Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геохимия современных донных осадков озера Байкал

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Автореферат диссертации по теме "Геохимия современных донных осадков озера Байкал"

Ffu 0/4

На правах рукописи

ГВОЗДКОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

УДК 551.4:552.5(571.53,Байкал)

ГЕОХИМИЯ СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ Специальность 04.00.02 - Геохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Иркутск, 1998 г. -

Работа выполнена в Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН. Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор геолого-минералогических наук, М.И. КУЗЬМИН (Институт геохимии СО РАН, г. Иркутск)

Официальные оппоненты: доктор географических наук И.Б.МИЗАНДРОНЦЕВ

(Лимнологический институт СО РАН, г. Иркутск), кандидат геолого-минералогических наук, В.А. БЫЧИНСКИЙ (Институт геохимии СО РАН, г. Иркутск). Ведущая организация: Институт земной коры СО РАН, (г. Иркутск).

Защита диссертации состоится " 7_" октября 1998 г. в 15 00 на заседании Диссертационного Совета (Д.002.19.01) по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук по специальности "геохимия" и "геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых" при Институте геохимии им. А.П.Виноградова СО РАН.

Адрес: 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского 1 А".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геохимии им А.П.Виноградова СО РАН по адресу: г. Иркутск, ул. Фаворского, д. 1 "А"

Автореферат разослан " " сентября 4997 г

Ученый секретарь Диссертационного совета канд. геолого-минералогических наук

Т. /Се^л^у1—- Г.П.Королева

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Байкал - один из крупнейших континентальных седиментаци-онных бассейнов обладает рядом специфических особенностей, отличающих его от других пресноводных озер. В полной мере это относится и к геохимическим особенностям донных осадков озера.

Особую актуальность изучение геохимии современных донных осадков определяет то обстоятельство, что элементный состав является потенциально полезным источником информации о палеокпиматах, тем более, что палеокпиматическая значимость этого подхода пока не подтверждена на практике (Research protocol for PALE, 1993). Последнее обстоятельство определяет особый интерес к изучению распределения элементов и геохимических параметров в разрезе слоя донных осадков образовавшихся в течение периода, охватывающего последнюю тысячу лет, характеризующегося достоверно зафиксированными, хотя и малоконтрастными изменениями климатического режима (Хотинский, 1984, Белова, 1985). Это позволяет среди широкого круга химических элементов и геохимических параметров донных осадков выделить индикаторы изменения условий осадконакопления.

Цель исследований- установить закономерности в пространственном распределении неорганических компонентов в современном слое донных осадков оз. Байкал, выявить определяющие их причины, и выделить геохимические индикаторы изменений условий осадконакопления.

Основные задачи исследований. К основным задачам исследования относятся: 1) выявление геохимических особенностей современных донных осадков как в целом, так и их основных лигологических разновидностей; 2) сравнительная геохимическая характеристика донных осадков основных ландшафтно-морфологических единиц озера; 3) оценка влияния состава пород водосборного бассейна на состав современных донных осадков; 4) геохимическая классификация донных осадков; 5) характеристика распределения неорганических компонентов в разрезе современного слоя донных осадков оз. Байкал, и выделение индикаторов изменения условий осадконакопления.

Научная новизна работы. Впервые выполнено комплексное геохимическое исследование современных донных осадков озера Байкал по широкому кругу неорганических компонентов и выявлены основные закономерности их пространственного

распределения. Получена геохимическая характеристика основных литологических разновидностей донных осадков. Рассчитан средний состав современных донных осадков оз. Байкал и проведено его геохимическое сравнение с донными осадками седимектационных систем различного ранга. Впервые построена полиэлементная геохимическая карта донных осадков для оз. Байкал, на основе которой проведена геохимическая классификация современных донных осадков. Сделан вывод о пригодности ряда неорганических геохимических параметров донных осадков для реконструкции изменения условий осадконакопления в оз.Байкал.

Защищаемые положения 1. Современные донные осадки основных ландшафт-но-морфологических единиц оз.Байкал, различающихся по условиям осадконакопления (составу пород источников сноса, интенсивностью процессов биоседиментации, структуре водного стока), близки по петрохимическим и геохимическим характеристикам. Пространственные изменения в химическом составе донных осадков определяются механической дифференциацией терригенного обломочного материала и гомогенизацией его тонких фракций при переносе системой постоянных течений.

2. Процессы раннего диагенеза не оказывают значительного влияния на распределение породообразующих элементов, за исключением Мп, Р, Б и некоторых редких элементов (Мо, Сс),Си).

3. Распределение породообразующих и редких элементов в разрезе современного слоя осадков контролируется рядом факторов, из которых главная роль принадлежит изменению динамики эрозинных процессов в водосборном бассейне и как его следствие- темпов терригенной седиментации.

4. Распределение в вертикальном разрезе донных осадков петрохимических модулей (НМ, ММ, ТМ) является индикатором изменения интенсивности поступления осадочного материала.

Практическая значимость работы. Выполненные автором исследования используются для реконструкции изменений условий осадконакопления , а также могут применяться для разработки методики геохимического картирования и мониторинга донных осадков оз. Байкал.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Международных симпозиумах по геохимическим методам поисков (ЧСФР, 1990; Иркутск, 1994), Совещании по проекту "Байкал-бурение" (США, 1990) и программы

"Глубоководная экология, палеолимнология и геодинамика оз. Байкал" (Иркутск, 1991), Международного совещания "Байкал- природная лаборатория..." (Иркутск, 1994) и на 4-ой конференции молодых ученых Института геохимии им. А.П.Виноградова СО РАН (1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Фактический материал и методика исследований. В основу работы положены материалы, полученные автором за период 1989-1994 г. Большая часть образцов донных осадков отобрана автором самостоятельно на 149 станциях во время экспедиций на борту НИС " Г.Ю.Верещагин" в 1989-1993 г.г. Для изучениия вещественного состава твердого речного стока были использованы образцы донных отложений притоков оз.Байкал из коллекции А.Е.Гапона. Для определения химического состава донных осадков использовались рентгено-флюорисцентный, атомно-абсорбцинный и эмиссионный спектральный анализ (Институт геохимии СО РАН). Кроме того, в работе использованы аналитические данные нейтронно-акгивационного определения р.з.э., предоставленные д.г-м.н. А.И. Булнаевым (ИГТУ) (Булнаев, 1995). Для изучения минералогии донных осадков использовался качественный рентгеноструктурный анализ ( Институт геохимии СО РАН). Биогенный кремнезем, органический углерод, общий азот, изотопный состав органического вещества определены Л. Чином в Лаборатории стабильных изотопов Университета Южной Каролины (США).

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и содержит 219 стр. текста, 55 рисунков, 33 таблиц.

Большую помощь в сборе полевых материалов автору оказали сотрудники ЛИН СО РАН к.г.н. Е.Б. Карабанов, к.г.н. Л.З. Гранина, М.К. Шимараева при содействии директора Лимнологического Института чл.-корр. РАН М.А. Грачева. Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам Института геохимии СО РАН, оказавшим содействие и помощь в проведении исследований.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю член-корреспонденту РАН М.И. Кузьмину за советы и критические замечания. Автор признателен за помощь и поддержку на всех этапах работы докторам геол.-мин. наук

В .Д. Пампуре и И.С.Ломоносову.

Принятые сокращения: НМ - натриевый модуль - №20/А1203

KM - калиевый модуль - K20/AI203

ТМ - титановый модуль - ТЮ2/А1203

ММ - марганцевый модуль - Mn0/Fe203

ПМ - плагиоклазовый модуль - (Na20+Ca0)/K20

ОНЩ - общая нормативная щелочность - (Na20+K20)/AI203

ЩМ - щелочной модуль- №20/К20

CIA - индекс химического изменения - [AI203/(AI203+Na20+K20+

+СаО)]*ЮО

ГЛАВА 1. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ.

