Использование стабильных изотопов водорода, кислорода и углерода при интерпретации условий формирования поверхностных водных объектов Ямало-Ненецкого автономного округа

Abstract

Актуальность. Стабильные изотопы широко используются в геохимии при решении различных генетических задач, что связано с допущением о постоянстве первозданного изотопного состава любого элемента, впоследствии измененного под воздействием различных процессов. В практике исследований поверхностных вод изотопные методы применяются при р ешении не только прямых генетических, но и различных сопутствующих приложений. В арктических регионах, подверженных влиянию многолетней мерзлоты, изотопы воды все чаще используются для оценки вклада талых вод в баланс общего речн ого стока, особенно в условиях ускорения темпов таяния, что ведет к изменению гидрологического режима и общей структуры ландшафта. Анализ изотопного состава водорастворенного углерода представляет отдельный исследовательский и нтерес, поскольку дает представление об участии высвобождаемого при таянии мерзлотных торфов органического вещества в изотопном обмене с водами. Совместное использование химических и изотопных характеристик водных объектов позволит детально изучить генезис, особенности формирования и взаимодействия данных вод с окружающей средой. Цель: уточнение генезиса и условий формирования поверхностных водных объектов арктических районов Западной Сибири, подверженных влиянию многолетней мерзлоты, с использованием состава стабильных изотопов Н, О, С. Объекты: поверхностные водные объекты тундровой и лесотундровой природных зон Ямало-Ненецкого автономного округа. Полевые исследования проходили в августе 2020 г. Пробы воды на изотопный состав были отобраны в трех крупных реках -Обь, Таз, Пур, и в правом притоке реки Пур - Нгарка-Хадытаяха, в 7 крупных озерах (площадью от 2,5 тыс. до 300 тыс. м2 ) и в 1 малом термокарстовом озере (12 м2 ), в 3 просадках (начальная стадия образования термокарстовых озер) и 2 почвенных разрезах. Всего 17 проб воды. Кроме того, были отобраны 5 образцов торфа на одном почвенном разрезе в пяти интервалах по глубине до 55 см. Методы. Химический состав вод был проанализирован в аккредитованной Проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета методами титрования, масс-спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой, фотометрии, ионной хроматографии и высокотемпературного каталитического окисления. Исследов ание изотопного состава кислорода, водорода вод, а также углерода водорастворенной углекислоты проводилось в Центре коллективного пользования многоэлементных и изотопных исследований СО РАН с помощью прибора Isotope Ratio Mass Spectrometer FinniganTM MAT 253, снабженного приставками пробоподготовки H/Device и GasBench II. Результаты. Приведены данные по изотопному составу кислорода и водорода вод, а также водорастворенного углерода для поверхностных вод тундровой и лесотундровой природных зон ЯНАО. Показано, что для каждого объекта (почв, прос адок, озер и рек) характерны индивидуальные интервалы значений δD, δ18О, δ13С (водорастворенный углерод), что указывает на разную специфику их формирования и позволяет их дифференцировать. Сопоставление с уже имеющимися данными по δD, δ18О атмосферных осадков, поверхностных вод и снега региона выя вило, что речные и почвенные воды, в сравнении с другими водными объектами, формировались в более холодных условиях. Значения δ13СDIC указали на наличие двух источников углерода в поверхностных водах региона: биогенный (легкий) и почвенный диффузионный, наследующий изотопный состав атмосферы (тяжелый). Первый превалирует в почвенных водах, просадках, мелких озерах и, по-видимому, в застойных водах рек. В крупных озерах и в активном течении реки больше проявляется почвенный диффузионный СО2. Влияние в регионе таяния многолетней мерзлоты проявляется в облегчении значений δD и δ18О (более легкие талые воды), а также в облегчении δ13СDIC (при высвобождении из почв и торфов дополнительного биогенного углерода). Составлена схема возможной интерпретации состава стабильных изотопов природных вод и водорастворенного углерода в регионе. Результаты исследований могут быть использованы для установления генезиса природных вод региона, уточнения условий их формирования, выявления процессов деградации многолетнемерзлых толщ, оценки темпов деградации, реконструкции палеоклимата и т. д. The