Стабильные изотопы кислорода, водорода и углерода и возраст пальза близ поселка Елецкий, северо-восток Большеземельской тундры
Буданцева Надежда Аркадьевна
кандидат географических наук
старший научный сотрудник, Московский государственный университет им. МВ. Ломоносова (МГУ)
119992, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, стр. 19
И [email protected] Чижова Юлия Николаевна
кандидат географических наук
старший научный сотрудник, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и
геохимии РАН
109017, Россия, г. Москва, Старомонетный переулок, 17 И [email protected]
Блудуикина Любовь Бахтияровна
инженер, Московский государственный университет им. МВ. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2007
Васильчук Юрий Кириллович
доктор геолого-минералогических наук
профзссор, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, Московский государственный университет
имени МВ.Ломоносова
119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2009 И [email protected]
Статья из рубрики "Ландшафты холодных регионов"
Аннотация. Изучены миграционные бугры пучения (пальза) в районе пос.Елецкий на северо-востоке Большеземельской тундры. Получены новые радиоуглеродные датировки по буграм пучения разного размера, находящихся на разных стадиях развития в пределах массива, исследованного авторами в 2000 и 2015 гг. Детально исследован репрезентативный бугор пучения, высотой 3 м, не имеющий признаков разрушения, перекрытый с поверхности торфом мощностью более 1 м. Выбор объекта исследований определен целью охарактеризовать условия торфонакопления и определить источники влаги, формирующей верхнюю часть ледяного ядра. Для радиоуглеродного датирования был отобран талый торф из шурфов на вершине и склоне бугра. В шурфах также был детально (с шагом 5-10 см) отобран торф для определений содержания углерода и азота и изотопного состава углерода и азота. Со дна шурфа с помощью электроледобура MORA-ICE была пробурена скважина в мерзлом торфе и подстилающем его мерзлом суглинке, отобраны ледяные линзы. Определения изотопного состава кислорода и водорода льда выполнены на масс-спектрометре Delta-V, радиоуглеродное датирование торфа выполнено в лаборатории археологической технологии Института материальной
культуры РАН. Новизной проведенного исследования является комплексный подход к исследованию торфяной залежи, перекрывающий бугор пучения. Также 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 уже высокого бугра и просачивающихся сквозь толщу торфа к кровле многолетнемерзлых пород.
Ключевые слова: кислород, сегрегационный лед, азот, углерод, изотопы, радиоуглеродный возраст, торф, пальза, водород, дейтериевый эксцесс
DOI: 10.7256/2453-8922.2017.4.25087
Дата направления в редакцию: 24-12-2017
Дата рецензирования: 25-12-2017
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 17-05-00793 и 16-0500977 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 (б18О = -15.60 %о, б2Н = -110.0 %о). Погрешность определений составила ± 0.б%о для б2Н и ± 0.1% для 618O. 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
14C- возраст Лабор. Номер Полевой номер Глубина, м Материал датирования
Бугор пучения высотой 4 м (из [3])
1040 ± 50 ГИН-10968 382-YuV/17 0.15 Торф с остатками кустарничков
4800 ± 50 ГИН-10969 382-YuV/18 0.3 Торф древесно-осоковый
6190 ± 40 ГИН- 382- 0.6 Торф осоковый
10970 YuV/19
Бугор пучения высотой 3.5 м (из [3])
3100 ± 40 ГИН-10971 382-YuV/1 0.05 Торф осоковый
