Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 501, № 1, стр. 49-56

Долговременные записи изменений природной среды и климата Земли хранятся в океанических осадках, где происходит медленное непрерывное осадконакопление в течение миллионов лет. Тем не менее для проведения детальных реконструкций окружающей среды и палеоклимата отдельных регионов необходимо изучать осадконакопление не только в океанах, но и на континентах. Изучение континентального седиментогенеза, представляющего собой совокупность многофакторных процессов, протекающих в различных природных обстановках, является чрезвычайно развитым направлением в мировой практике. Осадкообразование во внутренних водоемах материков обладает рядом характерных черт, в частности, богатством новообразованных минеральных фаз, формирующихся за короткое время в небольшом по площади и глубине бассейне. Несмотря на возросшее число публикаций, так или иначе затрагивающих вопросы озерной седиментации, минералогический аспект традиционно остается “слабым местом” этих работ, в которых в основном рассматриваются геохимические особенности осадков, биостратиграфия, экологическое состояние бассейнов. Между тем ассоциации, состав, структура, типоморфные особенности отложившихся минералов позволяют восстанавливать ландшафтно-климатические и тектонические условия, при которых осуществлялись процессы седиментации в водоемах стока. Перспективными объектами для изучения озерного аутигенеза и его связи с природно-климатическими обстановками являются голоцен-плейстоценовые отложения современных малых озер. Во-первых, малые озера менее инертны в сравнении с крупными водоемами и отчетливо реагируют на короткопериодические флуктуации окружающей среды, во-вторых, эти отложения слабо затронуты постседиментационными изменениями и относительно доступны для непосредственного изучения. На территории обширного Сибирского региона озера встречаются повсеместно и в большом количестве, вместе с тем, разные районы Сибири отличаются по степени изученности осадков, как отдельных озер, так и их систем. Несмотря на трудную доступность горного массива Восточного Саяна, в последние годы удалось получить литологические, биостратиграфические, геохимические данные из голоцен-позднеплейстоценовых разрезов донных осадков нескольких высокогорных озер Жом-Болокского вулканического района (оз. Хара-Нур, оз. Каскадное-1) и его ближайшего окружения (оз. ESM-1) [1–3]. Вместе с тем в этих работах минералого-кристаллохимические исследования донных отложений отсутствуют.

Позднеплейстоценовое оледенение и последовавшие за ним вулканические события способствовали широкому развитию в Жом-Болокском районе процессов лимнического морфолитогенеза. Извержения сопровождались формированием различных по генезису, глубине и минерализации озер. Днища троговых долин р. Жом-Болок и ее притока р. Хи-Гол заполнены потоками трахибазальтовых лав, а вулканические шлаковые конусы в самых верховьях долины фиксируют эпицентральную область прошлых излияний. К настоящему времени выделяется как минимум 4 этапа активизации вулканизма, самый ранний из которых начался на рубеже плейстоцена и голоцена, а последний завершился около 1000 л.н. [2–6].

Цель настоящей работы – изучение вещественного состава, ассоциаций и кристаллохимических характеристик глинистых минералов донных осадков высокогорного озера Хикушка для реконструкций условий осадконакопления в позднем плейстоцене-голоцене.

