ISOTOPIC COMPOSITION OF POLYGONAL TUNDRA ICE IN THE NORTHEASTERN RUSSIA

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.118.4.092

ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ЛЬДОВ ПОЛИГОНАЛЬНОЙ ТУНДРЫ НА СЕВЕРО-ВОСТОКЕ РОССИИ

Научная статья

Петров Р.Е.^{1, *}, Карсанаев С.В.², Максимов Т.Х.³

¹ ORCID: 0000-0002-6877-3902;

^{1, 2, 3} Институт биологических проблем криолитозоны «ЯНЦ СО РАН», Якутск, Россия

^* Корреспондирующий автор (pre2003[at]mail.ru)

Аннотация

Прогнозируемое повышение средней температуры воздуха в Арктике приведет к изменениям режима атмосферных осадков и уровня грунтовых и поверхностных вод, что отразится на формировании льдов верхнего однометрового слоя многолетней мерзлоты. Изучение соотношения стабильных изотопов указывает на источники формирования льдов сезонно-талого слоя и максимальную глубину оттаивания многолетнемерзлых пород. Сезонно-талый слой играет важную роль в формировании растительного покрова. Образцы из морозобойных трещин, формирующих повторно-жильные льды имели минимальное значение δ¹⁸О (-28‰). Богатые органическими веществами образцы из концентрического понижения полигона показали максимальное значение δ¹⁸О равное -19‰. Источником воды в низинах между полигонами были талые воды, которые проникали в морозобойные трещины весной. Источником льда многолетнемерзлых пород в центрах полигонов выступали речные и дождевые воды.

Ключевые слова: многолетняя мерзлота, соотношение стабильных изотопов, δ¹⁸О, сезонно-талый слой, повторно-жильные льды.

ISOTOPIC COMPOSITION OF POLYGONAL TUNDRA ICE IN THE NORTHEASTERN RUSSIA

Research article

Petrov R.E.^1, *, Karsanaev S.V.², Maksimov T.Kh.³

¹ ORCID: 0000-0002-6877-3902;

^{1, 2, 3} Institute of Biological Problems of Cryolithozone “The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”, Yakutsk, Russia

^* Corresponding author (pre2003[at]mail.ru)

Abstract

The predicted increase in the average air temperature in the Arctic will lead to changes in the precipitation regime and the level of ground and surface waters, which will affect the formation of ice in the upper one-meter layer of permafrost. The study of the ratio of stable isotopes indicates the sources of the formation of ice of the seasonal thaw depth and the maximum depth of thawing of permafrost. The seasonal thaw depth plays an important role in the formation of vegetation cover. Samples from frost-breaking cracks forming re-vein ice had a minimum value of δ18 ^O (-28%). Organic-rich samples from the concentric lowering of the polygon showed a maximum value ^of δ18O equal to -19%. The source of water in the lowlands between the polygons was meltwater, which penetrated into the frost fractures in the spring. The source of ice of permafrost in the centers of the polygons were river and rainwater.

Keywords: permafrost, stable isotope ratio, δ18Oh, seasonal thaw depth, re-vein ice.

Введение

Прогнозируемое повышение температуры воздуха в Арктике приведет к деградации многолетней мерзлоты в этом регионе, что послужит причиной ускорения процессов разложения органического вещества и высвобождения углекислого газа из сезонно-талого слоя почвы [1]. Данное увеличение эмиссии углерода из тундровых экосистем неравномерно и зависит от микрорельефа местности, льдистости многолетнемерзлых пород и видового состава растительных биоценозов [2].

Исследование объемного содержания льда и соотношение стабильных изотопов воды многолетнемерзлых пород, необходимо для понимания возможных последствий оттаивания верхнего однометрового горизонта многолетнемерзлых пород в типичных тундровых биогеоценозах Северо-Восточной Якутии [3]. Эти характеристики определяют объем термокарстовых процессов и контролируют гидрологический режим многолетней мерзлоты и, следовательно, изменение растительного покрова в районах высоких широт; они также дают информацию об изменении гидрологического режима [2].

