= ХИМИЯ МОРЯ =
УДК 551.465
ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ КИСЛОРОДА И ВОДОРОДА ВОД ЧЕРНОГО МОРЯ КАК ОТРАЖЕНИЕ ДИНАМИКИ ВОДНЫХ МАСС
© 2014 г. А. В. Дубинин1, Е. О. Дубинина2
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, Москва
e-mail: dubinin@ocean.ru Поступила в редакцию 14.03.2013 г., после доработки 19.09.2013 г.
Детально изучен изотопный состав водорода и кислорода в воде центральной части Черного моря и на континентальном склоне. Распределение величин SD и S18O по вертикали позволяет выделить четыре водные массы: от поверхности моря до ядра ХПС, от ядра ХПС до 500 м в пределах пикно-клина, глубинная водная масса 500—1750 м и придонный конвективный слой ниже 1750 м. Поверхностный слой однороден в центре моря, несмотря на образование вихрей циклонической и антициклонической направленности. Основные изменения величин SD и S18O происходят в пределах пикноклина ниже ядра ХПС до глубины 500 м. Соленость увеличивается на 3%е, величина S18O на 0.8%е и SD на 5%. Ниже горизонта 500 м до дна, включая ПКС, величины SD и S18O практически не меняются. Изотопный состав кислорода и водорода воды линейно связан с изменением солености. Этот факт позволяет описать формирование вод Черного моря в рамках простой модели смешения воды нижнебосфорского течения и гипотетического пресноводного компонента, изотопный состав которого формируется за счет речного стока, атмосферных осадков и испарения.
DOI: 10.7868/S0030157414050037
ВВЕДЕНИЕ
Черное море является закрытым морским бассейном с преобладающим источником пресноводного речного стока. Единственным источником солей в воде Черного моря является нижнебосфорское течение с соленостью ~37%о [17, 19, 22]. Сток воды из Черного моря через пролив Босфор (верхнебосфорское течение) составляет 317—612 км3/год и превышает более чем в два раза по объему нижнебосфорское течение (176—312 км3/год) (табл. 1) [2, 4, 7]. Водная толща Черного моря стратифицирована по солености и температуре. Поверхностная вода характеризуется содержанием солей 17— 18% и сезонным термоклином, который максимален в июле—сентябре. В феврале—марте происходит охлаждение верхнего слоя, температура выравнивается и становится возможным конвективное перемешивание. Зимняя конвекция ограничена снизу галоклином, холодный промежуточный слой (ХПС) выделяется по минимальным температурам между сезонным и постоянным термоклином. Анализ Т-Б диаграмм черноморских вод показывает, что стратифицированная толща может быть сформирована смешением составов ХПС и придонного конвективного слоя [5, 19]. Придонный конвективный слой (ПКС) находится на глубинах больше 1700—1750 м, отличается однородным распределением до дна потенциальной температуры, солености, щелочности, содержания сероводорода [1, 19]. Однородное
распределение гидрофизических и гидрохимических параметров объясняется конвективным перемешиванием, которое вызвано высоким геотермальным потоком на дне Черного моря. Он дестабилизирует плотностную стратификацию придонных вод. Вертикальная гомогенизация придонных вод происходит примерно за 40 лет [21]. Поток тепла и солей из ПКС формирует плотностную стратификацию водной толщи Черного моря, которая затрудняет поступление растворенного кислорода из поверхностных вод глубже пикноклина. В результате в воде с условной плотностью 16.10—16.20 кг/м3 [28] появляется сероводород за счет процессов бактериальной редукции сульфатов. Максимальные содержания сероводорода отмечаются в ПКС (379 ± 6 ^М).
Имеющиеся в литературе данные по изотопному составу кислорода и водорода воды Черного моря в основном относятся к водным массам не глубже 1500 м [21, 23]. Изотопный состав кислорода и водорода в придонном конвективном слое детально не изучался, известны отдельные определения [25]. Кислород и водород воды верхней части водной толщи (0—20 м) отличается относительно низкими содержаниями изотопов 180 и Э (8180 = -2.84%, 8Э = -23.03%) [21, 23, 25]. Поверхностные воды Черного моря оказались гомогенными по изотопному составу кислорода и водорода в пределах полученной воспроизводимости анализа [25] и, как представляется, именно
Таблица 1. Оценка составляющих водного баланса Черного моря по [4] с данными по изотопному составу кислорода и водорода воды
Составляющие водного баланса, км3/год Симонов, Альтман,1991 Unlflata et al., 1990 S18O, %o SD, %0 Источник
Баланс пресных вод, У{ 178 299 -6.4 -51.3 Наши данные
Речной сток, V 338 352 -9.7 -69.4 [19]
Осадки, Ур 236 300 -7.7 -50.0 [8]
Испарение, Уе 396 353 —10.0/—10.8 -66.0/-68.3 Наши данные
Сток Босфор 371 612 —2.84 -23.03 [18]
Приток Босфор 176 312 + 1.58 +10.26 [18]
Примечание. Для составляющих водного баланса (авторы Симонов и Альтман, 1991) не показан приток и сток воды через Керченский пролив соответственно 50 и 33 км3/год. В числителе для изотопного состава кислорода и водорода испаряющейся воды приведены данные для водного баланса (авторы Симонов и Альтман), в знаменателе — для баланса по данным авторов Цп1йа1а е! а1.
