Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 1, стр. 30-35

ВВЕДЕНИЕ

Байкальская рифтовая зона (далее БРЗ) – внутриконтинентальная тектоническая структура глубинного заложения, которую трассирует система рифтовых впадин: Тункинская, Баргузинская, Байкальская, Чарская и др. [1], выполненных мезозойско-кайнозойскими отложениями.

В пределах Тункинской структуры выделяются локальные впадины – Быстринская, Торская, Тункинская, Хойтогольская, Мондинская, разделенные внутривпадинными поднятиями, которые ограничены разрывными нарушениями различной ориентировки [1].

Образование БРЗ обусловлено существованием мантийных плюмов [2], а также положением древних структурных неоднородностей литосферы, согласно ориентированным по отношению к сжатию литосферы в результате коллизии Евразии и Индостана [3].

Эмиссии Hg в поровом воздухе в разломных зонах БРЗ повышены [6], вследствие чего концентрации Hg, а также Rn и Tn в почвах также выше вне зависимости от типа и генезиса по сравнению с почвами за пределами тектонически активных зон. Исследованиями [4, 5] в БРЗ также установлены тепловые и геохимические потоки As, Tl, Ge, Mo, Ag, Hg и Rn.

На исследованной территории фиксируется гидротермальная деятельность в виде источников различного состава: метановых, углекислых и др. с температурой на выходе от 30 до 74°С, сопровождающаяся образованием травертинов, с которыми связано формирование Au–Ag-, Se–Mo–U-минерализации [7].

Современная внутриконтинентальная рудообразующая система БРЗ – практически аналог рудообразующих систем дна Мирового океана. [8].

Сейсмичность Тункинской впадины связана с активностью Тункинского разлома (рис. 1). С середины ХХ века зарегистрировано 23 землетрясения с магнитудой более 4, в том числе в 1950 г. (M_LH = 7.0), 1958 г. (Мs = 5), 1973 г. (Ms = 4.5), 1981 г. (Мs = 5), 1995 г. (Мs = 5.9), 2008 г. (Мs = 6.3), а событий с меньшими энергиями насчитывается около 3000 в год [9].

Рис. 1.

Тункинская рифтовая впадина и ее горное обрамление на трехмерной модели рельефа (А) с разломно-блоковым строением земной коры [2] (Б): 1 – разрывные нарушения; 2 – главные разломы: I – Тункинский, II – Южно-Тункинский, III – Главный Саянский; 3 – точки отбора проб (а) – тополя, (б) – сосны; № проб: 1 – Шимки, 2 – Кырен, 3 – Жемчуг, 4 – Зактуй, 5 – Зун-Мурино, 6 – Торы, 7 – Быстрая, 8 – Тунка, 9 – Галбай, 10 – Аршан, 11 – Дацан, 12 – Хурай-Хобок, 13 – Еловка.

Каждая “горячая” флюидогенная система сопровождается ореолом Hg [10], которая накапливается растительностью, в том числе в годовых кольцах деревьев. Метод дендрогеохимии, широко используемый в решении практических задач геохимии, радиоэкологии, экологии и др., позволяет оценивать изменение геохимической обстановки по годовым кольцам деревьев за время их существования [11]. Несмотря на методические трудности, связанные с пониманием механизма поступления химических элементов в древесину, этот способ исследования все чаще реализуется. В настоящей статье предпринята попытка увязать уровни накопления Hg в годовых кольцах деревьев с проявлением землетрясений и крупными разрывными нарушениями.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Отбор проб керна деревьев проводился в июле 2018 г. вблизи населенных пунктов, расположенных вдоль и вкрест простирания Тункинской впадины (рис. 1).

Древесный керн извлекали приростным буравом с 3 рядом стоящих деревьев примерно одного возраста, высоты и диаметра ствола. С каждого дерева отбиралось 2 керна с восточной и западной стороны (36 кернов сосны и 54 керна тополя). Концентрацию Hg определяли в каждом годовом кольце на ртутном анализаторе “РА-915М” методом атомной абсорбции в лаборатории микроэлементного анализа ТПУ (г. Томск). Градуировку выполняли по стандартному образцу “лист березы”. Предел обнаружения Hg – 1 нг/г, относительная погрешность 10–15%. Концентрации рассчитаны на 1 г сухого вещества.

При интерпретации полученных данных следует учитывать короткий временной интервал наблюдений (не более 70 лет) и 2 вида деревьев, отличающихся своей биологией произрастания: тополь душистый (Populus suaveolens Fisch.) (далее тополь) и сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) (далее сосна).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По данным измерений наибольший разброс содержаний Hg зафиксирован в кольцах тополя вблизи поселков Кырен, Галбай и Зун-Мурино (рис. 2, линия 2), также характеризующихся наибольшими средними содержаниями по сравнению с остальными точками отбора кернов. Cреднее содержание Hg в кернах тополя в общей выборке 7 нг/г, при максимальном – 35 нг/г (рис. 3а).

Рис. 2.

Динамика содержания Hg в древесных кернах на территории Тункинской впадины: 1 – сосна; 2 – тополь; 3 – среднее содержание Hg в годовых кольцах с одним стандартным отклонением; 4 – среднее содержание Hg в общей выборке проб; 5 – землетрясения в районе Тункинской впадины с магнитудой Ms > 4.0.

Рис. 3.

Распределение содержания Hg (медиана, минимум-максимум, 25–75% квартили) в древесных кернах на территории Тункинской впадины: а – тополь (порядка 450 анализов); б – сосна (порядка 300 анализов). Пунктирная линия – локальный фон Hg.

