Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 1, стр. 22-29

Значительно возросшие в последние годы частота и интенсивность экстремальных климатических событий вызвали в научном сообществе активную дискуссию относительно возможных сценариев эволюции природной среды и климата планеты. Доступные исторические данные о климате даже недавнего прошлого весьма ограничены, еще меньший период охватывают инструментальные наблюдения. Однако в рамках господствующих представлений о циклическом характере глобальных климатических изменений можно с уверенностью утверждать, что современный интергляциал не является чем-то уникальным и что его более или менее близкие аналоги уже имели место в прошлом, в том числе, в голоцене. Именно последние 11.7 тыс. лет характеризуются быстрыми и интенсивными климатическими флуктуациями. Одними из важнейших источников информации об изменении климата внутриконтинентальных областей являются разрезы донных отложений озер различной минерализации и трофности [1]. В этой связи перед исследователями стоит задача выявления в озерных осадках индикаторов природных обстановок, в числе которых температура, степень иссушения/увлажнения окружающей среды, для построения региональных палеоклиматических летописей.

На территории обширного Сибирского региона озерные бассейны встречаются повсеместно и в большом количестве, их размеры, соленость и преобладающие типы седиментации варьируют чрезвычайно широко. Вместе с тем нельзя не отметить, что разные районы Сибири отличаются по степени изученности как отдельных озер, так и их систем. В Байкальском регионе интенсивные исследования озерных осадков начались в 90-х годах в связи с выполнением международной программы “Байкал-бурение”, что послужило началом изучения палеоклимата Восточной Сибири [2]. На территории Западной Сибири подобные исследования начались несколько позже, и их результаты представлены в довольно ограниченном числе научных публикаций.

Целью настоящей работы является получение климатической записи голоцена на основании детальных минералого-кристаллохимических исследований донных осадков озера Большие Тороки – одного из малых озер юга Западно-Сибирской равнины.

Озеро Большие Тороки находится на территории Восточно-Барабинской низменности, представляющей собой аллювиально-озерную равнину в лесостепной ландшафтной зоне Новосибирской области. Отложения четвертичной системы сложены речными, озерными и субаэральными осадками, варьирующими от пелитовых до песчаных разновидностей. Среди верхних горизонтов четвертичного разреза значительную роль играют почвенно-лессовые последовательности [3], где лессы отвечают этапам оледенений, а почвы – межледниковьям. Грунтовые воды здесь залегают достаточно близко к поверхности, что нередко вызывает заболачивание низин. Климат региона континентальный, среднее количество осадков составляет 390–400 мм/год, средние температуры января: –19.8°С, июля: +18.4°С.

Озеро солоноватоводное с общей минерализацией 1081 мг/л. Расположено оно в пологой котловине, длина водоема составляет 4.2 км, ширина – 2.9 км, глубина от 0.5 до 1.5 м, площадь водного зеркала – 9.5 км², площадь водосбора – 49.2 км². Воды озера относятся к гидрокарбонатным магниево-натриевым и имеют следующий ионный состав (мг/л): НСО$_{3}^{ - }$ (646.6), Cl^– (164.6), SO$_{4}^{{2 - }}$ (26.8), Na⁺ (147.4), Mg²⁺ (65.6), Са²⁺ (15.2), K⁺ (13.3); рН = 9.5 [4]. Сам озерный бассейн является бессточным, водное питание осуществляется за счет атмосферных осадков, подземных и паводковых вод.

В центральной части озера, в точке с координатами 55°39′35″ с.ш., 80°61′86″ в.д. был поднят керн длиной 180 см, из которых озерные осадки составили 160 см, а нижние 20 см отнесены к подстилающим лессовидным отложениям [5]. Интервал 160–180 см сложен голубовато-серыми опесчаненными глинами, представляющими собой так называемую “гривную толщу”, повсеместно развитую на территории Барабинской низменности (рис. 1). Озерные отложения представляют собой органоминеральные илы, в которых содержание минеральной составляющей может достигать ~65%.

Рис. 1.

