О надежности палеотемпературно-изотопных уравнений Васильчука и становлении изотопной палеогеокриологии

Работа выполнена в рамках фундаментальной госбюджетной темы "Эволюция, современное состояние и прогноз развития береговой зоны Российской Арктики (ГЗ), номер ЦИТИС: 121051100167-1.

Введение

30 лет назад Ю.К. Васильчуком в его докторской диссертации и вышедшей следом монографии была опубликована концепция палеоклиматических реконструкций по сингенетическим повторно-жильным льдам благодаря чему сформировалось целое научное направление - изотопная геокриология. Впервые он получил датированные по радиоуглероду детальные изотопные диаграммы полигонально-жильных комплексов 1982 г.^[1] Всего c 1975 по 2021 гг. он лично опробовал и изучил более 50 опорных разрезов от Воркуты до Уэлена, что обеспечило возможность прямого хронологического сопоставления изотопных записей подземных и наземных льдов и их надёжную возрастную привязку для периода более чем в 40 тыс. лет.

В этой статье авторы хотели бы оценить вклад проф. Васильчука в развитие изотопной геокриологии, а также подтвердить надежность палеогеокриологических реконструкций, основанных на изучении изотопного состава полигонально-жильных (повторно-жильных) льдов (ПЖЛ).

Cоответствие среднезимней и среднеянварской температуры воздуха изотопному составу кислорода жильных ростков

Впервые понятие о сингенетическом формировании клиновидных льдов в геокриологическую терминологию ввел Г. Гальвиц в 1949 г.^[2]. После того, как А.И. Попов^[3,4] сформулировал гипотезу о сингенетическом накоплении мощных ледяных жил в аллювиальных отложениях, а Б.Н. Достовалов^[5] рассчитал возраст ледяных жил, интерес к ним сильно вырос. Отложения с повторно-жильными льдами активно изучались, однако, по мере накопления данных из-за разочарования в возможностях прочтения палеогеографической информации, заключенной в ПЖЛ в конце 70-х и в 80-е годы ХХ века интерес к изучению сингенетических повторно-жильных льдов заметно угас. И даже очень яркая монография Н.Н. Романовского^[6], изданная по материалам его докторской диссертации, не вернула интерес к сингенетическим ПЖЛ. Определенным ренессансом в этой области можно считать открытие прямой зависимости между изотопным составом ростков современных ледяных жил и среднеянварской температурой воздуха, которое сделал Ю.К. Васильчук в период с 1981 по 1989 гг. Это открыло широкую перспективу для изучения голоценовых и позднеплейстоценовых сингенетических ПЖЛ, как надежного палеоклиматического архива. В отличие от ледниковых кернов сингенетические повторно-жильные льды содержат исключительно зимний палеотемпературный сигнал. Изучение стабильных изотопов в повторно-жильных льдах Ю.К. Васильчук начал в 1981 г. когда получил первые данные по содержанию ¹⁸О в повторно-жильных льдах едомы в устье р. Сеяха с помощью В.А. Полякова и Л.Н. Крицук на масс-спектрометре ВСЕГИНГЕО. Первая изотопная диаграмма^[1] из 9 образцов была получена в сентябре 1982 г. при содействии Л.Д. Сулержицкого и А.Д. Есикова. Измерения велись на масс-спектрометре Института Водных проблем АН СССР. Одновременно по этому разрезу был получен ряд ¹⁴С датировок в радиоуглеродной лаборатории ГИН АН СССР. Эта первая датированная изотопная диаграмма по сингенетическим повторно-жильным льдам была опубликована спустя 2 года в ДАН^[1]. В дальнейшем Ю.К. Васильчуком была развернута работа по изотопному исследованию сингенетических повторно-жильных льдов в других районах криолитозоны. Все образцы льда из ледяных жил для изотопного анализа и органического материала для датирования отбирались им собственноручно. При отборе образцов из мощных жил всегда использовалось правило: детальный отбор по вертикали не реже чем через 1 м (позже интервал был сокращен до 0,5 м и даже до 0,1 м), и, одновременно, детальный отбор по горизонтали, там, где имеются признаки сингенеза, например, выраженные «плечики». В период 1982-1988 гг. было опробовано несколько десятков разрезов в Западной Сибири, Якутии, Забайкалье и на Чукотке: Гыда (1983 г.), Матюй-Сале (1983 г.) Зеленый Мыс (1983-1988 гг.), Плахинский Яр, Омолон и Дуванный Яр (1984 г.), Мамонтова Гора и Быковский п-ов (1985 г.), Анадырь, о.Айон и Кулар (1986 г.), оз.Коолень, Ледовый обрыв и Усть-Алганский разрезы на р.Майн (1987 г.), Чара (1988 г.) и др. Выполнение анализа стабильных изотопов кислорода производилось на современных масс-спектрометрах Института водных проблем РАН, Института геологии (Таллин), Хельсинского университета, геологической службы Нижней Саксонии (Ганновер), лаборатории "Арсенал" (Вена). Помимо детального отбора позднеплейстоценовых и голоценовых ПЖЛ Ю.К. Васильчуком одновременно решалось несколько принципиальных задач. Во-первых, была теоретически оценена скорость диффузии и обоснована сохранность изотопного сигнала в течение сотен тысяч лет в повторно-жильных льдах ^[7,8]. Во-вторых, велся поиск основы для интерпретации изотопных данных в палеоклиматическом аспекте. Для сравнения во всех точках опробования и, особенно вблизи полярных метеостанций, исследовались ростки современных жильных ростков на севере Западной Сибири, в Якутии, Забайкалье, Магаданской области и на Чукотке. Уже в середине 1988 г. основная часть программы по полевому опробованию современных ростков, голоценовых и плейстоценовых ледяных жил на огромной территории от Ямала до Восточной Чукотки была закончена. До настоящего времени эта коллекция является самым представительным массивом данных по изотопному составу жильных ростков для криолитозоны России. Впоследствии эти данные были использованы в качестве основного ядра изотопно-температурных расчетов М.А.Коняхиным^[9], В.А.Николаевым и Д.В.Михалевым^[10], Х. Майером^[11], И.Д.Стрелецкой^[12], Г.В. Облоговым^[13]. Надо отметить, что в уравнениях Ю.К. Васильчука также учтены результаты изотопных исследований, выполненных в конце 80-х годов А.А. Архангеловым, М.А. Коняхиным, Д.В. Михалевым.

