Тяжелые металлы и микроэлементы в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах Северной Якутии

Аннотация: Предметом исследования являются содержание микроэлементов, тяжелых металлов и металлоидов в повторно-жильных льдах трех едомных массивов на севере Якутии: Кулар, Бизон и Дуванный Яр.Едомные отложения разреза Дуванного Яра вскрыты на правом берегу в низовьях р.Колымы, у Дуванного переката. Разрез позднеплейстоценового едомного комплекса Бизон, расположен на правом берегу р.Колымы, в устье протоки Лакеевская в 15 км ниже Дуванного переката. Едомная толща близ пос. Кулар в предгорьях Куларского хребта располагается на пологом склоне южной экспозиции долины ручья Бургуаат в виде наклонного увала протяженностью по склону более 1 км. Основным методом исследования является атомно-абсорбционная спектроскопия, выполненная в Почвенном институте им. В.В.Докучаева. Образцы повторно-жильного льда отбирались в полевых условиях в полиэтиленовые пакеты, плавились при температуре не выше 15°С и переливались в химически инертные пластмассовые флаконы. Основными выводами проведенного исследования являются: а) в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах разрезов Бизон и Дуванный Яр по cравнению с разрезом Кулар значительно выделяются литофильные (марганец, стронций) элементы; б) содержание стронция во льдах разреза Бизон ниже среднемировых значений для поверхностных вод; в) марганец и железо, высоко подвижны в глеевой обстановке представлены во льдах разрезов Дуванный Яр и Бизон в значительно большем количестве, чем в разрезе Кулар, что может говорить о разных окислительно – восстановительных условиях при формировании жил, вероятно в Куларе обстановка была при формировании жил либо окислительной (в течение длительного времени) либо была более щелочной, чем в других разрезах, а в Дуванном Яре и Бизоне – в основном восстановительной глеевой и кислой.

Ключевые слова: тяжелые металлы, металлоиды, едома, Северная Якутия, Кулар, Бизон, Дуванный Яр, повторно-жильный лед, поздний плейстоцен, кларк элемента

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант №14-27-00083).

Abstract: The subject of the study is the content of trace elements (heavy metals and metalloids) in the Late Pleistocene ice-wedge casts of three yedoma blocks of Northern Yakutia: Kular, Bison and Duvanny Yar. Yedoma deposits of Duvanny Yar are exposed on the right bank in the lower course of the Kolyma River, near the Duvanny riffle, in the Kolyma Lowland. It is drained by the northward flowing Kolyma River, the sixth largest river flowing into the Arctic Ocean. The lowland is bordered by the North Anyuy Range to the east, the Yukagir Plateau to the south, the Alazeya Plateau to the southwest and the Ulakhan-Sis Ridge to the northwest. The Late Pleistocene Bison yedoma complex is located on the right bank of the Kolyma River, in the mouth of the Lakeevskaya Channel 15 km below the Duvanny riffle. Yedoma near the Kular village in the foothills of the Kular range is located on the mild slope of southern aspect in the valley of the Burguaat creek in the form of an inclined slope extending over a slope of more than 1 km. The main reseacrh method is atomic absorption spectroscopy, performed in the V.V. Dokuchaev Soil Science Institute. Samples of ice wedges were sampled in the field in polyethylene bags, melted at a temperature not higher than 15 °C and poured into chemically inert plastic bottles. The main conclusions of the study are as follows: a) in the late Pleistocene ice-wedge casts of the Bison and Duvanny Yar sections, lithophile elements (Mn, Sr) are significantly distinguished in comparison with the Kular section; b) the content of Sr in the ice of the Bison section is below the world’s average for surface water; c) Mn and Fe, highly mobile in gley reducting medium, are represented in the ice of the Duvanny Yar and Bison sections in much larger quantities than in the Kular section; it can be connected with different redox conditions during the formation of ice wedges. Probably in Kular the conditions were oxidative (for a long time) or more alkaline than in other sections, and in Duvanny Yar and Bison – mostly gley reducing and acid.

