Hydrochemical composition of Holocene ice wedges near the town of Anadyr

Введение

Образование повторно-жильного льда происходит в морозобойных трещинах, чаще всего в результате их заполнения талой снеговой водой. Однако, в отдельных случаях в трещины может попадать и вода иного генезиса – озерная, речная и даже морская. Химический состав подземных льдов отражает особенности гидрохимической обстановки времени их образования или промерзания и может быть важным критерием для реконструкции палеофациальных условий. Химический состав подземных льдов, в том числе повторно-жильных, имеет неоднозначную зависимость от их местоположения. Несмотря на преобладание толщ морского генезиса в прибрежных районах Чукотских низменностей, анализ полученных к настоящему времени данных показывает, что более 50% ледяных жил, опробованных на Чукотке, имеет минерализацию менее 50 мг/л, и почти 100% жил характеризуются минерализацией менее 150 мг/л ^[1]. Сопоставление данных химического и изотопного состава повторно-жильных льдов позволяет более уверенно говорить об основном источнике питания жил.

Районы исследований и методы измерений

Выполнено исследование голоценовых повторно-жильных льдов, вскрытых в обнажении первой морской террасы вблизи г.Анадырь (64°44′19″ с.ш.,177°26′45″ в.д.) в июле 2017 г. Район исследований расположен на востоке Чукотского полуострова, на побережье залива Онемен (рис. 1).

Рис. 1. Расположение исследованных голоценовых повторно-жильных льдов в районе г.Анадырь, ранее исследованных авторами голоценовых повторно-жильных льдов на п-ове Дауркина (1 – У - пос.Уэлен, К – оз.Коолень, Лор. – с.Лорино, Лав. – пос.Лаврентия), а также позднеплейстоценовых и голоценовых повторно-жильных льдов в разных районах Чукотки и на о.Айон (2 – Ам. – р. Амгуэма, Тав. – р. Тавайваам, Р – мыс. Рогожный, М – р. Майн, А – р. Анадырь). По данным из ^[1,2].

Рис. 2. Обнажение I морской террасы на побережье залива Онемен, в 2 км от г. Анадырь. Июль, 2017 г. Фото Ю.Васильчука

Климат полуострова суровый, резко континентальный во внутренних районах, морской на побережье. Продолжительность зимнего периода составляет до 10 месяцев в году. Средние температуры января варьируют от –15 до –40°С (среднемноголетнее значение –21°C), июля – от +5 до +12°С (среднемноголетнее значение +10°C), среднегодовое количество осадков составляет 200–500 мм. Многолетнемерзлые породы здесь широко распространены, их температура варьирует от –10°С в осевых частях горных хребтов и –4…–6°С в долинах рек и на побережьях; мощность мерзлых толщ варьирует от 200 до 700 м. Голоценовые повторно-жильные льды практически повсеместно распространены, особенно в северных и восточных районах ^[3].

Полигональный рельеф четко прослеживается на поверхности первой морской террасы в районе исследований, размеры полигонов около 8х12 м. В обнажении террасы вскрыт торф мощностью около 1.5 м, подстилаемый супесью мощностью до 2 м, ниже залегает песок горизонтально-слоистый. Повторно-жильные льды залегают в торфе (головы жил) и в подстилающей супеси. Лед жил вертикально-слоистый, желтовато-серый. Ледяные жилы вскрыты также в обнажении торфяника мощностью до 2,5 м, вложенного в виде линзы с поверхности террасы.

Для гидрохимического анализа отобраны образцы из трех наиболее полно вскрытых ледяных жил. Жила 1 залегала на глубине около 2 м, ширина жилы в верхней части около 0.9 м, вскрытая вертикальная мощность не более 1.5 м.

Рис. 3. ПЖЛ 1. Фото Ю.Васильчука.

Жила 2 вскрыта в супеси под торфяником в обнажении озерно-болотной вкладки, ширина жилы около 1 м, вскрытая мощность около 0.5 м.

Рис. 4. ПЖЛ 2. Фото Ю.Васильчука.

Опробована также узкая ледяная жила (ширина 0.2 м), залегающая в торфянике на глубине 0.4 м.

Рис. 5. ПЖЛ 3. Фото Ю.Васильчука.

Отбор образцов льда в жиле 1 проводился вдоль трех вертикальных профилей, в жиле 2 – вдоль горизонтальной оси на глубине 0.1 м, в жиле 3 – вдоль вертикальной оси в центре жилы. Также был отобран образец льда из современного ростка ледяной жилы (рис. 6) и вода из залива Онемен.