4700 ± 50 ГИН-10972 382-YuV/2 0.1 Торф травяно-осоковый
7120 ± 100 Не1-4518 382-YuV/3 0.1-0.15 Коричневый торф с веточками, древесно-травяной
7420 ± 110 Не1-4519 382-YuV/4 0.15-0.2 Торф древесно-сфагновый
7560 ± 90 Не1-4520 382-YuV/5 0.2-0.25 Торф травяно-гипновый с остатками древесины
7300 ± 40 ГИН-10973 382-YuV/6 0.3 Торф травяно-гипновый
7760 ± 110 Не1-4527 382-YuV/7 0.35-0.45 Торф гипновый
8100 ± 90 Не1-4528 382-YuV/8 0.45-0.5 Торф древесный
7750 ± 40 ГИН-10974 382-YuV/9 0.6 Торф травяной, низинный
8240 ± 90 Не1-4529 382-YuV/10 0.65-0.75 Торф серовато-коричневый древесный
8220 ± 110 Не1-4521 382-YuV/11 0.75-0.8 Торф серовато-коричневый древесный
8350 ± 110 Не1-4505 382-YuV/12 0.8-0.82 Торф мерзлый
8490 ± 70 ГИН-10975 382-YuV/13 0.9 Торф древесный с песком
9750 ± 160 Не1-4506 382-YuV/14 1.15 Торф со шлировым льдом
Новые 14С датировки
Детально исследованный бугор пучения высотой 3.5 м, в 2017 г. в шурфе на вершине этого бугра была пробурена скважина с отбором сегрегационного льда
1420 ± 40 Ле-11252 Е1 -15-7/3 0.15-0.2 Торф темно-коричневый плотный, с корнями растений. Шурф на вершине бугра
4345 ± 30 Ле-11253 Е1-15-7/10 0.35-0.4 Торф темно-коричневый с остатками древесины рыжего цвета. Шурф на вершине бугра
6400 ± 40 Ле-11254 Е1-15-7/24 0.15-0.2 Разложившиеся древесные остатки. Шурф на склоне бугра
Бугор пучения высотой около 1.5 м
1750 ± 40 Ле-11255 Е1 -15-5/2 0.3-0.6 Торф темно-коричневый,
рыхлый, с корешками
5590 ± 30 Ле-11247 Е1-15-5/13 0.38-0.41 растений „ Рыж е в а то -ко рич не в ый рыхлый торф с ко ро й, веточками, малоразложившийся, влажный
6390 ± 60 Ле-11248 Е1-15-5/19 0.50-0.52 Торф коричнево-рыжий с корой и древесными волокнами, влажный
Просевший бугор пучения с кратером в центральной части
2720 ± 22 Ле-11249 Е1 -15-6/3 0.6-0.1 Торф коричневый, однородный, рыхлый, с кусочком коры. Из шурфа на торфяном валу бугра
7390 ± 55 Ле-11250 Е1-15-6/13 0.35-0.4 Торф коричневый слоистый, с остатками сосудистых растений. Из шурфа на торфяном валу бугра
7860 ± 40 Ле-11251 Е1-15-6/22 0.1-0.15 Торф темно-коричневый, плотный, волокнистый, с остатками сосудистых растений и разложившимися древесными остатками. Из шурфа на пятне оголенного торфа в центре бугра
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 ^ С, S (%) и изотопный состав углерода ($3С) в современной растительности и талом торфе, перекрывающем бугор пучения высотой 3 м, пос.Елецкий
№ образца Глубина отбора, см Тип образца Элементы, % б13С, %о
N С S
отбор 26.08.2014 г. Шурф на вершине бугра
Е1-14-3/1 0-0.05 Приповерхностный слой мха 2.078 47.522 0.157 28.87
Е1-14-3/2 0 Карликовая березка 1.796 49.432 0.314 -30.6
Е1-14-3/3 0 Морошка 2.425 45.670 0.360 28.66
Е1-14-3/5 0 Клюква 1.555 47.456 0.290 32.23
Е1-14-3/6 0 Гриб 4.582 38.715 0.450 27.83
Е1-14-3/7 10 Торф с корнями растений 2.727 44.988 0.297 27.71
Е1-14-3/8 т 13 Торф 2.653 45.571 0.460 27.53
Е1-14-3/8 к 13 Корни растений 2.349 46.691 0.339 27.69
Е1-14-3/9 17 Торф 2.379 46.342 0.389 27.01
Е1-14-3/10 20 Торф 2.537 48.110 0.456 27.86
Е1-14-3/11 23 Торф 2.663 48.200 0.419 28.55
Е1-14-3/12 27 Торф 2.728 47.244 0.361 28.44
Е1-14-3/13 30 Торф 2.826 50.157 0.313 28.76
Отбор 24.07.2015 г. Шурф на вершине бугра
Е1-15-7-1 0-10 Мхи и другая современная растительность 1.133 46.747 0.276 28.24
Е1-15-7-2 10-14 Торф рыжевато-коричневый, рыхлый, сухой, с многочисленными о с та тка ми рас те ний 2.230 48.267 0.209 28.04
Е1-15-7-3 14-20 Торф коричневый, более плотный, с корнями растений 2.350 50.621 0.180 28.87
