Stratigraphy and Geological CorrelationStratigraphy and Geological CorrelationСтратиграфия. Геологическая корреляция0869-592X3034-6037The Russian Academy of Sciences68665010.31857/S0869592X25030061TDTUOWArticlesСтатьиResearch ArticleClimate Changes Reflected in the Carbon and Oxygen Isotope Composition of Holocene Carbonates of Lake Tere-Khol, Tyva (Southern Siberia)Изменения климата, отраженные в изотопном составе углерода и кислорода голоценовых карбонатов озера Тере-Холь, Тыва (Южная Сибирь)PokrovskiyB. G.ПокровскийБ. Г.
Russian Federation
pokrov@ginras.ruPaninA. V.ПанинА. В.
Russian Federation
pokrov@ginras.ruGeological Institute, Russian Academy of SciencesГеологический институт РАНInstitute of Geography, Russian Academy of SciencesИнститут географии РАН150620253331181420307202503072025Copyright ©; 2025, Russian academy of sciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian academy of sciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0869-592X/article/view/686650

The bottom sediments of Lake Tere-Khol, located in the southeast of the Sayano-Tuvinian Highlands, contain a detailed archive of landscape and climatic changes throughout the Holocene. Situated at the boundary between South Siberia and Central Asia, this region marks a transitional zone in terms of the factors driving hydroclimatic changes during the Holocene. To the north and west, the western transport of Atlantic air masses exerted a significant influence, while to the south and east, the Asian-Pacific monsoon circulation prevailed. Reconstructing Holocene climate changes in this region is crucial for understanding atmospheric circulation shifts across the Eurasian continent’s interior. Stable isotope analyses in lake carbonates were conducted to evaluate Holocene moisture fluctuations. The water of Lake Tere-Khol is notably enriched in 18O by 6–8‰ and ²H by 50–60‰ compared to its inflowing streams and rivers, indicating a strongly evaporative water body. This suggests that variations in δ18O (14.1 to 20.0‰ SMOW) and their positive correlation with δ¹³C variations (–5.8 to 4.2‰ PDB) in the dispersed carbonate material of Holocene lake sediments primarily reflect shifts in the hydrological regime. Positive δ18O and δ¹³C excursions correspond to periods of aridification, while negative excursions indicate phases of relative humidity. Three primary humidity epochs were identified in the Holocene. These include a relatively dry phase from the onset of the Holocene until 9.8 ka BP and from 4.4 ka BP to the present, with a humid phase in between, spanning from 9.8 to 4.4 ka BP. Superimposed on these major trends were second-order humidity changes, with variability and the amplitude of fluctuations notably intensifying in the latter half of the Holocene, after approximately 6 ka BP. The wettest interval occurred between 5.2 and 4.4 ka BP, while a sharp and substantial shift towards arid conditions around 4.4 ka BP stands out as the most significant hydroclimatic event of the Holocene. The driest periods were observed between 4.2 and 3.1 ka BP and from 1.9 to 0.1 ka BP. At the turn of the eras around 2 ka BP and in the past century, short episodes of relative wetting interrupted these dry conditions. This late Holocene aridification trend points to a weakening of the Pacific monsoon and a reduction in its reach into Eurasia’s interior, which aligns with cooling trends observed in the latter part of the Holocene.

