Стабильные изотопы кислорода, водорода и углерода и возраст пальза близ поселка Елецкий, северо-восток Большеземельской тундры

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 17-05-00793 и 16-05-00977 и бюджетного финансирования Московского университета имени М.В. Ломоносова с использованием масс-спектрометрического оборудования, приобретенного на средства Программы развития МГУ.

Введение

Многие исследования не только геокриологов, но и почвоведов, болотоведов, геохимиков, биохимиков и т.п. в последние годы посвящены изучению особенностей строения и состава многолетнемерзлых буров пучения, типа пальза для реконструкций климата и условий окружающей среды в различные этапы голоцена. Также пальза являются чутким индикатором глобальных климатических и природных изменений, так как могут очень быстро реагировать на подобные изменения термокарстовыми просадками или морозным пучением в зависимости от тенденции климатических изменений конкретного района. Торфяной покров пальза - хороший архив геохимических и биохимических условий времени его формирования, которое в свою очередь надежно определяется с помощью радиоуглеродного датирования.

Район исследований и отбор образцов

В пределах выпуклобугристого массива в районе пос.Елецкая на северо-востоке Большеземельской тундры (рис. 1, а, б) детально исследован наиболее репрезентативный бугор пучения высотой 3 м, мощность торфа на вершине которого составляла около 1.4-1.5 м. Это один из наиболее изученных бугров пучения на данном бугристом массиве, в передах которого ранее нами ^[1-4] были изучены высокие зрелые бугры пучения высотой 3.5-4 м, невысокий, предположительно растущий, бугор, высотой не более 1.5 м, а также типичный разрушенный бугор пучения высотой около 2 м, представляющий собой понижение, лишенное растительного покрова, диаметром 4 м, глубиной относительно окружающего кольцевого вала (пьедестала) 0,3 м (рис.1, в).

Рис. 1. Район исследований на снимках Google Earth: а - расположение участка исследований на северо-востоке Большеземельской тундры; б – расположение массива с буграми относительно пос. Елецкий, в – детально исследованные бугры

Исследования проводились в конце сентября 2017 г., когда протаивание в пределах массива было максимальным. На вершине бугра пучения заложен шурф в талом торфе глубиной 70 см, со дна шурфа с помощью электро-ледобура MORA-ICE была пробурена скважина (рис. 2) в мерзлом торфе (глубиной около 70 см) и подстилающем его мерзлом суглинке (около 10 см). Ледяные включения в торфе и суглинке находились в виде тонких линз и гнезд. Были отобраны образцы торфа и грунта, после оттаивания образцов вода из них была отжата и перелита во флаконы для определения изотопного состава льда.

Рис. 2. Бугор пучения высотой 3 м, детально исследованный в районе пос.Елецкий: общий вид (а) бурение в мерзлом торфе (б). Фото Н.Буданцевой (а) и Ю.Васильчука (б)

Методы измерений

Измерения изотопного состава кислорода и водорода льда выполнены в режиме постоянного потока гелия (CF-IRMS) на масс-спектрометре Delta-V с использованием комплекса газ-бенч. Для калибровки измерений использовались международные стандарты V-SMOW, SLAP, собственный лабораторный стандарт МГУ – снег ледника Гарабаши (δ¹⁸О = –15.60 ‰, δ²Н = –110.0 ‰). Погрешность определений составила ± 0.6‰ для δ²Н и ± 0.1‰ для δ¹⁸O. Радиоуглеродное датирование торфа выполнено в лаборатории археологической технологии Института материальной культуры РАН.

Результаты и обсуждение

¹⁴С возраст торфа бугра пучения

Согласно ранее полученным и новым радиоуглеродным датировкам, бугры пучения в пределах исследованного массива имеют голоценовый возраст, особенно интенсивно процесс пучения происходил в период голоценового оптимума. В торфе бугра пучения высотой 4 м начало пучения и завершение субаквальной фазы развития бугра было выделено на глубине 0,3 м и датировано в 4,8 тыс. лет назад (табл. 1). Последующая субаэральная фаза длилась менее 5 тыс. лет. В толще торфа бугра пучения высотой 3,5 м по датировке 7.42-7.12 тыс. лет назад фиксируется осушение массива в результате начавшегося пучения ^{[1, 3]}.

