Вариации изотопного состава стронция в образцах современных улиток восточной части Кавказа Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2016, том 22, №2 (67), с. 32-40.

===== СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ====

УДК 550.4; 551.8 (925.22)

ВАРИАЦИИ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА СТРОНЦИЯ В ОБРАЗЦАХ СОВРЕМЕННЫХ УЛИТОК ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ КАВКАЗА

A A A AAA А

© 2016 г. Н.И. Шишлина , Ю.О. Ларионова , И.А. Идрисов , Е.С.Азаров

* Государственный исторический музей Россия, 109012Москва, Красная пл., 1. E-mail: nshishlina@mail.ru, hazari4@yandex.ru ** Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН.

Россия, 109017Москва, Старомонетный пер., 35. E-mail: ukalarionova@gmail.com *** Институт геологии Дагестанский научный центр РАН.

Россия, 367000 Республика Дагестан, Махачкала, ул. М. Ярагского, 75 E-mail: idris_gun@mail.ru

Поступила 25.06.2014 г.

Значения вариаций изотопного состава стронция 87Sr/86Sr в различных природных объектах позволяют получить новые данные, имеющие важное значение при определении вероятного места рождения человека древних эпох и определения маршрутов его миграций. Представленные данные получены в образцах современных улиток, обитающих в ландшафтах восточной части Кавказа, характеризующиеся различными почвообразующими породами. Установлено, что в образцах, происходящих из ландшафтов, для которых характерны однотипные породы, значение изотопного состава стронция 87Sr/86Sr в целом близкое, а в образцах, происходящих из ландшафтов, различающихся по характеру подстилающих горных пород, наблюдаются значительные вариации.

Ключевые слова: вариации изотопного состава стронция, горные породы, Кавказ

Введение

В современных исследованиях при интерпретации данных археологии особое значение имеет «изотопная подпись», сохранившаяся в разнообразных предметах материальной культуры, костях погребённого человека, животных и растениях. Одним из основных показателей мобильности человека являются значения вариаций изотопного состава стронция 87о /86с Sr/ Sr в его костной ткани.

Кальций-содержащие минералы составляют примерно 50% из всех биоминералов; на фосфаты приходится 25% биогенных минеральных типов. Это вполне естественно, поскольку кальций выполняет многие функции в клеточном метаболизме. Наиболее распространенный фосфатный биоминерал - нестехиометричный карбонат-гидроксиапатит, который является основным минеральным компонентом костей и зубов позвоночных организмов.

Зубные ткани содержат большое число микроэлементов. Некоторые из них (например, хром, цинк) необходимы организму для его нормального функционирования. Напротив, целый ряд элементов (алюминий, стронций и другие) не играют особой роли в жизнедеятельности организма, а отдельные (свинец, кадмий, ртуть) токсичны даже в малых количествах. Состав кальцинированных тканей на сегодняшний день активно используется как индикатор загрязнения окружающей среды, в частности, тяжёлыми металлами, поскольку они накапливаются минеральной фазой ткани во время её формирования, при этом время их выведения из тканей продолжается в течение нескольких лет. Для сравнения уровня загрязнения часто привлекаются археологические образцы - зубные ткани людей, живших на данной территории в разные доиндустриальные эпохи.

Зубная эмаль человека представляет собой кристаллический массив, сложенный несколькими видами апатита и загрязнённый протеиновыми компонентами, присутствующими в небольших количествах в зрелой, неживой структуре. Кристаллы в эмали имеют микро-

скопический размер и не могут быть восстановлены, кроме как путем внешнего привнесения требуемых ионов в ротовую полость и строгого соблюдения физико-химических условий равновесия продуктов в растворе.

В течение человеческой жизни клетки, отвечающие за образование минеральной фазы, откликаются на многочисленные биохимические факторы окружающей среды, такие как поступление питательных веществ, гормонов роста, механические нагрузки и другое. Дентин -живая ткань, реагирующая на эти факторы и изменяющаяся, чтобы соответствовать своим функциональным особенностям. Минеральный состав эмали количественно и структурно фиксирован после её формирования. Это и стало основой активно развивающегося сегодня и вошедшего в археологическую практику метода установления места рождения и первых лет жизни человека по изотопному составу стронция, зафиксированному в его зубной эмали [Bentley, Knipper, 2005; Montgomery et al., 2005; Evans et al., 2006; Price et al., 2012].