Первые 2-3 года интерпретация изотопных данных производилась Ю.К. Васильчуком по уравнениям В. Дансгора^[14], однако уже к 1985 г. ему стало ясно, что необходимо получение физически более обоснованных уравнений применительно к изучаемому объекту, поскольку у В. Дансгора изотопные данные преобразуются в среднегодовые температуры, а для ПЖЛ температуры и осадки летнего сезона незначимы. Поэтому для сравнения с изотопным составом кислорода в ПЖЛ были выбраны температурные характеристики зимнего сезона: сумма среднесуточных температур ниже 0^оС – типичная метеорологическая характеристика, приводимая во всех климатических справочниках, (количество суток в справочниках также приводится); среднезимняя температура была рассчитана как отношение суммы среднесуточных температур ниже 0^оС, к количеству дней с отрицательной температурой– т.е. расчет среднезимней температуры относится не к календарной зиме, а к температурной; в качестве еще одной важной характеристики была выбрана среднеянварская температура, как средняя за период наблюдений температура самого холодного месяца (в некоторых точках, где февральская температура ниже, то не января, а февраля). Для этого использовались данные по 250 станциям из Справочника по климату СССР^[15] . Для анализа были выбраны температурные ряды тех метеостанций, которые находились ближе всего к точкам отбора современных жильных ростков. Ю.К.Васильчуком было установлено эмпирическое соответствие среднезимней и среднеянварской температуры изотопному составу кислорода жильных ростков для всех регионов, в которых был исследован изотопный состав жильных ростков. Поскольку жильные ростки формируются примерно 50-100 лет, в 80-е годы это совпадало с периодом функционирования полярных станций, основанных в начале 30-х годов ХХ века и метеонаблюдений в наиболее крупных городах, расположенных в криолитозоне - Якутск, Салехард, и др., т.е. анализировались температурные ряды метеостанций длительностью 100-50 лет, реже анализировались температурные ряды длительностью 30 лет. Ю.К. Васильчуком были проанализированы эти 3 параметра для 250 метеостанций, расположенных на территории криолитозоны России. К 1989 г им была построена карта распределения величин δ¹⁸О в современных жильных ростках, формировавшихся приблизительно 50-100 лет, выполнено сравнение значений δ¹⁸О с зимними температурами приземного слоя воздуха, рассчитаны эмпирические уравнения, связывающие среднеянварскую, среднезимнюю, и сумму среднезимних температур с изотопным составом современных жильных ростков. Эти результаты вместе с полученными к этому времени палеотемпературными реконструкциями для ключевых этапов голоцена и позднего плейстоцена были доложены Ю.К. Васильчуком на III конференции «Изотопы в гидросфере» в Каунасе в 1989 г.^[16] и опубликованы в журнале «Водные ресурсы» в 1990 г. (версия на русском)^[17], и в 1991 (версия на английском)^[18]. В 1991 г. эти материалы были обобщены в докторской диссертации «Позднечетвертичные синкриогенные толщи севера Евразии: Строение, изотопно-кислородный состав и условия формирования»^[19], которая была блестяще защищена в Якутске в Институте мерзлотоведения 29 октября 1991 г. Оппонентами были проф. Н.Н. Романовский, проф. Б.И. Втюрин и проф. С.М.Фотиев. По результатам выполненной работы было сформировано новое научное направление - изотопная палеогеокриология. Установлена длительная сохранность изотопно-кислородного состава в подземных льдах на протяжении десятков тысяч лет, обусловленная относительно незначительным обменом изотопов кислорода под действием самодиффузии^[7].

