Утяжеление изотопного состава повторно-жильных льдов Центральной Якутии вследствие активного испарения поверхностных вод
Буданцева Надежда Аркадьевна
кандидат географических наук,
Васильчук Юрий Кириллович
доктор геолого-минералогических наук, профессор
Московский государственный
университет имени М.В. Ломоносова
Аннотация
Объектом исследований является изотопный состав кислорода и водорода повторно-жильных льдов, поверхностных вод и атмосферных осадков Центральной Якутии в районе Мамонтовой Горы, где летом создаются благоприятные условия для испарения и континентального засоления мерзлых пород и подземных льдов. Особое внимание уделено анализу повышенных значений изотопного состава жильного льда позднеплейстоценового возраста, который не может быть объяснен более высокими зимними температурами воздуха в период формирования жил. Привлечены гидрохимические данные, показывающие признаки континентального засоления во фрагментах жил с тяжелым изотопным составом. Основным методом исследований является определение изотопного состава кислорода и водорода во льду. В графическом выражении одним из индикаторов испарения является линия испарения, наклон которой на графике соотношения д18О - д2Н, составляет около 5. Показано, что континентальное засоление ландшафтов Центральной Якутии объясняется сочетанием процессов многолетнего промерзания отложений и испарения в течение летних сезонов. Разработана система индикаторов формирования континентального засоления мерзлотных озёрно-болотных ландшафтов на основе изотопных и гидрохимических данных поверхностных вод и подземных льдов: 1 - аномально тяжелый изотопный состав, 2 - расположение значений изотопного состава на линии испарения, угол наклона которой (как правило, ниже 5) ниже угла наклона ГЛМВ (8) и 3 - высокая засоленность повторно-жильных льдов и вмещающих их отложений и преобладание в составе солей континентального типа. Новизной работы является то, что полученные результаты имеют высокую степень достоверности и легко воспроизводимы в любой изотопной лаборатории мира.
Ключевые слова: повторно-жильные льды, поверхностные воды, атмосферные осадки, изотопы кислорода, изотопы водорода, линия испарения, минерализация льда, аласный ландшафт, континентальное засоление, Центральная Якутия
Abstract
The research object is the isotopic composition of oxygen and hydrogen of ice-wedge casts, surface waters and atmospheric precipitation in Central Yakutia near the Mammoth Mountain, where the conditions are favourable in summer for evaporation and continental salinization of permafrost and subsurface ice. Special attention is given to the analysis of high indexes of isotopic composition of ice-wedge casts of the late Pleistocene, which can't be explained by higher winter temperatures during the formation of ice wedges. The authors use hydrochemical data showing the signs of continental salinization in the fragments of wedges with heavy isotope composition. The main research method is the definition of isotopic composition of oxygen and hydrogen in the ice. In graphic form, one of the indicators of evaporation is the evaporation line, whose inclination on the dependency diagram д18О - д2Н is around 5. The authors show that continental salinization of the landscapes of Central Yakutia can be explained by the combination of the processes of perennial freezing of sediments and evaporation during summer seasons. The authors design the system of indexes of continental salinization of cryogenic lacustrine-boggy landscapes on the basis of isotopic and hydrochemical data of surface waters and subsurface ice: 1 - abnormal heavy isotopic composition; 2 - isotopic composition indexes are on the evaporation line, whose angle of inclination (usually lower than 5) is lower that the angle of inclination of the global meteoric water line (8); 3 - high salinity of ice-wedge casts and sediments with prevailing continental salts. The obtained results are accurate and can be easily reproduced by any isotope laboratory in the world.
Keywords: continental salinization, alas landscape, ice mineralization, evaporation line, hydrogen isotopes, oxygen isotopes, precipitation, surface water, ice wedge, Central Yakutia
Введение
Континентальность климата и интенсивное испарение в летние месяцы существенным образом сказывается на изотопном составе как атмосферных осадков, так и водных объектов. Согласно глобальной модели формирования изотопного состава природных вод, основным источником влаги в атмосфере является Мировой океан, изотопный состав воды которого принят за точку отсчета, имеет значения д2Н = 0 и д18О = 0‰.
