Дейтериевый эксцесс в снеге и ледниках Полярного Урала и пластовых льдах юга Ямала и побережья Байдарацкой губы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дейтериевый эксцесс в снеге и ледниках Полярного Урала и пластовых льдах юга Ямала и побережья Байдарацкой губы

Чижова Юлия Николаевна

Васильчук Юрий Кириллович

Аннотация

Предметом исследования является распределение стабильных изотопов кислорода и водорода и вариации дейтериевого эксцесса в снеге и ледниках Полярного Урала и пластовых льдах юга Ямала и побережья Байдарацкой губы. На Полярного Урале исследован изотопный состав зимнего снега, льда присклонового ледничка №1 и ледника Романтиков. На юге полуострова Ямал и на побережье Байдарацкой губы проанализированы изотопные характеристики пластовых льдов в долине р.Еркутаяха, Оюяха и в устье р.Сабеттаяха. Пластовые залежи внутригрунтового, автохтонного типа должны заметно отличаться по изотопному составу льда от пластовых залежей погребённого льда. Изотопные характеристики пластовых льдов являются удачным инструментом изучения условий формирования льда, что обусловлено процессами изотопного фракционирования кислорода и дейтерия при всех фазовых переходах, при этом коэффициенты фракционирования при переходах пар-вода и вода-лед определяются температурой. Вариации стабильных изотопов кислорода и водорода в пластовых залежах и соотношение д2H-d-excess использованы как диагностический признак типа льдообразования. В зимнем снеге Полярного Урала отмечено утяжеление изотопного состава с глубиной, отражающее сезонность накопления снега. Получены довольно высокие значения дейтериевого эксцесса - от 14,3 до 19‰, среднее значение составило 16,9‰. По глубине значения дейтериевого эксцесса распределяются в противофазе с распределением тяжелого кислорода и водорода. Значения д18О во льду присклонового ледничка №1 варьируют от -12,6 ‰ до -16,03 ‰, д2H - от -96,7 ‰ до -115,1‰. Значения дейтериевого эксцесса во льду присклонового ледничка №1 достаточно низки, в среднем составляя 6-7 ‰, самое высокое значение d-excess составляет 13,1 ‰ минимальное значение d-excess = 4,7 ‰. Для льда ледничка №1 отмечен отрицательный наклон д2H - d-excess, что указывает на конжеляционное льдообразование в закрытой системе (т.е. ограниченного объема воды). Это может происходить при замерзании некоторого объема талых вод заключенного в порах фирна, когда насыщенная талой водой фирновая масса переходит в лед. Ледник Романтиков по соотношению д2H-d-excess занимает промежуточное положение между атмосферными осадками (снежный покров) и льдом ледничка №1.Вариации стабильных изотопов кислорода и водорода в пластовой залежи в долине р.Еркутаяха существенны, а соотношение д2H-d-excess свидетельствует в пользу внутригрунтового инъекционного ледяного образования, т.е. замерзания ограниченного объема свободной воды.Соотношения д2H-d-excess для пластового льда в устье р. Оюяха говорят о том, что мощное ледяное тело, могло образоваться при промерзании большого объема воды в условиях закрытой системы, о чем можно судить по тренду облегчения значений д18O сверху вниз. Не явное выражение отрицательной корреляции д2H-d-excess может быть связано с тем, что источником влаги была поверхностная вода, подвергавшаяся испарению, или с проявлением меньшего изотопного фракционирования, по сравнению с теоретическим. Величины d-excess во льду от 8,4 до -2,3 ‰ указывают скорее на внутригрунтовое образование пластового льда. Вариации соотношения д2H-d-excess в пластовых льдах являются дополнительным инструментом диагностики генезиса пластов и типа льдообразования.

Ключевые слова: инъекционный, сегрегационный, дейтериевый эксцесс, изотопы водорода, изотопы кислорода, лед, ледник, снег, Полярный Урал, полуостров Ямал

Abstract

The subject of the study is the distribution of oxygen and hydrogen stable isotopes and the variations of the deuterium excess in snow and glaciers of the Polar Urals and massive ice of the south of the Yamal Peninsula and the coast of Baydaratskaya Bay. The isotope composition of winter snow and ice of the glacier No. 1, and the glacier of the Romantics was studied in the Polar Urals. On the south of the Yamal Peninsula, the isotopic characteristics of the massive ice in the valley of the Erkutayakha River, Oyuyakha River and at the mouth of the Sabettayakha River were analyzed. The massive ice of the autochthonous type should differ significantly in the isotopic composition of the ice from the buried ice. Isotopic characteristics of massive ice are a good tool for studying the conditions of the ice formation, which is due to the processes of isotope fractionation of oxygen and hydrogen during phase transitions, while the fractionation factor of vapor-water and water-ice transitions are determined by temperature. Variations of stable isotopes of oxygen and hydrogen in massive ice and the д2H -d-excess ratio are used as a diagnostic tool to determine the type of ice formation. In winter snow of the Polar Urals higher values of isotope composition is recorded with depth increase, reflecting the seasonality of snow accumulation. Very high values of the deuterium excess are recorded - from 14.3 to 19 ‰, the average value was 16.9 ‰. Values of the deuterium excess are distributed in antiphase with the distribution of heavy oxygen and hydrogen with depth. The values of д18О in the ice of the glacier №1 range from -12.6 ‰ to -16.03 ‰, д2H - from -96.7 ‰ to -115.1 ‰. The values of the deuterium excess in the ice of the glacier No. 1 are rather low, averaging 6-7 ‰, the highest value of d-excess is 13.1 ‰ the minimum value of d-excess = 4.7 ‰. For glacier ice No. 1, a negative slope д2H-d-excess is noted, indicating congelation ice formation in a closed system (i.e., a limited volume of water). This can occur when a certain volume of thawed water in pores of the firn, when the firn mass, saturated with thawed water, turns into ice. The Romantik Glacier occupies in д2H-d-excess ratio an intermediate position between the atmospheric precipitation (snow cover) and the ice of the glacier No. 1.Variations of stable isotopes of oxygen and hydrogen in the massive ice on the Erkutayaha River in the southern part of the Yamal Peninsula are significant, and the д2H-d-excess ratio is an evidence of mostly intra-soil injection ice formation, i.e. freezing of a limited volume of free water. The д2H-d-excess ratios for massive ice at the mouth of the Oyuyakha River at the coast of Baydaratskaya Bay evidences that a powerful ice body could have been formed when a large volume of water was frozen in a closed system, as can be seen from the trend of decreasing of д18O values down from the top. The non-explicit expression of the negative correlation of д2H to d-excess may be due to the fact that the source of moisture was the surface water evaporated, or was characterized by less isotope fractionation than the theoretical one. The values of d-excess in ice are from 8.4 to -2.3 ‰ and indicate rather the intra-soil formation of ice. Variation of the д2H-d-excess ratio in ice formation is an additional tool for diagnostic studies of massive ice genesis and types of ice formation.

