Hydrogen isotopes and deuterium excess in recent growing ice wedges of northern Eurasia

Budantseva Nadine Arkad'evna PhD in Geography Senior Scientific Reserach, the department of Geography, M. V. Lomonosov Moscow State University  119992, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, stroenie 19 nadin.budanceva@mail.ru Other publications by this author

Vasil'chuk Yurii Kirillovich Doctor of Geology and Mineralogy Professor, the department of Geochemistry of Landscapes and Geography of Soils, M. V. Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 2009 vasilch_geo@mail.ru

Введение

В процессе современного роста повторно-жильных льдов над их поверхностью формируются ростки, состоящие из 10-12 элементарных жилок, шириной до 10-15 см. Такие ростки были обнаружены практически на всей территории криолитозоны Евразии от низовий Колымы (рис. 1) и севера Якутии на восточном склоне хребта Кулар (рис. 2) до Чукотки (рис. 3-5) и Воркуты. Такие же ростки описаны и в южных районах криолитозоны (например, в долине р.Чара ^[1].

Причиной столь специфического залегания ростков и их отделения от основного тела жилы в высоту является, скорее всего, повсеместное увеличение глубины сезонно-талого слоя в пределах полигональных массивов всей Евразии, происходившее, во всей вероятности, в начале 20 в. После глубокого протаивания, сопровождавшегося опусканием голов ледяных жил на 20-50 см, наступил период суровых зим и активизации морозобойного растрескивания. Это привело к повсеместному формированию ростков ледяных жил над протаявшими головами повторно-жильных льдов. Это хорошо подтверждают натурные наблюдения (см. рис. 1-5).

Рис. 1. Росток современной ледяной жилы на пойме Стадухинской протоки реки Колымы, близ урочища Плахино. Фотография Ю.Васильчука

Рис. 2. Росток современной ледяной жилы в долине р. Кючус, стекающей с восточного склона хребта Кулар. Фотография В.Трегубова

Рис. 3. Росток современной ледяной жилы в торфяника на побережье залива Онемен, близ г. Анадырь. Фотография Ю.Васильчука

Рис. 4. Внедрение жильного ростка в голоценовую ледяную жилу на побережье Мечигменской губы, близ пос. Лорино, Восточная Чукотка. Фотография А.Маслакова

Рис. 5. Текстура и структура льда ростка современной ледяной жилы на побережье Мечигменской губы, близ пос. Лорино, Восточная Чукотка. Фотография А.Маслакова

Изучение изотопного состава ростков ледяных жил уже более 30 лет используется для палеореконструкций ^[2]. Основой для этого послужила хорошая корреляция значений δ¹⁸О в ростках ледяных жил с зимней температурой воздуха для территории севера Евразии. Уравнение, связывающее эти два параметра, базирующиеся на данных прямых измерений δ¹⁸О в ростках ледяных жил, изученных на огромном пространстве североазиатской криолитозоны было получено в 1989 г. Был получен коэффициент, связывающий изотопно-кислородный состав современных жильных ростков (δ¹⁸O_пжл) со среднезимней температурой воздуха (t_ср.зим), равный 1,0 ^[2], но с допустимой погрешностью ±2^oС. Коэффициент соотношения δ¹⁸O в ростках современных ледяных жил со среднеянварской температурой воздуха (t_ср.янв) составил 1,5, с допустимой погрешностью ±3^oС. Эти зависимости выражаются следующими уравнениями:

t_ср.зим = δ¹⁸O_пжл (± 2^oC) (1)

t_ср.янв = 1,5δ¹⁸O_пжл (± 3^oC) (2)

На протяжении ряда лет значения этих коэффициентов верифицировались в процессе изучения ростков ледяных жил в новых регионах криолитозоны, в первую очередь, в Магаданской области и на Ямале ^{[3, 4, 5]}.

Эта верификация продемонстрировала, что изотопно-температурное уравнение, полученное по росткам ледяных жил, работает для всей территории криолитозоны северной Евразии. Отметим, что для североамериканской криолитозоны это уравнение не применимо и требует еще проведения значительных специальных исследований. Это обстоятельство было отмечено в 1991 г. профессором Дж. Росс Маккаем и профессором А.Уошборном в отзывах, присланных на автореферат докторской диссертации Ю.Васильчука ^[6]. В этих отзывах отмечено и хорошее соответствие изотопного состава и зимних температур для севера России и отсутствие подобных данных для Северной Америки. Полученные уравнения Васильчука стали хорошим триггером для изучения полигональных массивов, активизировавшегося в середине 1990-х гг. в процессе совместных российско-германских, российско-американских и российско-японских исследований. Новым элементом явилось начало изучения дейтериевого состава (δ²Н_пжл) ростков ледяных жил, отразившееся в целом ряде публикаций начала нулевых ^{[5, 7-14]}. Авторами также получены значения дейтериевого состава ростков ледяных жил на Чукотке и Европейском Севере ^{[7, 8]}.