Вода с таким изотопным составом считается международным стандартом среднеокеанической воды (SMOW). Первичный пар, покидающий поверхность океана, оказывается облегченным относительно океанической воды дперв.пар< дSMOW. При конденсации влаги в облаках вновь образованная жидкая фаза снова обогащается, а оставшийся пар обедняется 2Н и 18О, поэтому дПЕРВИЧН. КОНДЕНСАТ > дперв.пар
Остаточный пар в облаках снова облегчается, такое же обеднение отмечается и для водяного пара при конденсации росы из воздуха на поверхности растительности, на почве и внутри нее в зоне аэрации.
Выпавшая на поверхность суши и внутренних водоемов влага может снова испариться, образующийся при вторичном испарении пар также изотопически облегчен относительно воды. Повторение циклов “конденсация - испарение” при переносе влаги вглубь материков приводит к значительному облегчению изотопного состава атмосферных осадков внутри континентов, относительно океана дSMOW >> дВТОР. ПАР
При переносе влаги от океана вглубь суши концентрация д2Н и д18О в паре постоянно уменьшается и достигает минимума около центра материков. Этот эффект носит название “внутриконтинентального облегчения атмосферных осадков”. В результате сезонных вариаций температур в умеренных и высоких широтах имеют место “сезонные вариации” изотопного состава атмосферных осадков. При этом зимой выпадают изотопно легкие, а летом изотопно тяжелые осадки.
Поверхностные воды при замерзании и испарении испытывают дополнительное изотопное фракционирование, поэтому замкнутые водоемы могут достаточно сильно отличаться от изотопного состава местных атмосферных осадков.
При испарении и замерзании воды, выпавшей на земную поверхность, происходят изотопные сдвиги относительно глобальной линии метеорных вод (ГЛМВ). В координатах д2Н - д18О ГЛМВ отражает тренд изотопного состава воды атмосферных осадков и описывается уравнением д2Н = 8д18О + 10‰. Главным фактором, определяющим степень фракционирования относительно SMOW, является температура. Изотопно тяжелые осадки выпадают в районе экватора, в прибрежных и низменных областях материков, а также в летний период времени (см. область “тепло”на рис. 1). Легкие осадки формируются вблизи полюсов, в горах и ближе к центру материков, а также в зимний период времени (см. область “холодно”на рис. 1). Вода на поверхности Земли, в почве и в зоне аэрации может подвергнуться испарению. В этом случае изотопный состав влаги фракционирует в соответствии с линией испарения (см. рис. 1), угловой коэффициент которой равен 5.
изотопный повторный жильный лед
Рис. 1. Особенности формирования изотопного состава воды в различных обстановках: ГЛМВ глобальная линия метеорных вод; фракционирование изотопного состава вод, возникающее при испарении атмосферных осадков после выпадения на земную поверхность: ЛИ - линия испарения. Из [10].
Выделяющийся пар изотопно облегчается, остаточная вода - утяжеляется (см. крайние значения “пар” и “вода” около линии “ЛИ” на рис. 1).
Ранее проводились работы по изучению процессов изменения изотопного состава кислорода и водорода при испарении с поверхности морских и континентальных солеродных бассейнов [6]. В природных условиях изотопный состав эвапоритовых бассейнов может колебаться в значительных пределах в зависимости от условий испарения. Подземные воды древних морских бассейнов нормальной солености могут достаточно четко идентифицироваться по "морским" содержаниям дейтерия. При этом рассолы, образовавшиеся в результате длительного испарения водоемов, имеют такое же содержание дейтерия, как и инфильтрационные воды, что является проблемой при использовании дейтерия как показателя морского происхождения подземных рассолов.
