Основные элементы стратегии полевого опробования повторно-жильных льдов для изотопного и радиоуглеродного анализа

Работа выполнена в рамках междисциплинарной научно-образовательной школы Московского университета “Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды” и госбюджетной темы 1.4. “Антропогенная геохимическая трансформация компонентов ландшафтов” - номер ЦИТИС: 121051400083-1

Введение

Основная цель статьи - создание оптимальной стратегии полевого опробования повторно-жильных льдов для изотопного и радиоуглеродного анализа

Научная значимость этой задачи заключается в необходимости детальной изотопной характеристики новых хорошо датированных разрезов северных регионов криолитозоны и очень детальном опробовании для изотопного (δ¹⁸O и δ²H) анализа новых разрезов. Решение этой задачи позволит получить целостный изотопный и палеотемпературный сценарий для голоцена и позднего севера Западной Сибири, северной и центральной Якутии, Чукотки, арктических островов.

В результате применения усовершенствованной методики отбора образцов повторно-жильных льдов можно получать достоверные диапазоны значений изотопного состава, что в сочетании с возрастной привязкой получаемых изотопных распределений дает полную картину изотопных вариаций в ледяных жилах в течение определенного периода ее формирования. Высокая степень детальности изотопных измерений и воспроизводимости результатов масс-спектрометрического анализа, а также возможность определения соотношения δ¹⁸O-δ²H позволит по каждой исследуемой жиле получать наиболее достоверные данные для палеотемпературных реконструкций.

Инновационность предлагаемой методики заключается в сравнении изотопно-кислородных и дейтериевых кривых, полученных по двум параллельным и квази-синхронным повторно-жильным льдам, вскрывающимся единым обнажением в толщах едомных и голоценовых отложений. Необходимо проанализированы их сходство и различия. Это позволяет существенно уточнить решений двух главных проблем возникающих при изучении позднеплейстоценовых едомных толщ – определение возраста повторно-жильных льдов и определение точности изотопной и палеотемпературной интерпретации изотопной записи.

Важной задачей является создание нового протокола данных радиоуглеродного анализа органических остатков, полученных как конвенциональным методом, так и методом AMS, в мало исследованных разрезах едомных и голоценовых отложений. Научная значимость этой задачи заключается в детальном радиоуглеродном датировании новых разрезов для малоизученных регионов севера Сибири и валидации датировок с использованием новейшей системы калибровки Intcal20, масштабность этой задачи может быть реализована в широком региональном охвате малоизученных территорий и детальном опробовании и AMS радиоуглеродном датировании микровключений органики непосредственно из ледяных жил и радиоуглеродном датировании новых разрезов. Новизна этой задачи определяется возможностью провести детальные реконструкции палеоклимата и датировать внезапные и резкие климатические сдвиги, происходившие в течение зимнего сезона за относительно короткие интервалы времени, что невозможно определить другими методами, а также пока маловероятно для регионов, где повторно-жильные льды отсутствуют.

Решением этой задачи будет создание пула изотопных данных: средних значений δ¹⁸O в важнейших временных интервалах формирования опорных разрезов позднего плейстоцена и голоцена для ключевых регионов криолитозоны России (север Западной Сибири, Таймыр, север Якутии, центральная часть Якутии, Чукотка, Забайкалье и др.) и построение карт изоскейп значений δ¹⁸O, для важнейших временных интервалов позднего плейстоцена и голоцена.

Предшествующий опыт полевого тестирования повторно-жильных льдов для изотопного и радиоуглеродного анализа

Полевые исследования повторно-жильных льдов в самых северных районах Российской криолитозоны проводятся автором с 1976 г. В 1979 г. начаты изотопные и радиоуглеродные исследования Сеяхинской едомной толщи на восточном побережье Ямала, в 1983-2022 гг. получены датированные по радиоуглероду детальные изотопные диаграммы полигонально-жильных комплексов более 50 опорных разрезов от Воркуты до Уэлена,^[2,5] обеспечивающих возможность прямого хронологического сопоставления изотопных записей подземных и наземных льдов и их надёжную возрастную привязку для периода более чем в 40 тыс. лет. В 1998 г. впервые в мире (в 1998 г.) выполнено прямое датирование повторно-жильных льдов с применением ускорительной масс-спектрометрии посредством радиоуглеродного анализа микровключений органики в повторно-жильных льдах Сеяхинской едомы^[8,12], а затем в голоценовых жил в Щучьинской толще на Ямале, едомных разрезов Бизон, Плахинский Яр, Зелёный Мыс, Дуванный Яр,^[3-9] Анадырь на Чукотке Мамонтова Гора и Батагай^[13] в центральной Якутии.

