Characterization of mineral particles in the ice core of the Ushkovsky volcano

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article presents the investigation of mineral particles from an ice core obtained from Ushkovsky volcano (Kamchatka) in the fall of 2022. The 14-meter-long ice core was studied to identify the causes of mineral dust concentration variability and to determine its sources. Insoluble solid particles, including volcanic ash and mineral dust, were analyzed using stereomicroscopy and X-ray diffraction. Minimum and maximum dust concentration values were 356.4 ppb and 45 969 ppb, respectively, with an average dust mass concentration across all data at 5 099 ppb and a median of 2 784 ppb. The results show a cyclic particle distribution linked to seasonality, with notable concentration peaks likely associated with volcanic activity and the transport of mineral dust from arid regions. It was found that surface melting leads to the leaching of calcium and magnesium ions from layers containing insoluble particles. The displacement of cation peaks relative to dust concentration peaks is variable and likely depends on the meteorological characteristics of individual summer seasons. Mineralogical analysis of the samples shows the presence of plagioclase, as well as clay and ferro-magnesial silicates and amorphous silica. Plagioclase dominates at all depths, indicating a predominance of volcanic ashes in the composition of insoluble impurities. The ratio of non-clay minerals (pyroxenes, amphiboles, and amorphous silica) can be used as markers of local transport, while the presence of clay minerals (smectite, kaolinite, chlorite) is suggested as an indicator of long-range transport. Thus, Kamchatka ice cores can be used to study the processes of mineral particle transport in the atmosphere, provided a comprehensive approach is applied, including mineral composition and chemical composition analyses as well as isotopic methods to determine material origin.

About the authors

A. G. Khairedinova

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: m.vorobyev@igras.ru
Russian Federation, Moscow

M. M. Vinogradova

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: m.vorobyev@igras.ru
Russian Federation, Moscow

M. A. Vorobyev

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: m.vorobyev@igras.ru
Russian Federation, Moscow

S. S. Kutuzov

The Ohio State University

Email: m.vorobyev@igras.ru

School of Earth Sciences

United States, Columbus

Y. N. Chizhova

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences; Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy, and Geochemistry, Russian Academy of Sciences

Email: m.vorobyev@igras.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

S. V. Zakusin

Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy, and Geochemistry, Russian Academy of Sciences; Lomonosov Moscow State University

