Представлены результаты исследований кернов донных отложений, отобранных в озере Бретьёрна, архипелаг Западный Шпицберген в 2017 г. Проанализировано 3 колонки донных отложений мощностью до 70 см. Определены возрасты осадочных горизонтов по ²¹⁰Pb, результаты верифицировали по маркеру антропогенного загрязнения - ¹³⁷Cs.

Ключевые слова: колонки донных отложений, радионуклиды, озеро Бретьёрна, Шпицберген

Природный радионуклид ²¹⁰Pb, период полураспада (T_1/2) 22.3 г., является членом цепи распада ²²⁶Ra (T_1/2 =1600 лет), который  образуется при последовательном распаде материнского изотопа ²³⁸U (T_1/2=4.5·10⁹ лет):  ²²⁶Ra (1600 лет) → ²²²Rn (3,8 сут.) → ²¹⁸Po (3,1 мин) → ²¹⁴Pb (27 мин) → ²¹⁴Bi (20 мин) → ²¹⁴Po (1.6·10^-4 с) → ²¹⁰Pb (22,3 г.). В донных отложениях ²¹⁰Pb состоит из равновесного ²¹⁰Pb, который непрерывно образуется и предположительно находится в вековом равновесии со своим исходным радионуклидом ²²⁶Ra, и неравновесного (избыточного) ²¹⁰Pb, поступающего на поверхность водных объектов и окружающую их водосборную площадь и, как следствие, в донные отложения в результате атмосферного осаждения. Неравновесный ²¹⁰Pb определяют путем вычитания из общей активности ²¹⁰Pb равновесной активности по измеренному ²²⁶Ra и использует для определения возраста осадков в бассейне седиментации. Однако по сравнению с другими изотопами, используемыми для геохронологии, например, ¹⁴C, (T_1/2=5730 лет), неравновесный ²¹⁰Pb может использоваться для определения возраста только недавних отложений, сформировавшихся в течение последних 100-120 лет [Robbins et al., 1978; Von Gunten and Moser, 1993].

Впервые радиоактивный распад неравновесного ²¹⁰Pb был использован Goldberg [1963] для датировки льда с ледника. Впоследствии Krishnaswamy et al. [1971] усовершенствовали этот метод и применили его к озерным отложениям. В течение следующих нескольких лет по мере изучения содержания ²¹⁰Pb в большом количестве профилей отложений были разработаны различные эмпирические модели с общими предположениями о скорости осаждения и других процессах, которые влияют на поведение ²¹⁰Pb в окружающей среде. В настоящее время интерес к геохронологии отложений с использованием ²¹⁰Pb не уменьшился. Современное описание неравновесного ²¹⁰Pb, используемого в качестве индикатора состояния окружающей среды и тестирование моделей его определения широко освещено в литературе [Kirchner, 2011; Pittauerova et al., 2011; Sanchez-Cabeza and Ruiz-Fernandez, 2012 Mabit et al., 2014]. Эти многочисленные исследования показывают, что, с одной стороны, датирование ²¹⁰Pb является относительно простым методом, но, с другой стороны, оно часто связано с определенными допущениями, ограничениями и проблемами, касающимися применимости моделей, анализа данных и, следовательно, интерпретации результатов.

В природе редки случаи, когда наблюдается идеальное экспоненциальное уменьшение общей удельной активности ²¹⁰Pb с глубиной, только при условии, если поток неравновесного ²¹⁰Pb на поверхность осадка постоянен и нет процессов, приводящих к его смешиванию или перераспределению [Sanchez-Cabeza, Ruiz-Fernandez, 2012]. Часто эти условия не выполняются и в вертикальных профилях отложений можно обнаружить значительные колебания содержания ²¹⁰Pb. Чтобы избежать сомнительных или неточных интерпретаций профилей ²¹⁰Pb хронология ²¹⁰Pb всегда должна подтверждаться независимыми временными маркерами (например, ¹³⁷Cs) или любыми другими доступными геохимическими индикаторами [Sanchez-Cabeza and Ruiz-Fernandez, 2012].

В настоящей статье исследованы колонки донных отложений ледникового озера Бретъёрна. Обсуждена хронология осадконакопления в разных частях озера с помощью метода датирования современных осадков по неравновесному ²¹⁰Pb_ex [Сапожников и др., 2020].