В реальных условиях накопление дейтерия не подчиняется уравнению Рэлея, что обусловлено кинетическими изотопными факторами, а также изотопным обменом между жидкостью и парами атмосферной влаги. В процессе упаривания морской воды была установлена инверсия для соотношения изотопного состава системы пар - жидкость, которая наблюдается при упаривании воды примерно в 10 раз (рис. 2), что объясняется возрастанием роли конденсирующихся паров атмосферной влаги в результате снижения скорости испарения раствора, что обусловлено уменьшением активности воды по мере увеличения концентрации солей. Большую роль в формировании изотопного состава испаряющейся жидкости играют скорость испарения и изотопный состав атмосферной влаги.
В реальном эвапоритовом бассейне с первоначальной нормальной морской соленостью при испарении воды происходит последовательная садка минералов и увеличение концентрации солей в оставшейся части раствора. На стадии садки галита происходит постепенное изменение состава воды (хлоридный натриевый состав трансформируется в хлоридный магниевый). По мере упаривания снижается скорость испарения рассола на конечных стадиях выпаривания. В условиях высокой влажности воздуха этот процесс может приводить к некоторому уменьшению концентрации дейтерия в растворе. Величина такого уменьшения зависит от относительной влажности, изотопного состава атмосферной влаги, а также от скорости испарения раствора. Если относительная влажность воздуха в процессе упаривания составляет 70-80%, то, очевидно, в данных условиях морская вода не может быть упарена до стадии садки бишофита и стационарный изотопный состав раствора будет достигнут на более ранних стадиях упаривания. При конденсации пара жидкая фаза обогащается тяжелым изотопом водорода, при этом изотопный состав прибрежного эвапоритового бассейна на конечных стадиях концентрирования будет находиться в изотопном равновесии с морским водяным паром [11].
Исследования показали, что минимальное содержание дейтерия и кислорода-18 в рассолах морского происхождения на любых стадиях выпаривания не будет ниже, чем величина д2Н = -40‰и д18О = -3‰, что позволяет использовать изотопные данные при оценке генезиса ископаемых рассолов [11].
Рис. 2. Изменение концентрации дейтерия и кислорода-18 при испарении дистиллированной (1) и морской (2) воды. Из [11]
Для континентальных солеродных бассейнов малого объема (соляные озера) изотопный состав может значительно отличаться от морского в сторону обеднения тяжелыми изотопами по двум причинам. Во-первых, такие бассейны могут питаться подземными водами с содержанием тяжелых изотопов более низким, чем у морских вод. Во-вторых, содержание тяжелых изотопов в парах континентальной атмосферной влаги намного ниже, чем в парах над океанами. Кроме того, на изотопный состав бассейнов малого объема атмосферные осадки должны оказывать большее влияние, чем на изотопный состав крупных эвапоритовых бассейнов морского генезиса. За счет атмосферных осадков происходит частичное питание бассейна: главным, образом в холодные сезоны года, когда концентрация дейтерия в осадках уменьшается в результате понижения температуры конденсации пара.
В условиях сочетания аридного климата с преобладанием испарения, осадконакопления и промерзания (без последующего оттаивания) отложений создаются условия для континентального засоления мерзлых пород и подземных льдов. Такие условия встречаются на холодных равнинах и плоскогорьях Азии (Центральная Якутия, озерные котловины Тибета). Содержание солей в мерзлых толщах колеблется от 0,05 до 2% и более, основным источником засоления являются атмосферные воды.
Центральная Якутия характеризуется резко континентальным климатом. Амплитуда температур воздуха варьирует в широком диапазоне: от -41°С (средняя температура января) до +18°С (средняя температура июля), среднегодовое количество осадков составляет 220 мм. Несмотря на то, что большая часть осадков выпадает в течение летних месяцев (с июня по август), испарение в 4 раза, а в засушливые годы в 10 раз превышает количество осадков в этот период, что приводит к повышенной аридности климата. Индекс сухости (по М.И. Будыко) равен 1,40, он совпадает с индексом сухости степных районов европейской части России [9].
