Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 2, стр. 243-246

ВВЕДЕНИЕ

Образование донных осадков (как морских, так и озерных) происходит в условиях меняющейся внешней среды, оказывающей влияние на вещественный состав и структуру донных отложений. При традиционных методах исследования проводится нарезка керна на дискретные образцы с шагом 5–10 мм. Это ограничивает временное разрешение анализа и детальное исследование состава отдельных годовых слоев, что является важной задачей для оценки скорости и моделирования процессов осадкообразования.

Используя сканирующий микро-РФА на пучках синхротронного излучения можно уменьшить шаг опробования до 10–100 мкм, что позволяет строить временные ряды литолого-геохимических как с годовым, так и сезонным временным разрешением.

Объектом исследования в данной работе являлось высокогорное озеро Кучерлинское (Алтай) осадки которого содержат ежегодно ламинированные слои (варвы). В российской литературе для таких осадков используется термин “ленточные глины” – отложения приледниковых озер, состоящие из чередующихся слоев тонкозернистого песка и глины – продукты осаждения ледниковой мути. Необходимо отметить, что ежегодно ламинированные осадочные последовательности рассматриваются мировым палеоклиматическим сообществом как один из важнейших палеоархивов [1], поскольку в этом случае исследователи получают возможность точной временной привязки. Отдельные годовые слои образуются сезонными поставками взвешенных частиц, в случае ледниковых озер источниками которых являются водные потоки таяния ледников. Слоистость в осадке обусловлена неравномерным привносом обломочного материала в разные сезоны года (песчанистые – летом, глинистые – зимой). Слои состоят из крупных частиц (песка, ила) и мелкозернистой глины, осаждающейся в зимний период.

Использование синхротронного излучения для рентгенофлуоресцентного анализа (микроРФА-СИ) донных осадков имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Первые предложения по использованию СИ в качестве чрезвычайно яркого источника рентгеновского излучения для исследований появились в 1970х годах: первые эксперименты с СИ здесь были проведены еще в 1973 г. [2]. Работы по сканирующему микроанализу геологических (в том числе осадочных) образцов были начаты в конце 1980-х годов [3, 4] и продолжены в серии работ по исследованию озерных донных отложений в последующие годы.

В отличие от метода РФА с рентгеновской трубкой (XRF), метод РФА-СИ позволяет снизить предел обнаружения в 10–100 раз и определять в несколько раз больше элементов. Уникальные возможности РФА СИ обусловлены непрерывным спектром и малой угловой расходимостью СИ, его естественной поляризованностью и чрезвычайно высокой яркостью [2]. В настоящее время метод специально адаптирован для палеоклиматических задач, разработаны и аттестованы методики подготовки и исследования кернов донных осадков [5, 6]. В последние годы развитие получил вариант метода с использованием фокусирующей рентгеновской оптики – поликапилярных линз [7–9]. При этом пространственное разрешение анализа достигает 10 мкм, что позволяет проводить детальные исследования отдельных годовых слоев в донных отложениях [10, 11].

Основной целью данного исследования являлось получение надежных аналитических данных о вариациях элементного состава в образцах современных донных осадков озера Кучерлинское для оценки скорости осадконакопления и построения модели годового цикла осадкообразования.

ОТБОР ПРОБ И ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ

Озеро Кучерлинское расположено у подножия северного склона Катунского хребта в верховьях реки Кучерла на высоте 1790 метров над уровнем моря. Длина озера 5 км, ширина – 1 км, максимальная глубина достигает 45 м. Озеро находится в труднодоступной местности и подвержено минимальному антропогенному воздействию, что делает его перспективным объектом для палеоклиматических исследований.

Керны осадков озера Кучерлинское были получены с использованием ящика-пробоотборника в 2009 и ударных трубок в 2018 гг. Для детального исследования были использованы образцы верхней части керна Куч_2018-2, отобранного в самой глубокой части озера с глубины 45 м. Выбор образцов был обусловлен максимальными размерами визуально выделяемых слоев на поверхности исходного (влажного) керна. Подготовка образцов для анализа проводилась по методике, описанной в [5].

ЭКСПЕРИМЕНТ

Эксперименты выполнялись в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения. Использовалась станция “Элементный анализ”, подробно описанная в работе [6]. Схематично станция состоит из системы коллимации и фокусировки пучка, детектора и сканирующего устройства, которое протягивает керн в вертикальном направлении с заданным шагом. Источником СИ служит накопитель ВЭПП-3 [12]. Как правило определяется не менее 20 элементов, при этом для большинства определяемых элементов предел обнаружения составляет от 1 до 5 г/т.

Были исследованы верхние 170 мм керна Кучерла2018-2 с шагом сканирования 100, 200 мкм и 1 мм. Параметры эксперимента представлены в табл. 1.

Аналитические сигналы, полученные в результате измерений, представляют собой площади пиков аналитов, выделенные из спектрограммы при помощи программы обработки сложных РФА-спектров (AXIL) [13], предназначенной для энергодисперсионного спектрометрического анализа. Определялись элементы: K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo по K-сериям и Pb, Th, U по L-сериям. Расчет содержаний каждого элемента в пробе производился методом внешнего стандарта с использованием государственного стандартного образца состава БИЛ-1 (Байкальский ил, ГСО 7126-94) [14].

