Помощь студентам в учебе
ГЕОХИМИЯ ВОД И ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ В БЕССТОЧНЫХ ОЗЕРАХ ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЗАУРАЛЬЯ И ИШИМСКОЙ РАВНИНЫ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Особенности химического состава малых бессточных водоемов аридной и
семиаридной зоны 13
1.1 Малые водоемы аридной и семиаридной зон, их значение для континентальных биогеохимических циклов и функционирования ландшафтов
13
1.2 Дискуссионные вопросы формирования высокомагнезиальных карбонатов
в современных водоемах аридной и семиаридной зон 16
1.3 Региональный аспект изучения озер и лимноландшафтов аридных и
семиаридных районов юга Западной Сибири и смежных регионов 19
2 Физико-географические условия территории исследований 23
2.1 Г еографическое положение 23
2.2 Геологическое строение и рельеф 25
2.3 Климатические условия 28
2.4 Поверхностные воды 30
2.5 Растительность и почвенный покров 32
2.6 Антропогенное воздействие 33
3 Материалы и методы исследования 34
3.1 Полевые исследования 34
3.2 Методы аналитических исследований 39
3.3 Методы обработки, интерпретации и визуализации данных 41
4 Химический состав вод малых бессточных водоемов лесостепной зоны
Зауралья и Ишимской равнины 43
4.1 Характеристика химического состава лесостепных озер 43
4.2 Условия формирования химического состава лесостепных озер 50
4.3 Химический состав озерных вод как фактор аутигенного
минералообразования 52
5 Минеральный состав и проявления процессов современного
минералообразования в донных отложениях озер лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины 57
5.1 Минеральный состав терригенной части донных отложений 57
5.2 Проявления аутигенного минералообразования в донных отложений 66
6 Процессы биоминерализации и формирования высокомагнезиальных
карбонатов в донных отложениях и прибрежных фациях ряда озер Зауралья и Ишимской равнины 81
6.1 Проявления биогенного карбонатообразования в озерах третьей группы. 82
6.2 Предполагаемый вклад альго-бактериальных сообществ в формирование
карбонатных новообразований в прибрежной зоне озер третьей группы 86
6.3 Микроскопические признаки биогенно-обусловленного
карбонатообразования 88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 103
1 Особенности химического состава малых бессточных водоемов аридной и
семиаридной зоны 13
1.1 Малые водоемы аридной и семиаридной зон, их значение для континентальных биогеохимических циклов и функционирования ландшафтов
13
1.2 Дискуссионные вопросы формирования высокомагнезиальных карбонатов
в современных водоемах аридной и семиаридной зон 16
1.3 Региональный аспект изучения озер и лимноландшафтов аридных и
семиаридных районов юга Западной Сибири и смежных регионов 19
2 Физико-географические условия территории исследований 23
2.1 Г еографическое положение 23
2.2 Геологическое строение и рельеф 25
2.3 Климатические условия 28
2.4 Поверхностные воды 30
2.5 Растительность и почвенный покров 32
2.6 Антропогенное воздействие 33
3 Материалы и методы исследования 34
3.1 Полевые исследования 34
3.2 Методы аналитических исследований 39
3.3 Методы обработки, интерпретации и визуализации данных 41
4 Химический состав вод малых бессточных водоемов лесостепной зоны
Зауралья и Ишимской равнины 43
4.1 Характеристика химического состава лесостепных озер 43
4.2 Условия формирования химического состава лесостепных озер 50
4.3 Химический состав озерных вод как фактор аутигенного
минералообразования 52
5 Минеральный состав и проявления процессов современного
минералообразования в донных отложениях озер лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины 57
5.1 Минеральный состав терригенной части донных отложений 57
5.2 Проявления аутигенного минералообразования в донных отложений 66
6 Процессы биоминерализации и формирования высокомагнезиальных
карбонатов в донных отложениях и прибрежных фациях ряда озер Зауралья и Ишимской равнины 81
6.1 Проявления биогенного карбонатообразования в озерах третьей группы. 82
6.2 Предполагаемый вклад альго-бактериальных сообществ в формирование
карбонатных новообразований в прибрежной зоне озер третьей группы 86
6.3 Микроскопические признаки биогенно-обусловленного
карбонатообразования 88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 103
Актуальность темы исследования. Лесостепные и степные озера широко распространены на обширной территории юга Западной Сибири, простирающейся на две тысячи километров с запада на восток и включающей несколько крупных геоморфологических районов: Зауралье, Ишимскую равнину, Барабинскую низменность и Кулундинскую равнину. Водоемы данного региона характеризуются гидрохимическими и гидрологическими особенностями, обусловленными разнообразными климатическими условиями, рельефом и степенью антропогенной трансформации. Озера Зауралья и Ишимской равнины изучены значительно хуже, по сравнению с их аналогами на юго-востоке Западной Сибири, как с точки зрения геохимических особенностей вод, так и минерального состава донных отложений и современных процессов минералообразования. Так, гидрохимическим особенностям, вещественному и минеральному составу донных отложений ряда малых озер Зауралья посвящены исследования, выполненные под руководством Д.С. Шляпникова в 80-90е гг. прошлого века (Шляпников и др., 1990).
Малые водоемы степной и лесостепной зон обладают высокой динамичностью, а значит могут рассматриваться в качестве индикаторов природных и антропогенных изменений окружающей среды. Также водоемы сельскохозяйственной зоны юга Западной Сибири являются интегральным компонентом ландшафтов и конечным звеном наземных геохимических потоков. Комплексные исследования различных компонентов лимноландшафтов рассматриваемой территории крайне важны для мониторинга геосистем региона, и актуальны для оценки вклада природных и антропогенных процессов в их изменения.