Являясь геохимическим аналогом кальция, стронций способен встраиваться в матрицу гидроксиапатита, замещая его, и накапливаться в зубных и костных тканях. Стронций (Sr) -химический элемент 2-й (IIa) группы Периодической системы Менделеева. Природный

88 86 87

стронций состоит из четырех стабильных изотопов Sr (82.56%), Sr (9.86%), Sr (7.02%) и

84 87

Sr (0.56%). Распространённость Sr варьирует в связи с образованием его за счёт распада природного рубидия Rb. Отношение Sr/ Sr в горной породе или минерале, содержащим Rb, зависит от возраста и отношения Rb/Sr в источнике или в материнской породе и представлено значительными вариациями.

В пищевую трофическую цепочку Sr попадает преимущественно из растений, которые, в свою очередь, поглощают его из почвы и поверхностных и подземных вод. Наиболее значительные вариации изотопного состава стронция характерны для первых 20 см гумусового слоя почвы, где значительное влияние на состав и концентрации элементов оказывают атмосферные осадки. Однако с глубиной изотопный состав стронция почв приближается к изотопному составу подстилающих горных пород. Изотопный состав стронция воды также зависит от состава и возраста размываемых пород. Геолого-геохимическая обстановка, характерная для того или иного региона, определяет изотопный состав стронция, который входит в растения и живые организмы, обитающие на изучаемой территории [Шишлина и др., 2012].

Накопление стронция в зубной эмали человека происходит с момента рождения и в детские годы (примерно до 12 лет и появления постоянных зубов); его изотопный состав отражает систему питания, компоненты которой происходят из определённого геолого-геохимического региона или нескольких регионов [Bentley et al., 2004; Eckardt et al., 2009]. Значение 8/Sr/86Sr в зубной эмали не меняется со временем (наиболее информативными являются премоляры и моляры М1, М2). Определив изотопный состав стронция в образцах зубной эмали и зная региональные геологические и изотопно-геохимические характеристики предполагаемых районов проживания древнего населения, можно определить, где человек родился и провел свое детство.

Задачей данной статьи является публикация новых данных «Атласа вариаций изотопного состава стронция 87Sr/86Sr» по материалам восточного Кавказа.

Кавказ характеризуется длительной и сложной историей развития. Это обусловило развитие нескольких структурных этажей, сложенных существенно разновозрастными и разнообразными горными породами [Геология..., 1968]. Характерная тектоническая структура Кавказа [Тектоника., 2009] на фоне значительной неотектонической активизации и выведения на поверхность разновозрастных пород является характерной особенностью этой грандиозной горной страны.

Особенности развития Кавказа способствовали выделению в нем крупных природных районов. Северная часть (Предкавказье) - это территория Скифской плиты, которая в различной степени была активизирована неотектоникой. Она простирается на север вплоть до Кумо-манычской впадины в географическом смысле районирования, и складчатых структур

Донбасса - кряжа Карпинского - в тектоническом. Южная часть (Кавказ) - собственно горная страна с резко ассиметричным строением с пологим северным склоном и крутым южным. Также наблюдается поперечная дифференциация региона с выделением западной, центральной и восточной частей. Подобное деление характерно и для Предкавказья и для горной территории.

В формировании Кавказа можно выделить современный (альпийский) этап развития и предшествующие доюрские этапы [Тектоника., 2009], отложения которых, в целом, слагают фундамент, который был сильно дислоцирован, размыт. В центральной части Кавказа он приподнят на большую высоту, где выходит на поверхность. Породы этого времени отличаются большим разнообразием, также они в значительной степени переработаны метаморфическими процессами. На остальной территории (в том числе в высокогорной части Западного и Восточного Кавказа), доюрские породы находятся на глубине в несколько километров.