Условия образования донных осадков оз. Байкал на протяжении субатлантического периода голоцена изменялись незначительно. Малоконтрастный характер изменений климата (Хотинский, 1985) главным образом сказывался на интенсивности водного стока. Основные климатические события субатлантика- похолодание в 12-13 веке н.э., достигшее максимума в период "малой ледниковой эпохи" (16-19 в.в.) (Белова, 1985), на смену которой в середине 19 в. пришло потепление, продолжающееся до настоящего времени.

Площадь водосборного бассейна сложена различными типами пород, среди которых преобладают метаморфические и магматические. В Восточном Прибайкалье широко развиты фанерозойские гранитоиды (Ангаро-Витимский батолит), залегающие среди глубокометаморфизованных пород докембрийского фундамента. Кайнозойские отложения впадины, играющие важную роль в формировании твердого стока, представлены щебнисто-суглинистыми и аллювиальными отложениями (пески, глины).

Природно-климатические условия водосборного бассейна определяют преобладание физического выветривания, с подчиненной долей глинистой фракции в современных корах выветривания и почвах, в составе которых преобладают гидрослюды (Голдырев, 1982).

Активизация тектонического режима на площади водосборного бассейна, соответствующая современной фазе рифтинга, также оказывала влияние на поступление терригенного материала в озеро [ Флоренсов, 1960].

Морфология озерной котловины, которая разделяется на три ландшафтных провинции- Южную, Центральную и Северную, определяет гидродинамический режим осадконакопления. Распределение терригенного и образованного в водной толще биогенного материала происходит под влиянием системы течений, из которых главную роль играют вдольбереговые (Верболов, 1977). Основные закономерности в распределении осадочного материала по площади дна выражаются в повышенных скоростях осадконакопления в участках накопления алевритовых илов.

Влияние процессов раннего диагенеза на химический состав современных донных осадков проявляется в диагенетическом перераспредлении Ре, Мп, Р, сульфатре-дукции и связанном с ними диагенетическом минералообразовании (Мизандронцев, 1990; Сгапта, 1992).

Минеральный состав донных осадков характеризуется снижением числа породообразующих минералов при переходе от песчаных осадков к глубоводным мелкоалевритовым и пелитовым илам, при этом происходит замена обломочных минералов глинистыми, преимущественно гидрослюдами с примесью монтмориллонита (Ратеев, 1954). Пространственное распределение биогенного кремнезема в донных осадках контролируется изменением его продукции и соотношением с потоком тер-ригеного материала.

Таким образом, формирование химического состава современных донных осадков оз. Байкал определяется влиянием следующих основных факторов: составом пород и природно-климатическими условиями водосборного бассейна, процессами транспортировки терригенного материала, морфологией озерной котловины и гидродинамическим режимом осадконакопления. Кроме того, на химический состав современных донных осадков определенное влияние оказывают накопление биогенного кремнезема и процессы раннего диагенеза.

ГЛАВА 2. ПЕТРОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ.

Основу принятого методологического подхода к изучению петрохимии современных донных осадков Байкала составляет сравнение средних химических составов: основных гранулометрических типов, окисленных и восстановленных осадков, а также донных осадков главных структурно-морфологоческих единиц озера. Особое внимание уделено сравнению петрохимических отношений (модулей) донных осадков. Предпочтение, отданное петрохимическим модулям, обусловлено

тем, что в отличие от абсолютного содержания элемента, их распределение в донных осадках контролируется только изменением минерального состава терригенной компоненты.

Наиболее информативен НМ, отражающий содержание плагиоклазов в составе осадков, закономерно возрастающий с увеличением медианного размера зерен, что является индикатором изменения динамики эрозионных процессов в водосборном бассейне и/или интенсивности эолового переноса осадочного материала. Такие изменения могут быть прямым следствием изменений климата, либо изменений геоморфологии водосборного бассейна вследствие гляциальных и тектонических процессов (Research protocol for PALE, 1993).

На основе петрохимических модулей разработана классификация, характеризующая литолого-петрохимические и лиголого-геохимические типы донных осадков. В отличие от существующих петрохимических классификаций осадочных пород (Неелов,1980 и др.), она позволяет разделять донные осадки Байкала на петрохи-мические типы: 1 .средне-натровые, средне-калиевые глинистые осадки (пелитовые и мелкоалевритовые илы); 2- высоконатровые (пески и крупноалевритовые илы с преобладанием плагиоклазов); 3- высоконатровые и высококалиевые (плагиоклаз-калишпатовые пески и крупноалевритовые илы). Пространственное распределение осадков относящихся к выделенным летрохимическим типам в первую очередь определяется гидродинамическими условиями осадконакопления. Влияние состава пород водосборного бассейна заметно проявлено лишь в прибрежной полосе и в конусах выноса крупных притоков.

В разрезе седиментационного профиля от песков к пелитовым илам закономерно происходит замена первичных минералов коренных пород на гидрослюды и смекти-ты, что отражает закономерное изменение НМ, в меньшей мере ЩМ и ПМ (табл.1). Вместе с тем, гранулометрические типы донных осадков оз. Байкал, близки по химическому составу, что обусловлено преобладанием в их составе первичных минералов (табл.1). При этом, смена в разрезе седиментационного профиля кварц-полевошпатовой ассоциации породообразующих минералов гидрослюдисто-смектитовой, незначительно влияет на общий химизм донных осадков. Характер распределения титана в донных осадках обусловлен отложением в алевритовых плах зерен титановых минералов, имеющих алевритовую размерность (Страхов,1954, Мигдисов, 1963), в пелитовых- возрастанием доли глинистых фаз.

Таблица 1

Среднее значение петрохимических характеристик современных донных осадков

оз.Байкал.

Компоненты, Пески Алевритовые Пелитовые Диатомовые

параметры. илы илы илы

(54)* (259)* (35)* (35)*

ТГО2/А1203 0.042 0.051 0.050 0.050

№20/А1203 0.24 0.15 0.12 0.16

К20/А1203 0.20 0.16 0.15 0.16

Ма20/К20 1.22 0.95 0.77 1.10

(№20+Са0)/К20 2.27 2.01 1.69 2.45

(№20+К20)/А1203 0.43 0.31 0.26 0.32

[А120з/(А120З+№20+ 61.22 67.7 71.5 65.9

К20+Са0)]-100

Примечание: *-в скобках указано число проб.

Донные отложения ландшафтных провинций- южной, центральной и северной котловины близки по своему химическому составу (рис.1). Некоторые различия, такие как повышенные значения НМ (0.18) и ПМ (2.35) в донных осадках Северной котловины -результат накопления их в мелководных условиях, при относительно большом объеме твердого стока и влиянии на величину НМ состава пород водосборного бассейна (гранитоиды Ангаро-Витимского батолита). По величине НМ и ПМ (0.15 и 1.85) донные осадки Южной котловины занимают промежуточное положение относительно Центральной (0.14 и 1.92) и Северной, что обусловлено их накоплением в глубоководных условиях, но при значительном объеме твердого стока в котловину.

Донные осадки пограничных ландшафтов (Академический хребет, авандельта Селенги) сходны по петрохимическим модулям с донными осадками приграничных ландшафтных единиц. Так среднее значение НМ осадков Центральной котловины, Академического хребта и Северной котловины изменяется незначительно и составляет 0.14,0.16,0.18, соответственно.

Рис. 1. Петрохимическая диаграмма подобия алевритовых (А) и пелитовых плов (Б) основных ландшафтно-морфологических единиц оз.Байкал. 1- Южная котловина; 2-Центральная котловина; 3- Северная котловина.