Палеотемпературные карты для ключевых периодов позднеплейстоценового криохрона

Заключительный этап позднего плейстоцена - период 40-10 тыс. лет назад - был вперые выделен Ю.К.Васильчуком как единый криохрон с очень суровыми зимами, внутри которого осцилляции температур воздуха и мёрзлых толщ были незначительны. Был определен тренд распределения изотопа кислорода-18 в ледяных жилах различного возраста на севере Евразии. Было установлено, что в позднеплейстоценовых повторно-жильных льдах тренд изменений значений δ¹⁸О был подобен современному: величина δ¹⁸О уменьшается при продвижении с запада на восток на 8-10‰, от -19 до -25‰ в западно-сибирских полигонально-жильных системах до -30, -35‰ в северо-якутских, а затем вновь возрастает на 2-3‰: до -28, -33‰ на севере Чукотки и на 6-8‰, до -23, -29‰ на востоке Чукотки^[19]; в голоценовых повторно-жильных льдах сохранилась та же тенденция распределения значений δ¹⁸О - уменьшение на 6-8‰ на восток: от -14, -20‰ в западно-сибирских полигонально-жильных системах до -23, -28‰ в северо-якутских, однако существенно положительнее стали значения δ¹⁸О в ледяных жилах на Чукотке: до -15, -21‰^[19]. В результате было определено, что характер воздушного переноса на большей части евроазиатской Субарктики в конце позднего плейстоцена был подобен современному, преобладал западный перенос воздушных масс^[19]. Влияние Атлантики (на всем пространстве от Ямала до северной Якутии) было существенным, хотя и несколько слабее современного. В самых восточных районах (Чукотка) влияние тихоокеанских воздушных масс было заметно меньше современного. Было установлено, что сопоставление изотопного состава повторно-жильных льдов со среднегодовыми температурами не соответствует процессу формирования повторно-жильных льдов т.к. весь летний сезон морозобойные трещины закрыты или залиты попавшей в них замерзшей водой. Разработан новый сценарий эволюции температуры воздуха и мерзлых толщ в верхних горизонтах криолитосферы в позднечетвертичное время на основании данных, полученных при использовании сопряжённого изотопно-палеогеокриологического анализа: - массовые данные палинологических (более 2000), радиоуглеродных (около 400) и изотопно-кислородных определений (более 1500) послужили основой для составления новой шкалы палеоклиматических изменений на севере Евразии для последних 40 тысяч лет^[19]. Ю.К. Васильчук довел исследования до очень важного результата - до стадии реконструкции палеотемператур на ключевые периоды позднего плейстоцена (рис. 1). Отметим, что полученные позже данные разных авторов[20-30 и др. ] по изотопному составу повторно-жильных льдов все без исключения вписываются в распределение палеотемпературы в пределах криолитозоны, впервые полученное Ю.К.Васильчуком^[19].

Рис. 1. Карта распределения реконструированной среднеянварской температуры для ключевых периодов позднеплейстоценового криохрона: а – 30-28 тыс. лет назад; б – 24-22 тыс. лет назад. Из учебника Ю.К. Васильчука и В.М. Котлякова^[31]. Цифры на карте: в знаменателе - величина δ¹⁸О, в числителе - реконструированная температура

Результаты этих исследований были столь новы, что потребовалась длительная экспертиза на кафедре мерзлотоведения с участием приглашенных специалистов. Работа Ю.К. Васильчука была поддержана ведущими учеными криолитологами и геокриологами: И.Д. Даниловым, Т.Н. Каплиной, К.А. Кондратьевой и другими выступавшими. На защите диссертации также возникла дискуссия, был отмечен интерес к работе не только крупнейших советских ученых-изотопистов и геокриологов: Я-М Пуннинга, А.В. Раукаса, В.И. Соломатина, В.В. Рогова, С.М. Фотиева, В.И. Втюрина, Н.Н. Романовского, Т.Н. Каплиной, но и мэтров зарубежной геокриологии Дж. Росс Маккая, А.Л. Уошборна, Э. Костера, которые прислали положительные отзывы, где отмечалось, что, к сожалению, для криолитозоны в Канаде и США на тот период подобных работ не проводилось. К сожалению, их нет и до сих пор, хотя работы в этом направлении ведутся.

Обсуждение изотопно-температурных соотношений с Росс Маккаем, Уошборном и Дансгором

Выдающийся канадский геокриолог, профессор Росс Маккай из Университета Британской Колумбии в отзыве на автореферат докторской диссертации Ю.К. Васильчука (рис. 2, а) написал: "Я читал английский вариант автореферата Ю.К. Васильчука. По моему мнению, применение изотопного состава для расчета геотемператур для последних 40 тысяч лет очень важно и в работе продемонстрировано очень убедительно. Я бы хотел подчеркнуть два факта. Первое: хотя я и хорошо знаком с литературой по изотопии, я не являюсь авторитетом в этой области. Второе, географически область моих исследований - Канадская Арктика, а не Северная Евразия. По-моему, рисунок 1, который суммирует огромное количество данных (рис. 3) показывает очень близкую взаимосвязь между δ¹⁸О в ледяных жилах и зимними температурами очень интересен. Так же можно прокомментировать другие рисунки и таблицы. Расчет прошлых зимних температур по данным изотопного анализа является наиболее значительным вкладом автора. Сопоставимых данных или исследований такого направления по Северной Америке не существует. Вкратце резюмируя: на меня произвели впечатление и вклад автора и выполненные им исследования. Я надеюсь вскоре увидеть эту диссертацию опубликованной".

Выдающийся американский геокриолог, профессор А.Л. Уошборн из Центра четвертичных исследований Вашингтонского Университета в отзыве на автореферат докторской диссертации Ю.К. Васильчука (рис. 2, б) написал следующее: "Я считаю, что исследования региональных колебаний изотопов кислорода в ледяных жилах потенциально очень перспективны в геокриологии. Хотя я не геохимик, но я в состоянии оценить методологические аспекты обширной работы Ю.К.Васильчука по Северной Евразии. Я уверен, что результаты этого основательного исследования охватывающего обширнейший регион будут важны не только для геокриологии, но также внесут значительный вклад в изучение четвертичного периода в целом. Они также имеют особо важное значение для международных программ связанных с глобальными климатическими изменениями. Я желаю доктору Васильчуку успехов".