В юрское время начался современный альпийский этап развития Кавказа. Современная территория Кавказа в начале этого этапа располагалась вдоль северного края океана Тетис и вместе с обширными территориями Альпийско-Гималайского пояса пришла в движение в связи с активными процессами, обусловленными движениями материков и их блоков. В это время произошла значительная перестройка развитых в предшествующее время структур, что привело к образованию современной структуры Кавказа.

Для восточного Кавказа характерны следующие крупные группы горных пород (снизу вверх): глинистые сланцы и песчаники нижней и средней юры; крепкие бронирующие известняки верхней юры-нижнего мела; песчаники нижнего мела; глины нижнего мела; трещиноватые известняки и мергели верхнего мела и палеогена; мощная толща глин майкопской свиты (палеоген-неоген) - широко развитых вдоль предгорий Кавказа и сопредельных горных сооружений; песчаники с прослоями глин чокрак-карагана (миоцена) - образующих внешний передовой хребет Кавказа, непрерывно протягивающийся вдоль северного склона, а также образующий большую часть Центрального Предкавказья (Ставропольскую возвышенность); мощная толща глин с подчиненным прослоем известняков сарматского возраста - эти породы сильно размыты, но образуют ряд останцовых гор вдоль северо-востока Кавказа; выше залегают преимущественно терригенные породы конца плиоцена-четвертичного периода, особенно широко развитые вдоль юго-восточного окончания Кавказа.

Прогрессивно усиливающаяся коллизия способствовала быстрому росту Кавказа в неогене и в плейстоцене. Одновременно начали образовываться прогибы (Индоло-Кубанский, Терско-Каспийский, Северо-апшеронский, Рионский, Нижне- и Среднекуринские). Восток Терско-Каспийского прогиба не был скомпенсирован осадконакоплением и к современности превратился в глубоководную впадину Среднего Каспия. На остальных участках мощность накопленных в неоген-четвертичное время осадков достигает 3-5км; а на юго-восточном и северо-западном погружениях Кавказа (Апшерон и Тамань) превышает 10км. В четвертичное время в центральной части Кавказа развился значительный вулканизм, когда вершины вулканов (Эльбрус и Казбек) преодолели 5 км.

Быстрый рост Кавказа привел к тому, что в осадках окружающих равнин прогрессивно возрастает доля грубообломочных пород. Это связано со значительным ускорением эрозионных процессов, обусловленной ростом размеров и высоты прилегающих горных хребтов. Еще одной характерной особенностью плейстоценовых отложений региона являются резкие колебания уровня Каспийского моря амплитудой более 1000 м за 3 млн. лет, и около 180 м -за последние 20 тыс. лет.

В неоплейстоцене обширные территории к северу от Кавказа (включая ряд низкогорий) покрывались шлейфом лёссовых пород. В целом, подобные отложения характеризуются близкими геохимическими особенностями.

Материалы и методика работ

Для построения геохимической карты вариаций изотопного состава стронция в восточной части Кавказа выбраны образцы улиток, которые являются прекрасным источником ин-

87 86

формации о локальном местном сигнале Sr/ Sr. При отборе образца с помощью GPS-навигатора фиксировалась точная географическая привязка (рис.1). По возможности, образец улитки определялся до вида (табл.).

О 20 40 80 120 160

Рис. 1. Обзорная карта Восточного Кавказа с точками отбора образцов.

Fig. 1. Overview map of the Eastern Caucasus with sampling point.

Для построения своей раковины улитки используют известь, извлекая её из почвы, растений, воды, а при недостатке кальциевого материала могут извлекать его непосредственно из твёрдых пород и минералов. Являясь геохимическим аналогом кальция, стронций концентрируется в раковине моллюсков и его изотопный состав отражает геохимический сигнал

окружающей среды, из которой стронций поступил в живой организм. В последние десятилетия в связи с повышением разрешающей способности аналитической аппаратуры появились сведения о фракционировании в живых организмах стабильных изотопов стронция в кораллах). О фракционировании Sr/ Sr сведений нет: оно не происходит или его эффект столь незначителен, что на сегодняшний день не может быть обнаружен.

Изучение изотопного состава проводилось в лаборатории изотопной геологии и геохронологии Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН.

