«КОНЦЕНТРАЦИЯ И ВЕЩЕСТВЕННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВЗВЕСИ БЕЛОГО МОРЯ М.Д. Кравчишина, А.П. Лисицын, А.А. Клювиткин, А.С. Филиппов, А.Н. ...»

Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории

КОНЦЕНТРАЦИЯ И ВЕЩЕСТВЕННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВЗВЕСИ

БЕЛОГО МОРЯ

М.Д. Кравчишина, А.П. Лисицын, А.А. Клювиткин, А.С. Филиппов,

А.Н. Новигатский, Н.В. Политова, О.М. Дара, В.П. Шевченко

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, kravchishina@ocean.ru

ВВедение

Взвесь (рассеянное осадочное биоминеральное вещество) — главный источник донных осадков и индикатор осадочных процессов, в связи с чем представляет огромный интерес для литологов (Система…, 2013). В морях Российской Арктики и Субарктики, к которой относится Белое море, они изучены слабо.

Цель работы — исследование пространственно-временной изменчивости концентрации взвеси и ее вещественно-генетического состава в Белом море для получения новых знаний об условиях седиментации в арктической природной зоне, что важно для намеченного расширения работ в Арктике.

Решались следующие задачи: 1) обобщение данных по концентрации взвеси в поверхностном слое и в водной толще за 12 лет исследований в Белом море; 2) изучение VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013 вещественно-генетического состава взвешенных частиц (гранулометрического, минерального, а также химического — индикаторов источника материала); 3) установление источников морской взвеси; 4) выявление закономерностей пространственно-временной изменчивости концентрации и состава взвеси.

Материалы и Методы Материалом для исследования послужили 3500 проб взвеси, отобранных в водной толще Белого моря в ходе 20 экспедиций 2000–2012 гг. в период открытой воды (бльшая часть в июле – августе). Массовую концентрацию взвеси определяли стандартным методом фильтрации под вакуумом 0,4 атм с помощью мембранных ядерных фильтров ( 47 мм, пор 0,45 мкм).

Численную, объемную концентрацию и гранулометрический состав (2–60 мкм) взвеси изучали с помощью счетчика Коултера модификации Multisizer 3. Горизонты отбора проб выбирали на основе данных гидрооптического и гидрофизического зондирований. Оценивали влияние гидрологических условий на формирование экстремумов концентрации взвеси. Изучен ее химический состав, взвешенный и растворенный сток рек водосбора, проведены исследования морского фито- и бактериопланктона (Ильяш и др., 2011; Система…, 2012, 2013).

Для анализа пространственных распределений концентрации взвеси и их сезонных и межгодовых изменений использовались данные спутникового сканера цвета MODISAqua (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/). Были отобраны 195 пар одновременных измерений коэффициента яркости моря и концентрации взвеси за 2003–2010 гг. с мая по сентябрь, и на этой основе получено уравнение регрессии для расчета концентрации взвеси по спутниковым данным (Burenkov et al., 2011).

результаты и их обсуждение Численная концентрация биогенных итерригенных частиц взвеси (2–60 мкм) в беломорской воде составляет в среднем 25 млн частиц/л, тогда как в Карском море — 12, в Баренцевом море — 7–8, а в Атлантическом океане — 5–6 млн частиц/л (Кравчишина, 2009).

Массовая концентрация взвеси (за пределами маргинальных фильтров рек) летом составляет 1,0 мг/л, что, по данным авторов, в 3–4 раза превышает аналогичное значение для

Баренцева и в 2 раза для Карского моря. Колебания средних значений год от года незначительны:

от 0,5 до 1,1 мг/л. Повышенные концентрации взвеси (1 мг/л) приурочены к устьевым областям рек и локализуются, как правило, в сравнительно узкой (обычно до 20 км) прибрежной полосе (особенно близ устьев рек) (рисунок а, б).

Объемная концентрация взвеси в Белом море изменяется от 0,2 до 5 мм3/л и составляет в среднем ~1 мм3/л. Наиболее высокие значения (5 мм3/л) наблюдались в куту Двинского залива.

Здесь же обнаружена высокая численность микроорганизмов: до 558 тыс. кл/мл.

Спутниковые (расчетные) данные массовой концентрации взвеси. Цветные карты среднемесячных распределений концентрации взвеси представлены в электронном атласе (http:// optics.ocean.ru). На рисунке в, г дан пример среднемесячного распределения (июнь, август).

