Статья: Утяжеление изотопного состава повторно-жильных льдов Центральной Якутии вследствие активного испарения поверхностных вод

Рис. 3. Соотношение изотопного состава кислорода и водорода в водах озер Байкал, Хубсугул, а также питающих их рек [по 8]: 1 - реки, впадающие в Байкал, 2 - оз. Байкал, 3 - источники, впадающие в Хубсугул, 4 - оз.Хубсугул (зима), 5 - оз.Хубсугул (лето), 6 - реки, впадающие в Хубсугул на восточном берегу, 7 - реки, впадающие в Хубсугул на западном берегу. А - глобальная линия метеорных вод, Б - линия испарения

Исследование условий формирования водного баланса Токтогульского водохранилища в Киргизии - одном из наиболее крупных в Средней Азии, выполненное И.В.Токаревым с соавторами ^[10], основано на изотопно-кислородных и дейтериевых данных воды водохранилища и питающих его вод.

Результаты проведенных исследований показали сильное влияние летнего испарения на изотопный состав атмосферных осадков и поверхностных вод, что отражается во фракционировании изотопного состава (область “испарение” на рис. 4). Уравнение, аппроксимирующее летние пробы, имеет вид: д²Н = 5,7д¹⁸О - 11.

Поскольку речной сток являются основным источником питания водохранилища, средний изотопный состав воды в водохранилище за весь период наблюдений (величины д¹⁸О = -13,0 и д²Н = -94,4 ‰), немного легче относительно среднегодового состава атмосферных осадков -значения - д¹⁸О = -12,3 и д²Н = -91 ‰ за счет полного испарения летних осадков.

Таким образом, наличие линии испарения на диаграмме соотношения д²Н - д¹⁸О для поверхностных вод является индикатором активного испарения и концентрации солей в остаточном водном резервуаре ^[5].

Рис. 4. Сравнение изотопного состава атмосферных осадков, поверхностных и подземных вод: a) данные по р. Нарын и притокам за 2007-2009 гг.; б) данные по атмосферным осадкам, поверхностным и подземным водам Кыргызского хребта (2003-2005 гг); в) - данные по атмосферным осадкам (за исключением летних проб). ГЛМВ - глобальная линия метеорных вод. Из ^[10]

Исследования изотопного состава озер в районе Якутска показали, что озера, питающиеся талыми снеговыми водами, подвергаются активному испарению в течение летних месяцев (с мая по сентябрь), и вариации значений изотопно-кислородного состава в них превышают 10 ‰. Для сравнения, в озерах, находящихся в изотопно-равновесном состоянии, и в реках изотопные вариации за этот период не превышают 5 ‰ ^[15]. Значения д¹⁸О и д²Н в воде испаряющихся озер в графическом выражении расположены вдоль линии испарения, которая описывается уравнением д²Н = 5.6 д¹⁸О - 54.9, в то время как локальная линия для осадков характеризуется соотношением д²Н = 7.3 д¹⁸О - 7.3 (рис. 5, 6).

Похожие результаты были получены Дж.Гибсоном ^[13] для озер в континентальной части субарктической и арктической Канады (400 км вдоль северной границы леса), где среднегодовые температуры воздуха варьируют от -5 до -12^оС, среднегодовое количество осадков составляет 200-300 мм. Соотношение д¹⁸О и д²Н в воде всех исследованных озер расположены вдоль линии испарения с наклоном от 4,8 до 5,4, что отражает существенное испарение (от 10 до 25% от общего расхода воды), несмотря на достаточно короткий период положительных температур ^[13].

Рис. 5. Изменение изотопно-кислородного состава испаряющихся аласных озер в районе г.Якутск с мая по сентябрь. Из ^[15]

Испарение озер часто приводит к повышению минерализации озерной воды. Так, К.Ишиянаги с соавторами ^[15]отмечали, что у некоторых испаряющихся аласных озер с мая по август заметно повышалась электропроводность с 0,8 до 1,8 мС/см, что они объясняли испарительной концентрацией солей.

Рис. 6. Соотношение д¹⁸О - д²Н в воде испаряющихся аласных озер в районе г.Якутск. ЛЛМВ - Локальная Линия Метеорных Вод. ЛИ - линия испарения. Из ^[15]

Для Южной Якутии было показано, что большое по площади, но мелкое озеро закрытого типа (оз. Бания) подвергается существенному испарению в течение лета. Значения дейтериевого эксцесса в воде озера в августе 2003 г. составляли -2, -3‰, что объясняется испарением талой снеговой воды, которая является основным источником питания озера ^[14].