Методика отбора образцов повторно-жильного льда в 1976-1978 гг. применялась автором для палинологического и гидрохимичесого анализа, а начиная с 1979 г. для изотопных определений.

Во время лодочного маршрута по р. Танаме в верховьях реки в пойменной толще была встречена многоярусная ледяная жила с полностью сохранившимся первичным строением в виде семи вложенных друг в друга жилок (рис. 1), каждая из которых состояла из 10-50 элементарных годичных жилок, но элементарные жилки сохранились не так хорошо, как образованные ими жилы 7 ярусов. Жила каждого последующего яруса расклинивала предыдущую и при этом сохранились все индивидуальные контакты жил всех 7 ярусов. Такое строение этой голоценовой жилы предопределило подход к наиболее полному отбору льда различного состава. Как видно, при вертикальном отборе трансекта пересекает жилы всех 7 ярусов, тогда как при горизонтальном отборе нижняя и верхняя трансекты пересекают жилы только трех ярусов. Таким образом, при отборе этой жилы для гидрохимических определений мы сочли необходимым выполнить детальный отбор по вертикальной трансекте и по двум горизонтальным, хотя при изучении голоценовых жил возникает соблазн ограничиться только горизонтальным отбором. Но на этом ярком примере видно, что, если производить только горизонтальный отбор, это, как правило, снижает представительность получаемой информации.

Рис. 1. Позднеголоценовая многоярусная ледяная жила с полностью сохранившимся первичным строением в виде семи вложенных друг в друга жилок в верховьях реки Танамы, в пойменной толще. Зарисовка выполнена автором в поле и воспроизведена без изменений.

В дальнейшем, начиная с 1979 г. автору посчастливилось работать на многих едомных разрезах Западной Сибири, Якутии, Чукотки, арктических островов. Это потребовало разработки унифицированной методики отбора из жил в едомных толщах для гидрохимических, палинологических и изотопных определений.^[2] В наиболее общем виде разработанная автором и применявшаяся на всех исследованных разрезах едомных толщ унифицированная методика схематически отображена на рис. 2. Согласно этой методике, отбор выполнялся по вертикали из наиболее крупных жил в разрезе и дополнялся несколькими горизонтальными трансектами из этой же жилы, подробно отбирались образцы из погребенных мелких жилок и из текстурообразующих льдов вмещающих едомных отложений. Эти отборы изо льда обязательно сопровождались отбором разнообразного органического материала из вмещающих жилы сингенетических едомных отложений (см. рис. 2).

Рис. 2. Схема принципиального отбора образцов в повторно-жильных льдах. Из Ю.К.Васильчук, В.М. Котляков ^{[4, стр. 357]}. Лёд: 1 – мощной транзитной сингенетической жилы; 2 – погребенных маленьких жилок; 3 – ледяных шлиров; 4 – органическое вещество в толще: а – торф и рассеянные детриты, б – древесина, в – кости; 5 – супесь; 6 – отбор образцов на радиоуглеродный и изотопный анализы: а – органики на радиоуглеродный анализ, б – текстурообразующего льда шлиров на изотопный анализ, в – жильного льда на изотопный анализ

Эта методика реализована в полной мере, например, при изучении разреза Дуванного Яра (рис. 3), где выполнен изотопный анализ как по вертикальному, так и по горизонтальным трансектам. Этот изотопный анализ сопровождался датированием органического материала разного состава из вмещающих отложений, что позволило заметно уточнить палеогеографию Дуванноярского массива.

Рис. 3. Строение нижней части разреза синкриогенных позднеплейстоценовых отложений Дуванного Яра и изотопно-кислородные диаграммы повторно-жильных льдов по образцам, отобранным: А – по вертикали, Б – по горизонтали: 1 – крупные (транзитные) сингенетические повторно-жильные льды; 2 – мелкие (погребенные) сингенетические повторно-жильные льды; 3 – сегрегационные шлировые льды; 4 – органика в супесчаной толще: а – торф и корешки, б – кости; 5 – супесь; 6 – отбор образцов на изотопно-кислородный анализ: а – льда крупных (транзитных) жил, б – льда сегрегационных шлиров, в – льда мелких (погребенных) жилок. Из Ю.К.Васильчук, В.М. Котляков ^{[4, стр. 390]}