их изотопный состав кислорода и водорода характерен для верхнебосфорского течения (см. табл. 1). Глубинные воды (более 500 м) содержат больше изотопа 180 и дейтерия (8180 = = — 1.77%, 8Э = — 15.87%). Причиной обогащения является смешение поверхностных вод с водой нижнебосфорского течения, для которого изотопные параметры составляют 8180 = +1.58% и 8Э = +10.26% (см. табл. 1) [23]. Также было показано, что в пределах пикноклина изотопный состав кислорода и водорода вод Черного моря прямо зависит от условной плотности.
Поверхностные воды Черного моря находятся под влиянием течений в основном циклонической направленности. Основное черноморское течение (ОЧТ) опоясывает Черное море в области континентального склона, отделяя области развития прибрежных антициклонических вихрей от центральной части моря. Благодаря циклоническому характеру ОЧТ, изопикнические поверхности приподняты в центрах круговоротов. Циклоническая направленность течений характерна не только для поверхностных, но и для глубинных вод Черного моря [15]. В теплое время года ОЧТ может быть слабо выражено, распадаясь на отдельные участки (рис. 1). Обходя квазистационарный Батумский антициклонический круговорот, ОЧТ пересекает море в его центральной части. На рис. 1 показано распределение скорости течений, построенное на основании космических снимков для 27 августа 2008 г. (данные А.Г. Зацепина). Такая структура поверхностных течений сохранялась до 3 сентября 2008 г. Станции 3425 и 3426 были отобраны 28 и 29 августа соответственно. Первая станция находилась в области антициклонической завихренности водных масс, вторая — на периферии циклонического вихря. Вихревая динамика поверхностных вод оказывает влияние не только на гидрофизические характеристики водной массы, но и на ее гидрохимические
показатели. Часовников и соавторами [9] считали, что вихревая динамика вод является основным фактором изменения гидрохимической структуры поверхностного слоя моря.
Цели настоящего исследования — определение изотопного состава кислорода и водорода черноморских вод для изучения процессов динамики и смешения водных масс, исследования их источников и процессов формирования стратификации водной толщи.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Работа основана на данных по изотопному составу кислорода и водорода для всего интервала глубин водной толщи в центре моря (станции 3425 и 3426) и в области континентального склона (ст. 2344) северо-восточной части Черного моря. Пробы воды были отобраны в 146-м рейсе (август 2008 г.) (см. рис. 1) и в 91-м рейсе НИС "Акванавт" (сентябрь 2005 г.) при помощи гидрофизического комплекса "Розетта". В состав комплекса входил гидрофизический зонд "Sea Bird-19" фирмы Sea-Bird Electronics, Inc. (США) с альтиметром и двенадцать пластиковых 5-литровых батометров Нискина.
Станция 2344 расположена на расстоянии 11 миль от Голубой бухты (44°24.04' с.ш., 37°53.03' в.д.). Глубина отбора проб составила 1243 м. Станции 3425 (42°40.5' с.ш., 38°26.75' в.д., глубина 2110 м) и 3426 (42°54.65' с.ш., 37°47.73' в.д., глубина 2141 м) отобраны на месте предыдущих работ в 51-м рейсе НИС "Акванавт" в 2002 г. (станции 1320 и 1322 соответственно) [8]. Для станций 3425 и 3426 отбор проб начинался в 1 м от дна.
Определения содержаний кислорода и сероводорода выполнены на борту судна по методикам, описанным в работах [3, 6]. Изотопный состав кислорода и водорода воды был получен в
Рис. 1. Расположение станций 3425 и 3426 в Черном море. На схеме стрелками показаны направление и скорость течений на поверхности моря 27.08.2008 г. Светлые участки на поверхности моря соответствуют зонам с повышенными скоростями течений, длина стрелок пропорциональна скорости течений, максимальная скорость — 0.5 м/с.
129 пробах воды Черного моря (33 пробы — ст. 2344, 36 проб — ст. 3425 и 60 проб — ст. 3426) в ИГЕМ РАН, результаты измерений приведены в табл. 2. Определение изотопного состава кислорода выполнялось методом изотопного уравновешивания с СО2. Измерения проводились в режиме непрерывного потока гелия (CF IRMS) на масс-спектрометре DELTA V+, в комплексе с периферийным оборудованием GasBench II и автосэмплером PAL. Объем образца воды составлял 0.5 см3. При анализе каждой серии, состоящей из 40 образцов, через каждые 6—8 проб проводились измерения внутрилабораторного стандарта, что позволяло учесть возможный инструментальный дрейф. Воспроизводимость полученных величин S18O составила ±0.2% (1ст). Изотопный анализ водорода проводился методом высокотемпературного восстановления водорода на металлическом хроме. Объем образца воды составлял 1 мкл. Измерения проводились в режиме двойного напуска на масс-спектрометре DeltaPlus с помощью периферийного оборудования H/Device. Погрешность измерений величин SD составила ±0.3% (1ст). В качестве стандартов при определении изотопного состава кислорода и водорода воды использовались образцы сравнения МАГАТЭ ОН-1, ОН-2, ОН-3 и ОН-4, абсолютные значения которых были откалиброваны в шкале VSMOW Результаты
определений 818О и 8Э в образцах морской воды выраже
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.