Сигнал испарения и утяжеления изотопного состава воды фиксируется в формирующемся текстурном льду при промерзании отложений. Так, исследование изотопного состава почвенной влаги и подземных льдов в разных типах ландшафтов в районе Чокурдаха (70°37' с.ш., 147°54' в.д.), северо-восток Сибири ^[16] показали, что текстурный лед в торфянистых отложениях вогнутых полигонов, где летом накапливается вода, которая подвергается испарению, характеризуется более высокими значениями изотопного состава - -19‰ по д¹⁸О (для сравнения, в повторно-жильном льду в этом же районе значения д¹⁸О составляют в среднем -28‰). Значения соотношения д¹⁸О - д²Н в таких льдах находятся на линии испарения, имеющей меньший наклон, чем у локальной линии метеорных вод (рис. 7). Значения дейтериевого эксцесса в таких льдах варьируют от 4 до -10 ‰, что также отражает испарение талой снеговой воды в полигональных ваннах.

Рис. 7. Соотношение д¹⁸О - д²Н в текстурном льду в торфянистых отложения полигональной ванны в районе пос. Чокурдах, северо-восток Сибири. Из ^[16].

Результаты исследований и обсуждение

Детальные изотопные данные получены по поверхностным водам и подземным льдам Центральной Якутии, для которой, как было отмечено выше, характерно сильное испарение в течение летних месяцев. Одним из наиболее изученных разрезов Центральной Якутии является Мамонтова Гора, расположенный на высокой террасе р.Алдан в 300 км выше устья в пределах Центрально-Якутской низменности. Рельеф территории осложнен термокарстовыми котловинами - аласами, они имеют массовое распространение и создают особый аласный ландшафт. Аласы - природные ландшафты, образованные в результате вытаивания многолетнемерзлых пород с образованием озер. Засушливый климат способствует интенсивному испарению водной поверхности, что приводит к уменьшению первоначальной площади, занятой озером и, очевидно, к повышению концентрации солей в озерной воде.

Повторно-жильные льды мощностью более 6 м, вскрывающиеся в обнажении Мамонтова Гора на р.Алдан, залегают в озерно-болотных вкладках в толще высоких террас и поймы. Вмещающие льды отложения в изученном разрезе представлены темно-серыми суглинками, перекрытыми 2-метровым слоем палевой супеси, иногда отделенной от суглинка прослоем торфа или сильно гумусированного суглинка с растительными остатками. Головы ледяных жил залегают непосредственно под торфом. Прямое датирование органики из жил методом AMS показало, что возраст жил находится в диапазоне 13-19 тыс. лет назад ^{[7, 19]}. В 2016 г. ледовый комплекс Мамонтовой Горы был повторно исследован М.Чербуниной и Д.Шмелевым: на левом берегу р.Алдан в обнажении 55-метровой террасы в термоцирках были детально опробованы фрагменты четырех позднеплейстоценовых жил. Изотопно-кислородные определения были выполнены авторами как по ледяным жилам, так и по текстурным льдам из вмещающих их пород ^[7]. В повторно-жильных льдах отмечены заметные вариации изотопного состава. Так, нами по одной из жил в интервале глубин 2,6-6,7 м были получены значения д¹⁸О от -25,9 до -29,4‰, а в хвостовой части жилы на глубине 6,9-7,5 м получены значительно более высокие значения д¹⁸О - от -22,7 до -16,5‰. Дополнительным критерием участия в формировании льда жил испаренных поверхностных вод является повышенная минерализация льда и вмещающих отложений. Величина сухого остатка во вмещающих жилу отложениях варьирует от 0,05 до 0,1%, преобладают гидрокарбонаты, минерализация льда повышается сверху-вниз от 80 до 476 мг/л. Химический состав льда в основном гидрокарбонатно-кальциевый, значения рН колеблются в широком диапазоне от 4,4 до 7,6. Почти половина исследованных образцов жильного льда характеризуется значениями соотношения Cl^-/SO₄^2- больше 2, что указывает на высокую степень концентрации солей, значения рН не выше 5. Эти данные, скорее всего, отражают смешение талых снеговых вод и надмерзлотных почвенных растворов. В образцах с наибольшей минерализацией (свыше 300 мг/л) количество органического вещества колеблется от 53 до 102 мг/л, много закисного железа (часто более 40 мг/л). Содержание фтора достигает 17,7 мг/л, хотя обычное содержание его в жильных льдах не более 0,1 мг/л. Всё это указывает на заболоченность полигонального массива и континентального типа засоления и вмещающих пород, и жил в условиях резкоконтинентального климата ^{[2, 6]}.

В 2016 г. по льду двух вскрытых фрагментов позднеплейстоценовых жил получены достаточно неоднородные значения изотопного состава. Значения д¹⁸О в одной из жил (точка 2) изменяются: по горизонтали на глубине 2 м в диапазоне не более 2,0 ‰ - от -29,5 до -30,9 ‰ и на глубине 3 м - от -28,8 до -30,8 ‰. Вариации величин д¹⁸О вдоль вертикального профиля составили 3 ‰: от -27,9 до -30,9 ‰, при этом отмечается тенденция к повышению значений сверху-вниз. Вскрытый фрагмент соседней жилы характеризовался вариациями значений д¹⁸О в диапазоне 5‰ - от -24,7 до -29,6‰ ^[7].

