Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 512, № 2, стр. 225-232

Изменения окружающей среды, обусловленные глобальным потеплением климата, происходят в настоящее время в различных регионах планеты и приобретают необратимый характер, что ставит перед научным сообществом задачи, решение которых невозможно без климатического прогноза на ближайшее будущее. В этой связи особое значение приобретают исследования природных объектов, представляющих собой палеоклиматические архивы недавнего по геологическим меркам прошлого Земли, поскольку именно обстановки четвертичного периода, особенно голоцена и позднего плейстоцена, в мировой практике рассматриваются как близкие аналоги современности и/или как потенциальные аналоги климата будущего. Изучение континентального седиментогенеза при проведении палеоклиматических реконструкций в настоящее время является чрезвычайно развитым направлением. Континентальное осадкообразование, существенно уступающее по масштабам морскому, тем не менее, отличается значительным разнообразием типов отложений. На ведущую роль климатического фактора в формировании континентальных субаквальных отложений неоднократно указывал в своих работах Н.М. Страхов [1]. Не меньшее фундаментальное научное значение имеют климатические летописи высокого разрешения, полученные из субаэральных осадочных разрезов. Несомненная важность проблемы требует привлечения новых объектов и методов исследований.

Внутриконтинентальная Азия, значительную часть которой занимает Сибирский регион, оказывает заметное влияние на характер глобального климата. Этот обширный, местами глубоко расчлененный массив суши играет важную роль в распределении и перераспределении атмосферной циркуляции на территории всего северного полушария. При этом, если на территории Западной Сибири субаэральные разрезы четвертичных отложений в виде лёссово-почвенных последовательностей большой мощности изучены достаточно подробно, в том числе и с точки зрения изменений природной среды и климата, например, [2], то Восточная Сибирь во многом продолжает оставаться terra incognita. В Байкальском регионе разрезы четвертичных осадочных комплексов, которые могут быть расчленены с высоким хроностратиграфическим разрешением, немногочисленны. Среди них наиболее важным и полно охарактеризованным опорным разрезом континентальных субаэральных отложений долгое время оставался разрез Тологой [3], открытый в 1952 г. А.П. Окладниковым. В 2017 г. в Западном Забайкалье был открыт новый разрез верхнего кайнозоя Улан-Жалга (рис. 1), результаты предварительных исследований которого были опубликованы ранее в форме краткого сообщения [4]. В настоящее время выполнены комплексные исследования отложений разреза, включающие палеонтологические, палео- и петромагнитные, литологические и геохимические данные, позволившие выявить условия седиментогенеза и в целом проследить изменения природной среды и климата региона в течение плейстоцена и голоцена. Вместе с тем минералогический аспект традиционно остается “слабым местом” подобных работ, как правило, минералого-кристаллохимические исследования редки. Между тем ассоциации, состав, структурные характеристики отдельных минеральных фаз позволяют с высокой степенью детальности восстанавливать региональную летопись климатических событий, что и определяет актуальность проведенных нами исследований. Цель настоящей работы – изучение вещественного состава субаэральных отложений разреза Улан-Жалга, выявление типоморфного значения ассоциаций и кристаллохимических характеристик карбонатных минералов и решение на этой основе задач, связанных с реконструкциями климатических событий четвертичного периода в Байкальском регионе.

Рис. 1.

Расположение опорного разреза квартера Улан-Жалга (обозначено красным кружком) на цифровой 3D-модели рельефа Западного Забайкалья.

Разрез Улан-Жалга (51°29′40.75″ с.ш., 107°20′18.11″ в.д.) расположен на северной окраине пос. Тарбагатай – в приустьевой части долины р. Куйтунка, правого притока р. Селенга. Обнажение приурочено к подошве южного выступа останцового массива Омулевский с относительной высотой 300 м. Поверхность педимента имеет довольно крутой наклон (до 25°), его верхняя часть сложена продуктами разрушения выветрелых гранитных денудационных останцов. Основание педимента сложено толщей эолово-делювиальных песков, лёссовидных супесей и суглинков, подстилаемых красноцветными облессованными глинами. Днище долины р. Куйтунка занято широкой аллювиальной равниной, где русло водотока меандрирует, перемещаясь от одного склона к другому и подрезая уступами основания педиментов. В одном из таких эрозионных уступов высотой около 30 м вскрываются отложения разреза Улан-Жалга (рис. 2).

Рис. 2.

Литолого-стратиграфическое строение разреза Улан-Жалга и результаты гранулометрического анализа образцов из верхней (глуб. 2.0 м) и нижней (глуб. 28.9 м) толщ. Условные обозначения: 1 – глины, 2 – суглинки, 3 – супеси, 4 – пески, 5 – гравий, 6 – дресва, 7 – почвы, 8 – характер слоистости, 9 – повышенное содержание марганца, 10 – повышенное содержание карбонатов, 11 – поверхность размыва, 12 – криогенные нарушения.

