CC BY
9
Арктический вектор геологических исследований Arctic vector of geological research
УДК 551.312.2(470.11):51—7(550.93) DOI: 10.19110/geov.2022.11.5
Сравнение моделей 210РЬ-датирования применительно к торфяным отложениям Европейской Субарктики России (на примере Архангельской области)
Е. Ю. Яковлев, А. А. Кудрявцева, А. С. Орлов
ФИЦ Комплексного изучения Арктики им. Н. П. Лавёрова УрО РАН, Архангельск evgeny.yakovlev@fciarctic.ru, pieepl@yandex.ru, alseror@yandex.ru
Датирование молодых торфяников методом 210Pb является сложной задачей. Стандартные модели 210РЬ-датирования требуют экспоненциального снижения активности вниз по торфяному профилю. В торфяных залежах арктических территорий мы отмечаем значительную миграционную способность свинца, поэтому для точного датирования торфа требуется усовершенствование имеющихся моделей датирования для устранения эффекта миграции и их проверка с использованием независимых изотопных хронометров, например 137Cs.
Мы применили несколько моделей CA, CFCS, PF, CF совместно с методом Монте-Карло для торфяного керна, отобранного в пределах Европейской Субарктики России (Архангельская область). Сопоставление с установленной на глубине 19-21 см удельной активностью 137Cs, связанной с глобальными выпадениями 1963 г., показало, что наиболее близкий возраст к указанной реперной точке дают модели CFCS и CF (1965 и 1962 гг. соответственно). Среди этих двух вариантов CF с применением метода Монте-Карло оказался предпочтительным, поскольку обеспечивал с учётом погрешности немного лучшее согласование с удельной активностью 137Cs в реперном горизонте. Несмотря на трудности, связанные со сложным распределением 210РЬ по торфяному разрезу, применяемые методы датирования оказались успешными и в дальнейшем могут быть применены для датирования других торфяных отложений.
Ключевые слова: торфяной керн, датирование, 210Pb,137Cs, Архангельская область, Россия.
Comparison of 210Pb dating models as applied to peat deposits of the European Subarctic of Russia (evidence from the Arkhangelsk region)
E. U. Yakovlev, A. A. Kudryavtseva, A. S. Orlov
N. Laverov Federal Center for integrated Arctic Research of UB RAS
The dating of young peatLands with 210Pb method is a difficult task. Standard 210Pb dating models require an exponential decrease in activity down the peat profile. In Arctic peatLands, we note a significant migratory capacity of Lead, therefore, for accurate dating of peat, it is necessary to improve the existing dating models to eliminate the effect of migration and their verification using independent isotope chronometers, for example, 137Cs. We applied several models CA, CFCS, PF, CF together with the Monte Carlo method for peat core samples taken within the European Subarctic of Russia (Arkhangelsk region). Comparison with the specific activities of 137Cs, determined at a depth of 19-21 cm, associated with the global fallout in 1963, showed that the closest age to the specified reference point is given by the CFCS and CF models (1965 and 1962, respectively). Among these two options, CF using the Monte Carlo method turned out to be preferable, since it provided, taking into account the error, a slightly better agreement with the specific activities of 137Cs in the reference horizon. Despite the difficulties associated with the complex distribution of 210Pb over the peat section due to migration, the dating methods used were successful and, in the future, can be applied to dating other peat deposits.
Keywords: peat core, dating, 210Pb,137Cs, Arkhangelsk region, Russia.
На Европейском Севере России основные биоценозы представлены омбротрофными болотами, преимущественными источниками питания которых являются аэрозоли, пыль и атмосферные осадки [17]. Исследователи отмечают, что торфяники — это архив атмосферных загрязнителей, в том числе радиоак-
тивных элементов. Последние содержат ценную информацию об изменениях климатических условий в регионе и поступивших загрязнениях, которые могут быть получены в ходе абсолютного датирования, например методом датирования по избыточному 210Pb [4, 9].
Для цитирования: Яковлев Е. Ю. , Кудрявцева А. А. , Орлов А. С. Сравнение моделей ^^-датирования применительно к торфяным отложениям Европейской Субарктики России (на примере Архангельской области) // Вестник геонаук. 2022. 11(335). C. 35-42. DOI: 10.19110/geov.2022.11.5
For citation: Yakovlev E. U., Kudryavtseva A. A., Orlov A. S. Comparison of 210Pb dating models as applied to peat deposits of the European Subarctic of Russia (evidence from the Arkhangelsk region). Vestnik of Geosciences, 2022, 11(335), pp. 35-42, doi: 10.19110/geov.2022.11.5
Отметим, что ввиду заметной миграционной способности Pb в современных торфяниках датирование указанным методом является трудной задачей, поскольку стандартные модели датирования подразумевают экспоненциальное снижение активности 210Pb с глубиной керна. Для точного датирования требуется корректный подбор моделей датирования, с их усовершенствованием и последующей проверкой с использованием независимых радиоизотопов, например 137Cs. Обоснованием этого служит то, что пики антропогенных радионуклидов в естественных отложениях коррелируют с конкретными событиями в истории радиоактивных выпадений, в частности с подписанием договора о частичном запрещении ядерных испытаний в 1963 году, обеспечивая подходящий ориентир для этого исследования. В настоящем исследовании авторами использовались такие модели датирования, как CA (модель постоянной активности), CFCS (модель постоянной седиментации), PF (модель периодического потока) и CF (модель постоянного потока) с применением метода моделирования Монте-Карло. Кратко указаны их особенности, позволяющие исследователю выбрать наиболее корректную модель.