Озеро Хикушка (абс. выс. 1956 м) расположено в верховьях пади Хи-Гол (Долина вулканов), являющейся частью Жом-Болокского базальтового лавового поля, и имеет гляциальное происхождение [7]. Котловина озера обрамлена крутыми скалистыми склонами, от пади Хи-Гол ее отделяет узкий ригель, возвышающийся на несколько метров над уровнем воды в озере и над поверхностью лавового потока, фронт которого приблизился почти вплотную (300–400 м) к водоему. Комплекс пород горного обрамления озера относится к пестрой по составу окинской серии [8], которую слагают терригенные (от алевролитов до конгломератов), глаукофан-зеленосланцевые метаморфические и магматические (гранитоиды, габброиды и др.) образования. Озеро каровое, пресноводное, площадь водной поверхности составляет 0.3 км², глубина более 40 м, с октября по июнь оно покрыто льдом. Бурение проведено в летнее время керноотборным устройством ударно-канатного типа UWITEC (Австрия), диаметр ПВХ лайнеров составляет 67 мм. Было отобрано 3 керна озерных осадков на небольшом расстоянии друг от друга для различных видов анализа. Керн донных отложений длиной 124 см отобран с глубины 32 м в центре озера (52°41′39.0″ с.ш.; 98°58′03.8″ в.д.). Литолого-минералогические исследования донных отложений оз. Хикушка проводились комплексом методов, включающим рентгеновскую дифрактометрию (ХRD), ИК-спектроскопию, лазерную гранулометрию, рентгенофлуоресцентный анализ, сканирующую электронную микроскопию (СЭМ), выполненных в “ЦКП многоэлементных и изотопных исследований СО РАН” Института геологии и минералогии СО РАН, г. Новосибирск. Интервал опробования составил 3 см. Рентгеновские исследования (XRD-анализ) проводились на дифрактометре ARL X’TRA (излучение CuK_α). Для фазового анализа образцы были отсканированы в интервале от 2° до 65° (2Θ) с шагом 0.05°, время сканирования в точке 3 с. Качественно новый уровень исследований присутствующих в многокомпонентных системах слоистых силикатов обеспечен применением эффективного метода математического моделирования сложных рентгеновских дифракционных профилей [9, 10]. Анализировались исходные нефракционные пробы. Съемка насыщенных этиленгликолем образцов проводилась в интервале от 2° до 35°, с тем же шагом 0.05°, но временем сканирования в точке 15 с. Линии присутствующих в образце неслоистых минералов описывались функцией Пирсона VII. ИК-спектры были записаны на спектрометре VERTEX 70 FT I. Образцы готовились методом прессования таблеток с KBr. Гранулометрический анализ проводился на лазерном гранулометре ANALYSETTE 22. Химический состав образцов определялся на рентгенофлуоресцентном спектрометре ARL-9900-XP. Изучение микроморфологии и состава минералов проводилось в сканирующем электронном микроскопе “TESCAN” MIRA 3 LMU. Датирование осадков выполнено методом AMS¹⁴C по общему органическому веществу в лаборатории радиоуглеродного анализа в г. Познань (Польша). Измеренные значения приведены в соответствие с калиброванным возрастом с использованием калибровочной кривой INTCAL 13 [11]. Возрастная модель базируется на линейной интерполяции между соседними датами.

Разрез донных отложений оз. Хикушка имеет двучленное строение (рис. 1). В интервале 88–124 см залегают однородные светло-оливкового цвета алеврито-глинистые осадки с соотношением фракций: мелкий алеврит – 45–50% и пелит – 50–55%. Выше по разрезу (0–88 см) залегает толща глинистых алевритов, насыщенных диатомеями (биогенно-терригенные илы), цвет осадков – от светло-серого до серого, текстура массивная. Содержание пелитового материала составляет 30–40%, алевритовой фракции – 60–70%, причем количество грубого алеврита (фр. 0.05–0.1 мм) может достигать 30%, отмечается примесь (1–2%) мелкозернистого песка. Возраст изученных отложений лежит в диапазоне от ~13 800 л.н. до современности (рис. 1). Всего было получено 4 даты на следующих глубинах: 114 см – 13 380 ± 60 кал. лет; 99 см – 12 600 ± 60 кал. лет; 45 см – 8265 ± 50 кал. лет; 15 см – 2671 ± 80 кал. лет. Исходя из возрастной модели, граница между алевритистыми глинами и биогенно-терригенными илами на уровне 88 см соответствует переходу от плейстоцена к голоцену. Рассчитанные скорости осадконакопления за время существования озера указывают на снижение темпов седиментации от подошвы к кровле разреза (рис. 1).

Рис. 1.

Литологическая колонка донных отложений озера, возрастная модель, средние скорости осадконакопления на отдельных интервалах, распределения ряда элементов (SiO₂bio, Fe₂O₃, TiO₂, P₂O₅), климатические стадии. 1 – биогенно-терригенный ил; 2 – однородные алеврито-глинистые осадки.

На начальном этапе образования озера (поздний плейстоцен) скорости седиментации были достаточно высоки (в среднем 19–20 см/тыс. лет), поскольку источниками вещества служили не только склоны озерной котловины, но и тающий ледник. В голоцене, в связи с исчезновением ледника и отсутствием постоянного притока в виде рек и ручьев, скорость осадконакопления в озере падает (в интервале глубин 100–45 см средняя скорость седиментации составляет около 12.6 см/тыс. лет, в интервале 45–15 см – 5.3 см/тыс. лет, в интервале 15–0 см – 5.6 см/тыс. лет). Основными источниками поступления осадочного материала в бассейн являются временные потоки и гравитационное перемещение продуктов разрушения коренных пород. Преобладающим типом водного питания озера становится атмосферное. Водоем уменьшился, крупность осадков в точке бурения возросла, вероятно, из-за приближения к ней береговой линии.