Keywords:

Polar Ural, intrusive, segregated, deuterium excess, hydrogen isotopes, oxygen isotopes, ice, glacier, snow, Yamal Peninsula

Введение

Актуальным вопросом геокриологических исследований является выявление генезиса мощных пластовых ледяных залежей - являются ли эти мощные ледяные тела внутригрунтовым образованием или захороненным ледниковым льдом.

В отличие от данных по изотопному составу повторно-жильных льдов, которые используются для восстановления палеотемператур ^[18], изотопные характеристики пластовых залежей могут применяться для установления генетической природы льда.

Одним из путей установления генезиса пластов льда может быть сравнение значений д¹⁸О и д²H (дD) со значениями в пластовых льдах известного генезиса или в современных объектах (ледники, снежники, морские льды). Однако у этого пути есть значительные сложности: во-первых, необходимо найти эталонный пласт, генезис которого был бы бесспорен; во-вторых, возможно, не для всех типов пластовых льдов имеются современные природные аналоги ^{[2, 5, 19]}.

Пластовые залежи внутригрунтового, автохтонного типа заметно отличаются по изотопному составу слагающего их льда от пластовых залежей погребённого льда. Одним из главных признаков внутригрунтовых сегрегационных и инъекционно-сегрегационных льдов, формировавшихся в условиях закрытой системы, служит резкий контраст изотопных характеристик по вертикали, и при сравнении соседних залежей Дд¹⁸О может превышать 18 ‰, а Дд²H - 120 ‰ ^[2].

Изотопный состав аллохтонных погребённых ледяных залежей, как правило, однороден по вертикали, когда захоранивались покровные льды местных водоёмов или наледи, но может быть и резко негативным, если лёд принесён из более холодных районов.

Погребённые ледниковые и припайные ультрапресные ледяные залежи с резко отрицательными значениями д¹⁸О и д²H могут встречаться и в заилённых толщах морского генезиса. При этом текстурные льды оказываются изотопически более тяжелыми (Дд¹⁸О между льдом пласта и текстурным льдом может превышать 15‰, а Дд²H - 100 ‰).

При сравнении изотопных данных по различным залежам пластовых льдов необходимо учитывать то, что опробованию подвергаются естественные разрезы льдов самого разнообразного состояния, масштаба, условий залегания и морфологии ледяных тел. Среди них могут быть первичные, не изменённые с момента формирования их в мёрзлой толще. Но могли опробоваться и льды, в той или иной степени нарушенные частичным таянием, режеляционной перекристаллизацией, в результате которых характеристики изотопного состава неизбежно трансформируются, причём пока не вполне ясно в каких размерах и в каком направлении. К тому же сложное, разнообразное строение пластовых льдов, их полиморфность, вероятно, отражает множественность условий и факторов формирования льда даже в рамках одного генетического типа.

Изотопные характеристики пластовых льдов (значения д¹⁸О и д²H) являются удачным инструментом изучения условий формирования льда, что обусловлено процессами изотопного фракционирования кислорода и дейтерия при всех фазовых переходах, при этом коэффициенты фракционирования при переходах пар-вода и вода-лед определяются температурой. В последние годы применение метода стабильных изотопов является наиболее простым и в то же время информативным инструментом диагностических исследований в геокриологии. Между тем, существуют проблемы интерпретации изотопных вариаций д¹⁸О и д²H в природных льдах. Так, например, М.О. Лейбман с соавторами на основании распределения изотопов кислорода и водорода в пластовых льдах урочища Шпиндлер делает вывод о внутригрунтовом происхождении льда, сформированном из пресного водоносного горизонта с некоторым влиянием морского засоления отложений на нижний пласт льда ^[15]. Те же самые изотопные данные другими авторами ^[9]интерпретируются в пользу гипотезы о захоронении ледникового льда.

Д.Ласеллем было предложено использовать вариации дейтериевого эксцесса относительно вариаций д²H в природных льдах как дополнительный параметр для выявления условий льдообразования ^[13].

Целью статьи является рассмотрение изотопных вариаций и значений дейтериевого эксцесса в ледниковом льду Полярного Урала и пластовых льдах в близлежащих районах Ямала для того, чтобы найти интерпретационный подход к установлению генезиса ледниковых образований.