Все большую актуальность приобретает изучение континентальных циклов углерода и роли малых водоемов семиаридной и аридной зон в их формировании. Малые высокоминерализованные бессточные озера являются системами, в которых происходит активное формирование аутигенных минералов, в том числе карбонатов, биогенной, хемогенной и смешанной природы. Формирование карбонатов в донных осадках, в свою очередь, является одним из способов естественной секвестрации и вывода углерода из биологического круговорота. Возможность образования карбонатов, таких как доломит (CaMg(COs)2), магнезит (MgCOs) и гидромагнезит (Mg4(COs)3(OH)2*3H2O), в современных аквальных системах относится к числу наиболее актуальных научных проблем литологии, минералогии и биогеохимии. Сущность данной проблемы заключается в том, что формирование высокомагнезиальных карбонатов, при нормальном давлении и относительно низких, близких к комнатной, температурах ограничено в связи с сильно выраженными гидрофильными свойствами иона Mg2+. В то же время, Mg и Mg-Ca карбонаты широко распространены в древних осадочных толщах. По этой причине вопросы о возможных механизмах формирования Mg и Mg-Ca карбонатов в современных условиях и возможных факторах (абиотических и биотических), влияющих на эти процессы, остаются открытыми для минералов доломитового ряда. Показано, что подавляющее большинство примеров современного образования высокомагнезиальных карбонатов приурочено к микробиальным матам и строматолитам, а ведущую роль в формировании таких новообразований играет метаболизм микроорганизмов.
Соответственно, изучение современных сред, где происходит формирование Mg и Mg-Ca карбонатов представляет значительный интерес, как в контексте понимания биогеохимических условий на ранних этапах эволюции биосферы, так и с точки зрения формирования теоретической базы для разработки потенциальных технологий промышленной секвестрации углерода.
Степень разработанности темы исследования. Озера юга Западной Сибири существенно различаются по степени изученности. Наиболее подробно изучены лесостепные и степные озера Барабинской низменности и Кулундинской равнины. Многочисленные работы посвящены гидрохимическим особенностям и минеральному составу донных отложений, экологии, палеолимнологии, микробиологии и хозяйственному использованию лесостепных и степных водоемов этих регионов (Геблер, 1927; Герасимов, Иванова, 1934; Белов, Лобова, 1935; Исаченко, 1951; Страхов и др., 1954; Абрамович, 1960; Страхов, 1960; Никольская, 1961; Савченко, 1997; Веснина и др., 1999; Shikano et al., 2006; Леонова и др., 2007; Лебедева и др., 2008; Компанцева и др., 2009; Mizota et al., 2009; Ермолаев, Визер, 2010; Лямина и др., 2010; Sorokin et al., 2014; Страховенко, 2011; Сафатов и др., 2014; Rudaya et al., 2012; Страховенко и др., 2014, 2016; Самылина и др., 2015; 2016; Исупов и др., 2016; Kolpakova, Naymushina, 2016; Гаськова и др., 2017; Borzenko et al., 2017; Жданова и др., 2017; Boros et al., 2017; Жилич и др., 2018). Необходимо отметить, что большинство рассматриваемых работ посвящены высокоминерализованным содовым озерам или уникальному озеру Чаны, а вопросы вариабельности химических параметров озер и их донных отложений на различных стадиях развития, процессов минералообразования, практически не затрагиваются за исключением фундаментальной работы В. Д. Страховенко (2011) и некоторых исследований высокоминерализованных озер Кулунды (Лебедева и др., 2008; Исупов и др., 2016). Кроме того, при исследовании озер юга Западной Сибири приоритет, как правило, отдается степным водоемам, а не лесостепным озерам.
Целью работы является выявление особенностей геохимии вод и процессов современного минералообразования в бессточных озерах лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины.
Основные задачи:
1. Установить состав и закономерности формирования вод бессточных озер пяти ключевых участков лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины.
2. Идентифицировать и охарактеризовать процессы аутигенного минералообразования в донных отложениях водоемов, определить их интенсивность и разнообразие минерального состава отложений.
3. Выявить роль биогенных и биохемогенных процессов в формировании высокомагнезиальных карбонатов в бессточных водоемах.
Объект исследования: Воды и донные отложения малых бессточных озер лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины.
Предмет исследования: химический состав вод, минеральный состав и формы проявления процессов современного минералообразования в донных отложениях озер и микробиолитах.
Методология и методы исследования. Исследование базируется на фактическом материале, полученном в рамках полевых работ, проведенных автором в период 2017-2022 гг. в летне-осенний и осенне-весенний полевые сезоны. В работе исследуются компоненты озерных ландшафтов лесостепной зоны юга Западной Сибири (43 озера) на пяти ключевых участках, а именно озерные воды, верхняя часть колонки донных отложений, поверхностный слой береговых отложений и биоминеральные новообразования.
Район исследований довольно однороден по геологическому строению, располагается на Западно-Сибирской аккумулятивной равнине. Отложения представлены, главным образом, четвертичными аллювиальными суглинками и значительно реже выходящими на поверхность на основных водоразделах песчаноглинистыми отложениями палеогена и неогена. Подземные воды территории исследования преимущественно пресные и солоноватые хлоридно- гидрокарбонатные магниево-кальциевые, гидрокарбонатные кальциево-магниевые или магниево-кальциевые. Район исследований находится в лесостепной зоне в континентальной Западно-Сибирской южной климатической области умеренного пояса. Ландшафты района исследования представлены чередующимися участками распаханных полей и березовых колков с преобладанием черноземов выщелоченных и солодей в микропонижениях, естественная растительность представлена разнотравно-злаковыми степями.
