Реконструкция палеоэкологических условий по изотопным сигналам в донных отложениях озера Большое Еравное (Забайкалье)

Донные отложения являются ценным палеоархивом, формирующим непрерывную летопись осадконакопления на протяжении всей истории озера. Содержащееся в них органическое вещество (ОВ) представляет собой сложную смесь соединений, образованных как автохтонными организмами, обитающими непосредственно в водной среде озера, так и аллохтонными источниками, поступающими извне. В последнее время для выявления источников ОВ применяется биохимическая реконструкция его исходного состава на основе соотношений стабильных изотопов углерода (δ¹³C) и азота (δ¹⁵N) с надежно датированными данными [Boutton, 1996; Andersson et al., 2012; Andreeva et al., 2011, 2013; Doyle et al., 2022].

Ключевым фактором природного варьирования изотопного состава углерода (δ¹³C) в ОВ является фракционирование изотопов в процессе фотосинтеза. Различия в механизмах фиксации углерода позволяют выделить три типа метаболизма растений: С3 (большинство деревьев и трав умеренного климата), С4 (растения засушливых зон) и CAM (суккуленты). Для характеристики ОВ озерных отложений апробирован комплекс индексов [Meyers, Ishiwatari, 1993]. К одним из таких индексов (приближенная оценка) относится соотношение С/N, используемое для разделения аллохтонных и автохтонных источников углерода. Автохтонное ОВ характеризуется значениями C/N в диапазоне 4–12, а для ОВ наземных растений — превышающими 15 [Meyers, 1994].

Дополнительным диагностическим параметрам может служить индекс соотношения гранулометрических фракций 20–63/2–6 мкм, отражающий динамику гидродинамического режима озера. Послойное изменение распределения фракций по крупности отражает смену цикла высокой и низкой активности гидрологического режима седиментации.

Таким образом, комплекс получаемых данных дает возможность одновременно оценивать изменения климата и тип растительности, детально воспроизводя спектр факторов, влиявших на формирование осадков.

Комплексные подходы к изучению донных отложений успешно применяются во многих озерах Европы и Азии [Mackay et al., 2012; Dong et al., 2022; Prochnow et al., 2024]. Байкальский регион благодаря уникальной непрерывной осадочной летописи озера Байкал, охватывающей изменения климата и природной среды Центральной Азии за последние 8 миллионов лет, также служит опорным объектом для палеоклиматических реконструкций в Сибири [30 лет программе «Байкал-бурение», 2020; Prokopenko et al., 2001; Demske et al., 2005; Безрукова и др., 2022; Fedotov et al., 2023]. Однако для решения ряда конкретных вопросов, требующих данные более высокого разрешения, чувствительных к кратковременным изменениям среды, в качестве ключевых объектов исследования привлекают малые озера. Эти водоемы в силу своих небольших размеров и глубины являются менее консервативными системами по сравнению с крупными и более чутко реагируют на быстрые климатические колебания.

На территории Юго-Восточной Сибири отложения малых озер изучались преимущественно с позиций палинологии, диатомового анализа и общей геохимии. К ним относятся озера Цаган-Тырм [Скляров и др., 2010], Арахлей [Решетова и др., 2013], Большие Тороки, Очки и Котокель [Леонова и др., 2019], Долгое [Солотчина и др., 2017], а также Черное, Духовое и Большое Еравное [Тарасов и др., 2002]. Возраст большинства полученных для этих озер осадочных записей не превышает 14 тыс. лет. Исключение составляют исследования керна оз. Котокель, послужившего основой для уникальной в регионе непрерывной (по диатомовым водорослям) реконструкции ландшафтов и климата за последние 48 тыс. лет [Bezrukova et al., 2010], а также керна оз. Баунт. Возраст основания последнего, установленный радиоуглеродным датированием, достигает 28–30 тыс. лет. Для этого разреза получены детальные петромагнитные записи и данные по содержанию биогенного кремнезема [Крайнов и др., 2018], а также вариации изотопов кислорода в диатомовом кремнеземе (ẟO18диатом) [Harding et al., 2020]. Тем не менее ни один из этих кернов не изучался с целью реконструкции природных условий по изотопным сигналам ОВ.