Целью настоящей работы является обобщение данных значений дейтериевого состава ростков ледяных жил, имеющихся в настоящее время, для территории севера Евразии и обсуждение возможности использования этих значений в палеотемпературных реконструкциях, а также возможности использования дейтериевого эксцесса (d_exc) для оценки источника влаги для питания ледяных жил.

Методы

Основным методом исследования является полевой отбор льда ледяных ростков над растущими жилами преимущественно в шурфах, реже в обнажениях и последующий анализ их изотопно-водородного состава, наряду с изотопно-кислородным. Для получения более достоверных изотопно-водородных характеристик ледяных ростков такой отбор проводился повторно единовременно в пределах полигонального массива. Таким образом, достоверными можно считать данные, осредненные не меньше, чем по 3-5 росткам.

Измерения изотопного состава водорода льда выполнены авторами в режиме постоянного потока гелия (CF-IRMS) на масс-спектрометре Delta-V с использованием комплекса газ-бенч в изотопной лаборатории географического ф-та МГУ имени М.В. Ломоносова. Для калибровки измерений использовались международные стандарты V-SMOW, SLAP, собственный лабораторный стандарт МГУ – снег ледника Гарабаши (δ²Н = –110,0 ‰) и жильный лед Батагайского обнажения (δ²Н = –264 ‰). Погрешность определений составила ± 0,8 ‰.

Результаты

К настоящему времени имеются данные о содержании дейтерия и значениях дейтериевого эксцесса в ростках современных жилок из разных районов севера Евразийской криолитозоны (рис. 6).

Рис. 6. Карта расположения полигонально-жильных массивов, для которых получены значения δ²Н в современных ростках ПЖЛ. Номера на карте соответствуют номерам районов исследований в табл. 1

Для территории Европейского Севера эти данные единичны. Так, значение δ²Н в современном ростке в жилке, залегающей над голоценовой жилой на западном побережье Байдарацкой губы, в устье реки Нгарка-Тамбъяха, составило –141,9‰, значение d_exc - 10,34 ‰ (см. табл. 1).

Таблица 1. Значения изотопного состава водорода (δ²Н), кислорода (δ¹⁸О) и дейтериевого эксцесса (d_exc) в ростках ледяных жил Российской криолитозоны от устья р.Нгарка-Тамбъяха на северо-востоке Восточно-Европейской равнины до с.Лорино на востоке Чукотки

Более значительный массив данных получен коллегами из российско-германской экспедиции по росткам сибирской части криолитозоны. Ими были изучены современные ледяные жилки (ростки) в 4 районах российской криолитозоны (оз.Лабаз, мыс Саблера, Быковский п-ов и о.Большой Ляховский) ^[9-13].

Современные ростки ледяных жил исследованы в верхних частях голоценовых ледяных жил оз.Лабаз, мыс Саблера, Быковский п-ов и о.Большой Ляховский (см. рис. 6). Полевые наблюдения показали, что ширина современных жилок составляет около 1-4 мм. Средние значения изотопного состава водорода во льду жилок составило от –143,6 ‰ в районе оз.Лабаз до –180,3‰ на Быковском п-ове (см. табл. 1). Среднее значение изотопного состава современных жилок близко к Глобальной Линии Метеорных Вод (ГЛМВ) (рис. 7). В целом изотопный состав современных жилок отражает их питание за счет талой снеговой воды и хорошо соответствует зимним температурным условиям региона ^[9].

Для побережья моря Лаптевых отмечено, что в современных жилках диапазон значений изотопного состава заметно меньше, чем в более древних голоценовых и позднеплейстоценовых жилах и составляет около 40 ‰ по значениям δ²Н (от –132,3 до –169 ‰). Сравнение с изотопным составом текстурных льдов показало, что значения d_exc в повторно-жильных льдах всех исследованных генераций варьируют в существенно более узком диапазоне, чем в текстурных льдах, что еще раз доказывает более однородный изотопный состав жильного льда и незначительное влияние фракционирования при его формировании ^[14].