Методы исследования
Исследуемый торфяник относится к массиву Иласских болот и расположен на северо-западе России (Приморский район, Архангельская область), недалеко от города Новодвинска (64°18'55.3'' с. ш., 40°41'15.6'' в. д.). Керн торфа извлечён с участка 12 августа 2020 года. Общая глубина профиля составила 49 см и была разрезана на фрагменты по 2 см. Для исследования изотопов использовались 210Pb и 137Cs по всей глубине керна с прямоугольной площадью поверхности отбора 1050.9 см2, для которой была проведена оценка выпадений радионуклидов.
Радиохимическое разделение и измерение Po и Bi
Активность 210Pb оценивалась по его радиоизото-пу-потомку — 210Po (T1/2 = 138 дней), который находится в радиоактивном равновесии с 210Pb. Период полураспада 210Po меньше по сравнению с 210Pb, и так же
быстро распадается промежуточное ядро между 210Pb и 210Po, т. е. 210Bi (T1/2 = 5 дней). Этот метод обеспечивает лучшую чувствительность и точность обнаружения при низком уровне активности 210Pb в образцах. Детали радиохимической обработки представлены в другом месте [16]. Отметим, что определение радионуклидов 210Po и 210Pb в пробах торфа проводили согласно методике [1]. Подготовленный счётный образец измеряли на альфа-бета-радиометре РКС-01А «Абелия» (НТЦ «Амплитуда»).
Процедура датирования
В представленной работе использовались модели датирования CA, CFCS, PF и CF с применением метода моделирования Монте-Карло. Для перечисленных выше моделей мы следовали рекомендованной процедуре расчёта [15], также применили указанный выше практический метод расчёта [14], уделяя особое внимание вопросам зависимых переменных при оценке ошибок. Для выполнения датирования мы следовали дополнительно описанному методу аппроксимации для набора данных, указанных в статье [6].
Сопоставление 210Pb с активностью 137Cs, связанной с глобальными выпадениями 1963 г., на глубине 19—21 см показало, что наиболее близкий возраст к этой реперной точке дают модели CFCS и CF (1965 и 1962 гг. соответственно). Среди этих двух вариантов CF с применением метода Монте-Карло оказался предпочтительным, поскольку с учётом погрешности обеспечивал немного лучшее согласование с удельной активностью 137Cs в реперном горизонте.
Общая концентрация активности 210Pb (210Pbtot) в зависимости от глубины профиля керна z; показана на графике (рис. 1, a; табл. 1). Поддерживаемая часть (210Pbsup) была получена как среднее значение (± SD, 1а) активности для самых нижних слоёв, где уровень^^^^ достиг уровня устойчивого состояния (красная линия на рис. 1, а).
Вычитая активность 210Pbsup из 210Pbtot на уровне за уровнем, мы рассчитали неподдерживаемую фракцию (210Pbuns), которая использовалась для следующих этапов датирования (рис. 1, b). Для проверки хронологии использовали независимый маркер 137Cs. Пики антропогенных радионуклидов в естественных отложениях коррелируют с конкретными событиями в истории радиоактивных выпадений, в частности с договором о частичном запрещении ядерных испытаний, подписанным в 1963 году, обеспечивая подходящий ориентир для этого исследования (рис. 1, c).