Е1-15-7-4 20-22 Торф коричневый, рыхлый, с остатками древесной растительности, корой, корнями современных растений 2.339 49.283 0.154 28.30
Е1-15-7-5 22-25 Торф коричневый с корой и остатками древесных растений 2.792 50.724 0.990 28.41
Е1-15-7-6а 25-29 Торф рыжий, плотный, с корнями и остатками древесины 2.460 49.830 0.597 28.22
Е1-15-7-6б 25-29 Торф коричневый, волокнистый, с полуразложившимися корнями 2.449 50.540 0.412 28.22
Торф коричневый,
Е1-15-7-8 31-33 волокнистый, с рыжими остатками плохо разложившейся древесины 2.459 46.317 0.393 28.00
Е1-15-7-10 36-38 Торф коричневый и черно-коричневый, с рыжими остатками плохо разложившейся древесины 2.094 48.408 0.446 27.68
Е1-15-7-11 38-41 Торф темно-коричневый с веточками 2.685 49.592 0.437 28.97
Е1-15-7-13 44-49 Торф рыжевато-коричневый, насыщенный плохо разложившимися остатками древесины, веточками 2.639 49.683 0.440 29.06
Е1-15-7-15 54-60 Торф темно-коричневый, волокнистый, влажный, с прослоями древесных остатков (веточки и кора) 2.509 48.767 0.402 28.45
Е1-15-7-17 67-69 Торф рыжевато-коричневый, рыхлый, мерзлый в нижней ч а с ти 1.783 54.206 0.459 27.64
Отбор 24.07.2015 г. Шурф № 2 на склоне бугра
Е1-15-7-19 2-6 Торф темно-коричневый, с пятнами более светлого, с древесными остатками 2.263 51.489 0.327 27.97
Е1-15-7-20 6-9 Торф коричневато-рыжий, рыхлый, с мелкими древесными остатками 2.022 49.990 0.331 27.75
Е1-15-7-21 10-13 Торф рыжий, рыхлый, с остатками древесины, коры 2.187 51.867 0.317 28.43
Е1-15-7-23 16-20 Торф рыже-коричневый, с древесными остатками 2.159 49.464 0.425 29.63
То р ф ко р ич н е в о -
Е1-15-7-25 23-26 рыжий, более влажный, со спрессованными растительными остатками 2.438 51.224 0.374 -29.6
Е1-15-7-26 26-28 Торф коричневый, слоистый, с ветками и корой 2.306 48.997 0.326 29.72
Е1-15-7-27 28-31 Торф рыжий, волокнисто-слоистый, с древесными о с та тка ми и ко ро й 2.341 48.947 0.436 29.75
Е1-15-7/28 31-33 Торф рыже-коричневый, с плохоразложившейся древесиной, в е то ч ка ми и ко ро й 2.124 47.327 0.354 -29.8
Е1-15-7/29 33-35 Торф рыжевато-коричневый, плотный, отдельными ветками диаметром 7-10 см 2.358 46.794 0.376 29.76
Е1-15-7/31 37-39 Торф коричневый, плотный, с многочисленными неразложившимися в е то ч ка ми и ко ро й 2.554 48.328 0.432 29.24
Е1-15-7/33 42-46 Торф темно-коричневый, плотный, более влажный, однородно-волокнистый 2.132 47.621 0.373 28.03
Е1-15-7-35 50-52 Торф темно-коричневый, очень плотный, однородный 2.486 51.466 0.396 28.53
Значения б13С в торфе варьируют в диапазоне от -27 до -29.8 %о, 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 С^ 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 б13С и С^ 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 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
Одним из общих подходов к оценке уровня разложения торфа является использование отношения С/^ Этот подход базируется на обнаруженном обогащении N относительно С в ходе разложения органического вещества, т.е. низкие уровни С^ в торфе с высокой степенью разложения и высокие уровни С^ в плохо разложившемся торфе. Таким образом, постулируется, что изменения уровня С^ может указывать на изменения в увлажнении поверхности торфяника и изменения в скорости разложении торфа. Однако,
отношение С^ может значительно варьировать между различными торфяниками кроме того, изменения в растительных ассоциациях вместе с условиями увлажненности могут влиять на С^ и полностью маскировать сигнал разложения торфа.