Донные отложения озера Тере-Холь на юго-востоке Саяно-Тувинского нагорья содержат архив ландшафтно-климатических изменений в течение всего голоцена. Регион, располагающийся на границе Южной Сибири и Центральной Азии, выступает пограничным в отношении факторов, определявших гидроклиматические изменения в голоцене. К северу и западу доминирующим было влияние западного переноса атлантических воздушных масс, к югу и востоку – азиатско-тихоокеанской муссонной циркуляции. Реконструкция голоценовых изменений климата в регионе имеет большое значение для понимания динамики атмосферной циркуляции во внутренних районах Евразийского континента. Для оценки хода увлажнения в голоцене выполнен анализ стабильных изотопов в озерных карбонатах. Вода оз. Тере-Холь обогащена 18O на 6–8‰ и 2Н на 50–60‰ по отношению к питающим ручьям и речкам, что характеризует его как сильно испаряющийся водоем. Это дает основание полагать, что вариации d18O (14.1–20.0‰ SMOW) и связанные с ними положительной зависимостью вариации d13C (–5.8…4.2‰ PDB) в рассеянном карбонатном материале голоценовых осадков озера отражают главным образом изменения гидрологического режима: положительные экскурсы d18O и d13C – периоды аридизации, отрицательные – периоды относительного увлажнения. По типу увлажнения в голоцене выделено три основные эпохи: относительно засушливые от начала голоцена до 9.8 тыс.л.н. и от 4.4 тыс.л.н. до настоящего времени и влажная эпоха между 9.8 и 4.4 тыс.л.н. На этом фоне происходили изменения увлажненности второго порядка, причем изменчивость и амплитуда колебаний увлажненности значительно возросли во второй половине голоцена после ~6 тыс.л.н. Самый влажный в голоцене интервал времени – 5.2–4.4 тыс.л.н. Около 4.4 тыс.л.н. происходит резкая и значительная аридизация, наиболее яркое гидроклиматическое событие в голоцене. Самые засушливые интервалы времени – от 4.2 до 3.1 и от 1.9 до 0.1 тыс.л.н. На рубеже эр ~2 тыс.л.н. и в последнее столетие аридные условия прерывались короткими эпизодами относительного увлажнения. Позднеголоценовая аридизация указывает на ослабление тихоокеанского муссона и уменьшение дальности его проникновения во внутренние районы Евразии в связи с трендом к похолоданию во второй половине голоцена.

stable isotopespalaeoclimatearidisationhumidificationpalaeohydrologyAsian monsoonradiocarbon datingscanning electron microscopyстабильные изотопыпалеоклиматаридизацияувлажнениепалеогидрологияазиатский муссонрадиоуглеродное датированиеэлектронная микроскопияМинистерство науки и высшего образования РФMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation075-15-2024-554Безрукова Е.В., Тарасов П.Е., Кулагина Н.В., Абзаева А.А., Летунова П.П., Кострова С.С. Палинологическое исследование донных отложений озера Котокель (район озера Байкал) // Геология и геофизика. 2011. Т. 52. № 4. С. 586–595.Борисова О.К., Константинов Е.А., Панин А.В., Полякова Е.И., Успенская О.Н. Короткопериодные климатические колебания второй половины голоцена по данным комплексных исследований осадков оз. Тере-Холь // LXXIV Герценовские чтения. Т. 1. СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2021. С. 332–337.Брезгунов В.С., Нечаев В.В., Романов В.В., Ферронский В.И. Исследование генезиса и динамики вод бассейнов крупных озер с помощью природных изотопов // Водные ресурсы. 1980. Т. 1. С. 108–120.Вайнштейн С.И. Древний Пор-Бажин // Советская этнография. 1964. № 6. С. 103–114.Кострова С.С., Майер Х., Чаплыгин Б., Безрукова Е.В. Изотопные характеристики озера Котокель // Вестник ИрГТУ. 2012. № 9 (68). С. 62–68.Лящевская М.С., Базарова В.Б., Макарова Т.