Рис. 1. Графики зависимости общей активности 210Pb (a), неподдерживаемой активности 210Pb (b) и 137Cs (c) от глубины z; для профиля торфа с северо-запада России
Fig. 1. Plots of total 210Pb activity (a), unsupported 210Pb activity (b) and 137Cs (c) depending on the depth z; for the peat profile from northwestern Russia
Таблица 1. Исходные данные по торфяному профилю ИСНО-1 Приморского района в Архангельской области,
северо-запад России (±SE, 1а)
Table 1. Initial data on ISNO-1 peat profile of the Primorsky district in the Arkhangelsk region, northwest Russia (±SE, 1а)
Шифр пробы Probe code Z; (см) Z; (ст) Щ (г) mı (g) 210Pbtot (Бк/кг) / 10Pbtot (Bq/kg) 137Cs (Бк/кг) / 137Cs (Bq/kg)
x ± A x ± A
ИСНО-1 0-3 1.5 141.18 310.7 34.1 38.8 4.6
ИСНО-1 3-5 4.0 72.40 211.1 50.6 45.6 9.1
ИСНО-1 5-7 6.0 106.03 168.4 21.9 31.2 4.1
ИСНО-1 7-9 8.0 81.19 155.3 35.7 15.5 4.3
ИСНО-1 9-11 10.0 124.67 168.5 21.9 16.4 2.3
ИСНО-1 11-13 12.0 83.95 158.0 20.5 19.8 3.0
ИСНО-1 13-15 14.0 99.77 155.0 26.3 19.8 3.5
ИСНО-1 15-17 16.0 108.92 131.0 20.9 27.5 3.8
ИСНО-1 17-19 18.0 99.31 180.8 20.3 43.4 7.4
ИСНО-1 19-21 20.0 96.26 243.9 73.1 45.5 6.8
ИСНО-1 21-23 22.0 90.26 72.7 28.8 37.8 6.4
ИСНО-1 23-25 24.0 78.44 77.9 38.9 21.1 4.4
ИСНО-1 25-27 26.0 68.70 44.4 26.2 13.3 4.0
ИСНО-1 27-29 28.0 72.24 34.3 13.7 9.9 2.2
ИСНО-1 29-31 30.0 96.57 26.5 15.9 4.6 2.3
ИСНО-1 31-33 32.0 85.96 28.8 11.5 4.9 3.4
ИСНО-1 33-35 34.0 82.87 26.5 15.9 4.3 1.3
ИСНО-1 35-37 36.0 78.64 26.3 10.5 4.3 1.7
ИСНО-1 37-39 38.0 75.98 26.4 10.5 3.9 1.6
ИСНО-1 39-41 40.0 92.25 26.5 10.6 3.2 1.6
ИСНО-1 41-43 42.0 72.76 26.3 10.5 3.3 1.6
ИСНО-1 43-45 44.0 50.42 26.2 10.4 5.1 2.0
ИСНО-1 45-47 46.0 55.68 26.2 10.5 3.9 1.5
ИСНО-1 47-49 48.0 40.39 26.3 10.5 3.7 2.6
Результаты и обсуждения
Распределение 2I0Pb и I37Cs
Доля 210Pbsup достигла (26.3 ± 0.3) Бк/кг (рис. 1, a), что ниже значений, характерных для озёрных отложений (* 40 Бк/кг; [5]), поэтому мы можем предположить дефицит минеральных веществ в торфяной залежи Иласские болота. В зависимости от глубины z; общий тренд активности 210Pbuns показывает постепенное снижение от поверхности до глубины 37 см (рис. 1, b). Однако были отклонения от монотонного уменьшения, предположительно отражающие эпизодические изменения скорости роста или разложения торфа. В частности, максимальная активность наблюдалась в поверхностном слое 0—3 см. С увеличением глубины профиля наблюдается монотонное уменьшение активности на двух интервалах: от 0—3 до 15—17 см и от 25—27 до 35—37 см. Мы отмечаем значительное увеличение 210Pbuns, начиная с глубины керна 17 см до его пика на глубине 21 см (рис. 1, b), далее наблюдаем резкий спад до глубины 23 см. Ниже 23 см активность 210Pbuns экспоненциально снижалась с увеличением глубины профиля.
Высокая подвижность 137Cs в верховых сфагновых болотах (рис. 1, с; табл. 1) связана с отсутствием подходящих минеральных частиц для его адсорбции [8, 11], чем обусловлено неравномерное распределение радиоизотопа от интервала 0—3 до 15—17 см глубины керна. Далее, в интервале 15—17 см, мы можем предположить поступление 137Cs от аварии на ЧАЭС (1986 г.) согласно проведённому датированию. Пик 137Cs, приходящийся на глубину керна 21 см, мы связываем с глобальными выпадениями после атмосферных испытаний 1963 г.
Хронология на основе 2I0Pb
Сначала были рассчитаны концентрации и ряд величин для керна ИСНО-1, т. к. все модели датирования используют избыток 210Pbex [10].
Здесь мы опишем процесс расчета секционных концентраций и активности.
1. Шифр пробы.
2. Концентрация 210Pb (С, Бк/кг).
3. Неопределенность n(210Pb). Её расчет зависит от используемого аналитического метода. Общие источники неопределенности включают в себя: количество отсчётов в интересующей области (образец и фон), эффективность (гамма-спектрометрия) или активность индикатора (альфа-спектрометрия) и массу аликвоты.
4. Концентрация 226Ra (Бк/кг). Мы рассчитали среднее значение и стандартное отклонение для трёх самых глубоких участков (43—49 см) как 226Ra = (26.2 ±
0.1) Бк/кг.
