Природные события голоцена Южной Сибири как отражение сдвигов в глобальной климатической системе: реконструкция на основе комплексного анализа донных отложений озер с годичной слоистостью

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-17-00067

НазваниеПриродные события голоцена Южной Сибири как отражение сдвигов в глобальной климатической системе: реконструкция на основе комплексного анализа донных отложений озер с годичной слоистостью

Руководитель Безрукова Елена Вячеславовна, Доктор географических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геохимии им. А.П.Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук , Иркутская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-701 - Палеогеография

Ключевые слова климат голоцена; точная хронология; динамика растительности; история пожаров в регионе; озерные отложения; палеогидрологические события; Южная Сибирь; межрегиональные корреляции

Код ГРНТИ39.19.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Донные отложения озер - ценнейшие геологические архивы, хранящие высокоразрешающие записи различных биогеохимических показателей, используемых для реконструкции климата, растительности и взаимодействия человека с природой, а также для сравнения и оценки результатов моделирования растительности и климата прошлого. Однако потенциал озерных отложений таких исследований часто ограничен проблемами датирования. В отличие от других климатических архивов с высоким (годичным или сезонным) разрешением и точной хронологией (ледовые керны, стволы деревьев, сталагмиты), озерные архивы с надежной хронологией, установленной путем подсчета годичных слоев, встречаются редко, а их получение и детальный анализ являются дорогостоящими и трудозатратными. Южная Сибирь, где живет большая часть населения азиатской части России, считается очень уязвимой к антропогенным изменениям климата (Assessment Report, 2011). Поэтому, надежные данные о климате прошлого и его воздействии на природу региона могут помочь лучше понять угрозы, создаваемые продолжающимся изменением климата, и, как никогда востребованы. Учитывая отсутствие высококачественных, хорошо датированных палеоклиматических записей из Южной Сибири, отложения оз. Шира с установленной сезонной слоистостью представляют ценнейший архив природно-климатических изменений голоцена на северной окраине Алтае-Саянской горной системы. Озеро расположено в Хакасско-Минусинской котловине (fig.1), на высоте 354 м над у.м., в Хакасском государственном природном заповеднике, созданном для охраны редких и эндемичных растений, животных и археологических памятников. Для наиболее полного использования потенциала уникального природного архива озера, в 2021 году в самой глубокой части озера буровой станцией UWITEC были пробурены три скважины с отбором керна донных отложений ненарушенной структуры. Две из них вскрыли всю 5-м осадочную толщу оз. Шира до подстилающих элювиальных отложений. Отложения пресного оз. Саган-Нур, одного из самых живописных, но практически неизученных географических объектов Окинского плоскогорья в Восточном Саяне (fig.1), также имеют ленточную слоистость. Озеро расположено в экзарационной котловине, на высоте 1620 м над у.м., в горно-лесном поясе. Весной 2021 года в самой глубокой части озера извлечены два керна, один из которых вскрыл 2.3-м осадочную толщу озера до подстилающих моренных отложений. Предлагаемый проект направлен на анализ кернов донных отложений из этих озер, расположенных в контрастных природно-климатических условиях с целью: (1) получить надежные возрастные модели путем подсчета годичных слоев и радиоизотопного датирования, (2) обеспечить детальную реконструкцию региональной истории растительности, пожаров и климата на основе результатов спорово-пыльцевого анализа и анализа микрочастиц угля, (3) реконструировать с высоким разрешением историю изменений уровней озер на основе анализа водных палиноморф и биогеохимии донных отложений, (4) сравнить последовательность реконструированных событий региональной природной среды с последовательностью природных событий и климата голоцена умеренных широт Евразии и на этой основе определить возможные причины изменения в растительности, времени и частоте пожаров, колебаниях уровня воды в озерах. Новые уникальные междисциплинарные данные заполнят важные пробелы в знаниях о природно-климатических изменениях, истории взаимодействия человека с природой в изучаемом регионе в голоцене. Планируемые исследования в таком объеме будут проведены для Южной Сибири впервые, а ожидаемые результаты по комплексности современных методов, временному разрешению и детальности не будут уступать мировому уровню подобных исследований. Ожидаемые результаты создадут надежную палеоэкологическую основу для более глубокого понимания динамики древнего населения и причин смен региональных культур. Результаты будут использованы для детализации климатостратиграфической схемы региона, применяемой в палеогеографии, лимнологии, археологии, экологии, биологии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Амосова А.А., Чубаров В.М., Безрукова Е.В, Reconstruction of the geochemical evolution of the saline lake Shira (Southern Siberia, Russia) in the late Holocene Limnology and Freshwater Biology, том 7, вып. 4, стр. 239-243 (год публикации - 2024)
10.31951/2658-3518-2024-A-4-239