Р. Развитие природной среды и эволюция озера Гнилое (юго-восточное Приморье) за последние 3300 лет // Геоморфология и палеогеография. 2023. Т. 54. № 3. С. 108–123. https://doi.org/10.31857/S2949178923030064Махнач А.А., Махнач Н.А., Покровский Б.Г. Геохимия стабильных изотопов в платформенном чехле Беларуси. Минск: Беларуская навука, 2022. 373 с.Панин А.В., Аржанцева И.А. Загадки Пор-Бажина // Живописная Россия. 2010. № 6. С. 14–19.Панин А.В., Бронникова М.А., Успенская О.Н., Фузеина Ю.Н., Шеремецкая Е.Д., Селезнева Е.В., Константинов Е.А., Магрицкий Д.В., Ланг А. Палеоклимат, палеогидрология и палеокриогенез на юго-востоке Саяно-Тувинского нагорья в позднеледниковье и голоцене (по результатам изучения истории озера Тере-Холь) // Бюлл. Комиссии по изучению четвертичного периода. 2012. № 72. С. 104–121.Покровский Б.Г., Завьялов П.О., Буякайте М.И., Ижицкий А.С., Петров О.Л., Курбаниязов А.К., Шиманович В.М. Геохимия изотопов О, Н, C, S и Sr в водах и осадках Аральского бассейна // Геохимия. 2017. № 11. С. 1053–1066.Разжигаева Н.Г., Ганзей Л.А., Гребенникова Т.А., Мохова Л.М., Чаков В.В., Копотева Т.А., Климин М.А., Симонова Г.В. Проявление глобальных похолоданий позднего голоцена на морском побережье юга Дальнего Востока России // Геоморфология и палеогеография. 2023. Т. 54. № 1. С. 112–130. https://doi.org/10.31857/S2949178923010115Разжигаева Н.Г., Ганзей Л.А., Гребенникова Т.А., Пономарев В.И., Афанасьев В.В., Горбунов А.О., Климин М.А. Повторяемость сильных паводков на Западном Сахалине и интенсивность циклогенеза в среднем–позднем голоцене // Геоморфология и палеогеография. 2024. Т. 55. № 2. С. 173-190. https://doi.org/10.31857/S2949178924020091Скляров Е.В., Солотчина Э.П., Вологина Е.Г., Изох О.П., Кулагина Н.В., Орлова Л.А., Склярова О.А., Солотчин П.А., Столповская В.Н., Ухова Н.Н. Климатическая история голоцена Западного Прибайкалья в карбонатной осадочной летописи озера Холбо-Нур // Докл. АН. 2010а. Т. 431. № 5. С. 668–674.Скляров Е.В., Солотчина Э.П., Вологина Е.Г., Игнатова Н.В., Изох О.П., Кулагина Н.В., Склярова О.А., Солотчин П.А., Столповская В.Н., Ухова Н.Н., Федоровский В.С., Хлыстов О.М. Детальная летопись климата голоцена из карбонатного разреза соленого озера Цаган-Тырм (Западное Прибайкалье) // Геология и геофизика. 2010б. Т. 51. № 3. С. 303–328.Солотчина Э.П., Скляров Е.В., Солотчин П.А., Вологина Е.Г., Столповская В.Н., Склярова О.А., Ухова Н.Н. Реконструкция климата голоцена на основе карбонатной осадочной летописи малого соленого озера Верхнее Белое (Западное Забайкалье) // Геология и геофизика. 2012. Т. 53. № 12. С. 1756–1775.Солотчина Э.П., Скляров Е.В., Солотчин П.А., Вологина Е.Г., Склярова О.А., Ухова Н.Н. Голоценовая осадочная летопись озера Большое Алгинское, Западное Забайкалье: связь с палеоклиматом // Докл. АН. 2013. Т. 449. № 1. С. 80–86. https://doi.org/10.7868/S0869565213070220Солотчина Э.П., Скляров Е.В., Солотчин П.А., Замана Л.В., Даниленко И.В., Склярова О.А., Татьков П.Г. Аутигенное карбонатообразование в озерах Еравнинской группы (Западное Забайкалье): отклик на изменения климата голоцена // Геология и геофизика. 2017. Т. 58. № 11. С. 1749–1763. https://doi.org/10.15372/GiG20171109Arzhantseva I., Inevatkina O., Zav’yalov V., Panin A., Modin I., Ruzanova S., Härke H. Por-Bajin: an enigmatic site of the Uighurs in Southern Siberia // European Archaeologist. 2011. № 35. P. 6–11.Aucour A., Sheppard S.M.F., Guyomar O., Wattelet J. Use of 13C to trace origin and cycling of inorganic carbon in the Rhône River system // Chem. Geol. 1999. V. 159. P. 87–105.Borisova O.K., Panin A.V. Multicentennial climatic changes in the Tere-Khol Basin, Southern Siberia, during the Late Holocene // Geography, Environment, Sustainability. 