Использование изотопного состава углерода органического вещества (ОВ) торфа в
работе ^ 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 б13С в верхней части профиля связано с предпочтительным разложением целлюлозы относительно лигнинов, последние
отличаются легким изотопным составом
В литературе информация по б13С 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 ^^ показано, что диагенез торфа вообще не влияет на величину б13С в сфагнуме или экстрагированной целлюлозе. По данным б13С в молодом торфе зависит от температуры воздуха. В нескольких исследованиях было указано, что значения б13С сфагнового торфа отражает поверхностные влажные условия [12, 13].
В то время, как некоторые исследования показали, что значения б13С понижаются при более сухих условиях или в результате разложения торфа в других
исследованиях сообщалось о противоположном эффекте Тем не менее, это
указывает на то, что на изотопный состав углерода торфа действительно могут влиять процессы разложения. С.Алевель с соавторамиI-16 проводили исследования
вертикального распределения значений б13С в торфе бугров пучения на севере Швеции и высказали предположение, что слои, характеризующиеся повышенными значениями
б13С, 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 б13С варьируют в основном от -20% в олиготрофных мхах до -29% в эвтрофных осоках Исследования Дж.П.Крюгера с соавторами-^17 показали, что
вертикальные профили б13С торфа в ненарушенных буграх пучения показывают два
тренда: повышение значений б13С от поверхности до некоторой глубины ("поворотная точка"), затем снижение значений до основания торфяного слоя. В разрушенных буграх
пучения такого распределения значений б13С не прослеживается, изотопный профиль имеет равномерный характер, что отражает процессы деградации и криотурбации. Тренд
повышения значений б13С 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^ 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 б13С с глубиной, что указывает на аккумуляцию неразложившегося материала с глубиной как результат анаэробной деградации в исследуемых торфяниках.
Низкие значения б13С в поверхностных слоях торфяников могут быть связаны с увеличением доли травянистой растительности на поверхности болота или с эффектом
Сьесса, который вызвал уменьшение значений б13С в атмосферном углероде с -6.5 до
-8.0 % с начала индустриальной эпохи ИЗ!.
Ряд современных публикаций посвящен применению анализа изотопного состава углерода и соотношения углерода и азота (С^) для выявления цикла углерода в озерах на основе исследования озерных отложений. Показана зависимость вариаций значений
б13С 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
С^ 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 б13С 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 б13С. В условиях более влажного климата в озеро поступает большее
количество растворенного углерода с территории водосбора, обедненного 13С, что
приводит к снижению значений б13С в озерных отложениях. Этот эффект был прослежен
для донных отложений озер в Канадской Арктике, на п-ове Таймыр Г19, 20].