Отбор и подготовка проб проводились согласно стандартным методикам в соответствии с нормативными документами.
При изучении водоемов, отборе, консервации и анализе проб озерных вод использовались подходы, принятые в гидрологии, гидрохимии исследований и аналитической химии. In situ определены температура, pH и общая минерализация вод (TDS, Total Dissolved Solids) (потенциометрическим и кондуктометрическим методами). В лаборатории Geoscience and Environment Toulouse (GET; Тулуза, Франция) Французского национального центра научных исследований (CNRS) проанализировано содержание Cl и SO4 методом ионной хроматографии (Dionex 2000i, Thermo Fisher Scientific), растворенный органический (DOC) и неорганический (DIC) углерод каталитическим окислением сжиганием с ИК- детектированием на анализаторе TOC-Vscn (Shimadzu), содержание Mg, Ca, Na и K масс-спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) с использованием квадрупольного ИСП-МС спектрометра Agilent 7500ce.
Анализ состава донных отложений и береговых фаций базировался на методах и подходах, принятых в литологии и минералогии осадочных пород . В Институте геологии Коми НЦ (ИГ КНЦ) УрО РАН им. Н.П. Орешкина рентгенодифрактометрическим методом (Shimadzu XRD-6000) определен фазовый состав донных отложений по дифрактограммам неориентированных образцов . Изучение микропрепаратов в прозрачных шлифах выполнено автором с помощью поляризационного микроскопа Olympus-BX53MTRF. В Биологическом институте (БИ) ТГУ выполнено определение размерности частиц методом лазерной дифракции на анализаторе LS 13 320 (Beckman Coulter) и элементов микростроения образцов электронной микроскопией с элементным анализом (TM3000 (Hitachi) с анализатором SwiftED3000 (Oxford Instruments)). Для визуализации проявлений биоминерализации проведена конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (Zeiss LSM 780 NLO, Carl Zeiss) в Центре биотестирования безопасности нанотехнологий и наноматериалов («Биотест-Нано») НИ ТГУ. Субмикроскопические исследования проведены с использованием методов рентгеновского микроанализа на базе низковакуумного аналитического растрового электронного микроскопа JSM-6390LV (JEOL) c анализатором INCA Energy 450 X- Max80 EDS (Oxford Instruments) и сканирующего электронного микроскопа JSM- 6510LV-EDS (JEOL) с рентгеновским энерго-дисперсионным спектрометром INCA Energy 350 (Oxford Instruments) в Институте геологии и геохимии им. акад. А.Н. Заварицкого (ИГГ) УрО РАН.
Анализ и интерпретация полученных данных проводились с использованием гидрохимических, геохимических, картографических, сравнительно-
географических, статистических методов и термодинамического моделирования.
Степень достоверности полученных результатов обеспечена использованием современных инструментальных методов анализа, оптической и электронной микроскопии. Планирование полевых работ и выбор объектов исследований проведены с использованием современных методов дистанционного зондирования, анализа научной литературы и фондовых данных, что позволило получить представительные выборки проб компонентов озерных ландшафтов. Аналитические исследования проводились в соответствии со стандартными протоколами и по аттестованным методикам в ведущих отечественных и зарубежных научно-образовательных организациях.
Научная новизна работы.
1. Исследован химический состав 43 малых бессточных лесостепных озер Зауралья и Ишимской равнины. Большая часть водоемов изучена впервые, для нескольких уточнены значения pH, минерализация и состав основных ионов. На основе полученных данных, показана высокая вариабельность химического состава озерных вод в градиенте изменения физико-географических условий.
2. Впервые детально охарактеризованы процессы современного минералообразования в донных отложениях водоемов Зауралья и Ишимской равнины. Выявлены характерные особенности морфологии и состава минеральных образований, в зависимости от химического состава вод, сезонной изменчивости и степени вовлеченности биоты в их формирование.
3. Впервые установлена биогенная природа высокомагнезиальных карбонатов в пределах лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины.
Теоретическая и практическая значимость работы. Охарактеризован минеральный состав терригенной и аутигенной составляющих донных отложений малых бессточных водоемов лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины, описана вариабельность химического состава вод по ряду геохимических параметров как между ключевыми участками, так и внутри каждой группы.
Выявлена связь процессов современного минералообразования высокомагнезиальных карбонатов и метаболизма живых организмов в пределах системы вода - донные отложения ряда изучаемых объектов.
Значительная часть работ проводилась при поддержке гранта РФФИ Аспиранты «Геохимические особенности вод и состава донных отложений лесостепных озер юго-запада Западной Сибири, как ключ к пониманию современных особенностей функционирования и развития водоемов семиаридной зоны» (№ 19-35-90004) и при поддержке мегагранта Правительства Тюменской области № 89-ДОН «TerrArctic»: «Устойчивое землепользование в Арктике в свете глобальных природных изменений: естественные и антропогенные факторы стабильности».
Полученные в ходе исследования материалы могут использоваться как основа для дальнейшего определения роли малых бессточных водоемов в формировании континентальных биогеохимических циклов. Кроме того, результаты работы могут быть востребованы при организации мероприятий в сфере рационального природопользования, планирования сельскохозяйственной и водоохраной деятельности. Материалы диссертации будут использованы в учебных курсах по направлению литология и общая региональная геология в Институте наук о Земле (ИНЗЕМ) ТюмГУ.