Рис. 2. Отзывы проф. Росс Маккая (а) и проф. А. Уошборна (б) на автореферат диссертации Ю. К. Васильчука "Позднечетвертичные синкриогенные толщи севера Евразии: строение, изотопно-кислородный состав и условия формирования"^[32]

Рис. 3. Рисунок 1 из автореферата докторской диссертации Ю.К. Васильчука ^[32] (1991), на который ссылается проф. Дж. Росс Маккай

С профессором Дж. Россом Маккаем Ю.К. Васильчук встречался лично, во время его визита в Москву. С ним удалось обсудить проблему отбора образцов из повторно-жильных льдов в связи с процессами растрескивания и заполнения трещин. Профессор Дж. Росс Маккай изучал процессы растрескивания в течение многих полевых сезонов и поэтому обсуждение данного вопроса его заинтересовало. В результате дискуссии вертикальный отбор повторно-жильных льдов был признан гораздо более информативным по сравнению с горизонтальным в целях изотопной индикации палеотемпературных условий, принимая во внимание, что растрескивание не всегда происходит в осевой части жилы. Ю.К. Васильчуком была разработана процедура отбора образцов из крупных ледяных жил, в которой сочетался и вертикальный и горизонтальный отбор. Вертикальный отбор производится вдоль осевой части ледяной жилы, а горизонтальный на уровнях выраженных поясковых структур.

Палеотемпературная интерпретация изотопного состава кислорода повторно-жильных льдов обсуждалась с наиболее компетентным ученым в области изотопных исследований – с проф. Дансгором. В 1995 г. проф. Васильчук специально поехал на конференцию в г. Рос Килле (Дания), посвященную изотопным исследованиям, на которую почетным гостем был приглашен профессор Вилли Дансгор (рис. 4). Именно тогда у Ю.К. Васильчука появилась возможность представить палеотемпературную интерпретацию изотопного состава повторно-жильных льдов наиболее компетентному исследователю в этой области.

Рис. 4. Конференция в Роскилле (дат. Roskilde), 1995 (Дания ), слева направо М. Дансгор, В. Дансгор, Ю. Васильчук, А. Васильчук

Рис. 5. В. Дансгор и Ю. Васильчук в низкотемпературной камере института Нильса Бора с керном GRIP

Проф. Дансгор пригласил Ю.К. Васильчука для дальнейшей дискуссии и демонстрации керна GRIP (рис. 5) и уникального масс-спектрометра (рис. 6) в институт им. Нильса Бора.

Рис. 6. В. Дансгор и Ю. Васильчук рядом с масс-спектрометром в лаборатории Отдела геофизики Института им. Нильса Бора в Университете Копенгагена. Этот прибор позволяет измерять более 180 образцов в сутки, на нем выполнены более сотни тысяч определений стабильных изотопов из ледников Гренландии (например, только из керна Саммит – более 50 тыс. образцов, а из керна Дай-3 - 60 тыс. образцов). В центре снимка система пробоподготовки, позволяющая также измерять одновременно 8 эталонов, что делает измерения исключительно точными.

В ходе дискуссии проф. Дансгор задал вопрос, почему бы не использовать его уравнение^[14] для интерпретации изотопного состава ПЖЛ. Но потом, он полностью согласился с тем, что ледяные жилы являются результатом осадков зимнего сезона, а его уравнения посвящены сопоставлению среднегодовых изотопных вариаций в осадках и среднегодовых климатических характеристик.

При сопоставлении изотопных характеристик с зимними температурами возник принципиальный вопрос - уравнениями какого вида описывается имеющееся соотношение. Уже с самого начала Ю.К. Васильчуку, имеющему неплохое базовое математическое образование (матшкола при мехмате МГУ) стало ясно, что традиционные уравнения регрессии мало применимы для решения данной задачи по двум причинам. Во-первых, температура воздуха, даже осредненная за год или за несколько лет, является весьма неустойчивой характеристикой, в течение 20-30 лет среднезимняя и среднеянварская температура могут варьировать в пределах 4-6 и более градусов. Во-вторых, уравнения регрессии работают только в пределах выбранных числовых множеств и как инструмент для палеореконструкций позднего плейстоцена малоприменимы, поскольку речь идет о широком диапазоне более низкой температуры и, соответственно, о других коэффициентах уравнения регрессии и существенно меняют свою конфигурацию при добавлении каждой новой точки измерения. Одно из основных свойств уравнений регрессии заключается в том, что они достоверно описывают только использованные для их составления пары чисел, в нашем случае значения δ¹⁸O жильных ростков и среднеянварской (t_J) и среднезимней (t_w) температуры. Для значений, выходящих за пределы массива данных как в положительную, так и отрицательную стороны, эти уравнения перестают работать и дают искаженные результаты. При реконструкциях по значениям δ¹⁸O из позднеплейстоценовых ПЖЛ, которые отличаются более легким составом (на 4-8‰) по сравнению с современными, это особенно актуально. Поэтому Ю.К. Васильчуком, были предложены на первый взгляд очень простые соотношения без свободного члена, но с допустимой погрешностью, величина погрешности рассчитана на основании имеющихся в климатических справочниках^[15] температурных рядов:

для средней температуры января t_J = 1.5⋅δ¹⁸O (±3);

для средней зимней температуры t_w = δ¹⁸O(±2).

В этих соотношениях важны все члены уравнений: обязательно использование цифр в скобках, как меры точности реконструкций. Действительно, даже если в течение двух-трех десятков лет вариации современной среднеянварской и среднезимней температуры достигают 4-6°С, то для голоцена и, тем более для позднего плейстоцена, при палеотемпературных реконструкциях необходимо указывать доверительный интервал (т.е. пределы в которых находится точное значение определяемого показателя). Зависимость с учетом доверительного интервала на сегодняшний день является более корректной, чем любые из пока предложенных уравнений регрессии (так как уравнения регрессии выводятся для конкретной, достаточно узкой области соотношений температуры и изотопного состава, в которую температура и изотопный состав для позднего плейстоцена естественно не включаются). Как один из путей совершенствования уравнений регрессии для целей палеореконструкций в дальнейшем можно предложить в качестве исходных условий комбинирование наблюдаемых сочетаний значений δ¹⁸O жильных ростков с зимней температурой и моделируемых предполагаемых значений этих параметров для позднего плейстоцена.