В данном контексте настоящее исследование обладает научной новизной, поскольку впервые для южной внутриконтинентальной территории Забайкалья представлена реконструкция природных условий по изотопу углерода ОВ в донных отложениях, охватывающая временной интервал около 38 тысяч лет — одну из наиболее продолжительных записей для малых озер Байкальского региона.

Цель работы — реконструкция природных условий озера Большое Еравное на основе вариаций изотопного состава органического вещества и гранулометрических характеристик его донных отложений.

Материал и методы

Объектом исследования выступили донные отложения озера Большое Ерав-ное — крупнейшего водоема Еравнинской котловины с площадью 104 км² (рис. 1). Озеро характеризуется небольшой глубиной, не превышающей 5 м. Его донные отложения представлены осадками аллювиальной и озерно-аллювиальной фаций, которые слагают основную часть современного осадочного чехла квартера. Район исследования расположен в пределах Витимского плоскогорья (900–1 000 м над ур. м.) с резко континентальным климатом (среднегодовая температура составляет -4,1°C, осадки 300 мм). Геологическая основа котловины сложена магматическими и метаморфическими породами.

Рис. 1. Карта-схема оз. Большое Еравное и место отбора проб

Керн был отобран со льда озера в апреле 2015 г. с использованием ручного поршневого керноотборника. Длина керна составила 200 см при глубине воды в точке отбора 2,6 м. В полевых условиях пробы отбирались непрерывно с шагом 5 см для последующей лабораторной пробоподготовки.

Литологическое описание керна позволило установить следующую стратиграфическую последовательность (сверху вниз): верхние 50 см сложены темнокоричневыми сапропелями; в интервале 50–130 см залегают тонкослоистые алевриты темно-серого и зеленоватого оттенков; на глубине 130–170 см наблюдается чередование алевритовых слоев и прослоев мелкозернистого песка сероватого цвета с включениями гравия; основание керна (170–200 см) представлено плотными темно-серыми алевритами.

Для хронологической привязки было выполнено радиоуглеродное датирование ¹⁴C методом ускорительной масс-спектрометрии (AMS) на системе MICADAS в Бернском университете (Швейцария) [Szidat et al., 2014]. Использовались образцы ОВ, отобранные на глубинах 30, 130 и 195 см. Калибровка радиоуглеродных возрастов проведена по международной кривой IntCal20 с использованием программы Calib 8.2. [Reimer et al., 2020].

Гранулометрический состав определялся лазерно-дифракционным методом с помощью Analysette-22 (Fritsch, Германия) в Байройтском университете (Германия). Там же были определены общий углерод, азот на элементном анализаторе Vario EL (Elementar, Hanau) и их изотопный состав на масс-спектрометре Delta-S (IRMS) с интерфейсом Conow III (Thermo193 Finnigan MAT, Bremen). Изотопный состав углерода выражен в тысячных долях отклонения от международного стандарта (δ13С‰) и рассчитан по уравнению:

δ (‰) = (Rобразец/Rстандарт – 1) × 1000, где R — изотопные отношения 13C/12C.

Результаты и обсуждение

Керн донных отложений озера Большое Еравное, отобранный с южного побережья, охватывает хронологический интервал, оцениваемый по трем AMS ¹⁴C-да-тировкам в 38,4 тыс. лет. Трех радиоуглеродных датировок недостаточно для построения непрерывной возрастной модели всего керна. Это объясняется сложным характером осадконакопления в Еравнинской котловине, где, вероятно, имели место перерывы в седиментации и существенно варьировали ее скорости из-за высокой чувствительности системы к климатическим колебаниям и изменениям уровня озера. Тем не менее полученные нами данные использованы для предварительной реконструкции хронологии осадконакопления в озере (рис. 2).

Слои озерных отложений обогащены органическим углеродом (Сорг.), содержание которого варьирует от 3,9 до 16,2 %. Диапазоны значений отношения C/N (12–19) и δ¹³С (–26,1…–19,5 ‰) отражают динамическую изменчивость аллохтонных и автохтонных пулов ОВ с различной степенью минерализации. Изотопный состав Сорг. указывает на доминирование растительности С3-типа. Величина δ¹³C для наземных С3-растений варьируют в пределах с –32 до –22 ‰, а для пресноводного фитопланктона с –35 до –20 ‰.