Если сравнить верхнюю границу 95%-го доверительного интервала (среднее ± 2а), то значение 26.2 Бк/кг ниже концентрации 210Pb в верхнем разрезе (26.3 Бк/кг, интервал 41—43 см).
5. Неопределённость w(226Ra), Бк/кг в данном случае соответствует рассчитанному стандартному отклонению.
6. Избыток 210Pbex(Cj, Бк/кг) рассчитывается как 210Pbex= 210Pb - 226Ra, за исключениемучтстков,ис-пользуемых для расчёта 22611а,где21 0РЬєхотсутствуєт.
7. Неопределённость u(Q), Бк/кг рассчитывается как n(Cj) = ^и2(РЬ210) + u2(Ra226').
8. Запас 210Pbex(Af-, Бк/м2) рассчитывается как про-
(ЛтЛ
). Мы ис-
ТиНВнл раоз) оовбрь, ^>022, № 11
пользоваликоэффициент 10,чтэбы получить единицы СИ (кг/м2), а затем Ai = lOC^^j1).
^Лотреі-злсте u(Aa Вк/м2 ьассч итываетля как
Применение модели постоянной активности (СА)
Данная ьюдельимеет цторое традациэвнке название у ряда авторов — модельпостоянной наналь-ф^^иин^^ті^с^і^р^иСІС [В, 4,З, С,02].Мы лиодержйос-емся в названии модели мнения других авторов [15]. Дфз оссользования мидиоиСА аам с^еиИх;о^і^2іо знать начальную концентрацию 210Pbex, C0 = Сф = О). В этом случаем ы лиснисо Тс ытпврес еччния линейноЯ р2р грессии между ln Cı и mı для пеквых 6 слоёв, коррело-фэя был а хофэшей OR^ О.Ц2).Пьне оеченис оолаавило 5.52 ± 0.17, следовательно, С0 = (aH0H ±1.1)ье/кя
10. Воьт)аси оА (11 годаО: е = ]- /п (Ю0)-
11. Неопр еделённость u(t): 1
“ft) = 7+)2 •
Поскольку С0 было получено подбором, мы считаем, что неопределенности независимы. Календарный год Tı рассчитывается путем вычитания возраста CA из даты отбора проб. Недостатком этой модели является то, чтобосее глубокие слоимом^ птказывать более молодой возраст. Секция 5—7 см керна ИСНО-1 показывает возр>аст 4.% яода, что старше, чем нижняя секц ия (7—9 см, возраст 4.86 года). Это противоречит гипоеезт ненарошсышого бО]рфяного ы/рнс, сс модель не сл—дуея считрти пониодощеа для нашего гл^а—
02. Дли опредотенио ^icc^jdoctb нвкопляния нага но о обходимо ананитх возравт сохёе. Мытазначаемвоз-раст 0 лет слою 0 (t = 0) иечічичляимсчедние значения аозртстт для кондово ыьсоя: t(l) =з 5зННЧ
!Ъ. ВозраСТ ПОСЛЄОНЄГО С Л 051 доижен быня иел^л— экстраполяцией как t(43) = t43 + û43 2 û 42.
Iе1. Нтоп.еделыпоость и(Д0), напримор, для пазя 1: = OVwHtM + o2^ ).
ОИ Впама фкоморовання сенения (Р^ел; оода) _ рна-ньца Г7^тср,но данмр позледовательными слоями.
Дh =І2- tj.
16. НтипоедллекиостьїДД):). Дсо песнсич -тздела = лЛя2(Сі) -І- гд2(с2).
Л 7. Соеднря скород/д накопление аннисов (ог-,см/ лос) аредолавляье ообоіб отношеуие шининынаьлеоз к: орвменн ого о^азои—ния. Дляяандела 1) е .
18. Неопредлленнтатьн()): и(о) = яНСИ.
-9. Ызздняя воорлеть наіслшзениіо массы (р, ]r/oK22-rorz-;): ці1 = Ш2~Ш1.
Ati , д
Н20.0ІЄанфадыл<ёноасть иСО: гя(г) = г ,0
Отмечаем, что неопределенности скорости накопления u(s) и u(r), полученные с помощью модели CA, велики[15].
Применение модели постоянной седиментации (CFCS)
Величинами, используемыми в этой модели, являются глубина разреза (zi), средняя глубина массы (m,
г/ом2) и ногтии(аі 210РЗел (/г^Р^ф. Проводам линейный раакесси/мный ачааиз (у = а мАлкгдеу = їв Сги ний.).