Натурные измерения — «точечные» в пространстве и «мгновенные» во времени — могут испытывать более сильные вариации, чем спутниковые данные, осредненные по площади (22 км) и во времени (сутки – месяц – год). Анализ сезонных и межгодовых изменений концентрации взвеси, рассчитанных по спутниковым данным, позволил выявить характерные особенности этих изменений в рассматриваемый период (Лисицын и др., 2013).

Наибольшая изменчивость среднегодовых концентраций взвеси наблюдается в Двинском, Онежском, Мезенском заливах, а также в восточной части Горла, то есть в акваториях моря, подверженных речному стоку. Относительные различия между среднегодовыми значениями в разные годы не превышают 18 %. Минимальное среднегодовое значение концентрации для всего моря наблюдалось в 2007 г. (год наименьшей ледовитости в Арктике).

Сезонная изменчивость сильнее выражена в Онежском и Двинском заливах, а наименее — в Кандалакшском заливе (отсутствие значительного влияния речного твердого стока (Лукашин и др., 2003)) и Бассейне; низкие концентрации отмечаются в июле – августе, высокие — в мае, а также нередко в сентябре.

В целом пространственно-временные колебания концентрации взвеси прямо (минеральные частицы с водосбора) и косвенно («цветение» диатомовых, вызванное поставкой биогенных элементов) обусловлены речным стоком.

Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории Примеры распределения массовой концентрации взвеси (мг/л) в поверхностных водах Белого моря по данным натурных измерений методом мембранной фильтрации (а, б) и по данным спутникового сканера цвета MODIS-Aqua, осредненным за 8 лет наблюдений с 2003 по 2010 гг. (в, г): а — в июне 2003 г., 57-й рейс НИС «Иван Петров»; б — в августе 2001 г., 49-й рейс НИС «Профессор Штокман»; в — среднемесячное распределение в июне; г — среднемесячное распределение в августе В маргинальных фильтрах рек распределение взвеси во многом определяется положением изохалин: с ростом солености происходит снижение концентрации взвеси по экспоненте, а ее потери достигают 79 % (Кравчишина, Лисицын, 2011; Система…, 2013).

Изучение динамики взвеси в зависимости от приливного цикла на суточных станциях с применением акустического допплеровского измерителя течений показало: 1) в прилив концентрация взвеси уменьшается, а в отлив, соответственно, увеличивается; 2) колебания концентраций обнаружены во всей водной толще не только в прибрежной зоне, но и на удаленной акватории моря (условно до 100-метровой изобаты); 3) в поверхностном слое концентрация изменяется в 1,5 и более раз в зависимости от глубины моря.

Температурная и плотностная стратификация водной толщи и, как следствие, стратификация взвеси наиболее выражены в Бассейне, Кандалакшском и Двинском заливах. В этих районах наблюдается двух- (на мелководье или при отсутствии нефелоидного слоя), а чаще трехслойная вертикальная структура.

VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013 Плотностная деформация вертикальной структуры водной толщи летом образует так называемое «жидкое дно», где скапливается значительная часть взвеси (обычно на глубине 10–20 м). Под слоем пикноклина концентрация взвеси уменьшается в 3–4 раза.

нефелоидного слоя Мощность характеризуется пространственно-временной изменчивостью и варьирует от нескольких метров до первых десятков метров (в среднем 10– 20 м). Концентрации взвеси в нефелоидном слое Белого моря (до 5 мг/л в мелководном районе) близки к ее значениям в нефелоидном слое Баренцева моря. Однако мутность и мощность этих слоев обычно значительно ниже, чем в морях Карском, Лаптевых и Восточно-Сибирском.

Удельная площадь поверхности взвеси в Белом море колеблется от 4000 до 13 000 см2/мл.

Взвешенное вещество обладает развитой поверхностью (особенно в областях маргинальных фильтров рек) и, соответственно, высокой сорбционной емкостью частиц. Развитая поверхность взвеси может также указывать на более высокую биогеохимическую активность ее частиц.

Оценено влияние пелитовой фракции на обилие бактерий в разных частях моря в летний период (Кравчишина и др., 2008).