Исследования полигональных торфяников в северном Юконе, Канада, с применением метода анализа содержания органического углерода, изотопного состава углерода и соотношения С/^ показали наличие зависимости этих параметров от преобладающего типа растительности и степенью развития озерно-болотной системы. Так, низкие
значения соотношения С^ и высокие значения б13С 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 С^ и снижению значений б13С. Именно на
этой стадии около 3950 лет назад согласно 14С датированию торфа, в пределах озерно-болотного массива началось растрескивание и формирование повторно-жильных льдов Г211
Стабильные изотопы кислорода и водорода во льду бугра пучения
В образцах льда, отобранного из мерзлого торфа на вершине бугра пучения высотой 3 м, значения б18О варьировали от -15.89 до -14.02% (среднее значение -15.2%),
значения б2Н - от -102.3 до -111.8% (среднее значение дейтериевого эксцесса изменяется от 7,6 до 18.6% (табл. 3).
107.6%), величина
Таблица 3. Изотопный состав льда ледяного ядра бугра пучения высотой 3 м у пос. Елецкий
Глубина, см б18О, % б2Н, % ^хо %
89 -15.41 -107.8 15.5
92 -15.56 -110.9 13.6
95 -15.89 -110.7 16.4
98 -15.41 -103.7 19.6
103 -15.73 -107.2 18.6
106 -15.61 -109 15.9
109 -15.71 -111.4 14.3
111 -15.13 -111.6 9.4
116 -15.46 -108.8 14.9
121 -15.46 -110 13.7
123 -14.92 -111.8 7.6
1 29 -15 0 5 -110 1 0 4
— " "" "*" "* " 1
133 -15.33 -109 13.7
135 -15.59 -108.3 16.5
138 -15.24 -106.2 15.8
148 -14.31 -99.5 15
151 -14.7 -104.4 13.2
152 -14.65 -103.7 13.5
155 -14.8 -105.8 12.6
157 -14.02 -102.3 9.8
Для сегрегационного ледяного ядра бугра пучения получено соотношение б2Н = 4.73 б18О - 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 б18О-б2Н 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 б18О 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 б18О (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 б18О от -18.7 до -27.2%, значениями б2Н - 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 б18О и б2Н в последовательно формирующихся фракциях льда по модели Релея (изотопное истощение в закрытой системе, т.е. промерзание ограниченного объема воды) с учетом равновесных коэффициентов фракционирования авода-лед. В работе Д.Ласелля[22] показано, что значения б18О и б2Н льда, образованного в закрытой системе, формируют на диаграмме б18О и б2Н линию с наклоном от 6 до 7. Подобное же распределение значений на диаграммах б18О-б2Н (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 I25!.
Расположение фигуративных точек сегрегационного льда на диаграмме б18О-б2Н на линии с наклоном меньше 8 позволяет использовать еще один интерпретационный
подход - корреляцию между б2Н и dexc. Было показано, что для льдообразования в закрытой системе характерна выраженная обратная корреляция б2Н с dexc [22]. На
диаграмме б2Н^ехс (рис. 5) не выражено связи значений дейтериевого эксцесса с б2Н
(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 б2Н^ехс 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 б18О 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 dexc (см. табл. 1), которые
будучи унаследованы из атмосферных вод, более характерны для зимнего периода в
северном полушарии I26!. 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. а также в толще зимнего снега,
опробованной в районе пос. Полярный (величины dexc варьировали от 14,3 до 19,6).
Рис. 6. Распределение значений б18О 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 б18О варьировали от -18 до -23%о,
б2Н - 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 б18О и на 20% по б2Н. Линия соотношения б18О-б2Н для болотных вод имеет наклон 5.8, что указывает на испарение болотных вод, линия соотношения б18О-б2Н для льда торфяного плато имеет наклон 6.7, что близко к атмосферным осадкам Основываясь на результатах изотопных исследований льда торфяной площади пучения и вод окружающего болота С.Харрис с соавторами пришел к выводу, что поскольку соотношения б18О и б2Н для льда из мерзлого ядра площади
почти идентичны соотношениям б18О и б2Н для льда перекрывающего его сезонно-талого слоя в конце весны, но при этом отличаются от изотопных значений и
соотношений б18О-б2Н 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 б18О-б2Н во льду литальза, равный 7,4, что близко к
значению для осадков -Ь30!. 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 б18О. 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 I30!.
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.