Исследованный  водоем - озеро Бретъёрна, был сформирован около 700 лет назад в результате экзарационной деятельности ледника Гренфьорд и заполнения котловины талыми водами. Современный вид озеро приобрело около 80 лет назад. Площадь водного его зеркала составляет 1,52 км2, объём – 17,5млн м3, максимальная глубина – 24 м [Кокин, Кириллова, 2017]. Озеро проточное. Из водоема вытекает река Бретъёрна. Сток регулируется в основном поступлением ледниковых талых вод. В современных климатических условиях ледник Грёнфьорд деградирует. Со времени последней аэрофотосъёмки в 1936 г. фронт ледника отступил на расстояние 2,5-3 км [Чернов, Муравьев, 2018]. Начало формирования донных отложений озера приходится на 1940-е – 1960-е гг, этот период был максимальным по потоку атмосферных выпадений радионуклидов [Матишов и др., 2011].

Материал для исследования отбирали во второй половине марта 2017 г., что соответствовало окончанию зимы. Толщина льда на озере составляла 1,7 м. Изучались керны донных отложений в разных морфологических частях озера в виде разреза (рис. 1), состоящего из трёх точек  - северная часть озера (№ 1), центр (№ 2), южная приледниковая часть (№ 3). Отбор донных отложений произведен с помощью инерционной трубки системы ГОИН с ледовой поверхности. Глубина вскрытых отложений составила 40–70 см. Радиометрический анализ в колонках выполнен послойно.

Удельную активность радионуклидов ²²⁶Ra,¹³⁷Cs и ²¹⁰Pb определяли в лаборатории Мурманского морского биологического института на спектрометре гамма- и рентгеновского излучения «b13237» (фирмы «Canberra», США).  Спектры анализировали с помощью базового программного обеспечения «Genie-2000». Измерения проводили в сосудах геометрии «банка» объемом 100 мл.  Перед измерением все исследуемые образцы осадков высушивали при температуре менее 100ºС, гомогенизировали и для предотвращения диффузии газообразного ²²²Rn из пробы оставляли на 14 дней в герметично закрытых сосудах (геометрия «банка»). Затем проводили измерение счетного образца, время измерения составляло 12-24 ч.

Для определения неравновесного ²¹⁰Pb (Pb_изб) в наших исследованиях удельная активность равновесного ²¹⁰Pb (определенная по основным линиям ²¹⁴Pb 295,2 кэВ и 351,9 кэВ после установления радиоактивного равновесия между ²²²Rn и его короткоживущими дочерними элементами) была вычтена из общего количества ²¹⁰Pb (измеренного по его γ-линии 46,5 кэВ). Удельные активности ²¹⁴Pb и ²¹⁴Bi, в свою очередь, использовались для количественной оценки содержания ²²⁶Ra в отложениях на основе равновесия, устанавливаемого между ²²⁶Ra и ²²²Rn. Равновесие было достигнуто путем герметизации образцов.

Рассчитанные на основании измерений значения Pb_изб в каждом слое исследуемых колонок донных отложений по описанному выше методу выявили закономерные снижения удельных активностей, которые описывались по экспоненциальному закону (рис. 2). Для колонки № 1 снижение описывалось уравнением 109.1e^-0.06x, R² = 0.8; колонки № 2 - y = 38.4e^-0.02x, R² = 0,7; колонки № 3 -  y = 37,3e^-0,02x,R² = 0,9. Используя полученные экспоненциальные данные были реконструированы возрасты образования слоев исследуемых колонок донных отложений. Поверхностный слой для всех колонок– дата отбора проб 31.05. 2017 г. Нижняя граница датирования колонки № 1 (северная часть озера) определена  1948 г., колонки № 2 (центр озера) - 1977 г., колонки № 3 (северная часть) - 1978 г.

Результаты измерений маркерного радионуклида ¹³⁷Сs показали, что в колонке № 1 повышенные уровни наблюдались на уровне 11-40 см (1.3-3.2 Бк/кг) - пик концентрации 1963 г. (максимум атмосферных выпадений радионуклидов в период испытаний ядерного оружия на Новой Земле). В колонке № 2 удельная активность радиоцезия возрастала в слое 60-70 см (3.0 Бк/кг) – 1977 г. и 30-50 см (1.0-1.8 Бк/кг) – 1995 г. В колонках № 2 и 3 увеличение концентрации ¹³⁷Сs отмечено только в верхних горизонтах от 5-11 см до 0 см (1.3-1.5 Бк/кг), начало роста датируется с 2015 г. по дату отбора проб.

