Слайд 1 - Сибирский центр синхротронного излучения

Методики аналитической микростратиграфии
высокого разрешения с использованием
синхротронного излучения в лимнологических
и палеоклиматических исследованиях.
Дарьин А.В., Калугин И.А.
Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск
Ракшун Я.В.
Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск
Реконструкция климатов прошлого необходима для понимания будущих изменений, поскольку длина рядов инструментальных метеоданных оказывается недостаточной
для выявления природных климатических вариаций с периодами более ста лет.
Длина рядов метеонаблюдений обычно не превышает
100‐150 лет, редкие наблюдения охватывают 200‐300 летний исторический период. Таким образом, особую актуальность приобретают
реконструкции длинных временных рядов климатических
параметров по качеству сопоставимые с данными
инструментальных метеонаблюдений: временное
разрешение 1 год на тысячелетней шкале; калибровка по
инструментальным метеоданным; количественная оценка
возможных погрешностей (IPCC‐2007, IPCC‐2013).
Общенаучная ценность озер как объектов исследования заключается в том, что их донные отложения являются
естественными «архивами» климатических изменений. Литолого‐геохимический подход обусловлен тем, что состав озерных
отложений определяется следующими природными факторами: 1)терригенный сток, связанный с породами питающей провинции; 2)соленость озерной воды, определяющая аутигенное минералообразование; 3)органическое вещество, как аллохтонное, так и автохтонное; 4)аэрозоли 5) окислительно‐восстановительный режим , связанный со стоком , с испарением и перемешиванием воды
Каждая компонента осадка имеет специфический набор микроэлементов. Природные вариации поставки перечисленных
выше источников вещества приводят к формированию тонкой структуры осадка, несущей информацию о состоянии
окружающей среды в момент образования данного слоя.
•
sulfates, sulfides S
Донный осадок ‐ как результат
усреднения и диагенетического
преобразования твердого
терригенного стока с различных
гипсометрических уровней и
геоморфологических элементов
водосбора, дополненного
автохтонным и аллохтонным
органическим веществом, а
также аутигенными минералами
и аэрозольной компонентой. Каждый компонент связан с
изменениями параметров
внешней среды, в первую
очередь, количеством
атмосферных выпадений и
температурой, вариации которых
и приводят к вариациям состава
и свойств донных осадков.
Предмет исследования – слой непрерывных озерных донных отложений, перекрывающих временной интервал последних тысячелетий.
Авторами разработаны методики, позволяющие решать следующие исследовательские
задачи:
‐ получение кернов донных осадков, перекрывающих временной интервал последних тысячелетий
Нами разработана методика изготовление твердых препаратов из влажного керна, включающая три этапа: наложение бокса из алюминиевой фольги на поверхность осадка и извлечение его из керна; замораживание в
жидком азоте и сушка в лиофильной камере; насыщение полимером – смесью эпоксидной смолы и ацетона. Полученные препараты пригодны для длительного хранения, изготовления шлифов для изучения в оптическом
микроскопе, для рентгеновских и других современных методов микроанализа
• Preparation a solid samples for geoche‐
mical
scanning studies.
Solid samples were prepared from the wet cores by freeze Fresh (wet) and solid slabs
drying and (with epoxy resin)
impregnating with epoxy resin.
Sediment slabs
were cut into aluminum trays
and shock‐
freezed
by liquid
nitrogen. Then
slabs were freeze‐dried and impregnated by synthetic resin
Especially interesting for us bottom sediments of lakes, which contain the annual layers (varves) with thicknesses between 0.5 ‐ 1.5 mm. This lake sediments are very important continental archives with exact chronology and the high resolution records, reflecting not only annual, but also seasonal climate and environmental variations.
‐ получение данных о распределении микроэлементов по глубине керна с годовым
временным разрешением с использованием разработанных методик аналитической
микростратиграфии
Методики аналитической микростратиграфии разработаны авторским
коллективом специально для задач высокоразрещающего исследования донных
отложений. В наших исследованиях используется рентгеновский сканер на пучках
синхротронного излучения, созданный в ЦКП «Сибирский центр синхротронного
излучения» (ИЯФ СО РАН, Новосибирск) на базе ускорителя ВЭПП‐3. Действующая
установка позволяет проводить сканирование образцов керна с шагом 0.1‐1 мм с
одновременным определением 25‐30 микроэлементов (от Cl до U) с пределами
обнаружения от 0.1‐1 г/т.
Использование фокусирующей оптики позволяет исследовать микрообъекты с разрешением 10 мкм.
Исследование годовых слоев позволяет понять процессы
осадкообразования и выделить геохимические климатические
прокси‐сигналы
Годовые слои – варвы, встречающиеся в осадках
европейских и азиатских озер
несут информацию о
состоянии внешней среды в
год образования данного
слоя.
