CC BY
41
ОСОБЕННОСТИ ПАЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИХ РЕКОНСТРУКЦИЙ НА АЛТАЕ ПО АРЕВЕСНО-КОЛЫ1ЕВЫМ ХРОНОЛОГИЯМ И ОЗЕРНЫМ ОТЛОЖЕНИЯМ1
Древесно-кольцевая хронология, рентгено-флуоресцентный анализ, озерные отложения, синхротронное излучение.
В настоящее время накоплен большой массив палеоклиматической информации, представляющей интерес для междисциплинарных исследований. Вместе с тем возникают определенные сложности при сравнительном анализе такого разнородного материала, что объясняется свойствами самих палеоклиматических данных, их разной точностью и временным разрешением. Естественно, это создает определенные трудности при палеореконструкциях природной среды и климата, когда корректная интерпретация сравниваемых характеристик особенно актуальна. В нашем исследовании рассмотрены проблемы, возникающие при сравнительном анализе дендрохронологических и геохимических данных по озерным отложениям, полученных методом рентгенофлуоресцентного анализа на пучках синхротронного излучения (РФА СИ) для оз. Телецкое (Алтай), а также предложены способы их решения.
Таким образом, цель нашего исследования - разработать способ калибровки данных геохимии озерных отложений оз. Телецкое по древесно-кольцевым хронологиям лиственницы Алтая. Для достижения поставленной цели было необходимо: выявить особенности исследования озерных отложений с помощью метода РФА СИ; провести сравнительный анализ изменений ширины годичных колец и данных, полученных на основе РФА СИ для оз. Телецкое; сопоставить выявленные цикличность прироста и осадконакопления с климатическими данными в исследуемом регионе.
Озерные отложения и древесно-кольцевые хронологии представляют архивы различных измеряемых параметров, которые согласуются с изменениями климата. Однако многие известные записи в современных озерах Европы и Азии не могут калиброваться по современным метеоданным вследствие антропогенного загрязнения осадков, особенно за последние 100-150 лет, соответствующие периоду инструментальных измерений климата, озеро Телецкое является подходящим объектом для подобных исследований, поскольку в нем за последние 10 лет получена непрерывная последовательность донных осадков терригенного типа, содержащая сильный климатический отклик с годичным разрешением [Kalugin et al., 2005; Калугин и др., 2009].
Для получения кернов донных осадков оз. Телецкое использовалось специальное оборудование, позволяющее получать непрерывные последовательности
1 Исследование выполнено при финансовой поддержке Интеграционного проекта №92 СО РАН «Прогноз изменений климата Центральной Азии на основе анализа ежегодных записей в озерных осадках, древесных кольцах и ледниках региона», Научной школы НШ-65610.2010.4 и гранта РФФИ-Китай 11-04-91153-ГФЕН_а.
донных отложений длиной до 5 м с глубин до 300 м. Ящиком с грейферным устройством взяты пробы 14x14x20 см с ненарушенной последовательностью слоев, что принципиально важно для оценки скорости процессов осадкообразования в исследуемых водоемах. Скорости осадконакопления (в пересчете на сухой осадок) составляют для глубоководного осадка 0,43±0,02 мм / год и для возвышенности
0,24±0,02 мм / год [Калугин и др., 2009; Kalugin et al., 2005].
При терригенном осадконакоплении поступление взвешенного вещества в озеро зависит от притока, а накопление осадка определяется гидродинамическим режимом бассейна. Следовательно, используя осадочные параметры, можно получить характеристику изменений притока во времени в некоторой точке озера с непрерывным осадконакоплением. Очевидно, что жидкий и твердый притоки с водосбора контролируются климатическими условиями, то есть существует количественная зависимость притока от региональных температур и атмосферных выпадений. Однако система «приток — климат» пока еще не разработана. Поэтому на данном этапе был использован широко применяемый подход — сравнение рядов осадочных параметров с климатическими рядами исторического периода, выделение на этой основе осадочных индикаторов климата и экстраполяция обнаруженных зависимостей на глубокие горизонты.