Полученные в 2016 г. новые ¹⁴С датировки по торфу бугров пучения в районе пос.Елецкий подтвердили их голоценовый возраст (см. табл. 1). По торфу невысокого бугра пучения высотой 1,5 м получены 3 датировки из шурфа на вершине бугра: приповерхностный торф датирован в 1750 лет, на глубине 0.4 м – в 5590 лет, на глубине 0.5 м – в 6390 лет. У разрушенного бугра пучения с кратером в центральной части датирован торф кольцевого вала и оголенного пятна торфа в центральной части. Торф на кольцевом валу датирован от 2720 лет на глубине 0.1 м, торф с многочисленными остатками сосудистых растений на глубине 0.4 м датирован в 7390 лет. Торф волокнистый, с остатками сосудистых растений и разложившимися древесными остатками из шурфа на пятне оголенного торфа в центре бугра с глубины 0.1 м датирован в 7860 лет. Детально изученный бугор пучения высотой 3 м датирован от 1420 лет (на глубине 0.2 м) до 4345 лет (на глубине 0.4 м) на вершине бугра, древесные остатки в торфе на склоне бугра с глубины 0.2 м датированы в 6400 лет. Новые датировки подтверждают полученный нами ранее вывод о том, что около 6-7.8 тыс. лет назад близ пос.Елецкий начался процесс пучения и образования бугров, при этом некоторые бугры впоследствии протаяли и просели. Новый этап пучения зафиксирован около 2 тыс. лет назад, при этом скорость роста бугров, видимо была различной, высота образовавшихся бугров варьирует от 1.5 до 3 м.

Таблица 1. Радиоуглеродное датирование бугров пучения в районе ст. Елецкая в Большеземельской тундре

Содержание азота и углерода в торфе бугров пучения в районе пос.Елецкий

Определение содержания азота, углерода и серы в торфе, перекрывающем бугор пучения высотой 3 м, и в растениях, произрастающих на его поверхности, показало, что торф характеризуется в целом немного более высокими значениями содержания углерода (45-54% в торфе, 38-49% в растениях) и азота (1.7-2.7% в торфе, в среднем около 2% в растениях), содержание серы в торфе и растительности составило в среднем 0.3-0.4% (табл. 2).

Таблица 2. Содержание N, C, S (%) и изотопный состав углерода (δ¹³С) в современной растительности и талом торфе, перекрывающем бугор пучения высотой 3 м, пос.Елецкий

Значения δ¹³С в торфе варьируют в диапазоне от –27 до –29.8 ‰, составляя в среднем –28 ‰ (рис. 3). Возможно, в процессе аккумуляции торфа происходит сглаживание изотопных сигналов, в результате чего торфяной покров в целом характеризуется незначительными латеральными и радиальными различиями в изотопном составе углерода. Соотношение C/N в торфе на вершине бугра пучения в основной массе торфа составляет около 15, повышаясь до 30 в нижней части торфа и до 40 – в поверхностном торфе (см. рис. 3).

Рис. 3. Распределение значений δ¹³С и C/N в торфе на вершине бугра пучения высотой 3 м, пос. Елецкий, отбор 2015 г.

Факторы, определяющие содержание углерода и азота в торфе и изотопный состав углерода

В последние годы многие исследования посвящены изучению мерзлых торфяников как природных архивов для реконструкции климата и условий окружающей среды, а также как одного из резервуаров углерода.