2. Солотчин П.А., Солотчина Э.П., Безрукова Е.В., Щетников А.А., Жданова А.Н. Reconstruction of the Late Quaternary climate of Oka Plateau (East Sayan) based on sedimentary record from high-mountain freshwater lake Limnology and Freshwater Biology, том 7, вып. 4, стр. 670-675 (год публикации - 2024)
10.31951/2658-3518-2024-A-4-670

3. Безрукова Е.В., Решетова С.А., Амосова А.А., Щетников А.А., Зыков В.В., Чубаров В.М., Бульхин А.О., Филинов И.А.2, Крайнов М.А.1, Рогозин Д.Ю. Растительность и климат юга Сибири в позднем голоцене с декадным разрешением: результаты комплексного изучения донных отложений оз. Шира, Минусинская котловина Limnology and Freshwater Biology, том 7, вып. 4, стр. 292-297 (год публикации - 2024)
10.31951/2658-3518-2024-A-4-292A-4-292

4. Решетова С.А., Безрукова Е.В., Кузьмин М.И. Variability of Ephedra dahurica Turcz. Pollen as an Indicator of Humidity for the Modern Climate of Southeastern Transbaikalia Доклады Российской Академии наук. Науки о зЗемле, Том. 518, Часть 2, стр. 1747–1754 (год публикации - 2024)
10.1134/S1028334X24603158

5. Солотчина Э.П., Солотчин П.А., Безрукова Е.В., Жданова А.Н., Щетников А.А., Даниленко И.В., Кузьмин М.И. Mineralogical Indicators of the Holocene Climate in Sediments of the High-Mountain Lake Sagan-Nur (East Sayan Mountains) Доклады Российской Академии наук. Науки о Земле, том 517, вып. 22, стр.1332–1339 (год публикации - 2024)
10.1134/S1028334X24602220

6. Безрукова Е.В., Решетова С.А., Волчатова Е.В., Кулагина Н.В., Щетников А.А., Крайнов М.А., Филинов И.А. СУБРЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ЮГА ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ В СРЕДНЕМ–ПОЗДНЕМ ГОЛОЦЕНЕ ГЕОГРАФИЯ И ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ, № 5, С. 16–26 (год публикации - 2023)
10.15372/GIPR20230502

7. Безрукова Е.В., Решетова С.А., Кулагина Н.В,, Щетников А.А., Филинов И.А., академик Кузьмин М.А. Vegetation and Climate in the North of the Minusinsk Basin in the Late Holocene: A Record from Shira Lake Resolved by Decade Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, Vol. 518, Part 2, pp. 1755–1760. (год публикации - 2024)
DOI: 10.1134/S1028334X2460316X

