Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Озера являются элементом многих современных и древних ландшафтных обстановок. Особенностью озер является их чувствительность к климатическим изменениям. Осадки современных озер с высокими скоростями седиментации позволяют получить более разрешенные палеоклиматические, палеоэкологические и палеомагнитные записи по сравнению с океаническими осадками. Разнообразие типов озер и многочисленные факторы, определяющие процессы осадконакопления в каждом из них, формируют индивидуальный качественный и количественный состав отложений конкретного озера. Изучение этих процессов в современных обстановках позволяет создавать палеореконструкции окружающей среды в геологическом прошлом, а на их основе – моделировать поведение климата в будущем [1].

В настоящее время интерес к донным отложениям как к архивам информации о параметрах окружающей среды высокий, так как эти данные чрезвычайно важны для понимания процессов изменения окружающей среды сегодня и в ближайшем будущем.

Полнота и детальность реконструкций условий формирования отложений определяются числом объектов и получением большего числа записей разных литологических данных. Это актуально для территории Южного Урала, где изучены единичные озера. История природных изменений Южного Урала в голоцене имеет сложный характер, так как соединяет в себе черты, характерные для развития природных условий Русской равнины и Сибири в голоцене. Проведение детального комплексного анализа донных осадочных отложений повысит надежность исследований, а также позволит провести более точную реконструкцию палеообстановок озерного седиментогенеза Южного Урала в позднечетвертичное время и определить основные факторы, влияющие на изменение этих обстановок.

Магнитные параметры (магнитная восприимчивость, параметры коэрцитивных спектров), аллотигенные и биогенные магнитные минералы в комплексе с разнообразными данными (гранулометрическими, геохимическими) позволяют выявлять эпизоды уменьшения/увеличения влажности климатических условий, вариации твердого стока и уровня водоемов, а также другие геологические и экологические изменения (например, [2]).

В качестве объекта исследования выбрано озеро Сабакты (53°36'55" N; 58°39'22" E) на территории Южного Урала, где активно развиваются исследования озерных донных осадков [3, 4]. Длина озера 2,37 км, средняя ширина – 1,01 км, средняя и максимальная глубины озера соответственно 2,8 м и 6 м. Площадь акватории составляет 2,4 км2 [5]. Предварительные сейсмоакустические исследования позволили наметить места отбора керна. Всего были отобраны 4 керновые колонки, длина которых изменяется от 1,5 до 3 м. Общее количество отобранных образцов составило 452 шт. Шаг отбора составил 2 см. Для детального изучения была выбрана самая длинная отобранная керновая колонка № 4, расположенная в восточной части озера (N 53̊ 37'5.4"; E 58̊ 39'33.4").

Целью исследования является изучение особенностей вещественного состава и магнитно-минералогических свойств плейстоцен-голоценовых осадков озера Сабакты.

Материал и методы исследования

Радиоуглеродный анализ проводился на Факультете Наук о Земле Национального университета Тайваня (NTUAMS Lab), г. Тайвань, на ускорительном масс-спектрометре 1.0 MV HVE. Для калибровки возраста образцов использовали программный продукт ОхСal v4.2.4 Bronk Ramsey (2013) и калибровочную кривую IntCal 13, что позволяет определить временные интервалы с наибольшей вероятностью.

Анализ гранулометрического состава производили на анализаторе размера частиц Bluewave (Microtrac, США, заводской номер BCR66-MW08012403), совмещенном с системой загрузки и циркуляции пробы с интегрированным ультразвуковым диспергатором. Образцы предварительно были обработаны 10% HCl и 30% H2O2 для удаления карбонатов и органического вещества. Для определения литологических разностей использована классификация нелитифицированных осадков по [6]. При обработке данных гранулометрического состава строились графики распределения содержаний фракций (гистограммы и кумулятивные кривые) и использовался медианный размер зерен (Md), рассчитываемый квантильным методом и отражающий гидродинамический уровень осадкообразования и аккомодацию.

Магнитная восприимчивость (МВ) была измерена на частоте 976 Гц и амплитуде поля 200 А/м с использованием многочастотного измерителя магнитной восприимчивости Agico Kappabridge MFK1-FA. Диапазон измерения прибора до 0,5 (SI) при частоте 976 Гц. Точность в пределах одного диапазона ±0,1; точность абсолютной калибровки ±3%. Значения магнитной восприимчивости осадочных отложений зависят от процесса выветривания. В условиях засухи эрозия, химическое выветривание замедляются, что приводит к снижению содержания магнитных минералов в осадке. Напротив, при повышенной влажности химическое выветривание, эрозия усиливаются, что приводит к более высоким значениям МВ. Таким образом, во время теплых/влажных климатических условий ожидаются более высокие значения МВ, и наоборот [2].