Важным фактором, контролирующим аккумуляцию торфа, является отношение между формированием торфа и разложением органического материала. Это в свою очередь, зависит от климатических и гидрологических условий района. Наиболее важным фактором для реализации разложения торфа является уровень поверхностных вод. Из-за важной роли уровня воды (условий обводненности), торфяной профиль обычно разделяется на 2 зоны: зону преимущественного подтопления, характеризующуюся бескислородными условиями и медленной деструкцией торфа; и зону преимущественно аэрируемую, где скорости деструкции торфа высоки и начальные растительные остатки минерализованы ^[5]. Таким образом, можно полагать, что разложение торфа происходит медленно в течение периодов подтопления территории или влажного климата, и ускоряется в периоды осушения территории или засушливых климатических условий ^[6].

Одним из общих подходов к оценке уровня разложения торфа является использование отношения C/N. Этот подход базируется на обнаруженном обогащении N относительно С в ходе разложения органического вещества, т.е. низкие уровни C/N в торфе с высокой степенью разложения и высокие уровни C/N в плохо разложившемся торфе. Таким образом, постулируется, что изменения уровня C/N может указывать на изменения в увлажнении поверхности торфяника и изменения в скорости разложении торфа. Однако, отношение C/N может значительно варьировать между различными торфяниками ^[7], кроме того, изменения в растительных ассоциациях вместе с условиями увлажненности могут влиять на C/N и полностью маскировать сигнал разложения торфа.

Использование изотопного состава углерода органического вещества (ОВ) торфа в работе ^[8] показало, что изотопная характеристика торфа наследует изотопный состав растений и не подвержен изменениям в ходе деструкции ОВ. В других работах было показано, что быстрое уменьшение значений δ¹³С в верхней части профиля связано с предпочтительным разложением целлюлозы относительно лигнинов, последние отличаются легким изотопным составом ^[9].

В литературе информация по δ¹³С торфа интерпретируется по-разному. Изотопный состав углерода в торфе соотносится к несколькими процессам, среди которых способ фотосинтеза (различный для растений типа С₃ и С₄), температура во время формирования растений на поверхности болота, влажность поверхности болота и процессы разложения органического вещества. В работе ^[10] показано, что диагенез торфа вообще не влияет на величину δ¹³С в сфагнуме или экстрагированной целлюлозе. По данным ^[11] δ¹³C в молодом торфе зависит от температуры воздуха. В нескольких исследованиях было указано, что значения δ¹³С сфагнового торфа отражает поверхностные влажные условия ^{[12, 13]}.

В то время, как некоторые исследования показали, что значения δ¹³С понижаются при более сухих условиях ^[13] или в результате разложения торфа ^[14], в других исследованиях сообщалось о противоположном эффекте ^[15]. Тем не менее, это указывает на то, что на изотопный состав углерода торфа действительно могут влиять процессы разложения. С.Алевель с соавторами ^[16] проводили исследования вертикального распределения значений δ¹³С в торфе бугров пучения на севере Швеции и высказали предположение, что слои, характеризующиеся повышенными значениями δ¹³C, отвечают условиям аэробного разложения торфа на поверхности выпуклого бугра, т.е. стадии пучения и поднятия поверхности бугра над обводненным понижением. Также ими было показано различие в изотопном сигнале растений-торфообразователей: значения δ¹³C варьируют в основном от –20‰ в олиготрофных мхах до –29‰ в эвтрофных осоках ^[16]. Исследования Дж.П.Крюгера с соавторами ^[17] показали, что вертикальные профили δ¹³C торфа в ненарушенных буграх пучения показывают два тренда: повышение значений δ¹³C от поверхности до некоторой глубины (“поворотная точка”), затем снижение значений до основания торфяного слоя. В разрушенных буграх пучения такого распределения значений δ¹³C не прослеживается, изотопный профиль имеет равномерный характер, что отражает процессы деградации и криотурбации. Тренд повышения значений δ¹³C с глубиной, наиболее вероятно, отражает период поднятия поверхности бугра над окружающим болотом с аэробным типом разложения в верхней части и анаэробным – в нижней части. Это предположение поддерживается более высокими значениями соотношения С/N над “поворотной точкой” и более низкими значениями - ниже нее, отражая омботрофные и минеротрофные условия, соответственно. Для пяти из шести изученных разрушающихся межбугровых понижений получены ожидаемые изотопные профили: снижение значений δ¹³C с глубиной, что указывает на аккумуляцию неразложившегося материала с глубиной как результат анаэробной деградации в исследуемых торфяниках.