Личный вклад автора. Автором полностью спланирован и выполнен комплекс полевых исследований: отбор, консервация образцов вод;
пробоподготовка образцов донных отложений и биоминеральных новообразований для аналитических исследований. Лично автором проведены исследования методами оптической, электронной и лазерной микроскопии; выполнена статистическая обработка и интерпретация полученных результатов, подготовлен графический материал.
Положения, выносимые на защиту.
1. На территории лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины преобладают водоемы с высокоминерализованными щелочными и сильнощелочными хлоридными калиево-натриевыми водами. Варьирование содержаний основных макрокомпонентов в озерных водах как в пределах всей территории исследования, так и внутри отдельных групп, определяет различия в потенциале вторичного карбонатообразования.
2. Донные отложения озер характеризуются разнообразием аутигенных минералов, включающих в себя следующие группы: галоиды, карбонаты, слоистые силикаты, сульфаты, а также гидроксиды, оксиды и сульфиды, что подчеркивает неоднородность геохимических параметров водоемов внутри групп.
3. Проанализированы процессы формирования высокомагнезиальных карбонатов в малых бессточных высокоминерализованных озерах лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины. Установлена роль альго-бактериальных сообществ в локализации процессов карбонатообразования.
Апробация результатов исследования. Основные положения работы представлены на Международном научном симпозиуме имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск; 2019 г) и конференции с международным участием «Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии» (Сыктывкар 2022).
По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них 4 статьи в научных журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (в том числе 3 статья в зарубежном научном журнале, входящем в Web of Science, 4 статьи в зарубежных научных журналах, входящих в Scopus).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 126 страниц, включая 26 рисунка и 4 таблицы. Список литературы насчитывает 211 наименований, в том числе 148 на иностранных языках.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю к.г.н., доценту, директору ИНЗЕМ ТюмГУ В. Ю. Хорошавину. Также автор глубоко признателен за консультации на ранних этапах планирования работ и организацию ряда аналитических исследований к.г.-м.н., PhD, директору по исследованиям GET CNRS О. С. Покровскому и заведующему лабораторией почвоведения НИИ ББ ТГУ А. Г. Лиму за анализ состава вод. Выражаю благодарность к.г.-м.н., с.н.с. лаборатории региональной геологии и геотектоники ИГГ УрО РАН Л. В. Леоновой за содействие в части микроскопических исследований и консультации по их интерпретации, к.г.-м.н., с.н.с. лаборатории минералогии ИГ КНЦ УрО РАН Ю. С. Симаковой за проведение анализов минерального состава донных отложений, к.б.н., с.н.с. О. С. Самылиной за обширную консультацию в части понимания механизма биогенных процессов к.б.н., доценту отделения геологии ТПУ, к.г-м.н. М. А. Рудмину, за помощь в проведении ряда исследований на базе университета, с.н.с. лаборатории биогеохимических и дистанционных методов мониторинга окружающей среды БИ ТГУ С. В. Лойко за предоставление возможности проведения ряда лабораторных исследований, м.н.с. Центра изотопной геохимии ТюмГУ А. О. Курасовой за помощь в определении гранулометрического состава донных отложений , инженеру-исследователю Центра «Биотест-нано» НУ ТГУ С. Ю. Моргалёву за проведение конфокальной микроскопии, к.г-м.н. н.с. НИЛ седиментологии и эволюции палеобиосферы ТюмГУ О.И. Дерягиной за участие в обсуждении результатов, д.г-м.н., г.н.с ИКЗ ТюмНЦ СО РАН Е.А. Слагоде, за помощь в обсуждении результатов. Особую благодарность автор выражает н.с. НИЛ седиментологии и эволюции палеобиосферы ТюмГУ А. О. Константинову за активную помощь и поддержку на всех этапах проведения работ, а также к.г.н., с.н.с. НИЛ мониторинга биосферы ЮФУ Е. Ю. Константиновой за консультацию на стадии обработки и обсуждения результатов.
Малые водоемы степной и лесостепной зон обладают высокой динамичностью, а значит могут рассматриваться в качестве индикаторов природных и антропогенных изменений окружающей среды. Также водоемы сельскохозяйственной зоны юга Западной Сибири являются интегральным компонентом ландшафтов и конечным звеном наземных геохимических потоков. Комплексные исследования различных компонентов лимноландшафтов рассматриваемой территории крайне важны для мониторинга геосистем региона, и актуальны для оценки вклада природных и антропогенных процессов в их изменения.
Все большую актуальность приобретает изучение континентальных циклов углерода и роли малых водоемов семиаридной и аридной зон в их формировании. Малые высокоминерализованные бессточные озера являются системами, в которых происходит активное формирование аутигенных минералов, в том числе карбонатов, биогенной, хемогенной и смешанной природы. Формирование карбонатов в донных осадках, в свою очередь, является одним из способов естественной секвестрации и вывода углерода из биологического круговорота. Возможность образования карбонатов, таких как доломит (CaMg(COs)2), магнезит (MgCOs) и гидромагнезит (Mg4(COs)3(OH)2*3H2O), в современных аквальных системах относится к числу наиболее актуальных научных проблем литологии, минералогии и биогеохимии. Сущность данной проблемы заключается в том, что формирование высокомагнезиальных карбонатов, при нормальном давлении и относительно низких, близких к комнатной, температурах ограничено в связи с сильно выраженными гидрофильными свойствами иона Mg2+. В то же время, Mg и Mg-Ca карбонаты широко распространены в древних осадочных толщах. По этой причине вопросы о возможных механизмах формирования Mg и Mg-Ca карбонатов в современных условиях и возможных факторах (абиотических и биотических), влияющих на эти процессы, остаются открытыми для минералов доломитового ряда. Показано, что подавляющее большинство примеров современного образования высокомагнезиальных карбонатов приурочено к микробиальным матам и строматолитам, а ведущую роль в формировании таких новообразований играет метаболизм микроорганизмов.