Коэрцитивная спектрометрия (КС). Измерения проводились на коэрцитивном спектрометре J_meter [7]. Для образцов в автоматическом режиме измерялись кривые нормального остаточного намагничивания при непрерывном росте внешнего магнитного поля до 1,5 Тл. Получены полные петли гистерезиса одновременно по остаточной и индуктивной намагниченностям. По кривым нормального намагничивания был определен вклад в магнитную составляющую осадка различных компонент озерных отложений: ферромагнитной (k_ferro), диа-/парамагнитной (k_para) и суперпарамагнитной (k_super) [8], что позволяет оценивать величину терригенного сноса, колебания уровня и продуктивность озер. Например, вклад k_para в МВ, в основном обусловлен поступлением аллотигенного материала в бассейн осадконакопления [3, 8]. Ферромагнитный материал (магнетит, маггемит) может иметь смешанное (аллотигенное и биогенное) происхождение. Суперпарамагнитные минералы также могут быть как биогенного, так и аллотигенного происхождения, которые могут быть представлены гематитом или биогенно индуцированными оксидами или сульфидами железа [8].

Дифференциальный термомагнитный анализ (ДТМА) образцов по индуцированной намагниченности выполнялся на авторегистрирующих крутильных магнитных весах, действующих по нулевому методу. Нагрев каждого образца в магнитном поле 0,5 мТл проводился дважды при скорости нагрева 100°С/мин. В результате измерений были получены зависимости индуктивной намагниченности от температуры – Ji(T) первого и второго нагревов. Точка Кюри (Tk – температура перехода ферромагнитного материала в парамагнитное состояние) осадочной породы определяется точкой Кюри ферромагнитных минералов, входящих в ее состав. Для чистого магнетита она составляет 575°С, для различных его разновидностей колеблется от 315 до 600°С.

Рентгенофлуоресцентный анализ и ИСП-МС анализ. Для определения элементного состава озерных отложений был применен рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) и ИСП-МС. Измерения проводились при помощи рентгенофлуоресцентного спектрометра Bruker S8 Tiger и на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой iCAP Qc (ThermoFisher Scientific, Германия). Геохимические данные несут важную информацию об условиях седиментогенеза в озерных бассейнах. Содержание главных и второстепенных элементов, их соотношения известны как информативные показатели условий осадкообразования (например, [2, 3]). Для выяснения факторов валового химического состава использован факторный анализ методом главных компонент способом «Варимакс нормализованный» в Пакете программ STATISTICA. Факторный анализ был проведен для разрешенных переменных, имеющих статистически достоверный объем выборки и подчиняющихся нормальному и логнормальному распределениям со значимыми нагрузками более 0,7.

Результаты исследования и их обсуждение

Радиоуглеродное датирование. Согласно полученным результатам, возраст изучаемых отложений для озера Сабакты не позднее ~25 тыс. лет. Полученные радиоуглеродные даты приводятся в количестве лет до наших дней с указанием возможной статистической ошибки. За момент отсчета принята дата – 1950 г. (табл. 1).

Таблица 1

Результаты радиоуглеродного датирования

Гранулометрический анализ. Отложения нижней части колонки сложены голубовато-серым суглинком (интервал 290–216 см) и сменяются вверх по разрезу темно-зеленым суглинком алевритовым с прослойками супеси алевритовой и алевритистого песка. Включения галечно-гравийного материала характерны для интервала 246–256 см. По разрезу устанавливается преобладание алевритовой фракции, содержание которой изменяется от 33,24% до 76,3% (ср. знач. 58,14%). Содержание пелитовой фракции изменяется от 1,37% до 16,41% (ср. знач. 10,63%). Содержание псаммитовой фракции изменяется от 12,02% до 65,39% (ср знач. 31,22%). Медианный размер зерен изменяется в пределах 0,014–0,056 мм (ср. знач. 0,0258 мм).

Химический состав. В результате РФА были получены данные по содержаниям главных и второстепенных элементов. Главные элементы представлены в основном литофильными элементами, за исключением сидерофильного железа и халькофильной серы.