Низкие значения δ¹³С в поверхностных слоях торфяников могут быть связаны с увеличением доли травянистой растительности на поверхности болота или с эффектом Сьесса, который вызвал уменьшение значений δ¹³С в атмосферном углероде с −6.5 до −8.0 ‰ с начала индустриальной эпохи ^[18].

Ряд современных публикаций посвящен применению анализа изотопного состава углерода и соотношения углерода и азота (C/N) для выявления цикла углерода в озерах на основе исследования озерных отложений. Показана зависимость вариаций значений δ¹³С в озерных отложениях и климатических условий. Факторами, определяющими данную зависимость, являются преобладание органики наземных или водных растений. Так как водная растительность содержит больше азота, чем наземная, то соотношение C/N в органике, сформированной водными растениями, как правило, намного ниже (<10), чем в органике, состоящей преимущественно из наземных растений (>20). Этот показатель является хорошим инструментом для количественной и качественной оценки соотношения водных и наземных растений в органическом веществе озерных отложений.

Также этот показатель, наряду с данными по δ¹³С позволяет оценить условия увлажнения в исследуемом районе. Повышенная сухость в течение летних периодов приводит к снижению поверхностного стока в озера и усилению испарения, что в свою очередь приводит к обогащению ¹³С органики озерных отложений и более высоким значениям δ¹³С. В условиях более влажного климата в озеро поступает большее количество растворенного углерода с территории водосбора, обедненного ¹³С, что приводит к снижению значений δ¹³С в озерных отложениях. Этот эффект был прослежен для донных отложений озер в Канадской Арктике, на п-ове Таймыр ^{[19, 20]}.

Исследования полигональных торфяников в северном Юконе, Канада, с применением метода анализа содержания органического углерода, изотопного состава углерода и соотношения C/N, показали наличие зависимости этих параметров от преобладающего типа растительности и степенью развития озерно-болотной системы. Так, низкие значения соотношения C/N и высокие значения δ¹³С свидетельствуют о развитии термокарстового озера и преобладанием водорослей в органическом веществе. Осушение озера отражает переход к доминированию наземной растительности и как следствие повышению значений соотношений C/N и снижению значений δ¹³С. Именно на этой стадии около 3950 лет назад согласно ¹⁴С датированию торфа, в пределах озерно-болотного массива началось растрескивание и формирование повторно-жильных льдов ^[21].

Стабильные изотопы кислорода и водорода во льду бугра пучения

В образцах льда, отобранного из мерзлого торфа на вершине бугра пучения высотой 3 м, значения δ¹⁸О варьировали от –15.89 до –14.02‰ (среднее значение –15.2‰), значения δ²H – от –102.3 до –111.8‰ (среднее значение – 107.6‰), величина дейтериевого эксцесса изменяется от 7,6 до 18.6‰ (табл. 3).

Таблица 3. Изотопный состав льда ледяного ядра бугра пучения высотой 3 м у пос. Елецкий

Для сегрегационного ледяного ядра бугра пучения получено соотношение δ²H = 4.73 δ¹⁸О – 35.68. Наклон линии регрессии около 5, как правило, свидетельствует о процессах испарения воды, что и было нами обнаружено для образцов поверхностных вод вблизи бугра (рис. 4).

