Глава 7 Гидрологический режим и интенсивность водообмена в озере Иссык-Куль по измерениям концентраций стабильных изотопов кислорода и дейтерия

 ГЛАВА 7.

Гидрологический режим и интенсивность водообмена в озере Иссык-Куль по измерениям концентраций стабильных изотопов кислорода и дейтерия

В ходе Иссык-Кульской экспедиции в июне 2017 года, характеристики гидрологического режима озера Иссык-Куль были впервые исследованы с помощью метода стабильных изотопов. Исследование изотопных соотношений кислорода и водорода в воде является эффективным методом изучения динамики природных вод и их происхождения. Особенно широкое распространение метод стабильных изотопов приобрел в ландшафтной гидрологии и экогидрологии. В основе изотопного метода лежит различие массы изотопов составляющих молекулы воды, и, как следствие, их разное поведение при фазовых переходах (испарение-конденсация, таяние-замерзание). Это приводит к так называемому фракционированию, т.е. разделению тяжелых и легких изотопов входящих в молекулы воды, что позволяет использовать «изотоптный след» как индикатор интенсивности круговорота воды в системе атмосфера-открытые водоемы-грунтовые воды. Благодаря этим свойствам, изотопы атомов, входящих в молекулу воды, нашли широкое применение в качестве консервативных индикаторов. Процессы фракционирования вызывают естественные пространственно-временные колебания в глобальном и региональных гидрологических циклах. Так, отношения изотопов воды в почве могут отличаться от расположенных подземных вод из-за испарения из почвы и выпадения осадков летом в пределах умеренного водосбора часто изотопно тяжелее, чем зимние осадки. Там, где изотопный след не изменяется в рамках изучаемой системы или там, где изменения в исходном следе могут быть учтены и исправлены [47], изотопные данные могут быть использованы для определения происхожения воды в отобранных пробах.

Начиная с первых изотопных исследований, предпринимались попытки использования метода, в том числе, для оценки вклада испарения и осадков в гидрологический режим озер. Уравнения баланса таких естественных изотопных индикаторов, как дейтерий (D или ²Н) и кислород-18 (¹⁸О), использовались рядом авторов для определения водного баланса озер. Ранние работы, а также основные факты, связанные с изотопными вариациями, были обобщены [48]. Практическое применение этой техники часто затруднено из-за неточностей, присущих оценке параметров, определяющих изотопное обогащение при испарении с поверхности озера. Тем не менее, метод продемонстрировал свою эффективность в озерных исследованиях, в частности, в приложении к бессточным озерам, в которых испарение является ключевым компонентом водного баланса.

Наиболее распространенный подход к анализу изотопных данных состоит в предположении о региональной стационарности изотопного и гидрологического режимов. Типичные примеры такого подхода приведены в работах [48] и [49]. Следующие факты лежат в основе данного подхода [48]:

1. Океаны, которые являются основным глобальным источником атмосферного водяного пара, имеют практически постоянный изотопный состав с соответствующими концентрациями 997680 : 2000 : 320 ppm для H₂¹⁶O, H₂¹⁸O и HDO, соответственно;

2. Осадки и, как следствие, речной сток и подземные воды обеднены тяжелыми изотопами, такими как H₂¹⁸O и HDO, по сравнению с океанами;

3. Осадки становятся изотопно легче с увеличением широты и высоты;

4. Из-за разницы давлений паров различные изотопные виды воды имеют разную летучесть, что вызывает фракционирование во время процессов испарения и конденсации, то есть водяной пар в равновесии с жидкой водой обеднен тяжелыми изотопными соединениями относительно жидкой фазы.