Соответственно, изучение современных сред, где происходит формирование Mg и Mg-Ca карбонатов представляет значительный интерес, как в контексте понимания биогеохимических условий на ранних этапах эволюции биосферы, так и с точки зрения формирования теоретической базы для разработки потенциальных технологий промышленной секвестрации углерода.
Степень разработанности темы исследования. Озера юга Западной Сибири существенно различаются по степени изученности. Наиболее подробно изучены лесостепные и степные озера Барабинской низменности и Кулундинской равнины. Многочисленные работы посвящены гидрохимическим особенностям и минеральному составу донных отложений, экологии, палеолимнологии, микробиологии и хозяйственному использованию лесостепных и степных водоемов этих регионов (Геблер, 1927; Герасимов, Иванова, 1934; Белов, Лобова, 1935; Исаченко, 1951; Страхов и др., 1954; Абрамович, 1960; Страхов, 1960; Никольская, 1961; Савченко, 1997; Веснина и др., 1999; Shikano et al., 2006; Леонова и др., 2007; Лебедева и др., 2008; Компанцева и др., 2009; Mizota et al., 2009; Ермолаев, Визер, 2010; Лямина и др., 2010; Sorokin et al., 2014; Страховенко, 2011; Сафатов и др., 2014; Rudaya et al., 2012; Страховенко и др., 2014, 2016; Самылина и др., 2015; 2016; Исупов и др., 2016; Kolpakova, Naymushina, 2016; Гаськова и др., 2017; Borzenko et al., 2017; Жданова и др., 2017; Boros et al., 2017; Жилич и др., 2018). Необходимо отметить, что большинство рассматриваемых работ посвящены высокоминерализованным содовым озерам или уникальному озеру Чаны, а вопросы вариабельности химических параметров озер и их донных отложений на различных стадиях развития, процессов минералообразования, практически не затрагиваются за исключением фундаментальной работы В. Д. Страховенко (2011) и некоторых исследований высокоминерализованных озер Кулунды (Лебедева и др., 2008; Исупов и др., 2016). Кроме того, при исследовании озер юга Западной Сибири приоритет, как правило, отдается степным водоемам, а не лесостепным озерам.
Целью работы является выявление особенностей геохимии вод и процессов современного минералообразования в бессточных озерах лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины.
Основные задачи:
1. Установить состав и закономерности формирования вод бессточных озер пяти ключевых участков лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины.
2. Идентифицировать и охарактеризовать процессы аутигенного минералообразования в донных отложениях водоемов, определить их интенсивность и разнообразие минерального состава отложений.
3. Выявить роль биогенных и биохемогенных процессов в формировании высокомагнезиальных карбонатов в бессточных водоемах.
Объект исследования: Воды и донные отложения малых бессточных озер лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины.
Предмет исследования: химический состав вод, минеральный состав и формы проявления процессов современного минералообразования в донных отложениях озер и микробиолитах.
Методология и методы исследования. Исследование базируется на фактическом материале, полученном в рамках полевых работ, проведенных автором в период 2017-2022 гг. в летне-осенний и осенне-весенний полевые сезоны. В работе исследуются компоненты озерных ландшафтов лесостепной зоны юга Западной Сибири (43 озера) на пяти ключевых участках, а именно озерные воды, верхняя часть колонки донных отложений, поверхностный слой береговых отложений и биоминеральные новообразования.
Район исследований довольно однороден по геологическому строению, располагается на Западно-Сибирской аккумулятивной равнине. Отложения представлены, главным образом, четвертичными аллювиальными суглинками и значительно реже выходящими на поверхность на основных водоразделах песчаноглинистыми отложениями палеогена и неогена. Подземные воды территории исследования преимущественно пресные и солоноватые хлоридно- гидрокарбонатные магниево-кальциевые, гидрокарбонатные кальциево-магниевые или магниево-кальциевые. Район исследований находится в лесостепной зоне в континентальной Западно-Сибирской южной климатической области умеренного пояса. Ландшафты района исследования представлены чередующимися участками распаханных полей и березовых колков с преобладанием черноземов выщелоченных и солодей в микропонижениях, естественная растительность представлена разнотравно-злаковыми степями.
Отбор и подготовка проб проводились согласно стандартным методикам в соответствии с нормативными документами.
При изучении водоемов, отборе, консервации и анализе проб озерных вод использовались подходы, принятые в гидрологии, гидрохимии исследований и аналитической химии. In situ определены температура, pH и общая минерализация вод (TDS, Total Dissolved Solids) (потенциометрическим и кондуктометрическим методами). В лаборатории Geoscience and Environment Toulouse (GET; Тулуза, Франция) Французского национального центра научных исследований (CNRS) проанализировано содержание Cl и SO4 методом ионной хроматографии (Dionex 2000i, Thermo Fisher Scientific), растворенный органический (DOC) и неорганический (DIC) углерод каталитическим окислением сжиганием с ИК- детектированием на анализаторе TOC-Vscn (Shimadzu), содержание Mg, Ca, Na и K масс-спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) с использованием квадрупольного ИСП-МС спектрометра Agilent 7500ce.