Тестирование уравнений регрессии связь изотопного состава кислорода жил с температурами воздуха

В обзоре Т. Опеля с соавторами^[30] формула Ю.К.Васильчука (δ¹⁸О = t_w±2) ошибочно трактуется, как зависимость, характеризующая связь изотопного состава кислорода жил с температурами воздуха периода с декабря по февраль. Однако, данная формула получена для климатического зимнего (а не календарного) периода – примерно с октября по май (т.е. того периода, когда среднесуточные температуры воздуха ниже 0°С). Там же неверно указано количество образцов современных ростков жил, на результатах изучения которых получены формулы. В действительности для жильных ростков было изучено 69 ключевых участков, на каждом участке отбиралось жильные ростки в разных фациальных обстановках т.е. 3-8 образцов на участок. Попытки уточнить эти уравнения^[9,11,13] часто подходят для современного температурного интервала, что касается позднеплейстоценовых палеореконструкций, то реконструкция до десятых долей градуса нам представляется излишней.

Для тестирования степени надежности реконструкций мы использовали уравнения, которые скопированы из работ М.А. Коняхина ^[9], Х. Майера ^[11], Г.Е. Облогова ^[13]:

Уравнение М.А.Коняхина (копия из автореферата, стр.15^[9]):

Уравнения Х.Майера (копия из диссертации, стр. 93^[11]):

Уравнения Г.Е.Облогова (копия из автореферата, стр. 16^[13]):

Таблица 1. Тестирование изотопно-температурных уравнений разных авторов при изменении значений δ¹⁸О от –15 до –27‰ и реконструированная палеотемпература (°С) позднего плейстоцена при изменении значений δ¹⁸0 от –30 до –35‰

*Трактовка понятия «среднезимняя температура» Ю.К.Васильчуком в соответствии с климатическим справочником - климатический период отрицательных среднесуточных температур.

**Трактовка понятия «среднезимняя температура» М.А.Коняхиным в соответствии с климатическим справочником.

***Трактовка среднезимней температуры у Х. Майера – период, когда осадки выпадают в твердом виде.

****Трактовка Г.Е. Облогова средней температуры холодного периода совпадает с определением среднезимней температуры, которое используется в климатических справочниках, под среднезимней температурой Г.Е.Облогов понимает среднюю температуру трех месяцев: декабря, января и февраля.

Результаты реконструкций палеотемператур по формулам разных авторов демонстрируют особенности реконструкций с использованием уравнений регрессии, а именно их использование дает надежные результаты, если для их построения применены те натурные данные, которые подчиняются тем же закономерностям, что и реконструируемые параметры. В двух нижних строках табл. 1 приведены реальные температуры для оценки степени надежности реконструкции.

Как видно из тестирования (табл. 1) значения среднезимних и среднеянварских температур при реконструкции по формулам Ю.К. Васильчука всегда попадают в доверительный интервал во всем современном температурном диапазоне. При реконструкции палеотемпературы со значениями δ¹⁸О от –30 до –35‰ реконструируемые значения примерно совпадают при использовании формул Ю.К. Васильчука и Х. Майера, значения среднеянварских температур, полученных по уравнениям Г.Е.Облогова сильно отличаются более, чем на 5-7‰. Как отмечал сам Х. Майер поскольку уравнения основаны на данных Ю.К.Васильчука результаты реконструкций часто идентичны. Однако даже уравнения Х. Майера все же обнаруживают существенные отклонения при значении δ¹⁸О равном –20‰: абсолютная величина отклонения от реальных значений среднеянварской температуры 4.7⁰С и 2.1 ⁰С от реальных значений среднезимней температуры. Возможно, это связано с тем, что, работая в сравнительно более узком регионе на севере Таймыра и Арктических островах, он исключил точки по более восточным и западным регионам из рассматриваемого множества. В формуле Г.Е.Облогова, связывающей среднезимнюю температуру и изотопный состав ростков присутствует ошибка, заключающаяся в том, что коэффициент, связывающий в его же уравнении среднеянварскую температуру (коэффициент 1,12) со значением δ¹⁸О меньше, чем коэффициент для среднезимней температуры (коэффициент 1,15) при близких значениях свободного члена. При низких (позднеплейстоценовых) значениях δ¹⁸О (–35 - –37 ‰) среднезимняя температура (напомним, что под среднезимней температурой Г.Е. Облогов понимает среднюю температуру трех месяцев: декабря, января и февраля) будет отрицательнее, чем значение среднеянварской температуры. При этом чем ниже значения δ¹⁸О, тем более неправдоподобны результаты. Так при значениях –37 ‰ значение среднеянварской температуры -47.9 ⁰С, а средняя температура периода с декабря по февраль по уравнениям Г.Е. Облогова -47.2 ⁰С. Это совершенно нереалистично. Так, например вблизи современного полюса холода в современном Батагае значение среднеянварской температуры равно -47.9 ⁰С, а средняя температура периода с декабря по февраль равна -40.6 ⁰С. По результатам тестирования уравнение Г.Е.Облогова для реконструкции среднеянварской температуры дает результаты, совпадающие с натурными наблюдениями при значении δ¹⁸О –25 ‰, при других значениях δ¹⁸О разница с данными справочников более заметная, ее абсолютные значения составляют 4.23⁰С при величине δ¹⁸О равной –15‰, 2.59⁰С при значении δ¹⁸О равном –18‰, 6.09⁰С при значении δ¹⁸О равном –27‰.