We are studied the internal structure of the annual layers. Solid sample was prepared from a sediment core Shira_bx_2010 by
freeze and epoxy-impregnated. The method of X-Ray Fluorescent Synchrotron Radiation (XRF SR) scanning microanalysis
was used to study the samples of bottom sediments. Measurements were carried out on experimental stations accelerators
VEPP-3 (Novosibirsk), BESSY-II (Berlin) and ANKA (Karlsruhe). Step scan varied from 40 to 150 microns, some parts of
the sample were studied with a spatial resolution of 20 microns. With highly detailed distribution of Si, S, Cl, K, Ca, Ti, V,
Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Br, Rb, Sr was studied in 15 annual layers - from 1977 to 1992.
It has been shown intra annual behavior of three types of elements that
characterize the terrigenous, chemogenic and biogenic parts of
sediments. Typical elements for each group: Rb - terrigenous part
(spring),
Sr - chemogenic part (summer) and Br - the organic part (autumn).
Intra‐annual distribution of terrigenous (Rb), chemogenic (Sr) and biogenic (Br) elements.
Were found
geochemical
indicators,
marking the
beginning and the
end of the annual
layer – Ca/Sr and
Br/Rb ratio
Maximum of Ca/Sr ratio marks the beginning of the annual cycle of
sedimentation and high Br/Rb ratio marks the end of the year
‐ построение временной шкалы осадконакопления (модель: глубина керна ‐ возраст) на
основе данных изотопных исследований (137Cs, 210Pb, 14C) , варвохронологии и
геохимических данных
Турбидитный слой Т1 (датированный 1670 г.н.э.) выделен в керне Байкал_09‐1 по
литологическим и геохимическим данным. Турбидит первоначально был выделен по
цвету осадка в интервале 140‐175 мм от
верха керна (граница вода‐осадок). Однако, наличие т.н. «захороненного» пика
марганца на глубине 190 мм, дает
основания для расширения интервала
турбидитного слоя (Т1) до 190 мм, что
также совпадает с интервалом пониженных
содержаний йода в осадке. Йод
рассматривается как индикатор
органогенной компоненты осадка.
‐ установление корреляции состава, свойств и структуры донных осадков озер с
основными климатическими параметрами региона за период инструментальных
метеорологических наблюдений (последние 70‐120 лет);
‐ формирование временных рядов, построение региональных хронологий
палеоклимата за период последних тысячелетий на основе полученных данных
Калибровка по инструментальным
данным Росгидромета позволяет
трансформировать полученные
сигналы в восстановленные записи
фундаментальных климатических и
гидрологических параметров. ‐ выявление трендов и периодичности региональных климатических вариаций
Климатические
временные
ряды
анализируются методами математической
статистики для выявление периодичностей
разной длины и оценки роли этих осцилляций
в изменении регионального климата. При
этом для выявления периодичности нами
используются как традиционные методики
Фурье и вейвлет анализа, так и менее
известные разложения на эмпирические моды
с применением преобразования Гильберта‐
Хуанга.
• Mathematical methods of search and selection cycles and trends with periods from several years to millennia
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M9
3.9
±
1.7
9.9
±
3.6
21
±
6.5
36
±
10
90
±
21
157
±
47
322
±
44
649
±
36
1425
Huang N.E., Wu Z. A review on Hilbert‐Huang transform: method and its applications to geophysical studies // Reviews of Geophysics, 2008. V. 46
На основе полученных закономерностей и выявленных периодичностей различного
временного масштаба проводится подготовка количественного прогноза
региональных климатических изменений, обусловленных природными причинами, на ближайшие десятилетия.
Для этого используются: поиск аналогов климатических процессов в прошлом и их
экстраполяция в будущее; Пример поиска аналогов динамики климатических процессов в прошлом и их экстраполяция в
будущее. На рисунке слева представлены экспериментальные моды различной периодичности, полученные из реконструкции палеотемператур для Алтайского региона за период последних
2000 лет [Дарьин, Калугин, 2012]. В правой части рисунка представлены данные, выделенные в
интервале 500‐1300 гг.н.э. и наложенные на современные временные интервалы с
образованием области прогноза.
числовое моделирование квазипериодических процессов и оптимизация
гармонической функции
Peri
od
(year
s)
Analogue
Perio
d
(year
s)
Analogue
Perio
d
(year
s)
Analogue
8 13
Schwabe
,11 ya
68
75
-
-
188215
deVriesSuess,
200 ye
22
Hale, 22
ye
84
94
-
Gleissber
g, 90 ye
250
-
35 40
Brukner,
35 ye
116 137
-
503
-
58 60
Fritz, 60 ye
150
-
754
-
калибровка и синхронизация выявленных природных циклов с данными
инструментальных метеонаблюдений
• We use a set of periodic functions to create predictive models of the region's natural environment dynamics and calibrate models according to the meteorological data.
• The model is tested at the present time interval length of 40‐50 years. We assess the possible error.
• The model is extrapolated into the future for some decades.
Calibrate interval
Test interval
Forecast interval
‐ подготовка количественного прогноза региональных климатических изменений, обусловленных природными причинами, на ближайшие десятилетия
Спасибо за внимание