Начиная с 1998 г., когда автору удалось напрямую датировать сингенетические повторно-жильные льды в едомных толщах вначале в Сеяхинском разрезе ^[8], а затем Дуванноярского, Зеленомысского, Плахинского на р.Колыма, Мамонтовой Горы на р.Алдан ^[9], разреза Феникс в среднегорье Магаданской области. Особенно полно удалось датировать разрез Бизон в низовьях Колымы, где был выполнен отбор образцов для датирования микровключений органики, гуминовых вытяжек и спорово-пыльцевого концентрата (рис. 4). Важной особенностью изучения разреза Бизон стал очень детальный отбор образцов для изотопно-кислородных и дейтериевых определений. Из трех высотой до 7-9 м было отобрано и проанализировано более 150 образцов, что дало возможность очень подробные изотопные диаграммы для периода от 26 до 33 тыс. лет.

Рис. 4. Схема отбора образцов повторно-жильных льдов в разрезе Бизон, низовья р.Колымы: 1 – ледяная жила, 2 – точка отбора проб на изотопно-кислородный и дейтериевый анализ, черные цифры – номера проб, 3 – точка отбора на анализ ¹⁴С методом AMS

Основные элементы полевого тестирования повторно-жильных льдов для изотопного и радиоуглеродного анализа

В результате применения усовершенствованной методики отбора образцов повторно-жильных льдов автор предполагает получить достоверные диапазоны значений изотопного состава, что в сочетании с уверенной возрастной привязкой получаемых изотопных распределений даст полную картину изотопных вариаций в ледяных жилах в течение определенного периода ее формирования. Высокая степень детальности изотопных измерений и воспроизводимости результатов масс-спектрометрического анализа, а также возможность определения соотношения δ¹⁸O-δ²H позволит по каждой исследуемой жиле получать наиболее достоверные данные для палеотемпературных реконструкций.

На сегодня самой инновационной задачей изотопного и радиоуглеродного анализа повторно-жильных льдов автору видится сравнение изотопно-кислородных и дейтериевых кривых, полученных по двум соседним, параллельным и квази-синхронным повторно-жильным льдам (рис. 5), вскрывающимся единым обнажением в едомных (рис. 6) и голоценовых разрезах северных районов криолитозоны.

Рис. 5. Параллельный одновременный отбор образцов повторно-жильного льда из двух соседних ледяных жил Батагайской едомной толщи

Рис. 6. Схема отбора образцов из повторно-жильного льда Батагайской едомной толщи, выполненного в 2019 г.: на изотопный анализ: красные точки – из жил, желтые треугольники – из текстурных льдов; на радиоуглеродный – желтые квадраты

Ранее в мировой практике это не выполнялось. Замысел этой задачи возник у автора в связи с ранее практически не обсуждавшемся вопросом о степени объективности изотопной записи, получаемой по произвольно выбранной ледяной жиле. Как правило этот выбор делается исходя из полноты вскрытия повторно-жильного льда и фронтальности обнажения по отношению к направлению залегания жилы. По умолчанию считалось, что отбор произведенный из других жил, вскрываемых обнажением даст те же результаты. Выполненные нами предварительные исследования свидетельствуют о там, что это не всегда выполняется. На одних и тех же глубинах по образцам из соседних жил получены как одинаковые, так и заметно различающиеся изотопные определения. Внедрение в практику опробования ключевых едомных разрезов параллельный отбор из двух жил позволит существенно повысить точность и достоверность изотопной записи.

Отбор образцов для изотопного анализа. Возможность очень детального отбора образцов из соседних жил для получения высокоточных изотопных определений связана с апробированной сравнительно новой методикой полевого отбора образцов с помощью электродрелей Makita DDF481rte 18В и Bosch GSR 36 VE-2-LI со стальными коронками для льда диаметром 51 мм с титановыми насадками. Пробы отбираются на расстоянии не более 0,2-0,3 м как по вертикальной, так и по горизонтальной осям обнаженной жилы. Это позволяет отбирать из жилы высотой 10 м более 100 образцов по вертикали, что обеспечивает детальность отбора с шагом около 100 лет. Кроме того отбор образцов с помощью электродрелей дает возможность весьма детального отбора по горизонтали, что также необходимо для подтверждения полноты изотопной записи. Для каждой из опробованных жил производится отбор в не менее чем в 3 горизонтальных профилях на каждые 10 м высоты жилы. Выполнение вертикального и горизонтального опробования повторно-жильных льдов (рис. 7) позволяет сравнивать пространственные изотопные вариации внутри разных жильных льдов.