Email: m.vorobyev@igras.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

V. N. Mikhalenko

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Email: m.vorobyev@igras.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Gorbach N.V., Philosofova T.M., Mikhalenko V.N. Identification of tephra horizons in the glacier at the top of the Ushkovsky volcano (Kamchatka) by analyzing the chemical composition of volcanic glass in the ash particles. Led i Sneg. Ice and Snow. 2024, 64 (1): 66–80 [In Russian]. http://doi.org/10.31857/S2076673424010053
  2. Shevchenko V.P., Lisicin A.P., Vinogradova A.A., Smirnov V.V., Serova V.V., Shtain R. Arctic Aerosols: results of ten years of research // Optika atmosferi i okeana. Optics of the atmosphere and ocean. 2000, 13 (6–7): 551–576 [In Russian].
  3. de Angelis M., Barkoy N.I., Petrov V.I. Sources of continental dust over Antarctica during the last glacial cycle. Journal of Atmospheric Chemistry. 1992, 14: 233–244. https://doi.org/10.1007/BF00115236
  4. Barr S.L., Wyld B., McQuaid J.B., Neely III R.R., Murray B.J. Southern Alaska as a source of atmospheric mineral dust and ice-nucleating particles. Science Advances. 2023, 9 (33): 3708. https://doi.org/10.1126/sciadv.adg3708
  5. Bory A.J.-M., Biscaye P.E., Piotrowski A.M., Steffensen J.P. Regional variability of ice core dust composition and provenance in Greenland – Geochemistry Geophysics Geosystems. 2003, 4 (12): 1107. https://doi.org/10.1029/2003GC000627
  6. Bullard J.E., Baddock M., Bradwell T., Crusius J., Darlington E., Gaiero D., Gassó S., Gisladottir G., Hodgkins R., McCulloch R., McKenna-Neuman C., Mockford T., Stewart H., Thorsteinsson T. High-latitude dust in the Earth system. Reviews of Geophysics. 2016, 54: 447–485. https://doi.org/10.1002/2016RG000518
  7. Chizhova Yu.N., Mikhalenko V.N., Korneva I.A., Muravyov Ya.D., Hayredinova A.G., Vorobiev M.A. New data on deuterium excess values of glacial ice in Kamchatka Peninsula. Doklady Earth Sciences. 2024, 517 (2): 1387–1392. https://doi.org/10.1134/S1028334X24602190
  8. Crusius J., Schroth A.W., Gassó S., Moy C.M., Levy R.C., Gatica M. Glacial flour dust storms in the Gulf of Alaska: hydrologic and meteorological controls and their importance as a source of bioavailable iron. Geophysical Research Letters. 2011, 38 (6): L06602. https://doi.org/10.1029/2010GL046573
  9. Doebelin N., Kleeberg R. Profex: A graphical user interface for the Rietveld refinement program BGMN. Journal of Applied Crystallography. 2015, 48: 1573–1580. https://doi.org/10.1107/S1600576715014685
  10. Eichler A., Schwikowski M., Gäggeler H.W. Meltwater induced relocation of chemical species in Alpine firn. Tellus B. 2001, 53B: 192–203. https://doi.org/10.3402/tellusb.v53i2.16575
  11. Fischer H., Fundel F., Ruth U., Twarloh B., Wegner A., Udisti R., Becagli S., Castellano E., Morganti A., Severi M., Wolff E., Littot G., Röthlisberger R., Mulvaney R., Hutterli M.A., Kaufmann P., Federer U., Lambert F., Bigler M., Hansson M., Jonsell U., de Angelis M., Boutron C., Siggaard-Anderesen M.-L., Steffensen J.P., Barbante C., Gaspari V., Gabrielli P., Wagenbach D. Reconstruction of millennial changes in dust emission, transport and regional sea ice coverage using the deep EPICA ice cores from the Atlantic and Indian Ocean sector of Antarctica. Earth and Planetary Science Letters. 2007, 260 (1–2): 340–354. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.06.014
  12. Gow A.J., Williamson T. Volcanic ash in the Antarctic ice sheet and its possible climatic implications. Earth and Planetary Science Letters. 1971, 13 (1): 210–218. https://doi.org/10.1016/0012-821X(71)90126-9
  13. Jones V., Solomina O. The geography of Kamchatka. Global and Planetary Change. 2015, 134: 3–9. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2015.06.003
  14. Kallos G., Papadopoulos A., Katsafados P., Nickovic S. Transatlantic Saharan dust transport: Model simulation and results. Journ. of Geophys. Research: Atmosphere. 2006, 111 (D9): D09204. https://doi.org/10.1029/2005JD006207
  15. Koffman B.G., Yoder M.F., Methven T., Hanschka L., Sears H.B., Saylor P.L. Wallace K.L. Glacial dust surpasses both volcanic ash and desert dust in its iron fertilization potential. Global Biogeochemical Cycles. 2021, 35: e2020GB006821. https://doi.org/10.1029/2020GB006821
  16. Kutuzov S.S., Mikhalenko V.N., Grachev A.M., Ginot P., Lavrentiev I.I., Kozachek A.V., Krupskaya V.V., Ekaykin A.A., Tielidze L.G., Toropov P.A. First geophysical and shallow ice core investigation of the Kazbek plateau glacier, Caucasus Mountains. Environmental Earth Sciences. 2016, 75: 1488. https://doi.org/10.1007/s12665-016-6295-9
  17. Kutuzov S., Legrand M., Preunkert S., Ginot P., Mikhalenko V., Shukurov K., Poliukhov A., Toropov P. The Elbrus (Caucasus, Russia) ice core record – Part 2: History of desert dust deposition. Atmospheric Chemistry and Physics. 2019, 19: 14133–14148. https://doi.org/10.5194/acp-19-14133-2019
  18. Lambert F., Delmonte B., Petit J., Bigler M., Kaufmann P.R., Hutterli M.A., Stocker T.F., Ruth U., Steffensen J.P., Maggi V. Dust-climate couplings over the past 800,000 years from the EPICA Dome C ice core. Nature. 2008, 452: 616–619. https://doi.org/10.1038/nature06763