Пространственное и временное распределение растительного покрова и геокриологических характеристик льдонасыщенной и богатой органическим веществом многолетней мерзлоты крайне важно в изучении потоков парниковых газов. Несколько работ, посвященных количественной оценке объемного содержания подземного льда в репрезентативных тундровых экосистемах, были проведены на Аляске [4], в Канаде [5], [6] и Сибири [7]. Геокриологические характеристики, такие как криостратиграфия и соотношение стабильных изотопов в повторно-жильных льдах, позволили получить информацию об условиях замерзания и палеоклиматических условиях, при которых были сформированы стратиграфические структуры кернов [8]. Соотношение стабильных изотопов позволяет реконструировать среднюю температуру зимы в период образования повторно-жильных льдов и определить источник воды, что важно для понимания функционирования растительного покрова тундры [2].

Методы и принципы исследования

Исследование многолетней мерзлоты велось в 2011-2013 г., на территории Аллаиховского улуса (Республика Саха (Якутия)) на участке Бойдом (В) (70°38’15”с.ш. 148°09’17”в.д.), который характеризовался наличием полигонального рельефа. Глубина активного слоя варьировалась от 14 см на буграх и до 35 см в центре полигона. По условиям увлажнения участок условно был разделен на сухие (B1, B4, B6) и увлажненные (B2, B3, B5) точки отбора проб (см. рисунок 1).

Рис. 1 – Схема точек отбора кернов многолетней мерзлоты с учетом микрорельефа местности.

Растительный покров на сухих участках был представлен кустарниками (Betula nana subsp. Exilis, Salix Pulchra), кустарничками (Vaccinium Vitis-Idaea, Vaccinium uliginosum, Ledum polustre), мхами и лишайниками (Aulacomnium turgidum, Hylocomium splenders var. alaskanum, Cetraria cucullata). На увлажненных участках доминировали: пушица (Eriophorum vaginatum), осока (Carex Stans) и мхи (Aulacomnium turgidum, Hyloсomium splendens, Sphagnum Balticum и т.д.).

Почвенные керны диаметром 5-7,6 см были отобраны c шести участков в трех проворностях, на глубины до 3 м с помощью бензинового мотобура Earth auger TIA-350S (Tanaka, Япония). Керны были поделены на отрезки длиной 5-15 см. Каждый образец обтянули полиэтиленовой стрейч-пленкой и поместили в двойную герметичную полиэтиленовую упаковку. Впоследствии образцы были разморожены в запечатанных пакетах при комнатной температуре (18-20 °С). Талую воду использовали для последующего изотопного анализа. Вода из почвенных образцов, содержащих недостаточное количество воды, была извлечена с помощью центрифуги. Речную воду отбирали во время транспортировки между участками.

Изотопный состав воды был проанализирован равновесным методом CO₂/H₂/H₂О на изотопном анализаторе Delta V (Thermo Fisher Scientific, Германия) в Университете Хоккайдо, Япония. Эти данные были выражены в виде значения δD и δ¹⁸O, определенного как δ образца (‰) = (R образца / RVSMOW – 1) х 1000, где R – это отношение изотопов воды (D/H и 18O/¹⁶О), а индекс VSMOW относился к стандарту (т.е. Vienna Standard Mean Ocean Water – Венская стандартная усредненная океаническая вода). Аналитические ошибки для всей процедуры были в пределах 2% и 0,2% для δD и δ¹⁸O, соответственно. Избыток дейтерия (d-эксцесс) вычислен как d-эксцесс = δD – 8 х δ¹⁸O, который является показателем неравновесности процессов, таких как испарение [9].

Основные результаты

Объемное содержание льда в образцах составляло 60-95% с большой вариативностью с глубиной до 1,5 м. Образцы из сухих точек (B1, B4, и B6) были ненасыщенными водой, что было благоприятно для произрастания карликовых берез, густо разросшихся на валиках между соседними полигонами.

Образцы в точке B2 были отобраны из обводненной области концентрического понижения внутри полигона. Керны характеризовались наличием органического вещества, что отражалось в высокой потере веса при прокаливании до 0.3 г/г. Наличие мощного слоя погруженного мха, обуславливало формирование торфяного слоя в керне. Керны с точки B3 имели вертикальное расслоение и бесчисленное множество пузырьков воздуха, что указывало на морозобойное происхождение подземных льдов. Образцы с низким содержанием льда из сухих областей (В1, В4 и В6), в основном имели непараллельно слоистую или линзовидную структуру с мелкими (< 1 мм), тонкими (до 5 мм), умеренными (5-10 мм) и толстыми (> 10 мм) линзами льда.

