Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 2, стр. 239-242

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывные последовательности (разрезы) донных озерных отложений являются одним из наиболее полных и универсальных источников палеоклиматической информации. Геохимические индикаторы, отражающие вариации условий осадконакопления, позволяют создавать детальные непрерывные количественные реконструкции целого ряда параметров изменчивости среды. При этом горные озера могут содержать информацию, связанную с изменениями региональных ледниковых обстановок [1].

Первый отбор керна донных осадка озера Каракель был произведен в 2010 г. Результаты исследований опубликованы в 2013 и 2014 гг. [2, 3]. Дальнейшие исследования, однако, позволили выявить неточности существующей хронологии за счет получения новых кернов донного осадка в 2014 г.

Целью настоящей работы является создание единого опорного разреза с объединенной мастер-хронологией, основанной на радиоуглеродных датировках кернов 2010 и 2014 гг., и построение временных рядов литолого-геохимических данных, используемых для реконструкции основных тенденций климатической изменчивости в регионе в последние тысячелетия.

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Первые опыты применения сканирующего рентгенофлуоресцентного микроанализа с возбуждением синхротронным излучением для исследования распределения элементов в геологических образцах показали большую перспективность метода [4] в том числе для изучения морских осадочных последовательностей [5]. Впоследствии анализ широко применялся для исследования как морских, так и озерных донных осадков и в настоящее время все методики проведения измерений аттестованы [6, 7].

Образцы для исследований были приготовлены из твердых препаратов керна, пропитанных эпоксидной смолой. Измерения образцов проводились на станции “Локальный и сканирующий рентгенофлуоресцентный элементный анализ” ЦКП Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения [8]. Источником СИ служит накопитель ВЭПП-3 [9]. Использовался монохроматичный пучок синхротронного излучения с энергией 21 кэВ. Ширина пучка (поперек образца) составляла 10 мм, высота пучка (вдоль образца) 1 мм. Образец перемещался вертикально с шагом, совпадающим с высотой пучка. Время измерения в точке составляло от 10 до 25 с, в зависимости от загрузки спектрометрического тракта. Одновременно определялись содержания 25 породообразующих и микроэлементов: Cl, S, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo – по K-сериям, U и Th – по L-сериям. Кроме содержаний элементов проводилось измерение отношения интенсивностей упруго-/неупруго рассеянного на образце излучения, как потенциально климатически коррелированного параметра [10].

Все регистрируемые величины были геометрически привязаны к положению на шкале глубины керна в мм от верха (граница вода–осадок). Верх керна изначально датировался годом отбора и служил началом отсчета при построении временных рядов по актуальной модели глубина керна–возраст осадка.

ПОСТРОЕНИЕ ОПОРНОГО РАЗРЕЗА ПО ДАННЫМ МИКРО-РФА СКАНИРОВАНИЯ

Отбор образцов донных осадков в 2010 г. проводился с помощью поршневого озерного бура. Для того, чтобы поршень начал продвигаться в пробоотборной трубке, осадок должен быть достаточно плотным. В случае, когда верхняя часть осадка находиться в полужидком состоянии, возможны потери верхней части керна. Изначальная работа над керном 2010-го года не предполагала значительных потерь верха – недостаточное количество радиоуглеродных датировок не позволило точно это установить. Таким образом, хронология, описанная в [2, 3] опиралась на предположение о том, что верхушка керна датируется 2010 г. Впоследствии, новые датировки, полученные для верхней части керна 2010 г., поставили под сомнение существующую возрастную модель и послужили предпосылками к предположению о том, что верхняя часть керна 2010 г. была потеряна в процессе отбора. Бурение верхнего керна в 2014 г. производилось без поршня, что исключало вероятность потери верхней слабо консолидированной части осадка.

Визуальное сравнение фотографий поверхностей вскрытых кернов показало наличие на глубине 20–30 мм в керне 2010 г. и на глубине 200–220 мм в керне 2014 г. характерного светлого слоя сопоставимой мощности. Возникшее предположение о потери верхней части осадка в керне 2010 г. было подтверждено сравнением профилей распределения породообразующих и микроэлементов в исследованных образцах.

Для прецизионного совмещения двух кернов и построения опорного разреза были использованы результаты сканирующего микро-РФА, полученные для разрезов 2010 и 2014 гг. Совмещение профилей сканирования показало хорошее совпадение маркирующих пиков для всех аналитических данных (рис. 1).

Рис. 1.

Совмещение профилей сканирования кернов 2010 и 2014 гг. с корректировкой размеров верхнего керна в 1.17 раза.