д _д
Ис ой-висипо ІпСі н lnC0 -- mt MAR равен г = —
✓ л І(и(ЯА2 , /йь)Є2
С НЄОЯрЛН2НУННОСТ2Ю и(г) = ТІ ( —j—) + В~н~) •
В нашьм ьофлсншинейния негКеиоря (ІД к 0.8К) дает b = -5.129 ± 0.613, поэтому r = 0.006 ± 0.001 г/см2тод. Мы тлые можем гу]^ееглі^т^ь^А.Іе (s, см/г) і^^з линей^о-го э^сь^^^есившньао ьн^;:^^зьазь^(^.^]ьз(^я г^в^Оилр р^аь(е;^£і
(zi) вместо глубины массы (mi).B эном с.т:і^чйе s = —,
ьего неььфдиаленносрс и
^)=)Щ~+<АПЛ:-
Теперь линейная регрессия (R = 0.91) дает b = = -0.222 ± 0.023, поэтому s = (0.140 ± 0.015) см/год. Несмотря на высокий коэффициент корреляции, очевидно, что простая линия регрессии не объясняет наблюдаемую изменчивость профиля (рис. 2), что предполагает необходимость разбить график на линейные отрезки. На рис. 2 указана одна скорость накопления массы для керна (a) и три скорости накопления массы для отдельных линейных отрезков (b). Для модели CFCS значения активности ниже 37 см были опущены, т. к. на этом уровне они достигают значения 210Pbsup (рис. 1, b). Применялся подбор простой регрессии к графику натурального логарифма от концентрации активности 210Pbuns/n (210Pbuns) в зависимости от массы глубины mz (рис. 2, a). Хотя коэффициент детерминации (COD) для всего набора данных был достаточно высоким и составил 0.78 (рис. 2), что характеризует нашу модель как модель хорошего качества (COD =
0.8), очевидно, что одна линия тренда не может объяснить полную изменчивость профиля. Поэтому мы выделили три подсегмента торфяной записи как отдельные линейные отрезки. Затем линейная регрессия была подобрана три раза, что дало три независимые группы параметров, представленных на рис. 2, b как 1, 2, 3. В операциях участвовали все точки. Мы показываем на рис. 2 альтернативную интерпретацию
График / Graph Все 1 2 3
Y-пересечение Y-crossing 7.46± 0.67 12.81 ± 2.02 3.43 ± 0.79 5.52 ± 0.16
ПеременнаяХ-1 VariableX-1 -5.13 ± 0.61 -9.04 ± 1.43 2.00 ± 1.01 +1 1-ї Ö 1
R-квадрат(COD) Rsquare 0.7867 0.8158 0.6585 0.6844
Рис. 2. Графики однократной и тройной аппроксимации методом линейной регрессии, применённые для набора данных /n(210Pbuns)e зависимостиот глубины массы mı
Fig. 2. Graphs of single and triple approximation by the method of linear regression applied to the data set /n (210Pbuns) depending onthe mass depth mi
с 3 линиями регрессии, хотя авторы [15] реком енду-ют использовать модель, которая обеспечивает коэффициенты накопления для каждого раздела, например модель CF.
В этом случае переменные А(0) и А(/) явно не являются независимыми и распространение неопределенности должно выполняться с осторожностью (см. [2]).
5. Выр зкение для н ео пр ед елен ноет и во зрас та:
Применение модели периодического потока (PF)
В качестве обобщения модели CF было показано, что модель CF по-прежнему действительна, если поток на поверхность отложений f(t) изменяется спери-одом At (PeriodicFlux; [15]), например после годовых циклов.
Величины, используемые в данной модели.
1. Время формирования разреза (At, год) рассчи-тываьтся с еспользованием уравнения: At1 = Р(С) - =1).
2. Неопределенность u(At1):
u(At]_) = Ju2 (t(l)) + u2 (t(2)).
3. (ri) рассчитывается по уравнению r(ı) =
С р )
и их неопределенность (без учёта вклада экспоненциального члена):
Скорость накопления массы r(i) по данной моде ли может приводить к отличающимся значениям, где MAR показывает большие колебания значений и изменяется величина потока. В нашем случае данная модель датирования 210Pb для керна ИСНО-1 для слоя 19—21 см показывает возраст 1965 г., что обеспечивает лучшее согласование, чем указанные выше модели с удельной активностью 137Cs в реперном горизонте, но недостаточное.
Применение модели постоянного потока (CF) самостоятельно и совместно с методом Монте-Карло
Данная модель более известна по своему второму названию — модель постоянного уровня поступления CRS [4, 7, 9, 10]. Отметим, что мы придержив аемся в названии модели мнения автор ов [=0
В этой модели фундаме нталь ная гип отеза состоит в том, что поток 210Pbex налов ерхность осадков постоянен: f = f(i) = k. Используем ур авнеиие:
С (i. t = 0) = - или f = С (i, t = 0)r(i).
ri
1. Накопленные отложения 210Pbex ниже слоя (i) (Бк/м2) рассчитываются как д(і) = YÎjЖ°+ г AAt.
Поскольку ниже слоя 41 210Pbex нет, расчёт начинаем с него: A(41) = 0 Бк/м2.
