Геохимический состав голоценовых и позднеплейстоценовых повторно-жильных льдов в едомных толщах Станчиковского Яра и у пос. Черский, северная Якутия

Буданцева Надежда Аркадьевна кандидат географических наук старший научный сотрудник, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ) 119992, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, стр. 19 Budantseva Nadine Arkad'evna PhD in Geography Senior Scientific Reserach, the department of Geography, M. V. Lomonosov Moscow State University  119992, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, stroenie 19 nadin.budanceva@mail.ru Другие публикации этого автора

Васильчук Юрий Кириллович доктор геолого-минералогических наук профессор, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2009 Vasil'chuk Yurij Kirillovich Doctor of Geology and Mineralogy Professor, the department of Geochemistry of Landscapes and Geography of Soils, M. V. Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 2009 vasilch_geo@mail.ru

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 18-05-60272 (полевые исследования) и № 20-05-00782 (гидрохимические определения)

Введение

Химический состав повторно-жильных льдов является индикатором гидрохимической обстановки времени формирования жил так как образование повторно-жильного льда происходит в морозобойных трещинах, чаще всего в результате их заполнения талой снеговой водой. сам механизм формирования жил указывает на то, что преимущественно в них зафиксированы зимние гидрохимические условия, а они в самых разных ландшафтных обстановках могут быть очень близкими, т.к. зимой снежная толща, покрывающая поверхность даже в контрастных условиях, например, сильно засоленного марша и торфяного болота может иметь очень близкий химический состав. этим преимущественно объясняется ограниченный интерес геохимиков и геокриологов к химическому составу повторно-жильных льдов. В англоязычной литературе известно не более 3-4 публикаций, где использован химический состав подземных льдов при их исследовании ^{[1, 2]}. В отечественной литературе интерес к гидрохимическим исследованиям подземных льдов заметно более выражен. Из ранних работ можно вспомнить публикацию А.Н.Толстого о сильнозасоленном образце повторно-жильного льда, обнаруженного в обнажении на берегу озера на Индигирской низменности ^[3]. Интерес к гидрохимии мерзлых толщ возрос при интенсивных площадных исследованиях на морских побережьях. К работам этого времени относятся монографии Н.П.Анисимовой ^[4] и Г.И.Дубикова ^[5]. Однако в этих публикациях основное внимание уделялось мерзлым толщам и только фрагментарно подземным льдам. В процессе создания серии мелкомасштабных геокриологических карт на территорию Западной Сибири в Тюменской экспедиции МГУ, руководимой проф. В.Т.Трофимовым, геохимическому составу подземных льдов было уделено значительное внимание. Об этом говорит серия статей Ю.К.Васильчука и В.Т.Трофимова ^[6-8] посвященная криогидрохимическим особенностями повторно-жильных льдов Ямало-Гыданской провинции, основанная на анализе нескольких сотен образцов голоценовых и десятков образцов позднеплейстоценовых повторно-жильных льдов. В дальнейшем работы на севере Западной Сибири, Якутии и Чукотке по изучению геокриологических особенностей едомных толщ под руководством проф. Ю.К.Васильчука включали в качестве непременной компоненты изучение гидрохимии повторно-жильных льдов: в Сеяхинской едоме ^[9], в едоме Дуванного Яра ^[10], в едоме Кулара ^[11] и едоме Плахинского Яра ^[12] в едоме Зеленого Мыса ^[13] и т.д.

