Изотопный состав сезонных клиньев повторно-жильного льда и слоя глубинной изморози в Центральной Якутии

УДК 551.345+550.42

Изотопный состав сезонных клиньев повторно-жильного льда и слоя глубинной изморози в Центральной Якутии

И.И. Сыромятников, В.В. Куницкий, X. Мейер, А.Ю. Деревягин

Рассматриваются результаты исследования стабильных изотопов кислорода и водорода в сезонных клиньях повторно-жильного льда и снежном покрове. Делается вывод о зависимости изотопных характеристик талых вод от степени метаморфизма снега и о заметном утяжелении его изотопного состава со временем в нижней части снежного покрова, контактирующей с мерзлым грунтом, который является средой образования сезонных прожилков подземного льда.

This paper reviews the results of researches of stable isotopes of oxygen and hydrogen in seasonal veins of ice wedges and snow cover. It also draws a conclusion concerning dependency of isotopic characteristics of thawed waters on a degree of metamorphism of snow and concerning a noticeable weighting of isotopic composition with time in lower part ofsnow cover that is in contact with frozen soil, which is a medium for seasonal underground ice veins formation.

Введение. Клинья повторно-жильного льда имеются в строении широко распространенных в области многолетней мерзлоты криолитогенных отложений. Согласно трещинной гипотезе, ископаемые скопления такого льда состоят из его сезонных (элементарных) прожилков, образующихся на месте морозобойных трещин в мерзлом грунте. Считают, что изотопный состав льда этих скоплений зависит от климатической обстановки их формирования. Однако сезонные тела повторно-жильного льда пока что слабо изучены в отношении их изотопных характеристик. Это связано в значительной мере с тем, что до сих пор имеется мало данных о строении снежного покрова и об изотопном составе снега, талые воды которого являются одним из источников формирования сезонных клиньев подземного льда.

Изучение структуры снежного покрова и определение некоторых характеристик изотопного состава снега в криогенном ландшафте территории Центральной Якутии проводилось авторами этой статьи.

Район исследований. Участок, выбранный для изучения структуры и состава снежного покрова, располагается на левобережье р.Лены в границах Приленского плато. Расстояние от него до г.Якутска составляет 22 км. Этот водораздельный участок, по которому проходит автомобильная дорога «Якутск -Вилюйск», характеризуется по-

СЫРОМЯТНИКОВ Игорь Иннокентьевич, м.н.с. ИМЗ СО РАН; КУНИЦКИЙ Виктор Владимирович, к.г.н., зав. лаб. ИМЗ СО РАН; ХАННО Мейер (Hanno Meyer), зав. лаб. Института полярных и морских исследований им. А.Вегенера, Потсдамский отдел, доктор наук;

ДЕРЕВЯГИН Александр Юрьевич, к.г.н., геол. ф-т МГУ 88 _

чти горизонтальной поверхностью с отметками абсолютной высоты около 250 м. Господствующим типом растительности здесь является лиственнич-но-сосновый лес, произрастающий на мерзлотно-таежных почвах преимущественно песчаного состава.

Климатические условия района исследований определяются его положением в континентальной восточно-сибирской области умеренного пояса [1]. В северной части этой области, где проводились наши исследования, суммарная величина солнечной радиации, приходящейся на один квадратный метр земной поверхности, составляет в год не менее 3350 МДж. Сумма температур воздуха выше 10°С находится в интервале 800-1100°С. Средняя годовая разность атмосферных осадков и испаряемости составляет около 200 мм. По данным метеостанции Якутск, средняя месячная температура воздуха в июле равна 18,7°С [2]. Средняя месячная температура воздуха в январе составляет минус 43,2°С. Средняя годовая температура воздуха имеет значение около минус 10°С (табл. 1).

Таблица 1

Средняя месячная и годовая температура воздуха (°С), по данным метеостанций [2]

Количество выпадающих в районе Якутска атмосферных осадков изменяется от года к году в достаточно широком диапазоне. Так, это количество в 1954 г. было равно 164, а в 1970 г. достигало 288 мм [3]. По данным метеостанции Якутск, сред-

Станция I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год

Якутск -43,2 -35,9 -22,2 -7,4 5,7 15,4 18,7 14,8 6,2 -7,9 -28,0 -39,8 -10,3

Маган -41,7 -33,3 -19,8 -7,5 4,9 14,8 18,0 14,1 5,7 -8,0 -27,4 -38,4 -9,9

СЫРОМЯТНИКОВ, куиицкий, меЛер, дерезягин

нее количество осадков, приведенное к показаниям осадкомера, составляет в год 202 мм (табл. 2).