По результатам XRD-анализа на протяжении всего разреза в осадках оз. Хикушка присутствуют полевые шпаты, кварц, слоистые силикаты и амфибол (рис. 2а). Состав пород базальтов Жом-Болокского вулканического поля и близкорасположенных конусов вулканов Кропоткина и Перетолчина идентичен: в них присутствуют плагиоклаз, клинопироксен (авгит), оливин, отмечаются следы слюды и гематита (рис. 2б). Результаты XRD-анализа полностью подтверждаются данными ИК-спектроскопии. Одними из основных компонентов осадков оз. Хикушка являются слоистые силикаты (рис. 2а), представленные преимущественно глинистыми минералами. Состав и кристаллическая структура этих “минералов-приспособленцев” (по образному выражению А.Г. Коссовской и О.В. Япаскурта) чутко реагируют на малейшие изменения физико-химических параметров среды и поэтому могут служить универсальным источником информации об областях питания, физико-химических обстановках выветривания, переноса вещества, седиментации и различных катастрофических процессах [12–15]. Прецизионный минералого-кристаллохимический анализ слоистых силикатов позволяет восстанавливать и определять ландшафтно-климатические и палеотектонические условия, в которых процессы седиментации осуществлялись. Методом математического моделирования XRD-профилей слоистых силикатов были выявлены их ассоциации, количественные соотношения и структурные характеристики. Установлено, что ассоциация слоистых силикатов в осадках оз. Хикушка неизменна на всем протяжении разреза и представлена хлоритом, иллитом, иллит-смектитом, хлорит-смектитом, мусковитом, вермикулитом и каолинитом, однако соотношения минералов существенно меняются от плейстоцена к голоцену (рис. 3).

Рис. 2.

Дифрактограммы образцов донных отложений оз. Хикушка 39–40 см (а) и базальтов Жом-Болокского вулканического поля (б).

Рис. 3.

Результаты моделирования XRD-профилей слоистых силикатов в образцах оз. Хикушка: голоцен – 7–8 см, верхний плейстоцен – 121–122 см.

В плейстоценовых осадках (обр. 121–122 см) среди слоистых силикатов преобладают иллит и смешанослойный иллит-смектит, на долю которых приходится 47.5% от суммы слоистых силикатов, в подчиненном количестве присутствуют Fe,Mg-хлорит – 19.2%, мусковит с большими размерами доменов (до 40 слоев) – 13.3%, хлорит-смектит – 10.0%, вермикулит – 5.0% и каолинит – 5.0%. В составе слоистых силикатов голоцена (обр. 7–8 см) преобладают Mg,Fe-хлорит и смешанослойный хлорит-смектит, суммарное содержание которых составляет 45.8% от общего количества слоистых силикатов, иллит-смектит не обнаружен, в подчиненном количестве установлены иллит – 28.1%, вермикулит – 14.4%, мусковит – 6.7% и каолинит – 5.0%. За исключением мусковита, присутствующие глинистые минералы тонкодисперсны, они имеют малые размеры доменов (от 5 до 15 слоев).

Детальное изучение состава образцов донных отложений методом СЭМ подтвердило, что преобладающими минералами в них являются полевые шпаты (битовнит, андезин, олигоклаз и в меньшей степени калиевый полевой шпат), кварц, амфибол (актинолит), хлорит с переменным содержанием Fe и Mg. В подчиненном количестве присутствуют мусковит, встречаются биотит, пироксен (авгит), эпидот. Акцессорные минералы представлены апатитом, ильменитом, титанитом, цирконом, магнетитом. Отмечаются срастания зерен ильменита, титанита, рутила, изредка – монацита, пирита, торита.

Помимо отложений ледника и пород водосборного бассейна потенциальным источником вещества в озерных осадках могли служить продукты извержений близкорасположенных вулканов [5]. Отдельных прослоев тефры в донных отложениях оз. Хикушка нами не обнаружено. Этот факт может объясняться рядом причин. Во-первых, господствующие ветры не способствовали переносу значительного количества пепла в направлении озера; во-вторых, сами извержения могли быть слабоэксплозивными. Наконец, в-третьих, тот пирокластический материал, который все же попадал в осадок, мог в результате вторичных преобразований в значительной степени замещаться глинистыми минералами. Тем не менее в некоторых горизонтах (47 и 89 см) методом СЭМ были обнаружены шестоватые агрегаты пироксена в срастании с оливином, а также отдельные крупные (более 100 мкм) шестоватые агрегаты в горизонтах 71 и 95 см, при этом пироксен имеет довольно постоянный состав, близкий авгиту. В горизонте 47 см наблюдаются крупные выделения биотита с высоким (до 3%) содержанием бария в срастании с пироксеном. Согласно статье [16], бариевый биотит – специфический минерал преимущественно калиевых изверженных горных пород. При сопоставлении составов полевых шпатов, установленных в донных отложениях оз. Хикушка и представленных в основном плагиоклазами от альбита до битовнита, с составом полевых шпатов лавового поля Жом-Болок выявленные отличия невелики (рис. 4). Кроме того, в кровле разреза (0–18 см) отмечаются повышенные концентрации TiO₂ и P₂O₅ (рис. 1), что может объясняться дополнительным привносом титана и фосфора в составе пеплового материала.