2019. V. 12. № 2. P. 148–161. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2018-64.Bahr A., Arz H.W., Lamy F., Wefer G. Late Glacial to Holocene paleoenvironmental evolution of the Black Sea, reconstructed with stable oxygen isotope records obtained on ostracod shells // Earth Planet. Sci. Lett. 2006. V. 241. P. 863–875.Berkelhammer M.B., Sinha A., Stott L. et al. An abrupt shift in the Indian Monsoon 4000 years ago // Geophys. Monograph Ser. 2012. V. 198. P. 75–88.Blaauw M., Christen J.A. Flexible paleoclimate age-depth models using an autoregressive gamma process // Bayesian Analysis. 2011. V. 6. P. 457–474.Chacko T., Deines P. Theoretical calculation of oxygen isotope fractionation factors in carbonate systems // Geochim. Cosmochim. Acta. 2008. V. 72 P. 3642–3660.Chen Q., Cheng X., Cai Y., Luo Q., Zhang J., Tang L., Hu Y., Ren J., Wang P., Wang Y., Zhang Y., Xue G., Zhou J., Cheng H., Edwards R.L., Hong Z. Asian summer monsoon changes inferred from a stalagmite δ18O record in Central China During the Last Glacial Period // Front. Earth Sci. 2022. V. 10. № 863829. https://doi.org/10.3389/feart.2022.863829Craig H. Isotopic variations in meteoric waters // Science. 1961. V. 133. P. 1702–1703.Dansgaard W. Stable isotope in precipitation // Tellus. 1964. V. 16. P. 436–468.Deines P., Langmuir D., Harmon R.S. Stable carbon isotope ratios and the existence of a gas phase in the evolution of carbonate ground waters // Geochim. Cosmochim. Acta. 1974. V. 38. P. 1147–1164.Dykoski C.A., Edwards R.L., Cheng H., Yuan D., Cai Y., Zhang M. et al. A high-resolution, absolute-dated Holocene and Deglacial Asian monsoon record from Dongge Cave, China // Earth Planet. Sci. Lett. 2005. V. 233 (1–2). P. 71–86. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2005.01.036Fricke H.C., O’Neil J.R. The correlation between 18O/16O ratios of meteoric water and surface temperature: its use in investigating terrestrial climate change over geologic time // Earth Planet. Sci. Lett. 1999. V. 170. P. 181‒196.Friedman I., O’Neil J.R. Compilation of stable isotope fractionation factors of geochemical interest // Data of Geochemistry. 6th Wash. D.C. U.S. Gov. Print. Office, 1977. 116 p.Gibbard P.L., Head M.J. Geologic Time Scale 2020. V. 2. Pt. IV. Geologic Periods: The Quaternary Period. Ch. 30. Elsevier, 2020. P. 1217–1255.Gonfiantini R. Environmental isotopes in lake studies // Fritz P., Fontes J.-Ch. (eds.). Handbook of Environmental Isotope Geochemistry. Amsterdam: Elsevier, 1986. P. 113–168. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-42225-5.50008-5Graven H., Allison C., Etheridge D., Hammer S., Keeling R., Levin I., Meijer H.A J., Rubino M., Tans P., Trudinger C., Vaughn B., White J. Compiled records of carbon isotopes in atmospheric CO2 for historical simulations in CMIP6 // Geosci. Model Dev. 2017. V. 10. P. 4405–4417.Hammarlund D., Barnekow L., Birks H.J.B., Buchardt B., Edwards T.W.D. Holocene changes in atmospheric circulation recorded in the oxygen-isotope stratigraphy of lacustrine carbonates from northern Sweden // The Holocene. 2002. V. 12. P. 339–351.Kendall C., Doctor D.H. Stable isotope applications in hydrologic studies // Treatise on Geochemistry. Elsevier Science, 2004. V. 5. Pt. 11. P. 319–364.Kim S.