Наклон линии соотношения д¹⁸О и д2Н в образцах льда с более низкими значениями изотопного состава (значения д¹⁸О от -28,7 до -30,9 ‰, величины д²Н от -213 до -231,9 ‰) составил 8,5 и 7,9, при этом линии расположены параллельно ГЛМВ (рис. 8). В образцах льда с более тяжелым изотопным составом (со значениями д¹⁸О от -24,7 до -28,2 ‰ и д²Н - от -192 до -215,3 ‰) наклон линии соотношения д¹⁸О - д²Н составил 4,7, что заметно отклоняется от ГЛМВ (см. рис. 8).

Рис. 8. Соотношение д¹⁸О - д²Н во льду позднеплейстоценовых ПЖЛ разреза Мамонтова Гора (точки 2 и 3). По ^[7]. Отдельно показана линия соотношения д¹⁸О - д²Н в образцах льда с более тяжелым изотопным составом (ПЖЛ_испар.)

Определение изотопного состава зимних и летних осадков в Центральной Якутии, выполненное С.Поппом с соавторами^[17], показало, что зимние осадки в Якутии незначительно изменены процессами кинетического фракционирования, их изотопный состав расположен вблизи ГЛМВ. Летние осадки более подвержены процессам фракционирования, обусловленным воздействием высоких температур воздуха и испарения, поэтому соотношение д¹⁸О - д²Н в них имеет наклон 6,3 (рис. 9).

Рис. 9. Изотопно-кислородный и дейтериевый состав в дождевых водах (1) и снеге (2) и их положение относительно Глобальной Линии Метеорных Вод (ГЛМВ, 3) в долине р.Алдан. Из ^[17]

Наклон линии д¹⁸О - д²Н во льду позднеплейстоценовых ледяных жил, равный 4,7, может служить надежным критерием участия в формировании льда жил испарившихся озерно-болотных (аласных) вод. При этом можно отметить, что С.Попп с соавторами ^[17], исследовавшие позднеплейстоценовые ледяные жилы разреза Мамонтова Гора, получили значения д¹⁸О в них в диапазоне от -28,5 до -31,5‰. По данным этих авторов, позднеплейстоценовые жилы в других районах Центральной Якутии могут содержать фрагменты изотопно-обогащенного льда. Так, ледяные жилы в отложениях террасы р.Дянушка, датированные около 14 тыс. лет, характеризуются средними значениями д¹⁸О = -22,4 ‰ и д²Н = -172 ‰ (рис. 10). Такой изотопный состав не может быть обусловлен более теплыми зимними условиями периода формирования жил, т.к. это предположение не подтверждается многими другими изотопными диаграммами по жилам этого возраста в Сибири, а также палинологическими и микрофаунистическими данными, свидетельствующими о существовании резко континентального засушливого климата с холодными зимами и более теплыми по сравнению с современными летними сезонами. Скорее всего, в питании этих ледяных жил принимали участие паводковые воды, учитывая то, что жилы залегают в отложениях террасы. Современные речные воды имеют значения д¹⁸О (-20,8 ‰) и д²Н (-158 ‰), близкие к значениям во льду жил ^{[17, 18]}.

На другом участке на горной реке р.Дянушка (или Дянышка, Центральная Якутия) были исследованы голоценовые жилы, изотопный состав которых предполагает, согласно выводу Ю.К.Васильчука ^[4] участие вод, подвергшихся испарению. Значения д¹⁸О варьируют от -19 до -21‰, значения д²Н - от -155 до -163‰ (см. рис. 10). В графическом выражении данные изотопного состава этих жил расположены ниже ГЛМВ, что, по мнению С.Поппа с соавторами ^{[17, 18]} является результатом участия в строении жил озерной воды, подвергшейся интенсивному испарению в течение летнего периода.

Рис. 10. Соотношение д¹⁸О и д²Н в ледяных жилах на р.Дянушка (Дянышка): 1 - позднеплейстоценовые жилы, в строении которых принимали участие речные воды, 2 - голоценовые жилы, в строении которых принимали участие испаренные озерные воды [по данным из 17, 18]

Влияние летнего испарения заметно отражается на изотопном составе современных поверхностных вод и сегрегационных льдов Центральной Якутии. Значения д¹⁸О в воде озер, болот, небольших проток и даже р.Алдан, отобранной с июня по сентябрь, варьируют от -14,3 до -17,8 ‰ (табл. 2). В современных сегрегационных льдах в подошве сезонно-талого слоя на пойме р.Алдан значение д¹⁸О равно -21,4‰ ^[19].

Таблица

Значения д¹⁸О в поверхностных водах в районе Мамонтовой горы и других районах Якутии [из 3]

Таким образом, изотопный состав позднеплейстоценовых повторно-жильных льдов Центральной Якутии показывает, что питание ледяных жил осуществлялось преимущественно за счет талых снеговых вод и отражает изотопный сигнал зимних осадков. Участие в формировании жил поверхностных вод, особенно аласных и болотных вод, подвергшихся испарению в течение летних сезонов, в некоторых случаях оказывают существенное влияние на изотопный состав жил.