Литологическая колонка голоценового разреза осадков оз. Большие Тороки, возрастная модель, распределение карбонатных минералов, зольности, геохимических индикаторов палеоклиматических изменений (Ca, Mg) и выделенные стадии эволюции озера. 1 – органоминеральные илы с преимущественно макрофитогенным ОВ, 2 – органоминеральные илы с преимущественно торфянистым ОВ, 3 – глины гривной толщи, 4 – раковины моллюсков, 5 – остракоды, 6 – растительный детрит. Стадия I – образование водоема; стадия II – сухой и теплый климат (включая событие Бонда 4); стадия III – сухой и прохладный климат; стадия IV – гумидизация климата.

В интервале 120–160 см залегают темно-серые до черных, массивные илы, в которых присутствуют раковины гастропод; содержание Сорг. составляет 15–16%, уменьшаясь до 6% к подошве разреза. В интервале 0–120 см осадки зеленовато-серые, массивные и горизонтально-слоистые с редкими раковинами двустворчатых моллюсков, остракод и растительными остатками, количество которых повышено на уровне 60–72 см (рис. 1). Содержание Сорг. в этой толще колеблется в пределах 10–15%. По данным радиоуглеродного датирования (получены 4 даты) возраст осадков на глубине 140–142 см составляет 5740 ± 95 лет ¹⁴С (около 6500–6600 кал. лет), т.е. озерная седиментация в бассейне началась в среднем голоцене [6], в середине атлантической климатической фазы по шкале Блитта–Сернандера.

Литологическое и минералого-кристаллохимическое изучение образцов выполнено в “ЦКП Многоэлементных и изотопных исследований” Института геологии и минералогии СО РАН комплексом методов, включающим рентгеновскую дифрактометрию (XRD), ИК-спектроскопию, лазерную гранулометрию, рентгенофлуоресцентный анализ и др. Гранулометрический анализ терригенного компонента осадков проводился на лазерном микроанализаторе частиц ANALYSETTE 22 MicroTec с предварительным удалением карбонатов и органики. Рентгеновские исследования проведены на дифрактометре ARL X’TRA (излучение CuK_α). Для фазового анализа отложений образцы были отсканированы в интервале от 2° до 65° (2Θ) с шагом 0.05°, время сканирования в точке 3 сек, для моделирования XRD-профилей карбонатной составляющей осадка – в интервале от 25° до 32° (2Θ) с тем же шагом, но увеличенным временем сканирования в точке (15 сек). ИК-спектры были записаны на спектрометре VERTEX 70 FT I. Образцы готовились методом прессования таблеток с KBr. Химический состав образцов определялся на рентгенофлуоресцентном спектрометре ARL-9900-XP. Изучение микроморфологии и вещественного состава образцов проводилось в сканирующем электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU. Датирование керна выполнено в радиоуглеродной лаборатории ЦКП “Геохронология кайнозоя” СО РАН с использованием прибора QUANTULUS-1220 (Liquid Scintillation Counters).

По данным XRD-анализа и ИК-спектроскопии минеральная часть отложений сложена преимущественно кальцитами разной степени магнезиальности, а также кварцем, плагиоклазом, калиевым полевым шпатом, слоистыми силикатами (слюдой и хлоритом), пиритом, родохрозитом MnCO₃ (рис. 2). На уровне 98–100 см выявлено существенное количество арагонита (ромбическая модификация CaCO₃), связанное с появлением в осадках раковин моллюсков. В верхнем интервале (0–75 см) содержание карбонатов составляет 27–30% от вещественного состава органоминерального осадка, а в среднем интервале (80–120 см) оно максимально (до 50%). Здесь же установлены и самые высокие содержания кальция. Интервал 120–160 см характеризуется низким содержанием карбонатов от 0 до 20%.

Рис. 2.

Дифрактограммы образцов донных осадков оз. Большие Тороки из верхней и нижней частей разреза. Обр. 98–100 см содержит значительное количество арагонита.

Магнезиальные кальциты донных осадков оз. Большие Тороки представлены мелкозернистыми агрегатами плохо окристаллизованных частиц низкой структурной упорядоченности и имеют в основной своей массе хемогенное происхождение. Приуроченность озера к лесостепной зоне, его закрытость и минерализация вод способствуют тому, что водоем тяготеет к “семиаридному” или даже “аридному” типу седиментации, благоприятному для хемогенного осаждения карбонатов. В отложениях присутствует также биогенный карбонатный материал. Это остатки кальцифицированных погруженных растений и водорослей, а также раковины моллюсков и остракод. Вклад последних в суммарное содержание карбонатов невелик, за исключением прослоя 98–100 см с повышенным содержанием арагонита (рис. 2). Изучение элементного состава макрофитов и планктона озера показало, что содержание кальция в них незначительно и варьирует в пределах 0.15–2.9%. Роль обломочных карбонатов в данном случае также невелика, поскольку для появления их заметного количества нет объективных предпосылок: водосбор озера невелик, и в нем отсутствуют источники сноса карбонатного материала.