-T., O’Neil J.R. Equilibrium and nonequilibrium oxygen isotope effects in synthetic carbonates // Geochim. Cosmochim. Acta. 1997. V. 61. P. 3461–3475.Kuitems M., Panin A., Scifo A., Arzhantseva I., Kononov Y., Doeve P., Neocleous A., Dee M. Radiocarbon-based approach capable of subannual precision resolves the origins of the site of Por-Bajin // PNAS. 2020. V. 117 (25). P. 14038–14041.Lemke G., Sturm M. δ18O and trace element measurements as proxy for the reconstruction of climate changes at Lake Van (Turkey): preliminary results // Dalfes, H.N., Kukla, G., Weiss, H. (eds). Third Millennium BC Climate Change and Old World Collapse. NATO ASI Series. V. 49. 1997. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-60616-8_29Leng M.J., Marshall J.D. Palaeoclimate interpretation of stable isotope data from lake sediment archives // Quatern. Sci. Rev. 2004. V. 23. P. 811–831.Leng M.J., Jones M.D., Frogley M.R., Eastwood W.J., Kendrick C.P., Roberts C.N. Detrital carbonate influences on bulk oxygen and carbon isotope composition of lacustrine sediments from the Mediterranean // Global and Planetary Change. 2010. V. 71. P. 175–182.Liu X.Q., Shen J., Wang S.M., Wang Y.B., Liu W.G. Southwest monsoon changes indicated by oxygen isotope of ostracode shells from sediments in Qinghai Lake since the late Glacial // Chinese Sci. Bull. 2007. V. 52. № 4. P. 539–544.Lynch-Stieglitz J., Stocker T.F., Broecker W.S., Fairbanks R.G. The influence of air-sea exchange on the isotopic composition of oceanic carbon: observations and modeling // Global Biogeochem. Cycles. 1995. V. 9. P. 653–665.Ma X., Wei Z., Wang Y., Wang G., Zhang T., He W., Yu X., Ma H., Zhang P., Li S., Wei J., Fan Q. Reconstruction of climate changes based on δ18Ocarb on the Northeastern Tibetan Plateau: a 16.1-cal kyr BP record from Hurleg Lake // Front. Earth Sci. 2021. V. 9. 745972. https://doi.org/10.3389/feart.2021.745972.Mayer B., Schwark L. A 15,000-year stable isotope record from sediments of Lake Steisslingen, Southwest Germany // Chem. Geol. 1999. V. 161. P. 315–337.Narantsetseg Ts., Krivonogov S.K., Oyunchimeg Ts., Uugantsetseg B., Burr G.S., Tomurhuu D., Dolgorsuren Kh. Late Glacial to Middle Holocene climate and environmental changes as recorded in Lake Dood sediments, Darhad Basin, northern Mongolia // Quatern. Int. 2013. V. 311. P. 12–24. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2013.08.043Ogg J.G. Integrated global stratigraphy and geologic timescales, with some future directions for stratigraphy in China // Earth-Sci. Rev. 2019. V. 189. P. 6–20.Orkhonselenge A., Komatsu G., Uuganzaya M. Middle to late Holocene sedimentation dynamics and paleoclimatic conditions in the Lake Ulaan basin, southern Mongolia // Géomorphologie: Relief, Processus, Environnement. 2018. V. 24. № 4. P. 351–363. https://doi.org/10.4000/geomorphologie.12219Pokrovsky O.S., Manasypov R.M., Loiko S., Shirokova L.S., Krickov I.A., Pokrovsky B.G., Kolesnichenko L.G., Kopysov S.G., Zemtzov V.A., Kulizhsky S.P., Vorobyev S.N., Kirpotin S.N. Permafrost coverage, watershed area and season control of dissolved carbon and major elements in western Siberian rivers // Biogeosciences. 2015. V. 12. P. 6301–6320.Prokopenko A.A., Bonvento V.J. Carbonate stable isotope signals in the 1-Ma sedimentary record of the HDP-04 drill core from Lake Hovsgol, NW Mongolia // Quatern. Int. 2009. V. 201. P. 53–64. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2009.02.009Qiang M., Song L., Jin Y., Li Y., Liu L., Zhang J., Zhao Y., Chen F. A 16-ka oxygen-isotope record from Genggahai Lake on the northeastern Qinghai-Tibetan Plateau: hydroclimatic evolution and changes in atmospheric circulation // Quatern. Sci. Rev. 2017. V. 62. P. 72–87.Quay P., Sonnerup R., Westby T., Stutsman J., McNichol A. Changes in the 13C/12C of dissolved inorganic carbon in the ocean as a tracer of anthropogenic CO2 uptake // Global Biogeochem. Cycles. 