Процессы раннего диагенеза оказывают заметное влияние на распределение железа, марганца, фосфора и серы (Лазо, 1980, Granina, 1992 и др.). Это выражается в повышенном среднем содержании Мп ( до 0.23 %), в меньшей степени Fe и Р (5.54 и 0.16 %) в окисленных, серы в восстановленных донных осадках (до 0.11%). Fe-Mn прослои и корки в донных осадках характеризуются высоким средним содержанием Мп (до 1.3%) и повышенным содержанием фосфора (до 0,17 %), связанным с образованием аугигенных Ca-Fe фосфатов (Дейк и др.,1993). Повышенное содержание фосфора сохраняются при захоронении Fe-Mn корок в восстановленных осадках, что позволяет диагностировать их даже при полной деградации.

Железо-марганцевые корки, захороненные в восстановленных донных осадках, рассматриваются как индикаторы снижения темпов терригенной седиментации (Granina et al., 1994, Romaskin et al., 1993). В пользу этого свидетельствует повышение значений общего Si02 в их составе как результат снижения темпов терригенной седиментации на фоне постоянных скоростей аккумуляции биогенного кремнезема. Образование захороненных в восстановленных осадках Fe-Mn прослоев происходит при последовательной смене пониженных скорости седиментации ее возрастанием, что подтверждается повышением ТМ в осадках, перекрывающих прослои.

Изменение состава донных осадков параметров в разрезе современного слоя контролируется изменением гранулометрического и следовательно, их фазового состава и связано с изменением динамики эрозионных процессов на площади водосборного бассейна, или же с изменением уровня озера.

ГЛАВА 3. ГЕОХИМИЯ РЕДКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКАХ ОЗЕРА БАЙКАЛ.

Редкоземельные элементы. Общая характеристика распределения и уровни содержания р.з.э. в донных осадках оз.Байкал даны в предшествующих работах (Bulnaev, 1995, Ветров, Кузнецова, 1997 и др.).

Смена гранулометрического состава осадков при переходе от песков к пелито-вым илам сопровождается возрастанием содержаний легких и средних лантаноидов (до Ег включительно). Для тяжелых р.з.э. эта зависимость менее выражена. Пелитовые илы характеризуются более высокими значениями CE/Y (6.2) по сравнению с песками и алевритовыми илами (4.4 и 4.2 соответственно). Указанные особенности распределения р.з.э. являются результатом механической дифференциации обломочного материала и обусловлены сменой в составе осадков обломочных минералов глинистыми.

Спектры средних составов р.з.э. гранулометрических типов осадков имеют сходный характер как по форме, так и по параметрам (рис.2), что о количественном преобладании в их составе прочносвязанного комплекса лантаноидов в сравнении с сорбированным.

Ьа Се Рг N(1 Бш Ей СМ ТЬ Бу Но Ег Тш УЬ Ьи

Рис. 2. Спектры р.з.э. основных гранулометрических типов донных осадков: 1-пески; 2- алевритовые илы; 3-пелитовые илы.

Повышение содержания биогенного опала приводит к снижению суммы лантаноидов, что вероятно определяется низким содержанием р.з.э. в скелетах диато-мей. Органическое вещество в донных осадках не оказывает заметного влияния на распределение р.з.э.

Для окисленных и восстановленных донных осадков характерны близкие уровни содержания и параметры спектров р.з.э. (табл.2), за исключением суммы лантаноидов, величина которой повышена в восстановленных осадках. Эта особенность, вероятно обусловлена связыванием сорбированного комплекса р.з.э в составе диагенетических новообразований. В пользу этого свидетельствует некоторое обогащение восстановленных осадков преобладающими в его составе тяжелых и средних лантаноидов (Балашов, 1976).

Для донных осадков основных ландшафтных провинций озера характерны близкие содержания р.з.э., за исключением 1_а. Параметры распределения р.з.э. средних составов донных осадков основных ландшафтных провинций характеризуются снижением Еи/Еи* отношения от Южной котловины к Северной с 1.2 до 0.9 и повышением суммы легких лантаноидов по сравнению с тяжелыми, что связано с большей долей глинистых минеральных фаз в составе осадков Южной котловины по сравнению с Северной.

Содержание р.з.э. в донных осадках мало зависит от их содержания в породах водосборного бассейна. В сравнении с суммарным спектром р.з.э. гранитоидов Ангаро-Витимского батолита и вмещающих его гнейсов спектры р.з.э. донных

Таблица 2

Распределение редкоземельных элементов в окисленном и восстановленном слое современных донных осадков оз.Байкал.

Параметры распределения р.з.э. Окисленные донные осадки (32) Восстановленные донные осадки (27)

Еи/Еи* 1.1 1.2

Се/Се* 0.93 0.92

ТР+У 214 244

СЕ/У 4.2 4.3

1_а(п)/УЬ(п) 1.5 1.4

Эт/Ш 0.18 0.18

Примечание: В скобках указано число проб.

осадков характеризуются повышенным содержанием большинства лантаноидов (рис.3).

Таким образом, итоговые спектры р.з.э. в современных донных осадках определяется значительной долей, которую играют в их составе обломочные минералы. В значительно меньших масштабах проявлено фракционирование р.з.э., как результат процессов биоседиментации, раннего диагенеза, что связано с количественным преобладанием р.з.э. в составе прочносвязанного комплекса над сорбированным. Эти особенности определяют гидродинамический режим осадконакоп-ления, как основной механизм контролирующий распределение р.з.э. в современных донных осадках оз. Байкал. Близость состава р.з.э. в донных осадках основных ландшафтно-морфологических единиц озера определяется гомогенизацией обломочного материала в процессе его транспортировки системой течений. Исходя из основных закономерностей в распределении р.з.э. в современных донных осадках, использование р.з.э. (на уровне валовых содержаний) в качестве самостоятельного индикатора изменений условий седиментации, представляется малоэффективным .

I I I III I L I_!_I-Li

La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Dy Ho Er Yb Lu

Рис. 3. Спектры р.з.э. гранитоидов Ангаро-Витимского батолита (1), вмещающих гнейсов (2) (данные B.C. Антипина, Институт геохимии СО РАН) и донных осадков Центральной котловины оз.Байкал (ст. 288) (3).

Распределение лития, рубидия и цезия в гранулометрических типах донных осадков оз.Байкал характеризуется возрастанием содержания Cs и Li при уменьшении медианного размера зерен осадка. Среднее содержание Cs в песках, алевритовых и пелитовых илах составляет 1.9, 3.3, 3.4 ч*млн-1 соответственно, Li-17, 27 и 22. В противоположность этому для Rb характерны более высокие содержания в песках (77 ч*млн-1) по сравнению с алевритовыми (68 ч*млн-1) и пе-литовыми (63 ч*млн-1) илами. Указанные закономерности обусловлены заменой в минеральном составе обломочных минералов глинистыми.

Пространственные закономерности распределения Li, Cs и Rb выражаются в общем снижении их содержания в донных осадках в направлении от Южной (37, 4, 73 ч*млн-1) к Северной котловине (18, 2.3, 60 ч*млн-1), что определяется, как возрастанием количества обломочных минералов в составе осадков, так и разбавлением терригенной компоненты осадков диатомовым опалом. Повышенное содержание Li в донных осадках Южной котловины также обусловлено наличием в их составе заметных количеств монтмориллонита (Ратеев,1954), избирательно концентрирующего литий по сравнению с гидрослюдами (Морозов,1969).

Цирконий, гафний. Для распределения гг и № в донных осадках также отмечена зависимость их содержаний от медианного размера зерен осадка, которая выражается в постепенном снижении содержания этих элементов при переходе от песков (440 и 3.8 ч*млн-1) к пелитовым илам (154 и 3.2 ч*млн-1). Средние содержания этих элементов в донных осадках ландшафтных провинций, характеризуются несколько повышенными их значениями в осадках Южной котловины (197 и 4.4 ч*млн-1), при близких в Центральной (171 и 3.2 ч*млн-1) и Северной (173 и 3.6 ч*млн-1). Особенности распределения в современных донных осадках Ъх и главным образом определяются распределением аксцессорнных минералов в гранулометрическом спектре осадков.