Анализ состава донных отложений и береговых фаций базировался на методах и подходах, принятых в литологии и минералогии осадочных пород . В Институте геологии Коми НЦ (ИГ КНЦ) УрО РАН им. Н.П. Орешкина рентгенодифрактометрическим методом (Shimadzu XRD-6000) определен фазовый состав донных отложений по дифрактограммам неориентированных образцов . Изучение микропрепаратов в прозрачных шлифах выполнено автором с помощью поляризационного микроскопа Olympus-BX53MTRF. В Биологическом институте (БИ) ТГУ выполнено определение размерности частиц методом лазерной дифракции на анализаторе LS 13 320 (Beckman Coulter) и элементов микростроения образцов электронной микроскопией с элементным анализом (TM3000 (Hitachi) с анализатором SwiftED3000 (Oxford Instruments)). Для визуализации проявлений биоминерализации проведена конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (Zeiss LSM 780 NLO, Carl Zeiss) в Центре биотестирования безопасности нанотехнологий и наноматериалов («Биотест-Нано») НИ ТГУ. Субмикроскопические исследования проведены с использованием методов рентгеновского микроанализа на базе низковакуумного аналитического растрового электронного микроскопа JSM-6390LV (JEOL) c анализатором INCA Energy 450 X- Max80 EDS (Oxford Instruments) и сканирующего электронного микроскопа JSM- 6510LV-EDS (JEOL) с рентгеновским энерго-дисперсионным спектрометром INCA Energy 350 (Oxford Instruments) в Институте геологии и геохимии им. акад. А.Н. Заварицкого (ИГГ) УрО РАН.
Анализ и интерпретация полученных данных проводились с использованием гидрохимических, геохимических, картографических, сравнительно-
географических, статистических методов и термодинамического моделирования.
Степень достоверности полученных результатов обеспечена использованием современных инструментальных методов анализа, оптической и электронной микроскопии. Планирование полевых работ и выбор объектов исследований проведены с использованием современных методов дистанционного зондирования, анализа научной литературы и фондовых данных, что позволило получить представительные выборки проб компонентов озерных ландшафтов. Аналитические исследования проводились в соответствии со стандартными протоколами и по аттестованным методикам в ведущих отечественных и зарубежных научно-образовательных организациях.
Научная новизна работы.
1. Исследован химический состав 43 малых бессточных лесостепных озер Зауралья и Ишимской равнины. Большая часть водоемов изучена впервые, для нескольких уточнены значения pH, минерализация и состав основных ионов. На основе полученных данных, показана высокая вариабельность химического состава озерных вод в градиенте изменения физико-географических условий.
2. Впервые детально охарактеризованы процессы современного минералообразования в донных отложениях водоемов Зауралья и Ишимской равнины. Выявлены характерные особенности морфологии и состава минеральных образований, в зависимости от химического состава вод, сезонной изменчивости и степени вовлеченности биоты в их формирование.
3. Впервые установлена биогенная природа высокомагнезиальных карбонатов в пределах лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины.
Теоретическая и практическая значимость работы. Охарактеризован минеральный состав терригенной и аутигенной составляющих донных отложений малых бессточных водоемов лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины, описана вариабельность химического состава вод по ряду геохимических параметров как между ключевыми участками, так и внутри каждой группы.
Выявлена связь процессов современного минералообразования высокомагнезиальных карбонатов и метаболизма живых организмов в пределах системы вода - донные отложения ряда изучаемых объектов.
Значительная часть работ проводилась при поддержке гранта РФФИ Аспиранты «Геохимические особенности вод и состава донных отложений лесостепных озер юго-запада Западной Сибири, как ключ к пониманию современных особенностей функционирования и развития водоемов семиаридной зоны» (№ 19-35-90004) и при поддержке мегагранта Правительства Тюменской области № 89-ДОН «TerrArctic»: «Устойчивое землепользование в Арктике в свете глобальных природных изменений: естественные и антропогенные факторы стабильности».
Полученные в ходе исследования материалы могут использоваться как основа для дальнейшего определения роли малых бессточных водоемов в формировании континентальных биогеохимических циклов. Кроме того, результаты работы могут быть востребованы при организации мероприятий в сфере рационального природопользования, планирования сельскохозяйственной и водоохраной деятельности. Материалы диссертации будут использованы в учебных курсах по направлению литология и общая региональная геология в Институте наук о Земле (ИНЗЕМ) ТюмГУ.
Личный вклад автора. Автором полностью спланирован и выполнен комплекс полевых исследований: отбор, консервация образцов вод;
пробоподготовка образцов донных отложений и биоминеральных новообразований для аналитических исследований. Лично автором проведены исследования методами оптической, электронной и лазерной микроскопии; выполнена статистическая обработка и интерпретация полученных результатов, подготовлен графический материал.
Положения, выносимые на защиту.
1. На территории лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины преобладают водоемы с высокоминерализованными щелочными и сильнощелочными хлоридными калиево-натриевыми водами. Варьирование содержаний основных макрокомпонентов в озерных водах как в пределах всей территории исследования, так и внутри отдельных групп, определяет различия в потенциале вторичного карбонатообразования.
2. Донные отложения озер характеризуются разнообразием аутигенных минералов, включающих в себя следующие группы: галоиды, карбонаты, слоистые силикаты, сульфаты, а также гидроксиды, оксиды и сульфиды, что подчеркивает неоднородность геохимических параметров водоемов внутри групп.