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Все запланированные задачи реализованы и получены новые оригинальные результаты комплексного изучения донных отложений двух озер. Так, для отложений пресноводного оз. Саган-Нур (Вост. Саян, 1620 м над у.м., длина керна 182-см), накопившихся 8600-13700 л.н., получены результаты радиоуглеродного датирования, палинологического, петро- и палеомагнитный анализа, содержания биогенного кремнезема, влажности и сухой объемной плотности, подсчета угольных частиц. Определены концентрации основных породообразующих элементов рентгено-флуоресцентным методом, минеральный (фазовый) состав; к палинологическим данным применен биомный подход. В результате, впервые установлено, что процесс современного лимногенеза в среднегорно-таежном поясе Окинского плато, в частности, в котловине оз. Саган-Нур, начался 14000-13700 л.н., т.е., на 200-300 лет раньше, чем в в высокогорной зоне. Озеро образовали талые ледниковые воды и атмосферные осадки. Аккумуляция сильно карбонатных озерных илов началась на суглинисто-супесчаной толще моренных отложений кварц-полевошпатового состава. В результате ок. 13700-13500 л.н. в котловине образовался мелководный, соленый водоем, в котором почти сразу стали развиваться диатомовые водоросли. Результаты свидетельствуют о самом высоком за изученный интервал времени уровне воды в озере 13400-13000 л.н. Геохимические и палинологические индексы указывают на постепенное снижение уровня с 13000 л.н. В отличие от относительно спокойной эволюции озерной системы, состав растительности в его котловине и бассейне претерпевал резкие и быстрые изменения в столетнем масштабе, свидетельствуя о значительных сдвигах в природной среде Окинского плато. Проведенные со средним временным разрешением в 80 лет реконструкции подразумевают преобладание тундровой растительности в бассейне озера 13700-11500 л.н., которая в голоцене уступила место северной тайге с господством лиственницы. Обнаруженные высокочастотные, в масштабе десятилетий-столетия и со средним временным разрешением в 45 лет флуктуации геохимических и петромагнитных показателей донных отложений озера, соответствующие формированию слоистости в их литологическом строении, предполагают частую смену режима осадконакопления, причиной которого могли быть крупные паводковые события из-за таяния ледников, снежного покрова и многолетнемерзлых пород. Выраженность этих событий в литологической и геохимической записях из отложений оз. Саган-Нур становилась менее четкой от раннего к позднему голоцену, означая затухание поверхностного стока в результате повышения густоты растительного покрова побережий, снижения объемов поступающей талой ледниковой воды, из-за таяния мерзлоты, т.е., из-за общей перестройки региональной гидросети. Сравнение полученных записей изменения природной среды в бассейне озера с ключевыми записями глобального климат показало, что перестройка гидрологического режима оз. Саган-Нур в позднеледниковье-голоцене подчинялась процессу деградации наземного и подземного (оледенения на Окинском плато. Результаты петромагнитных исследований дополнили реконструкции гидрологического режима озерной системы. Продолжение исследований палеогеографической и палеолимнологической истории соленого меромиктического оз. Шира (расположено в Северо-Минусинской котловине на юге Западной Сибири) заключалось в комплексном изучении нижнего лота из его донных отложений. Если в 2023 г. нами была получена реконструкция растительности, климата севера Минусинской котловины и гидрологического режима озера за 2900 лет с разрешением в 21 год, то в 2024 году мы продлили реконструкции до 5150 лет назад с уникальным разрешением в 19 лет. Для этого отложения были датированы AMS 14C методом, осуществлен палинологический анализ каждого сантиметра (156 образцов) с подсчетом пыльцевых и непыльцевых палиноморф (клеток водорослей Botryococcus, мандибул рачков Daphnia, микрочастиц углей крупнее 100 микрон); рассчитано отношение пыльцы полыни и маревых и использовано как показатель эффективного увлажнения в регионах, где среднее годовое количество атмосферных осадков не превышает 500 мм,проведена реконструкция биомов, а также получены профили распределения алкенонов и их индексов ненасыщенности за последние 3250 лет, вариации которых соответствуют изменениями солености и температуры воды. В результате, впервые со средним временным разрешением в 19 лет реконструирована история растительности, климата севера Минусинской котловины и гидрологическая эволюция оз. Шира в интервале 2200-5150 лет назад, продлевая предыдущую реконструкцию на 2170 лет. реконструкции позволили установить, что начало лимногенеза в геометрическом центре озера (мест бурения) началось около 5150 л.