Рис. 7. Схема отбора образцов из повторно-жильного льда Вилюйской едомной толщи, выполненного в 2021 г.: 1 – на изотопный анализ; 2 – на радиоуглеродный анализ. Из ^[14]

По принятой авторами методике для зачистки места отбора приповерхностные 5 см льда снимались с помощью бура и далее отбирались более глубинные образцы из той же лунки (рис. 8). Буровая коронка очищается перед отбором каждого нового образца. Из жил высверливается образец льда высотой 4-6 см (рис. 9), диаметром 5 см (рис. 10).

Рис. 8. Отбор образцов повторно-жильного льда с помощью электродрели

Рис. 9. Высота образца повторно-жильного льда, выбуренного с помощью электродрели

Рис. 10. Диаметр образца повторно-жильного льда, выбуренного с помощью электродрели

Объем пробы составляет около 20-30 см³, В каждом образце подсчитываются одиночные элементарные жилки. Количество одиночных жилок в каждой пробе, как правило не превышает 10-15 шт (см. рис. 10). Масса каждого образца составляет около 20-35 г. Отбор льда сопровождается подробным описанием цвета, прозрачности, структуры льда, толщины ледяных и грунтовых прожилок, включений, формы и размера ксенолитов, пузырьков воздуха. Образец льда упаковывался в полиэтиленовые пакеты. Координаты разреза и отдельных жил регистрируются с помощью GPS. Особо важным является определение высотной отметки образцов - для этого авторами используется портативный лазерный дальномер Leica DISTO 5910, позволяющий измерять параметры обнажения на расстоянии до 300 м, точность измерений высоты и расстояния которого составляет ± 1,0 мм.

Лёд растапливается в пакетах при температуре от +5 до +20°С. С помощью рН- и ЕС-метров измерялись кислотность и электропроводность воды из растаявшего льда. Точность измерения рН-метра HANNA pHep 4 HI98127 следующие: диапазон рН – от 0,0-14,0; точность измерения – до 0,1 единицы рН, Точность измерения ЕС-метра HANNA HI 98311 – до 0,1 μS/см. Талая вода переливается в пластиковые флаконы ёмкостью 10 мл с плотно закрывающейся крышкой. Флаконы выполнены из высококачественного пластика.

Отбор образцов для радиоуглеродного анализа. Создание нового протокола данных радиоуглеродного анализа органических остатков, полученных как конвенциональным (сцинтилляционным) методом, так и методом AMS, в мало исследованных разрезах. Радиоуглеродный анализ органических остатков, во вновь исследованных едомных и голоценовых разрезах выполняется как во вмещающих сингенетические жилы отложениях, так и непосредственно по органическим микровлючениям из ледяных жил, в которых радиоуглеродный анализ выполняется с применением AMS^[8,9]. Научная значимость этой задачи заключается в детальном радиоуглеродном датировании новых разрезов и валидации датировок с использованием новейшей системы калибровки Intcal20, масштабность этой задачи будет реализована в широком региональном охвате малоизученных территорий и детальном опробовании и AMS радиоуглеродном датировании микровключений органики непосредственно из ледяных жил и радиоуглеродном датировании новых разрезов. Новизна этой задачи определяется возможностью провести детальные реконструкции палеоклимата и датировать внезапные и резкие климатические сдвиги, происходившие в течение зимнего сезона за относительно короткие интервалы времени, что невозможно определить другими методами и для регионов, где повторно-жильные льды отсутствуют.

Автором разработана апробированная методика отбора образцов микро- и макровключений органического материала из повторно-жильных льдов и из вмещающих их отложений для конвенциальных (сцинтилляционных) ^[6,7] и для AMS ^[8,9] радиоуглеродных определений. Ранее разработанная стратегия интерпретации радиоуглеродных данных ^[11] позволяет выполнить отбор валидных радиоуглеродных датировок из массивов даже со значительной примесью аллохтонного органического материала и, как следствие - со значительными инверсиями радиоуглеродных датировок.