  19. Legrand M., Mayewski P.A. Glaciochemistry of polar ice cores: A review. Reviews of Geophysics. 1997, 35 (3): 219–243. https://doi.org/10.1029/96RG03527
  20. Lu W., Zhao W., Balsam W., Lu H., Liu P., Lu Z., Ji J. Iron mineralogy and speciation in clay-sized fractions of Chinese desert sediments. Journal of Geophysical Research – D: Atmospheres. 2017, 122: 13458–13471. https://doi.org/10.1002/2017JD027733
  21. Matoba S., Ushakov S.V., Shimbori K., Sasaki H., Yamasaki T., Ovshannikov A.A., Manevich A.G., Zhideleeva T.M., Kutuzov S., Muravyev Ya.D., Shiraiwa T. The glaciological expedition to Mount Ichinsky, Kamchatka, Russia. Bulletin of Glaciological Research. 2007, 24: 79–85. Retrieved from: http://hdl.handle.net/2115/20566
  22. Matoba S., Shiraiwa T., Tsushima A., Sasaki H., Muravyev Ya.D. Records of sea-ice extent and air temperature at the Sea of Okhotsk from an ice core of Mount Ichinsky, Kamchatka. Annals of Glaciology. 2011, 52 (58): 44–50. http://doi.org/10.3189/172756411797252149
  23. Muhs D.R., Budahn J.R., McGeehin J.P., Bettis III E.A., Skipp G., Paces J.B., Wheeler E.A. Loess origin, transport, and deposition over the past 10,000 years, Wrangell-St. Elias National Park, Alaska // Aeolian Research. 2013. V. 11. P. 85–99. https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2013.06.001
  24. Post J.E., Bish D.L. Rietveld refinement of crystal structures using powder X-Ray diffraction data. Reviews in Mineralogy. 1989, 20: 277–308. https://doi.org/10.1515/9781501509018-012
  25. Preunkert S., Legrand M., Kutuzov S., Ginot P., Mikhalenko V., Friedrich R. The Elbrus (Caucasus, Russia) ice core record – Part 1: reconstruction of past anthropogenic sulfur emissions in south-eastern Europe. Atmospheric Chemistry and Physics. 2019, 19 (22): 14119–14132. https://doi.org/10.5194/acp-19-14119-2019
  26. Ram M., Donarummo Jr.J., Sheridan M. Volcanic ash from Icelandic ~57 300 Yr BP eruption found in GISP2 (Greenland) Ice Core. Geophysical Research Letters. 1996, 23 (22): 3167–3169. https://doi.org/10.1029/96GL03099
  27. Ruth U., Wagenbach D., Steffensen J.P., Bigler M. Continuous record of microparticle concentration and size distribution in the central Greenland NGRIP ice core during the last glacial period. Journal of Geophysical Research: Atmosphere. 2003, 108 (D3): 4098. https://doi.org/10.1029/2002JD002376
  28. Sato T., Shiraiwa T., Greve R., Seddik H., Edelmann E., Zwinger T. Accumulation reconstruction and water isotope analysis for 1735–1997 of an ice core from the Ushkovsky volcano, Kamchatka, and their relationships to North Pacific climate records. Climate of the Past. 2013, 9: 2153–2181. https://doi.org/10.5194/cpd-9-2153-2013
  29. Shiraiwa T., Nishio F., Kameda T., Takahashi A., Toyama Y., Muravyev Ya.D., Ovsyannikov A.A. Ice core drilling at Ushkovsky ice cap, Kamchatka, Russia. Seppyo. 1999, 61 (1): 25–40. https://doi.org/10.5331/seppyo.61.25
  30. Steffensen J.P., Andersen K.K., Bigler M., Clausen H.B., Dahl-Jensen D., Fischer H., Goto-Azuma K., Hansson M.E., Johnsen S.J., Jouzel J., Masson-Delmotte V., Popp T., Rasmussen S.O., Rothlisberger R., Ruth U., Stauffer B., Siggaard-Andersen M.-L., Sveinbjornsdottir A.E., Svensson A., White J.W.C. High-resolution Greenland ice core data show abrupt climate change happens in few years. Science. 2008, 321 (5889): 680–684. https://doi.org/10.1126/science.1157707
  31. Stein A.F., Draxler R.R., Rolph G.D., Stunder B.J.B., Cohen M.D., Ngan F. NOAA’s HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system. Bulletin of the American Meteorological Society. 2015, 96 (12): 2059–2077. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-14-00110.1
  32. Svensson A., Andersen K.K., Bigler M., Clausen H.B., Dahl-Jensen D., Davies S.M., Johnsen S.J., Muscheler R., Parrenin F., Rasmussen S.O., Röthlisberger R., Seierstad I.K., Steffensen J.P., Vinther B.M. A 60 000-year Greenland stratigraphic ice core chronology. Climate of the Past. 2008, 4: 47–57. https://doi.org/10.5194/cp-4-47-2008
  33. Újvári G., Klötzli U., Stevens T., Svensson A., Ludwig P., Vennemann T., Gier S., Horschinegg M., Palcsu L., Hippler D., Kovács J., Biagio C.Di., Formenti P. Greenland Ice Core Record of Last Glacial Dust Sources and Atmospheric Circulation. Journal of Geophysical Research: Atmosphere. 2022, 127 (15): e2022JD036597. https://doi.org/10.1029/2022JD036597
  34. Yasunari T.J., Shiraiwa T., Kanamori S., Fuji Yo., Igarashi M., Yamazaki K., Benson C.S., Hondoh T. Intra-annual variations in atmospheric dust and tritium in the North Pacific region detected from an ice core from Mount Wrangell, Alaska. Journal of Geophysical Research: Atmosphere. 2007, 112 (D10): D10208. https://doi.org/10.1029/2006JD008121
  35. Yasunari T.J., Yamazaki K. Impacts of Asian dust storm associated with the stratosphere-to-troposphere transport in the spring of 2001 and 2002 on dust and tritium variations in Mount Wrangell ice core, Alaska. Atmospheric Environment. 2009, 43 (16): 2582–2590. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2009.02.025

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».