Рис. 4.

Диаграмма составов полевых шпатов донных отложений оз. Хикушка по данным СЭМ в сравнении с составом вкрапленников и микролитов лавового потока Жом-Болок [4]. 1 – плагиоклазы осадков; 2 – калиевые полевые шпаты осадков; 3 – область составов вкрапленников плагиоклазов в трахибазальтах; 4 – область составов микролитов плагиоклазов в трахибазальтах.

Результаты комплексного изучения донных отложений озера Хикушка позволили выделить 5 стадий его эволюции.

Стадия I (124–88 см, 13 800–11 700 л.н.) характеризует начало формирования оз. Хикушка. В это время повышается уровень летней инсоляции [17]. В изучаемом районе происходит активное таяние локального ледника и образование карового озера. Большую часть года озеро было покрыто льдом. В остальное время года вода, вероятно, оставалась насыщенной мелкодисперсной минеральной взвесью, препятствовавшей развитию диатомовых и, соответственно, образованию биогенного кремнезема (рис. 1). В осадках накапливаются тонкодисперсные (размеры доменов 4–15 слоев) глинистые минералы – иллит и смешанослойный иллит-смектит (до 50% от суммы слоистых силикатов) и Fe,Mg-хлорит (рис. 3), которые могут иметь как аутигенное, так и аллотигенное происхождение.

В стадию II (88–62 см, 11 700–10 000 л.н.) с наступлением голоценового потепления в озере начинают накапливаться биогенно-терригенные илы. К этому времени ледник растаял, и основными источниками питания озера стали талые и дождевые воды. Изменение режима питания привело к снижению уровня воды в озере. Эта стадия характеризуется благоприятными условиями для развития экосистемы водоема, что согласуется с общим потеплением климата северного полушария и наступлением более теплых летних сезонов из-за орбитально-обусловленного повышения летней инсоляции. Растет содержание SiO_2bio, среди слоистых силикатов преобладают Mg,Fe-хлориты и хлорит-смектиты – продукты выветривания коренных пород обрамления озера.

В стадию III (62–33 см, 10 000–6000 л.н.) снижаются концентрации SiO_2bio (рис. 1), что предполагает формирование менее продуктивной системы оз. Хикушка. На фоне уменьшения количества иллита и отсутствия иллит-смектита растет содержание хлорит-смектита и хлорита (до 55% от суммы слоистых силикатов). Эта стадия характеризуется максимальной активностью влажного азиатского муссона, повышением общего увлажнения [1], что приводило к выпадению обильных зимних осадков и охлаждению вод озера.

Стадия IV (33–18 см, 6000–3000 л.н.) характеризуется ослаблением влияния влажного азиатского муссона. Озеро постепенно мелеет и лучше прогревается, что могло быть благоприятно для расцвета диатомовых, обогащающих отложения биогенным кремнеземом (рис. 1), и аутигенного минералообразования.

Стадия V (18–0 см) охватывает период от 3000 л.н. до современности. Судя по снижению концентрации SiO_2bio, эта стадия характеризуется более суровыми природно-климатическими обстановками, чем предыдущая. В осадках отмечается высокое содержание иллита и хлорита (~55% от суммы слоистых силикатов). Именно на эту стадию приходится последний этап вулканической активности в Жом-Болокском районе.

В результате проведенных исследований установлено, что климатический фактор оказал основное влияние на позднеплейстоцен-голоценовое осадконакопление в высокогорном оз. Хикушка. Климат контролировал такие процессы, как деятельность ледников, выветривание и перенос осадочного материала с территории водосбора, колебания уровня воды в озере, биопродуктивность озерной системы. Позднечетвертичный вулканизм, несмотря на близкое расположение очагов его проявления, играл второстепенную роль в процессах озерной седиментации. Первые результаты изучения ассоциаций слоистых силикатов, их соотношений в разрезе и кристаллохимических характеристик в отложениях озера Хикушка стали важными источниками новой информации о позднечетвертичной истории природной среды Жом-Болокского вулканического района.