В настоящее время Mg-кальциты рассматриваются как смешанные кристаллы ряда кальцит–доломит без постоянного химического состава [7, 8]. При пониженных содержаниях магния (MgCO₃ < 18 мол. %) они являются истинными твердыми растворами. В остальных случаях это “доменные” кристаллы нанометровой размерности, представляющие собой смешаннослойные образования, состоящие из последовательности кальцитовых и магнезитовых слоев, чередующихся с разной степенью порядка [9, 10]. Диагностика Mg-кальцитов методом XRD-анализа проводилась по наиболее интенсивным у тригональных карбонатов отражениям hkl = 104 в области углов 28.5–30.5° 2Θ CuK_α (рис. 3). По величине d₁₀₄ аутигенные Mg-кальциты, отлагающиеся во внутриконтинентальных водоемах, подразделяются на три группы: низкомагнезиальные кальциты с содержанием MgCO₃ в структуре <4–5 мол. % (3.036 Å > d₁₀₄ > 3.02 Å), промежуточные магнезиальные кальциты с 5–18 мол. % MgCO₃ в структуре (3.02 Å > d₁₀₄ > 2.98 Å) и высокомагнезиальные кальциты с содержанием 18–43 мол. % MgCO₃ (2.98 Å > d₁₀₄ > 2.91 Å). Осаждение тех или иных карбонатных фаз определяется совокупностью целого ряда факторов: Mg/Ca-отношением в воде, ее общей карбонатной щелочностью, соленостью, величиной pH, температурой и органической продуктивностью водоема [11]. Все эти параметры контролируются водным балансом, зависящим, в свою очередь, от климатических условий. В целом сравнительно влажный климат и высокое стояние воды в бассейне ведут к осаждению преимущественно низко-Mg-кальцитов, а его аридизация сопровождается осаждением карбонатных фаз с более высоким содержанием магния.

Рис. 3.

Результаты моделирования экспериментальных XRD-профилей карбонатов осадков оз. Большие Тороки. Очевидно хорошее соответствие суммарных модельных профилей (сплошная линия) с экспериментальными (точки). Дифракционные пики индивидуальных фаз описаны функцией Пирсона VII. Общее содержание карбонатов в образце принимается за 100%.

Дифференциальная диагностика карбонатных минералов в осадках озера выполнена с помощью математического моделирования XRD-профилей, записанных с высоким разрешением (рис. 3). Разложением дифракционных максимумов в интервале углов 2Θ° на индивидуальные пики с помощью функции Пирсона VII установлены положение, интегральная интенсивность и количественные соотношения карбонатов (табл. 1). Определение содержания MgCO₃ проводилось по калибровочным графикам зависимости величины d₁₀₄ от содержания мол. % MgCO₃ [8, 12]. В осадках оз. Большие Тороки среди аутигенных карбонатов преобладают промежуточные и низкомагнезиальные кальциты (табл. 1, рис. 3). В небольшом количестве эпизодически встречаются высоко-Mg-кальциты. Кроме Mg-кальцитов в ряде образцов установлен арагонит, содержание которого может достигать 26% от карбонатной составляющей осадка, а также иногда присутствует малая примесь родохрозита до 2%.

На основе минералого-кристаллохимического изучения карбонатов донных осадков озера выделено 4 стадии его эволюции (рис. 1). Стадия I (145–160 см) отвечает начальному этапу образования водоема, осадки которого залегают на гривной толще. Судя по имеющейся дате 5740 ± ± 95 л. н. (¹⁴С) на уровне 140–142 см, озерная котловина начала наполняться водой в середине атлантической фазы. Проведенные нами ранее исследования донных осадков оз. Иткуль [13], расположенного в том же районе Восточно-Барабинской низменности, показали, что региональный климат в описываемый период был засушливым. Это позволяет предполагать существование интенсивного притока подземных вод в котловину оз. Большие Тороки, тогда как атмосферное поступление играло второстепенную роль. Стадия I характеризуется высокой (90–95%) зольностью осадков, указывающей на слабую органическую продуктивность бассейна. Воды озера, скорее всего, были пресными, поскольку содержание карбонатов очень невелико – до 5–6%.