Библиография
1. Васильчук Ю.К., Васильчук А.К., Буданцева Н.А., Чижова Ю.Н. Выпуклые бугры пучения многолетнемёрзлых торфяных массивов / Под редакцией действительного члена РАЕН, профессора Ю.К.Васильчука - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2008. - 571 с.
2. Vasil'chuk Yu.K., Vasil'chuk A.C., Jungner H., Budantseva N.A., Chizhova Ju.N. Radiocarbon chronology of Holocene palsa of Bol'shezemel'skaya tundra in Russian North // Geography, Environment, Sustainability, 2013, vol. 6, N3, p. 38-59.
3. Vasil'chuk Yu.K., Vasil'chuk A.C., Budantseva N.A., Volkova Ye.M., Sulerzhitsky L.D., Chizhova Ju.N., Jungner H. Radiocarbon age and Holocene dynamics of palsa in the Usa River valley // Doclady Earth Sciences, 2002, vol. 384, N4, p. 442-447.
4. Буданцева Н.А., Чижова Ю.Н., Васильчук Ю.К. Отражение в изотопном составе торфа фаз развития бугристых ландшафтов Большеземельской тундры // Арктика и Антарктика, 2016, № 1, с.18-31. DOI: 10.7256/2453-8922.2016.1.21420. URL: http://e-notabene.ru/arctic/article_21420.html
5. Kuhry P., Vitt D. H. Fossil carbon/nitrogen ratios as a measure of peat decomposition // Ecology, 1996, vol. 77, p. 271-275.
6. Clymo R. S. The limits to peat bog growth // Philos. T. R. Soc.-B., 1984, vol. 303, p. 605-654.
7. Hornibrook E. R. C., Longstaffe F. J., Fyfe W. S., Bloom Y. Carbon-isotope ratios and carbon, nitrogen and sulfur abundances in flora and soil organic matter from a temperate-zone bog and marsh // Geochem. J., 2000, vol. 34, p. 237-245.
8. Jones M. C., Peteet D. M., Sambrotto R. Late-glacial and Holocene 515N and 513C variation from a Kenai Peninsula, Alaska peatland // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2010, vol. 293, iss. 1-2, p. 132-143.
9. Benner R., Fogel, M. L., Sprague E. K., Hodson R. E. Depletion of c in lignin and its implications for stable carbon isotope studies // Nature, 1987, vol. 329, p. 708-710.
10. Jedrysek M.-O., Skrzypek G. Hydrogen, carbon and sulphur isotope ratios in peat: The role of diagenessis and water regimes in reconstruction of past climates // Environ. Chem. Lett., 2005, vol. 2, p.179-183.
11. Tillman P.K., Holzkamper S., Kuhry P., Sannel A.B.K., Loader N.J., Robertson I. Stable carbon and oxygen isotopes in sphagnum fuscum peat from subarctic Canada: Implications for palaeoclimate studi e s // Che m . G e o l . , 2 0 1 0 , vo l . 2 7 0 , p . 2 1 6 - 2 2 6 .
12. Rice S.K., Giles L. The influence of water content and leaf anatomy on carbon isotope discrimination and photosynthesis in sphagnum // Plant Cell Environ., 1996, vol. 19, iss. 1, p. 118-124.
13. Loisel J., Garneau M., Hélie J.-F. Modern Sphagnum 513C signatures follow a surface moisture gradient in two boreal peat bogs, james bay lowlands, Québec // J. Quaternary Sci., 2009, vol. 24, p. 209-214.
14. Broder T., Blodau C., Biester H., Knorr K. H. Peat decomposition records in three pristine ombrotrophic bogs in southern Patagonia // Biogeosciences, 2012, vool. 9, p. 1479-1491, doi: 10.5194/bg9-1479-2012.
15. Hong Y.T., Wang Z.G., Jiang H.B., Lin Q.H., Hong B., Zhu Y.X., Wang Y., Xu L.S., Leng X.T., Li H.D. A 6000-year record of changes in drought and precipitation in northeastern china based on a 513c time series from peat cellulose // Earth Planet. Sci. Lett., 2001,
vol. 185, p. 111-119.