Содержания элементов привязаны к точкам измерений вдоль профиля сканирования от верха керна вглубь разреза.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для сопоставления полученных данных с визуально выделяемыми слоями профили сканирования были вынесены на фотографию поверхности исходного керна в одинаковом линейном масштабе. В качестве примера на рис. 1. представлены профили отношения содержаний Rb/Sr, измеренные на интервале 0–90 мм с шагом 100 и 200 мкм.

Рис. 1.

Справа – фотография поверхности исходного (влажного) керна, вскрытого вдоль оси отбора, в интервале 0 (верх осадка)–90 мм. Точками отмечены границы визуально выделяемых слоев. Слева – профили распределения отношения содержаний Rb/Sr, измеренные на интервале 0–90 мм с шагом 100 и 200 мкм.

На фотографии отчетливо выделяются чередующиеся светлые и темные слои. Если считать пары светлый–темный за один годовой слой, то визуально на фотографии влажного керна, вскрытого вдоль оси отбора, в интервале от 10 до 90 мм можно выделить 20–22 слоя. Профили распределения отношения содержаний Rb/Sr, измеренные на этом интервале с шагом 100 и 200 мкм хорошо совпадают друг с другом. Подсчет количества экстремумов в профилях сканирования также дает значение 20–22. Изменение химического состава донных осадков совпадает с визуальными изменениями его структуры.

Ранее проведенные нами исследования донных осадков пресноводных горных озер Телецкого [15] и Донгуз–Орон [10] показали, что в озерах с низким содержанием органического вещества отношение содержаний Rb/Sr обратно коррелирует с размерами частиц терригенного материала, поступающего в акваторию с территории водосбора с весенним паводком и летними дождями. Это связано с высокой интенсивностью процессов выветривания стронция из мелких частиц (<10 мкм) с более развитой поверхностью на единицу массы по сравнению с крупноразмерными частицами. В то время, как рубидий мало растворим в пресной воде, стронций выносится из частиц разного размера с различной скоростью, что приводит к повышению отношения Rb/Sr (за счет уменьшения содержания стронция) в мелкоразмерных частицах относительно более крупных.

Если детально посмотреть на полученный профиль отношения содержаний Rb/Sr (рис. 2), то можно отметить асимметричность отдельных циклов, что отражает динамику процесса сноса терригенного материала и поступления в осадок разных фракций.

Рис. 2.

Профиль отношения содержаний Rb/Sr на интервале 10–30 мм, отражающий динамику годового цикла осадконакопления в модели гравитационной дифференциации материала терригенного сноса.

Модель сезонного осадконакопления выглядит следующим образом. В период весеннего паводка и интенсивных летних дождей идет вброс терригенного материала в водоем. При этом крупноразмерные частицы быстро опускаются на дно и формируют начало нового годового слоя. Дифференциация остальных частиц идет в течении большого временного интервала и заканчивается зимой, когда вода в озере успокаивается после ледостава. Таким образом на слой крупноразмерных частиц, имеющих самое низкое Rb/Sr отношение, отлагаются слои с уменьшением размера частиц, следовательно, с более высокими значениями отношения Rb/Sr. Профиль отношения Rb/Sr внутри отдельного слоя отражает динамику весеннего паводка, интенсивность летних осадков и соотношение частиц терригенного материала различного размера.

Таким образом, как данные об элементном составе, так и структура керна донных осадков озера Кучерлинское подтверждают модель гравитационной дифференциации терригенного вещества в процессе годового цикла осадкообразования и позволяют использовать полученные данные для оценки линейной скорости накопления современных осадков. Для верхнего слоя (временной интервал последних десятилетий) эта величина составляет 3.6–4.0 мм ⋅ год^–1.

ВЫВОДЫ

Разработанный метод сканирующего микроРФА-СИ позволяет проводить детальные исследования элементного состава внутреннего строения отдельных годовых слоев в озерных донных осадках с высоким пространственным разрешением. Выполнены микроаналитические исследования образцов современных донных осадков ледникового озера Кучерлинское (Алтай). Построены профили распределения породообразующих и микроэлементов с шагом 100 и 200 мкм. Совмещение фотографических изображений поверхности керна с профилями сканирования позволило получить оценку скоростей современного осадконакопления путем подсчета годовых слоев, выделяемых визуально и по геохимическим индикаторам.

На основе полученных данных могут быть построены временные модели глубина керна – возраст осадка для последних десятилетий, что позволит проводить количественные сравнения состава осадка с данными инструментальных метеонаблюдений. Подготовлен эмпирический материал, позволяющий строить модели годового цикла современного осадкообразования в исследованном ледниковом озере и вести поиск аналитических зависимостей состава донных осадков от погодно-климатических факторов с годовым (сезонным) временным разрешением.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 18-55-53016 и частично № 16-05-00647, № 16-05-00657 (исследование отдельных годовых слоев) с использованием оборудования ЦКП “СЦСТИ” на базе ВЭПП-3/ВЭПП-4М/НЛСЭ ИЯФ СО РАН, поддержанного Минобрнауки России (уникальный идентификатор проекта RFMEFI62117X0012).