2003. V. 17. P. 1004.Rasmussen S.O., Bigler M., Blockley S.P., Blunier T., Buchardt S.L., Clausen H.B., Cvijanovic I., Dahl-Jensen D., Johnsen S.J., Fischer H., Gkinis V., Guillevic M., Hoek W.Z., Lowe J.J., Pedro J.B., Popp T., Seierstad I.K., Steffensen J.P., Svensson A.M., Vallelonga P., Vinther B.M., Walker M.J.C., Wheatley J.J., Winstrup M.A. Stratigraphic framework for abrupt climatic changes during the last Glacial Period based on three synchronized Greenland ice-core records: refining and extending the INTIMATE event stratigraphy // Quatern. Sci. Rev. 2014. V. 106. P. 14–28.https://doi.org/10.1016/j. quascirev.2014.09.00Ricketts R.D., Johnson T.C., Brown E.T., Rasmussen K.A., Romanovsky V.V. The Holocene paleolimnology of Lake Issyk-Kul, Kyrgyzstan: trace element and stable isotope composition of ostracods. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2001. V. 176. P. 207-227. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(01)00339-XShan S., Luo C., Qi Y., Cai W.-J., Sun S., Fan D., Wang X. Carbon isotopic and lithologic constraints on the sources and cycling of inorganic carbon in four large rivers in China: Yangtze, Yellow, Pearl, and Heilongjiang // J. Geophys. Research: Biogeosciences. 2021. V. 126. e2020JG005901.Sundquist E.T., Visser K. The geological history of the carbon cycle // Treatise on Geochemistry. V. 8. Biogeochemistry. Ed. Schlesinger W.H. Oxford, UK: Elsevier-Pergamon, 2003. P. 425–72.Talbot M.R. A review of the palaeohydrological interpretation of carbon and oxygen isotopic ratios in primary lacustrine carbonates // Chem. Geol. Isotope Geosci. Sect. 1990. V. 80. P. 261–279.Von Grafenstein U., Erlernkeuser H., Brauer A., Jouzel J., Johnsen S.J. A Mid-European decadal isotope-climate record from 15,500 to 5000 years B.P. // Science. 1999a. V. 284. P. 1654–1657.Von Grafenstein U., Erlernkeuser H., Trimborn P. Oxygen and carbon isotopes in modern fresh-water ostracod valves: assessing vital offsets and autecological effects of interest for palaeoclimate studies // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 1999b. V. 148. P. 133–152.Walker M., Johnsen S., Rasmussen S.O., Popp T., Steffensen J.P., Gibbard P., Hoek W., Lowe J., Andrews J., Bjorck S., Cwynar L., Hughen K., Kershaw P., Kromer B., Litt T., Lowe D.J., Nakagawa T., Newnham R., Schwander J. Formal definition and dating of the GSSP (Global Stratotype Section and Point) for the base of the Holocene using the Greenland NGRIP ice core, and selected auxiliary records // J. Quatern. Sci. 2009. V. 24. P. 3–17.Walker M.J.C., Berkelhammer M., Björck S., Cwynar L.C., Fisher D.A., Long A.J., Lowe J.J., Newnham R.M., Rasmussen S.O., Weiss H. Formal subdivision of the Holocene Series/Epoch: a discussion paper by a Working Group of INTIMATE (Integration of ice-core marine and terrestrial records) and the Subcommission on Quaternary Stratigraphy (International Commission on Stratigraphy) // J. Quatern. Sci. 2012. V. 27. P. 649–659.Watanabe T., Minoura K., Nara F.W., Shichi K., Horiuchi K., Kakegawa T., Kawai T. Last glacial to post glacial climate change in continental Asia inferred from multi-proxy records (geochemistry, clay mineralogy, and paleontology) from Lake Hovsgol, northwest Mongolia // Global and Planetary Change. 2012. V. 88–89. P. 53–63.Zhang C., Zhang W., Feng Z., Mischke S., Gao X., Gao D., Sun F. Holocene hydrological and climatic change on the northern Mongolian Plateau based on multi-proxy records from Lake Gun Nuur // Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 2012. V. 15. P. 75–86.