Донный осадок формируется из твердых частиц терригенного стока, поставляемых с различных уровней и геоморфологических элементов питающей провинции, органических остатков автохтонного и аллохтонного происхождения, аэрозольной компоненты и поровой воды. При последующем взаимодействии твердой и жидкой фаз в осадке образуются аутигенные минералы. Каждый компонент связан с изменениями параметров внешней среды, в первую очередь количеством годовых атмосферных осадков и среднегодовой температурой, вариации которых и приводят к вариациям состава донных осадков. Для определения содержания элементов использовался метод рентгенофлуоресцентного анализа на пучках синхротронного излучения (РФА СИ) из накопителя ВЭПП-3 ИЯФ СО РАН [Барышев и др., 1986]. Сканирование образцов донных осадков с шагом 100 мкм, проводилось на станции элементного анализа Сибирского Центра синхротронного излучения (Институт ядерной физики СО РАН) с энергией 16 и 38 кэВ по специальным методикам [Дарьин и др., 2003]. Время измерения на точку составляло 20 с при энергии 16 кэВ и 100 с при энергии 38 кэВ. Определялись содержания более 15 элементов, в т. ч. породообразующие: К, Са, Ti, Mn, Fe (диапазон содержаний 0,5-10 %); и микроэлементы: V, Cr, Ni, Си, Zn, As, Rb, Sr, Y, Zr, Cd, Sn, I, Ba (диапазон содержания 50-1000 г / т).
Внутреннее строение элементарных (годичных) осадочных ритмов в отложениях Телецкого озера визуально изучалось под микроскопом в проходящем неполяризо-ванном свете. Годичный слой имеет мощность 1—1,2 мм и асимметричное строение. В нижней части он сложен преимущественно алевритовыми частицами диаметром
0,05—0,01 мм, а доля тонкой (менее 0,02 мм) глинистой фракции увеличивается кверху. Такая ритмика определяется осаждением более крупных частиц во время весенне-летнего паводка, а тонких — в спокойный осенне-зимний период.
Дендрохронологический материал был собран на юге Сибири в горах Алтая на верхней границе леса с деревьев лиственницы сибирской (Larix sibirica Ldb.) для получения древесно-кольцевых хронологий, содержащих преимущественно температурный сигнал [Овчинников и др., 2002]. Отбор кернов древесины производился посредством шведского возрастного бурава на высоте 0,3-1,3 м по одному или двум радиусам с одного дерева, с сухих (погибших) деревьев отбирались спи-
лы. В лабораторных условиях была произведена подготовка образцов к измерениям по принятой методике [Методы..., 2000], ширина годичных колец измерена с точностью до 0,01мм на измерительной установке LINTAB и с помощью специального программного пакета TSAP [Rinn, 1996]. Затем осуществлялась перекрестная датировка образцов, точность которой оценивалась программой COFECHA [Holmes, 1983]. Индивидуальные древесно-кольцевые хронологии стандартизировались в зависимости от формы возрастной кривой с помощью отрицательной экспоненциальной или линейной функций. Обобщенные (локальные) хронологии получены усреднением индексов прироста индивидуальных серий [Methods..., 1990; Методы, 2000]. Процедура стандартизации выполнялась с помощью программы ARSTAN [Methods..., 1990].
Совокупность измеренных вдоль колонки физико-химических свойств осадка представляет собой параметрически заданную сложную аддитивную функцию, аппроксимирующую сумму сигналов всех монослоев, потенциально выделяемых в образце при данных условиях измерения (энергия, шаг сканирования). При этом каждый слой может представлять собой рефлекс сезонных (внутригодовых), годовых или многолетних процессов осадкообразования. Для выделения климатически обусловленных геохимических палеосигналов проводилась математическая обработка собранной информации. В первую очередь изучалась корреляция изменений содержаний анализируемых элементов вдоль керна осадков с историческими данными метеонаблюдений в регионе за соответствующий период.
При проведении расчетов для достижения лучшей согласованности временная модель подвергалась корректировке по принципу «пик-в-пик», т. е. экстремумы геохимических прокси-сигналов корректировались под соответствующие экстремумы метеоданных. За основу таких корректировок были положены следующие положения.
1. Терригенная компонента осадка, геохимическими индикаторами которой являются такие элементы, как: Ti, Rb, Sr, Zr, Ba, XRD, Zэфф (как отношение упругонеупруго рассеянного на образце излучения) в большей степени коррелирует с влажностью.
2. Органогенная компонента (геохимические индикаторы — Zn, Br, U) коррелирует с температурой.
3. Временная модель (скорость осадконакопления) при проведении корректировок на отдельных участках керна меняется в пределах не более 10 % от принятой для всего изучаемого керна на основании аналитических данных (137Cs и 14С).