Было выполнено сопоставление гидрохимии позднеплейстоценовых жил севера Российской Арктики ^[14] и показано, что минерализация повторно-жильных льдов может быть хорошим индикатором смены ландшафтов ^[15]. Можно отметить еще несколько работ, в которых гидрохимия подземных льдов послужила хорошим подспорьем для изучения их происхождения: это работы А.В.Иванова ^[16], рассмотревшего криогенную метаморфизацию химического состава природных льдов при замерзании вод, коллектива тюменских геокриологов, работающих под руководством Е.А.Слагоды, рассмотревших гидрохимию голоценовых повторно-жильных льдов о-ва Сибирякова ^[17], а также полигонально-жильных льдов в торфяниках Пур-Тазовского междуречья ^[18] и гидрохимический и микроэлементный состав разных типов подземных льдов мыса Марре-Сале ^[19]. Интересны и исследования под руководством С.В.Алексеева ^{[20, 21]}, посвященные гидрохимическим особенностям текстурных льдов в мерзлых толщах долины р.Сенцы. Авторами детально изучен гидрохимический состав голоценовых повторно-жильных льдов Южного и Центрального Ямала, северо-востока Чукотки и района города Анадырь ^[22-24]. Показано, что низкие значения минерализации жил Чукотки демонстрируют преимущественно атмосферный источник питания льда, т.е. зимние осадки, преобладание натрия и хлора в составе солей указывает на захват морских аэрозолей осадками или ветровой привнос капель с морской акватории на поверхность снежного покрова. Однако, формирование жил в пределах торфяников не исключает вероятности участия болотных вод в их питании. Голоценовые повторно-жильные льды Ямала характеризуются ультрапресным и пресным составом, в составе ионов преобладают гидрокарбонаты и кальций. Высокая минерализация и резкое повышение содержания отдельных ионов позволяет предположить участие поверхностных вод в формировании льда.

Районы исследований и методы измерений

Предметом исследования являются изученные авторами голоценовые и позднеплейстоценовые повторно-жильные льды, вскрытые в районе поселка Черский и в едомной толще Станчиковского Яра на реке Малый Анюй в низовьях р.Колымы (рис. 1).

Рис. 1. Местоположение района исследований. 1 – пос.Черский, 2 – Станчиковский Яр.

В едоме Станчиковского Яра высотой от 25 до 35 м более чем в 20 фрагментах разреза на разных высотах – от 10 до 35 м – вскрыты многоярусные сингенетические повторно-жильные льды (рис. 2). В едомной толще на окраине пос. Черский вскрыты сравнительно небольшие фрагменты ледяных жил, шириной до 1,5 м и высотой до 2 м (рис. 3). В 1,5-2 км от пос.Черский в пределах озерно-болотного понижения в овраге вскрыты голоценовые ледяные жилы. Лед жил серовато-желтый, вертикально-слоистый.

Рис. 2. Жилы нижнего яруса многоярусных сингенетических повторно-жильных льдов в едомной толще Станчиковского Яра на реке Малый Анюй. Фото Ю.Васильчука

Рис. 3. Сингенетические повторно-жильные льды в едомной толще, вскрытой на окраине пос. Черский: а – располагающиеся вне зоны влияния антропогенной деятельности, б – загрязненные горюче-смазочными материалами. Фото Ю.Васильчука

Повторно-жильные льды в этих трех разрезах были опробованы для уточнения геохимических условий их формирования. Основными методами исследования являются полевое изучение повторно-жильных льдов и вмещающих их отложений, их опробование и анализ химического состава льда жил. Для гидрохимических определений был произведен отбор проб повторно-жильного льда по горизонтали и вертикали с интервалом 10-15 см (рис. 4).

Рис. 4. Схема отбор образцов льда из голоценовой ледяной жилы в районе пос.Черский (а), из позднеплейстоценовой ледяной жилы в районе пос.Черский (б) и из жилы нижнего яруса едомы Станчиковского Яра (в): 1 – супесь; 2 – суглинок; 3 – торф; 4 – насыпной грунт (суглинок и щебень); 5 – ледяные жилы; 6 – точки отбора образцов льда

Образцы льда для гидрохимического анализа были растоплены при комнатной температуре, перелиты в пластиковые флаконы, которые дополнительно были упакованы в пленку ‘Parafilm M”для минимизации испарения и защиты от разлива в процессе авиатранспортировки. До измерений флаконы хранились в холодильнике при температуре +3^оС. Ионный состав льда определялся на ионном хроматографе «Стайер» методом ионной хроматографии в лаборатории Эколого-геохимического научно-образовательного центра кафедры геохимии ландшафтов и географии почв Географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова. Предел детектирования по хлорид-иону составил 0,02 мг/л. В пробах была определена общая минерализация и концентрация 7 ионов – Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, SO₄^2- и NO₃^-.