Среднее количество осадков, приведенное к показаниям осадкомера (мм), по данным метеостанций [2]

Таблица 2

Станция I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год

Якутск 7 6 4 8 15 29 39 38 22 15 11 8 202

Маган 6 5 4 7 15 28 39 38 22 14 11 8 197

До половины годовой суммы осадков, увлажняющих территорию Центральной Якутии, приходится на осадки в твердом виде. Устойчивый снежный покров здесь формируется в октябре. Характер этого покрова зависит от количества и сухости выпадающего зимой снега [3,4]. Обычно снежный покров медленно нарастает в течение зимы, достигает наибольшей высоты (30-40 см) к концу февраля и почти до конца марта сохраняется на этом уровне. Период со снежным покровом охватывает в среднем 205-215 дней в году. Средняя плотность снега в этом покрове составляет в начале зимы 0,12-0,14, в середине зимы - 0,15-0,16, в конце зимы '.22-0,25 г/см3. Ранней зимой значения температуры снега на разных уровнях по разрезу снежного покрова остаются почти одинаковыми. В середине зимы, когда приближается к своему максимуму высота снежного покрова, перепады температуры по его разрезу увеличиваются до 0,5-1° на 1 см. Это вызывает активизацию процессов метаморфизма снега. Интенсивная перекристаллизация приводит к расслоению снежного покрова и появлению в его основании выдержанного слоя глубинной изморози. В ноябре толщина этого слоя составляет 30-40% высоты снежного покрова. В декабре слой глубинной изморози достигает 70-90% высоты снежного покрова. В январе-марте толщина слоя глубинной изморози существенно не увеличивается, хотя в это время снежный покров характеризуется значительными по вертикали перепадами температуры. Выравнивание температуры по разрезу снежного покрова происходит в конце зимы.

Весной на ранних стадиях снеготаяния температура поверхностных слоев снежного покрова бывает иногда выше температуры его нижних слоев [3]. Большая роль в таянии снега отводится радиационному нагреванию исследуемой территории. Проникновение солнечных лучей сквозь тонкий покров снега обеспечивает местами таяние его нижних слоев при отрицательных значениях температуры воздуха. Однако интенсивное таяние снежного покрова наступает в мае, когда устанав-

ливается положительная средняя суточная температура воздуха.

Формирование и разрушение снежного покрова оказывает заметное влияние на ход процессов сезонного промерзания и оттаивания почв. По имеющимся данным, начало образования снежного покрова в рассматриваемом ландшафте и на территории смежных мерзлотных ландшафтов Якутии обычно не совпадает с началом сезонного промерзания подстилающего грунта. Процессы сезонного промерзания начинаются, как правило, несколько раньше срока установления устойчивого снежного покрова. Малоснежный осенне-зимний период промерзания почво-грунтов характеризуется появлением в них множества морозобойных трещин. Такие трещины, разрывающие деятельный (сезон-нопротаивающий) слой грунта, служат местами роста сезонных тел повторно-жильного льда.

Методика исследований. Особенности строения снежного покрова и некоторые изотопные характеристики снега изучались с применением стандартных методов, апробированных в гляциологии и геокриологии [4-7]. Профили (разновременные разрезы) снежного покрова задавались по мере нарастания его высоты в холодный сезон. Опробование проводилось ежемесячно по отдельным слоям снежного покрова, отличающимся структурой снега. Всего в течение зимы 2001-2002 гг. было отобрано 75 проб из снега. В весенний период 2002 г. было взято 5 проб из сезонных клиньев льда. Такие льды находились в морозобойных трещинах сезоннопро-таивающего слоя грунта. Объем каждой пробы в пересчете на талую воду составлял 40-60 миллилитров.

Аналитическая обработка этих проб проводилась в изотопной лаборатории Потсдамского отделения Института полярных и морских исследований им. Альфреда Вегенера. Содержание стабильных изотопов кислорода и водорода в каждой пробе измерялось с помощью масс-спектрометра марки Финниган Дельта-С (Ртг^ап Бека-в). Отношение содержания изотопов дейтерия к содержанию изотопов протия (Э/'Н) и отношение содержания изотопов тяжелого кислорода к содержанию изотопов легкого кислорода (180/160) определялись для каждой пробы по сравнению с теми же изотопными отношениями в «стандарте средней океанической воды» (8МО\¥) и выражались соответственно величинами 50 и 5180 в промилле (%о).

л т

2

0

то

1

ю

>ч

я

40

30

20

10

10

20

30

40

8 0 (0/00 уэ. БМ0\Л/) -40 -30 -20

Ш

-300

-250 -200

1 А А А А V

2 >111 3 4 5

Рис. 1. Схематический профиль снежного покрова и годового прожилка повторно-жильного льда со средними значениями изотопного состава: 1 - свежевыпавший снег; 2 - мелкозернистый сухой снег; 3 - глубинная изморозь; 4 - травяной покров; 5 - сезонный прожилок подземного льда; 6 - сезоннопротаивающий слой грунта

Результаты и обсуждение. В условиях относительно теплой зимы 2001-2002 гг. разрез устойчивого снежного покрова состоял из нескольких слоев (рис. 1).