Обсуждение результатов

Образцы отобраны на участках с различными почвообразующими породами в различных высотных поясах Восточной части Кавказа, на территории России, Азербайджана и Грузии, которые в основных чертах характеризуют геологическое разнообразие района исследований. Проанализировано 9 участков (в двух случаях - по два экземпляра на участок для проверки точности измерений). Средняя статистическая поправка составила ±0.000010 (табл.).

Таблица. Вариации изотопного состава стронция 87Sr/86Sr в образцах современных улиток Восточного Кавказа. Table. Variations in the isotopic composition of strontium 87Sr / 86Sr in the samples of modern sale, the current Eastern Caucasus.

№ образец Sr, мкг/г 87Sr/86Sr ±20

1 Дагестан, Гунибский р-н, с. Гуниб. Высота 1235м. Известняки - нижний мел. N 42°23'20" Е 46°57'47" 1031 0.708044 0.000011

2 Дагестан, Карабудахкентский р-н, с. Гурбуки. Аллювий-делювий. Высота 480м. Известняки - верхний мел. N 42°36'25" Е 47°34'55" 739 0.708099 0.000009

3 Дагестан, Гунибский р-н, Гунибское плато. Высота 1515м. Известняки - нижний мел. Helicopsis N 42°23'44'' Е 46°56'14,7'' 851 0.707859 0.000012

4 Дагестан, г. Дербент; Цитадель Нарын-Кала. Высота 110м. Известняки - сарматский ярус - неоген. Helicopsis N 42°04'09'' Е 048°17'45'' 1488 0.708542 0.000010

5 Дагестан, Каякентский р-н, с. Герга. Высота 30м. Дубовый лес. Глина. Раннехвалынская терраса - поздний неоплейстоцен. N 42°19'35" Е 047°58 '09" 2700 0.70859 0.000009

6 Дагестан, Карабудахкентский р-н, учебная база МГУ Турали. Высота -21 м. Пески, ракушечниковый детрит берегового вала. Новокаспийский ярус - голоцен. N 42°48'24" Е 047°42'29" 2574 0.708326 0.000009

7 Азербайджан, хребет Палантекян. Высота 135м. Суглинки, супесь. Апшеронсий ярус - эоплейстоцен. N 40°58'27" Е 046°30'33,97" 1411 0.707274 0.000009

8 Азербайджан, Джейранчель. Высота 440м. Сухая степь. Суглинки, аллювий притока р. Кура. Неоплейстоцен - голоцен. N 41°20'02" Е 045°35'15" 1021 0.707395 0.000010

9 Азербайджан, хребет Боздаг (Гараджа), 3 км к востоку от гор. Мингечаур. Высота 130м. сухая степь полупустыни. Суглинки, глины. Апшеронский ярус - эоплейстоцен. N 40°47'51" Е 047°04'51" 1877 0.707669 0.000010

На фоне различного содержания Sr в образцах (обусловленного специфической геохимической обстановкой) наблюдаются относительно близкие соотношения исследуемых изотопов. Изотопный состав стронция в изученных образцах современных улиток восточной части Кавказа варьирует от 0.70727 до 0.70859.

Наиболее высокие значения характерны для молодых морских осадков (новокаспийских и хвалынских), которые во многом сохранили химические особенности морской воды, из которой они отлагались. Карта-схема расположения пунктов отбора, совмещенная с геологической картой приведена ниже (рис.2).

N

0 20 40 80 120 160

I Ы Ы И I I

Рис.2. Геологическая карта восточной части Кавказа. Fig.2. Geological map of the eastern part of the Caucasus.

Геологические обозначения

меловые, палеогеновые и неогеновые вулканические породы

основные и ультраосновные щелочные вулканические породы

вода (реки и озера)

[ NQ - неоген-плейстоцен

Q - плейстоцен

Рис.3. Условные обозначения к геологической карте Восточной части Кавказа. Fig. 3. Key to the geological map of the eastern part of the Caucasus.