Методический подход к интерпретации изотопных данных д¹⁸О, д²H и d-excess

После того, как В. Дансгором было предложено использовать дейтериевый эксцесс dexc = д²H - 8 д¹⁸О в качестве дополнительного параметра неравновесности в процессе формирования атмосферных осадков ^[7], этот параметр был использован для изучения изменения условий в источнике пара ^[10], неравновесной конденсации как твердых осадков - снега в Антарктиде ^[11], так и жидких - влияние подоблачного испарения и вклад внутриконтинентальной испарившейся влаги ^{[6, 12]}.

Использование дейтериевого эксцесса правомерно для всех процессов, происходящих с атмосферной влагой рассчитывается исходя из наклона линии GLMW = 8 (д²H = 8 д¹⁸О +10 ^[8]). Наклон линии ГЛМВ обусловлен коэффициентами фракционирования S = ln б_2H/ln б¹⁸_O ? 8, где б - коэффициенты фракционирования в системе пар-жидкость.

В процессе формирования льда, значения д²H и д¹⁸О определяются величинами коэффициентов фракционирования в системе жидкость - лед, и использование коэффициентов блед-жидкость, полученных ^{[14, 16, 17]} дает наклон S = ln б²_H/ln б¹⁸_O от 6,18 до 7,3.

Если происходит замерзание воды в условиях закрытой системы, т.е. замерзание ограниченного объема воды, то изотопные характеристики льда будут меняться, следуя равновесному изотопному исчерпанию по модели Релея и на диаграмме д¹⁸О-д²H значения д²H и д¹⁸О для льда будут располагаться вдоль линии с наклоном от 6 до 7,3 (рис. 1, a).

Рис. 1. Изотопное фракционирование, выраженное в динамике значений д¹⁸О и д²H формирующегося льда, сопровождающее льдообразование в закрытой системе - в Релеевском процессе (а) - рассчитано с применением значений б_{лед-жидкость}, полученных O'Neil ^[16] (из Lacelle ^[13]); и в условиях открытой системы (б).

дейтериевый эксцесс ледников изотопный

Если формирование льда происходит в условиях открытой системы, т.е. с постоянным подтоком воды или формируется небольшой объем льда из очень большого объема воды, то изотопный состав льда будет наследовать изотопные характеристики воды, из которых он формируется, со сдвигом значений на величину е - разницу значений д¹⁸О и д²H между водой и льдом в условиях равновесия, которая определяется величиной блед-жидкость (рис. 1, б). Ледниковый лед прямо наследует изотопные значения атмосферных осадков в том случае, если не происходило перемещение воды внутри снежной толщи, выраженного метаморфизма или образования наложенного льда.

Из этого распределения следует, что соотношения д¹⁸О-д²H во льду отражают не только природу воды (ГЛМВ, ЛЛМВ, процессы испарения), но и процессы льдообразования.

Дейтериевый эксцесс, который был предложен для атмосферной влаги, всегда рассчитывается из формулы Крейга ^[8] с наклоном ГЛМВ = 8, но если изотопные значения располагаются вдоль линии конжеляции (с наклоном 7), то величина дейтериевого эксцесса будет снижаться для образцов начальных порций льда и повышаться для образцов льда последних фракций.

Внутри одного диапазона значений д¹⁸О, например, от -10 до -30 ‰, значения д²H, если они расположены вдоль линии конжеляции, изменяются в меньшем диапазоне, чем если при расположении значений вдоль ГЛМВ. Поэтому можно использовать соотношение д²H-d - excess для того, чтоб оценить насколько величина d - excess определяется динамикой значений д²H.

Если значения д¹⁸О и д²H связаны коэффициентом 8 (атмосферные осадки), то на диаграмме д²H-d - excess значения дейтериевого эксцесса будут располагаться без выраженного тренда - в идеальном случае, например, значения, соответствующие линии Крейга ^[8], на этой диаграмме будут представлять собой прямую линию - при меняющихся значениях д²H, величина d-excess будет оставаться постоянной.

Наклон линии для атмосферных осадков можно выразить из d - excess = д²H - 8 д¹⁸О и S=lnб²_H /lnб¹⁸_O как S = (ln б²_H- 8 ln б¹⁸_O)/ln б²_H и рассчитанная величина составляет 0,04 ^[13].

При образовании льда и расположении точек вдоль линии конжеляции на диаграмме д¹⁸О - д²H, на диаграмме д²H-d -excess будет выражена обратная зависимость d - excess от д²H. Такое распределение происходит при условии, что протекает равновесное изотопное фракционирование, т.е. создаются условия для того, чтобы произошло изотопное разделение на границе фаз - как правило, в природе для этого требуется время и стабильные температурные условия. Поэтому наибольшие коэффициенты фракционирования в системе жидкость - лед были получены для низких скоростей льдообразования.

Районы исследований, методика отбора и анализа образцов

В 1999 году нами были изучены три снежника - вблизи поселка Полярный, на удалении 2,5 км и 5 км от поселка (рис. 2, а). В декабре 2003 г. был исследован снежный покров вблизи пос. Полярный на том же месте, где был опробован снежник №1 в 1999 г. В строении снежной толщи отмечены горизонты разрыхления и глубинной изморози, указывая на процессы снежного метаморфизма.

Зимой 2003 г. (в конце декабря) у пос. Полярный нами было исследовано строение снежной толщи в том же месте, в котором в 1999 г. был заложен шурф №1. Снежная толща имела мощность 150 см и была сложена горизонтами мелкозернистого снега, перемежающимися горизонтами ветрового уплотнения, в нижних 25 см был среднезернистый, рассыпчатый, метаморфизованный снег.