Рис. 7. Соотношение δ¹⁸O - δ²Н во льду современных ледяных жилок (1) и текстурных льдах (2), исследованных на побережье моря Лаптевых. ГЛМВ – Глобальная Линия Метеорных Вод (по ^[14])

На о.Большой Ляховский современные жилки шириной от 1 до 4 см были обнаружены в различных частях обнажения, главным образом в понижениях аласов, термоэрозионных долинах и русловых отложений, и были идентифицированы с помощью анализа трития.

Среднее значение δ²Н в жилках составляет –152 ‰, среднее значение d_exc = 4,5 ‰. На диаграмме δ¹⁸O - δ²Н их значения расположены вдоль линии с наклоном 7,6, они расположены близко к относительно изотопически тяжелыми пробами снега, а также к некоторым пробам дождей (рис. 8). Это может объясняться двумя возможными причинами: 1) смешением талой снеговой и дождевой воды, например, просачиванием дождя через снежного покров; 2) фракционирование в талой снеговой воде перед просачиванием в морозобойную трещину.

Рис. 8. Соотношение δ¹⁸O - δ²Н во льду современных ростков ледяных жил (1), пробах дождя (2), снега (3) на

о.Большой Ляховский. ГЛМВ – Глобальная Линия Метеорных Вод (по ^[11])

Говоря об изотопном фракционировании в процессе таяния снега, можно привести данные Б.Лауриоля, который показал, что первая порция талой воды характеризуется более легкими значениями δ¹⁸O и δ²Н и более низкими значениями d_exc, чем последующая ^[15]. Это означает, что современные ледяные жилы на Большом Ляховском острове с их более тяжелым изотопным составом близки по составу к остаткам снежников, которые являются источниками питания преимущественно на поздних стадиях таяния снега. Подобный процесс наблюдался в голоценовых ледяных жилах на р.Юкон в Канаде ^[15]. Другой возможной причиной различия изотопного состава снега и современных ледяных жилок является испарение или сублимация снежного покрова, что также приводит к снижению значений d_exc. Это может быть связано с относительно низким количеством зимних атмосферных осадков на Большом Ляховском острове и потому тонким снежным покровом, изотопный состав которого легко трансформируется ^[11].

А.Ю.Деревягин с соавторами ^[9] также отмечали, что низкие значения дейтериевого эксцесса, отмеченные в ростках на мысе Саблера и о.Б.Ляховский (7,8 и 4,8 ‰, соответственно), могут указывать на участие изотопно обогащенной воды (дождевая, поверхностная) в формировании льда жилок в этих районах, где участие талой снеговой воды оценивается в 30-40%. Для всех ледяных жил на Большом Ляховском острове, включая современные ледяные жилы, значения d_exc варьируют в пределах от 4,5% до 12%.

В современных ростках на Быковском п-ове вариации значений δ²Н составили от –167,1 до –217,3 ‰, значений d_exc – от 9,9 до 14,8 ‰ ^[10]. На диаграмме соотношения δ¹⁸O - δ²Н точки современных ростков расположены между точками снега (рис. 9), линия соотношения δ¹⁸O - δ²Н имеет наклон 7,8, что близко к ГЛМВ.

Рис. 9. Соотношение δ¹⁸O - δ²Н во льду современных ростков ледяных жил (1), пробах дождя (2) и снега (3) на Быковском п-ове (по ^[10])

Современные ростки опробованы при изучении жильного комплекса Ойгосского Яра, побережье пролива Дмитрия Лаптева (72.78 с.ш., 143.58 в.д., см. рис. 6). Ширина жилок составляла в среднем 0,5-2 мм, они были сложены льдом молочно-белого цвета с мелкими пузырьками воздуха и минеральными включениями, хотя чистые жилки также имелись. Изотопный состав водорода жилок варьировал от –193,5‰ до –137,3‰ (в среднем –168,1‰), значения d_exc – от 4,7 до 9,5 ‰ (среднее 7,6, см. табл. 1). Полученные значения для жилок расположены между крайними значениями для зимних и летних осадков, но достаточно близки к показателям летних осадков (рис. 10). Возможно, что морозобойные трещины заполнялись талой водой на последних стадиях весеннего снеготаяния, когда талая вода характеризуется более тяжелым изотопным составом по сравнению со свежим снегом ^[12].