87 86

В других регионах Кавказа отношение Sr/Sr варьирует от 0.7074 (Абрау-Дюрсо) и 0.7075 на побережье Чёрного моря в Абхазии (Гагры) до 0.7089 (Темрюк) [Шишлина и др., 2012; Trifonov et al., 2012]. В равнинно-предгорной полосе Северо-Западного Кавказа 87Sr/86Sr меняется от 0.7075-0.7076 (Отхара, Лыхны, Псыбе, Шепси) до 0.7087 (с. Старокорсунская), варьируя в горных районах в пределах 0.7093-0.7099 (Нижний Афон и др.). Относительно большие вариации значений связаны с контрастными литологическими особенностями аллювия, слагающего предгорные территории в данной части Кавказа, обусловленные разнообразием размываемых в верховьях рек горных пород.

На равнинах центрального Предкавказья и прилегающей с севера территории соотношение составляет 0.7089-0.7092 [Шишлина и др., 2012] с минимальным разбросом значений, что вероятно обусловлено распространением здесь лёссовых пород.

Исследованные в восточной части Кавказа образцы можно объединить в несколько групп. В первую группу вошли образцы, отобранные в среднегорных и предгорных ландшафтах Восточного Кавказа, на высотах от +480 до 1515м. Здесь наблюдаются значения в интервале 0.70786-0.70810, приуроченные к районам распространения известняков юры и мела. Такие породы резко доминируют для данной части Кавказа.

Для низменных (прикаспийских) районов установлены соотношения в интервале 0.70832-0.70859 (образцы 5-6). Данные получены для контрастных образцов: глин позднего неоплейстоцена (хвалыни) и ракушечного детрита среднего голоцена. Вероятно, подобное соотношение изотопов стронция фиксируют особенности состава вод Каспийского моря, сохранившиеся в этих морских осадках. Соответственно подобные значения можно ожидать для всех хвалынских и новокаспийских отложений вдоль всех берегов Каспийского моря (от Волгограда до западной Туркмении).

Получена одна проба для полосы предгорий (низкогорий) северо-восточного Кавказа -

0.70854 (образец 4), для участка развития неогеновых сарматских известняков, имеющих

широкое распространение вдоль всего юга Восточно-Европейской равнины (от Карпат до

Устюрта). Непосредственно вдоль северо-востока Кавказа сарматские известняки сохрани-

^ 2 лись в виде нескольких небольших останцов, суммарной площадью менее 500 км (плато

Тарки-тау, Джалган, Избербаш, Шерябаш и ряд других). При этом для восточной части Кавказа характерно контрастное распределение пород. Соответственно для данной территории для других пород палеогена-неогена соотношения изотопов стронция может отличаться.

Обособленную группу представляют собой образцы центральной части Закавказья (образцы 7-9). Для них характерны значения от 0.70727 до 0.70766 (образцы из западной части Азербайджана) и 0.70807 (Центральная Грузия). Образцы 7-9 отобраны на расстоянии 150 км для пород контрастного возраста от эоплейстоцена до голоцена. Среди горных пород данной территории резко доминируют терригенные мелкообломочные породы (глины, суглинки, пески), которые могут многократно размываться, переотлагаться и вновь накапливаться. В

целом, подобные характеристики соотношения изотопов Sr могут быть характерны для всех предгорий, которые широкой полосой опоясывают Кавказ с юга, а также для территории Ку-ро-Араксинской низменности, лежащей еще южнее.

Заключение

Вариации значений соотношения изотопов стронция Sr/Sr в современных образцах улиток из Восточного Кавказа дополняют данные, полученные по другим регионам России. Они иллюстрируют изотопное соотношения для Sr для отдельных крупных регионов восточной части Кавказа: меловых известняков Внутригорного Дагестана, позднеплейстоценовых-голоценовых морских террас Каспийского моря, терригенных пород Аджиноурского региона и всей юго-восточной периферии Кавказа. Для других регионов (северо-восточные предгорья Кавказа, высокогорная зона развития юрских пород, Центральный Кавказ) необходимо продолжение исследований с отбором образцов из участков с различным геологическим строением. Выявленные особенности соотношения изотопов стронция в образцах, отобранных на различных горных породах, свидетельствуют об определенном их разнообразии и возможности выделения крупных регионов с однотипными изотопными соотношениями, в том числе