Соотношение фракций 20–63/2–6 мкм варьирует от 0,4 до 6,9 и свидетельствует о неоднородной гидродинамической активности в бассейне озера.

На основе комплексного анализа гранулометрического состава, содержания углерода и азота и их изотопных соотношений было выявлено несколько фаз осадконакопления, отражающих отклик экосистемы на климатические изменения.

Нижняя часть керна ~200 см (не достигающая фактического дна озера) сложена осадками каргинской стадии, которую ряд исследователей интерпретирует как климатический оптимум внутри позднеплейстоценового оледенения с относительно теплым и влажным климатом. Это подтверждается данными по высокой концентрации диатомей в кернах из озера Байкал [Prokopenko et al., 2001; Swann et al., 2005; Mackay et al., 2022], изотопным и спорово-пыльцевым составом из почв и отложений Байкальского региона [Воробьева и др., 2015; Kravchinsky et al., 2021; Tarasov et al., 2021; Голубцов и др., 2024]. Полученные нами данные также свидетельствуют, что нижние слои формировались в благоприятных условиях с участием древесно-кустарниковых растений. Вероятно, происходило заболачивание берегов озера с доминированием прибрежно-водной растительности. Об этом говорят повышенное содержание Сорг. (5,1%), облегченное значение δ¹³С (–26,1 ‰) и высокое отношение C/N (15) (рис. 2). Возможно, в каргинское время озеро имело границы, сходные с современными, не было полноводным, что подтверждается низким значением индекса фракций — 0,8, указывающим на спокойную гидродинамическую обстановку.

Вышележащий слой (190–180 см), вероятно, соответствует эпохе последнего ледникового оледенения плейстоцена (LGM). Значение соотношений фракций, равное 0,4, является самым низким во всей гранулометрической записи керна, что может указывать на длительный период ледового покрова. Как известно, ледовый покров подавляет развитие достаточно сильных течений в малых озерах, препятствуя переносу крупнозернистого материала [Asikainen et al., 2007]. Климат в этот период был холодным и сухим. Отношения C/N (16 и 15) указывают на отсутствие существенных изменений в источниках ОВ, которыми на протяжении всего периода оставалась преимущественно наземная (древесно-кустарниковая) растительность. Однако наблюдаются некоторое утяжеление δ¹³С (до –23 ‰) и снижение содержания Сорг. (в среднем 4,5 %), свидетельствующие о незначительном вкладе фитопланктона. Последний использует в метаболизме более тяжелый бикарбонат-ион (HCO₃⁻), что связано со снижением концентрации растворенного CO₂ в воде.

Рис. 2. Стратиграфическая колонка керна с основными геохимическими показателями донных отложений оз. Большое Еравное

В интервале глубин керна (170–140 см) наблюдается постепенный рост содержания Cорг. и C/N. В отложениях данного интервала, маркирующего переход плейстоцен — голоцен, предположительно зафиксировано два климатических события: Аллеред (BA, ~160 см) и Поздний дриас (YD, ~140 см). Однако из-за отсутствия надежных радиоуглеродных датировок эта интерпретация остается неподтвержденной и основывается на косвенных данных нашего исследования. Некоторое смягчение и увлажнение климата в Еравнинской котловине около 13,9–12,7 тыс. лет назад, когда проявились вышеперечисленные кратковременные изменения климата Северного полушария, показывают данные палинологического анализа из археологической стоянки Красная Горка, расположенной на противоположной стороне озера Большое Еравное [Tsydenova, 2017]. Потепление подтверждается и нашими данными: о преобладании автохтонного ОВ свидетельствуют низкое отношение C/N (12) и изотопный сигнал δ¹³С (–22,9 ‰), а также высокое содержание (более 70 %) крупной фракции (> 63 мкм) песка. С потеплением увеличиваются количество атмосферных осадков и таяние многолетней мерзлоты, что в совокупности усиливает эрозионную активность и транспортирующую способность речных систем [Безрукова и др., 2022]. Утяжеление δ¹³С наряду с наличием грубообломочного материала может отражать не только увеличение продуктивности фитопланктона, но и интенсивное поступление в озеро бикарбонатных вод. Теплые события в начале переходного периода прерываются фазой похолодания — вероятно, поздним дриасом. Для этой фазы характерны утяжеление значений δ¹³C (до –21,3 ‰) и резкое увеличение отношения C/N (до 16), что свидетельствует о преобладании аллохтонного источника ОВ. Изотопные сигналы позволяют предположить, что в холодных и аридных условиях вблизи озера доминировали кустарниковые и травянистые тундры с островками лесотундровой растительности. Аналогичная ситуация в растительных сообществах реконструирована для этого периода в Беклемишевской котловине Витимской таежно-плоскогорной провинции [Решетова и др., 2013].