Вертикальные профили соотношения стабильного изотопа кислорода в образцах были различными, что отражалось в растительном покрове. Значения δ¹⁸О образцов в местах с доминированием карликовой березы (B1, B4, B5 и B6) были в диапазоне от -19‰ до -27‰. Почвенный профиль, полученный на В3, показал минимальное значение δ¹⁸О (около -28‰), что характерно для ледяных жил, образовавшихся из талых снежных вод весной. Значения в профиле B2 с наличием водолюбивых видов были самыми высокими (около -19‰) (см. рисунок 2).

Рис. 2 – Профили соотношения стабильного изотопа кислорода, избытка дейтерия, объемного содержания воды, потери при прокаливании и гранулометрического распределения на участке В

Примечание: буквы указывают на характеристику мест отбора проб: высокие сухие участки (валики) (Н), увлажненные концентрические депрессии (L) и участки с наличием повторно-жильного льда (I). Заштрихованная область в верхней части графиков указывает на среднюю глубину оттаивания в момент отбора проб. Графики отражают следующие параметры кернов: содержание изотопов кислорода; d-excess – излишек дейтерия, для определения происхождения воды льда; объемное содержание льда в образцах; LOI - потери при прокаливании/сжигании образцов; распределение частиц в образцах по размерам с глубиной

Значения δ¹⁸О близкие к -28‰ также были найдены, в ледовом комплексе едома на острове Большой Ляховский, в 350 км к северо-востоку от Чокурдаха [10]. Следует отметить, что возраст повторно-жильного льда в этом исследовании, относится к позднему голоцену, а льды едомы, по Мейеру с соавторами (2002), датированы концом плейстоцена. Источником подземного льда в В2 предположительно являлись талые воды от таяния снега, как и в повторно-жильных льдах, т.к. точка отбора проб была расположена в низине, где скапливалась талая и дождевая вода. Тем не менее, отношения стабильных изотопов на участках B2 и B3 отчетливо различались и указывали на совершенно разные источники происхождения подземного льда. Было доказано, что происхождение воды В2 было дождевое или речное. Так как большинство значений избытка дейтерия из образцов участка В располагались около мировой метеорологической линии воды (GMWL), в то время как значения на уровне B2 показали заметное отличие от GMWL (см. рисунок 3). Это указывает на то, что источник воды образцов В2 подвергался испарению.

Рис. 3 – Соотношение изотопов грунтовых вод/льда на участке B

В таблице 1 обобщена статистическая информация по изотопам кислорода (δ¹⁸О) водорода (δD) и избытку дейтерия в почвенной воде и речной воде: в верхнем активном (0-0,5 м), нижнем слое многолетней мерзлоты в местах проведения исследований и в повторно-жильных льдах. Как видно из таблицы 1 средние значения δ¹⁸О и δD из нижних слоев многолетней мерзлоты (> 0,5 м) были ниже, чем из верхних слоев. Значения δ¹⁸О и δD речной воды были близки к таковым во льдах сезонно-талого.

Таблица 1 – Сводная таблица изотопного анализа льда

Участок	Кол-во	Глубина (м)	d18О (%)				dD (%)				d-excess (%)
			Мин	Ср,	Макс	Откл	Мин	Ср,	Макс	Откл	Мин	Ср,	Макс	Откл
Бойдом (В)	10	СТС(0-0,5)	-23,4	-22	-19,7	1,2	-171	-160	-147	8	10,6	13,2	18,9	2,7
	34	ММП(>0,5)	-25,4	-23	-19,1	1,6	-196	-175	-157	11	-7,4	14,6	14,6	4,4
	13	ПЖЛ(В3)	-29,6	-28	-26,8	1	-224	-215	-204	6	6,4	15,9	15,9	2,5
Речная вода	20	–	-21,4	-21	-19,9	0,4	-164	-162	-155	2	2,2	4,5	7,3	1,3

Профили δ¹⁸О показали определенные изменения с глубиной, которые иллюстрируют глубокое протаивание многолетнемерзлых пород (В2, В3, В4). Увеличение мощности сезонно-талого слоя осенью позволяет атмосферным осадкам проникать глубже. Поэтому было ожидаемо некоторое несоответствие в составе стабильных изотопов воды в образцах. Состав стабильных изотопов воды дает информацию о формировании источников подземного льда и, процессах испарения талых вод.