Первое из перечисленных свойств сделало возможным создание стандарта изотопного состава воды, соответствующего среднему изотопному составу вод океана. В современных гидрологических исследованиях таким изотопным стандартом является VSMOW-2 (Vienna Standard Mean Ocean Water, Венский стандарт средней океанической воды). Концентрации дейтерия и кислорода-18 в пробах обычно выражаются в единицах отклонения в тысячных долях (промилле или ‰) от VSMOW следующим образом [50]:

δ = (C_sample –C_vsmow)/C_vsmow ⋅ 1000 [‰]. (1)

Хотя изотопный состав воды включает несколько вариантов атомов водорода и кислорода (таких как кислород-17 и нестабильный тритий), в анализе обычно рассматриваются лишь два наиболее распространенных изотопа (помимо основных ¹H и ¹⁶O): это дейтерий и кислород-18. Их соответствующие концентрации по уравнению (1), δD и δ¹⁸O, равны нулю для океанической воды по определению. Традиционная концепция изотопной гидрологии, представленная [50], использует соотношение между концентрациями δD и δ¹⁸O в природных водах из разных мест мира и сравнивает изотопное обогащение относительно воды океана. Уже в самом начале развития изотопного метода [50] обратил внимание, что содержание дейтерия и кислорода-18 в осадках связано линейной зависимостью следующего вида:

δD ≈ 8⋅ δ¹⁸O + 10 (2)

Эта линия с наклоном (коэффициентом регрессии) 8 была получена путем обобщения изотопных данных рек, водохранилищ и осадков из разных регионов и была названа «глобальной линией атмосферных осадков» (GMWL, Global Meteoric Water Line), которая является основой для анализа изотопного фракционирования в круговороте осадки-испарения: при прочих равных условиях, δD и δ¹⁸O пропорционально уменьшаются при испарении (см. пп. 2-4 выше), так что положение измеренных концентраций на линии атмосферных осадков в координатах δD(δ¹⁸O) напрямую связано с «возрастом» пробы воды: чем «легче» изотопный состав, тем ближе она по времени к осадкам. Соответственно, чем больше «тяжелых» изотопов в пробе, тем дольше она подвергалась испарению. Это соотношение показывает линейную корреляцию во всем диапазоне вод, которые не подвергались чрезмерному испарению и определяются глобальной линией атмосферной воды (GMWL).

Ежемесячные пробы осадков отдельного региона дают локальную линию атмосферных осадков (local meteoric water line, LMWL) и, вместе с отношением к GMWL, полезны для объяснения взаимосвязи между водой и соответствующими гидрологическими процессами [51]. LMWL может заметно отличаться от GMWL по наклону и смещению относительно осей (в силу так называемого эксцесса дейтерия, см. ниже), но остается (приблизительно) прямой линией в силу общности законов фракционирования изотопов. В таком виде, локальная линия атмосферных осадков полезна для интерпретации регионального круговорота воды, источников и процессов, которым вода подверглась [51].

Фазовые изменения также могут быть зарегистрированы в составе воды методом сравнения изотопов δD и δ¹⁸O, если они связаны с неравновесным диффузионным переносом пара в/из мест конденсации/испарения. Этот эффект является результатом различия в относительных коэффициентах фракционирования для равновесного обмена изотопов между фазами (который влияет на соотношение изотопов водорода приблизительно в восемь раз больше, чем на соотношения изотопов кислорода) и диффузии (что приводит к примерно равному сдвигу в композиции изотопов водорода и кислорода). Эффект часто документируется в терминах параметра эксцесса (избытка) дейтерия, dxs = δD - 8 × δ¹⁸O [52]. Большая часть океанических вод имеет значение d, близкое к нулю, а большинство метеорных вод имеют значение, близкое к +10 ‰, из-за влияния диффузии на изотопные соотношения пара полученного от испарения океанской воды [53]. Пресноводные значения, которые значительно отклоняются от dex = 10 часто принимаются в качестве доказательства дополнительных диффузионных эффектов, таких как вклад испарения с поверхности земли в атмосферный пар или частичная эвапоконцентрация озерной воды.