Для верхнего слоя A(39) = AA39.Кроме того, u(A(39)) = u(AA39). Для слоя 37: A(37) = A(39) + AA37 — и так далее до поверхности. В случае если некоторые разрезы не были проанализированы Ci (и Am, если он неизвестен), следует интерполировать из соседних разрезов и рассчитать отсутствующий AAi.
2. Неопределенность u(A(37)):
и(Л(37)) = Ju ((Л(39)))2 + (и(АА37)У
и так далее доповерх но сти.
3. A(0) = (1682 ± 117) Бк/м2 — запас 210Pbex, ие которого мы рассчитали его поток на поверхность отложений (52 ± 4) Бк/м^год1.
4. Возраст CFопределяется по уравнению:
и(,ю) е'фтт)2-,- fiyya)2+ (ı- 2t) (1f)2.
6. Календарный год T(i) ][ыассчитывается путём вычитания возраста CF из далы отбора пробы.
7. MAR — r(i), (кг/м2-год) (рис . 3) рассчитывается по
формуле: r(Ы == ^-=2, (у его неопределенность равна:
8. SAR -у s (і), (см/год) (і) ис. 3) рас считывается с использованием объёмной плотности сухого осадка р как
= ЩЭ х 10°.
Скорость накопления массы (г/см2-год)
Mass accumulation rate (g-cnr2-year1)
0,00 0,02 0,04
2020 2000 1980 I960 0 1940 Q 1920 1900
U § 1880 >* I860 1840 1820 1800 1780 1760 1740 1720
Скорость накопления отложений (см/год)
Sediment accumulation rate (cm-year1)
0,0 0,5
2020 2000 1980 I960
0 1940 Q 1920
et C
o S, 1900
< b)
1 1880 ^ 1860
1840 1820 1800 1780 1760 1740 1720
Рис. 3. Скорости накопления отложений для керна ИСНО-1 по модели СF: массы — r (г/см2*год) (a) и отложений — s (см/год) (b)
Fig. 3. Deposit accumulation rates for the ISNO-1 core according to the CF model: mass — MAR (g*cm-2*year-1) (a) andsediment — SAR(cm*year-1) (b)
9. Неопределенность u(s(i)):
“(»тог - »(0 J^f1)2* [15].
Значение SAR (si) для верхних слоёв керна 0—9 см варьировало слабо, и интервал значений составил от
0.44 до 0.53 см/год, ниже 9 см, до 33 см, мы наблюдаем относительно равномерное, постепенное снижение среднего значения скорости накопления отложений до 0.03 см/год (табл. 2). Отметим резко увеличенные значения si для интервала 35—39 см.
Значение MAR (ri) для всех слоёв керна были почти постоянны и колебались очень слабо — от 0 и 0.01 до 0.02 г/см2-год. Модель датирования CF для керна ИСНО-1 для слоя 19—21 см показывает возраст 1965 г. (табл. 2), при дополнительном применении метода Монте-Карло возраст составил 1962 г., что обеспечи-
z(i)
(см)
(cm)
~Ö~
З
S
7
9
11
13
IS
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
Таблица 2. Применение модели CF для керна ИСНО-1 / Table 2. Application of the CF model for ISNO-1 core
ДА,- (Бк-м-2) (Bq-nr2) u(AA,-) A(0 (Бк-м-2) (Bq-nr2) u(A(/)) t(0 (год) (year) u(t(/)) (год) (year) Год (A. D.) r(0 (г-см_2тод_1) (g-cnr2-year_1) u(r(0) P; (pCM-3) (g-cnr3) u(p;) p(0 (г-см_3) (g-cnr3) u(p(0) s(0 (смтод-1) (cnryear1) u(s(0)
1682 117 0 0 2021 0.02 0 0.04 0 0.48 0.01
382 46 0.04 0
1300 108 8.3 1.1 2012 0.02 0 0.04 0 0.44 0.02
127 35 0.03 0
1173 102 11.6 1.4 2009 0.02 0 0.04 0 0.53 0.01
143 22 0.05 0
1029 100 15.8 1.7 2005 0.02 0 0.04 0 0.53 0.02
100 28 0.04 0
930 96 19.0 2.0 2002 0.02 0 0.05 0 0.44 0.01
169 26 0.06 0
761 92 25.4 2.5 1995 0.02 0 0.05 0 0.35 0.01
105 16 0.04 0
65 6 91 30.2 3.1 1990 0.02 0 0.04 0 0.36 0.02
103 21 0.05 0
553 88 35.7 3.8 1985 0.01 0 0.05 0 0.30 0.02
109 22 0.05 0
444 86 42.7 4.8 1978 0.01 0 0.05 0 0.22 0.03
146 19 0.05 0
298 84 SS.S 7.6 1965 0 0 0.05 0 0.11 0.03
199 67 0.05 0
99 so 90.9 15.4 1930 0 0 0.04 0 0.05 0.02
40 25 0.04 0
59 43 107.5 22.9 1913 0 0 0.04 0 0.09 0.02
39 29 0.04 0
20 32 141.5 50.4 1879 0 0 0.04 0 0.05 0.02
12 17 0.03 0
9 27 169.6 103.0 1851 0 0.01 0.03 0 0.06 0.02
6 9 0.03 0
3 26 203.4 279.0 1817 0 0.02 0.04 0 0.06 0.02
0 IS 0.05 0
3 21 206.2 250.7 1814 0.01 0.06 0.04 0 0.14 0.02
2 9 0.04 0
1 19 253.8 993.8 1767 0 0.04 0.04 0 0.03 0.02