ice-wedge cast, Duvanny Yar, Bison, Kular, Northern Yakutia, yedoma, metalloids, heavy metals, Late Pleistocene, clarke (mean concentration)

Введение

Район исследований и методика отбора образцов

Авторами выполнено определение содержание микроэлементов, тяжелых металлов и металлоидов в повторно-жильных льдах трех едомных массивов на севере Якутии: Кулар, Бизон и Дуванный Яр (рис. 1)

Рис. 1. Местоположение исследованных позднеплейстоценовых повторно-жильных льдов на севере Якутии

Разрез повторно-жильных льдов Бизон. Разрез позднеплейстоценового едомного комплекса Бизон расположен на правом берегу р.Колымы, в устье протоки Лакеевская в 15 км ниже Дуванного переката (68°34' с.ш., 158°34' в.д.). Разрез представлен преимущественно супесчаными отложениями с прослоями органики в виде линз мощностью до 0,5 м [1] . В цирке протяженностью 200 м и высотой около 20 м обнажаются сингенетические ледяные жилы вертикальной мощностью до 9 м, шириной в верхней части до 2-2,5 м (рис. 2). Лед жил серый, с крупными пузырьками воздуха и прожилками серой супеси, иногда встречаются вертикальные прослои молочно-белого льда.

Рис. 2. Повторно-жильные льды в едомной толще разреза Бизон. Фото Ю.Васильчука

Разрез повторно-жильных льдов Дуванный Яр. Едомные отложения разреза Дуванного Яра, расположенного на правом берегу в низовьях р.Колымы, у Дуванного переката (68°37' с.ш., 159°08' в.д.). представлены преимущественно супесчаными отложениями. В толще отмечено большое количество аллохтонного детрита, который в отдельных интервалах сконцентрирован в виде линз мощностью до 0,5–0,7 м [2] . Льдистость пород за счет текстурных льдов часто больше 50%, толща пронизана мощными сингенетическими повторно-жильными льдами, шириной в нижней половине разреза до 3,5–4 м, а в верхней до 2,5 м (рис. 3) и видимой высотой нередко превышающей 20 м. Суммарная мощность ледового комплекса заметно превышает 40, а в отдельные годы и 50 м.

Рис. 3. Повторно-жильные льды в едомной толще разреза Дуванный Яр. Фото Ю.Васильчука

В строении верхнего фрагмента обнажения также обнаруживаются три цикла, каждый из которых представлен слоем довольно однородной темно-серой супеси мощностью 3–4 м, перекрытой сильно оторфованной пачкой супесей, мощностью до 1 м. Гранулометрический состав отложений в верхней половине разреза (исключая верхние 2–5 м) весьма однороден – доминируют пылевые частицы (59–66%). Только в верхней 2–5–метровой толще возрастает мелкопесчаная фракция, хотя и здесь много крупной пыли (до 56%).

Разрез повторно-жильных льдов у пос. Кулар. Детально изученный фрагмент едомной толщи близ пос. Кулар (68°53′ с.ш. 131°53′ в.д.) в предгорьях Куларского хребта располагается на пологом склоне южной экспозиции долины ручья Бургуаат, в виде наклонного (уклон 4–5°) увала протяженностью по склону более 1 км. Абсолютные отметки подошвы едомы колеблются от 95 м у ручья до 110–120 м в верхней части склона, а кровли – от 105 до 140 м [3] .

Строение одного из наиболее характерных элементов увала вскрывается в карьере в средней части склона (рис. 4).

В его основании отмечены коренные скальные породы, перекрытые щебнистым элювием мощностью до 1 м, на котором залегает слой песка черного цвета с включениями гравия и слабоокатанной гальки мощностью до 2–3 м. Выше залегает собственно едомная толща, состоящая из супеси (пылеватого суглинка) с линзами торфа. На контакте песка и супеси встречен пласт голубовато-серого сегрегационного льда мощностью до 1,5 м. На высоте 3 и 9 м от подошвы едомной толщи залегают линзы чистого торфа мощностью 1,0–1,5 м, в которых отмечено скопление веточек кустарников, среднеразложившихся корешков, стеблей трав и мхов, а также костей лошади, мамонта, зубра и бизона; в нижней части разреза встречены обломки стволов берез и лиственниц. На высоте 20 м от подошвы едомы расположен менее выраженный прослой торфа. Главной криолитологической особенностью разреза являются мощные повторно-жильные льды, пронизывающие всю едомную толщу. Ширина жил достигает 3 м, лед коричневато-серый с примесью торфа и супеси. Вмещающие породы на контакте с жилами иногда деформированы, криогенная структура их, как правило, среднеслоистая, средне– и тонкошлировая. Засоленность вмещающих жилы мерзлых отложений по всему разрезу невысока.