Поэтому значения позднеплейстоценовых среднеянварских температур, по уравнению Г.Е. Облогова

получаются для центральных районов Якутии выше, чем даже современные, например для позднеплейстоценовых жил Батагайского едомного комплекса характерны значения δ¹⁸О –35 ‰, реконструированная средняя температура января равна –45.63⁰С, а период с 1978 по 2014 г она 6 раз была ниже этих значений. Заметим, что для этого района значения δ¹⁸О в ростках ледяных жил составляет –29 ‰^[19,31]. Такая же существенная ошибка отмечается и для расчетов по Куларской едоме. Таким образом реконструкции позднеплейстоценовых среднеянварских температур, рассчитываемые по уравнению Г.Е. Облогова неадекватны реальности.

Рассчитываемые по уравнению Г.Е. Облогова тестируемые температуры холодного периода (в понимании Ю.К.Васильчука и Х.Майера - это среднезимняя температура) достоверны в интервале значений δ¹⁸О от –20 до –27‰, полученные значения близки к реальным, но для значений –15‰ и –18‰ реконструируемая температура не совпадает с данными справочника в абсолютном выражении на 2.83 и 2.48 соответственно (табл. 1). В диапазоне низких значений δ¹⁸О (от –30 до –35‰), согласно уравнению Г.Е. Облогова получены значения палеотемпературы холодного периода близкие к результатам по формулам Ю.К.Васильчука и Х.Майера. Согласно расчетам Г.Е. Облогова разница оценок по сравнению с данными Ю.К. Васильчука^[16-18] составляет менее 2 °С, а пределы варьирования частных значений определяемой по уравнениям регрессии температуры составляют ±3,8 °С с вероятностью 0,85^[13]. Уравнение М.А. Коняхина содержит ошибку, тестирование его уравнения дает неудовлетворительный результат во всем диапазоне, абсолютная величина отклонения от реальных значений составляет 4.65-8.78°С. На наш взгляд построение уравнений регрессии на данном уровне знаний скорее является шагом назад, поскольку имеет существенные и непредсказуемые ограничения при интерпретации, которые невозможно определить, интерпретируя данные по плейстоценовым повторно-жильным льдам.

Результаты обратного тестирования, приведенные в табл. 2, для формул реконструкции среднезимней температуры, демонстрируют, что для уравнений регрессии имеются интервалы, в которых реконструкция вполне совпадает с натурными данными, но есть интервалы, где расхождение с натурными данными очень существенно.

Таблица 2. Значения δ¹⁸0 в современных ростках ледяных жил, полученные в результате тестирования уравнений разных авторов и их реальные измеренные значения (‰).

Для уравнения Х. Майера результаты, отличающиеся от реальных значений δ¹⁸О в жильных ростках отмечены при значениях среднезимней температуры –21 и –27°С (1,74 и 1,96 ‰ соответственно), а для уравнения Г.Е. Облогова – неудовлетворительные результаты тестирования характерны для интервала относительно высокой среднезимней температуры от –13 до –18°С (разница с реальными значениями δ¹⁸О составляет 3.4-2.8‰) Отметим также, что соотношение Ю.К.Васильчука работает во всем диапазоне. Уравнение М.А. Коняхина демонстрирует неправдоподобные результаты противоречащие реальным данным для всего диапазона температур характерных для Арктических районов (из-за содержащейся в нем алгебраической ошибки).

Соотношения, предложенные Ю.К. Васильчуком, были дополнительно протестированы на современных данных. Для повышения точности палеотемпературных реконструкций на современном этапе потребовалось внести некоторые корректировки в интерпретацию изотопных данных по повторно–жильным льдам, что выполнено проф. Ю.К.Васильчуком с климатологом проф.Г.В. Сурковой^[33]. Поскольку для интерпретации результатов изотопных исследований в основном были использованы данные по росткам жилок, сформировавшихся до 1990–х годов и соответствующие им температуры из справочников 1960–х годов, то потребовалось обновление фактологической базы и уточнение соотношения изотопного состава современных ростков повторно–жильных льдов и температуры холодного периода с учетом климатических изменений последних 50 лет. Для верификации корреляционной зависимости современных зимних температур воздуха (среднеянварской и среднезимней) были использованы данные метеорологических наблюдений с 1930 г. по 2017 г. и значения δ¹⁸О в ростках ледяных жил по каждому региону криолитозоны с целью выявления наиболее явной и устойчивой зависимости изотопного состава и зимней температуры (табл. 3). Рассчитанные коэффициенты корреляции (достоверность 95%) между данными наблюдений на станциях Росгидромета РФ и содержанием ¹⁸О в ростках повторно-жильных льдов показывают очень высокий уровень связи между этими показателями и свидетельствуют о высоком вкладе температурного режима холодного сезона в процесс формирования ПЖЛ.

Таблица 3. Распределение современной среднеянварской и среднезимней температуры, вблизи точек определения изотопного состава ростков ПЖЛ для трех периодов: а) с 1930 по 1966 гг., б) с 1967 по 2000 гг., в) с 2001 по 2019 гг. (по ^[34] Васильчук, 1992 для периода 1930-1966 гг.). Фрагмент таблицы из статьи Ю.К. Васильчука, Г.В. Сурковой ^[33](2020).