0 13 0.04 0
0 14 267.3 1137.6 1753 0.01 0.51 0.04 0 0.20 0.02
0 8 0.04 0
0.35 12 271.5 1086.0 1749 0.01 0.68 0.04 0 0.26 0.03
0 8 0.04 0
0.23 9 284.8 1274.7 1736 0 0.18 0.04 0 0.08 0.02
0 9 0.04 0
0 0
Рис. 4. Участки плотности p (a), скорость линейного накопления s (b) и скорость накопления массы r (c) по сравнению с глубиной Zj
Fig. 4. Plots of density p (a), linear accumulation rate s (b) and mass accumulation rate r (c) compared to depth Zj
вает немного лучшее согласование с реперным горизонтом по 137Cs (с учётом погрешности).
Нормы накопления торфа и ноток 210РЪ
Обе модели, CFCS и CF, совместно с методом Монте-Карло использовались для расчёта линейной скорости накопления s и скорости накопления массы r в изученной торфяной залежи (рис. 4). Значения s по CF варьировались от (0.09 ± 0.02) до (1.3 ± 0.05) см/год и составляли в среднем (0.48 ± 0.08) см/год. Последнее согласуется с оценкой константы s, равной (0.14 ± 0.01) см/ год методом CFCS. Аналогичная ситуация имела место в случае скорости накопления массы г, которая находилась в диапазоне от (0.43 ± 0.01) до (7.2 ± 0.02) г/ см2тод. Среднее значение r по CF составило (3.615 ± 0.005) г/см2-год, тогда как постоянное r по CFCS достигло (0.006 ± 0.001) г/см2-год. В целом отметим нестабильную скорость накопления торфа на всей глубине профиля (рис. 4, b, с). Однако плотность торфа постоянна на всём профиле (рис. 4, a).
Линейные нормы накопления торфа хорошо согласуются с литературными данными [6]. Значения s показали по крайней мере один и тот же порядок величины. Показатели массового накопления не согласуются, выше мы отмечали нестабильную скорость накопления торфа.
Основываясь на датировании 210Pb, был оценен воздушный поток 210Pb. По моделям CF и CF с применением метода Монте-Карло поток 210Pb составил (52 ± 4) Бк/м2-год и (69.13 ± 10) Бк/м2-год соответственно, что хорошо согласуется с литературными данными [6].
Заключение
На примере торфяного керна разреза Европейской Субарктики России, отобранного на территории Архангельской области, было выполнено датирование по неравновесному 210Pb с использованием различных моделей с целью выбора наиболее подходящей, учитывающей сложное вертикальное распределение свинца. В представленной работе использовались модели датирования CA, CFCS, PF и CF с применением метода моделирования Монте-Карло.
Для проверки хронологии мы использовали независимый маркер в виде 137Cs. Пики антропогенных радионуклидов в естественных отложениях коррелируют с конкретными событиями в истории радиоактивных выпадений, в частности с подписанием договора о частичном запрещении ядерных испытаний в 1963
году, обеспечивая подходящий ориентир для этого исследования.
Сопоставление 210Pb с активностью 137Cs на глубине 19—21 см показало, что наиболее близкий возраст к этой активности 137Cs в реперной точке дают модели CFCS и CF (1965 и 1962 гг. соответственно). Среди этих двух вариантов CF с применением метода Монте-Карло был признан предпочтительным, поскольку обеспечивал с учётом погрешности немного лучшее согласование с удельной активностью 137Cs.
Применяемые методы датирования оказались успешными в нашем исследовании и могут быть применены для датирования других торфяных отложений.
Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых МК-4298.2022.1.5.
Литература / References
1. Бахур А. Е., Мануилова Л. И., Зуев Д. М., Овсянникова Т. М., Трухина Т. П. Методика измерений удельной активности полония-210 (210Po) и свинца-210 (210Pb) в пробах почв, грунтов, донных отложений, горных пород и строительных материалов на их основе альфа-бета-радиометри-ческим методом с радиохимической подготовкой: Методика ФР.1.40.2013.15381. Москва: ВИМС, 2013. 17 с.
