ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ПОЗДНЕПЛЕЙСТОЦЕН-ГОЛОЦЕНОВЫХ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ОЗЕР БАЙКАЛ И ХУБСУГУЛ КАК СПОСОБ РЕКОНСТРУКЦИИ ПАЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ

Глинистые минералы в донных озерных отложениях несут важную информацию о климате и состоянии окружающей среды во время осадконакопления. Предполагается, что в периоды похолодания преобладает эрозия, характеризующаяся поступлением грубозернистого материала, а при потеплении более интенсивными становятся процессы химического выветривания и почвообразования, в результате увеличивается количество глинистых минералов. Минеральный состав плейстоцен-голоценовых донных отложений озер Байкал и Хубсугул рассчитан методом физико-химического моделирования, что позволило на основании только химического состава оценить соотношения глинистых минералов.

Цель: Разработка модели, позволяющей реконструировать минеральный состав осад-ков на основе химико-аналитических данных. Модель применена к осадкам озер Байкал и Хубсугул, представляющих интерес для палеоклиматических реконструкций. Сопоставление осадочных разрезов озер Байкал и Хубсугул.
Задачи: Систематизация накопленного ранее материала по объектам исследования донным осадкам оз. Байкал и оз. Хубсугул, выбор наиболее перспективных для изучения интервалов керна. Изучение тематических работ по минералогии осадков оз. Байкал и оз. Хубсугул, выделение наиболее значимых для климатических реконструкций минеральных ассоциаций. Подбор списка миналов твердых растворов, необходимых для описания глинистых минералов осадков оз. Байкал и оз. Хубсугул. Формирование физико-химической модели донных осадков.

Озёрные осадки содержат непрерывную летопись климатических событий прошлого, которую можно расшифровать с высоким временным разрешением. В отличие от других индикаторов, например дендрохронологических, озёрные отложения содержат информацию не только о климатических параметрах, но и ландшафтной и геологической изменчивости окружающей среды. Это подтверждено результатами масштабных международных проектов «Байкал-бурение» и «Хубсугул-бурение». При этом если большой водосборный бассейн озера Байкал способствует изучению «усредненного» палеоклиматического сигнала, то в осадках предгорного озера Хубсугул запись климата более детальная с позиций региональных изменений.

Корректная идентификация глинистых минералов в поликомпонентных образцах осадков и осадочных горных пород представляет собой сложную задачу. Одним из эффективных методов ее решения является применение современных методов расшифровки рентгеновских дифракционных спектров. Однако применять этот метод для определения минерального состава осадочного разреза с высокой детальностью нецелесообразно: анализ дорогостоящий и продолжительный во времени. Для оценки минерального состава по всему осадочному разрезу эффективно применять методы математического моделирования. Одним из подходов к реконструкции минерального состава донных осадков по химическому является физико-химическое моделирование (ФХМ) процессов химического выветривания, протекающих в ледниковые и межледниковые периоды.

Опорными являются данные по результатам бурения в рамках международных проектов «Baikal-Hovsgol Drilling Projects» двух самых крупных озер Байкальской рифтовой зоны – Байкала и Хубсугула. Исходными данными для расчета минерального состава осадка являются их химический состав, предварительно пересчитанный на терригенную составляющую. Результаты расчета минерального состава донных отложений станции 24 (Байкал) и из скважины HDG-01-01 (Хубсугул), сопоставлены с данными рентгенофазового анализа. В модели расчета минерального состава осадков оз. Хубсугул карбонаты представлены кальцитом, Mg-кальцитами, доломитом, Са-избыточными доломитами и моногидрокальцитом.