Постановка задачи
Проведенное исследование является непосредственным развитием результатов, полученных российскими гидрохимиками при изучении минерализации мерзлых толщ Центральной Якутии [1 и др]. Вместе с тем новизна работы заключается в том, что гидрохимические данные, которые плохо воспроизводятся в силу изменчивости результатов измерения ионно-солевого состава, дополнены исследованиями стабильных изотопов, которые достаточно легко воспроизводимы в любой изотопной лаборатории мира.
В связи с интенсивным хозяйственным освоением территорий криолитозоны, в частности Центральной Якутии, для которой характерен континентальный тип засоления, возникает необходимость оценки температурного и водно-ионного режима мерзлых засоленных пород и криопэгов в естественных условиях. От температурного и водно-ионного режима зависят инженерно-геологические свойства засоленных мерзлых грунтов, несущая способность грунтовых оснований и коррозионная активность мерзлых засоленных грунтов, экологическая обстановка территорий и т.д.
При постановке задачи исследования было учтено, что ранее полученные гидрохимические данные по мерзлым толщам центральноякутских и забайкальских районов продемонстрировали труднообъяснимые аномалии засоления, при этом доминирующие соли не имели морских признаков, и это потребовало проведение исследования стабильных изотопов, показавшие также аномально тяжелый изотопный состав повторно-жильных льдов.
Методика исследований
Основным методом исследований является определение изотопного состава атмосферных осадков, поверхностных вод и подземных льдов. Анализ данных изотопного состава в сочетании с данными химического состава отложений, поверхностных и грунтовых вод, подземных льдов позволяет выявить влияние испарения на изотопный состав поверхностных вод и подземных льдов и выявить ареалы континентального засоления в Центральной Якутии. В графическом выражении одним из наиболее важных индикаторов испарения является линия испарения на графике соотношения д18О - д2Н, наклон которой составляет около 5.
В условиях равновесия различие концентраций в воде и водяном паре в 8 раз больше для 2Н, чем для 18О. Поэтому линия метеорных вод имеет вид д2Н = 8д18О + 10‰. Испарение с поверхности водных объектов происходит, как правило, в неравновесных условиях, т.е. при относительной влажности значительно меньшей 100%, и помимо равновесного фракционирования имеется диффузионное (или кинетическое) изотопное фракционирование, большее для 18О/16О, чем для 2Н/1Н. Это объясняет, почему на диаграмме д2Н - д18О концентрации изотопов в испаряющейся воде изменяются в соответствии с линией, наклон которой <8. Эффект от кинетического фракционирования тем больше, чем ниже относительная влажность воздуха [12].
Испарение с поверхности озер и других водоемов
Сравнение изотопных характеристик двух крупнейших озер Байкальской рифтовой зоны - Байкала и расположенное на территории Монголии в 250 км к юго-западу от Байкала оз. Хубсугула, часто называемых братьями-близнецами (имея в виду сходное тектоническое происхождение), показало их выраженное различие [8]. Изотопный состав водорода и кислорода в центральных частях оз.Байкал весьма однороден - значение д2Н = -125‰, величина д18Осред = -16,2‰. Влияние р.Верхняя Ангара прослеживается на расстоянии 30 км - до Северо-Байкальска, где зарегистрированы величина д2Н = -164‰ и значения д18О = -21,5‰. Влияние испарения на изотопный состав воды оз.Байкал незначительно, что проявляется в небольшом смещении байкальской воды относительно линии атмосферных вод (рис. 3). В изотопном составе воды оз. Хубсугул (величины д2Нсред = -76‰ и д18Осред = -8,7‰) испарение сказывается значительно сильнее. На диаграмме д2Н - д18О вода оз. Хубсугул располагается значительно правее линии метеорных вод. Изотопные значения воды озера расположены на линии испарения, для которой получено уравнение д2Н ? 5д18О, типичное для озер засушливых районов.