Рис. 10. Соотношение δ¹⁸O - δ²Н в пробах дождя (1), снега (2) и во льду современных ростков ледяных жил (3), Ойгосского Яра, побережье пролива Дмитрия Лаптева. 4 – ГЛМВ, 5 – линии соотношения δ¹⁸O - δ²Н во льду и дожде (по ^[12])

На изотопной диаграмме наклон линии δ¹⁸O - δ²Н для жильных ростков равен 7,98. Это показывает, что средний изотопный состав жилок слабо зависит от кинетического фракционирования при таянии снега, просачивании талой воды в трещины и замерзания в них. Близкие значения к данным, полученным для ростков на о. Большой Ляховский, позволяет говорить о том, что изотопный состав жилок в основном соответствует изотопному составу зимних осадков. Однако, более низкие значения d_exc возможно показывают, что кроме влаги из основного Северо-Атлантического источника в формировании жилок может присутствовать влага из других источников, например, с поверхности полыней в морях Лаптева и Восточно-Сибирского ^[12].

Исследования изотопного состава осадков и льда современных жилок, проведенные на побережье моря Лаптевых, в 300 км к западу от дельты р.Лена (73°36’ с.ш., 117°10’ в.д.). Изотопный состав водорода в современных жилках варьирует от –146,5‰ до –165,6 ‰ (среднее –155,7 ‰), значения d_exc – от 5 до 10 ‰ (среднее 8‰). При этом интегральный изотопный сигнал снежного покрова в районе исследований составляет –154 ‰ по значениям δ²Н, и 9,9 ‰ для значений d_exc, что очень близко к среднему значению по современным жилкам. Полученные значения дейтериевого эксцесса показывают, что источник влаги для формирования снега и соответственно ледяных жилок – океан. Наклон линии δ¹⁸O-δ²Н для снега составляет 7,9, для жилок – 7,15, что близко к ГЛМВ, кроме того значения жилок расположены между крайними точками для снега (рис. 11).

Рис. 11. Соотношение δ¹⁸O - δ²Н во льду современных ростков ледяных жил (1), пробах снега (2) и дождя (3) на побережье пролива Дмитрия Лаптева (по ^[13])

Для сравнения, изотопный состав дождей расположен на некотором расстоянии от ГЛМВ, значения d_exc в них в среднем 6,2 ‰, что показывает кинетическое фракционирование в процессе выпадения дождей или формирование влаги над испаряющейся поверхностью озер и рек ^[13].

На востоке Чукотки современные ростки опробованы в ходе полевых исследований голоценовых массивов, проведенных в 2015-2017 гг. В районе с.Лорино (65°30’00’’с.ш., 171°43’00’’в.д). по 4 образцам современной жилки (см. рис. 4, 5) получены значения δ²Н – от –99,7 до –99‰, значения d_exc – от 5,4 до 6,3 ‰. В торфянике на побережье залива Онемен в районе г.Анадырь в современной жилке были получены значения δ²Н –122‰ и d_exc 4,4 ‰ ^[7]. При этом для снега, отобранного в районе залива Онемен, были получены более низкие значения. На диаграмме δ¹⁸O-δ²Н значения для снега и льда современных ростков расположены на расстоянии от ГЛМВ (рис. 12), при этом наклон линий соотношения δ¹⁸O-δ²Н для жилок (7,97) и снега (7,36) близки к наклону для ГЛМВ (8). Возможными причинами отклонения значения изотопного состава жилок от ГЛМВ и низкого дейтериевого эксцесса могут быть испарение или сублимация снежного покрова или участие изотопно обогащенной воды в формировании льда жилок.

Рис. 12. Соотношение δ¹⁸O - δ²Н во льду современных ростков ледяных жил и снеге на востоке Чукотки (район с.Лорино и залива Онемен) (по ^[7])

Выводы

1. Обобщены имеющиеся в настоящее время данные о дейтериевом составе ростков ледяных жил 9 полигональных массивов на территории севера Евразии от устья реки Нгарка-Тамбъяха на северо-востоке Европы до пос. Лорино на восточном побережье Чукотки.

2. Большинство линий регресии δ¹⁸O-δ²Н, связывающих значения для льда современных ростков, располагается вблизи глобальной линии метеорных вод.

3. В меридиональном распределении значений δ²Н в жильных ростках выявлен тренд снижения значений от побережья Байдарацкой губы на севере Европейской части России до побережья моря Лаптевых (от –141,9‰ до –137,3÷–193,5‰) и далее на восток – повышение значений (до –99÷–122‰) на восточном побережье Чукотки, что отражает изотопное облегчение осадков при перемещении атлантических воздушных масс над большей частью Российской криолитозоны и преобладающее влияние воздушных масс Тихого океана на Чукотке.