Контрастные изменения минерального состава соответствует литологической границе 240 см. Здесь палеоклиматические записи свидетельствуют о начале потепления (13,75 тыс. лет), за которым последовал период кратковременного похолодания (12,4 тыс. лет). В голоцене, граница которого по радиоуглеродному методу отмечается на глубине 150 см, преобладал теплый климат. Этот интервал осадков характеризуется высоким содержанием глинистых минералов, иллита и иллит-смектита. Климатические изменения, установленные ранее по результатам исследования биогенного кремнезема и пыльцы в осадках скважине 24, наглядно обнаруживаются с помощью коэффициента обломочности (КО) – соотношения суммы минералов индикаторов теплого климата - иллита и иллит-смектита к сумме минералов индикаторов холодного климата - мусковита и хлорита. В расчет КО используются только слоистые силикаты, так как их поведение в процессах образования донных отложений схоже. Это позволяет сгладить изменения минерального состава осадков не связанные с колебаниями климата. Сравнение величин КО, рассчитанных по модельному минеральному составу, с содержанием SiO₂bio показали, что КО с высокой точностью обнаруживает климатические изменения, фиксируемые по биогенному кремнезему и пыльце. Все основные климатические эпизоды, записанные в голоцен-плейстоценовых донных отложениях строго согласуются с трендами КО, следовательно, этот коэффициент можно использовать как независимый критерий выявления ледниковых и межледниковых эпизодов.

Малое число проб из разреза хубсугульских осадков проанализированных рентгенофазавым анализом (РФА) не позволяет построить высокоразрешающую палеоклиматическую запись плейстоцен-голоценовых изменений в регионе. Карбонаты присутствуют повсеместно, но в голоценовых осадках это доломит, а в ледниковую эпоху это низкомагнезиальный кальцит. Несмотря на некоторые отличия модельного минерального состава от рентгенофазового анализа, изменение КО по разрезу, отражает общую тенденцию потепления климата.

Минеральный состав осадков озер Байкал и Хубсугул имеет существенные различия, но тенденция увеличения количества глинистых минералов при переходе от холодного к теплому климату сохраняется. В теплый период их количество возрастает до 60 %, одновременно доля хлоритов и мусковита в осадках снижается. Именно поэтому КО, обладает более высокой чувствительностью и позволяет проследить изменения условий выветривания в водосборных бассейнах, несмотря на различия минерального состава донных осадков озер Байкал и Хубсугул.

1. Коллектив участников проекта «Байкал-бурение». Глубоководное бурение на Байкале - основные резуль-таты // Геология и геофизика. – 2001. – т .42. – №1-2. – С. 8-35
2. Коллектив участников проекта «Хубсугул-бурение». Строение донных осадков озера Хубсугул: его связь с геологическими и климатическими факторами // Геология и геофизика. – 2007. – Т. 48. – № 11
3. Минералогические и кристаллохимические индикаторы изменений окружающей среды и климата в голо-цен-плейстоценовых осадках озера Хубсугул (Монголия) / Э. П. Солотчина [и др.] //. ДАН, 2003, т. 391, № 4
4. Солотчина Э.П. Структурный типоморфизм глинистых минералов осадочных разрезов и кор выветривания. – Новосибирск: «Гео», 2009. – 234 с.
5. Чудненко К. В. Термодинамическое моделирование в геохимии: теория, алгорит-мы, программное обеспечение, приложения / К. В. Чудненко – Новосибирск : Изд-во «Гео», 2010.

Lacustrine sediments are one of the most promising paleoclimatic studies object. Lacustrine sediments often contain a continuous chronicle of the past events, which can be decoded with high temporal resolution. Clay minerals in bottom lake sediments provide important information about the climate and the environment during sedimentation. It is assumed that in cold climatic periods erosion characterized by the arrival of coarse material dominates. The processes of chemical weathering and soil formation become intensify under warm climatic condition, resulting in a number of clay minerals increase. The Pleistocene-Holocene mineral composition of Lake Baikal and Hovsgol sediments was accounted by method of physical-chemical modeling. It allowed us to estimate ratio of clay minerals based only on the chemical composition. The mineral composition calculated allows us to discover the climatic changes during the Pleistocene (glacial and interglacial episodes) and the Holocene warming beginning. The comparison climatic episodes recorded in sedimentary sections of Baikal and Hovsgol lake makes the method of physical-chemical modeling of the mineral composition of the universal due to Hovsgol bottom sediments consist terrigenous and authigenic carbonate minerals. This minerals are reliable indicators of changes in temperature and water level in the lake.