Для реконструкции температурных условий были привлечены все имеющиеся данные наблюдений на метеостанциях, ближайших к точкам определения изотопного состава ростков, от мыса Шприндлера и Воркуты на западе криолитозоны до Уэлена и Анадыря на востоке Чукотки и от арктических островов на севере, до Чарской и Тоджинской котловин на юге криолитозоны с созданием электронной базы данных значений δ¹⁸О в ростках современных повторно–жильных льдов. По результатам сопоставления изотопного состава ростков повторно-жильных льдов (δ¹⁸О_veinlets) и показателей зимней температуры (t_ср.з., t_я) получены значения соотношений для каждого периода^[33], которые очевидно следует учитывать при палеореконструкциях тех периодов, когда зимы были существенно теплее современных.

Говоря о возможном искажении первичного изотопного сигнала снега перед заполнением морозобойной трещины в результате изотопного фракционирования в снежном покрове в течение зимы, можно отметить, что подобные эффекты ожидаемы в районах с резко-континентальным климатом (например, Центральная Якутия). Но даже там далеко не во всех случаях исследования изотопного состава как жильных ростков, так и жил более древнего возраста, была зафиксирована изотопная трансформация, обусловленная испарением или сублимацией снежного покрова. Так, например, в северном Забайкалье, в долине р. Чара, в районе с резко континентальным климатом, где снег может практически полностью испариться в течение зимы, во льду современного жильного ростка было получено среднее значение δ¹⁸О –21.5 ‰ ^[34,35] что совпадает со среднезимней температурой воздуха в этом районе (–21 °С), а со среднеянварской температурой (составляющей в этом районе –33°С) соотносится с коэффициентом 1.6. Выполненное исследование современных жилок, сформировавшихся в условиях холодных и сухих зим Центральной Якутии и Забайкалья, и жилок, образовавшихся в более мягких зимних условиях на Ямале и Чукотке показывает, что изотопный состав кислорода жилок напрямую соответствует зимним температурам. Таким образом, можно уверенно говорить о том, что изотопный “термометр”, созданный для современных ледяных жилок, может адекватно работать и при палеотемпературных реконструкциях прошлых эпох^[31]. Об изменении начальных изотопных характеристик снега в результате испарения можно судить по соотношению δ¹⁸O-δ²Н. В случае активных процессов испарения снега, значения δ¹⁸O и δ²Н заметно отклоняются от глобальной линии метеорных вод. Обобщение большей части имеющихся в настоящее время данных об изотопном составе кислорода и водорода ростков ледяных жил полигональных массивов на территории севера Евразии от устья реки Нгарка-Тамбъяха на северо-востоке Европы до пос. Лорино на восточном побережье Чукотки, показало, что для большинства образцов наклон линий соотношения δ¹⁸O-δ²Н близок к наклону для глобальной линии метеорных вод. Также было установлено, что в меридиональном распределении значений как δ¹⁸O так и δ²Н в жильных ростках выявлен тренд снижения значений от побережья Байдарацкой губы на севере Европейской части России до побережья моря Лаптевых (от –141,9‰ до –193,5‰) и далее на восток – повышение значений (до –99÷–122‰) на восточном побережье Чукотки, что отражает изотопное облегчение осадков при перемещении атлантических воздушных масс над большей частью Российской криолитозоны и преобладающее влияние воздушных масс Тихого океана на Чукотке^[36]. С 2009 г все данные по содержанию стабильных изотопов кислорода и водорода в повторно-жильных льдах и осадках получены в лаборатории стабильных изотопов кафедры геохимии ландшафтов и географии почв Географического факультета МГУ под руководством проф. Васильчука. Измерения проводятся на масс-спектрометре Delta V Plus. Измеренные величины δ¹⁸O и δ²Н калибруются относительно международных стандартов. В редких случаях отмечаются пробы со значениями, которые могут указывать на изотопную трансформацию снега перед заполнением морозобойных трещин. Кроме того, анализ изотопного состава снежных осадков и снежного покрова показывает, что вариации значений d_exc варьируют в широком диапазоне (как правило, от 3 до 20‰, дополнительную информацию можно получить, проанализировав изотопные данные по зимним осадкам на станциях GNIP в российской Арктике), что может объясняться особенностями испарения влаги в очаге формирования воздушных масс и особенностями их передвижения над континентом. При этом значения d_exc в жильном льду, как в современных жилках, так и в более древних, варьируют, как правило, в диапазоне от 4 до 15‰, и в основном находятся внутри диапазона для снега, что еще раз подтверждает отсутствие заметного влияния изотопного фракционирования на изотопный состав снега.

Модель гетероциклического развития сингенетических повторно-жильных льдов

Важным моментом в развитии изотопной геокриологии явилась разработанная Ю.К. Васильчуком модель гетероциклического развития сингенетических повторно–жильных льдов^[37]. На основе анализа собственных полевых наблюдений и опубликованных материалов в виде описаний, фотографий и рисунков многих исследователей им была предложена новая структурная модель формирования мощных сингенетических повторно–жильных льдов. Процесс сингенетического формирования мощных ледяных жил рассматривается не в рамках принятой парадигмы – как процесс непрерывного формирования льда, а как пульсирующий – циклический процесс. Главное отличие этой модели от имеющихся моделей циклического развития жил состоит в не климатическом запускающем механизме выявленной цикличности (т.е. цикличность проявляется независимо от климатических ритмов потеплений или похолоданий). Основным детерминирующим механизмом является неоднократная повторяющаяся смена характера осадконакопления на поверхности полигонального массива – субэрального и субаквального. Модель гетероциклического развития сингенетических повторно–жильных льдов обосновала вертикальный отбор ПЖЛ вдоль оси и горизонтальный отбор на уровнях, где заметны признаки субаэрального роста жил: прослои торфа, «плечики» и др., а также позволила более адекватно оценить скорости роста ПЖЛ, надежность радиоуглеродных датировок, поскольку вероятность накопления переотложенной органики в субаквальных отложениях намного выше.