Элементы группы железа и халькофильные элементы. Содержание всех рассматриваемых элементов (№, Со, Сг, РЬ, Си, гп, V, Сс!, Ад, Мо) в той или иной мере зависит от медианного размера зерен осадка. При переходе от песков к пелитовым илам происходит закономерное повышение содержаний V, 1п и РЬ. В этом направлении возрастает и содержание Си, Со, Сг, Ад и Сс! . При этом заметных различий в содержаниях этих элементов в алевритовых и пелитовых илах нет.

Увеличение в составе донных осадков доли биогенного кремнезема вызывает снижение содержаний всех рассматриваемых элементов, обусловленное разбавлением терригенной компоненты биогенным опалом. Влияние рассеянного органического вещества (РОВ), связанное с комплексообразованием, сказывается на распределении Мо, Сс), Ад и Си. На распределение других элементов (№, Со, V) влияние РОВ проявлено слабо или отсутствует.

Влияние процессов раннего диагенеза на распределение рассматриваемых элементов, выражается на несколько повышенных содержаниях V и Сг в восстановленных осадках (56, 177, 159 ч*млн-1) по сравнению с окисленными ( 49, 120, 96 ч*млн-1 соответственно), как следствие осаждения этих элементов на ау-тигенных сульфидах. Ре-Мп прослоям, как в окисленном слое донных осадков, так и захороненных в восстановленных осадках, характерно повышенное содержание большинства элементов.

Исследованное методом постадийных вытяжек, межфазовое распределение этих элементов позволило установить, что основная часть элементов в донных осадках связана с литогенной фракцией. Среднее содержание рассматриваемых

элементов в прочносвязанном состоянии составляет ( в % от общего содержания): - N'1- 51, Со- 62, РЬ- 69, 1п- 76, Сг- 81. Среднее содержание элементов, связанных с другими фракциями (обменные формы, окислы Мп и гидроокислы Яе,органическое вещество, биогенный кремнезем) не превышает 10 % от их содержания в осадке. Исключение составляет Си, в распределении которой важную роль играет комплексобразование с рассеянным ОВ (в среднем 27 % от общего содержания в осадках).

Распределение большинства редких элементов (№, Со, 2п, Сг, V, Си, РЬ) в донных осадках ландшафтных провинций озера характеризуется близостью их средних содержаний. Исключение составляет, повышенное содержание в осадках Южной котловины Сг, в меньшей степени V, и несколько пониженное Си. Эти закономерности определяются, для Сг и V - высоким содержанием терригенной компоненты в осадках и составом пород водосборного бассейна, для Си- низким содержанием автохтонной органики в составе осадков Южной котловины.

Таким образом, пространственное распределение редких элементов в современных донных осадках, контролируется большим количеством факторов, среди которых основную роль играет изменение гранулометрического состава. Для Си важную роль в распределении играет органическое вещество. Основная часть редких элементов в составе донных осадков ассоциирована с литогенной фракцией осадка. Это определяет ведущую роль процессов механической дифференциации в пространственном распределении редких элементов.

ГЛАВА 4. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ В СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКАХ ОЗЕРА БАЙКАЛ.

Для исследования закономерностей в распределении химических элементов в современных донных осадках оз.Байкал методом многомерных полей (Евдокимова, 1978), была построена полиэлементная геохимическая карта-схема (далее-карта) верхнего (0-2 см.) слоя осадков по результатам опробования на 149 станциях. Для устранения неоднородностей в распределении элементов из анализа были удалены элементы перераспределяющиеся в процессах раннего диагенеза

(Мп, Р). После чего, элементы пересчитаны из окислов в элементную форму и нормированы к 100 %.

Полиэлементная геохимическая карта отражает распределение по площади дна литолого-геохимических типов (классов) донных осадков (рис.4), характеризующихся 10 элементными ассоциациями (табл.3).

По результатам кластерного анализа, выделенные литолого-геохимические типы донных осадков объединены в 6 групп, для характеристики каждой из которых, рассчитаны петрохимические модули.

Литолого-геохимические типы донных осадков имеющие наибольшее площадное распространение (1,2, 5-7), близки по петрохимическим характеристикам (рис.5). Некоторые различия по величине ТМ связаны с различным соотношением обломочных и глинистых минералов в составе осадков. По содержанию микроэлементов литолого-геохимические типы также близки (рис.5), при этом картина распределения микроэлементов носит более сложный характер. Повышенные содержания Со, Сг в осадках 1-го и 2-го типа отражают накопление в них аксес-сорных (рудных) минералов. Осадкам 5-го типа, содержащим повышенное количество автохтонного РОВ присуще повышенное содержание Си.

Распределение литолого-петрохимических типов донных осадков по площади дна озера позволяет сделать вывод о том, что химический облик современных осадков формируется под влиянием двух основных факторов.

Во-первых, механической дифференциацией обломочного материала в процессе его транспортировки системой течений, на которую накладывается разбавление "свежим" терригенным материалом поступающим в озеро с твердым стоком притоков. Это приводит к значительной гомогенизации терригенного материала и выравниванию состава осадков формирующихся в пелагиали озера. Влияние твердого стока отдельных притоков сказывается на мелководье и подводном склоне. В некоторых случаях оно прослеживается и на днище.

Во-вторых, процессами биоседиментации, определяющей накопление в осадках биогенного кремнезема и органического углерода. В первом случае происходит снижение содержаний большинства элементов. Для элементов, в распределении которых заметную роль играет органическое вещество, это приводит к образованию повышенных их концентраций в осадках с повышенным содержанием биоген-

108°

110°

Рис. 4. Полиэлементная геохимическая карта поверхностных донных осадков оз.Байкал. Цифры в легенде соответствуют номерам классов в табл. 3.

Таблица 3

Ассоциации химических элементов в современных донных осадках оз. Байкал (цифрами указаны коэффициенты контрастности).

Геохимическая ассоциация (класс) Фоновые концентрации. (% вес.): 62; Т1 0.8; А114.0; Яе 10.0 ; Са 3.0; Мд 2.3; N8 3.0; К 3.6; Бг 0.05; 7л 0.03. (ч/млн1): Ъп 80; Си 43; РЬ 20; № 48; Сг 100; Со 16; V 110; Сс1 0.35

1 Бг, Ре 13; № 12; Си, Сс!. Со, 1п, Мд ,у, Са, Т1, ,0

№, А1, V, К, Сг, РЬ о д, 2г 03

2 2.т ,.3; вг12; Ю, Мд, Яе, Т|, гп, Со, Са ,.,; Сс!, А), Эь Ыа, К, Си ,,

V, Сг 0 9; РЬ о ?

