ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2011, № 2, с. 154-169
УДК 551
ОБ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ В ПРОЦЕССЕ ДИАГЕНЕЗА (НА ПРИМЕРЕ
ЧЕРНОГО МОРЯ)
© 2011 г. А. Ю. Леин, И. И. Русанов*, Г. А. Павлова, О. М. Дара, З. И. Верховская, Е. Е. Захарова*, С. К. Юсупов*, М. В. Иванов*
Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН) 117997Москва, Нахимовский просп., 36;
E-mail: lein@ocean.ru * Учреждение Российской академии наук Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН (ИНМИ РАН) 117312 Москва, просп. 60-летия Октября, д. 7, корп. 2;
E-mail: ivanov@inmi.host.ru Поступила в редакцию 06.04.2010 г.
Проведены комплексные исследования современных и древнечерноморских осадков внешнего шельфа, континентального склона и глубоководной котловины российского сектора Черного моря по материалам экспедиции ИО РАН в марте 2009 г. на НИС "Профессор Штокман" и экспедиции "ЮЖМОРГЕО" летом 2006 г. В колонках осадков исследуемого района впервые измерены скорости основных анаэробных процессов, участвующих в диагенезе: сульфатредукции, темновой фиксации СО2, метаногенеза и метанокисления. Выявлены два пика скорости микробных процессов и два источника этих процессов: верхний пик вблизи контакта вода—осадок, связанный с солнечной энергией (ОВ водной толщи), и нижний — в основании толщи древнечерноморских осадков с высокой (более 1000 мкМ) концентрацией метана, обусловленный энергией анаэробного процесса окисления метана. Вновь образованное при этом процессе лабильное ОВ используется другими группами микроорганизмов. По экспериментальным данным, суточная скорость анаэробного метанокисле-ния многократно превышает суточную скорость метаногенеза, что однозначно доказывает миграционную природу основной части метана.
Основным источником энергии для процессов диагенеза, протекающих в морских и океанских осадках, принято считать органическое вещество (ОВ), поступающее на дно из водной толщи. Результаты изучения биогеохимических процессов, проведенного в последние годы, позволяют поставить вопрос о наличии еще одного источника энергии, поступающего не из водной, а из осадочной толщи. Таким источником может быть метан, при анаэробном микробном окислении которого выделяется энергия и образуется дополнительное лабильное ОВ [Леин, Иванов, 2009].
Отложения Черного моря, в том числе осадки верхнеголоценового возраста, отличаются от большинства других районов океана повышенным содержанием метана.
В связи с этим поиск доказательств существования иного, чем фотосинтетическое ОВ, источника энергии в процессах диагенеза логично было начать с изучения скорости биогеохимических процессов в поверхностных (0—3 м) горизонтах черноморских осадков, доступных отбору геологическими трубками.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материал для исследования отобран в марте-апреле 2009 г. в 100 рейсе НИС "Профессор Штокман" в экспедиции ИО РАН (рис. 1). В работе использованы также материалы, полученные в июле 2006 г. в экспедиции ЮЖМОРГЕО на зверобойно-рыболовном сейнере "Тюлень-2" С.К. Юсуповым (ИНМИ РАН).
Исследованы осадки на 11-ти станциях в 4-х геоморфологических зонах северо-восточного (российского) сектора моря: внешнего шельфа, континентального склона и его подножья и пела-гиали восточной халистазы, осложненной валом Шатского. Ранее в этом районе комплексные биогеохимические исследования не проводились. Для отбора проб осадков использовали трубку Неймисто, бокс-коррер, дночерпатель и геологическую трубку с полиэтиленовым вкладышем. После описания колонки отбирали пробы осадков на определение концентрации метана, на анализ иловых вод и вещественного состава илов, на микробиологический и изотопный анализы, на анализ органического вещества (ОВ), на определение скорости биогеохимических процессов
• 1 □ 2
Рис. 1. Расположение 9-ти станций опробования осадков российского сектора Черного моря, по материалам 100-го рейса НИС "Профессор Штокман", март 2009 г. (1) и 4-х станций экспедиции ЮЖМОРГЕО (полигон), июль 2006 г. (2).
метаногенеза (МГ), метанокисления (МО), суль-фатредукции (СР) и темновой СО2-ассимиляции. Индивидуальный состав высокомолекулярных н-ал-канов С13—С35 и основных изопреноидов (iC19 и iC20) определяли на хроматографе Intersmat GC 121-2 c микропроцессором. Содержание метана определяли по одной из модификаций методики "head-space analysis" [Большаков, Егоров, 1988] с последующим анализом на газовом хроматографе "Кристалл-5000.1" (ЗАО "Хроатэк, Россия) с пламенно-ионизационным детектором. Чувствительность хроматографического анализа — 1—2 ppm.
Для анализа химического состава иловой воды пробы осадков центрифугировали на борту судна
(центрифуга "ОПН-8-УХЛ 4.2", Россия) при 68 тыс. оборотов в течение 10-20 мин. Солевой состав иловых вод определяли методами классической химии [Шишкина, 1972].