relevance. Stable isotopes are widely used in geochemistry for solving various genetic problems, which is associated with the assumption of the constancy of the original isotopic composition of any element, subsequently changed under the influence of various processes. In the practice of surface water studies, isotope methods are used for solving not only direct genetic problems, but also for various related problems. In arctic regions affected by permafrost, water isotopes are increasingly being used to assess the contribution of melt water to the balance of total river flow, especially in conditions of accelerated melting, which leads to changes in the hydr ological regime and the overall structure of the landscape. The analysis of the isotope composition of dissolved inorganic carbon is of particular research interest, since it gives an idea of the participation of organic matter released during the thawing of permafrost peat in isotope exchange with water. The joint use of the chemical and isotopic characteristics of water bodies will make it possible to study in detail the genesis, features of the formation and interaction of these waters with the environment. The main aim: clarification of the genesis and conditions of formation of surface water bodies in the Arctic regions of Western Siberia, subject to the influence of permafrost, using the composition of stable isotopes H, O, C. Objects: surface water bodies of the tundra and forest-tundra natural zones of the Yamalo-Nenets Autonomous Region. Field work took place in August 2020. Water samples for the isotopic composition were taken from three large rivers - Ob, Taz, Pur, and in the right tributary of Pur River - Ngarka-Khadytayakha, 7 large lakes (from 2500 to 300000 m2 ), 1 small thermokarst lake (12 m2 ) and from 3 depressions (the initial stage of formation of thermokarst lakes); and 2 soil cross sections. A total of 17 water samples. In addit ion, 5 peat samples were taken from one soil cross section from five depth intervals up to 55 cm. Methods. Chemical composition of water was analyzed by standard methods (titration, inductively coupled plasma mass spectrometry, photometry, ion chromatography and high-temperature catalytic oxidation method) at the Problematic Research Laboratory of Hydroge ochemistry of Tomsk Polytechnic University. The study of the isotopic composition of oxygen, hydrogen and carbon of water-dissolved carbon dioxide was carried out in the Analytical Center for multi-elemental and isotope research SB RAS using Isotope Ratio Mass Spectrometer FinniganTM MAT 253 equipped by H/Device and GasBench II for sample preparation. Results. Isotope composition of oxygen, hydrogen and carbon in waters and dissolved inorganic carbon for surface waters of the tundra and forest-tundra zones of the YaNAO are presented. It is shown that each object (soils, depressions, lakes and rivers) is characterized by individual intervals of δD, δ18О, δ13С (dissolved inorganic carbon) values, which indicates different specifics of their formation and allows them to be differentiated. Comparison with the already available data on δD, δ18O of atmospheric precipitation, surface water and snow in the region revealed that river and soil waters, in comparison with other water bodies, were formed in colder conditions. The δ 13CDIC values indicated the presence of two sources of carbon in the surface waters of the region: biogenic (light) and soil diffusion, which inherits the isotopic composition of the atmosphere (heavy). The first one dominates in soil waters, depressions, shallow lakes and, apparently, in stagnant river waters. In large lakes and in the active course of the river, soil diffusion CO2 is more pronounced. The effect of permafrost thawing in the region is demonstrated by lighter δD and δ18O values (thawed waters), as well as by lighter δ13СDIC values (additional biogenic carbon is released from soils and peat). A scheme of possible distribution and exchange of stable isotopes H, O and C in natural waters and dissolved inorganic carbon for investigated region was developed. The obtained results can be used for determining genesis of the region natural waters; for clarifying conditions of waters and dissolved inorganic carbon formation; for identifying permafrost degradation processes and evaluating its rate; for paleoclimate reconstructions etc.