Всего для химического анализа было отобрано 20 образцов льда из голоценовых жил (13 образцов из ПЖЛ №1, 5 образцов из ПЖЛ №2 и 2 образца из ПЖЛ №3, рис. 7), также отобран лед из современного жильного ростка и вода залива Онемен.

Рис. 6. Жильный росток (показан стрелкой). Фото Ю.Васильчука

Рис. 7. Схема отбора проб льда из жил в районе г.Анадырь.

Ионный состав льда определялся на ионном хроматографе «Стайер» методом ионной хроматографии в лаборатории Эколого-геохимического научно-образовательного центра кафедры геохимии ландшафтов и географии почв Географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова. Предел детектирования по хлорид-иону составил 0.02 мг/л. В пробах была определена общая минерализация и концентрация 7 ионов – Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, SO₄^2- и NO₃^-.

Результаты

Минерализация льда жил варьирует от 12.3 до 78.8 мг/л (таблица), составляя в среднем 33 мг/л. Ионный состав немного варьирует в разных жилах. В жиле, вскрытой в обнажении первой морской террасы (ПЖЛ №1) в составе ионов преобладает Na⁺ (от 3.1 до 6.7 мг/л, среднее значение 5.4 мг/л) и Cl^- (от 3.3 до 10.7 мг/л, среднее значение 6.4 мг/л). Содержание остальных ионов было достаточно низким (K⁺ не более 3.6 мг/л, Mg²⁺ не более 1 мг/л), содержание Ca²⁺ также в целом оказалось довольно низким (от 0.8 до 3.1 мг/л), только в двух образцах его содержание составило 8.3 и 9 мг/л, содержание SO₄^2- в целом варьировало между 0.8 и 1.5 мг/л, в одном образце с наиболее высокой минерализацией (64.5 мг/л) содержание этого иона составило 19.7 мг/л. В нижней части жилы отмечено очень высокое содержание иона NO₃^- – 82 мг/л, в остальных пробах льда его содержание варьировало от 0.5 до 5.6 мг/л (рис. 8).

Рис. 8. Концентрация катионов (а) и анионов (б) и средние значения концентрации ионов и минерализации (в) ПЖЛ №1

В жиле, вскрытой в торфянике, вложенном в первую морскую террасу (ПЖЛ №2), в ионном составе отмечено преобладание Ca²⁺ (от 0.9 до 17.6 мг/л, среднее значение 7.5 мг/л) и Cl^- (от 2.6 до 7.9 мг/л, среднее значение 4.5 мг/л), содержание остальных ионов было достаточно низким (Na⁺ – не более 6.7 мг/л, K⁺ не более 1.4 мг/л, Mg²⁺ не более 0.5 мг/л, SO₄^2- не более 0.3 мг/л). В двух образцах отмечено высокое содержание иона NO₃^- – 23 и 27 мг/л, одно из них получено для грунтово-торфяной жилки, внедряющейся в ледяную жилу. В правой краевой части жилы отмечено заметное возрастание содержания Ca²⁺ (рис. 9, а, б), здесь же отмечена и максимальная минерализация (67.5-78.7 мг/л), в 3 раза превышающая значения минерализации льда жилы в левой части.

Рис. 9. Концентрация катионов (а) и анионов (б) и средние значения концентрации ионов и минерализации (в) ПЖЛ №2

Ограниченное количество данных по узкой жиле из торфяника (ПЖЛ №3) не позволяют рассматривать вариации значений содержания ионов, можно только отметить преобладание Na⁺ и Cl^- в ионном составе, однако их содержание довольно низкое и не превышает 5 мг/л. Минерализация льда этой жилы наиболее низкая из всех изученных жил и составляет 12.3-18.3 мг/л (см. таблицу).

Современный ледяной росток также характеризуется низким значением минерализации (22.3 мг/л) и преобладанием в составе ионов Na⁺ (4.4 мг/л) и Cl^- (5 мг/л), содержание остальных ионов менее 2 мг/л. Вода залива Онемен имеет минерализацию 123 мг/л, в составе ионов преобладают Na⁺ (24 мг/л) и Cl^- (27.5 мг/л).

Таблица. Минерализация и содержание основных ионов во льду жил в районе г.Анадырь

* - внедрение грунтово-ледяной жилы (лед и супесь)

Соотношение иона хлора и сульфат иона (Cl^-/SO₄^2-) во льду жил в районе г.Анадырь варьирует от 0.5 до 40.7 (см.таблицу). В ПЖЛ №1 значение соотношения Cl^-/SO₄^2- варьирует от 0.5 до 9.9; низкие значения этого соотношения получены по современному ростку и воде залива Онемен (2.6 и 2.2, соответственно). В жилах из торфяника значения соотношения Cl^-/SO₄^2- наиболее высокие и варьируют от 12.2 до 40.7.

Сопоставление гидрохимического состава голоценовых повторно-жильных льдов в районе г. Анадырь и других районов Чукотки

Ранее нами был исследован гидрохимический состав голоценовых повторно-жильных льдов на п-ве Дауркина, расположенном в северо-восточной части Чукотки. Исследованные жильные массивы расположены вблизи морских акваторий (Чукотское и Берингово моря). Было установлено, что минерализация льда жил варьирует от 14 до 221 мг/л, но в большинстве случаев она не превышала 100 мг/л. В составе ионов во льду исследованных жил отмечено преобладание Na⁺, Сa²⁺и Cl^- и (с. Лорино, оз. Коолень, пос. Уэлен), Са²⁺ и НСО₃^- (пос. Лаврентия) ^{[4, 5]}. Сравнение гидрохимического состава голоценовых повторно-жильных льдов в районе г.Анадырь и других районов Чукотки показывает близкие значения по минерализации и преобладающим ионам.

По соотношению Cl^-/SO₄^2- жилы в районе г.Анадырь близки к жилам в районе с.Лорино, для которых получены значения от 1.7 до 25.6 (при доминировании в составе ионов натрия и хлора). При этом во льду современного жильного ростка в районе с.Лорино это соотношение составляет 2-5.5. для сравнения можно отметить, что в морской воде значение соотношения Cl^-/SO₄^2- близко к 11, более высокие значения (до 25) отмечены в криопэгах ^[6].

Однако участие морской воды непосредственно в формировании жил в районе г.Анадырь почти исключается, на что указывает низкая минерализация льда (менее 100 мг/л), а также изотопный состав кислорода и водорода льда жил: линия наклона соотношения δ²Н–δ¹⁸О для льда составляет 7.53, что близко к наклону для Глобальной Линии Метеорных Вод (ГЛМВ), для которой он равен 8 ^[7]. Эти данные свидетельствуют о преимущественно атмосферном питании льда жил, за счет талого зимнего снега. Большая доля Na⁺ и Cl^- в составе ионов обусловлена формированием жил вблизи морской акватории и захватом осадками морских аэрозолей.

Преимущественно атмосферное питание (на основе данных по минерализации, ионному и изотопному составу) было установлено для большинства повторно-жильных льдов, формировавшихся в голоцене на востоке Чукотки. Только для некоторых жил в районе с.Лорино показано возможное участие засоленных вод сезонно-талого слоя, на что могут указывать высокие значения Cl^-/SO₄^2- и наклон линии соотношения δ²Н–δ¹⁸О жилы, равный 5.58 ^{[5, 8]}.

Говоря о возрасте жил, исследованных на востоке Чукотки, можно отметить, что они формировались в разные периоды голоцена. Ранее нами было показано ^{[5, 7, 8]}, что начало формирования жил в торфяниках близ пос. Уэлен и с.Лорино датируется около 11 тыс. калиб. лет назад. (гренландский период голоцена); в районе оз.Коолень процесс формирования ледяных жил начался около 6 тыс. калиб.лет назад (северогриппианский период голоцена). В районе пос. Лаврентия ¹⁴С датирование вмещающих жилы отложений показало возраст от 4.8 до 2.5 тыс. калиб. лет назад (конец северогриппианского - первая половина мегхалайского периода голоцена).

Формирование исследованных нами повторно-жильных льдов в районе г. Анадыря происходило в между 9 и 6 тыс. лет назад (конец гренландского – первая половина северогриппианского периодов голоцена). Наличие торфяно-грунтовых жил в пределах торфяника, скорее всего, свидетельствуют о субаквальном протаивании ледяных жил в результате избыточного увлажнения поверхности торфяника. В дальнейшем, на стадии заболачивания и возобновления аккумуляции торфа, началась следующая стадия формирования ледяных жил. О росте жил в обстановке с высокой степенью биологической активности (формирующийся торфяник), может говорить также содержание нитратов (NO₃^-) во льду исследованных жил – в некоторых образцах льда из ПЖЛ №1 и №2 получены весьма высокие значения (от 23 до 82 мг/л).

Исследования гидрохимического состава повторно-жильных льдов Чукотки, выполненное авторами и другими исследователями, показало, что по минерализации лед позднеплейстоценовых, голоценовых и современных жил в основном, пресный (минерализация не превышает 150 мг/л). Повторно-жильные льды позднеплейстоценового возраста, изученные на Чукотке в долинах рек Майн и Анадырь, а также на о. Айон, характеризовались довольно низкими значениями минерализации. На о.Айон, со всех сторон окруженном морем, минерализация жильного льда составила 40-110 мг/л, при этом преобладающим компонентом оказались гидрокарбонаты. В жилах в долине р. Майн, удаленных от побережья на сотни километров, минерализация льда позднеплейстоценового возраста в большинстве образцов не превышала 60 мг/л, состав преимущественно гидрокарбонатно-натриевый, хотя в отдельных образцах с более высокой минерализацией (до 150 мг/л) отмечено заметное содержание хлоридов ^{[1, 9]}. Позднеплейстоценовые жилы вблизи г. Анадырь также оказались пресными, минерализация не превышала 70 мг/л, в составе преобладали ионы Na⁺ и НCO₃^-, при повышенном содержании иона Cl^- (25% от общего ионного состава).

Минерализация льда голоценовых жил, исследованных на Чукотке, не превышала 100 мг/л. Даже на морской лайде о. Айон минерализация голоценовых повторно-жильных льдов не превысила 60-70 мг/л, несмотря на преобладание хлоридов – более 30% от общего содержания легкорастворимых солей. В этом случае близость моря в какой-то мере сказалась на составе повторно-жильных льдов, но все же морское влияние проявилось лишь косвенно; вода, формирующая жилы, несомненно, атмосферно-метеорного происхождения. Минерализация льда голоценовой жилы в районе г.Анадырь варьировала от 30 до 58 мг/л, в составе ионов преобладали Na⁺ и K⁺, SO₄^2- и HCO₃^{- [1]}. По данным А.Н.Котова и С.Н.Бражник ^[2] химический состав голоценовых повторно-жильных льдов, исследованных в верховьях р.Анадырь, гидрокарбонатно-кальциевый, минерализация составила 50-60 мг/л. Химический состав голоценовых и современных повторно-жильных льдов на мысе Рогожном (залив Онемен, устье р.Анадырь) гидрокарбонатный натриевый, минерализация льда составляет 70-120 мг/л. Эти данные близки к полученным нами данным по жилам в районе Анадыря, и еще раз подтверждает преимущественно атмосферный источник питания жил.

Анализ химического состава голоценовых и современных повторно-жильных льдов на территории Чукотки показал, что его формирование зависит от состава атмосферных осадков. При этом происходит преобразование первичных вод как в сезонно-талом слое (СТС), так и в морозобойных трещинах. Криометаморфизм исходных вод при льдообразовании увеличивает относительные содержания гидрокарбонатов и натрия ^[2]. Осредненные данные А.Н.Котова и С.Н.Бражник ^[2] по минерализации и химическому составу атмосферных осадков и вод СТС Чукотки в различных районах в период формирования повторно-жильных льдов показывают, что химический состав повторно-жильных льдов гидрокарбонатно-натриевый, по типу минерализации они преимущественно пресные (минерализация не превышает 180 мг/л).

Минимальная минерализация (20-37 мг/л) отмечена в современных повторно-жильных льдах первой надпойменной террасы р.Тавайваам (север Нижне-Анадырской низменности). Их химический состав хлоридный и гидрокарбонатно-хлоридный натриевый. Атмосферные осадки этого района ультрапресные (минерализация 14 мг/л), химический состав хлоридно-натриевый. В пределах СТС происходит незначительное насыщение вод гидрокарбонатами кальция и магния, преобразование химического состава происходит при промерзании вод в морозобойных трещинах, минерализация формирующегося льда увеличивается как за счет гидрокарбонатов, так и за счет хлоридов ^[2]. В условиях более континентального климата на локальных участках формируются повторно-жильные льды с различным катионным составом. Так, в долине р.Амгуэмы в делювиальных отложениях встречены как гидрокарбонатные магниевые, так и гидрокарбонатные натриевые (голоценовые и современные) повторно-жильные льды с минерализацией до 80 мг/л. Химический состав атмосферных осадков в этом районе гидрокарбонатный натриевый, и доминирующее содержание магния в повторно-жильных льдах определяется гидролитическим расщеплением минералов ультраосновных пород ^[2].