Эксперименты по определению скоростей микробных процессов с помощью радиоактивных соединений (NaH14CO3, 14CH3COONa, 14CH4 и Na235SO4) проводили радиоизотопным методом с краткосрочной инкубацией проб (12-48 часов) при температурах in situ на борту судна немедленно после отбора проб по методике [Гальченко, 2001].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Вещественный состав осадков
Внешний шельф. Современные (верхнеголо-ценовые) осадки (ст. 100-77, 100-43) внешнего шельфа представлены сверху вниз по разрезу окисленными (Eh = +280 мВ) коричневато-бурыми илами (гор. 0.0—0.7 см из трубки Неймисто), перекрывающими пачку (гор. 0.7—32 см) темно-серых слоистых восстановленных (Eh = —100 мВ) осадков с многочисленными раковинами Modiolus phaseolinus ("фазеолиновый ил", рис. 2). Фа-зеолиновые илы обеих станций имеют сходный вещественный состав. Современные отложения глубже гор. 32 см вскрыты только на ст. 100-77 (см. рис. 2). Они представлены монотонной однородной толщей темно-серых карбонатно-глини-стых пелит-алевритовых и алеврито-пелитовых илов с редкими прослоями (гор. 69—71 см) и линзами раковин фазеолин.
Под слоем фазеолиновых илов в колонке ст. 100-77 вскрыты древнечерноморские осадки, мощность которых составляет более 2-х метров (гор. 90—325 см). На границе современных и древ-нечерноморских осадков обнаружен прослой возрастом 4350 лет [Ivanova et al., 2006], обогащенный раковинами Mytilus galloprovincialis и/или их фрагментами, характерными для всей толщи древнечерноморских илов. В описываемом разрезе насчитывается несколько прослоев, обогащенных митилидами (см. рис. 2). Древнечерно-морские осадки отличаются зеленовато-серым и оливково-зеленым цветом, участками имеют тонкослоистую текстуру, участками — однородную, местами перемяты, содержат включения растительного материала континентального происхождения (в частности, крупные обломки древесины). Высокопористые мидиевые прослои, более влажные по сравнению с вмещающими илами, содержат крупные, до 3.5—4.0 см раковины мити-лид и их обломки, обеднены терригенным материалом, но обогащены Сорг (см. рис. 2).
Континентальный склон. Колонка осадков, отобранная на склоне (ст. 100-46, см. рис. 2), представлена современными (0—80 см), древне-черноморскими (80—279 см) и, вероятно, ново-эвксинскими отложениями (279—320 см). Осадки горизонта 0—20 см состоят из чередующихся белых кокколитовых и темных, преимущественно
терригенных слойков (см. рис. 2). В верхних 0—5 см ил очень влажный, расплывающийся, с преобладанием терригенных слойков. Вниз по разрезу в слое 5—22 см количество кокколитовых прослоев в сером творожистом иле увеличивается, образуя так называемый ритмолит (рис. 3а). Прослои рит-молита встречаются до основания разреза современных илов.
Древнечерноморские отложения (гор. 80—320 см) отличаются от современных более темным цветом с оливковым оттенком, высоким содержанием глинистых минералов, большей плотностью, присутствием прослоев и линз тонкослоистых, иногда косослоистых сапропелитов (гор. 93—98 см, 103—108 см), а также примазок гидротроилита, количество которых сверху вниз увеличивается и в основании колонки присутствует сплошной черный прослой (гор. 279—320 см, рис. 3б). Для колонки в целом характерны следы размыва, переотложения и несогласное залегание слоев.
Подножье склона. В пределах подножья склона (ст. 100-6, 100-20) вскрыты бокс-коррером только верхние 30—40 см современных тонкослоистых отложений, аналогичных современным осадкам склоновой станции 100-46 (см. рис. 2).
Пелагиаль восточной халистазы. Осадки отбирали на глубинах более 2000 м (см. рис. 1). Ранее в основании разрезов отложений верхнеголоцено-вого возраста в исследуемом районе уже были вскрыты осадки с высоким содержанием метана [Егоров и др., 2003], поэтому колонки глубоководных осадков из восточной халистазы, в том числе с вала Шатского, представляют наибольший интерес для данного исследования.
Следует подчеркнуть, что в отличие от литоло-гически сравнительно сходных разрезов современных осадков, древнечерноморские осадки сильно различаются по литологии, даже в близко расположенных станциях.
Полный разрез современных и древнечерно-морских осадков до границы с новоэвксинскими вскрыт на ст. 100-48 (см. рис. 2). Сверху вниз по колонке выделяется пачка современных осадков (гор. 0—24 см), состоящих из тонких переслаивающихся карбонатных (коколитофориды) и терригенных слойков (ритмолит), типичных для отложений черноморских халистаз. Современные глинисто-карбонатные осадки по резкой гори-
Рис. 2. Литологический состав осадков и распределение в них влажности, Сорг и СаСО3 на станциях 100-43 (а), 100-77 (б), 100-46 (в), 100-48 (г), Т-1 (д) и сводном разрезе станций Т-2—Т-4 (е).
1 — серые пелито-алевритовые и алеврито-пелитовые илы; 2 — серые илы с многочисленными раковинами фазеолин; 3 — тонкослоистые илы (ритмолит), состоящие из чередующихся белых прослоев с раковинами кокколитофорид и из темных терригенных прослоев; 4 — пелитовые и алеврито-пелитовые илы с однородной текстурой; 5 — темно-серые и зеленовато-серые илы с сапропелем; 6 — те же илы с косослоистой текстурой; 7 — те же илы с включениями и прослоями раковин митилид; 8 — голубовато-серые алеврито-пелитовые илы с черными примазками, линзами и прослоями гидротроилита; 9 —
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.