Таким образом, выбор наиболее значимых свойств осадочной породы (индикаторов климата) для количественных реконструкций был сделан исходя из конкретных климатических условий осадконакопления в Телецком озере в исторический период. Показано, что рентгеновская плотность (XRD), отражающая колебания твердого стока в озеро, хорошо согласуется с ежегодным количеством осадков по метеостанции Барнаул с 1880 по 1996 гг. и уровнем озера по озерной станции Яйлю. Профиль содержания Вг представляет оценку количества органического вещества в осадке (определяемого растительной продуктивностью) и близко согласуется с профилем среднегодовой температуры на отрезке 1840-1996 гг. Отношение Sr / Rb характеризует долю невыветрелой обломочной фракции за счет бокового привноса обломочного материала кратковременными паводками.
Использованная методика позволила выявить горизонт максимального заражения, датируемого 1963 г., а также установить границу «доатомного» осадкообразования, датируемую 1948 г. На основе установленных горизонтов рассчитаны
две скорости осадкообразования: за период 1948-1963 гг. и за 1963-1996 / 97гг., в итоге определялась средневзвешенная скорость за 1948-96 / 97 гг. В северной котловине озера максимум находится на глубинах 5—7 см, что соответствует скорости седиментации 1—1,4 мм/год, в среднем 1,33 мм / год для влажного осадка [Kalugin et al., 2005].
Следующим этапом анализа явилась калибровка геохимических показателей по метеорологическим данным. Действительно, выделенные нами горизонты-маркеры хорошо идентифицируются в разных кернах. Однако особенностью озерных осадков оз. Телецкое является отсутствие хорошо видимых годичных слоев. Иными словами, слоистость осадка визуально не наблюдается, именно поэтому выделить такие слои возможно лишь на основании методики, описанной ранее. После сканирования керна методом РФА СИ был получен непрерывный ряд значений с шагом в 100 мкм. Далее эти значения на основе изменения плотности XRD разбивались на условные годичные слои, к которым привязывались остальные измеренные значения. Затем следовал этап сравнения полученных показателей с температурой и осадками ГМС Барнаул, проводилась предварительная привязка одних данных к другим и вычислялся коэффициент корреляции, вносились корректировки в данные. Только потом рассчитывалось уравнение регрессии зависимости геохимических характеристик озерных осадков от климата за период 150 лет, которое использовалось нами для реконструкции температуры и осадков за тысячелетний период, выделяемый по кернам озерных отложений. Согласованность изменчивости данных по геохимии и климатических достигает +0,9, что является весьма высоким показателем при подобных реконструкциях.
А далее начинается самое сложное, начиная с 1840 г. и далее в глубь веков данные прямых измерений температуры и осадков на Алтае просто отсутствуют. Поэтому на следующем этапе калибровки уже реконструированных значений температуры и осадков использовались косвенные индикаторы природной среды и климата — древесно-кольцевые хронологии. Важное свойство таких источников информации в том, что они безошибочно позволяют реконструировать ежегодные изменения основных климатических характеристик (температур и осадков) за период до нескольких тысяч лет [Fritts, 1976; Schweingruber, 1988, 1996]. Преимущества использования древесно-кольцевых хронологий для палеореконструкций очевидны и хорошо известны, что нашло отражение в публикациях еще в начале XX в. [Douglass, 1919]. В последние десятилетия дендрохронологические методы исследования получили всеобщее признание и применяются в различных научных направлениях (география, экология и др.) [Ваганов и др., 1996; Методы, 2000; Schweingruber, 1988, 1996]. В данном исследовании нами использована региональная тысячелетняя древесно-кольцевая хронология по ширине годичных колец лиственницы сибирской, отражающая изменения летней температуры на Алтае за 1000 лет [Овчинников и др., 2002]. Использование длительной хронологии позволило увеличить период калибровки реконструкций по геохимии донных отложений со 150 до 1000 лет, что, наряду со статистическими показателями, свидетельствует о достоверности полученных расчетов.
Основная сложность данного рода исследований заключается в том, что в случае с древесно-кольцевыми хронологиями мы имеем дело с четким временным разрешением — один год, тогда как реконструкции по геохимии донных отложений оз. Телецкое таким временным разрешением не обладают [Калугин и др., 2009; Kalugin et al., 2007]. Поэтому для преодоления этого сложного момента был
использован достаточно простой способ — рассчитывались средние значения геохимических и дендр охр оно логических измерений за 11—25 лет и затем уже эти осредненные значения сравнивались друг с другом. Это позволило сгладить высокочастотную составляющую изменчивости в обоих рядах данных и нивелировать возможные расхождения и ошибки. Данный подход позволил визуально выделить сдвижки в пиках изменчивости древесно-кольцевых хронологий и реконструкций по геохимии донных отложений. Выявленные расхождения корректировались и вносились соответствующие поправки в исходные данные с целью устранения ошибки. Такова общая методика сравнительного анализа таких разных по характеристикам объектов, как древесно-кольцевые хронологии и реконструкции по геохимическим показателям донных осадков оз. Телецкое.