Следующая фаза седиментации на глубине от 130 до 30 см соответствует раннему голоцену, которая в рамках нашего исследования привязана к хронологической шкале в интервале от 11,5 до 9,9 тыс. лет назад. Для данного интервала характерны лавинные скорости седиментации, которые обусловили интенсивный смыв ОВ с берегов в озерную котловину. Это, в свою очередь, привело к резкому росту биопродуктивности, что находит отражение в стабильно высоких значениях Cобщ. в верхней части разреза, достигающих в среднем 12,5 %. Для данной фазы характерна высокая динамика всех показателей. Значения δ¹³С варьируют от –24,3 до –20,2 ‰, а соотношение C/N демонстрирует значительные колебания (от 12 до 19), что указывает на постоянную смену доминирующих источников ОВ — от автохтонного к аллохтонному и обратно. Гранулометрический состав остается стабильно высоким (> 2,9 с пиками до 6,9), что свидетельствует о сохранении активного гидродинамического режима и периодическом усилении эрозионных процессов. Эта нестабильность, вероятно, отражает климатическую изменчивость раннего голоцена с чередованием более влажных и аридных фаз, что в целом согласуется с палеоклиматической летописью Еравнинской котловины [Тарасов и др., 2002].

Таким образом, изученный керн представляет собой ценную, но прерывистую седиментационную летопись развития котловины за последние ~38 тыс. лет, требующую для детальной хроностратиграфической интерпретации дополнительных датировок, а также дополнительных (например, биомаркерных) анализов.

Заключение

Комплексный анализ изотопного состава, отношений C/N, Cорг. и гранулометрических характеристик донных отложений озера Большое Еравное позволил реконструировать природные условия Еравнинской котловины на протяжении около 38 тысяч лет. Полученная запись, охватывающая период от каргинского интерстадиала до среднего голоцена, позволила выделить четыре основные фазы осадконакопления.

Фаза каргинского интерстадиала (38,4 тыс. л. н.) характеризуется теплыми и влажными условиями, благоприятствовавшими поступлению аллохтонного ОВ с водосбора, что впервые фиксирует этот теплый этап в седиментации котловины.

Фаза последнего ледникового максимума (LGM) отражает холодные и аридные условия, выразившиеся в угнетении биопродуктивности и экстремально низкой гидродинамической активности, указывающей на длительный и устойчивый ледовый покров.

Наиболее резкие изменения наблюдаются в переходной фазе от плейстоцена к голоцену, где скачкообразное усиление гидродинамической активности интерпретируется как прямой отклик на деградацию многолетней мерзлоты и увеличение увлажнения, а колебания источников ОВ соотносятся с кратковременными палеоклиматическими событиями (возможно, Аллерёд и Поздний дриас).

Голоценовая фаза отличается высокой динамичностью всех показателей, отражая чередование климатических режимов этого периода. На всем изученном интервале формирование ОВ происходило при доминировании растительности С3-типа, однако соотношение аллохтонных и автохтонных источников, а также активность седиментации существенно менялись, выступая надежными индикаторами смены палеоклиматических обстановок.

Таким образом, исследование значительно расширяет пространственный охват палеогеографических реконструкций в Байкальском регионе. Это свидетельствует о том, что мелководные внутриконтинентальные озера Забайкалья способны сохранять длительные и информативные летописи, которые чутко реагируют на глобальные климатические тренды. Полученные данные встраиваются в общерегиональную палеоклиматическую схему и подчеркивают необходимость дальнейшего поиска и изучения подобных протяженных озерных архивов.