Рис. 4. Соотношение δ¹⁸О–δ²H для сегрегационного льда ядра бугра пучения и поверхностных вод вблизи бугра

Нами также были получены значения изотопного состава кислорода в атмосферных осадках и поверхностных водах в пределах бугристого массива у пос.Елецкий для июля 2016 г.: значения δ¹⁸О в маленьком озере в межбугровом понижении составили в среднем –9,3 ‰, в дожде в июле –10.25 ‰, в воде из увлажненного понижения между буграми - –13.7‰, лед из верхней части ядра бугра пучения - –13.8‰. Лед из верхней части бугра пучения высотой 3 м, исследованного в 2017 г. характеризуется заметно более низкими значениями δ¹⁸О (на 1.5-5‰ ниже), чем поверхностные воды и осадки в летне-осенний сезон, но при этом более высокими, чем зимние осадки: так, зимний снег, отобранный нами в конце декабря 2003 г. районе пос.Полярный, расположенного примерно в 50 км восточнее пос.Елецкий, характеризовался значениями δ¹⁸О от –18.7 до –27.2‰, значениями δ²H – от –135.1 до –198.6‰.

Сегрегационный лед, по условиям своего образования, в идеальных условиях должен формироваться в закрытой системе с выраженным изотопным фракционированием. Д.Ласеллем был выполнен расчет распределения значений δ¹⁸О и δ²H в последовательно формирующихся фракциях льда по модели Релея (изотопное истощение в закрытой системе, т.е. промерзание ограниченного объема воды) с учетом равновесных коэффициентов фракционирования αвода-лед. В работе Д.Ласелля ^[22] показано, что значения δ¹⁸О и δ²H льда, образованного в закрытой системе, формируют на диаграмме δ¹⁸О и δ²H линию с наклоном от 6 до 7. Подобное же распределение значений на диаграммах δ¹⁸О–δ²H (с угловым коэффициентом менее 8) было получено в натурных наблюдениях за изотопным составом текстурных льдов на побережье моря Лаптева ^{[23, 24]} и в лабораторном эксперименте по промораживанию водонасыщенных суглинков ^[25].

Расположение фигуративных точек сегрегационного льда на диаграмме δ¹⁸О–δ²H на линии с наклоном меньше 8 позволяет использовать еще один интерпретационный подход – корреляцию между δ²H и d_exc. Было показано, что для льдообразования в закрытой системе характерна выраженная обратная корреляция δ²H с d_exc ^[22]. На диаграмме δ²H–d_exc (рис. 5) не выражено связи значений дейтериевого эксцесса с δ²H (низкий коэффициент достоверности линейной аппроксимации). Такое распределение характерно для атмосферных осадков. Это позволило нам предположить, что полученный линейный тренд для образцов сегрегационного льда (см. рис. 4) не маркирует льдообразование в закрытой системе, а является просто областью значений с большим разбросом, и отражает вариации изотопного состава в атмосферных осадках.

Рис. 5. Соотношение δ²H–d_exc для сегрегационного льда ядра бугра пучения

Следовательно, лед в верхней части бугра пучения формировался преимущественно из атмосферной влаги, и условия для закрытой системы не были реализованы, либо промерзание происходило достаточно быстро и изотопное фракционирование не выражено.

Распределение значений δ¹⁸О льда по глубине имеет выраженную тенденцию к утяжелению значений с глубиной (рис. 6). Можно предположить, что лед на глубинах 140-160 см был сформирован, когда бугор только начал свое поднятие над окружающими понижениями, и участие вод окружающего болота в формировании льдистого ядра было еще велико. Затем по мере роста бугра вверх, все большую роль стали играть атмосферные осадки в качестве источника влаги для формирования льда. На глубинах 89-98 см лед по нашему мнению формировался преимущественно из атмосферных осадков, выпадающих на поверхность уже высокого бугра и просачивающихся сквозь толщу торфа к кровле многолетнемерзлых пород.

Косвенно об этом могут свидетельствовать высокие величины d_exc (см. табл. 1), которые будучи унаследованы из атмосферных вод, более характерны для зимнего периода в северном полушарии ^[26]. Также высокие значения dexc в свежем снеге были установлены Ю.Н.Чижовой и Ю.К.Васильчуком в едином снегопаде в предгорьях Полярного Урала в зимний сезон 2004 г. ^[27], а также в толще зимнего снега, опробованной в районе пос. Полярный (величины d_exc варьировали от 14,3 до 19,6).