Прямые радиоуглеродные датировки из повторно-жильных льдов

Ю.К. Васильчук получил прямые радиоуглеродные датировки из повторно-жильных льдов с применением ускорительной масс-спектрометрии впервые в мире (в 1998 г.), что для развития изотопной геокриологии имело большое значение. Были датированы микроорганические включения 200-400 мкм, включения растительных макроостатков, и общий органический углерод во льдах Сеяхинской и Щучьинской толщ на Ямале, разрезов Бизон, Плахинский Яр, Зелёный Мыс, Дуванный Яр, Батагай, Мамонтова Гора в Якутии, Анадырь на Чукотке ^[38-42]. Это позволило не только определить возраст жил, но и доказать их сингенетичность вмещающим отложениям, а также продемонстрировало омоложение возраста жил снизу-вверх. Прямое датирование льда позволило привязать имеющиеся данные по изотопному составу повторно-жильных льдов к радиоуглеродной шкале и сопоставить изотопный состав повторно-жильных льдов и гренландских ледниковых кернов. Прямое датирование повторно-жильного льда снижает остроту дискуссии по поводу того как производить отбор ПЖЛ вдоль оси или по горизонтали. Иллюстрацией могут служить результаты датирования ледяных жил по горизонтали в центральном Юконе^[43]. Поскольку растрескивание происходит хаотично, как было показано натурными наблюдениями Дж.Р.Маккая ^{[44-48] 14}С даты с обеих сторон от центральной части жилы оказались асимметричными (31 500 лет cal BP слева, 13 685 лет cal BP справа). Кроме того, датировка в центре ледяной жилы была старше (6360 лет cal BP), чем на правой стороне (2450 cal BP). Три из четырех ледяных жил, которые были отобраны горизонтально, продемонстрировали ассиметричные и значительно различающиеся значения δ¹⁸O, δ²Н и d-эксцесса в левой и правой сторонах ледяного клина. Эти исследования продемонстрировали, что растрескивание и заполнение талой водой не обязательно происходит вблизи центральной части ледяной жилы.

Типы цикличность формирования сингенетических повторно-жильных льдов

За прошедшие 30 лет после того как Ю.К. Васильчук создал новое научное направление, он развил его, получив важные результаты. Во-первых, он разработал модель циклически-пульсирующего формирования сингенетических толщ с мощными повторно-жильными льдами^[37], во-вторых разработал новую стратегию радиоуглеродного датирования позднеплейстоценовых сингенетических повторно-жильных льдов и точной привязки во времени диаграмм распределения стабильных изотопов включающая использование ускорительной масс-спектрометрии (AMS) для прямого датирования возраста ледяных жил по микровключениям разнообразного органического материала ^{[49, 50, 51]}, датировал по углероду позднеплейстоценовые повторно-жильные льды впервые в мире^[41,42]. Им установлена вертикальная и латеральная гетерохронность и гетерогенность едомных массивов, что имеет важное значение для оценки их возраста. Для оценки процессов формирования синкриогенных толщ с повторно-жильными льдами им выделено три типа цикличности: микро-, мезо и макроцикличность. Микроцикличность, связана с сезонной периодичностью изменения глубины деятельного слоя. Мезоцикличность связана с пульсирующим изменением уровня водоема, по берегам которого, или на отмелях которого идет формирование жил. Макроцикличность связана с коренной перестройкой режима седиментации или реже (в основном на юге ареала повторно-жильных льдов) с крупными климатическими осцилляциями ^[49,50]. Разработал стратегию датирования сингенетических многолетнемерзлых отложений с повторно-жильными льдами, предложив принцип выбора наиболее молодой датировки ^[51]. Для изотопной записи в сингенетических повторно-жильных льдах криолитозоны Северной Евразии были установлены единичные спектральные пики, длительностью от 1.5 тыс. лет, идентифицируемые как события Дансгора-Эшгера.За прошедшие 30 лет появилось много работ посвященных изотопному составу повторно-жильных льдов. Изучены арктические острова, дельта р. Лены, разрезы Якутии ^{[11,18, 19,20-30,52,53]}. Отметим, что практически все полученные данные по изотопному составу подземных льдов, имеющие возрастную привязку, вписываются в распределения зимних температур на территории криолитозоны Евразии, которые были опубликованы в 1992 г. (см. рис.1). Например, Портер и Опель^[53] обобщили данные по изотопному составу повторно-жильных льдов из 82 точек в Арктике. Во-первых, было обнаружено, что прибрежные повторно-жильные льды изотопически тяжелее, по сравнению с более континентальными; это объясняется их удаленностью от источника влаги, что было установлено в работе Ю.К. Васильчука в 1991 г.^[19]. Во-вторых Опель и Портер также пришли к выводу, полученному ранее Ю.К. Васильчуком^[34], о том, что преобладание западного переноса влаги из Атлантики и закономерности ведет к последовательному облегчению изотопного состава (значений δ¹⁸O и δ²Н) с запада на восток в Северной Евразии.

Развитие Ю.К. Васильчуком направления изотопной геокриологии еще раз демонстрирует приоритетность российских геокриологических исследований сингенетических отложений с повторно-жильными льдами - этого важнейшего и одного из самых сложных в изучении типов подземных льдов. Разработанные новые позиции создают более объективный подход как к анализу получаемых данных, так и к самому процессу полевого изучения сложно построенных массивов с полигонально-жильными льдами и родственных им геологических образований.