3. Проанализированы процессы формирования высокомагнезиальных карбонатов в малых бессточных высокоминерализованных озерах лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины. Установлена роль альго-бактериальных сообществ в локализации процессов карбонатообразования.
Апробация результатов исследования. Основные положения работы представлены на Международном научном симпозиуме имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск; 2019 г) и конференции с международным участием «Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии» (Сыктывкар 2022).
По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них 4 статьи в научных журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (в том числе 3 статья в зарубежном научном журнале, входящем в Web of Science, 4 статьи в зарубежных научных журналах, входящих в Scopus).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 126 страниц, включая 26 рисунка и 4 таблицы. Список литературы насчитывает 211 наименований, в том числе 148 на иностранных языках.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю к.г.н., доценту, директору ИНЗЕМ ТюмГУ В. Ю. Хорошавину. Также автор глубоко признателен за консультации на ранних этапах планирования работ и организацию ряда аналитических исследований к.г.-м.н., PhD, директору по исследованиям GET CNRS О. С. Покровскому и заведующему лабораторией почвоведения НИИ ББ ТГУ А. Г. Лиму за анализ состава вод. Выражаю благодарность к.г.-м.н., с.н.с. лаборатории региональной геологии и геотектоники ИГГ УрО РАН Л. В. Леоновой за содействие в части микроскопических исследований и консультации по их интерпретации, к.г.-м.н., с.н.с. лаборатории минералогии ИГ КНЦ УрО РАН Ю. С. Симаковой за проведение анализов минерального состава донных отложений, к.б.н., с.н.с. О. С. Самылиной за обширную консультацию в части понимания механизма биогенных процессов к.б.н., доценту отделения геологии ТПУ, к.г-м.н. М. А. Рудмину, за помощь в проведении ряда исследований на базе университета, с.н.с. лаборатории биогеохимических и дистанционных методов мониторинга окружающей среды БИ ТГУ С. В. Лойко за предоставление возможности проведения ряда лабораторных исследований, м.н.с. Центра изотопной геохимии ТюмГУ А. О. Курасовой за помощь в определении гранулометрического состава донных отложений , инженеру-исследователю Центра «Биотест-нано» НУ ТГУ С. Ю. Моргалёву за проведение конфокальной микроскопии, к.г-м.н. н.с. НИЛ седиментологии и эволюции палеобиосферы ТюмГУ О.И. Дерягиной за участие в обсуждении результатов, д.г-м.н., г.н.с ИКЗ ТюмНЦ СО РАН Е.А. Слагоде, за помощь в обсуждении результатов. Особую благодарность автор выражает н.с. НИЛ седиментологии и эволюции палеобиосферы ТюмГУ А. О. Константинову за активную помощь и поддержку на всех этапах проведения работ, а также к.г.н., с.н.с. НИЛ мониторинга биосферы ЮФУ Е. Ю. Константиновой за консультацию на стадии обработки и обсуждения результатов.
В ходе работы изучался химический состав вод, минеральный состав и проявления современного минералообразования в донных отложений малых бессточных озер лесостепной зоны Зауралья и Ишимской равнины.
Изучено содержание основных растворенных ионов в водоемах. По результатам гидрохимических исследований было установлено, что озера имеют преимущественно хлоридный калиево-натриевый соленый тип вод. По катионному составу большинство озер относится к натриевому типу, а по анионному - наблюдается значительная вариация состава вод среди водоемов ключевых участков II и V, относящихся как к гидрокарбонатному, так и к хлоридному типу. В остальных группах преобладает хлоридный тип вод. Определена доля пресных и соленых водоемов в выборке (32,6 % и 67,4 % соответственно). Охарактеризована неоднородность значений общей минерализации, коэффициент вариации которой, по общей выборке составляет 137,6%, а минимальное его значение отмечается в III группе озер 69,7%, что равно свидетельствует о значительной вариабельности данного параметра. Установлено наличие слабой линейной зависимости величин TDS и содержания основных ионов в водах от площади озер. Выявлена сильная положительная корреляция между общей минерализации вод и содержанием основных ионов от содержания в водах растворенных ионов Na+ и Cl-, за исключением иона Ca, концентрация которого имеет слабую обратную линейную зависимость от значения кислотно-щелочного баланса. Также были
проанализированы одни из ключевых параметров вод, с точки зрения
предрасположенности растворов к формированию аутигенных карбонатов, а именно, молярные соотношения Mg/Ca и (Na+K)/(Ca+Mg). По значениям данных параметров выделяются озера третьей группы, в которых зафиксированы интенсивные процессы современного биохемогенного осаждения
высокомагнезиальных карбонатов.
В результате изучения минерального состава донных отложений установлено, что в осадках всех исследованных водоемов наиболее значима терригенная фракция, в среднем составляющая более 80% от общего объема с повсеместным преобладанием кварцевых зерен над полевошпатовыми. Также в большинстве водоемов выявлены активные процессы современного минералообразования. Среди аутигенных минералов наиболее распространены минералы следующих классов: галогены, карбонаты, слоистые силикаты, сульфаты, оксиды, гидроксиды и сульфиды. При этом, как между ключевыми участками, так и внутри групп озер, наблюдается значительная неоднородность в интенсивности процессов аутигенного минералообразования, а также разнообразии представленных в донных отложениях аутигенных минералов. Эти различия определяются рядом факторов, таких как степень эвтрофикации водоемов, уровень активности альго-бактериальных сообществ в водах, тип землепользования прилегающих территорий, а также характером
гидродинамических условий конкретных водоемов.