Здесь хотелось обсудить один неочевидный момент: в последние годы в работах наших коллег проявляется тенденция к преимущественному горизонтальному отбору образцов из жильных льдов в едомных отложениях ^{[15, с.4537]} и эта тенденция усиливается Если для голоценовых жил такой приоритетный отбор можно рассматривать как возможный (но выше показано, что лучше его дополнять вертикальным отбором), то для позднеплейстоценовых жил возникает непреодолимое противоречие при исключительно горизонтальном отборе. Представим себе ситуацию, которая обычно встречается при AMS ¹⁴С датировании микровключений в плейстоценовых сингенетических жилах, когда среди поля датировок, например, от 30 до 35 тыс. лет, встречается одна или две более древние датировки. Если это происходит при вертикальном отборе образцов, то мы можем на основании выявленной тенденции распределения датировок в синкриогенных толщах (более молодой лед в синкриогенных жилах едомных толщ, как правило, располагается над более древним), например, от 35 внизу до 30 тыс. лет вверху, более древнюю датировку среди них исключить как явно переотложенную.^[11] Если же это фиксируется при горизонтальном отборе, то оснований для исключения более древней датировки как инверсионной, нет, ибо жила могла формироваться первоначально в этот более древний период, а затем возобновить свой рост. Как известно направление роста в ширину ледяных жил может быть довольно произвольным. Хотя, чаще всего, прирост льда происходит в центральной осевой части жил, и лед обычно древнее к боковой периферии жилы, но иногда зона преимущественного растрескивания и накопления более молодого льда может смещаться к краевым частям жил и в этих случаях более молодой лед отмечается в периферийной части жил. Это в частности наблюдается и в жилах разреза Бизон, где более древний лед встречен в центральной части жил (см. рис. 4) Поэтому переход к преимущественному горизонтальному отбору образцов из жильных льдов в едомных отложениях пока следует отнести к недостаточно продуманным действиям и он, несомненно, всегда должен быть дополнен вертикальным отбором из едомных повторно-жильных льдов.

Изложенная методика отбора для изотопных и радиоуглеродных определений может быть с успехом использована для получения более полной и достоверной изотопной характеристики едомных и голоценовых повторно-жильных льдов. Она уже реализована в недавних исследованиях, выполненных автором на Сеяхинском и Батагайском едомных разрезах ^[12,13]. А такая полная и проверенная изотопная и геохронологическая характеристика является важным критерием для изучения пространственно-временной изменчивости зимних климатических условий.^[2,5,10] Важным элементом этого изучения является построение карт изоскейп (т.е. линий равных изотопных значений) для ключевых этапов позднего плейстоцена и голоцена (рис. 11) отдельных геокриологических регионов и криолитозоны России в целом.

Рис. 11. Изоскейпы значений δ¹⁸O по повторно-жильным льдам на севере Западной Сибири: A – по современным жильным росткам, Б – по жилам, датированным концом северогриппианского – мегхалайским периодами голоцена (5,2–0,9 тыс. кал. лет назад), В – по жилам, датированным гренландским – первой половиной северогриппианского периода голоцена (11,4–5,3 тыс. кал. лет назад), Г – по жилам, датированным гренландским периодом голоцена (11,7–8,2 тыс. кал. лет назад). Из Н.Буданцева, Ю.Васильчук^[1]

Выводы

Сформулированы основные положения оптимальной стратегии полевого опробования повторно-жильных льдов для изотопного и радиоуглеродного анализа:

1. Инновационность предлагаемой методики заключается в сравнении изотопно-кислородных и дейтериевых кривых, полученных по двум параллельным и квази-синхронным повторно-жильным льдам, вскрывающимся единым обнажением в толщах едомных и голоценовых отложений. Предполагается детальный анализ сходства и различий изотопно-кислородных и дейтериевых кривых, полученных по двум параллельным повторно-жильным льдам. Это позволит существенно уточнить решение двух главных проблем возникающих при изучении позднеплейстоценовых едомных толщ – определение возраста повторно-жильных льдов и определение точности изотопной и палеотемпературной интерпретации изотопной записи. Ранее сравнение изотопно-кислородных и дейтериевых кривых, полученных по двум параллельным и квази-синхронным повторно-жильным льдам, вскрывающимся единым обнажением не выполнялось никем в мире.

2. Ранее считалось, что отбор образцов жильных льдов, произведенный из разных жил, вскрываемых одним и тем же обнажением даст одинаковые результаты. Выполненные автором предварительные исследования свидетельствуют о там, что это не всегда выполняется. На одних и тех же глубинах по образцам из соседних жил, отобранных параллельно и одновременно получены как одинаковые, так и заметно различающиеся изотопные определения.

3. Преимущественно горизонтальный отбор образцов из жильных льдов в едомных отложениях пока следует считать недостаточно обоснованной процедурой, горизонтальный отбор, несомненно, должен быть дополнен вертикальным отбором из едомных повторно-жильных льдов. Только при вертикальном отборе можно выработать критерии для исключения более древних датировок по аллохтонному материалу как инверсионных, при горизонтальном отборе это, пока практически невозможно.