Гранулометрический состав взвеси. В среднем взвесь состоит на 70–80 % из пелитовых фракций мельче 10 мкм, то есть на долю алевритовых и песчаных фракций приходится всего 20–30 %. Содержание преобладающей фракции 2–5 мкм менее 50 % указывает на то, что взвесь Белого моря преимущественно пелитовая полидисперсная. Частицы не проходят в водной толще полную механическую (по удельному весу) и биологическую сепарацию.

Для исследования минерального состава взвешенного вещества был применен метод рентгеновской порошковой дифрактометрии (Кравчишина, Дара, 2013). Доля глинистых минералов во взвеси составляет от 40 % и выше. Это означает, что кристаллическая фаза взвешенных частиц почти наполовину состоит из глинистых минералов. Среди них первостепенная роль принадлежит иллиту (35–57 % от суммы глин во фракции 0,01 мм).

Высокое содержание иллита обнаруживается как в пелитовой, так и в субколлоидной фракциях взвеси. В сравнительно больших количествах присутствует смектит (8–30 %), который обладает наибольшей дисперсностью и тяготеет к субколлоидной (0,001 мм) фракции. Содержание хлорита и каолинита колеблется от 15 до 27 %. Схожий состав глинистых минералов взвеси характерен и для других арктических морей России (Карское, Лаптевых), подверженных влиянию крупных равнинных рек, пересекающих несколько природных зон.

Тонкодисперсная обломочная часть минералов присутствует во взвеси повсеместно:

как в прибрежных, так и в открытых частях моря. Среди них кварц и полевые шпаты создают основной фон (до 50 %). Мельчайшие обломки этих минералов достигают открытых районов моря, обогащая в процессе седиментации пелитовую фракцию илов. Это подтверждает, что в динамической системе Белого моря взвесь не проходит полную механическую сепарацию.

Химические элементы и компоненты — индикаторы вещественно-генетического состава взвеси. Для вод Белого моря характерна выраженная сезонность в распределении ряда химических элементов и компонентов (Si, Al, P, Сорг и др.) — индикаторов биогенного и литогенного состава взвешенного вещества. С удалением от источников терригенного стока на большей части акватории моря происходит одновременное уменьшение массы взвеси, ее площади поверхности и содержания в ней пелитовой фракции и, наоборот, увеличение содержания алевритовой фракции и доли органической компоненты во взвеси. Взвешенная форма Сорг имеет, как правило, автохтонную природу. Содержание Сорг в основном зависит от состава и распределения первичных продуцентов — фитопланктона.

Хлорофилл «а» и его производные можно рассматривать как маркеры лабильной формы Cорг в толще воды и донных осадках, где эти пигменты характеризуют вклад именно фитопланктона, а не других источников органики (Stephens et al., 1997). Сезонные колебания концентрации хлорофилла «а» в Белом море схожи с сезонными изменениями концентрации взвеси (Кравчишина и др., 2013). Обнаружена положительная корреляция между концентрациями хлорофилла «а» и взвеси, а также между концентрациями хлорофилла «а» и органического вещества. Установленные взаимосвязи обусловлены прежде всего тем, что эти параметры определяются одним и тем же фактором, а именно речным стоком, который выносит как взвесь, так и биогенные элементы.

Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории Максимальные значения хлорофилла «а» летом регистрируются на глубинах 0–5 м и реже на более глубоких горизонтах. Основная масса органического вещества создается фитопланктоном в процессе фотосинтеза в относительно узком десятиметровом поверхностном слое — это один из наиболее биогеохимически активных слоев водной толщи.

Заключение Распределение концентрации взвеси в Белом море подчиняется четырем законам зональности Безрукова – Лисицына (климатическая, тектоническая, вертикальная и циркумконтинентальная) и контролируется положением гидрологических фронтов (структурные, соленосные, эстуарные и др.).

Установлены основные источники взвеси в Белом море: минеральные частицы речного генезиса и морской фитопланктон. В первую очередь это взвешенный материал, поставляемый с водосбора с речным стоком (наиболее интенсивен в мае) и поступающий вследствие таяния снежно-ледяного покрова (обычно в апреле). Обилие фитопланктона обусловлено сочетанием многих абиотических факторов, в том числе связано с поставкой биогенных элементов с речным стоком и таянием льда. Местные гидрологические условия способствуют формированию локальных максимумов и минимумов концентрации взвеси.

Межгодовая изменчивость концентрации взвеси в Белом море невелика, и, по нашим многолетним расчетным данным, не выходит за пределы 18 %, и статистически незначима.