87 86

при составлении Атласа вариаций изотопов стронция Sr/Sr в современных образцах. Эти данные можно будет использовать при интерпретации естественно-исторических событий. Работа поддержана грантом РФФИ №13-06-12003 офи_м.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Геология СССР. Т.IX Северный Кавказ. Ч.1 Геологическое описание. М.: Недра. 1968. 760с. Тектоника южного обрамления Восточно-Европейской платформы. Объяснительная записка к тектонической карте Черноморо-Каспийского региона. Под ред. акад. В.Е. Хаина, В.И.Попкова. Краснодар. 2009. 213с. ШишлинаН.И., ЛарионоваЮ.О., СафоновИ.Е., СевастьяновВ.С. Масс-спектрометрические исследования и проблема миграций населений степной зоны Кавказа в эпоху бронзы: первые результаты // Новейшие открытия в археологии Северного Кавказа: исследования и интерпретации. XXVII Крупновские чтения. Махачкала, 2012. С.145-146. Шишлина Н.И., Ларионова Ю.О. Вариации изотопного состава стронция в образцах современных улиток юга России: первые результаты // Материалы по изучению историко-культурного наследия Северного Кавказа. Археология, краеведение, музееведение. Отв. ред. А.Белинский. Ставрополь: Наследие. 2014. С. 63-72.

87 86

Bentley R.A., Price T.D., Stephan E. Determining the local Sr/ Sr range for archaeological skeletons: a case study from Neolithic Europe // JAS. - 31. - 2004. Bentley R.A., Knipper C. Geological patterns in biologically available strontium, carbon and oxygen

isotope signatures in Prehistoric SW Germany // Archaeometry. - 47, 3. - 2005. Eckardt H., Chenery C., Booth P., Evans J.A., Lamb A., Muldner G. Oxygen and strontium isotope

evidence for mobility in Roman Winchester// - JAS. - 36. -2009. Evans J., Stoodley N., Chenery C. A strontium and oxygen isotope assessment of a possible fourth century immigrant population in a Hampshire cemetery, southern England // JAS. - 33. - 2006. Montgomery J., Evans J.A., PowleslandD., Roberts Ch.A. Continuity or Colonization in Anlo-Saxon England? Isotope Evidence for Mobility, Subsistence Practice, and Status at West Heslerton // American Journal of Physocal Anthropology. - 126. - 2005. Price T.D., Frei K.M., Tiesler V., Gestsdottir H. Isotopes and mobility: Case studies with large samples // Population Dynamics in Prehistory and Early History. New Approaches Using Stable Isotopes and Genetics. - Berlin, 2012. Trifonov V.A., Zaitseva G.I., van der Plicht J., Burova N.D., Bogomolov E.S., Sementsov A.A., Lokhova O.V. The dolmen Kolikho, Western Caucasus: isotopic investigation of funeral practice and human mobility // Radiocarbon, Vol. 54, Nr 3-4, 2012.

VARIATIONS IN 87SR/86SR RATIOS IN THE SNAIL CONTEMPORARY SAMPLES OBTAINED FROM THE EASTERN CAUCASUS

© 2016. N.I. Shishlina*, Yu.O. Larionova**, I.A. Idrisov***, E.S. Azarov*

*State History Museum, Russia, 109012 Moscow, Red Square., 1. E-mail: nshishlina@mail.ru, hazari4@yandex.ru ** Establishment of the Russian Academy of Sciences Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy and Geochemistry, Russia, 109017Moscow, Staromonetniy l., 35. E-mail: ukalarionova@gmail. com, *** Institute of Geology of the Dagestan Scientific Center, RAS. Russia, 367000, Makhachkala, M. Yaragskogo str., 75. E-mail: idris_gun@mail.ru

Local geochemical environment of different regions is characterized by specific obtained for rock, groundwater, soil, plants and animals and through components of diet is incorporated into human tooth enamel during the time of formation. It provides data for identifying a possible place of indi-

87 86

vidual origin. Ten Sr/ Sr ratio data obtained from the different areas of the Eastern Caucasus present variations due to the differentiation of rock and water of local landscapes. Keywords: variation of the isotopic composition of strontium, sediments, Caucasus.