В основании снежного покрова залегал слой глубинной изморози, состоящий из ледяных зерен и их сростков. Размеры отдельных ледяных зерен достигали 2 мм. Сростки ледяных кристаллов создавали своеобразную «волокнистую» структуру слоя [8]. Подобные сростки имели вертикальную ориентировку и были особенно хорошо видны в нижней части снежного покрова на его контакте с травой. Кровля слоя глубинной изморози была нечеткой, и он постепенно переходил в слой мелкозернистого снега. Тонкий слой свежевыпавшего снега венчал исследуемые разрезы.

Снежный покров по разрезам, относящимся к разным срокам зимы 2001-2002 гг., имел сходное строение. Структурные различия приведенных разрезов сводились в основном к неодинаковому соотношению в них толщины слоев глубинной изморози, мелкозернистого снега и свежевыпавшего снега.

После таяния снежного покрова в морозобой-90 _

ных трещинах были зафиксированы годовые прожилки повторно-жильного льда. Такие прожилки имели клиновидную форму и часто содержали в себе растительные и минеральные частицы. Толщина этих ледяных образований составляла не более 2 см в верхней части, а на глубине 30-40 см они выклинивались. Очевидно, что опробованнце нами сезонные прожилки подземного льда были сформированы в зимний период 2001-2002 гг., так как образовались они в пределах сезоннопротаи-вающего слоя грунта.

Изменения изотопных характеристик снега и глубинной изморози по вертикали подчиняются общей закономерности, которая состоит в том, что нижние слои снежного покрова, представленные образованием глубинной изморози, имеют более тяжелый изотопный состав, чем верхние слои исследуемого покрова (рис. 1). Подобную закономерность можно объяснить тем, что при сублимации снега в глубинную изморозь происходит процесс метаморфизации, который приводит к фракционированию. В результате этого изотопный состав глубинной изморози обогащается тяжелыми молекулами кислорода и водорода (табл. 3).

СЫРОМЯТНИКОВ, КУНИЩИЙ, МЕЙЕР, ДЕРЕВЯГИН

Таблица 3

Средние значения 5™0 и 50 снежного покрова и сезонных клиньев повторно-жильного льда

5180

Свежевыпавший снег -35,6 -270.7

Верхние слои снежного покрова -34,7 -264,4

Глубинная изморозь -27,9 -210,6

Сезонные клинья повторно-жильного льда -26,6 -206,7

Исследование изотопного состава снежного покрова и годовых прожилков подземного льда показали, что величины содержания 5180 и 8Б во льду из морозобойных трещин и глубинной изморози имеют близкие значения (рис. 2).

Таким образом, проведенные исследования стабильных изотопов кислорода и водорода в снежном покрове и в сезонных клиньях повторно-жиль-

ного льда свидетельствуют о том, что основным источником питания формирующихся жилок подземного льда является горизонт глубинной изморози.

Авторы выражают благодарность Н.Ф. Федосееву, старшему научному сотруднику ИМЗ СО РАН, за помощь в проведении полевых исследований по данному проекту.

б18о {%<)

-60 -50 -40 -30 -20 -10

GMWL .

50 0

-50 -100 -150

-200 SO (%.}

-250

-300

-350

-400

-450

• свежевыпавший снег »верхняя и средняя части снежного покрова "глубинная изморозь А годовой прожило к льда

Рис. 2. Данные изотопного состава снежного покрова и годовых прожилок подземного льда

Литература

1. Атлас СССР. М.: ГУГК, 1984. 260 с.

2. Справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1966. Вып. 24. Ч. II. 398 с.

3. Гаврилова М.К. Климат Центральной Якутии. Якутск: Якутское книжное изд-во, 1973. 119 с.

4. Арэ А.Л. Снежный покров Центральной Якутии, особенности его радиационного режима // Теплообмен в мерзлотных ландшафтах. Якутск: Институт мерзлотоведения СО АН СССР, 1978. С. 30-42.

5. Васильчук Ю.К., Котляков В.М. Основы изотоп-

ной геокриологии и гляциологии. М.: Издательство Московского университета, 2000. 616 с.

6. Котляков В.М., Гордиенко Ф.Г. Изотопная и геохимическая гляциология. JL: Гидрометеорологическое издательство, 1982. 288 с.

7. Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation // Tellus. 1964. Vol. 16. N. 4. P. 436-468.

8. Арэ A.JI. Испарение и эволюция снежного покрова в окрестностях Якутска // Экспериментальные исследования процессов теплообмена в мерзлых горных породах. М.: Наука, 1972. С. 160-167.