Таким образом, полученные результаты позволили предположить, что увеличение удельной активности ¹³⁷Сs в верхних горизонтах  колонок № 2 (центр озера) и 3 (южная приледниковая часть) происходит за счет таяния льда, накопившего в период атмосферных выпадений после испытаний ядерного оружия. Данный вывод подтверждается тем, что в северной части озера  поверхностные слои колонки № 1 содержат меньше ¹³⁷Сs по сравнению с более глубокими слоями, причина этого - преимущественное осаждение взвеси из талых ледниковых вод в южной и центральной частях озера.

Работа выполнена в рамках темы государственного задания Федерального государственного бюджетного учреждения науки Мурманского морского биологического института Российской академии наук (ММБИ РАН).

ЛИТЕРАТУРА

Кокин О.В., Кириллова А.В. Реконструкция динамики ледника Грёнфьорд (Западный Шпицберген) в голоцене // Лёд и Снег. 2017. Т. 57. № 2. С. 241–252. doi:10.15356/2076-6734-2017-2-241-252

Матишов Г.Г., Матишов Д.Г., Усягина И.С., Касаткина Н.Е., Павельская Е.В. Оценка потоков ¹³⁷Сs и ⁹⁰Sr в Баренцевом море // Доклады Академии наук. 2011. Т. 439. № 6. С. 822–827.

Сапожников Ю.А. Радиоактивность окружающей среды: теория и практика [Электронный ресурс]: учебное пособие / Сапожников Ю. А., Алиев Р.А., Калмыков С.Н. - Москва: Лаборатория знаний. 2020. 287 с.

Чернов Р.А., Муравьев А.Я. Современные изменения площади ледников западной части Земли Норденшельда (архипелаг Шпицберген) // Лёд и Снег. 2018. Т. 58. № 4. С. 462-472. doi:10.15356/2076-6734-2018-4-462-472

Von Gunten, H.R., Moser, R.N. How reliable is the ²¹⁰Pb dating models? Old and new results from Switzerland // J. Paleolimnol. 1993. Vol. 9. P. 161–178.

Goldberg E.D. Geochronology with ²¹⁰Pb. Radioactive Dating. International Atomic Energy Agency, Vienna, 1963, p. 121–130.

Krishnaswamy S., Lal D., Martin J.M., Meybeck M. Geochronology of lake sediments // Earth Planet. Sci. Letters. 1971. Vol. 11. P. 407–414. doi:10.1016/0012-821X(71)90202-0

Kirchner G. ²¹⁰Pb as a tool for establishing sediment chronologies: examples of potentials and limitations of conventional dating models // J. Environ. Radioact. 2011. Vol. 102. P. 490–494. doi: 10.1016/j.jenvrad.2010.11.010

Pittauerova D., Hettwig B., Fischer H.W. Pb–210 sediment chronology: focused on supported lead // Radioprotection. 2011. Vol. 46. Is. 6. P. S277–S282. doi:10.1051/radiopro/20116666s

Sanchez-Cabeza J.A., Ruiz-Fernandez A.C. ²¹⁰Pb sediment radiochronology: an integrated formulation and classification of dating models // Geochim. Cosmochim. Acta. 2012. Vol. 82. P. 183–200. doi:10.1016/j.gca.2010.12.024

Mabit L., Benmansour M., Abril J.M., Walling D.E., Meusburger K., Iurian A.R., Bernard C., Tarjan S., Owens P.N., Blake W.H., Alewell C. Fallout ²¹⁰Pb as a soil and sediment tracer in catchment sediment budget investigations: a review // Earth-Sci. Rev. 2014. Vol. 138. P. 335–351. doi:10.1016/j.earscirev.2014.06.007

DATING OF BOTTOM SEDIMENTARY COLUMNS OF BRETJORNA LAKE (ARCHIPELAGO SPITZBERGEN) BY ²¹⁰Pb BY GAMMA SPECTROMETRY 

Usyagina I.S., Meshcheriakov N.I., Kasatkina N.E.  

Murmansk Marine Biological Institute, Russian Academy of Sciences, Murmansk, Russia 

The paper presents the results of studies of bottom sediment cores sampled in Lake Bretyerna, the Western Spitsbergen archipelago in 2017. Three columns of bottom sediments up to 70 cm thick were analyzed. The ages of sedimentary horizons were determined by ²¹⁰Pb, the results were verified by the marker of anthropogenic pollution - ¹³⁷Cs.

Keywords: columns of bottom sediments, radionuclides, Bretjorna lake, Svalbard

Ссылка на статью: