Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 492, № 1, стр. 43-47

Уран является не только радиоактивным, но и токсичным элементом. Повышенные концентрации U в озерах связаны как с техногенными, так и с природными процессами [1–5]. Классические представления указывают на важную роль ландшафтного фактора в геохимии U в зоне гипергенеза [6], однако, из-за нивелирующего влияния других факторов ее не всегда удается оценить. Эта проблема решается изучением аккумуляции U в одном озере в течение длительного времени путем реконструкции условий обстановок осадконакопления палеолимнологическими методами. На основе изучения колонки донных отложений оз. Байкал, накопленных за 140 тыс. лет, установлена связь колебаний содержаний аутигенного урана с циклами аридизации–гумидизации климата [7]. Возраст озер Южного Урала, как правило, не превышает 12–13 тыс. к.л.н. (календарных лет назад) [8]. Тем не менее для некоторых озер отмечаются не меньшие вариации в вертикальном распределении урана. Целью нашей работы является определение влияния различных обстановок осадконакопления голоцена на особенности миграции и аккумуляции U в донных отложениях на примере оз. Сырыткуль. Изменения растительности и палеоклимата в течение 12 тыс. к.л.н. оценены с помощью спорово-пыльцевого анализа [8]. Трансферная функция, полученная на основе анализа диатомовых комплексов 71 озера Урала, использована для количественных реконструкций электропроводности (ЕС) как показателя солености вод озера [9]. Определение содержания U и других микроэлементов в донных отложениях и воде выполнено с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе Agilent 7700x [8].

Оз. Сырыткуль расположено на восточных предгорьях Южного Урала в окружении березово-соснового леса. Вода озера ультрапресная с минерализацией 0.16 г/л и содержанием U 0.21 мкг/л. Площадь зеркала озера составляет 0.6 км² при максимальной глубине в 6.5 м. Водосбор озера сложен щелочными сиенитами, миаскитами, мигматитами и карбонатитами, плагиогнейсами и амфиболитами Вишневогорско-Ильменогорского комплекса. С породами комплекса связано ураново-редкометальное и молибденовое оруденение [10].

Минимальные концентрации U (3.7 г/т) характерны для озерной глины, накопленной более 11.6 тыс. к.л.н. (рис. 1, табл. 1). Минеральный состав донных отложений представлен в основном аллотигенными минералами. Содержание органического вещества, оцененное на основе прокаливания при 550°С (LOI_550°C), минимальное. Доминирование пыльцы трав в донных отложениях предполагает господство открытых ландшафтов.

Рис. 1.

Диаграмма сопоставления вертикального распределения U с данными комплексного анализа колонки донных отложений оз. Сырыткуль. В диаграмму включены данные спорово-пыльцевого и геохимического анализа донных отложений [8], а также количественная реконструкция электропроводности (ЕС) по данным диатомового анализа [9]: 1 – темно-бурый сапропель; 2 – карбонатный сапропель с торфянистыми прослоями; 3 – темно-серый сапропель с раковинами; 4 – слоистый карбонатный сапропель; 5 – сизая глина; 6 – места отбора проб на радиоуглеродное датирование (табл. 2 в приложении); 7 – места отбора проб на датирование по ²¹⁰Pb [8].

Относительно низкие концентрации U, часто мигрирующего в водных растворах, и высокое содержание Th, преимущественно мигрирующего в терригенных взвесях [2], связаны с преобладанием физического выветривания и со слабой интенсивностью водной миграции в холодных и континентальных условиях позднеледниковья. Максимальные концентрации U (88 г/т) накапливаются в карбонатном сапропеле с торфянистыми прослоями (11.6–10.3 к.л.н.). Распространение березовых лесов указывает на потепление и увлажнение климата. Содержание органического вещества и кальцита в донных отложениях резко повышается, снижается роль аллотигенных минералов. Наряду с аномальными концентрациями U в донных отложениях отмечено высокое содержание Mo, Se и W, для которых также, как и для U(VI), характерно образование крупных комплексных анионов в окислительной обстановке миграции [6].