Стадия II соответствует интервалу 120–145 см. Возраст осадков на уровне 122–125 см составляет 5330 ± 80 лет (¹⁴С), что указывает на совпадение верхней границы стадии с переходом от атлантика к суббореалу. На протяжении стадии II происходит резкое падение зольности отложений до 40% от вещественной части осадка, что свидетельствует о значительном росте органической продуктивности в мелководном хорошо прогреваемом солнцем бассейне. Приток пресных вод сокращается, увеличивается минерализация озера. Содержание Са возрастает вверх по разрезу, в то время как содержание Mg понижается (рис. 1). На протяжении всей стадии наблюдаются вариации в количестве карбонатов, что указывает на колебания уровня озера; вероятно, в конце атлантика оно имело плайевый характер вплоть до полного осушения котловины. Среди карбонатов доминируют промежуточные Mg-кальциты, отмечается также присутствие высоко-Mg-кальцита (табл. 1, рис. 3, гл. 134–136 см). Можно полагать, что данный период господства сухого и теплого климата на территории Восточно-Барабинской низменности являлся проявлением (с определенным временным лагом) глобального климатического события, известного как событие Бонда 4 [14]. Эта климатическая флуктуация сопровождалась установлением засушливых обстановок в различных частях земного шара.

Стадия III охватывает большую часть суббореала и соответствует интервалу 80–120 см. Эта стадия характеризуется высоким содержанием карбонатов в разрезе (до 50% от минеральной части осадка), и лишь в верхней части интервала наблюдается его плавное снижение (рис. 1). Судя по увеличению зольности отложений, климат стал более прохладным, однако влажность его не увеличилась, о чем свидетельствует достаточно интенсивное осаждение хемогенных карбонатов. Помимо Mg-кальцитов в осадках (гл. 98–100 см) обнаружено значительное количество фрагментов раковин остракод, сложенных арагонитом с примесью стронция в структуре (табл. 1, рис. 3).

Стадия IV является наиболее продолжительной и в соответствии с имеющейся датой 3080 ± ± 45 лет (¹⁴С) на уровне 70–72 см охватывает временной интервал от конца суббореальной климатической фазы до настоящего времени. Содержание карбонатов колеблется в районе 25–30% от минерального состава. Зольность осадков, в начале стадии составлявшая ~70%, снижается и держится на одном уровне. В нижней части стадии по данным XRD-моделирования возрастает количество низко-Mg-кальцита (табл. 1, рис. 3, гл. 72–74 см), что соответствует росту содержания Са и синхронному падению Mg в осадке (рис. 1). Выше по разрезу соотношение низко-Mg- и промежуточного кальцитов меняется на обратное, обнаруживаются следы высоко-Mg-кальцита (табл. 1, рис. 3, гл. 22–24 см). В целом падение содержания карбонатной составляющей в осадке по сравнению с предыдущей стадией указывает на повышение уровня воды в озере и некоторое уменьшение ее минерализации, а снижение зольности – на увеличение биопродуктивности бассейна. Все это позволяет утверждать, что стадия IV характеризуется большей гумидностью регионального климата, нежели стадии II и III. Однако некоторый рост содержаний Са и карбонатов в последних сантиметрах осадка может свидетельствовать об увеличении аридности на современном этапе.

Таким образом, комплексные исследования карбонатсодержащих отложений оз. Большие Тороки показали, что во второй половине голоцена на территории Восточно-Барабинской низменности имели место значительные изменения природно-климатических обстановок. Они нашли свое отражение в литолого-минералогических и геохимических особенностях донных осадков озера, изучение которых позволило выделить 4 стадии его эволюции за последние примерно 7000 кал. лет, определяемые циклами аридизации/гумидизации регионального климата. Полученная в ходе исследований палеоклиматическая информация способствует более глубокому пониманию современных процессов изменения климата на территории Сибирского региона.