc варьируют в широком диапазоне от 5 до 14,9 ‰, в большинстве образцов они варьируют между 8 и 10‰. Формирование жилы происходило преимущественно за счет вод атмосферного происхождения.

Рис. 8. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовой ледяной жиле в районе пос.Бованенково

Северная Якутия, низовья р.Колымы.Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах на пойме в низовьях р. Колыма. В обнажении высокой поймы протоки р.Колымы, ниже по течению от пос.Черский, исследована голоценовая жила. Наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 7,96, при высоком значении достоверности линейной аппроксимации R² = 0,96 (рис. 9). Изотопные значения расположены вблизи ГЛМВ. Показатели dexc варьируют в диапазоне от 14,3 до 16,3 ‰. Формирование жилы происходило преимущественно за счет вод атмосферного происхождения.

Рис. 9. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовой ледяной жиле на пойме протоки р.Колымы

Центральная Якутия.Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах в толще поймы р. Алдан. Голоценовая жила исследована в обнажении поймы р.Алдан. Наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 7,2, при значении достоверности линейной аппроксимации R² =0,9 (рис. 10). Показатели d_exc варьируют в диапазоне от 8,3 до 14,4 . Скорее всего, формирование жилы происходило преимущественно за счет вод атмосферного происхождения.

Рис. 10. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовой ледяной жиле на пойме р.Алдан

Восточная Чукотка.Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах близ г. Анадырь. Вблизи г.Анадырь, в обнажении первой морской террасы исследована ледяная жила, наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 7,2 (рис. 11). Показатели d_exc варьируют от 6,1 до 14,1 ‰, в большинстве образцов составляя 8-10 ‰. Скорее всего, формирование жилы происходило преимущественно за счет вод атмосферного происхождения.

Рис. 11. Соотношение δ²H-δ¹⁸О во льду голоценовой ледяной жиле в обнажении первой морской террасы, в районе г.Анадырь

Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах близ пос. Уэлен. В районе пос.Уэлен, в самой восточной части Чукотки, в голоценовом торфянике исследована ледяная жила. Наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 7,6 (рис. 12), что близко к наклону для ГЛМВ. Показатели d_exc варьируют от 7,4 до 16,8 ‰. Жила здесь, скорее всего, формировалась преимущественно из вод атмосферного происхождения.

Рис. 12. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовых ледяных жилах в районе пос. Уэлен

Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах близ пос. Лорино. В районе пос.Лорино в разные годы были исследованы разные обнажения торфяников с повторно-жильными льдами. В жиле, исследованной в 2016 г., наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 8,1 (рис. 13), все значения расположены вблизи ГЛМВ. Показатели d_exc варьируют от 5,4 до 12,6 ‰.

Рис. 13. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовых ледяных жилах в районе пос. Лорино (2016 г.)

Соотношение δ²H-δ¹⁸О с признаками изменения первичного изотопного сигнала осадков

Позднеплейстоценовые повторно-жильные льды

Едомные толщи северной Якутии, едома Бизон. В жиле нижнего яруса едомы Бизон линия соотношения δ²H-δ¹⁸О имеет наклон 5,6 (рис. 14), что заметно ниже, чем наклон ГЛМВ. Значение свободного члена -71,2. Значения d_exc во льду этой жилы более высокие, чем в жилах верхнего яруса и варьируют от 5,8 до 15 ‰, составляя в среднем 7,6 ‰.

Рис. 14. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовой ледяной жиле едомы Бизон (жила нижнего яруса)

Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах едомы Дуванного Яра. В жиле верхнего яруса, вскрытой в интервале высот +46,7 до +51,5 м, линия соотношения δ²H-δ¹⁸О имеет наклон 9,6, что заметно выше, чем наклон ГЛМВ. Значение свободного члена +58,7 (рис. 15). Значения d_exc во льду этой жилы более высокие, чем в жиле нижнего яруса и варьируют от 6,7 до 10,5 ‰, составляя в среднем 8,5 ‰.

Рис. 15. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовой ледяной жиле едомы Дуванного Яра (жила верхнего яруса)

Едомные толщи центральной Якутии. Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах едомы Мамонтовой Горы. Для двух жил, исследованных в пределах обнажения (точки опробования 3 и 5), наклон линий соотношения δ²H-δ¹⁸О составил 6,6 и 6,7 (рис. 16).

