Исследование морей Российской Арктики:
мыслим процессами
А.Ю.Леин
Методы исследования осадочного процесса — это изучение явлений и факторов природной среды в их взаимодействии, в количественном выражении, это — лабораторный эксперимент, моделирование.
А.П.Лисицын
Арктические моря России в последние годы все больше приковывают к себе внимание исследователей и политиков — в первую очередь потому, что представляют собой кладовую углеводородсодержа-щих и других полезных ископаемых. Кроме того, по этим морям проходит кратчайший морской путь из Азии в Европу. Здесь же находится «кухня погоды», и важно знать, что на этой кухне готовится. Существует еще множество не столь важных причин, заставляющих интенсифицировать исследование арктических морей. К числу таких исследований следует отнести работы по изучению особенностей седиментции, образования осадков и их преобразования в каждом море, а также проведение сравнительного анализа этих особенностей.
Все моря Российской Арктики — Белое, Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское — относятся к окраинным морям Северного Ледовитого океана, с глубинами, редко превышающими 200 м (рис.1). 7—10 тыс. лет назад (т.е. в начале голоцена) на месте этих шель-фовых морей была суша. Все они, кроме южной части Белого, расположены за полярным кругом. Этим обусловлены наличие почти круглогодичного (около 9 мес) ледового покрова, низкие
Алла Юльевна Леин, доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник Института океанологии им.П.ПШиршова РАН. Область научных интересов — биогеохимические и геохимические процессы, участвующие в циклах углерода и серы. Лауреат премии Правительства РФ (2012).
среднегодовые температуры воды и укороченный по сравнению с остальными районами Мирового океана (кроме Антарктики) период активных биологических процессов.
Среднегодовая температура верхних горизонтов донных отложений такая же, как в придонном слое воды. Глубины, ниже которых
© Леин А.Ю., 2014
Рис.1. Карта арктических морей России.
Таблица 1
Глубины морей Российской Арктики, ниже которых температуры всегда отрицательные
Море Глубина, м Температура, °С
Белое 150 -1.4
Баренцево 20—120 <-1
Карское 16—18 300 <-1
Восточно-Сибирское 20—22 -1
даже летом сохраняются отрицательные температуры, для разных морей приведены в табл.1.
Образование осадков
Современные отложения арктических морей представлены главным образом терригенными бескарбонатными алевритовыми и алеврит-пели-товыми илами, с примесью грубообломочного материала. Илы сильно биотурбированы. Ходы червей (polichets) проникают иногда на всю вскрытую толщу (~б0 см) осадков, способствуя проникновению коричневых окисленных илов и морской воды из верхних горизонтов в ниже лежащие серые восстановленные отложения.
Основные источники осадочного материала (и СорГ) в шельфовых морях Арктики — речной сток, абразия берегов и дна, эоловые потоки и ледовый разнос.
Сразу после осаждения частиц взвеси на дно уже в первых сантиметрах осадков начинаются процессы их преобразования. Стадия жизни осадков, представляющая собой совокупность процессов превращения сильно обводненных, рыхлых, термодинамически неравновесных донных отложений в осадочную породу, получила название «диагенез». Продолжительность диаге-нетической стадии различна, но во всех случаях
имеет длительный срок. В связи с этим часто выделяют стадию раннего диагенеза, следующую непосредственно после седиментации, а иногда даже частично сопряженную с ней при преобразовании взвеси.
Особый интерес представляет собой так называемый наилок (fluffy layer) — тонкий легко взмучиваемый, очень влажный (влажность >90%) слой осадка на поверхности менее влажных уплотненных донных отложений, который представляет собой переходную форму между придонной взвесью и донным осадком (рис.2).
Взвешенный материал у самого дна находится в более динамичной среде, чем донные осадки. Его химический состав чаще подвергается изменениям при колебаниях физико-химических параметров среды, таких как pH, содержание О2 и др.
Слой осадка 0—1 см в арктических морях образуется на протяжении 10—30 лет при скорости седиментации 20—150 см в 1000 лет.
В большинстве процессов раннего диагенеза осадков принимают участие микроорганизмы (бактерии и археи), что позволяет считать эти процессы биогеохимическими. Для выявления роли микроорганизмов при диагенезе был разработан высокочувствительный метод, основанный на использовании радиоактивных и стабильных изотопов [1]. Меченное радиоактивным изотопом соединение вводится в пробу (воды, ила, взвеси), затем образец инкубируется в условиях, близких к природным. По завершению инкубации анализируется перераспределение метки в продуктах жизнедеятельности микроорганизмов. Например:
35SO4- + 2[CH2O] ^ 2HCO3 + 35H2S и минералы — производные сероводорода: Fe35S, Fe35S2, 35S0, 14CO2 + H2 ^ 14CH4, 14CH + O ^ 14CO + 14C + 14C
^2 ' ' — 2 ^биомассы 1 ^продукты метаболизма.