Наконец, локальная линия испарения (local evaporation line LEL) имеет ключевое значение для анализа водного баланса, в особенности, для бессточных озер. Изотопное фракционирование, которое сопровождает испарение, приводит в бессточных поверхностных водах к постоянному обогащению воды тяжелыми видами изотопов. Этот накопительный эффект изотопного обогащения создает уникальную изотопную характеристику конкретного бессточного озера, которая может в дальнейшем использоваться для установления водного баланса озера, особенно отношения притока к потокам испарения, и в качестве инструмента для изучения перемешивания в озере. Обогащение тяжелыми фракциями изотопов наблюдалось уже во время ранних исследований стабильных изменений изотопов в гидрологическом цикле и широко используется в качестве озерного «изотопного следа» для определения вклада озерной воды в подземные воды, а также как оценка регионального водного баланса, в частности вклада в него испарения с поверхности озера (см. обзор [54]). На локальной линии испарения, которая также близка к прямой в координатах δD(δ¹⁸O), начальная точка соответствует случаю незначительного испарения (например, локальным осадкам, или речным притокам, если последния являются основным источником озерной воды), в то время как конечная точка соответствует бессточному терминальному водоему, в котором испарение является основным негативным компонентом баланса воды.

В случае озера Иссык-Куль, изотопный анализ представляет особый интерес как для понимания водного баланса самого озера, так и для оценки роли озера в региональном гидрологическом цикле, включающем таяние ледников, взаимодействие озера с грунтовыми водами, а также потенциальную роль возгонки (сублимации) в формировании изотопного состава осадков и горного стока. Иссык-Куль – бессточное солоноватое озеро с необычно малой соленостью воды для его древнего возраста. Накопление солей – неизбежный процесс в бессточных водоемах, где основным компонентом потери воды является испарение. Природа малой солености Иссык-Куля не до конца ясна. Наиболее вероятное объяснение состоит в том, что Иссык-Куль до сравнительно недавнего времени (в последнем тысячелетии) имел сток, который был прерван в результате сейсмических процессов, активных в этой области Тянь-Шаня. Действительно, русло реки Чу (имеющей водосбор > 65 тыс. км²), проходит в ее истоках менее чем в 5 км от западного (нижнего) берега Иссык-Куля, и сама топография местности предполагает естественную связь озера с рекой. Археологические и исторические данные о резком повышении уровня озера в XVIII веке подтверждают эту гипотезу [55]. Насколько стабильны уровень солености Иссык-Куля и солевой состав его воды на данный момент, остается неясным, в том числе, из-за отсутствия данных о подземном стоке. Последний может составлять значительную часть водного баланса Иссык-Куля, учитывая исключительную близость озера к подземному водоносному горизонту реки Чу.

Другой загадкой озера Иссык-Куль является необычно высокий уровень вертикального перемешивания, подтверждаемый как данными предыдущих радиоизотопных исследований [56], так и данными о глубоководном содержании кислорода, в том числе полученными в рамках нашей экспедиции.

В ходе экспедиционных работ были отобраны пробы воды на 17 станциях распределенных по акватории озера Иссык-Куль. Пробы отбирались с поверхности озера и с придонных горизонтов. Кроме того, пробы были отобраны вдоль эстуариев основных рек (Тюп и Джералган) и в устьях 12 малых притоков – горных рек и ручьев вдоль восточного и южного побережий Иссык-Куля. Пробы отбирались в двойном экземпляре и, после фильтрации, были доставлены в герметичном виде в лабораторию. Для определения концентрации изотопов был использован анализатор Picarro L2140-i Isotope and Gas Concentration Analyzer.

За исключением устьев рек Тюп и Джералган, распределение изотопов по поверхности Иссык-Куля было близко к однородному (Рис. 7.1): в центральной, пелагиальной части озера значения варьировались в диапазоне –0.49 - –0.53 ‰ для δ¹⁸O и –12.75 - –12.93 ‰ для δD.

Вблизи устьев рек, в свою очередь, вода была заметно обеднена тяжелыми изотопами, демонстрируя отчетливый «след» речного стока. Для р. Джералган соответствующие значения были ниже озерных на 2.2 ‰ для δ¹⁸O и 13.3 ‰ для δD. Река Тюп, как наиболее полноводный приток Иссык-Куля, оставила более сильный «след» в изотопном составе: вблизи ее устья, обеднение тяжелыми изотопами относительно озерной воды составляло –6.6 ‰ для δ¹⁸O и –39.5 ‰ для δD. В остальной части прибрежной (литоральной) зоны, изотопное содержание варьировалось мало. Незначительное обеднение тяжелыми изотопами наблюдалось у северного и северо-западного берегов, что может служить как признаком локального поверхностного и подземного стока в озеро в данной части акватории, так и быть следствием вдольберегового переноса вод рек Тюп и Джералган за счет крупномасштабной циклонической циркуляции в Иссык-Куле.

Горизонтальное распределение изотопных концентраций в придонном слое (Рис. 7.2) в целом повторяет картину на поверхности озера, будучи подверженно интенсивному влиянию притока «легкой» воды из крупных рек в восточной части Иссык-Куля. При этом, сигнал реки Джералган, становится малозаметным уже вблизи устья (разница с пелагиальными значениями ~0.02 ‰ как для δ¹⁸O, так и для δD, Рис. 7.2), в то время как река Тюп сохраняет значительную разницу (более ~2 ‰ по обоим изотопам) с основной акваторией озера. Также, в придонном слое сильнее чем на поверхности выражено уменьшение количества тяжелых изотопов в западной оконечности озера, что позволяет предположить заметное влияние грунтовых вод на водный баланс этой части Иссык-Куля.

В большей части акватории озера разница между придонными и поверхностными значениями изотопного состава была невелика: на самых глубоких точках озера поверхностная вода была немного «легче», чем в придонных областях. Так, на станции 7 (общая глубина 641 м), изотопный состав на поверхности был на уровне –0.51 ‰ и –12.76 ‰, в то время как в гиполимнионе (на глубине около 550 м) значения были –0.46 и –12.71 для кислорода-18 и дейтерия, соответственно. Небольшое (хотя и статистически значимое) расхождение в изотопном следе глубинных и поверхностных вод косвенно подтверждает активное обновление вод Иссык-Куля до глубин в несколько сотен метров, вытекающее из высоких значений растворенного кислорода в придонных слоях (см. Главу 3), и исследованное ранее с помощью метода радиоактивных изотопов [56]. Поскольку данные были собраны в июне, в период активного таяния горных осадков, относительная обедненность поверхностных вод тяжелыми изотопами может быть приписана эффекту «омоложения» поверхности за счет весенних осадков и поверхностного стока.

В силу ярко выраженной сезонности баланса осадки-испарения в высокогорном Тянь-Шане, вертикальное распределение стабильных изотопов может сильно варьироваться в годовом цикле, так что поверхностные значения могут наоборот становиться более обогащенными тяжелыми изотопами в конце года за счет активного испарения в летний период. Наши данные не дают возможности проследить эффект сезонности на вертикальное распределение изотопного состава, однако демонстрируют перспективность метода для оценки вертикального водообмена в глубоких бессточных озерах, при достижении необходимого временного и пространственного разрешения.

Несмотря на малое временное разрешение первых изотопных данных из озера Иссык-Куль, их анализ в системе координат δD(δ¹⁸O), связанной с глобальной линией атмосферных осадков (GMWL, ур. 2), позволяет получить стройную картину трансформации изотопного состава в региональной гидрологической системе (Рис. 7.3).

