Sulfur Isotope Geochemistry of Ice Wedges, Northeastern Siberia

Abstract

With its unique stable isotope ratio and involvement in various biogeochemical processes, sulfur serves as a valuable paleoenvironmental proxy. Ice wedges have recently been evaluated as archives for aerosols, precipitation, and organic matter, serving as useful archives of paleoenvironmental information. However, sulfur isotopic compositions in ice wedges have not yet been comprehensively explored or understood. This study presents the first sulfur isotope geochemical data from the ice wedge of Northeastern Siberia. The samples were collected from the Yakutsk (Cyuie, Churapcha, Syrdakh), Zyryanka, and Batagay regions and separated into dissolved sulfate, particulate organic matter (POM), and lithic particles. The sulfur isotopic composition from the different areas shows consistent trends in each component. Yakutsk showed significant enrichment of more than 6‰ compared to the other study regions. Despite their distance, Cyuie, Churapcha, and Syrdakh in the Yakutsk region have similar sulfur isotopic compositions but are differed from values from the Zyryanka and Batagay regions. This observation suggests a potential influence of the local bedrock on sulfur sources. Sulfur isotopic compositions between modern precipitation, plant sulfur, and ice wedges in Yakutsk and the upper and lower Batagay sections could not find temporal variations in sulfur isotopic composition. Instead, the differences observed within the same ice wedge suggest that while the source of sulfur-containing materials remains consistent, the ice wedge may have temporal sensitivity to glaciation. In-house freezing experiments and sulfide assay in the ice wedge found that there was no fractionation during the freezing process and by sulfate-reducing microorganisms within the ice wedge, indicating that the sulfur contained in the ice wedge preserves the isotopic composition of the source material. This study establishes an experimental method for analyzing sulfur isotope analysis in ice wedges and is the first to use sulfur isotope composition data to interpret the paleoenvironment of northeastern Siberia. The sulfur isotopic composition data suggests that sulfur isotopic composition has the potential to serve as a proxy, reflecting the geochemistry of the surrounding environment at the time of ice wedge formation, and bedrock is the possible factor on sulfur isotopic composition in ice wedges from inland. Furthermore, the observed spatial variation in sulfur isotopic composition within the ice wedge is anticipated to offer insights into the temporal evolution of the ice wedge over time, with the potential advancement of future high-resolution dating techniques. These findings are essential for further understanding past ice wedge formation environments and provide a new method to explore the history of ice wedges.

황은 다양한 생지화학적 반응에 참여하며, 그에 따른 고유한 안정동위원소 비율을 가지기 때문에 고환경 프록시로서 다양한 연구에 이용되고 있다. 최근 얼음쐐기는 에어로졸, 강수, 인근 유기물의 저장소로서 평가받으며 고환경 아카이브로서의 역할을 할 수 있을 것으로 알려졌지만, 얼음쐐기의 황 동위원소 조성은 종합적으로 탐구되거나 이해된 바가 아직 없다. 본 연구에서는 동시베리아 영구동토층의 얼음쐐기를 구성하는 강수, 유기물, 광물질을 대상으로 획득한 황 동위원소 지구화학 자료를 최초로 제공한다. 연구에 이용한 시료는 야쿠츠크 (쑤야, 츄랍차, 시르닥), 지르얀카, 바타가이 지역에서 채취하였으며 용존 황산염, 유기물, 광물질로 분리하여 실험을 수행하였다. 지역별 시료의 황 동위원소 조성 값은 용존 황산염, POM, 광물질이 유사한 경향을 보였으며 야쿠츠크는 다른 연구 지역보다 6‰ 이상 부화되어 보였다. 백 킬로미터 이상 떨어진 야쿠츠크 지역의 쑤야, 츄랍차, 시르닥 시료는 서로 유사한 동위원소 조성 값을 가지지만, 바타가이와 지르얀카 지역의 값과 구분됨은 연구지역의 기반암과 연관된 것으로 여겨진다. 야쿠츠크 지역의 현생 강수, 식물 황 동위원소 조성과 얼음쐐기, 바타가이 상부, 하부의 황 동위원소 조성 비교에서는 시간에 따른 황 동위원소 조성의 차이를 확인할 수 없었다. 반면, 동일 얼음쐐기 내에서의 황 동위원소 조성 변화는 모든 연구지역에서 관찰되었는데 이는 황을 포함한 물질의 기원은 안정적으로 유지되지만, 빙하의 발달 정도에 의해 공급되는 물질의 양에는 시간적으로 민감하게 반응할 가능성을 내포하고 있다. 얼음쐐기 내에 강수 황 동위원소 조성의 변질 가능성을 확인하기 위해 자체 동결실험 진행과 황화물의 농도 측정을 진행한 결과, 동결 과정과 얼음쐐기 내에서 황산염 환원 미생물에 의한 분별 작용은 없었을 것으로 생각되며 얼음쐐기에 포함된 황은 기원물질의 동위원소 조성을 보존하고 있음을 나타낸다. 이러한 연구 결과는 황 동위원소 조성이 얼음쐐기 형성 당시 주변 환경의 지화학적 정보를 반영하는 프록시로서의 가능성을 지시하며, 내륙 지역의 얼음쐐기에서 기반암이 황 동위원소 조성에 가장 큰 영향을 미치는 요인임을 시사한다. 그뿐만 아니라 최초로 얼음쐐기의 황 동위원소 조성을 측정하기 위한 실험적 방법을 정립하고, 결과 값을 제시하여 얼음쐐기 형성 환경에 대한 이해를 높이고 시료의 이용 영역을 확장하는 데 기여할 것으로 기대된다.