Расчет скорости (интенсивности) процесса в единицу времени делается, исходя из содержания в пробе используемого микроорганизмами субстрата, суммарной радиоактивности добав-
5045, глубина 530 м 5025, глубина 45 м
б \ 1 г- Щ И )
5044, глубина 150 м
5018, глубина 21 м
Рис.2. Колонки поверхностных осадков на разрезе р.Енисей — Карское море, отобранные мультикорером. Слева — пробы с ненарушенной границей вода—осадок, справа — поверхность пограничного слоя: а — осадок с полихетой; б — с разнообразным бентосным сообществом; в, г — с наилком.
Таблица 2
Физико-географическая характеристика, содержание взвеси, первичная продукция и значения 8,1С-С.р, взвеси и осадков арктических морей
Море Площадь, Объем воды, Средняя Речной Взвешенное органическое Первичная 5ВС-Со,г, %о
103 км2 тыс. км3 глубина, сток, вещество, 103 т-год-1 продукция
м км3-год-1
речное эоловое суммарное г-м-2-год-1 106 т-год-1 взвеси осадков
Белое 85 5.6 67 250 360 16 376 25 2 -29.1 -25.7
Баренцево 1512 316.0 222 215 90 363 453 20—200 136 -25.0 -22.8
Карское 920 98.0 111 1480 765 167 932 30—50 37 -26.6 -23.6
Чукотское 620 42.1 71 24 14 112 126 20—400 42 -21.8 -21.5
Лаптевых 662 353 533 767 — — — 25—400 — — -22.93
Восточно- 913 48.7 54 250 480 178 658 25—40 7 -24.08 -22.69
Сибирское
Норвежское 1340 2325 1735 — — — — — — -24.36 -22.5
Примечание: абразия берегов в Карском море составляет 109-106 т/год, в Белом + Баренцевом — 119'106 т/год [3].
Таблица 3
Три основных способа питания организмов
Гетеротрофия Автотрофия Метанотрофия
Способность организмов использовать различные органические соединения для своей жизнедеятельности Способность организмов — бактерий, водорослей, высших растений — использовать СО2 в качестве единственного источника углерода для построения клетки Способность микроорганизмов использовать метан и другие Сгсоединения для роста в качестве источника энергии и углерода
ленного соединения и радиоактивности продуктов микробного процесса:
I = С-
24г
кг
где I — скорость процесса, мкг/л-сут; С — концентрация субстрата, мкг/л; г — радиоактивность продукта; К — радиоактивность субстрата; г — время эксперимента, ч. Чувствительность метода = 0.5 нг.
При микробном метаболизме происходит фракционирование стабильных изотопов, которое используется в качестве доказательства геохимической активности микроорганизмов. Наши исследования диагенетических процессов в морях Российской Арктики охватывают период с 1993 по 2012 г. В публикуемой сводке использованы усредненные данные по скорости микробных процессов в поверхностном слое осадков (0—1... 0—5 см) на 111 станциях пяти морей Российской Арктики [2].
Арктические моря отличаются друг от друга величиной потока вещества с суши, мы их разделили по величине речного стока на две группы (табл.2). Высокие значения величины речного стока (250—1480 км3год-1) характерны для морей Белого, Карского, Восточно-Сибирского и Лаптевых. А в Баренцевом и Чукотском эта величина заметно ниже и составляет 24—200 км3 год-1.
Содержание Сорг терригенного происхождения (аллохтонного, привнесенного), рассчитанное по
уравнению материально-изотопного баланса, составляет в осадках арктических морей от 36 до 90% от общего СорГ [4]. Значения 813С-СорГ взвеси варьируют в зависимости от величины терригенно-го стока от -21.5%о (автохтонное, образованное на месте органическое вещество Чукотского моря) до -29.1%о (аллохтонное органическое вещество Белого моря).
Биогеохимические процессы
Прежде чем перейти к изложению результатов изучения геохимической деятельности микроорганизмов, напомним, что в биосфере существуют три основных способа питания организмов — фотосинтез, хемосинтез и метанотрофия (табл.3, 4).
Таблица 4
Деление автотрофов и метанотрофов по источнику необходимой энергии
Организмы Источник энергии Процесс
Автотрофы 1 свет фотосинтез
Автотрофы 2 восстановленные неорганические соединения хемосинтез
Метанотрофы метан и другие ^-соединения метанотрофия
Таблица 5
Границы физико-химических условий, в которых активно функционируют микроорганизмы
Температура от -16 до >109°С
рН от 0.8 до 12.3
Гамма-радиация до 2000 рад
Давление более 4000 атм
Соленость до 300 г/л
Среди них особое место занимают аэробный и анаэробный процессы окисления метана, свойственные в биосфере исключительно бактериям и археям, в отличие от двух других способов питания, которые присущи животным, растениям и микроорганизмам.
Бактерии и археи функционируют в очень широких границах физико-химических условий (табл.5), т.е. и в арктических морях могут протекать активные биогеохимические процессы с участием этих микроорганизмов.
При наших исследованиях использовался комплекс методов химических, минералогических, микробиологических, изотопных (масс-спектро-метрических) и радиоизотопных.
В Карском море впервые в истории его исследования мы измерили общую численность микроорганизмов (ОЧМ) в придонной и наддонной воде, в наилке и в осадках (рис.3). Минимальная численность микроорганизмов зафиксирована в придонной воде глубоковод
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.