3 7-х, 8; Т1Эг, № РЬ, Са, 81, А1, К, Мд 10

Ре, Со о.®', V, Сг о.8; ¿п, Си 0у, Сс10.1

4 гг, 6; 1п, N1, Т11.3; Мд, А1, Со, Си ,.2; Сс!, V, Сг, К, Ре, № ,.0

Эг, Са о.д; Эг 0.7; РЬ о.з

5 Сс! 2.4; Си 1.5; № ,.г; Ре, гп, Со, в!, Эг 1.1

Са, РЬ, Мд о.э; Сг, V, А10.э; К, Т|, Ыа, 2г0.э

6 Сс) у4; РЬ 1.2; Эг, ЭГ, Тх 1!; Са, Си, Ре 1.0

N1, 2п, Мд о.э; К, А1, Со 0.в, Т|, V 0.7; Сг 0.6

7 Сс! 17; РЬ 14; Си, в!' 1.2- N1', 1 0

Со, 1г\ 09; Сго.8,' Са, Мд, V0.7; К, А1, Д Эг, №05; Бго.з

8 Ъ 16', Эг 14; N8 1.3; К 1.2; Б! и; Са 1.0

А1 о 9; рь, Т1 о.э; Сг 07; Мд, Ре о.б; ¿п, Со, V, м 05; Сс!, си 04

9 Эг 19; N8 14; Са 1.3; К л г\ Т1, А1, РЬ 1.,; 10

Сг, Мд, о.э; Со, Си, Ре о.е', V 0 7; Сс1, N¡0.5; 2х 0.з

10 2.0, Мд, Сс11.7, Сг, 2п Г5; Са, Т11.4; V ,.3; Ре, А! 1.2; РЬ , о

Б!, Си о.э* К о.е, о.з) Эг 02

Рис. 5. Петрохимическая (А) и геохимическая (В) диаграммы подобия основных литолого-геохимических типов поверхностных донных осадков оз.Байкал. Цифры в легенде соответствуют номерам классов в табл. 3.

ного кремнезема, характеризующихся большей долей автохтонной органики по сравнению с аллохтонной.

ГЛАВА 5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ.

Сравнение химического состава гранулометрических типов донных осадков оз. Байкал и состава речных, озерных взвесей и донных отложений притоков озера позволяет сделать вывод о преобладающем влиянии твердого стока на формирование современных донных осадков. По значениям петрохимических модулей донные осадки отличаются от расчетного состава взвеси равновесной с водой озера (Кашик,1993) и состава речных взвесей (Выхристкж,1978, Сгапта,1994) высокими значениями НМ и ЩМ, свидетельствующими о преобладании в составе осадков обломочного комплекса. Донные отложения притоков (Пампура и др., 1993), дающие интегральную характеристику твердого стока, по величине большинства петрохимических модулей близки к донным осадкам, особенно алевритовым ипам.

Средний состав современных донных осадков, характеризующий современный этап седиментации в оз. Байкал был рассчитан с учетом количественного распределения гранулометрических типов осадков по площади дна, поскольку изменение гранулометрии осадков является главным фактором, контролирующим изменение их химических параметров (табл. 4). Близость среднего состава современных донных осадков оз. Байкал с модельным составом верхней континентальной коры (Тейлор,1988), проявленная как на уровне содержаний отдельных элементов, так и спектров петрохимических модулей, позволяет рассматривать осадко-накопление в Байкале, как модель континентальной терригенной седиментации.

Положение фигуративных точек средних составов гранулометрических типов донных осадков оз. Байкал относительно точек средних составов континентальных и морских осадков, условного среднего состава коренных пород малого водосборного бассейна на диаграмме Ыа20/А1203- К20/А1203 (рис.6) свидетельствует о сходном характере седиментации в оз. Байкал и в окраинных морях, а также подтверждает сделанный ранее вывод о значительной роли первичных минералов коренных пород в составе пелитовых илов оз.Байкал.

Таблица 4.

Средний химический состав современных донных осадков оз.Байкал

Компонент Содержание Компонент Содержание Компонент Содержание

(вес.%) (ч-млн1) (ч-млн"1)

БЮ2 61.56 Мп 3682 Се 83

ТЮ2 0.91 Со 17 Рг 7.7

А1203 17.07 N'1 51 Ыс1 39

Ре203 9.67 Си 46 Бт 7.0

МдО 2.62 гп 86 Ей 1.5

СаО 2.91 ве 1.0 Сс) 6.0

N320 2.62 ЯЬ 68 ТЬ 1.03

К20 2.64 Бг 292 оу 4.9

Сумма 100.00 V 24 Но 0.96

(ч-млн"1) гг 206 Ег 3.1

26 Мо 2.9 Тт 0.44

Ве 3.6 Бп 3.4 УЬ 3.1

В 26 Ад 0.18 1_и 0.39

Р 1422 Сс1 0.41 Hf 3.7

Б 810 БЬ 0.39 Та 0.64

Бс 17 Сэ 3.3 РЬ 18

V 143 Ва 622 ТИ 12

Сг 104 1а 49 и 11

Нд 6.3-10'2

0.3—,

О

сч <

о

о*

со 2

0.15 _

0.0'

В 1

Е] 2

X 3

Ж 4

♦ 5

л 6 О 7

-1-

0.15

К20/А1203

"1

0.3

Рис. 6. Петрохимическая диаграмма Ыа20/А1203-К20/А!203 донных осадков различных седиментационных систем: поля составов: А- пески, оз.Байкал; В-алевритовые илы, оз. Байкал; С- пелитовые илы, оз.Байкал. Линии- тренды параметров: сплошная- донные осадки оз.Байкал; пунктирная- морские осадки/глины. 1- пески оз.Байкал; 2- пески, Баренцево море (Тейлор и др., 1988); 3- условный средний состав пород водосборного бассейна (Петрова и др., 1984; Макрыгина, 1981; Глазунов, 1975; и др); 4- алевритовые илы оз.Байкал; 5- средний состав донных отложений притоков; 6- алевритовые илы, Баренцево море (Тейлор и др., 1990); 7- пелитовые илы, оз.Байкал.

ГЛАВА 6. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В РАЗРЕЗЕ СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ оз.БАЙКАЛ, КАК ИНДИКАТОР ИЗМЕНЕНИЯ УСЛОВИЙ ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ.

Неорганические геохимические параметры пока играют второстепенную роль, как индикаторы изменения условий осадконакопления по сравнению с биогенными (распределение биогенного опала, общего органического углерода (ООУ)). В большинстве случаев (Кота-зЬк1п,1993, Прокопенко, 1993, Булнаев

Рис. 7. Распределение биогенного БЮг, Сорг., С0рг//Ы0бщ. В разрезе современного слоя донных осадков (ст. 282, Южная котловина оз.Байкал). Климатические рубежи субатлантического времени: сплошная линия- начало современного потепления; пунктирная линия- начало Малой ледниковой эпохи; штрих-пунктирная линия-граница второй и третьей фазы субатлантика (БА-2 и БА-З).

1996, и др.) основанием применения геохимических параметров, как индикаторов, является совпадение их распределения в вертикальном разрезе донных осадков с надежными биогенными индикаторами, такими как споро-пыльцевые спектры (Безрукова и др., 1991).

Рассмотренные в данной работе геохимические особенности современных донных осадков позволяют значительно сузить круг геохимических параметров реконструкции изменений условий седиментации. Удалось установить, что НМ является геохимическим параметром позволяющим надежно оценивать изменения интенсивности эрозионных процессов в водосборном бассейне озера. Повышение содержания глинистых минералов в составе осадков отражается на увеличении ТМ. Кроме того, изменение ТМ в вертикальном разрезе осадков можно использо

1990

„1790

л о. П) ЕС Ж

§1590

о 1390 §

к |

.1190

п> я а

§ 990 и

790 _ _ ____ _____________

0.05 0.10 0.15 0.20 0.04 0.05 0.05 0.10 0.20 0.30 0.40 0. 5С

На20/А120з П02/А1203 Мп0/Ге203

Рис. 8. Распределение петрохимических параметров в разрезе современного слоя донных осадков (ст. 282, Южная котловина оз. Байкал). Обозначения климатических рубежей соответствуют таковым на рис. 7.

вать для оценки изменения скоростей осадконакопления. Распределение ММ позволяет проследить изменение темпов седиментации. Распределение микроэлементов в разрезе осадков играет вспомогательную роль в оценке изменения условий осадконакопления.

На примере донных осадков станции 282 (Южная котловина) показано распределение некоторых геохимических параметров (рис.7-8). Для датировки разреза были использованы значения современных скоростей осадконакопления измеренные методом неравновесного РЬ210 (Пампура и др.,1993).