Для сравнения можно привести данные гидрохимического состава жильного льда, показывающие явное участие засоленных морских или поверхностных вод в формировании жил. Авторами было показано, что в Центральной Якутии в формировании повторно-жильных льдов принимали участие воды аласов, в которых происходило континентальное засоление в результате летнего испарения и концентрации солей. В жилах ледового комплекса Мамонтовой Горы было минерализация льда повышается сверху-вниз от 80 до 476 мг/л, химический состав льда в основном гидрокарбонатно-кальциевый, значения рН колеблются в широком диапазоне от 4.4 до 7.6. В образцах с наибольшей минерализацией (свыше 300 мг/л) количество органического вещества колеблется от 53 до 102 мг/л, много закисного железа (часто более 40 мг/л). Содержание фтора достигает 17.7 мг/л, хотя обычное содержание его в жильных льдах не более 0.1 мг/л. Также установлена и повышенная засоленность вмещающих жилы отложений: величина сухого остатка варьирует от 0.05 до 0.1%, преобладают гидрокарбонаты. Участие вод неатмосферного происхождения подтверждается и результатами изотопно-кислородного анализа льда: по одной из жил в интервале глубин 2.6-6.7 м были получены значения δ¹⁸О от –25.9 до –29.4‰, а в хвостовой части жилы на глубине 6.9-7.5 м получены значительно более высокие значения δ¹⁸О – от –22.7 до –16.5‰. Наклон линии соотношения δ²Н-δ¹⁸О в образцах льда с более низкими значениями изотопного состава составил около 8, что соответствует наклону для ГЛМВ, в образцах льда с более тяжелым изотопным составом наклон линии соотношения δ²Н-δ¹⁸О составил 4.7, что заметно ниже ГЛМВ. Формирование в жильном массиве зон с высокими значениями изотопного состава и повышенной минерализацией, скорее свидетельствует о локальных процессах в пределах одного ландшафта, т.е. о затекании в морозобойные трещины минерализованной воды из очень небольшого испаряющегося водоема ^[10].

Исследование химического состава и минерализации голоценовых повторно-жильных льдов в низовьях р. Монгаталянгъяха на севере Гыданского п-ова показало участие лагунно-морских вод Гыданской губы в формировании жил на пойме и лайде ^[10]. Пойменные и лагунно-морские отложения формировались под воздействием осолоненных вод северной части Гыданской губы, на что указывает преобладание ионов хлора и натрия. При этом засоленность отложений не превышает 0.2%, что позволяет их отнести к незасоленным. Для жил в целом получена низкая минерализация (не более 130 мг/л), что обусловлено их преимущественным формированием из талого снега. Однако, отдельные фрагменты жил характеризовались заметно более высокими значениями минерализации (для жил на пойме – до 260 мг/л, для жил на лайде – более 600 мг/л) и высокими значениями содержания хлора и натрия (для жил на лайде – более 300 и 150 мг/л, соответственно). Формирование таких зон высокой минерализации в теле жил указывает на смену фациальной обстановки при развитии полигональных массивов и прямом участии засоленных лагунно-морских вод в формировании жильного льда ^[11].

Заключение

Минерализация голоценовых повторно-жильных льдов, вскрытых в толще морской террасы на побережье залива Онемен вблизи г.Анадырь, восточная Чукотка, варьирует от 12.3 до 78.8 мг/л, среднее значение составляет 33 мг/л. Среди катионов отмечено преобладание Na⁺ (от 3.1 до 6.7 мг/л, среднее значение 5.4 мг/л), Ca²⁺ (от 0.8 до 17.6 мг/л, среднее значение 3.6 мг/л) и Cl^- (от 2.6 до 10.7 мг/л, среднее значение 5.7 мг/л).

Низкие значения минерализации демонстрируют преимущественно атмосферный источник питания льда, т.е. зимние осадки, преобладание натрия и хлора в составе солей указывает на захват морских аэрозолей осадками или ветровой привнос капель с акватории залива Онемен на поверхность снежного покрова. Однако, формирование жил в пределах торфяников не исключает вероятности участия болотных вод в их питании.

Авторы благодарны Л.В.Добрыдневой за гидрохимические анализы образцов льда.