Выводы

1. Общее среднее содержание льда в пойменной зоне за исключением повторно-жильного льда составляло 75%, что сравнимо с приповерхностным объемным содержанием льда почвы (благодаря порам и сегрегационному льду) на прибрежной равнине или дренированных-озерных бассейнов моря Бофорта, на побережье Аляски (около 80%).
2. Растительный покров предопределяло мощность слоя органического вещества в кернах и глубину протаивания сезонно-талого слоя. Так образцы из точки В3 включали большое количество торфяных и растительных останков и показывали высокую потерю веса при прокаливании (0,1-0,3 г/г). Смежные образцы с того же участка (В2) показывали вертикальное расслоение из-за множества включений пузырьков воздуха, указывавшего на морозобойное происхождение подземных льдов.
3. В верхнем 1-метровом слое почвы значения δ¹⁸О были в пределах от -20‰ до -25‰, а значения избытка дейтерия –около 10‰, что является общей чертой соотношения стабильных изотопов подземного льда в засушливых районах.
4. Формирование льда на участке B происходило следующим образом: верхние 1,5 м от богатого льдом грунта сформированы сингенетично с наводнениями неизвестной частоты, участки концентрических полигонов преимущественно держали паводковые воды, которые впоследствии были включены в многолетнюю мерзлоту, в то время как более высокие области, такие как края полигонов, могут хранить намного меньше паводковых вод и преобладающий состав воды может происходить от осадков в летний период. С другой стороны, морозобойные трещины, образовавшиеся в зимний период, были заполнены водой от таяния снега и заморожены до сезона затопления. Существует и другая вероятность, что B2 был частью прежней морозобойной трещины, свободной от наполнения талых вод по какой-то причине, и потоки воды залили полость вокруг участка В2, превратив лед участка B2 в отличный от других.
5. При глобальном изменении климата неоценима стабилизирующая роль растительного покрова на мощность сезонно-талого слоя. Наличие ледяных линз и многочисленных пузырьков воздуха, указывает на возможность интенсивных термокарстовых процессов от таяния многолетней мерзлоты.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Geocryological characteristics of the upper permafrost in a tundra–forest transition of the Indigirka River Valley, Russia / S. Takano, R.E. Petrov, S. Tei et al. // Polar Science. – 2014. – V.8. – I. 2. – P. 96-113.
2. Van Huissteden J. Thawing permafrost: Permafrost carbon in a warming Arctic / J. Van Huissteden // Cham, Switzerland: springer nature. – 2020. – P. 179-274.
3. Recent air temperature changes in the permafrost landscapes of northeastern Eurasia / R.N. Ivanova, H. Park, T. Hiyama et al. // Polar Science. – 2014. – V. 8. – I. 2. – P. 114-128.
4. Ground ice in the upper permafrost of the Beaufort Sea coast of Alaska / Y. Shur, M. T. Jorgenson, C. L. Ping et al. // Cold Regions Science and Technology. – 2013. – V. 85. – P. 56-70.
5. Morse P. D. Near–surface ground–icedistribution, Kendall island bird sanctuary, western Arctic coast, Canada / D. Morse, C. R. Burn, S. V. Kokelj // Permafrost Periglacial Process. – 2009. – V. 20. – I. 2. – P. 155-171.
6. Michel F.A. Isotope characterization of ground ice in Northern Canada / F. A. Michel // Permafrost Periglacial Process. – 2011. – V. 22. – I. 1. – P. 3-12.
7. Strauss J. Grain–size properties and organic–carbonstock of yedoma ice complex permafrost from the Kolyma / L. Schirrmeister, S. Wetterich, A. Borchers, et al. // Global Biogeochemical Cycles. – 2012. – V. 26. – I. 3. – A. GB3003. – 12 pp.
8. Vaikmae R. Oxygen isotopes in permafrost and ground ice-a new tool for paleoclimatic investigations / R. Vaikmae // In 5th Working Meeting Isotopes in Nature, Proceedings, Leipzig, Germany. – 1989. – P. 543-553.
9. Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation / W. Dansgaard // Tellus. – 1964. – V. 16. – I. 4. – P. 436-468.
10. Palaeoclimate reconstruction on Big Lyakhovsky Island, north Siberia e hydrogen and oxygen isotopes in ice wedges. / H. Meyer, A. Dereviagin, , C. Siegert, et al. // Permafrost Periglacial Process. – 2002. – 13 (2). – pp. 91-105.