Рис. 6. Распределение значений δ¹⁸О в сегрегационном льду ядра бугра пучения по глубине

На возможность формирования льдистого ядра торфяных плато за счет атмосферных осадков указывал С.Харрисом с соавторами ^{[28, 29]}. Ими были детально исследованы торфяные плато, по ряду признаков образовавшиеся именно в результате пучения, в юго-восточном Юконе в Канаде. Было показано, что во льду торфяного плато (от сезонно-талого слоя до глубины 3.5-4 м) значения δ¹⁸О варьировали от –18 до –23‰, δ²Н – от –145 до –184‰, при этом изотопно-кислородный и дейтериевый состав вод из болотных отложений отличался от состава льда в целом менее отрицательными значениями в среднем на 2-3‰ по δ¹⁸О и на 20‰ по δ²Н. Линия соотношения δ¹⁸О-δ²Н для болотных вод имеет наклон 5.8, что указывает на испарение болотных вод, линия соотношения δ¹⁸О-δ²Н для льда торфяного плато имеет наклон 6.7, что близко к атмосферным осадкам ^[28]. Основываясь на результатах изотопных исследований льда торфяной площади пучения и вод окружающего болота С.Харрис с соавторами пришел к выводу, что поскольку соотношения δ¹⁸О и δ²Н для льда из мерзлого ядра площади почти идентичны соотношениям δ¹⁸О и δ²Н для льда перекрывающего его сезонно-талого слоя в конце весны, но при этом отличаются от изотопных значений и соотношений δ¹⁸О-δ²Н для воды из болотных отложений, то лед в пределах площади пучения сформировался, скорее за счет осадков, чем за счет болотных вод, мигрирующих к фронту промерзания.

Ф.Калмель, проводя исследования минеральных бугров пучения (литальза) в Северном Квебеке в Канаде, также предположил, что вода, питающая растущие линзы сегрегационного льда, имеет атмосферное происхождение и представляет собой смесь дождевых и талых снеговых вод. Основанием для такого вывода являлось значение наклона линии соотношения δ¹⁸О-δ²Н во льду литальза, равный 7,4, что близко к значению для осадков ^[30]. При этом рассматривая вертикальное распределение значений изотопного состава во льду литальза Ф.Калмель отметил очевидный тренд утяжеления изотопного состава с глубиной примерно на 1.2‰ по δ¹⁸О. Возможное объяснение этому Ф.Калмелю видится в том, что наиболее древний текструообразующий лед находится вблизи поверхности и образовался в течение наиболее холодного периода, в то время как придонный лед формировался в постепенно улучшающихся климатических условиях ^[30].

Подобный тренд отмечен и в исследованном нами сегрегационном льду в торфе бугра пучения у пос.Елецкий. Поэтому нельзя полностью исключать гипотезу о начале роста бугра в более холодных, по сравнению с современными, климатических условиях, тем более, что тренд повышения среднегодовых температур воздуха в исследуемом районе в последние десятилетия зафиксирован по ряду метеостанций.

Выводы

1. Комплексно изотопными методами исследована торфяная залежь, перекрывающая бугры пучения типа пальза у пос. Елецкий.

2. Показана возможность бурения скважин в мерзлом торфе, перекрывающем пальза с помощью электро-ледобура.

3. Впервые для бугров пучения Большеземельской тундры показана возможность частичного формирования льдистого ядра не только за счет болотных вод, мигрирующих к фронту промерзания, но и за счет атмосферных осадков, выпадающих на поверхность бугра и просачивающихся сквозь толщу торфа к кровле многолетнемерзлых пород.

4. Возраст торфа детально изученного бугра пучения высотой 3 м определен в центральной его части в интервале от 1420 лет до 6400 лет, а в просевшем бугре от 2720 до 7860 лет. Радиоуглеродное датирование подтвердило, ранее полученный авторами вывод, что около 6-7.8 тыс. лет назад близ пос.Елецкий начался процесс пучения и образования бугров, при этом некоторые бугры впоследствии протаяли и просели. Новый этап пучения зафиксирован около 2 тыс. лет назад.