Изучение вещественного состава отложений проводилось комплексом методов, включающим рентгеновскую дифрактометрию (XRD), ИК-спектроскопию, лазерную гранулометрию, рентгенофлуоресцентный анализ. Рентгеновские исследования выполнены 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 сек. Дифференциальная диагностика карбонатных минералов выполнена методом математического моделирования XRD-профилей высокого разрешения [5, 6]. Для моделирования XRD-профилей карбонатной составляющей осадка образцы были отсканированы в интервале от 29 до 32° (2Θ) с тем же шагом 0.05°, 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. Гранулометрический анализ терригенного компонента осадков проводился на лазерном микроанализаторе частиц Analysette 22 MicroTec. Содержание оксидов породообразующих элементов определялось на рентгенофлуоресцентном спектрометре S8 TIGER.

В разрезе выделено 35 слоев, которые объединяются по своим литологическим характеристикам и фаунистическим данным в 5 пачек. Палеомагнитные и палеонтологические данные позволили провести оценку времени формирования разреза Улан-Жалга. Нижняя пачка 1 (слои 1–8) представляет собой красноцветную лёссово-почвенную последовательность – переслаивание эоловых суглинков с тонкими линзами гравелисто-песчаных делювиальных накоплений и суглинками погребенных почв. Ископаемые остатки полевок родов Borsodia и Allophaiomys свидетельствуют о формировании отложений на ранних этапах раннего плейстоцена. Пачка 2 фиксирует стратиграфический перерыв с размывом. Накопление пачки 3 (слои 10–27) началось ~ 1 млн лет назад, а граница между нижним и средним плейстоценом (граница Матуяма/Брюнес) проходит на глубине 15 м, что согласуется с последовательной сменой фаунистических комплексов. Пачка 4 (слои 28–30) представляет собой супеси с присутствием карбонатов, вмещающие плохо развитую погребенную почву, практически лишенную органического материала – эоловые образования с делювиальной проработкой. По видовому составу фауны мелких млекопитающих данная толща датируются средним плейстоценом. Пачка 5 (слои 31–35) сложена разнозернистыми песками и лёссовидными супесями и представляет собой эолово-делювиальные отложения, в которых встречаются немногочисленные костные остатки характерных представителей фауны позднего плейстоцена.

Если исключить из рассмотрения грубозернистые селевые отложения пачки 2, то по результатам гранулометрического анализа в разрезе Улан-Жалга отчетливо выделяются две мощные толщи, граница между которыми проходит на глубине ~12 м. Нижняя толща, включающая пачку 1 (ранний этап раннего плейстоцена) и пачку 3 (ранний/средний плейстоцен), представлена преимущественно алевритовыми и глинистыми фракциями (рис. 2, гл. 28.9 м). Отложения верхней толщи, объединяющие пачку 4 (средний плейстоцен) и пачку 5 (поздний плейстоцен и голоцен), сложены существенно опесчаненными осадками (рис. 2, гл. 2.0 м). Нижняя часть разреза характеризуется красноватыми и бурыми оттенками осадков, а верхняя – это преимущественно серые или светло-коричневые отложения. Кроме того, в нижней алевритовой толще фиксируется 16 погребенных почвенных горизонтов, тогда как в опесчаненной верхней части отмечается только три таких горизонта.

Для изучения вещественного состава отложений был опробован каждый из выделенных в разрезе слоев, всего проанализировано 37 образцов. Методом рентгеновского дифракционного анализа (XRD) в отложениях установлены кварц, полевые шпаты (плагиоклаз и калиевый полевой шпат), глинистые минералы (слюда и хлорит), карбонаты, гематит, следы амфибола (рис. 3). Для верхней толщи характерно преобладание кварцевой составляющей (рис. 3, гл. 2.0 м). С глубины 12 м вниз по разрезу доля кварца начинает заметно уменьшаться, при этом содержание полевых шпатов (плагиоклаза и ортоклаза) возрастает (рис. 3, гл. 28.9 м). Глинистые минералы на протяжении всего разреза сложены слюдой (биотитом) и 14 Å-хлоритом. Данные XRD находятся в полном согласии с результатами ИК-спектроскопии и рентгенофлуоресцентного анализа.

Рис. 3.

Типичные дифрактограммы образцов отложений из верхней (глуб. 2.0 м, слой 33) и нижней (глуб. 28.9 м, слой 4) толщ разреза субаэрально-склоновых отложений Улан-Жалга (Западное Забайкалье).

Информативными в плане реконструкций природных обстановок являются слои с повышенным содержанием карбонатов. Карбонатные минералы, доля которых может составлять до 15–17% от минерального состава образца, сложены безводными тригональными разновидностями: Mg-кальцитами разной степени магнезиальности, кальцитом CaCO₃, и Ca-избыточными доломитами CaMg[CO₃]₂ в переменных соотношениях. Диагностика карбонатов кальцит-доломитового ряда методом XRD-анализа проводилась нами по наиболее интенсивным у тригональных карбонатов отражениям hkl = 104 в области углов 29–31° 2Θ CuK_α (рис. 4). Значения межплоскостных расстояний d₁₀₄ располагаются в интервале от 3.036 Å (кальцит) до 2.887 Å (стехиометрический доломит) и служат мерой магнезиальности [7].

Рис. 4.

Результаты моделирования экспериментальных XRD-профилей карбонатов из отложений верхней толщи – глубина 0.6 м, и нижней толщи – глубина 21.8 м разреза Улан-Жалга. Точки – экспериментальные дифрактограммы типичных образцов; сплошные линии – интегрированные модели. Цветные пики – вклады отдельных карбонатных фаз в общую дифракционную картину. Отчетливо видно хорошее совпадение интегрированных моделей (сплошная линия) и экспериментальных дифрактограмм (точки). Примечания. Сумма карбонатных минералов в образце принята за 100%. При съемке XRD-профилей в качестве внутреннего стандарта использовался Si металлический (d₁₀₀ = 3.135Ǻ). Условная граница между (низкомагнезиальными+промежуточными кальцитами) и высокомагнезиальными располагается на 30° 2Θ CuK_α (d₁₀₄ = 2.98Å).

По величине d₁₀₄ мы делим карбонаты ряда кальцит-доломит на три группы: 1) низкомагнезиальные кальциты с содержанием MgCO₃ в структуре <4–5 мол. % (3.036 Å > d₁₀₄ > 3.02 Å); 2) промежуточные магнезиальные кальциты с 5–18  мол. % MgCO₃ в структуре (3.02 Å > d₁₀₄ > 2.98 Å); 3) высокомагнезиальные кальциты с содержанием 18–43 мол. % MgCO₃ (2.98 Å > d₁₀₄ > 2.91 Å). Ca-избыточные доломиты, в структуре которых избыток CaCO₃ может достигать 7 мол. % относительно доломита sensu stricto, характеризуются значениями d₁₀₄ от 2.91 до 2.887 Å. Для выявления всего набора присутствующих в образцах карбонатных минералов нами использовалось разложение их сложных XRD-профилей на индивидуальные пики функцией Пирсона VII. Определение содержания MgCO₃ в карбонатных фазах образцов, записанных на дифрактограммах с высоким разрешением, проводилось по калибровочным графикам зависимости величины d₁₀₄ от содержания мол. % MgCO₃ [8, 9]. Параметры модельных XRD-спектров приведены в табл. 1. Ранее нами было установлено [6] для субаквальных континентальных разрезов, что, в общем случае, сравнительно теплый и влажный климат ведет к образованию в осадках низкомагнезиальных разновидностей кальцитов, а аридизация сопровождается формированием высокомагнезиальных фаз минерала, вплоть до Са-доломитов. Минералого-кристаллохимическое изучение отложений разреза Улан-Жалга показало, что в нижней части разреза преобладают низкомагнезиальные и промежуточные кальциты, в то время как в верхней части, кроме того, присутствуют стехиометрические кальциты, высокомагнезиальные кальциты и Ca-избыточные доломиты (рис. 4, табл. 1).

Согласно результатам проведенных исследований, формирование разреза Улан-Жалга отвечает двум крупным этапам осадконакопления, граница между которыми проходит на глубине около 12 м и четко фиксируется по минералогическим, литологическим, палеонтологическим и другим данным. Впервые на примере разреза субаэральных (эолово-делювиальных) отложений показано, что изменения в составе и структуре аутигенных карбонатных минералов являются следствием климатических изменений в плейстоцене и голоцене.

Нижняя толща образовалась в условиях умеренной интенсивности ветровой деятельности и сравнительно высокой влагообеспеченности, о чем свидетельствуют широкое развитие почвенных горизонтов и присутствие низко-Mg карбонатов. Верхняя толща сформировалась в более холодных и сухих условиях с повышенной динамикой эоловых процессов и характеризуется наличием кальцита, высоко-Mg кальцита и Ca-избыточного доломита. В палеоландшафтах этого периода доминирующими становятся сухие степи, полупустынные и пустынные участки. Погребенные почвы верхней части разреза значительно менее развиты и нарушены криогенными процессами. Следует отметить, что двучленное строение четвертичных субаэральных отложений Западного Забайкалья отмечается и в упомянутом выше разрезе Тологой. В работе [10], на основании литологических, петро- и палеомагнитных данных разрез Тологой подразделяется на 2 толщи, граница между которыми проходит на глубине 9 м, при этом нижняя толща сформировалась в относительно теплых и влажных обстановках, а верхняя – в более суровых, засушливых природных условиях.