Результаты

Радиоуглеродный возраст жил

Возраст повторно-жильные льдов в едомной толще, вскрытой в разрезе Станчиковского Яра, согласно радиоуглеродным датам, приведенным С.В.Губиным и О.Г.Заниной ^[25] определяется от 37-34 тыс. лет (здесь ими получены даты 42 200 ± 800 лет, ГИН-12872 и чуть выше 37 400 ± 1200 лет, ГИН-12870) в нижней части до 28-27 тыс. лет в верхней части профиля, где ими получена дата 27 700 ± 300 лет (ГИН-10874), а из материала растительной подстилки из норы суслика, расположенной в толще подстилающей почву супеси, 28 200 ± 600 лет (ИЭМЭЖ-1190).

Возраст повторно-жильных льдов в едомной толще, вскрытой на окраине пос. Черский может быть приблизительно установлен с учетом радиоуглеродных данных, полученных по сборам B.Г. Миллера (как он описывает: из 10-15-метровой террасы правого берега р. Колымы). Здесь получены 2 даты ^[26]: 33900 ± 500 лет (RI-111) т.е. от 40153 до 36366 калибр. лет, в среднем 38312 калибр. лет по торфу, плохо разложившемуся с травянистыми включениями, и ниже по разрезу – 38700 ± 700 лет (RI-115), т.е. 44741-41383 калибр. лет, в среднем 42736 калибр. лет по торфу, плохо разложившемуся ^[27].

Минерализация и ионный состав повторно-жильных льдов

Полученные данные по ионному составу исследованных жил показывают, что содержание ионов в целом довольно низкое как в голоценовой жиле, так и в позднеплейстоценовых жилах. Наиболее низкие значения получены для Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Cl^- и SO₄^2- – во всех исследованных жилах концентрация этих ионов не превышает 5 мг/л (табл. 1, рис. 5, 6). В голоценовой жиле значения содержания Na⁺ варьировали от 0,9 до 1,7 мг/л (среднее 1,3 мг/л), K⁺ - от 1,4 до 3,6 мг/л (среднее 2,5 мг/л), Mg²⁺ – от 1 до 1,6 мг/л (среднее 1,2 мг/л), Cl^- - от 2,3 до 4 мг/л (среднее 3,3 мг/л) и SO₄^2- – от 0,7 до 1,7 мг/л (среднее 1,2 мг/л). В жилах из едомной толщи в районе пос.Черский значения содержания Na⁺ варьировали от 1 до 2 мг/л (среднее 1,6 мг/л), K⁺ – от 0,5 до 2 мг/л (среднее 1 мг/л), Mg²⁺ – от 2,7 до 3,7 мг/л (среднее 3,2 мг/л), Cl^- – от 1,4 до 2,6 мг/л (среднее 1,8 мг/л) и SO₄^2- – от 2,1 до 3,1 мг/л (среднее 2,6 мг/л). Близкие значения содержания этих ионов отмечено и в жиле нижнего яруса едомы Станчиковского Яра: значения содержания Na⁺ варьировали от 0,6 до 1,5 мг/л (среднее 0,8 мг/л), K⁺ – от 0,2 до 2,2 мг/л (среднее 1 мг/л), Mg²⁺ – от 0,7 до 2 мг/л (среднее 1,2 мг/л), Cl^- – от 0,7 до 2,6 мг/л (среднее 1,2 мг/л) и SO₄^2- – от 0,7 до 1,8 мг/л (среднее 1,2 мг/л). Наиболее высокие значения и значительная вариабельность получена для ионов Ca²⁺ и NO₃^-. При этом во льду голоценовой жилы концентрация этих ионов в целом оказалась довольно невысокой: значения содержания Ca²⁺ варьировали от 4,4 до 12,4 мг/л (среднее 6,4 мг/л), значения NO₃^- – от 2,9 до 14,1 мг/л (среднее 8,7 мг/л), максимальные значения ионов отмечены в краевой части жилы (см. рис. 5). В позднеплейстоценовых жилах концентрация иона Ca²⁺ заметно выше, чем в голоценовой: в жиле из едомы вблизи Черского значения содержания Ca²⁺ варьировали от 16 до 22,6 мг/л (среднее 19,3 мг/л), в жиле едомы Станчиковского Яра – от 3 до 26,8 мг/л (среднее 8 мг/л). Вариации содержания иона NO₃^- в позднеплейстоценовых жилах оказалось контрастным: в жиле из едомы вблизи Черского значения содержания NO₃^- варьировали от 0,4 до 7,7 мг/л (среднее 5 мг/л), в жиле едомы Станчиковского Яра – от 0,1 до 27,6 мг/л (среднее 9,5 мг/л). Для сравнения можно привести данные по ионному составу ближайших рек – Колымы и Малый Анюй. Также, как и во льду жил, в воде рек наиболее низкие значения (не выше 5 мг/л) получены для Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Cl^- (см. табл. 1, рис. 6), очень низкая концентрация нитратов (содержание иона NO₃^- не выше 0,3 мг/л), при этом высокие концентрации отмечены для ионов Ca²⁺ (12,4 и 32,8 мг/л) и SO₄^2- (20,4 и 37,1 мг/л).