В интервале последних 1200 лет (800-1990 г.г. н.э.), в течении которых происходило отложение осадков ст.282, выделены следующие климатические рубежи (Гл.1):

1. климатический оптимум субатлантического времени (200-1200 г.н.э.);

2. похолодание в период Малой ледниковой эпохи-16-19 в.в.;

[ \

У I

1 : •■»II г

. > г \ Л

3. потепление в середине 19-го века, продолжающееся до настоящего времени.

Закономерности в распределении геохимических параметров в разрезе осадков ст.282, образовавшихся за последние 1200 лет позволяют сделать следующие выводы о характере изменения условий седиментации в рассматриваемом временном интервале. Климатический оптимум субатлантика, в разрезе представлен последними 200 г.г., что недостаточно для установления каких-либо связей между распределением геохимических параметров и условиями осадконакопления. Следует лишь отметить пониженную величину НМ свидетельствующую о подчиненной доле грубого материала в составе донных осадков. Повышение ММ в середине 12-го века, сопровождаемое увеличением ТМ, НМ и СМ в перекрывающих осадках, позволяет предположить в это время снижение скорости седиментации (или перерыв в осадконакоплении), с последующим ее возрастанием.

В период с 1200 до 1550 г.г. петрохимические параметры донных осадков претерпевали изменения. Однако слабая реакция биогенных индикаторов (или отсутствие таковой) позволяет предположить неклиматическую причину этих изменений. На протяжении Малой ледниковой эпохи петрохимические параметры изменялись незначительно и связаны с повышением в составе донных осадков глинистой фракции, происходящем на фоне повышения темпов терригенной седиментации.

Конец 18-го века, был отмечен резким снижением темпов терригенной седиментации, о чем свидетельствуют пониженные значения ТМ и повышенные НМ, которое было вызвано снижением объема твердого стока, на фоне которого возрастает роль эолового разноса песчаного материала. В это время происходит и снижение СМ отношения, свидетельствующее о преобладании в составе осадков автохтонной органики. Последующее резкое увеличение темпов терригенной седиментации привело к образованию железо-марганцевого прослоя.

Новейший этап седиментации характеризуется возрастанием содержания биогенного кремнезема, ООУ, снижением С/Ы отношения, повышением содержания глинистой и снижения песчаной фракции в составе осадков. Все эти признаки, позволяют охарактеризовать его, как этап седиментации, связанной с улучшением климатических условий.

Таким образом, использование петрохимических параметров донных осадков (НМ, ТМ, ММ) в комплексе с биогенными индикаторами позволяет, во-первых,

повысить достоверность палеолимнологических реконструкций, во-вторых,- оценивать изменение интенсивности эрозионных процессов на площади водосборного бассейна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Химический состав современных донных осадков оз.Байкал предопределяется составом терригенного материала поступающего в озеро и процессами его механической дифференциации при переносе притоками. Близость химического состава донных осадков основных ландшафтно-морфологических единиц озера определяется гомогенизацией тонких фракций терригенного материала при переносе системой постоянных течений.

В силу высокого содержания в составе донных осадков первичных минералов коренных пород, процессы диагенеза не оказывают значительного влияния на распределение большинства химических элементов в разрезе современного слоя донных осадков.

Распределение большинства породообразующих и редких элементов в разрезе современного слоя донных осадков, в большей мере определяется изменением динамики эрозионных в водосборном бассейне.

Список публикаций по теме диссертации.

1. A.N. Gvozdkov, I.V. Sandimirov. Heavy metals in deep-water sediments of the southern Baikal depression // Int. Symp. on Geochemical Prospecting: Ext. Abstract. -Prague, 1990. - P. 146.

2. Linquing Qui, Douglas F. Williams, A. Gvozdkov, Karabanov E.B., M. Shimaraeva. Biogenic silica accumulation and paleoproductivity in the northern basin of Lake Baikal during the Holocene II Geology. -1993. - Vol.21, No.1. - P. 25-28.

3. Gvozdkov A.N., Williams D.F., Karabanov E.B., Pampura V.D. Multi-purpose geochemical mapping of bottom sedimtnts of Lake Baikal. 16th Int. Geochem. Exploration Symp.: Ext. Abstract. Being, China, 1993. - P. 62.

4. Lomonosov I.S., Gapon A.E., Gvozdkov A.N. Geochemical mapping of stream sedimtnts of the Baikal Lake tributaries. 16th Int. Geochem. Exploration Symp.: Ext. Abstract. - Being, China, 1993. - P. 117-118.

5. Кузьмин M.И., Памлура В.Д., Гвоздков А.Н. Байкальская рифтовая впадина: комплексные исследования с целью расшифровки глобальных изменений природной среды Центральной Азии // История озера Бива (Япония). Новосибирск: Наука, 1993.-С. 267-282.

6. Пампура В.Д., Кузьмин М.И., Гвоздков А.Н., Антипин B.C., Ломоносов И.С., Хаустов А.П. Геохимия современной седиментации в озере Байкал // Геология и геофизика.-1993.- N 10-11,- С. 52-67.

7. Вильяме Д.Ф., Лин Чин, Карабанов Е.Б., Гвоздков А.Н. Геохимические индикаторы продуктивности и источники органического вещества в поверхностных осадках оз Байкал//Геология и геофизика.-1993,- N 10-11.-С. 136-148.

8. Pampura V.D., Kuzmin M.I., Gvozdkov A.N., Antipin V.S., Lomonosov I.S. Geochemistry of recent sedimentation of Lake Baikal// IPPCCE Newsletter.-1993.-N.7.-P. 5-16.

9. Romashkin P.A., Williams D.F., Karabanov E.B., Gvozdkov A.N. Geochemical evidence of diagenetic changes and climatic events in Lake Baikal sediments. // IPPCCE Newsletter.-1993.N.7.- P. 17-24.

10. Гвоздков A.H., Пампура В.Д. Озеро Байкал: Предварительные результаты многоцелевого геохимического картирования // Байкал- природная лаборатория для исследования изменений окружающей среды и климата: Тез. докл. межд. совещания,- Иркутск, 1994 - С. 41.

11. Пампура В.Д., Гвоздков А.Н. Оценка загрязнения донных осадков оз.Байкал промстоками БЦБК. Тез. докл IV Объединенный Международн. Симп. по проблемам прикладной геохимии . Иркутск, 1994.-Т.2.- С.132-133.

12. Lomonosov I.S.,Khaustov А.Р., Gvozdkov A.N., Gapon A.E., Speizer G.M. Geochemical significance of substance flows in recent sedimentation of Lake Baikal // IPPCCE Newsletter.- 1995.N.9.- P. 57-66.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Гвоздков, Александр Николаевич, Иркутск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОХИМИИ им.А.П. ВИНОГРАДОВА

На правах рукописи ГВОЗДКОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

УДК 551.4:552.5(571.53,Байкал)

ГЕОХИМИЯ СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗЕРА

БАЙКАЛ

Специальность 04.00.02 - Геохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель чл.-корр. РАН М.И. Кузьмин

Иркутск 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................. 5

ГЛАВА 1. ФАКТОРЫ КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ..................................................13

1.1. Характеристика природных условий водосборного бассейна............................• • • .......... 13

1.1.1. Характеристика наземных ландшафтов водосборного бассейна.................................................14

1.1.2. Геологическое строение и неотектоника...............16

1.1.3. Климат..................... ......................21

1.1.4. Выветривание......................................24

1.2. Количественная и вещественная характеристика потоков вещества поступающего в озеро Байкал.................26

1.3. Условия осадкообразования в водоеме..................37

1.3.1 Подводные ландшафты..............................37

1.3.2 Гидродинамический режим и современные скорости осадконакопления...................................39

1.3.3. Краткая характеристика процессов раннего диагенеза ... 43

1.4. Минеральный состав современных донных осадков.......45

ГЛАВА2. ПЕТРОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕ-..

МЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ ... .50

2.1. Некоторые методологические аспекты использования петрохимических модулей для исследования донных осадков озера Байкал.............................................51

2.2. Петрохимическая характеристика литологических разновидностей донных осадков........................60

2.3. Петрохимическая характеристика донных осадков основных дандшафтно-морфологических единиц озера Байкал..........70

2.4. Петрохимическая характеристика окисленных и восстановленных донных осадков................................74

2.5 Петрохимическая характеристика современных донных осадков

оз.Байкал.............................................84

ГЛАВА 3. ГЕОХИМИЯ РЕДКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКАХ ОЗЕРА БАЙКАЛ................ 94

3.1. Геохимия редких литофильных элементов............94

3.1.1. Редкоземельные элементы.........................94

3.1.2. Литий, рубидий, цезий ...........................111

3.1.3. Цирконий и гафний..............................116

3.2. Геохимия отдельных редких элементов..............117

3.2.1. Элементы группы железа и халькофильные элементы .118

3.2.2. Молибден, кадмий и серебро.....................142

ГЛАВА 4. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ В СОВРЕМЕННЫХ ДОННЬ1Х ОСАДКАХ ОЗЕРА БАЙКАЛ........ 146

4.1. Геохимическая карта современных донных осадков .... 146

4.2. Сравнительная геохимическая характеристика основных литолого-геохимических типов донных осадков.....153

ГЛАВА 5. СРЕДНИЙ СОСТАВ СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ И ЕГО СРАВНИТЕЛЬНАЯ ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА...................161

5.1. Сравнительная геохимическая характеристика донных осадков и компонентов литопотока...................161

5.2. Средний состав и сравнительная геохимическая характеристика донных осадков оз.Байкал........................164

ГЛАВА 6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ В РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В РАЗРЕЗЕ СОВРЕМЕННОГО СЛОЯ ДОННЫХ ОСАДКОВ, КАК ИНДИКАТОР ИЗМЕНЕНИЯ УСЛОВИЙ ОСАДКОНАКОП ЛЕНИЯ................................................173

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................190

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................191

Список сокращений: НМ - натриевый модуль - Na20/Al203 КМ - калиевый модуль - К20/А1203 ТМ - титановый модуль - Ti02/Al203 ММ - марганцевый модуль - Mn0/Fe203 ПМ - плагиоклазовый модуль - (Na20+Ca0)/K20 ОНЩ - общая нормативная щелочность - (Na20+K20)/Al203 ЩМ - щелочной модуль- Na20/K20

CIA - индекс химического изменения - [Al203/(A1203+Na20+K20+ +СаО)]*ЮО

ООУ- общий органический углерод

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Байкал - один из крупнейших континентальных седиментационных бассейнов - обладает рядом специфических особенностей, отличающих его от других пресноводных озер [41,42]. В полной мере это относится и к донным осадкам озера. При этом следует отметить, что до настоящего времени неорганическая геохимия донных осадков изучена недостаточно.

Особую актуальность изучение геохимии современных донных осадков определяет то обстоятельство, что элементный состав является потенциально полезным источником информации о палеоклиматах, тем более что палеоклиматическая значимость этого подхода пока не подтверждена на практике [187]. Последнее обстоятельство определяет особый интерес к изучению распределения элементов и геохимических параметров в разрезе слоя осадков, образовавшихся в течении периода, охватывающего последнюю тысячу лет, характеризующегося достоверно зафиксированными, хотя и малоконтрастными изменениями климатического режима [176]. Это позволяет среди широкого круга химических элементов и геохимических параметров выделить индикаторы, позволяющие реконструировать изменение условий осадконакопления.

Особый интерес к геохимии современных донных осадков связан с работами по программе " Байкал - бурение в ходе которых неорганические компоненты донных осадков используются для палеореконструкций природной среды [159,178]. Очевидно, что получение достоверной информации об эволюции окружающей среды и климата, путем изучения разреза осадочных отложений, должно базироваться на изучении геохимии современных донных осадков, в их связи с геологическими, химическими и биологическими процессами, как на площади водосборного бассейна, так и в самом озере [135] .

Цель работы - изучение пространственных закономерностей в распределении неорганических компонентов в современном слое донных

осадков оз. Байкал, определяющих их причин и выбор геохимических индикаторов изменений условий осадконакопления.

Основные задачи исследований. 1) выявление геохимических особенностей современных донных осадков как в целом, так и их основных литологических разновидностей; 2) сравнительная геохимическая характеристика донных осадков основных ландшафтно-морфологических единиц озера; 3) оценка влияния состава пород водосборного бассейна на состав современных донных осадков; 4) геохимическая классификация донных осадков; 5) изучение распределения неорганических компонентов в разрезе современного слоя донных осадков оз. Байкал и выделение индикаторов изменения условий осадконакопления.

Научная новизна работы. Впервые выполнено комплексное геохимическое исследование современных донных осадков оз.Байкал по широкому кругу неорганических компонентов, выявлены основные закономерности их пространственного распределения и получена геохимическая характеристика основных литологических разновидностей донных осадков, рассчитаны их средние химические составы. Изучение основных закономерностей пространственного распределения макро- и микроэлементов позволило рассчитать средний состав современных донных осадков оз. Байкал и провести его геохимическое сравнение с донными осадками седиментационных систем различного ранга с целью выявления сходных черт в характере современной седиментации. Впервые построена полиэлементная геохимическая карта-схема донных осадков (М 1:2 500 ООО) и проведена геохимическая классификация современных донных осадков оз.Байкал. Сделан вывод о пригодности ряда неорганических геохимических параметров донных осадков для реконструкции условий осадконакопления в оз.Байкал.

Защищаемые положения. 1. Современные донные осадки основных ландшафтно-морфологических единиц оз.Байкал, различающихся по условиям осадконакопления (составу пород источников сноса,

интенсивностью процессов биоседиментации, структуре водного стока), близки по петрохимическим и геохимическим характеристикам. Пространственные изменения в химическом составе донных осадков определяются механической дифференциацией терригенного обломочного материала и гомогенизацией его тонких фракций при переносе системой постоянных течений.

2. Процессы раннего диагенеза не оказывают значительного влияния на распределение породообразующих элементов, за исключением Мп, Р, 8 и некоторых редких элементов (Мо, Сс1, Си).

3. Распределение породообразующих и редких элементов в разрезе современного слоя донных осадков контролируется рядом факторов, из которых главная роль принадлежит изменению динамики эрозионных процессов в водосборном бассейне и как его следствие- темпов терригенной седиментации.

4. Распределение в вертикальном разрезе донных осадков петрохимических модулей (НМ, ММ, ТМ) является индикатором изменения интенсивности поступления осадочного материала. Практическая значимость работы. Результаты выполненных автором исследований используются для реконструкции изменений условий осадконакопления, путем изучения разреза донных осадков в рамках программы "Байкал-бурение", а также могут применяться для разработки методики геохимического картирования и мониторинга донных осадков оз. Байкал.

Методика работ. Исследования донных осадков оз. Байкал производились на методологической основе сочетающей традиционный подход к изучению поведения элементов в процессе бассейнового осадконакопления [135] с картографическим методом исследования, позволяющим получить представление о пространственных закономерностях химизма донных осадков и его связи с современными природно-климатическими условиями на водосборном бассейне и в самом водоеме. Для сравнительной характеристики химического состава донных осадков ландшафтно-морфологических единиц

озера, их различных литологических типов, особенностей распределения химических элементов в разрезе диагенетического профиля широко использованы средние составы, при расчете которых особое внимание уделено их представительности.