Рис. 4. Повторно-жильные льды в едомной толще у пос. Кулар: а – общий вид карьера (на заднем плане в вертикальной стенке – повторно-жильные льды); б – вертикальнослоистая сингенетическая ледяная жила слева и вмещающий ее мощный торфяник, сформировавшийся 33-37 тыс. лет назад. Фото Ю.Васильчука

В местах перекрывания супеси линзами торфа толщина ледяных шлиров уменьшается от 2–3 до 0,05 см. В целом, разрез едомы здесь можно представить как трехкратное переслаивание пачек супесей, перекрытых линзами торфа. Более детально изучены две нижние из этих трех пачек.

Отбор образцов разрезов Бизон и Дуванный Яр осуществлялся в цинковые контейнеры, что было учтено при интерпретации аналитических данных по содержанию цинка в повторно-жильных льдах этих разрезов.

Методы измерений

Образцы повторно-жильного льда отбирались в полевых условиях в полиэтиленовые пакеты, плавились при температуре не выше 15°С и переливались в химически инертные пластмассовые флаконы.

В образцах выполнены аналитические определения микроэлементного состава методом атомно-абсорбционной спектроскопии в Почвенном институте им. В.В.Докучаева. Выполнено измерение содержания Sr, Mn, Zn, Cu, Fe, Co. Статистические параметры и графики размаха получены при обработке данных в программе STATISTICA 10.

Содержание микроэлементов и тяжелых металлов в позднеплейстоценовых сингенетических повторно-жильных льдах

Обнажение едомы Бизон. Для оценки фациальной среды формирования жильного комплекса разреза Бизон в сентябре 1999 г. (т.е. уже через 2 недели после опробования) было выполнено определение содержания микроэлементов и тяжелых металлов в повторно-жильных льдах (рис. 5, табл. 2).

Рис. 5. Схема отбора образцов из повторно-жильных льдов разреза Бизон: 1 – повторно-жильный лед; 2 – точки отбора образцов льда

Во льду жил отмечено повышенное содержание железа: в жиле №1 его концентрация варьирует от 285 до 1606 мкг/л, в жиле №2 – от 695 до 1681 мкг/л, жиле нижнего яруса (№3) – несколько ниже – от 439 до 700 мкг/л (табл. 2, рис. 6). Также заметно содержание марганца – его концентрация во льду жил варьирует в диапазоне от 1 до 480 мкг/л. Содержание стронция варьирует от 18 до 88 мкг/л, составляя в среднем 30-40 мкг/л. Содержание цинка не превышает 62 мкг/л, меди – 8 мкг/л, во многих образцах концентрация этих элементов ниже предела обнаружения (табл. 2, рис. 6).

Кларки элементов в гидросфере следующие: медь – 7 мкг/л, цинк – 30 мкг/л, железо – 40 мкг/л, марганец – 8 мкг/л [4, 5, 9, 10] . Среднее мировое содержание элементов в поверхностных речных водах [6] , рассчитанное по данным о содержании элементов в крупнейших реках разных материков, заметно отличается для цинка, меди и марганца, составляя: для меди – 1,48 мкг/л, марганца – 34 мкг/л, цинка – 0,60 мкг/л, а также для стронция – 60 мкг/л и для железа – 66 мкг/л.

Таблица 2. Содержание микроэлементов и тяжелых металлов в позднеплейстоценовых сингенетических повторно-жильных льдах в обнажении едомы Бизон (н – не определялось)