Bahur A. E., Manuilova L. I., Zuev D. M., Ovsyannikova T. M., Truhina T. P. Metodika izmerenij udel'noj aktivnosti po-loniya-210 (210Po) i svinca-210 (210Pb) v probah pochv, gruntov, donnyh otlozhenij, gornyh porod i stroitel'nyh materialov na ih osnove al'fa-beta-radiometricheskim metodom s radio-himicheskoj podgotovkoj (Method for measuring the specific activity of polonium-210 (210Po) and lead-210 (210Pb) in samples of soils, soils, bottom sediments, rocks and building materials based on them by the alpha-beta radiometric method with radiochemical preparation) Metodika FR.1.40.2013.15381. Moscow: FGUP «VIMS», 2013, 17 p.
2. Appleby P. G. Chronostratigraphic techniques in recent sediments. Tracking Environmental Change Using Lake Sediments // Basin Analysis, Coring and Chronological Techniques. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. Eds: W. M. Last; J. P. Smol. 2001. V. 1 P. 171—201.
3. Appleby P. G., Oldfield F. The assessment of 210Pb data from sites with varying sediment accumulation rates // Hydrobiologia, 1983. No. 103. P. 29—35.
4. Appleby P. G., OldfieldF. The calculation of 210Pb dates assuming a constant rate of supply of unsupported 210Pb to the sediment // Catena, 1978. No. 5. P. 1—8.
5. Appleby P. G., Shotyk W., Fankhauser A. Lead-210 age dating of three peat cores in the Jura Mountains. Switzerland // Water, Air &Soil Pollution, 1997. No. 100, P. 223—231.
6. Cwanek A., Lokas E., Mitchell E. A. D., Mazei Y., Gaca P., Milton J. A. Temporal variability of Pu signatures in a 210Pb-dated Sphagnum peat profile from the Northern Ural, Russian Federation // Chemosphere, 2021. No. 281. P. 130962. DOI:10.1016/j.chemosphere.2021.130962
7. Crozaz G., Picciotto E., De Breuck W. Antarctic snow chronology with Pb210. Journal of Geophysical Research, 1964. No. 69, P. 2597—2604.
8. Fialkiewicz-Koziel B., Kolaczek P., Piotrowska N., Michczynski A., Lokas E., WachniewP., Woszczyk M., Sensula B. High-Resolution Age-Depth Model of a Peat Bog in Poland as an important Basis for Paleoenvironmental Studies // Radiocarbon, 2014. No. 56(1). P. 109—125. DOi:10.2458/56.16467
9. Goldberg E. D. Geochronology with 210Pb // Radioactive Dating. Proceedings of a Symposium. international Atomic Energy Agency. Vienna. 1963. P. 21—131.
10. Krishnaswamy S., Lal D., Martin J. and Meybeck M. Geochronology of lake sediments // Earth and Planetary Science Letters, 1971. No. 11. P. 407—414.
11. McKenzie A. B., Farmer J. G., Sudgen C. L. isotopic evidence of the relative retention and mobility of lead and radiocesium in Scottish ombrotropic peats // Science Total
Environmental, 1997. No. 203. P. 115—127. DOi:10.1016/S0048— 9697(97)00139—3
12. Pennington W., Cambray R. S., Eakins J. D., Harkness D. D. Radionuclide dating of the recent sediments of Blelham Tarn // Freshwater Biology, 1976. No. 6. P. 317—331.
13. Sanchez-Cabeza J. A., Ani-Ragolta I., Masque P Some considerations of the 210Pb constant rate of supply (CRS) dating model// Limnology and Oceanography, 2000. No. 45. P. 990— 995.
14. Sanchez-Cabeza J. A., Ruiz-Fernandez A. N., Ontiveros-Cuadras J. F., Perez Bernal L. H., Olid C. Monte Carlo uncertainty calculation of 210Pb chronologies and accumulation rates of sediments and peat bogs // Quaternary Geochronology, 2014. No. 23. P. 80—93.
15. Sanchez-Cabeza J. A., Ruiz-Fernandez A. N.210Pb sediment radiochronology: an integrated formulation and classification of dating models. Geochemica et Cosmochimica Acta, 2012 No.82. P. 183—200. DOi:10.1016/j.gca.2010.12.024
16. Vinichuk M. M., Johanson K. J., Taylor A.137Cs in the fungal compartments of Swedish forest soils // Science of Total Environment, 2004. No.323. P. 243—251.
17. Yakovlev E., Spirov R., Druzhinin S., Ocheretenko A., Druzhinina A., Mishchenko E., Zhukovskaya E. Atmospheric fallout of radionuclides in peat bogs in the Western segment of the Russian arctic // Environmental Science and Pollution Research, 2021, without a number. P. 1 — 11. DOi: 10.1007/ s11356-020-12224-7.
Received / Поступила в редакцию 29.09.2022