Рис. 16. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых ледяных жилах едомы Мамонтовой Горы (жилы в точках 3 и 5)

Можно отметить, что основная часть изотопных значений для всех позднеплейстоценовых жил, исследованных в обнажении Мамонтовой Горы, расположена вблизи ГЛМВ, однако несколько довольно высоких значений δ¹⁸О (от –25 до –27‰), не типичных для позднеплейстоценовых жил центральной Якутии, и наклоны линий соотношения δ²H-δ¹⁸О, равные 6,6 и 6,7, могут указывать на участие в формировании льда жил вод неатмосферного происхождения – например, испарившихся вод сезонно-талого слоя или вод, скапливающихся в летний период в пределах полигональной ванны. Характерной особенностью изотопного состава льда жил Мамонтовой Горы являются довольно высокие значения d_exc, для большей части образцов, варьирующие от 7,8 до 20,8 ‰, среднее значение более 10 ‰. Однако, в некоторых, как правило, изотопно обогащенных, образцах отмечены гораздо более низкие значения d_exc от 3,7 до 6,2 ‰.

Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах едомы Сырдах. В позднеплейстоценовой ледяной жиле, исследованной в обнажении на оз.Сырдах, наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 6,3, большинство точек изотопных значений расположены ниже ГЛМВ (рис. 17).

Рис. 17. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовой ледяной жиле едомы Сырдах

Значения d_exc варьируют в диапазоне от 3 до 12 ‰, но для большей части образцов получены значения d_exc ниже 5 ‰. Низкий наклон линии δ²H-δ¹⁸О и низкие значения d_exc могут свидетельствовать об испарении снега перед заполнением морозобойных трещин или участии в формировании льда жилы испаренных поверхностных вод.

Голоценовые повторно-жильные льды

Европейский Север. Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах в долине р.Нгарка-Тамбъяха. Под голоценовым торфяником в обнажении второй террасы р.Нгарка-Тамбъяха вскрыта ледяная жила. Наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 10,7 (рис. 18) значения d_exc варьируют в диапазоне от 3,7 до 10,9 ‰. В целом можно говорить о преимущественно атмосферной природе воды, формировавшей жилу, однако, можно предположить некоторое участие поверхностных вод, судя по низким значениям d_exc в половине исследованных образцов. Для сравнения, низкие значения d_exc (около 3 ‰) получены по воде небольшого озера на поверхности полигонального торфяника.

Рис. 18. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовой ледяной жиле в низовьях р.Нгарка-Тамбъяха

Северная Якутия, низовья р.Колымы.Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах в аласе близ ст. Орбита у пос.Черский. Исследованы голоценовые повторно-жильные льды в пределах озерно-болотной котловины в районе пос.Черский. Под торфяником мощностью менее 1 м вскрыта жила, из которой отобран лед для изотопного анализа. Наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 6,7, при невысоком значении достоверности линейной аппроксимации R² =0,7 (рис. 19).

Рис. 19. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовой ледяной жиле в пределах аласа в районе пос.Черский, близ ст. Орбита

Возможно, что довольно узкий диапазон изотопных значений (менее 1‰ для значений δ¹⁸О и около 5 ‰ для значений δ²H) не позволяют в полной мере сопоставлять изотопные данные по жиле с ГЛМВ. Показатели d_exc варьируют в диапазоне от 9,3 до 12,5 ‰. Скорее всего, формирование жилы происходило преимущественно за счет вод атмосферного происхождения, с некоторым участием болотных вод, учитывая высокую увлажненность исследуемого участка.

Восточная Чукотка. Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах близ г. Анадырь. Вблизи г.Анадырь в торфянике, вложенном в виде линзы в первую морскую террасы, исследована ледяная жила, для льда которой наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 5,4, при довольно низком значении достоверности линейной аппроксимации R² =0,6 (рис. 20). Скорее всего, в пределах торфяника в формировании жилы не исключается участие поверхностных вод.

Рис. 20. Соотношение δ²H-δ¹⁸О во льду голоценовой ледяной жиле в обнажении торфяника, в районе г.Анадырь

Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах близ пос. Лорино. В жиле близ пос. Лорино, исследованной в 2017 г., наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 6,2 (рис. 21), что ниже наклона для ГЛМВ. Показатели d_exc варьируют от 4,9 до 16,8 ‰.

Рис. 21. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовых ледяных жилах в районе пос.Лорино (2017 г.)

Скорее всего, формирование голоценовых жил в районе Лорино происходило за счет вод атмосферного происхождения (талый зимний снег), при периодическом участии вод сезонно-талого слоя или поверхностных вод, подвергавшихся испарению.

Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах близ пос. Лаврентия. В районе пос. Лаврентия в торфянике исследована голоценовая ледяная жила. Наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равен 6,3 (рис. 22), что ниже наклона для ГЛМВ. Показатели d_exc варьируют от 3,2 до 15,3 ‰. Наиболее вероятно участие испаренных поверхностных вод в формировании льда этой жилы.

Рис. 22. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовых ледяных жилах в районе пос. Лаврентия

Аномальное соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах

Забайкалье, район пос.Чара. Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах в толще первой террасы р. Чара. В районе пос.Чара исследованы голоценовые ледяные жилы в обнажении Белый ключ. По одной из жил получен наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О 7,5 (рис. 23, а), что близко к наклону для ГЛМВ. Для другой жилы получен очень низкий наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О, равный 4,5 (рис. 23, б).

Рис. 23. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовых ледяных жилах в районе пос.Чара: а – нормальное распределение значений δ²H-δ¹⁸О, б – аномальное распределение значений δ²H-δ¹⁸О

Следует отметить, что для льда жил получены аномально низкие значения d_exc от 3,2 до –16,3‰, и от 8,5 до –2,2‰. Эти данные могут указывать на то, что жилы формировались из снега, изотопный состав которого сильно преобразован в результате сублимации в условиях резко континентального климата, низких зимних температур воздуха и крайне низкой влажности в зимний период.

Соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах в толще озерной террасы в верховьях р.Енисей. Исследованы голоценовые ледяные жилы в обнажении Мерзлый Яр на р.Енисей. По одной из жил получен аномально низкий наклон линии соотношения δ²H-δ¹⁸О равный 3,6 (рис. 24), также отмечены аномально низкие значения d_exc в диапазоне от 1,6 до –10,4 ‰.

Рис. 24. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в голоценовых ледяных жилах обнажения Мерзлый Яр

Это так же, как в случае с Чарой, может указывать на существенное преобразование изотопного состава снежного покрова в зимнее время в результате сублимации.

Дискуссия

Сопоставление соотношения изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых и голоценовых повторно-жильных льдах в разных районах Арктики

Восточная Сибирь, повторно-жильные льды Ойгоского Яра (пролив Дм.Лаптева). Для позднеплейстоценовых ПЖЛ наклоны линий соотношения δ²H-δ¹⁸О составили от 6,7 до 8,68 ^{[14, 15, 22, 23]} в наиболее древних позднеплейстоценовых жилах, для которых получены низкие значения d_exc в диапазоне от 0 до 4,9 ‰. Для повторно-жильных льдов предположительно голоценового возраста из озерных отложений наклон линий соотношения δ²H-δ¹⁸О варьировал между 7,53 и 7,67, с более высокими значениями dexc от 7,5 до 8,8 ‰ (табл. 1). Голоценовые жилы, венчающие едомные толщи, имеют наклоны линий соотношения δ²H-δ¹⁸О от 8,47 до 9,22, значения dexc от 6,7 до 8,4 ‰. Современные жилы характеризуются наклонами от 7,79 до 8,03, уравнения соотношения δ²H-δ¹⁸О наиболее близки к ГЛМВ, среднее значение dexc равно 7,7 ‰ ^[15].

Таблица 1. Значения наклона линий соотношения δ²H-δ¹⁸О и d_exc во льду позднеплейстоценовых и голоценовых повторно-жильных льдов в арктических районах Восточной Сибири и Северной Америки

Остров о. Большой Ляховский. Для позднеплейстоценовых ледяных жил ледового комплекса о.Большой Ляховский получены наклоны линий соотношения δ²H-δ¹⁸О от 5,63 до 9,55, значения d_exc варьировали от 5,1 до 11,3 ‰ ^[14]. Для голоценовых жил о.Большой Ляховский значения наклонов линий соотношения δ²H-δ¹⁸О варьировали от 6,64 до 7,75, значения d_exc – от 6,6 до 12 ‰ (см. табл. 1). Изотопные данные показывают на разные условия формирования жил в позднем плейстоцене и голоцене. Низкие значения изотопного состава и дейтериевого эксцесса для жил ледового комплекса указывают на преобладание более низких зимних температур воздуха и маломощный снежный покров, который подвергался процессам изотопной трансформации (испарение, сублимация). В голоцене жилы формировались в условиях заметно более высоких зимних температур воздуха, а относительно низкие значения наклона линии δ²H-δ¹⁸О для жил в аласах, возможно, свидетельствуют о влиянии испарения на снежный покров или талые снеговые воды ^[14].