Вопросы терминологии. Большинство использованных в работе понятий и терминов соответствует их общепринятым значениям [34,131]. Требует пояснения выдвинутое в название работы определение "современный донный осадок". Под "современными" автор понимает донные осадки отложившиеся на протяжении субатлантического периода голоцена, начавшегося 2500 лет назад и длящегося в настоящее время. Правомерность такого подхода будет рассмотрена ниже.

Небесспорным является использование термина "петрохимия" применительно к осадочным породам, в том числе и донным осадкам. В этом случае позиция автора совпадает с позицией ряда, как российских, так зарубежных исследователей [48,124,140], по мнению которых литогенез является одним из этапов планетарного процесса петрогенеза и поэтому изучение осадочных пород следует проводить в рамках петрохимии.

Требуют пояснения широко использованные в работе термины: "седиментационный профиль" и "диагенетический профиль". Под "седиментационным профилем" автор понимает последовательную смену гранулометрических типов донных осадков по мере удаления от береговой черты в глубь озера. Диагенетический профиль отражает изменение физико-химических условий и фазового состава современного слоя донных осадков в их вертикальном разрезе, обусловленное влиянием процессов раннего диагенеза. Применение некоторых других терминов и понятий будет оговорено в соответствующих главах.

Фактический материал. В основу работы положены материалы полученные автором за период 1989-1994 г. Большая часть образцов донных осадков отобрана автором самостоятельно на 149 станциях во время экспедиций на борту НИС " Г.Ю.Верещагин" в 1989-1993 г.г. Схема расположения станций

отбора образцов донных осадков показана рис.1. Часть образцов отбиралась по просьбе автора участниками ряда других экспедиций. Кроме этого, некоторое количество образцов было любезно предоставлено автору сотрудником ЛИн СО РАН М.К.Шимараевой. Для изучения вещественной ' характеристики твердого речного стока были использованы образцы донных отложений из коллекции А.Е.Гапона (Институт геохимии СО РАН). В распоряжении автора было около 400 силикатных квантометрических анализов на породообразующие и некоторые редкие (Sr, Ва) элементы. Для определения Li,Rb,Cs, элементов группы железа, некоторых халькофильных элементов использовался атомно-абсорбционный метод анализа с различными вариантами атомизации на спектрометрах фирмы Перкин-Эльмер модели 403,405. В 40 образцах химико-спектральным методом произведено определение полного спектра редкоземельных элементов. Кроме того в работе использованы аналитические данные нейтронно-активационного определения редкоземельных элементов в донных осадках оз. Байкал любезно предоставленные А.И. Булнаевым (ИГТУ) [14]. Для изучения минералогического состава проводился качественный рентгеноструктурный анализ ( Институт геохимии СО РАН, Э.Ф. Чеснокова). Гранулометрический состав части образцов определялся определялся М.К. Шимараевой (ЛИн СО РАН). В 10 образцах донных осадков методом постадийных вытяжек изучено межфазовое распределение элементов группы железа и некоторых халькофильных элементов (А.Г. Арсентьева). Биогенный кремнезем, общий органический углерод определялись Л.Чином в Лаборатории стабильных изотопов Университета Южной Каролины (США) по общепринятым методам [6].

Краткая характеристика применяемых методов анализа приведена в табл. 1. В их выполнении участвовал большой коллектив сотрудников Института геохимии СО РАН: к.ф.-м.н. Т.Н.Гуничева, к.ф.-м.н. А.Л. Финкельштейн, к.ф.-м.н. A.C. Ветров (рентгено-флюорисцентный анализ), O.A. Пройдакова, О.В., Кохо О.В. Ларионова, Т.Н. Галкина (обогащение редкоземельных

Рис. 1. Схема опробования современных донных осадков оз. Байкал. 1-станции отбора проб донных осадков; 2- разрезы современного слоя донных осадков: 1 -ст. 282, 2- ст. 288, 3-ст. 295; 3- границы малого водосборного бассейна.

Таблица 1

Метрологические характеристики методов анализа некоторых компонентов (С-нижние границы определения, Зг- относительное стандартное отклонение воспроизводимости).

Компонент Метод С Зг

анализа вес. % %

К, Ыа

1Л, Сэ

КЬ

ЗЮ2

П02

А1г03

Ге203

МпО

М^О

СаО

Па<гО

К20

Ва

Зг

N1, Со

Сг

Си

2п

Зг V

РЬ, А£ Сс1 Се, Рг Ьа, Не!, Зш (М, ду, Ег Ьи Ей Но УЬ У

Фотометрия

пламени »»

Рентгено-флюоресцентный

Атомная абсорбция

Химико-спектральный

0.01 0.0001 0.00015 0.1 0.01 0.1 0.01 0.01 0.1 0.05 0.1 0.05 0.01 0.005 10*10~4 20*10~4

5*10' 10*10 50*10" 50*10

-4 -4

-4

0.005*10~4 0.03*10~4 20-30*10~4 5-10*10~4

5-10*10~4 1-3*10~4 1-2*10~4 0.5*10~4 0.8*10~4

5

10-15 10-15 0.7-20 5-20 2-20 1-20 5-20 7-20 2-20 3-20 1-20 5-25 5-25 1-30

19-31 15-35

23-33 13-39 17-43 9-13

20-33

элементов, общая сера),к. ф.-м. н. Е.В. Смирнова (редкоземельные элементы) к.ф.-м.н. А.И. Кузнецова (эмиссионный спектральный анализ).

Для статистической обработки результатов исследований использовался программный комплекс "Оу^аП" (автор к.г.-м.н. И.С. Перетяжко).

Для построения геохимических карт использовалась "Автоматическая система обработки геохимической информации методом многомерных полей" (авторы В.Н. Евдокимова, С.Е. Сыклен и др., построение карт А.Г. Анишкова).

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю член-корреспонденту РАН М.И. Кузьмину за советы, консультации и критические замечания. Автор искренне признателен за активную помощь и поддержку на

всех этапах работы докторам геол.-мин. наук [В.Д. Пампуре } и И.С. Ломоносову.

Большую помощь в сборе полевых материалов автору оказали сотрудники ЛИН СО РАН к.г.н. Е.Б. Карабанов,к.г.н. Л.З. Гранина, М.К. Шимараева при содействии директора Лимнологического Института член-корреспондента РАН М.А. Грачева.

В период работы автор пользовался консультацией сотрудников Института геохимии СО РАН докторов геол.-мин. наук B.C. Антипина, З.И. Петровой, П.В. Коваля, кандидатов геол.-мин. наук В.А. Бычинского, И.С. Перетяжко, С.И. Дриля, A.B. Полозова, к.ф.-м.н. Л.М.Галкина и профессора Д.Ф. Вильямса (Университет Южной Каролины, США).

Всем названным коллегам, а также коллективу Отдела проблем прикладной геохимии, автор выражает искреннюю признательность.

ГЛАВА 1. ФАКТОРЫ КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СОВРЕМЕННЫХ ДОННЫХ ОСАДКОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ.

Химический состав донных осадков контролирует большое число факторов [130], которые можно разделить на две группы. Первая включает состав пород водосборного бассейна, тектонический режим, выветривание и перенос обломочного материала. В свою очередь, на характер и интенсивность процессов выветривания и транспортировки обломочного материала оказывают влияние климатические условия. Кроме того, процессы осадконакопления в водоеме, в значительной мере определяются структурой водного стока, его качественными и количественными параметрами.

Вторая группа объединяет факторы, определяемые условиями осадконакопления в водоеме и процессы постседиментационного изменения донных осадков: подводные ландшафты, гидродинамический режим, скорости осадконакопления, характер и интенсивность процессов раннего диагенеза. Из перечисленных факторов независимы (неравновесны)- только состав пород * источников сноса и климат [130]. Связи между другими опо