Итоговое удлинение верхнего керна с коэффициентом 1.17 и сдвиг относительно нижнего на 225 мм позволили объединить оба керна в один опорный разрез. Изменение размеров верхнего керна связано с тем, что отбор проводился в разных точках озера, где линейные скорости осадконакопления немного различаются. Но при этом текстура и состав кернов совпадают, а их изменения отражают реакцию системы седиментации озера в целом на изменение параметров внешней среды.

СОЗДАНИЕ ИТОГОВОЙ ВРЕМЕННОЙ МОДЕЛИ ГЛУБИНА КЕРНА–ВОЗРАСТ ОСАДКА

Для исследованных кернов был получен ряд датировок радиоуглеродного возраста, которые могут быть использованы для построения общей временной модели. Однако, прежде чем перейти к этой части исследования, необходимо провести общую оценку полученного аналитического материала для поиска возможных нарушений в процессе осадконакопления. Дело в том, что в непрерывных осадочных последовательностях возможны проявления событийных процессов – образование так называемых турбидитных слоев. Их появление связано с массовым вбросом терригенного материала вследствии паводков, селей, землетрясений, сходов лавин и т.д. Образование турбидитного слоя приводит к нарушению временной шкалы в осадочных разрезах и их необходимо убирать при построении модели глубина керна–возраст осадка.

Как правило событийные (одномоментные) слои отличаются по структуре и составу от основной части керна. Также критерием турбидитного интервала может быть характер распределения материала внутри слоя.

На рис. 1 видны два ярко выраженных слоя в интервалах 160–230 и 545–565 мм с резко повышенным содержанием большинства элементов, характерных для терригенного материала (K, Ti, Rb, Y, Zr, Nb). С большой вероятностью эти интервалы связаны с событийными вбросами большого количества терригенного материала. Детальное рассмотрение структуры этих слоев подтверждает наши предположения. На рис. 2 представлен профиль вариации отношения Sr/Rb для интервала 160–230 мм. Это типичный профиль, отражающий гравитационную дифференциацию разноразмерных частиц после вброса материала в водоем. Можно выделить след первого (более мощного) селя (интервал 200–230 мм) и повторный сход терригенного материала (интервал 170–190 мм).

Рис. 2.

Наблюдаемый и модельный профиль изменения отношения Sr/Rb для аномального слоя в интервале 160–230 мм, отражающий изменения размера частиц в процессе гравитационной дифференциации.

Изменения отношения Sr/Rb отражает изменение размера частиц терригеного материала, имеющих одинаковый исходный состав, но различную степень выветривания. Более крупные, слабо выветрелые частицы, имеют большее отношение Sr/Rb, чем мелкие, подвергшиеся большей степени выветривания. Крупные частицы первыми выпадают на дно бассейна, затем происходит плавное осаждение мелкоразмерных частиц. Такая модель дифференциации вещества типична для горных озер и описана нами ранее [11, 12].

Вторым фактором в пользу событийного (однократного) происхождения рассматриваемых интервалов служит совпадение оценок возраста для образцов, взятых с глубин 180 и 210 мм. Радиоизотопный возраст для обеих глубин дает одинаковую оценку 640 лет, что логично, если это был одномоментный вброс вещества одного состава.

Таким образом, на основании данных микро-РФА есть основания удалить два аномальных интервала из опорного разреза донных осадков оз.Каракель.

После удаления двух турбидитных слоев из опорного разреза можно построить временную модель глубина керна–возраст осадка и пересчитать наборы литолого-геохимических индикаторов, построенные на миллиметровой шкале, во временные ряды.

ВЫВОДЫ

Данные высокоразрешающего микро-РФА-СИ использованы для синхронизации двух разновозрастных кернов донных осадков озера Каракель. Сравнение полученных профилей распределения породообразующих и микроэлементов в кернах 2010 и 2014 гг. показало их хорошее совпадение при учете потерь верхней части керна 2010 г. что позволило построить единый опорный разрез.

Данные о микроэлементном составе (отношение Sr/Rb) были использованы для поиска интервалов осадка, отражающих одномоментные события вброса большего количества терригенного материала, что позволило уточнить временную модель глубина керна–возраст осадка и получить корректные временные ряды литолого-геохимических индикаторов.

Таким образом, сканирующий микро-РФА на пучках синхротронного излучения, применяемый для исследования озерных донных отложений, дает новую информацию о составе осадков, используемую для построения палеоклиматических реконструкций.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 17-35-50134 с использованием оборудования ЦКП “СЦСТИ” на базе ВЭПП-3/ВЭПП-4М/НЛСЭ ИЯФ СО РАН, поддержанного Минобрнауки России (уникальный идентификатор проекта RFMEFI62117X0012)”.