Мыс Мамонтов Клык, побережье моря Лаптевых. Для позднеплейстоценовых жил получено различие между ледяными и композитными песчано-ледяными жилами. Для песчано-ледяных жил получено соотношение δ²H-δ¹⁸О равное 8,03, а также очень низкое среднее значение d_exc 1,4 ‰. Для ледяной жилы получено соотношение δ²H-δ¹⁸О 7,44 и среднее значение d_exc 7,5 ‰ ^[24]. Показано, что жилы здесь формировались преимущественно из талого зимнего снега, влияние процессов испарения или сублимации на снежный покров в целом незначительно, однако композитные песчано-ледяные жилы имеют признаки повторного замерзания смеси снега и воды в морозобойных трещинах, при участии процесса замерзания пленочной влаги на стенках трещин. Изменение значений d_exc в позднеплейстоценовых жилах, скорее всего, говорит о смене источника поступления влаги в период формирования жил. По голоценовой жиле в пределах данного обнажения получено соотношение δ²H-δ¹⁸О, равное 6,63 (см. табл. 1).

Низовья р.Колымы, район пос. Походск. Исследована голоценовая жила в верхней части пинго в районе г.Походск, в низовьях р.Колымы. Наклон линии δ²H-δ¹⁸О для жилы составляет 8,87, значения d_exc варьируют от 9,2 до 11,3 ‰ (см. табл. 1). Расположение точек изотопных значений для жилы почти на ГЛМВ показывает, что жила формировалась из атмосферных осадков ^[16]. В отличие от жилы, лед пинго формировался в условиях закрытой системы, на что указывает низкий наклон линии δ²H-δ¹⁸О, равный 5,85, и низкое среднее значение d_exc (–7,7‰).

Дуванный Яр и обнажения на р.Малый Анюй. Соотношение δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах, исследованных на обнажениях Молотковский Камень, Красивое и Станчиковский Яр описывается уравнением δ²H = 7,93δ¹⁸О – 4,78, для жил Дуванного Яра на р.Колыме получено близкое уравнение δ²H = 7,58δ¹⁸О – 4,03. Наклоны линий 7,93 и 7,58 очень близки к ГЛМВ, что позволяет сделать вывод об их атмосферном питании и формировании из изотопно неизмененного снега ^[25].

Центральная Якутия. Исследованы позднеплейстоценовые повторно-жильные льды обнажений Мамонтова Гора, Сырдах и Улахан-Сырдах и позднеплейстоценовые – голоценовые повторно-жильные льды в долине р.Тумара и голоценовые ледяные жилы в долине р.Дянушка ^[26]. Наклоны линий соотношения δ²H-δ¹⁸О для позднеплейстоценовых жил составляет от 7,99 до 9,6, в жилах на р.Тумара – от 6,53 до 7,56, наиболее низкий наклон составил для голоценовой жилы – 5,91 (см. табл. 1). Показано, что жилы формировались преимущественно из зимнего снега, изотопный состав которого мало изменен под воздействием вторичных процессов, однако в изотопном составе некоторых жил, в основном для которых получены низкие значения наклона линии соотношения δ²H-δ¹⁸О, прослеживается влияние поверхностных вод.

Центральная Аляска, северный и центральный Юкон. М. Сент-Джан с соавторами ^{[27- 20]} исследовали повторно-жильные льды в районе Олд Кроу (центральный Юкон), оз.Муз (северный Юкон) и Волт Крик Туннель (центральная Аляска). Значения изотопного состава голоценовых жил Олд Кроу и оз.Муз близки к современным зимним осадкам в исследуемом районе. Плейстоценовые жилы из Волт Крик Туннель характеризуются более низкими значениями изотопного состава, что отражает более низкие температуры воздуха времени их формирования. Для большинства жил Олд Кроу и оз.Муз наклон линии δ²H-δ¹⁸О намного ниже чем локальная линия метеорных вод (ЛЛМВ) и составляет 4,5, 5,5 и 6,4, что, возможно, отражает участие процессов повторного замерзания талой снеговой воды и как следствие изотопного фракционирования; для двух голоценовых жил получены наклоны линий δ²H-δ¹⁸О, равные 8,7 и 9,6. По жилам из Волт Крик Туннель получен наклон линии δ²H-δ¹⁸О близкий к ЛЛМВ, что отражает минимальное влияние фракционирования в результате вторичных процессов промерзания-оттаивания ^[27].