Таким образом, применяемый нами способ калибровки исследуемых данных позволил выявить высокую согласованность коротко-периодических и внутриве-ковых циклов изменений индексов древесно-кольцевых хронологий и геохимических показателей в озерных осадках оз. Телецкое, обусловленную колебаниями климата. Выявленные зависимости позволяют проводить корректную и достоверную реконструкцию изменения природных индикаторов во времени за несколько тысяч лет (поздний голоцен) по геохимическим данным с высоким временным разрешением. Метод рентгенофлуоресцентного анализа донных отложений расширяет возможности выявления годичных слоев в однородных осадках по геохимическим элементам. Применение разработанного нами подхода показало перспективность его использования при высокоразрешающих реконструкциях климата прошлого не только на Алтае, но и в других регионах, где есть соответствующие данные. Безусловно, применяемый нами метод требует корректировки в соответствии со спецификой проводимого исследования.
Библиографический список
1. Барышев В.Б., Колмогоров Ю.П., Кулипанов Г.Н., Скринский А.Н. Рентгенофлуоресцентный элементный анализ с использованием синхротронного излучения // Журнал аналитической химии. 1986. Т. 41, № 3. С. 389-401.
2. Ваганов Е.А. Дендроклиматические исследования в Урало-Сибирской Субарктике / Е.А. Ваганов, С.Г. Шиятов, B.C. Мазепа. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1996. 246 с.
3. Дарьин А.В., Золотарев К.В., Калугин И.А., Максимова Н.В. Применение метода РФА СИ для определения микроэлементного состава донных осадков оз. Хубсугул (Монголия). Поиск геохимических индикаторов осадконакопления и вариаций палеоклимата в Байкальской рифтовой зоне // Поверхность. 2003. № 12. С. 45-48.
4. Калугин И.А., Дарьин А.В., Бабич В.В. 3000-летняя реконструкция среднегодовых температур алтайского региона по литолого-геохимическим индикаторам донных осадков оз. Телецкое // ДАН. 2009. Т. 426, № 4. С. 520-522.
5. Методы дендрохронологии. Ч. I: Основы дендрохронологии: уч.-метод, пособие / отв. ред. Е.А. Ваганов, С.Г. Шиятов; Краснояр. гос. ун-т. Красноярск: Изд. Центр КГУ, 2000. 82 с.
6. Овчинников Д.В., Панюшкина И.П., Адаменко М.Ф. Тысячелетняя древесно-кольце-вая хронология лиственницы Горного Алтая и ее использование для реконструкции летних температур // География и природные ресурсы. 2002. № 1. С. 102-108.
7. Douglass А. Е. Climatic cycles and tree-growth. A study of the annual rings of trees in relation to climate and solar activity. Washington: Carnegie Inst., 1919. Vol. 1. 127 p.
8. Fritts H. C. Tree-rings and climate. London; New York; San Francisco: Acad. Press, 1976. 576 p.
9. Holmes R. L. Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement // Tree-ring bulletin. 1983. Vol. 44. P. 69-75.
10. Kalugin I., Daryin A., Smolyaninova L. et al. 800-yr-long records of annual air temperature and precipitation over southern Siberia inferred from Teletskoye Lake sediments. Quaternary Research, 2007. 67 (3). P. 400-410.
11. Kalugin I., Selegei V., Goldberg E. et al. Rhythmic fine-grained sediment deposition in Lake Teletskoye, Altai, Siberia, in relation to regional climate change. Quaternary International, 2005. 136. P. 5-13.
12. Methods of Dendrochronology. Applications in the environmental sciences / eds. Cook E. R., Kairiukstis L. A. Dordrecht; Boston; London: Kluwer Acad. Publ., 1990. 394 p.
13. R/inn F. TSAP V3.5. Computer program for tree-ring analysis and presentation. Heidelberg: Frank R/inn Distribution, 1996. 264 p.
14. Schweingruber F. H. Tree ring: Basics and applications of dendrochronology. Dordrecht: Reidel. Publ., 1988. 276 p.
15. Schweingruber F. H. Tree Rings and Environment. Dendroecology. Berne; Stuttgart; Vienna: Paul Haupt: Birmensdorf, Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research, 1996. 609 p.