н. Реконструкции предполагают, что 5150-2200 л.н. на равнинах севера Минусинской котловины преобладала степная растительность с участием лесной из лиственницы, сосны, березы. На окружающих котловину горных массивах господствовали холодные, преимущественно березово-лиственничные леса и смешанные хвойные леса. Особенностью развития растительности севера Минусы было постепенно повышающееся значение лесных биомов 5150-2200 л.н. и ритмичное изменение роли биома степи. Особенности состава непыльцевых палиноморф предполагают существование соленого мелководного водоема и аридный климат котловины 5150-4190 л.н., повышение уровня озера 4190-3400 л.н., новое понижение 3400-3100 л.н. и снова подъем уровня воды, 3100-2920 л.н. Профили распределения алкенонов в донных отложениях оз. Шира подтверждают эти выводы о неоднократном переходе озерной системы из голомиктического режима перемешивания в меромиктический и обратно. Впервые обнаружено, что реконструированные периоды подъема воды сопровождались повышенной концентрацией в донных отложениях хламидоспор грибов рода Glomus, связанных с корнями наземных растений и использующихся в качестве индикатора эрозии почвы. Реконструированное расширение заболоченных хвощевых ассоциаций также соотносится с резкими кратковременными интервалами снижения уровня озера. При этом, высокоразрешающие записи из отложений оз. Шира не содержат четких доказательств значимого воздействия на локальную/региональную растительность человека в пыльцевой записи Shira-2021-II-2 не обнаружено. Проведенное сравнение новых комплексных записей из отложений оз. Шира и оз. Саган-Нур, полученных в рамках проекта, с (1) наборами данных из других региональных архивов палеоклимата, (2) глобальными ключевыми записями палеоклимата из кернов полярных льдов, морских отложений и спелеотем предполагает решающую роль изменения глобального климата в вариациях региональных климатических систем Минусинской котловины и среднегорно-таежного пояса Восточного Саяна.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Все запланированные задачи были выполнены, и получены новые фундаментальные научные знания о палеогеографии Южной Сибири в позднеледниковое время и в голоцене. Так: - изучены изменения концентраций биогенного кремнезема в донных отложениях озера Ордынское. Озеро Ордынское расположено в Усть-Ордынском национальном округе Иркутской области. Геоморфологически озеро занимает часть днища долины реки Куда, которая дренирует юго-западный склон Предбайкальского краевого прогиба. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что продуктивность озерной системы была очень низкой между 2800 и 150-140 лет назад, периодически незначительно повышаясь примерно 2400, 1400 и 300 лет назад. Более того, интервалы этих небольших повышений синхронны с интервалами потепления климата в Северном полушарии вскоре после известных кратковременных похолоданий. Продуктивность озерной системы резко возросла за последние 150-100 лет (концентрация SiO2 bio изменилась от обычных 2-3% до 10%), что, скорее всего, связано с появлением постоянных поселений на берегах озера Ордынское и в долине реки Ордушка, с развитием здесь скотоводства, а затем и сельского хозяйства. Об этом же свидетельствует динамичное социально-экономическое развитие Эхирит-Булагатского аймака с 1918 года, с его административным центром в селе Усть-Ордынском, население которого занималось активной сельскохозяйственной деятельностью, но прежде всего животноводством; изучение коэрцитивных параметров донных отложений озера Саган-Нур показало, что отличительной особенностью донных отложений озера является то, что, в отличие от большинства озер Байкальского региона, исходная магнитная восприимчивость определяется главным образом ферримагнитной составляющей (kfer) ферримагнитной фракции; для парамагнитных отложений озера Саган-Нур исходная магнитная восприимчивость определяется ферримагнитной