Оз.Ту Муз, центральный Юкон. M.Гринтер и Д. Лассель с коллегами исследовали изотопный состав позднеплейстоценовых и голоценовых повторно-жильных льдов в районе оз.Ту Муз ^[21]. По изотопному составу голоценовые и позднеплейстоценовые жилы заметно отличаются, голоценовые изотопически более тяжелые в среднем на 3-4 ‰. Для голоценовых жил получены наклоны линий соотношения δ²H-δ¹⁸О равные 6,5 и 5,6, для позднеплейстоценовых жил – еще более низкие наклоны 3,3 и 5,2 (см. табл. 1).

Почти для всех жил получены очень низкие значения d_exc от –15,5 до –1,9‰. Согласно выводам авторов ^[21], низкие наклоны линий δ²H-δ¹⁸О указывают на формирование жил из талой снеговой воды, значительно измененной перед заполнением морозобойных трещин, на что дополнительно указывают низкие значения d_exc, не типичные для снега в районе исследований. Поэтому изотопные данные по этим жилам, по мнению авторов ^[21], не могут быть использованы как палеотемпературные архивы.

Выводы

1. Пространственный анализ соотношения изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых и голоценовых повторно-жильных льдах для территории российской криолитозоны выполнен впервые.

2. В повторно-жильных льдах выделено три основных типа соотношения изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О: а) нормальное соотношение δ2H-δ18О (без признаков влияния вторичных изотопных процессов), б) соотношение δ²H-δ¹⁸О с признаками изменения первичного изотопного сигнала осадков и в) аномальное соотношение δ²H-δ¹⁸О.

3. Нормальное соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах встречено в Сеяхинской едоме на Ямале; в отдельных жилах едомных толщ северной Якутии - едомы Бизон и Дуванного Яра, а также в некоторых жилах едомы Мамонтовой Горы в центральной Якутии. Нормальное соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О в голоценовых повторно-жильных льдах отмечено в торфяниках близ г. Воркуты, на Европейский Северо-Востоке; в пойменной толще р.Еркутаяха и в торфянике у пос. Бованенково на п-ове Ямал; в пойменной толще ниже по течению от пос.Черский; в пойменной толще в долине р.Алдан, Центральная Якутия; в толще первой морской террасы близ г. Анадырь; в торфяниках близ пос. Лорино и пос. Уэлен на востоке Чукотки.

4. Соотношение δ²H-δ¹⁸О с признаками изменения первичного изотопного сигнала атмосферных осадков получено для ряда позднеплейстоценовых ледяных жил северной Якутии - едомы Бизон и Дуванного Яра, а также некоторых жил едомы Мамонтовой Горы и жилы в районе оз.Сырдах в центральной Якутии. Для голоценовых жил отклонения от нормального соотношения δ²H-δ¹⁸О были получены для: жилы в долине р.Нгарка-Тамбъяха на Европейский Северо-Востоке, для жилы аласе в районе пос.Черский в низовьях р.Колымы; в торфянике близ г. Анадырь и в торфянике близ пос. Лорино и пос. Лаврентия.

5. Аномальное соотношение изотопных параметров δ²H-δ¹⁸О встречено: в толще первой надпойменной террасы на р. Чара, в Забайкалье; в толще озерной террасы в обнажении Мерзлый Яр в верховьях Енисея.

6. Анализ данных по наклону линии соотношению δ²H-δ¹⁸О во льду позднеплейстоценовых и голоценовых повторно-жильных льдов в других районах сибирской и североамериканской криолитозоны показал, что в большинстве жил этот показатель варьирует от 6,5 до 9-9,5 для многих жил наклон линии соотношению δ²H-δ¹⁸О оказался близок к ГЛМВ или ЛЛВМ, что подтверждает преимущественное формирование жил из снега, в некоторых случаях подвергшегося процессам, приводящим к трансформации его первичного изотопного состава. Исключение составили жилы, исследованные в центральной Якутии и северном и центральной Юконе, где по льду жил получены значения наклона линии соотношению δ²H-δ¹⁸О от 3,3 до 6,5. В сочетании с низкими значениями дейтериевого эксцесса эти данные могут показывать на существенную изотопную трансформацию снега (или талой снеговой воды) перед замерзанием в морозобойной трещине.