Изменения климата способствовали активной водной миграции U, предположительно в виде уранил-карбонатных комплексов. Возросла интенсивность выщелачивания горных пород из-за усиления физико-химических и биологических процессов на водосборе. ЕС вод озера понизилась с 1100 мкСм/см до 560 мкСм/см. Фиксация углекислоты водными растениями способствовала смещению карбонатного равновесия с последующим осаждением кальцита. Уран мог осаждаться с кальцитом, в составе терригенных взвесей, а также на различных сорбентах, таких как органические частицы и оксиды-гидроксиды Fe и Mn с последующим образованием собственных минеральных фаз в процессе диагенеза [11, 12].

Изменения растительности, времени накопления слоистого карбонатного сапропеля и серого сапропеля с раковинами (10.3–4.2 тыс. к.л.н.) связаны с возрастанием роли сосны и темнохвойных пород и указывают на дальнейшее увлажнение климата. В гумидных условиях обычно повышается интенсивность миграции U с гуминовыми кислотами, однако его сорбция из растворов увеличивается при значениях рН ниже нейтральных. Улучшению сорбции урана в почвах способствуют также высокое содержание органического вещества, низкая концентрация карбоната кальция и пониженное содержание кислорода [13, 14]. Все эти условия характерны для таежных ландшафтов с большой долей участия хвойных пород, которые характеризуются малой зольностью и низкой скоростью разложения опада. Из-за ограничения миграции в данном типе ландшафта содержания U в донных отложениях уменьшаются более чем в два раза. Небольшие вариации содержания U в этот период также отражают ландшафтно-климатические изменения в течение голоцена. Так, в результате снижения роли хвойных лесов из-за уменьшения коэффициента увлажнения территории в периоды 8.5–8.0 и 6.5–4.2 тыс. к.л.н. (рис. 1) произошло возрастание EC вод озера и содержания в нем U. Кроме испарительной концентрации, вероятным механизмом этих изменений могло быть повышение доли участия лиственных пород в составе лесов. Опад березы, распространившейся в оба периода, и широколиственных пород, максимальное участие которых отмечено 6.5–4.2 тыс. к.л.н., характеризуется большей зольностью и повышенным содержанием кальция, в сравнении с опадом ели и сосны [15]. Небольшое возрастание рН способствует увеличению интенсивности миграции U с гуминовыми кислотами. Повышение содержания Са и растворенной углекислоты в условиях уменьшения кислотности почв, улучшения аэрации и степени разложения опада способствует снижению адсорбции U и формированию подвижных U(VI)-карбонатных комплексов [13]. Корреляция ЕС и концентрации U связана с одинаковым прямым и непрямым (через водосбор) воздействием климата на эти параметры.

Снижение содержаний U (5–8 г/т) отмечено для темно-бурого сапропеля, который начал накапливаться около 4.2 тыс. к.л.н. (рис. 1). Возрастание роли темнохвойных лесов и резкое уменьшение участия широколиственных пород указывают на похолодание и увлажнение климата. В этих условиях интенсивность миграции U уменьшается, а ЕС вод снижается. Понижение концентраций U в донных отложениях может быть связано и со снижением его первичного содержания в почвах и коре выветривания из-за активной миграции с карбонатными комплексами и гуминовыми кислотами с последующей аккумуляцией в донных отложениях в течение голоцена. Концентрация элементов-примесей в верхней части колонки, накопленной за последние 100–120 лет, контролируется антропогенным фактором. Резкое повышение содержания Se и W в противовес снижению концентрации U в это время объясняется воздействием аэротехногенных выбросов Карабашского медеплавильного комбината. Возрастание содержания аллотигенных минералов и Th связано со строительством в начале ХХ века гидротехнического сооружения, ограничившего сток озера, что привело к возрастанию уровня озера на 3 м и существенному изменению его водного режима.