Установлена взаимосвязь между динамикой среднегодовых концентраций взвеси Белого моря и стокового Двинского течения.

Потепление климата в регионе вызвало уменьшение пресноводного притока в море и увеличило испарение (Белое море…, 2007). Новая оценка годового твердого стока Северной Двины (0,81 млн т.), полученная В.В. Гордеевым с соавторами (Система…, 2012), в несколько раз ниже установленных ранее. Можно предположить, что сезонные и межгодовые колебания концентрации взвеси могли уменьшиться в период относительного потепления в Арктике. Прямые сопоставления пока не проводились из-за отсутствия аналогичных оценок концентрации взвеси для других арктических морей и для Белого моря до 2003 г.

Вещественный состав взвеси и донных осадков из одних и тех же районов моря обычно сильно различен. Формирование состава донных осадков после осаждения взвеси на дно только начинается. На геохимическом барьере вода – осадок бывшие взвешенные частицы, как правило, формируют жидкий флоккулированный слой — наилок — переходный слой между двумя типами осадочных тел: рассеянным осадочным взвешенным веществом и собственно уплотненным верхним слоем донных осадков. Здесь происходят основные процессы «превращения» взвеси в осадок, который в дальнейшем подвергается процессам диагенеза, а также биотурбации, взмучиванию, переотложению и др. В работе А.Ю. Леин с соавторами (2011) впервые показано, что именно биогеохимические процессы с участием микроорганизмов ответственны за преобразование органического вещества взвеси в органическое вещество осадка на начальном этапе осадкообразования.

Литература

Белое море и его водосбор под влиянием климатических и антропогенных факторов. Петрозаводск:

КарНЦ РАН, 2007. С. 52–74.

Ильяш Л.В., Радченко И.Г., Кузнецов Л.Л. и др. Пространственная вариабельность состава, обилия и продукции фитопланктона Белого моря в конце лета // Океанология. 2011. Т. 51, № 1. С. 24–32.

Кравчишина М.Д. Взвешенное вещество Белого моря и его гранулометрический состав. М.:

Научный мир. 2009. 263 c.

Кравчишина М.Д., Буренков В.И., Копелевич О.В. и др. Новые данные о пространственно-временной изменчивости концентрации хлорофилла «а» в Белом море // Доклады АН. 2013. Т. 448. № 3. С. 342–348.

Кравчишина М.Д., Дара О.М. Минеральный состав взвеси Белого моря // Океанология. 2013. В печати.

Кравчишина М.Д., Лисицын А.П. Гранулометрический состав взвешенных веществ в маргинальном фильтре реки Северной Двины // Океанология. 2011. Т. 51. № 1. С. 94–109.

Кравчишина М.Д., Мицкевич И.Н., Веслополова Е.Ф. и др. Взаимосвязь взвеси и микроорганизмов в водах Белого моря // Океанология. 2008. Т. 48. № 6. С. 900–917.

VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013 Леин А.Ю., Беляев Н.А., Кравчишина М.Д. и др. Изотопные маркеры трансформации органического вещества на геохимическом барьере вода – осадок // ДАН. 2011. Т. 436. № 2. С. 228–232.

Лисицын А.П., Кравчишина М.Д., Копелевич О.В. и др. Пространственно-временная изменчивость концентрации взвеси в деятельном слое Белого моря // ДАН. 2013. В печати.

Лукашин В.Н., Кособокова К.Н., Шевченко В.П. и др. // Океанология. 2003. Т. 43. № 2. С. 237–253.

Система Белого моря. Т. II. Водная толща и взаимодействующие с ней атмосфера, криосфера, речной сток и биосфера. М.: Научный мир. 2012. 784 с.

Система Белого моря. Т. III. М.: Научный мир. 2013. В печати.

Burenkov V.I., Vazyulya S.V., Kopelevich O.V., Shebertov S.V. // Proceedings VI International Conference «Current problems in optics of natural waters». S.-Peterburg: Nauka. 2011. P. 143–146.

Stephens M.P., Kadko D.C., Smith C.R., Latasa M. Chlorophill «а» and pheopigments as tracers of labile organic carbon at the central equatorial Pacific seafloor // Ceochim. et Cosmochim. Acta. 1997. V. 61. № 21.

P. 4605–4619.