В ряде водоемов третьей группы, располагающихся в пределах юго-запада Курганской области, обнаружены ярко выражение процессы современного формирования высокомагнезиальных карбонатов. В составе донных отложений этих озер, среди прочих, обнаружены такие минералы как гидромагнезит и доломит. При изучении образцов донных отложений и прибрежных фаций, выявлена исключительная локализация формирования этих карбонатов в пределах областей развития пленок экзополисахаридов, вырабатываемых фототрофными организмами водоемов. Также в акватории ряда озер III группы, обнаружены биоминеральные агрегаты различной размерности (микробиолиты), формирующиеся в прибрежных фациях. В качестве гипотезы выдвинута седиментологическая модель биогенно-обусловленного образования
высокомагнезиальных карбонатов в озерах третьей группы. Предполагается, что уникальная для региона ассоциация минералов формируется благодаря созданию различными фототрофами локальных условий, способствующих данному процессу. Изменение кислотно-щелочного баланса вод и смещение карбонатного равновесия за счет биогенных процессов, а также способность биоты способствовать образованию полимерного субстрата для кристаллизации минералов, позволяет высокомагнезиальным карбонатам формироваться в охарактеризованных аквальных обстановках.
Результаты данной работы содержат качественно новую информацию об интенсивности и локализации процессов современного минералообразования в малых бессточных водоемах семиаридной зоны юго-запада Западной Сибири, а также описывают возможные механизмы формирования высокомагнезиальных карбонатов, являющихся достаточно редкими и относительно слабо описанными минералами в условиях современных гипергенных континентальных
Изучено содержание основных растворенных ионов в водоемах. По результатам гидрохимических исследований было установлено, что озера имеют преимущественно хлоридный калиево-натриевый соленый тип вод. По катионному составу большинство озер относится к натриевому типу, а по анионному - наблюдается значительная вариация состава вод среди водоемов ключевых участков II и V, относящихся как к гидрокарбонатному, так и к хлоридному типу. В остальных группах преобладает хлоридный тип вод. Определена доля пресных и соленых водоемов в выборке (32,6 % и 67,4 % соответственно). Охарактеризована неоднородность значений общей минерализации, коэффициент вариации которой, по общей выборке составляет 137,6%, а минимальное его значение отмечается в III группе озер 69,7%, что равно свидетельствует о значительной вариабельности данного параметра. Установлено наличие слабой линейной зависимости величин TDS и содержания основных ионов в водах от площади озер. Выявлена сильная положительная корреляция между общей минерализации вод и содержанием основных ионов от содержания в водах растворенных ионов Na+ и Cl-, за исключением иона Ca, концентрация которого имеет слабую обратную линейную зависимость от значения кислотно-щелочного баланса. Также были
проанализированы одни из ключевых параметров вод, с точки зрения
предрасположенности растворов к формированию аутигенных карбонатов, а именно, молярные соотношения Mg/Ca и (Na+K)/(Ca+Mg). По значениям данных параметров выделяются озера третьей группы, в которых зафиксированы интенсивные процессы современного биохемогенного осаждения
высокомагнезиальных карбонатов.
В результате изучения минерального состава донных отложений установлено, что в осадках всех исследованных водоемов наиболее значима терригенная фракция, в среднем составляющая более 80% от общего объема с повсеместным преобладанием кварцевых зерен над полевошпатовыми. Также в большинстве водоемов выявлены активные процессы современного минералообразования. Среди аутигенных минералов наиболее распространены минералы следующих классов: галогены, карбонаты, слоистые силикаты, сульфаты, оксиды, гидроксиды и сульфиды. При этом, как между ключевыми участками, так и внутри групп озер, наблюдается значительная неоднородность в интенсивности процессов аутигенного минералообразования, а также разнообразии представленных в донных отложениях аутигенных минералов. Эти различия определяются рядом факторов, таких как степень эвтрофикации водоемов, уровень активности альго-бактериальных сообществ в водах, тип землепользования прилегающих территорий, а также характером
гидродинамических условий конкретных водоемов.
В ряде водоемов третьей группы, располагающихся в пределах юго-запада Курганской области, обнаружены ярко выражение процессы современного формирования высокомагнезиальных карбонатов. В составе донных отложений этих озер, среди прочих, обнаружены такие минералы как гидромагнезит и доломит. При изучении образцов донных отложений и прибрежных фаций, выявлена исключительная локализация формирования этих карбонатов в пределах областей развития пленок экзополисахаридов, вырабатываемых фототрофными организмами водоемов. Также в акватории ряда озер III группы, обнаружены биоминеральные агрегаты различной размерности (микробиолиты), формирующиеся в прибрежных фациях. В качестве гипотезы выдвинута седиментологическая модель биогенно-обусловленного образования
высокомагнезиальных карбонатов в озерах третьей группы. Предполагается, что уникальная для региона ассоциация минералов формируется благодаря созданию различными фототрофами локальных условий, способствующих данному процессу. Изменение кислотно-щелочного баланса вод и смещение карбонатного равновесия за счет биогенных процессов, а также способность биоты способствовать образованию полимерного субстрата для кристаллизации минералов, позволяет высокомагнезиальным карбонатам формироваться в охарактеризованных аквальных обстановках.
Результаты данной работы содержат качественно новую информацию об интенсивности и локализации процессов современного минералообразования в малых бессточных водоемах семиаридной зоны юго-запада Западной Сибири, а также описывают возможные механизмы формирования высокомагнезиальных карбонатов, являющихся достаточно редкими и относительно слабо описанными минералами в условиях современных гипергенных континентальных