В 2000 г. был изучен присклоновый ледничок (ледничок №1), располагающийся на юго-восточном склоне хр. Малый Пайпудынский. Размеры ледничка - около 50 м в длину и 20 м в ширину, мощность около 1 м (рис. 2, б). Образцы льда отбирались из шурфов, вырубленных во льду, стенки которых зачищались. Образцы отбирались в тройные полиэтиленовые пакеты, растапливались и переливались в стерильные контейнеры. Также были отобраны образцы воды ручьев, вытекающих из ледника.

Рис. 2. Снежная толща (а) и малый ледник (б) на Полярном Урале

В 2012 г. был исследован изотопный состав ледника Романтиков, который расположен в 6 км к западу-юго-западу от горы Рай-Из. Это небольшой карово-присклоновый ледник, залегающий на юго-восточном склоне кара в диапазоне высот от 700 м над ур. м. (приледниковое озеро) до 1000 м над ур. м (гребень кара). В плане имеет округлую форму с диаметром, близким к 450 м, площадь 0,16 км². В последние годы летом из-за интенсивного таяния у основания образуется небольшое озеро.

Изученное ^[3] обнажение пластового льда на левом берегу р. Еркутаяха на южном Ямале (68°11'18'' с.ш., 68°51'39'' в.д.) - самое южное из изученных на Ямале местонахождений пластовых льдов. В обнажении высотой 15-18 м вскрывается дислоцированная пластовая залежь общей протяженностью около 100 м, которую вмещают преимущественно слоистые пески. Наиболее полно ледяная залежь вскрыта в цирке. В центральной части цирка пластовая залежь залегает прямо под слоем сезонного протаивания. Здесь она резко задрана кверху и срезана, скорее всего, постгенетическим субаквальным протаиванием. В апикальной части цирка залежь перекрыта голоценовыми озерно-болотными осадками мощностью около 1 м. По обе стороны от центральной части залежи ледяные слои круто падают и уже через 15 м кровля ледяной залежи оказывается на глубине 8 м. Из залежи было отобрано 33 образца пластового льда из разных фрагментов обнажения и льда разных типов.

Определения изотопного состава кислорода и водорода в образцах снега и льда ледничка №1 на Полярном Урале были выполнены в изотопных лабораториях Хельсинского университета и научно-исследовательского центра Арсенал в г.Вена. Изотопные определения в образцах льда ледника Романтиков и пластового льда Еркутаяхи выполнены в изотопной лаборатории географического ф-та МГУ на масс-спектрометре “Delta V” методом изотопного уравновешивания с использованием комплекса газ-бенч и автосамплера. Точность измерений составила ±0.1 ‰ по д¹⁸О и ±1.5 ‰ по д²H. При измерении д ¹⁸О анализируемые образцы воды уравновешивались с СО₂ в течение 24 ч, при измерении д²H образцы воды уравновешивались с H² в присутствии платинового катализатора в течение 40 мин. Для калибровки измерений использовались международные стандарты: V-SMOW2, GISP, SLAP2.

Результаты и обсуждение

Полярный Урал. Изотопный состав снега в июне 1999 г. характеризовался значениями д ¹⁸О от -20,7 ‰ до -17,4 ‰. Наиболее тяжелое значение характерно для горизонта глубинной изморози, что в целом ожидаемо для горизонта, где активно протекают процессы снежного метаморфизма. Зимний снег 2003 г. в этой же точке характеризовался значениями д ¹⁸О от -27,2 ‰ до -19,6 ‰, д²H - от -198 ‰ до -139,7 ‰, при этом также отмечено утяжеление изотопного состава с глубиной. В этом случае, скорее всего, в снежной пачке представлено сезонное накопление снега от начала к середине зимы.

Получены довольно высокие значения дейтериевого эксцесса (d - excess) - от 14,3 до 19 ‰, среднее значение составило 16,9 ‰. По глубине значения дейтериевого эксцесса распределяются в противофазе со значениями д ¹⁸О и д²H.

Соотношение д ¹⁸О -д²H, полученное для зимнего свежевыпавшего снега Полярного Урала, имеет наклон меньше 8 (рис. 3, а) и описывается уравнением д²H = 7,56 д¹⁸О + 7,16. Это соотношение можно условно принять за Локальную линию метеорных вод для зимних осадков.

Для атмосферных осадков на севере Европейской территории России по доступным станциям сети GNIP фиксируются локальные линии метеорных вод, которые близки к ГЛМВ, на диаграммах д²H-d - excess выражено или отсутствие корреляции значений или слабо положительная корреляция (рис. 4).

Рис. 3. Соотношение д¹⁸O-д²H для снежного покрова 2003 г. (а), ледничка №1 (б) и ледника Романтиков (в)

Рис. 4. Соотношения д¹⁸O-д²H и д²H -d - excess для атмосферных осадков севера ЕР, по данным GNIP (https://nucleus.iaea.org/wiser/gnip_events.php)

Для Арктического региона в целом довольно часто отмечаются ЛЛМВ с наклоном от 8 до 7, поэтому полученное нами соотношение по снегу Полярного Урала д²H = 7,56 д¹⁸О + 7,16 вполне ожидаемо. Тем не менее, для изучения зависимостей д²H-d - excess важно знать ЛЛМВ, т.е. изотопные соотношения неизмененных (льдообразованием или метаморфизмом) осадков.