Распределение содержания Hg в кернах тополя характеризуется периодами длительностью от 13 до 44 лет и кратностью от 2.6 до 7 раз. Вблизи пос. Кырен выделяются “отрезки” в кернах тополя со средним содержанием Hg 22 нг/г в период с 1957 по 1973 г. и 5 нг/г – с 1974 по 2018 г.

Похожий характер распределения содержания Hg в кернах отмечается и в керне тополя вблизи пос. Галбай: повышенное, по сравнению со средним для данной точки, содержание Hg в период с 1959 по 1981 г. (16 нг/г), затем с 1982 по 2006 г. снижение до 5 нг/г, а после 2007 г. увеличение до 13 нг/г.

Содержание Hg в керне тополя вблизи пос. Зун-Мурино отмечается пиком повышенного содержания Hg – 14 нг/г в период с 1978 по 2001 г., до 1977 и после 2001 г. среднее содержание 2–4 нг/г.

В исследованных кернах тополя в некоторых случаях максимальная концентрация Hg наблюдается непосредственно в год землетрясения (Галбай, 1989, 2016; Зун-Мурино, 1975), но чаще – до и/или после землетрясения (Зун-Мурино, 1957, 2016). Подобное несовпадение максимумов содержания Hg и дат землетрясений объясняется неодинаковым характером развития сейсмического процесса в разных случаях, а также различным количеством афтершоков, которые часто сопровождают не только относительно слабые, но и сильные землетрясения в районе исследований [9].

Следует отметить, что поступление Hg в древесину сосны более контрастно по сравнению с древесиной тополя (рис. 2, линия 1) и, по-видимому, отражает особенности ее накопления [12] (рис. 3б).

Среднее содержание Hg в кернах сосны в выборке составило 12.8 нг/г, максимальное – 1089 нг/г. Наибольший разброс содержаний Hg зафиксирован в годичных кольцах сосны вблизи пос. Тунка (1089 нг/г, 1991 г.). В данной местности фиксируются еще два пика эмиссии Hg (1996 и 1998 г.) и на этот интервал приходится три землетрясения с Мs = 4.

Изменение содержания Hg в керне сосны вблизи пос. Кырен отличается наличием двух значимых пиков с концентрацией Hg 56 и 26 нг/г. Среднее содержание во временном ряду с 1944 по 2018 г. составляет 5 нг/г. Поздний пик предшествует сейсмическому событию в регионе с Мs = 4.5 (1973 г.), а ранний – событию с Мs = 4 (1948 г.). В местности Хурай-Хобок повышение концентраций элемента начинается с 1971 г., достигая максимума в 1984–1987 гг.

Анализируя средние содержания Hg в керне тополя, выявили его увеличение в направлении с запада на восток от Тункинской котловины до Быстринской (от 6 до 9 нг/г). Увеличение содержания Hg в кернах тополя совпадает с направлением полосы, содержащей наибольшее количество эпицентров землетрясений, в том числе и наиболее сильных, а также близостью Главного Саянского разлома [9]. В керне сосны концентрации Hg увеличиваются от периферии к центральной части Тункинской котловины (от 4 до 67 нг/г).

Точки с аномально высокими содержаниями Hg в древесине сосны (до 1089 нг/г) и тополя (до 50 нг/г) тяготеют к крупным разрывным нарушениям как субширотного, так и СЗ-простирания. Максимальные содержания Hg наблюдаются в районе пос. Тунка, расположенного вблизи пересечения разломов (рис. 1б). Это свидетельствует о подновлении указанных разломов в результате землетрясений в современное время и создании вдоль них зон проницаемости для ртутоносных флюидов, так как БРЗ является флюидогенной системой [10].

Взаимосвязь содержания Hg в кернах тополя и сосны отсутствует во всех деревьях как отдельно для кернов только сосны и только тополя, так и в точках их совместного опробования. Однако на отдельных временных отрезках прослеживается связь, которая носит как прямой, так и обратный характер, согласно данным корреляционного анализа.

Полученный материал показывает, что далеко не все землетрясения сопровождаются ртутными аномалиями в древесине тополя и сосны. По-видимому, при движениях блоков земной коры, вызывающих землетрясения, не всегда возникают сквозные структуры, благоприятные для эмиссии Hg и других флюидов в верхние горизонты земной коры. Можно предположить, что они чаще возникают при землетрясениях, эпицентры которых приурочены к крупным разломам и их пересечениям. Не исключена и определенная последовательная этапность продвижения Hg к дневной поверхности. Аномальные содержания Hg в древесине тополя и сосны в период 2008–2018 гг. чаще приурочены к отрезкам разломов СЗ-простирания, а аномалии в древесине тополя в период 1957–1968 гг. – к субширотному разлому на отрезке Зун-Мурино–Зактуй.

ВЫВОДЫ

Анализ динамики изменений содержания Hg за последние 60 лет позволил проследить связь между мелкими и крупными землетрясениями и пиками содержания Hg в годовых кольцах сосны и тополя, соответствующих этому периоду времени. Поступление индикаторного элемента крайне неоднородно и отражает степень проницаемости тектонических структур, которая постоянно изменяется.

Содержания Hg в годовых кольцах деревьев могут выступать как палеоиндикаторы деформаций земной коры, фиксируя как отдельные событийные процессы кратковременного сброса тектонических напряжений во время землетрясений, так и длительные динамические нагрузки на отдельные блоки земной коры.

Повышенные содержания Hg, возникшие при землетрясениях, приурочены к разрывным нарушениям как субширотного, так и северо-западного простирания.