Рис. 5. Вариации значений концентрации ионов во льду голоценовой жилы в районе пос.Черский (а), во льду позднеплейстоценовой жилы в районе пос.Черский (б) и во льду жилы из нижнего яруса едомы Станчиковского Яра (в)

Рис. 6. Средние значения ионного состава во льду голоценовой жилы в районе пос.Черский (а), во льду позднеплейстоценовой жилы в районе пос.Черский (б), во льду жилы из нижнего яруса едомы Станчиковского Яра (в) и в реках Колыма и Малый Анюй.

Таблица 1. Концентрация ионов (мг/л) во льду голоценовой жилы в районе пос.Черский и позднеплейстоценовых жил в едоме Станчиковского Яра и в едоме близ пос.Черский

Сопоставление гидрохимического состава голоценовых и позднеплейстоценовых жил в низовьях р.Колымы и современного снега

Сравнение полученных нами данных с гидрохимическим составом позднеплейстоценовых повторно-жильных льдов некоторых других районов низовий Колымы показало некоторые общие закономерности в соотношении концентраций отдельных ионов (Mg²⁺, Cl^- SO₄^2- суммы Na⁺+ K⁺ и Ca²⁺), хотя определения ионного состава выполнялись с применением разны методов (титрования и ионной хроматографии).

В жилах у Стадухинской протоки р.Колымы вариации значений иона Ca2+ составили от 14 до 39,7 мг/л, содержание ионов Mg²⁺, Cl^- SO₄^2- суммы Na⁺+ K⁺, в целом оказались ниже – не более 10 мг/л в 90% опробованных образцов. В отдельных пробах выявлено содержание иона SO₄^2- от 10 до 20 мг/л. Близкая картина соотношения ионов отмечена и во льду жил из едомы Дуванного Яра ^[28]. Содержание иона Ca²⁺ заметно выше (от 10 до 69,7 мг/л), чем содержание ионов Mg²⁺, Cl^- SO₄^2- суммы Na⁺+ K⁺, концентрация которых в большинстве проб не выше 10-15 мг/л. В отдельных образцах льда (по-видимому, содержащих значительное количество минеральных примесей) отмечены повышенные концентрации всех ионов при высоких значениях общей минерализации (200-400 мг/л). Можно также отметить, что содержание кальция во вмещающих грунтах (едома Стадухинской протоки) сопоставимо и иногда ниже, чем содержание ионов Cl^-, SO₄^2- суммы Na⁺+ K⁺, следовательно, нельзя считать повышенное по сравнению с другими содержание иона Ca²⁺ только влиянием вмещающих пород.