Содержание SiO2 характеризуется изменением в пределах 14,60–63,36% со средним 31,93%, Al2O3 (2,97–15,39%, среднее 7,78%), Fe2O3 (3,52–7,28%, среднее 5,54%), CaO (2,05–25,33%, среднее 7,90%). Сравнительно меньшие содержания отмечаются для MgO (0,98–3,04%, среднее 1,88%), SO3 (0,15–5,61%, среднее 2,88%), K2O (0,38–2,02%, среднее 0,94%), Na2O (0,26–0,98%, среднее 0,55%), TiO2 (0,19–0,70%, среднее 0,41%), P2O5 (0,06–0,28%, среднее 0,13%), MnO (0,09–0,65%, среднее 0,22%).

Второстепенные элементы представлены литофильными элементами (ванадий, хлор, стронций, хром, цирконий, рубидий, бром), халькофильными элементами (медь, цинк, мышьяк) и сидерофильными элементами (никель, кобальт). Сравнительно более высокие содержания характерны для Cl, V2O5, SrO (средние содержания 0,040%, 0,020%, 0,025% соответственно). Меньшие содержания характерны для Cr2O3, CuO, ZnO, Br, NiO, ZrO2, Rb2O, As2O3 (средние содержания 0,013%, 0,009%, 0,010%, 0,007%, 0,006%, 0,008%, 0,003%, 0,003% соответственно). В семи образцах зафиксирован CoO (среднее содержание 0,0002%).

В ходе ИСП-МС также измерены концентрации в г/т Li, Be, Sc, Ga, Ge, Se, Y, Nb, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, Cs, Ba, РЗЭ, Hf, Ta, W, Ir, Tl, Pb, Bi, Th, U. Наиболее заметные содержания отмечены для Li, Ba (средние содержания составляют 20,52, 232,64 г/т соответственно). Меньше представлены Ta, W, Be, Hf, U, Cs, Th, Nb (средние содержания 0,29, 0,62, 1,35, 1,62, 1,79, 2,86, 3,89, 4,89 г/т соответственно). Содержание легких редкоземельных элементов LREE (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Cd) изменяется в пределах 18,02–112,82 г/т, а содержание тяжелых редкоземельных элементов HREE (Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) изменяется от 1,84 г/т до 10,50 г/т. Общее содержание REE (LREE+ HREE) изменяется от 28,38 г/т до 163,61 г/т.

Среди халькофильных элементов установлено наличие Bi, Cd, Te, Tl, Sb, Ag, Sn, Se, Ge, Pb, Ga (средние содержания составляют 0,13, 0,13, 0,16, 0,19, 0,67, 1,18, 1,29, 2,11, 3,67, 7,59, 10,50 г/т соответственно). Среди сидерофильных элементов установлено наличие Mo, содержания которого варьируют в пределах 1,20–4,08 г/т. В 16 образцах зафиксировано наличие Re, среднее значение которого составляет 0,01 г/т, а также в 5 образцах присутствует Ir со средним значением 0,016 г/т.

Факторный анализ разрешенных переменных позволил установить 3 фактора со значимыми нагрузками более 0,7 (табл. 2).

Самым значимым является фактор F1 (вес 24,46%), далее с меньшими весами располагаются факторы F2, F3.

Фактор F1 отражает увеличение содержания элементов терригенного привноса (аллотигенных элементов): Na, Mg, Si, K, Ti, V, Cr, Ni, Rb, Zr, Ba, REE, Th, Li, Fe, Ga, Ge, Se, Y, Nb, Sn, Sb, Cs, Hf, Ta, Tl, Pb, Bi.

Фактор F2 отражает уменьшение содержания Sr. Элемент Sr является «геохимическим аналогом» кальция и может входить в состав кальцита, поэтому в осадках с высоким содержанием карбонатов (макрофитогенные сапропели) наблюдается корреляция в распределении Ca и Sr [9].

Фактор F3 – это фактор уменьшения S. Содержание S в осадочных отложениях озер является отражением процессов бактериальной сульфатредукции, в результате которой выделяется H2S и, как следствие, образуется пирит [4, 9].

Магнитная восприимчивость. Значения магнитной восприимчивости изменяются в пределах (0,48–12,6)∙10-7 м3/кг (табл. 3) в связи с литологической неоднородностью [10].

На диаграмме Дэя-Данлопа [11] (рис. 1) отображены полученные параметры магнитного гистерезиса по керновой колонке № 3 и № 4. Согласно построенной диаграмме (рис. 1), исследуемые образцы находятся в области смеси однодоменных (SD), суперпарамагнитных (SP) и многодоменных (MD) зерен.

Таблица 2

Результаты факторного анализа

Таблица 3

Статистические параметры магнитной восприимчивости колонок донных отложений озера Сабакты (∙10–7 м3/кг)

Согласно построенной диаграмме (рис. 1), магнитные зерна исследуемых образцов представляют собой комбинацию SD и MD (PSD) зерен с долей MD от 40 до 92% [11].

Значения общей МВ по всему разрезу изменяются от 3,55*10-5 до 38,63*10-5. Вклад k_para в МВ изменяется от 1,95*10-5 до 10,11*10-5, k_ferro – от 0,55*10-5 до 35,17*10-5 и k_super – от 0,006*10-5 до 0,25*10-5 (табл. 4).

Таблица 4

Статистика значений компонент магнитной восприимчивости (*10-5)

Для установления генезиса магнитных параметров была вычислена корреляционная матрица по выборке, включающей геохимические факторы и параметры коэрцитивных спектров (табл. 5).

Согласно таблице 2, коэффициент корреляции между k_para и F1 составляет 0,91. Таким образом, k_para выступает как прокси поставки аллотигенного материала в озерную систему.

Для прочих компонент установлена тесная корреляционная связь между k_full, k_ferro и k_super, объясняющаяся присутствием маггемита и магнетита (последний обнаруживается по данным ДТМА, рис. 2) со смешанным (аллотигенным и аутигенным) происхождением, требующим дополнительных исследований.

Комплексирование данных радиометрического датирования, гранулометрического состава, химического состава (факторы F1, F2 и F3) и парамагнитной компоненты k_para позволило выделить в составе колонки № 4 пять литологических зон: одну плейстоценовую и четыре голоценовые (рис. 3).

Рис. 1. Диаграмма Дэя-Данлопа для керновых колонок: синие кружочки – керновая колонка № 3, красные – № 4 [11]

Рис. 2. Результат дифференциального термомагнитного анализа образца с глубины 6 см (колонка № 4). Синим цветом обозначен первый нагрев, красным – второй; сплошная линия – интегральная кривая, пунктир – дифференциальная кривая. Идентифицируется магнетит по кривой первого нагрева

Рис. 3. Вариации k_para и F1 озера Сабакты Условные обозначения: 1 – суглинок тяжелый алевритовый, 2 – суглинок легкий алевритовый, 3 – супесь алевритовая, 4 – песок аллевритовый; 5 – карбонатный сапропель; Qp – плейстоцен; Q3p – верхний плейстоцен [12]; DR-3 – поздний дриас, PB – Пребореальная стадия, BO – Бореальная стадия, AT – Атлантическая стадия, SB – Суббореальная стадия, SA – Субатлантическая стадия [13]

Таблица 5

Матрица коэффициентов корреляции

Плейстоценовая литологическая зона озера Сабакты относится к интервалу разреза 294–238 см (~26000 – 11700 к.л.н.) (рис. 3).

Изучаемые образцы по данным первичного литологического описания представлены глинистыми отложениями серо-голубыми плотными, с включениями галечно-гравийного материала. Среднее значение Md в данной зоне составило 0,017 мм. Преимущественно в образцах содержится алевритовая фракция: среднее значение составило 62,80%. В меньшей степени в образцах установлено содержание пелитовой (среднее значение 15,18%) и псаммитовой (среднее значение 22,02%) фракций. По классификации Логвиненко определен суглинок легкий алевритовый. Для данной зоны характерны повышенные значения k_para, F1, F2 и F3, указывающие на активный привнос аллотигенного материала на начальном этапе существования озера.

К голоценовой литологической зоне 1 приурочен интервал 238–214 см (~11700–10130 к.л.н., пребореальная стадия), сложенный илом светло-серым и темно-зеленым плотным, глинистым. Среднее значение Md для осадочных отложений озера Сабакты в данной зоне составило 0,031 мм. Преимущественно в образцах содержится алевритовая фракция: среднее значение составило 50,85%. В меньшей степени в образцах установлено содержание пелитовой (среднее значение 10.78%) и псаммитовой (среднее значение 38,38%) фракций. По классификации Логвиненко определены суглинок легкий алевритовый (глубина 232 см) и суглинок легкий (глубина 216 см). Подошвенная часть зоны отмечается локальным увеличением k_para и F2 (на фоне трендов уменьшения терригенного сноса), обозначившим начало пребореальной седиментационной стадии. Аналогичная ситуация для подошвенной части отмечается и для следующей литологической зоны.

Литологическая зона 2 голоцена охватывает интервал разреза 214–178 см (~10130–7300 к.л.н.; бореальная стадия и первая половина атлантической стадии). Согласно первичному литологическому описанию, интервал представлен илом светло-коричневым плотным, песчано-алевритовым. Среднее значение Md составило 0,025 мм. Содержание алевритовой фракции составило 59,35%, псаммитовой – 30,38%, пелитовой – 10,27%. По классификации Логвиненко определены супесь алевритовая (интервал 204–192 см) и суглинок легкий алевритовый (глубина 182 см).

Для данной зоны характерно увеличение значений k_para, F1 и F2, указывающее на увеличение поставки аллотигенного материала. Повышенное содержание аллотигенного материала в интервале 236–184 см, вероятно, связано с обводнением озера в результате потепления и увлажнения климата в интервале ~11640–7700 к.л.н. [4].

Значения F3 выраженно уменьшаются, что соответствует, по всей вероятности, активному высвобождению серы в результате бактериальной сульфатредукции [4, 9].

К литологической зоне 3 голоцена приурочен интервал разреза 178–60 см (~7300–1950 к.л.н.; вторая половина атлантической стадии, субборельаная стадия), сложенный илом темно-зеленым, серо-зеленым и зеленым плотным, участками песчано-алевритовым. Среднее значение медианного размера зерна по сравнению с зоной 2 увеличивается до 0,033 мм. Для данной зоны характерно увеличение содержания псаммитовой фракции (среднее значение составило 37,22%). Средние содержания алевритовой и пелитовой фракции снижаются до 55,11% и 7,67% соответственно. По классификации Логвиненко определены супесь алевритовая (170–156 см), алевритовый песок (132 см) и суглинок легкий алевритовый (124–90 см). В интервалах 144–118 см (~5100–3660 к.л.н.), 78–52 см (~2630–1620 к.л.н.) установлено увеличение k_ para и F1, что указывает на увеличение поставки аллотигенного материала в бассейн седиментации. Пониженное содержание аллотигенного вещества в осадках установлено в интервале 184–144 см (~7700–5100 к.л.н.), которое сопровождается замечательным увеличением Sr в осадке (уменьшение значений фактора F2, карбонатная седиментация). Снижение поставки аллотигенного материала и карбонатообразование, скорее всего, связаны с уменьшением влажности климата. Так, например, согласно Н.А. Хотинскиму [14], в период ~6800–5800 лет назад на территории Северной Евразии произошел термический максимум. Снижение значений k_para и F1установлено в интервале 118–78 см (~3660-2630 к.л.н.), что указывает на аридизацию климата, что согласуется с данными по [4]: спорово-пыльцевой и диатомовый анализы осадочных отложений озера Талкас позволили установить аридизацию климата, которая произошла ~4200–3000 к.л.н.

Голоценовая литологическая зона 4 охватывает интервал разреза 60–2 см (~1950–1000 к.л.н., большая часть субатлантической стадии), представленный илом темно-зеленым. Среднее значение Md в осадочных отложениях озера Сабакты уменьшается по сравнению с зоной 3 до 0,020 мм. Среднее содержание алевритовой фракции составило 63,39%, пелитовой – 10,84%, псаммитовой – 25,76%. По классификации Логвиненко определены супесь алевритовая (52 см) и суглинок легкий алевритовый (4 см). Для данной зоны характерно снижений значений k_para, F1, что указывает на уменьшение содержания аллотигенного материала в осадке. Пониженное содержание аллотигенного вещества в осадках установлено в интервале 52–2 см (~1620–1000 к.л.н.), который корреспондирует с событием Бонда 1 (увеличение сухости климата) [15].

Заключение

Впервые получены детальные данные по возрасту, вещественному составу и генетическим особенностям донных отложений озера Сабакты по данным длинных керновых колонок. Полученные результаты позволили выявить условия формирования озерных отложений в рассматриваемом регионе, а также развить и дополнить общие представления об озерном осадконакоплении в плейстоцен-голоценовое время. Согласно радиоуглеродному датированию, седиментация в озере Сабакты началась не позднее ~ 25 тыс. лет назад. Выявлено значение k_para как показателя интенсивности поступления аллотигенного материала в озерный бассейн осадконакопления. Установлена литологическая зональность донных отложений, отражающая историю осадконакопления в изучаемом озере, а также обозначены наиболее значительные эпизоды и события в истории осадконакопления.