За исключением измерений в устьях Тюпа и Джералгана (квадраты на Рис. 7.3), все озерные значения ложатся в этих координатах в узкую область δ¹⁸O = –0.52 ± 0.09 ‰, δD = –12.9 ± 0.63 ‰, обозначенную большим кругом на рис. 7.3. Область расположена существенно ниже GMWL (жирная линия на рис. 7.3), демонстрируя негативный эксцесс дейтерия dxs = –8.77 ‰.. В природных водах отрицательные значения dxs обычно служат показателем интенсивного испарения, типичного для замкнутых аридных бассейнов, где испарение составляет основную расходную часть баланса массы. При этом, значения, измереннные в малых притоках (реках и ручьях, малые кружки на рис. 7.3), ложатся на локальную линию атмосферных осадков (LMWL), определенную ранее [57] по данным ледниковых кернов Тянь-Шаня и региональных атмосферных осадков. LMWL значительно отличается от «глобальной линии атмосферных осадков» GMWL, демонстрируя позитивный эксцесс дейтерия в области негативных значений δ¹⁸O. Причины этого, рассмотренные ранее [57], очевидно могут быть распространены и на данные из притоков Иссык-Куля: к ним относятся малая относительная влажность воздуха (и сильные перепады температуры) в высокогорных районах, что приводит к относительно низкому содержанию δD по сравнению с GMWL. Наблюденные значения δD однако сравнительно выше (от –70 до –90 ‰), чем в общем для высокогорных районов (-140‰ до -70 ‰), ближе к данным из семиаридных и аридных областей. В [57] приписали этот факт влиянию испарения с Каспийского моря, рассматривая Тянь-Шань как противоположную Каспию естественную границу Среднеазиатской циркуляции. Однако, исходя из тех же общих соображений, влияние Иссык-Куля на региональный гидрологический цикл представляется как минимум не меньшим, чем эффект Каспийского моря. Более того, рассматривая данные из устьев рек Тюп и Джералган (квадраты на рис. 7.3) как результат смешения речного стока (близкого по изотопному составу к атмосферным осадкам) и «старой» озерной воды, можно убедиться, что эти данные ложатся на общую прямую линию. При этом, пересчение этой линии с LMWL приходится с большой точностью на среднее изотопное соотношение для малых притоков (длинный пунктир на рис. 7.4). Таким образом, полученные данные позволяют утверждать, что линейная зависимость вида

δD  = 5.58 δ¹⁸O  – 10.65, (3)

соответствует локальной линии испарения (LEL) в региональной гидрологической системе, где основным «испарителем» является Иссык-Куль.

Рис. 7.4. Линия испарения по данным озера Иссык-Куль и изотопные соотношения из других крупных озер, включая Аральское море (данные авторов, 2018), озеро Верхнее [58], Мертвое море [54], Каспийское море [60].

Определение зависимости LEL для Иссык-Куля имеет важное практическое значение для дальнейшего анализа и интерпретации изотопных данных Тянь-Шаньского региона и открывает путь для ее применения в гидрологическом моделировании [61]. При этом, стоит отметить, что влияние Каспийского моря на региональный гидрологический баланс Тянь-Шаня не может быть полностью исключено по нашим данным: изотопное соотношение Каспия, опубликованное ранее [60] ложится на ту же локальную линию испарения (ур. 3), что и Иссык-Кульские значения (Рис 7.4). Более того, предварительные данные по изотопному составу остаточных бассейнов Аральского моря, собранные нами в 2018 году, показывают, что наибольший из Аральских бассейнов, Большой Арал, имеет изотопный состав, аппроксимируемый c большой степенью точности той же LEL, хотя и имеющий ожидаемо более высокие содержания тяжелых изотопов, будучи гиперсоленым бессточным водоемом, подверженным усыханию вследствие интенсивного испарения в течение нескольких десятилетий. Примечательно, что второй по величине бассейн Аральского моря, Малый Арал, сильно отличается по своему изтопному составу, будучи обеднен тяжелыми изотопами и имея больший негативный эксцесс дейтерия, чем предсказывается локальной линией испарения в Иссык-Куле, Каспии и Большом Арале. Этот результат предполагает значительный вклад стока из Малого Арала в его гидрологический режим, хотя Малый Арал не имеет естественных поверхностных стоков, а поддержание его уровня воды осуществляется за счет регулирования водосброса на Кокаральской плотине [62].

В целом, сравнительный анализ изотопного фракционирования в Иссык-Куле и других озерах Средней Азии, показывает, что изотопный состав представляет собой более информативный индикатор режима стока и испарения, чем общая соленость. Качественные соотношения изотопного состава, а также количественное выражение для локальной линии испарения, полученные в данном исследовании, формируют основу для изучения сезонных и многолетних колебаний в гидрологическом цикле всего Среднеазиатского региона.