Известно, что повторно-жильные льды формируются преимущественно из талого снега, затекающего весной в открытые морозобойные трещины. В связи с этим проанализированы данные по химическому составу снега Якутии. Как показали исследования В.Н.Макарова с соавторами ^[29] для большей территории Якутии характерен однородный гидрокарбонатный натриево-кальциевый состав снега. Также характерной особенностью снежного покрова большей части территории Якутии является низкое содержание сульфатов, при этом высокое содержание сульфатов в снеге отражает техногенное загрязнение атмосферы промышленными выбросами ^[29].

Исследование химического состава снежного покрова в пределах Эльконского ураново-рудного района в Южной Якутии показали, что снеговая вода в районе исследований гидрокарбонатно-кальциевая ультрапресная, с диапазоном изменения минерализации в пределах 8,0-14,8 мг/л. Для снежного покрова всех типов горных мерзлотных ландшафтов характерно идентичное соотношение макрокомпонентов:

HCO₃^- > Cl^- > SO₄^2- > NO₃^-; Са²⁺ > Na⁺ > Mg2⁺ > NH₄^- > K⁺.

Такое соотношение ионов и преобладание гидрокарбонатов кальция отражает континентальность климата и перенос солей из глубины азиатского материка. В северной части Якутии вдоль побережья арктических морей (не более 100 км вглубь континента) состав снега преимущественно гидрокарбонатный хлоридно-натриевый, что связано с атмосферным переносом морских солей и их преобладанием в составе осадков как в теплое, так и в холодное время года ^[29]. Также показано, что к концу снеготаяния из снега вымывается от 30 до 70% ионов ^{[30, 31]}.

В исследованных нами жилах отмечено следующее соотношение ионов:

NO₃^- >Cl^- > SO₄^2-; Са²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ >Na⁺. В воде рек Колыма и Малый Анюй существенно возрастает доля иона SO₄^2- (до 20-37 мг/л), а содержание иона NO₃^- заметно ниже, чем во льду жил и не превышает 0,3 мг/л (см. табл. 1, рис. 6). Это может указывать на то, что речная вода не принимала участия в формировании льда жил. Ранее нами было показано высокое содержание иона NO₃^- (23-82 мг/л) в некоторых фрагментах голоценовых повторно-жильных льдов вблизи г.Анадырь на востоке Чукотки ^[24], что объяснялось тем, что жилы формировались в обстановке с высокой степенью биологической активности (формирующийся торфяник). В исследованных нами жилах в районе пос.Черский и в едоме Станчиковского Яра в некоторых образцах жил также отмечены повышенные концентрации нитратов – до 13-14 мг/л в голоценовой жиле и до 15-27 мг/л в позднеплейстоценовых жилах. Это также указывает на формирование жил в условиях заболоченных полигональных ландшафтов, где происходит разложение органики как растительного, так и животного происхождения. Известно, что в позднем плейстоцене на севере Якутии высокая активность мамонтовой фауны и поступление в почву большого количества продуктов их жизнедеятельности ^[32]

Заключение

Основными выводами проведенного исследования являются: 1) содержание ионов Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Cl^- и SO₄^2- в голоценовых и позднеплейстоценовых жилах, исследованных на севере Якутии в районе пос.Черский и Станчиковский Яр, очень низкое и в среднем не превышает 5 мг/л; 2) наиболее высокие значения отмечены для иона Ca²⁺ – в среднем от 6,4 мг/л в голоценовой жиле до 8-19 мг/л – в позднеплейстоценовых жилах. Это соответствует преобладанию иона Ca²⁺ в современном снеге Якутии и отражает континентальный тип засоления снежного покрова и указывает на преимущественное формирование жил из талого снега; 3) отмечены высокие значения NO₃^-, достигающие в голоценовой жиле и до 27 мг/л в позднеплейстоценовых жилах. Это, вполне вероятно, связано с заболоченностью полигональных ландшафтов, где происходит разложение органики как растительного, так и животного происхождения

Авторы благодарны Л.В.Добрыдневой за помощь в гидрохимических определениях.