Гидрохимический состав и редкоземельные элементы в полигонально-жильных льдах ключевых районов криолитозоны Карского региона

Abstract

Актуальность исследования. Информация о составе, льдистости и геохимических особенностях мерзлых пород необходима при освоении нефтегазоконденсатных месторождений Ямала, Гыдана и Таймыра. Среди факторов, определяющих экологию тундровых ландшафтов криолитозоны, большое значение имеют подземные льды, в том числе полигонально-жильные, и последствия их вытаивания. Гидрохимический состав и содержание редкоземельных элементов в сингенетических жилах фиксируют информацию об источниках влаги и условиях, при которых происходило их формирование. Соотношение основных ионов и распределение редкоземельных элементов в растворе может быть использовано для оценки влияния на состав льда атмосферных осадков, морских и вулканических аэрозолей, антропогенного загрязнения. Цель: выявить источники поступления химических элементов и оценить влияние типа льдовыделения на гидрохимический состав и распределение редкоземельных элементов в различных генетических типах льда - полигонально-жильном, морском, озерном и фирновом льдах. Объекты: полигонально-жильный лед, вмещающие его отложения, сезонные льды, поверхностные воды, отобранные в экспедициях ИКЗ ТюмНЦ СО РАН в 2009-2014 гг. Методы исследования химического состава: масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, атомно-абсорбционная спектрометрия, эмиссионная фотометрия, хроматография. Результаты. Установлено, что на химический состав полигонально-жильных льдов, изученных в прибрежной зоне ключевых участков о. Белый, о. Сибирякова, Западного Ямала и Западного Таймыра, имели влияние морские и континентальные аэрозоли. Сингенетические полигонально-жильные льды, пресные и ультрапресные по минерализации, сформированы при промерзании талых вод, которые содержат сорбированные снегом морские аэрозоли - взвешенные в атмосфере твердые и жидкие частицы. Полигонально-жильные льды в удаленном от моря районе оз. Сохонто не имеют признаков морского влияния по соотношению основных ионов. Полигонально-жильные льды с минеральными включениями формировались не только за счет талых снеговых вод с аэрозолями континентального происхождения, но и за счет надмерзлотных вод. В полигонально-жильных льдах выявлено увеличение содержаний лантаноидов в водорастворимой форме по сравнению с кларковыми значениями и современными поверхностными льдами. По цериевой аномалии в большинстве изученных сингенетических ледяных жил подтверждается участие морских аэрозолей. По распределениям редкоземельных элементов выявлено характерное для полигонально-жильных льдов соотношение легких и тяжелых редкоземельных элементов равное 0,9, и соотношение лантана к остальным лантаноидам, равное 0,2. Морской лед наследует минерализацию и состав морской воды. Озерный лед различается по глубине и отражает сезонное изменение гидрохимического состава при ледоставе и повышение концентрации морских аэрозолей в снеге, перекрывающем озерный лед. Фирновый лед полярного Урала имеет очень низкую минерализацию, в нем отсутствуют примеси морского аэрозоля. В полигонально-жильных льдах голоценового и неоплейстоценового возраста реализован природный механизм накопления редкоземельных элементов в водорастворимой форме в комплексе с железом, торием и иттрием. Вытаивание ледяных жил может приводить к поступлению редкоземельных элементов в поверхностные воды.

Relevance of the research. Information on composition, ice content and geochemical characteristics of frozen rocks is necessary for exploration of oil and gas condensate fields of Yamal, Gydan and Taimyr. Among the factors determining the tundra landscapes ecology of the cryolithozone, underground ice and their melting have great importance. The hydrochemical composition and rare-earth elements content in syngenetic ice wedge retain the information on the moisture sources and conditions of their formation. The main ions correlation and rare-earth elements distribution in the ice composition can be used to estimate the influence of such natural factors as precipitation, sea and volcanic aerosols and anthropogenic pollution. The main aim of the research is to identify chemical elements sources and to assess the impact of the ice type on hydrochemical composition and rare-earth elements distribution in different genetic types of ice - wedge, seasonal and firn ice. Objects: ice wedge, sediments rocks, seasonal ice, surface water, taken in expeditions Earth Cryosphere Institute, Tyumen scientific centre SB RAS in 2009-2014. Methods of chemical research: inductively coupled plasma mass spectrometry, atomic absorption spectrometry, emission photometry, chromatography. Results. It is established that marine and continental aerosols influenced the chemical composition of ice wedge studied in the coastal zone of the key areas of Belyj island, Sibiryakova island, Western Yamal and Western Taimyr. Fresh and ultrafresh syngenetic ice wedge is formed by freezing melt water, which contains snow-sorbed sea aerosols - suspended in the atmosphere solid and liquid particles. Ice wedge in the lake Sokhonto area long-distanced from the sea has no signs of marine influence according to the main ions content. Ice wedge with mineral inclusions was formed not only due to snow melt water with aerosols of continental origin, but also due to the suprapermafrost water. It was found out that lanthanide content in water-soluble form has increased in comparison with both сlark values and the content in the modern surface ice. In the most of examined syngenetic ice wedge the participation of marine aerosols is confirmed taking into account the cerium anomaly. Moreover according to the distribution of rare-earth elements the correlation between light and heavy rare-earth elements typical for ice wedge, equal to 0,9, and correlation between lanthanum and the other lanthanides, equal to 0,2, are observed. Sea ice inherits the mineralization and composition of sea water. Lake ice varies in depth and reflects seasonal changes in hydrochemical composition of ice and increases in concentration of marine aerosols in the snow covering the lake ice. Firn ice of the polar Urals has a very low mineralization, there are no impurities of sea aerosol. The natural mechanism of rare earth elements accumulation in water-soluble form in combination with iron, thorium and yttrium is implemented in ice wedge of the Holocene and Neopleistocene. Melting out ice wedge may lead to the flow of rare-earth elements in the surface water.