Значения д ¹⁸О во льду присклонового ледничка №1 варьируют от -12,6 ‰ до -16,03 ‰, д²H - от -96,7 ‰ до -115,1 ‰ (см. рис. 3, б). Примечательно, что значения дейтериевого эксцесса достаточно низки, в среднем составляя 6-7‰, самое высокое значение d-excess составляет 13,1‰ в горизонте темного льда у ручья, самое низкое значение d-excess= 4,7‰ во льду на глубине 25-30 см. Здесь отмечено также изменение значений д ¹⁸О (д²H) и d-excess в противофазе. В этом случае значения d-excess, являясь исключительно расчетными величинами, связаны с изменившимся соотношением д ¹⁸О-д²H во льду, а не диагностируют процесс образования влаги в источнике пара или фракционирования при конденсации ^[11]. Обратная корреляция величин дейтериевого эксцесса с значениями д2H во льду отражают уменьшение наклона линии д ¹⁸О-д²H для ледникового льда и свидетельствует в пользу конжеляционного льдообразования в условиях закрытой системы, т.е. ограниченного объема воды (см. рис. 3, б).

Такие присклоновые леднички представляют собой малые формы. На таких ледничках невозможно выделить зоны льдообразования, т.к. все это ледниковое тело сформировано путем заполнения пор режеляционного фирна талой водой с последующим ее замерзанием. В общем, весь ледничок представляет фирново-ледяную зону с фрагментами наложенного льда. С изотопной точки зрения замерзание этой воды формирует конжеляционный лед (т.е. лед, возникший при замерзании жидкой воды), т.к. изотопные эффекты, связанные с процессами диффузии и миграции водяного пара, подавляются изотопными эффектами, возникающими при таянии и перемещении талой воды.

Значения д ¹⁸О во льду ледника Романтиков варьируют от -13,4 ‰ до -18,7 ‰, д²H - от -96,0 ‰ до -129,0 ‰. Обращают на себя внимание образцы RL05 и RL07, в которых были отмечены относительно низкие значения дейтериевого эксцесса 8,9 и 9,9 ‰. В целом, значения d - excess изменяются от 12,9 до 20,6 ‰, среднее значение составило 16‰.

Соотношение д ¹⁸О-д²H для образцов ледника Романтиков описывается уравнением д²H = 6,29 д ¹⁸О - 11,09 (см. рис. 3, в), угол наклона находится между значениями для снежного покрова и конжеляционного льда (фирна) ледничка №1. Образцы RL05 и RL07 представляют собой прошлогодний фирн и поверхность таяния прошлого (относительно отбора) года с явными изотопными следами замерзания талой воды в порах фирна или на поверхности ледника при образовании наложенного льда. Если рассчитать линию регрессии по леднику Романтиков без учета этих двух образцов, то она будет выражаться д²H = 7,28 д ¹⁸О + 5,70, что очень близко к соотношению по снежному покрову.

Ледник Романтиков по соотношению д²H-d - excess занимает промежуточное положение между атмосферными осадками (снежный покров) и льдом ледничка №1 (рис. 5).

Рис. 5. Соотношение д²H-d - excess для снежного покрова 2003 г. (а), ледничка №1 (б) и ледника Романтиков (в)

Для льда ледничка №1 мы полагаем преимущественное конжеляционное льдообразование, что фиксируется соотношением д ¹⁸О-д²H и отрицательным наклоном д²H-d - excess. Это может происходить при замерзании некоторого объема талых вод, как в начале периода абляции (образование наложенного льда), так и в конце периода абляции, когда насыщенная талой водой фирновая масса подвергается замерзанию. Грубо говоря, такое замерзание насыщенного водой фирна можно охарактеризовать как льдообразование в закрытой системе с выраженным изотопным фракционированием - первые порции льда заметно отличаются от последних порций льда по значениям д¹⁸О и д²H. Таким образом, можно заключить, что чем больший вклад вносит конжеляционное льдообразование, тем, с одной стороны, тяжелее будет изотопный состав ледникового льда, а с другой стороны, тем больше будет выражена противофазная динамика изменения значений дейтериевого эксцесса относительно значений д²H.

Пластовый лед на р. Еркута-яха. Вариации стабильных изотопов кислорода и водорода в залежи существенны: во льду чистом матовом белом значения д¹⁸O изменяются от -19,64 до ?20,54 ‰, а д²H от -152,4 до -156,9 ‰, во льду хрустальном прозрачном значения д¹⁸O варьируют от -19,24 до -20,24 ‰, а д²H от -149,6 до -160,7 ‰, во льду сером, прозрачном со стальным отливом величины д¹⁸O изменяются от -19,44 до -21,33 ‰, а величины д²H от -150,3 до -163,8 ‰, а во льду сером блочном и грязно-сером значения д¹⁸O варьируют от -22,13 до -23,42 ‰, а д²H от -165,5 до -172,7 ‰ ^{[2, 3]}. Оценивая весь диапазон изменчивости величин д¹⁸O (~4 ‰) и д²H (~20 ‰), можно говорить о сравнительно малых колебаниях изотопного состава. Следовательно, исходная вода для льда всех типов была одной и той же или близкой по изотопному составу. К тому же изотопные различия практически не превысили обычную изотопную разницу, возникающую вследствие фракционирования при промерзании свободной воды.

На диаграмме д¹⁸O-д²Н точки, соответствующие трем разным секциям отбора, располагаются по-разному. Образцы льда, серого цвета, отобранного из периферийной секции, располагаются вдоль линии с наклоном 5,28 (рис. 6). Такое распределение характерно для конжеляционного льдообразования в условиях закрытой системы, однако наклон значительно меньше, чем теоретически рассчитанный. Возможно, это связано лишь с расчетом уравнения регрессии, т.к. величина свободного члена очень мала (-49), в целом же, наклон линии находится между 6 и 7. В этой же секции значения d- excess и д²Н демонстрируют обратную корреляцию, что указывает на условия закрытой системы и промерзания ограниченного объема воды. Судя по изотопным данным, с допущением, что данная часть льда действительно формировалась в условиях закрытой системы, источником для формирования этого льда была вода со значением д¹⁸O около -21,5 ‰.

Изотопные характеристики молочно-белого периферийного льда и льда центрального штока указывают на льдообразование в условиях открытой системы, т.е. подтока воды. Для этих образцов отсутствует обратная корреляция между d-excess и д²Н, при этом значения d-excess ниже 10, что указывает на внутригрунтовое льдообразование, а не захоронение атмосферного льда. Формировавшиеся порции льда при постоянном подтоке воды поэтому имеют достаточно узкий диапазон значений д¹⁸O и д²Н указывая на один источник воды. С учетом изотопного фракционирования при переходе воды в лед, исходная вода также имела значения д¹⁸O около -21 ‰.

Рис. 6. Соотношения д¹⁸O-д²H (слева) и д²H-d - excess (справа) для пластового льда в долине р. Еркутаяха

Пластовые льды в устье р. Сабеттаяха. Неоднозначное и неоднородное распределение значений д¹⁸O и д²H внутри залежи пластового льда было встречено нами в голоценовых пластовых ледяных залежах в долине Сабеттаяха на Северном Ямале ^[20], где скважинами были вскрыты многочисленные пластовые залежи разных размеров. При этом одной скважиной иногда вскрывались сразу 2 пластовые залежи на разных глубинах. В скважине 42 был отобран лед, изотопный состав которого оказался очень однородным, значения д¹⁸O изменялись от -25,33 до -26,48 ‰, значения д²H от -192,7 до -199,7 ‰, d - excess от 8,1 до 16,2‰. При этом на диаграмме д¹⁸O-д²H значения расположены выше ГЛМВ и аппроксимируются уравнением д²H = 4,73 д¹⁸O - 73,19 (рис. 7).

Рис. 7. Соотношения д¹⁸O-д²H (слева) и д²H-d - excess (справа) для пластового льда в долине р. Сабеттаяха

Такое расположение точке относительно ГЛМВ можно было бы интерпретировать как последние фракции льда при конжеляционном льдообразовании в условиях закрытой системы. Однако этот вывод не поддерживается соотношением д²H-d - excess, которое типично для атмосферных осадков. Нам представляется, что в данном случае могли повлиять два фактора: 1 - точка отбора льда, т.к. не известно, какое место ледяной залежи прошла скважина и 2 - замерзание могло происходить в полу-закрытой системе, т.е. условия закрытой системы перестали существовать на каком-то этапе формирования льда путем добавления атмосферной влаги.

Пластовые льды в устье р. Оюяха. Строение и изотопный состав пластовых льдов на побережье Байдарацкой губы в устье р. Оюяха неоднократно исследовался Ф.А. Романенко, В.И.Соломатиным и Н.В.Беловой ^{[1, 4, 5]}

Ф.А.Романенко ^[4] приводит данные об изотопном составе пластовых льдов мощностью до 1 м, вскрывшихся к востоку от устья р. Оюяха в нижних 3-4 м уступа поверхности высотой 10-18 м. Значения состав д¹⁸О этих льдов варьируют от -17,3 до -25,3 ‰. Среднее значение д¹⁸О для пластов и линз льда составило -20,6 ‰. Изотопный состав очень изменчив: даже у образцов, отобранных практически на одной высоте (1,4-1,6 м над уровнем моря) диапазон вариаций д¹⁸О составляет около 6 ‰, вертикальный тренд изменения величин д¹⁸О отсутствует.

В 2006 году Ф.А. Романенко были вновь отобраны образцы льда на изотопный анализ. Образцы отбирались на трёх участках наиболее крупного обнажения пластового льда к востоку от устья р. Оюяха. На одном из них, расположенном в 20 м от восточной оконечности залежи, удалось отобрать образцы из всей толщи пластового льда с шагом около 30 см (всего 12 образцов, см. рис. 7), что позволило проследить изменение изотопного состава с глубиной.

Авторы, исследовавшие их - Н.Г.Белова, Ф.А.Романенко и В.И.Соломатин ^{[1, 4, 5]} делают вывод, что сложно построенная песчано-галечниковая толща в устье р.Оюяха, вмещающая пластовые льды, формировалась в условиях озерно-аллювиальной равнины при сносе материала с прилегающей части Полярного Урала. Это, по их мнению, отразилось в характере строения самого льда и вмещающих пород: ультрапресные пластовые льдысо складчатыми деформациями расположены согласно с вмещающими их слоистыми пресными отложениями, сформированными динамичными водными потоками. На боковых контактах льды выклиниваются в виде согласных с вмещающими отложениями ледяных шлиров. Непосредственно под залежами льда, иногда прорывая их нижние слои, находятся деформированные грунтовые структуры с ледяными стенками.

Но Ю.К.Васильчук ^[2] указал, что ярусность залегания пластовых льдов и характер распределения изотопного состава указывают на внутригрунтовую природу пластов. Н.Г.Белова ^[1], ссылаясь на особенности текстуры и структуры пластовых льдов верхнего яруса, отнесла их к аллохтонному типу.

Соотношения д¹⁸O-д²H и д²H-d - excess для пластового льда в устье р. Оюяха (рис. 8) говорят о том, что мощное ледяное тело, могло образоваться при промерзании большого объема воды в условиях преобладающей открытой системы, и с участком льда, сформированном в условиях закрытой (или полузакрытой системы).

Рис. 8. Соотношения д¹⁸O-д²H (слева) и д²H-d - excess (справа) для пластового льда в устье р.Оюяха. По данным из ^[1].

В центральной части ледяного тела, где значения д¹⁸O изменяются от -15 до -21,5 ‰, возможно были созданы условия закрытой системы (серые условные обозначения на рис. 8) - об этом говорит и тренд уменьшения значений д¹⁸O (общее изменение значений д¹⁸O составило 6,5 ‰ - почти как в теоретических расчетах) и обратная корреляция между значениями d- excess и д²Н (коэфф. = -0,14). Источником воды для этого льда была вода, значения д¹⁸O которой составляли от -18 до -19 ‰. Сверху лед формировался, по нашему мнению, преимущественно в условиях открытой системы (отсутствие явной обратной корреляции между значениями d- excess и д²Н - пунктирный сектор на рис. 8, и достаточно однородные значения д¹⁸O и д²Н). С учетом изотопного фракционирования при переходе воды в лед значения д¹⁸O исходной воды составляли от -19 до -20 ‰.

Для предположения захоронения ледникового льда, в том числе, базального, по изотопным данным нет оснований. В данном случае обращает на себя внимание поведение d-excess, величины которого во льду все ниже 10 и даже отрицательные (от 8,4 до -2,3‰). Для атмосферного льда, каковым является ледниковый лед, значения d-excessдолжны быть скорее всего выше 10 и судя по ЛЛМВ, полученной для Амдермы ^[1], в представленном диапазоне значений д¹⁸O должны составлять от 12 до 16 ‰. Полученные величины d-excess для льда Оюяхи, по нашему мнению, указывают на внутригрунтовое образование пластового льда. Напомним, что полученные нами величины d-excess для снежника Полярного Урала все превышают 14 ‰ и в конжеляционном ледниковом льду Полярного Урала величины d-excess изменялись от 4 до 13 ‰ указывая на атмосферную природу воды, преобразованную процессами льдообразования. В любом случае, этот вопрос - распределение д¹⁸O-д²Н и д²Н-d-excess в пластовых льдах требует дальнейшего изучения.

Заключение

Зимний снег Полярного Урала характеризуется значениями д ¹⁸О от -27,2 ‰ до -19,6 ‰, д²H - от -198 ‰ до -139,7 ‰, при этом отмечено утяжеление изотопного состава с глубиной, отражающее сезонность накопления снега. Получены довольно высокие значения дейтериевого эксцесса (d - excess) - от 14,3 до 19 ‰, среднее значение составило 16,9 ‰. По глубине значения дейтериевого эксцесса распределяются в противофазе со значениями д ¹⁸О и д²H. Локальная линия метеорных вод для зимних осадков описывается уравнением д²H = 7,56 д¹⁸О + 7,16.

Значения д ¹⁸О во льду присклонового ледничка №1 варьируют от -12,6 ‰ до -16,03 ‰, д²H - от -96,7 ‰ до -115,1 ‰. Значения дейтериевого эксцесса достаточно низки, в среднем составляя 6-7 ‰, самое высокое значение d-excessсоставляет 13,1‰ минимальное значение d-excess = 4,7 ‰. Относительно низкие значения дейтериевого эксцесса (по сравнению со снежным покровом, например) отражают уменьшение наклона линии д ¹⁸О-д²H для ледникового льда. Для льда ледничка №1 отмечен отрицательный наклон д²H-d - excess., что указывает на конжеляционное льдообразование в закрытой системе (т.е. ограниченного объема воды). Это может происходить при замерзании некоторого объема талых вод заключенного в порах фирна, когда насыщенная талой водой фирновая масса переходит в лед. Ледник Романтиков по соотношению д²H-d - excess занимает промежуточное положение между атмосферными осадками (снежный покров) и льдом ледничка №1.

Таким образом, можно заключить, что чем больший вклад вносит конжеляционное льдообразование, тем, с одной стороны, тяжелее будет изотопный состав ледникового льда, а с другой стороны, тем больше будет выражена противофазная динамика изменения значений дейтериевого эксцесса относительно значений д²H.

Вариации стабильных изотопов кислорода и водорода в пластовой залежи в долине р.Еркутаяха существенны: значения д¹⁸O изменяются от -19,24 до ?23,42 ‰, а д²H от -149,6 до -172,7 ‰. На диаграмме д¹⁸O-д²H точки, соответствующие всем отобранным образцам льда, располагаются вдоль линии с наклоном 4,86. Такое распределение характерно для конжеляционного льдообразования в условиях закрытой системы, однако наклон значительно меньше, чем теоретически рассчитанный. Возможно, разные части пластовой залежи формировались в меняющихся условиях. Соотношение д²H-d - excess свидетельствует в пользу внутригрунтового инъекционного ледяного образования, т.е. замерзания ограниченного объема свободной воды.

Соотношения д¹⁸O-д²H и д²H-d - excess для пластового льда в устье р. Оюяха говорят о том, что мощное ледяное тело, могло образоваться при промерзании большого объема воды сначала в условиях открытой, а затем закрытой системы, о чем можно судить по тренду облегчения значений д¹⁸O сверху вниз. Не явное выражение отрицательной корреляции д²H-d - excess может быть связано с тем, что источником влаги была поверхностная вода, подвергавшаяся испарению, или с проявлением меньшего изотопного фракционирования, по сравнению с теоретическим.

Величины d - excess во льду от 8,4 до -2,3 ‰ указывают скорее на внутригрунтовое образование пластового льда.

Соотношение д¹⁸O-д²H и д²H-d - excess в пластовых льдах является дополнительным инструментом диагностических исследований и требует дальнейшего изучения.

Авторы благодарят к.г.н., ст.н.с. Н.А. Буданцеву за помощь в полевых работах и изотопных исследованиях и д.г.н., в.н.с. А.К. Васильчук за палинологические исследования, которые помогли в определении природы пластовых залежей.

Библиография

1. Белова Н.Г. Пластовые льды юго-западного побережья Карского моря. М.: МАКС Пресс. 2014. - 180 с.

2. Васильчук Ю.К. Изотопные методы в географии. Часть 2: Геохимия стабильных изотопов пластовых льдов. В 2-х томах. - М.: Издательство Московского университета, 2012. Том I - 472 с. (Vasil'chuk Yu.K. 2012. Isotope Ratios in the Environment. Part 2: Stable isotope geochemistry of massive ice. Moscow: Moscow University Press. - 472 p.).

3. Васильчук Ю. К., Буданцева Н. А., Васильчук А. К. Вариации д18O, дD и содержание пыльцы и спор в автохтонной гетерогенной пластовой ледяной залежи на реке Еркутаяха на Южном Ямале // Доклады Академии наук. 2011. Т. 438. № 3. С. 400-405 (Vasil'chuk Yu.K., Budantseva N.A., Vasil'chuk A.C. 2011. Variations in д18О, дD, and the concentration of pollen and spores in an autochthonic heterogeneous massive ice on the Erkutayaha River in the southern part of the Yamal Peninsula // Doklady Earth Sciences. Vol. 438. Part 1. P. 721-726).

4. Романенко Ф.А. Особенности формирования пластовых льдов Западного Ямала // Материалы Второй конференции геокриологов России. Том 1, часть 2. Литогенетическая геокриология. Инженерная геокриология. М.: Изд-во Моск.ун-та. 2001. С. 247-253.

5. Соломатин В.И. Физика и география подземного оледенения. Новосибирск: Академическое издательство ГЕО. 2013. - 346 с.

6. Aemisegger F., Pfahl S., Sodemann H., Lehner I., Seneviratne S. I., Wernli H. Deuterium excess as a proxy for continental moisture recycling and plant transpiration // Atmos. Chem. Phys., 2014. Vol. 14. P. 4029-4054.

7. Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation // Tellus. 1964. Vol. 16. P. 436-468.

8. Craig H. Isotope variation in meteoric waters // Science. 1961. Vol. 133. P. 1702-1703.

9. Ingуlfsson У., Lokrantz H. Massive Ground Ice Body of Glacial Origin at Yugorski Peninsula, Arctic Russia // Permafrost and Periglacial Processes. 2003. Vol. 14. Iss. 3. P. 199-215.

10. Jouzel J, Merlivat L, Lorius C. Deuterium excess in an East Antarctic ice core suggests higher relativity at the oceanic surface during the last glacial maximum. Nature. 1982. Vol. 299, Iss. 5885. P. 688-691.

11. Jouzel J., Merlivat L. Deuterium and oxygen-18 in precipitation: modeling of the isotopic effects during snow formation // Journal Geophysical Res. 1984. Vol. 89, No 7. P. 11749-11757.

12. Kreutz K. J., Wake C. P., Aizen V. B., DeWeine Cecil L. D., Synal H.-A. Seasonal deuterium excess in a Tien Shan ice core: Influence of moisture transport and recycling in Central Asia // Geophysical Research Letters. 2003. Vol. 30. No.18. 1922. doi:10.1029/2003GL017896.

13. Lacelle D. On the д18O, дD and D-excess relations in meteoric precipitation and during equilibrium freezing: Theoretical approach and field examples // Permafrost and Periglacial Processes. 2011. Vol. 22. P.13-25.

14. Lehmann M., Siegenthaler U. Equilibrium oxygen-and hydrogen-isotope fractionation between ice and water // Journal of Glaciology. 1991. Vol. 37, N125. P. 23-26.

15. Leibman M.O., Hubberten H.-W., Lein A.Yu., Streletskaya I.D., Vanshtein B.G. Tabular ground ice origin: cryolithological and isotope-geochemical study // Permafrost: 8th International Conference Proceedings, Zurich, 21-25 July, 2003 / Editors: M.Phillips, S.M.Springman, L.Arenson. A.A. Balkema Publishers, Lisse. Netherlands. 2003. Р. 645-650.

16. O'Neil J. R. Hydrogen and oxygen fractionation between ice and water // Journal of Physical Chemistry. 1968. Vol. 72. P. 3683-3684,

17. Suzuoki T, Kumura T. D/H and 18O/16O fractionation in ice-water system // Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan. 1973. Vol. 21. P. 229-233.

18. Vasil'chuk, Yu.K. Reconstruction of the paleoclimate of the Late Pleistocene and Holocene on the basis of isotope studies of subsurface ice and waters of the permafrost zone // Water Resources. 1991. Vol. 17. N6. P. 640-647.

19. Vasil'chuk Yu.K., Murton J.B. Stable isotope geochemistry of massive ice // Geography, Environment, Sustainability. 2016. N3(9). P. 4-24. doi: 10.15356/2071-9388_03v09_2016_01

20. Vasil'chuk Yu., Budantseva N., Vasil'chuk A., Chizhova Ju., Podborny Ye., Vasil'chuk J. Holocene multistage massive ice, Sabettayakha river mouth, Yamal Peninsula, northernwest Siberia // GeoResJ. 2016. Vol. 9. P. 54-66. doi.org/10.1016/j.grj.2016.09.002

Размещено на Allbest.ru