16. Alewell, C., Giesler, R., Klaminder, J., Leifeld, J., Rollog M. Stable carbon isotopes as indicators for environmental change in palsa peats // Biogeosciences, 2011, vol. 8, p. 1769-1778.
17. Krüger J. P., Leifeld J., Alewell C. Degradation changes stable carbon isotope depth profiles in palsa peatlands // Biogeosciences, 2014. Vol. 11. P. 3369-3380.
18. Francey R., Tans P., Allison C., Enting I., White J., Trolier M. Changes in oceanic and terrestrial carbon uptake since 1982 // Nature, 1995, vol. 373, p. 326-330.
19. Wolfe B. B., Edwards T.W. D., Aravena R., MacDonald G. M. Rapid Holocene hydrologic change along boreal treeline revealed by Ö13C and Ö18O in organic lake sediments, Northwest Territories, Canada // J. Paleolim., 1996, vol. 15, p. 171-181.
20. Wolfe B. B., Edwards T.W. D., Aravena R. Changes in carbon and nitrogen cycling regimes during tree-line retreat recorded in the isotopic content of lacustrine organic matter, western Taimyr Peninsula, Russia // The Holocene, 1999, vol. 9, p. 215-222.
21. Fritz M., Wolter J., Rudaya N., Palagushkina O., Nazarova L., Obu J., Rethemeyer J., Lantuit H., Wetterich S. Holocene ice-wedge polygon development in northern Yukon permafrost peatlands (Canada) // Quaternary Science Reviews, 2016, vol. 147, p. 279297
22. Lacelle D. On the Ö18O, ÖD and d-excess relations in meteoric precipitation and during equilibrium freezing: Theoretical approach and field examples // Permafrost and Periglacial Processes, 2011, vol. 22, iss. 1, p. 13-25.
23. Деревягин А.Ю., Чижов А.Б., Майер Х., Опель Т. Сравнительный анализ изотопного состава повторно-жильных и текстурных льдов побережья моря Лаптевых // Криосфера Земли. 2016, том 20, № 2, с. 15-24.
24. Деревягин А.Ю., Чижов А.Б., Майер Х., Опель Т., Ширрмейстер Л., Веттерих С. Изотопный состав текстурных льдов побережья моря Лаптевых // Криосфера Земли, 2013, том 17, № 3, с. 27-34.
25. Конищев В.Н., Голубев В.Н., Рогов В.В., Сократов С.А., Токарев И.В. Экспериментальное исследование изотопного фракционирования воды в процессе сегрегационного льдообразования // Криосфера Земли, 2014, том 18, № 3, с. 3-10.
26. Froehlich K., Gibson J.J., Aggarwal P.K. Deuterium excess in precipitation and its climatological significance // Study of environmental change using isotope techniques, Vienna, Intern. Atomic Energy Agency, 2002, р. 54-65.
27. Васильчук Ю.К., Чижова Ю. Н., Папеш В. Тренд изотопного состава отдельного зимнего снегопада на северо-востоке Европы // Криосфера Земли, 2005, том 9, № 3, с. 81-87.
28. Harris S. A., Schmidt I.H., Krouse H.R. Hydrogen and oxygen isotopes and the origin of the ice in peat plateaus // Permafrost and Periglacial Processes, 1992, vol. 3, N1, p. 19-27.
29. Harris S.A., Waters N.M., Krouse H.R. Hydrogen and oxygen isotopes and the origin of the ice in peat plateaus: reply // Permafrost and Periglacial Processes, 1993, vol. 4, N3, p. 269-275.
30. Calmels F. Genesee et structure du pergelisol. Etude de formes periglaciaires de soulevement au gel au Nunavik (Quebec nordique), Canada // These de doctorat en cotutelle presentee a la Faculte des etudes superieures de l'Universite Lavai, Quebec dans le carded u programme de dodtoart en sciences geographiques pour l'obtention du grade de Philosophac Doctor (Ph.D).2005. - 338 pp.