фракцией. Также эти исследования показали, магнитные свойства отложений озера Саган-Нур обусловлены именно ферримагнитными зернами. При этом установлено, что формирование магнитных свойств связано не только с поступлением осадочного материала в озеро, но и с другими процессами образования ферримагнитных минералов. Согласно результатам исследования, оказалось, что начало накопления осадков в озере (глинистые алевролиты, 230-210 см) является переходным этапом между стадией катастрофического стока и стадией циклического формирования озерных отложений; - относительное содержание компонентов по всему керну выше горизонта 230-210 см изменяется незначительно. Постоянство соотношений между компонентами указывает на стабильность источника ферримагнитного материала, а изменение магнитных свойств определяется концентрацией и размером ферримагнитных зерен; - интерпретация этого материала с точки зрения изменения климата в регионе продолжается; - впервые было установлено чрезвычайно низкое содержание/или отсутствие длинноцепочечных алкенонов в отложениях озера Саган-Нур (Восточный Саян) за последние 8,6 тыс. лет, что, к сожалению, делает этот показатель неинформативным при реконструкции природной среды в суровом климате среднегорий Восточного Саяна; - первый опыт изучения каротиноидов в отложениях озера Саган-Нур выявил ограниченное разнообразие фотопигментов и относительно бедный каротиноидный состав, как количественный, так и качественный; аллоксантин и комбинированная пара лютеин-зеаксантин были обнаружены в очень низких концентрациях; это может означать, что такой бедный состав каротиноидов связан с ограниченным количеством растворенных биогенов в холодных водах озера, его относительно небольшой площадью поверхности и значительной глубиной. Такие параметры озерной системы ограничивают продуктивность фотосинтеза в озере Саган-Нур и способствуют длительному воздействию разрушительных факторов окружающей среды до того, как осадочный материал достигнет дна. Равномерное распределение пигментов по всей длине керна и отсутствие значительных пиков указывают на постоянство гидрологического режима озера за последние 8,6 тыс. лет, что согласуется с реконструкцией региональной природной среды с использованием результатов палинологических и геохимических методов; Что касается оз. Шира, то спектральный анализ встречаемости зеленых водорослей Botryococcus выявил квазипериоды в 215-220 лет и 70-80 лет, соответственно. В масштабе времени длиной в столетие квазипериодичность, скорее всего, связана с циклами изменчивостью солнечной активности через каждые 88 и 210 лет. Этот результат указывает на тесную взаимосвязь между солнечной активностью и изменениями общего уровня влажности в Минусинской котловине; - на основе дополнительных геоморфологических наблюдений в окрестностях озера, комбинированных исследований морфологических систем и корреляции осадочных комплексов территории мы составили геоморфологическую карту расположения озера Шира и участка реки Сон – единственного притока озера; - датирование полифациальных отложений нижнего уровня аккумулятивной террасы, образующей поверхность дельты реки Сон, методом AMS 14C, результаты их гранулометрического, рентгенофлуоресцентного и минералогического анализа и использование опубликованных данных впервые позволяют предложить новый сценарий развития озера Шира в голоцене; - 9,1-6,0 тыс. л.н. - зарождение водоема с подъемом уровня воды до максимальных отметок (абс. высота 375-380 м) и дальнейшим постепенным его понижением с развитием ступеней абразивных террас; - 6,0-5,7 тыс. л.н. - глубокая регрессия озера, его полное высыхание, сопровождающееся частичной дефляцией осадочного покрова; - 5,7-4,8 тыс. л.н. – новое наполнение котловины озера, но уровень воды значительно ниже современного; 4,8-0,88 тыс. л.н. - подъем уровня воды, не достигавший современного; 0,88-0,51 тыс. л.н. – снижение уровня воды; последние 510 лет - повышение уровня воды до его современных отметок, когда голомиктический режим сменился почти постоянно господствовавшим меромиктическим; - все эти временные интервалы, в целом, соответствуют региональным климатическим изменениям, установленным для территории Хакасии и прилегающих частей Саян и Горного Алтая, а также Монголии.

Публикации

Возможность практического использования результатов
нет