ГЕОХИМИЯ, 2015, № 10, с. 925-944
ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ГОЛОЦЕНОВЫХ ОСАДКАХ ОЗЕРА ОЧКИ (ЮЖНОЕ ПРИБАЙКАЛЬЕ)
ПО ДАННЫМ ПИРОЛИЗА
© 2015 г. В. Н. Меленевский*, Г. А. Леонова**, В. А. Бобров**, В. А. Каширцев*, С. К. Кривоногов **, ***
*Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН 630090, Новосибирск, просп. академ. Коптюга, 3 **Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН 630090, Новосибирск, просп. академ. Коптюга, 3
e-mail: vmelenevsky@yandex.ru ***Новосибирский государственный университет 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2 Поступила в редакцию 06.08.2013 г. Принята к печати 15.07.2014 г.
Исследованы трансформации органического вещества (ОВ) голоценовых осадков озера Очки (южное побережье озера Байкал) на ранних этапах диагенеза пиролитическими методами в вариантах Рок Эвал (RE-пиролиз) и хромато-масс-спектрометрии (Пир-ХМС). Проанализировано ОВ озерных отложений и их основных продуцентов — фитопланктона и зоопланктона. Данные о распределении углеводородов-биомаркеров в осадках свидетельствуют о постоянном привносе терригенного ОВ и переработке отложенного ОВ микроорганизмами. Из анализа молекулярного состава пиролизатов сделано предположение о резкой смене условий седиментации в верхней части осадков (0—60 см). Показано, что образование макромолекулярной алифатической структуры керогена начинается на самых ранних стадиях диагенеза в слое неконсолидированного осадка.
Ключевые слова: современные осадки, диагенез, органическое вещество, пиролиз, углеводороды-биомаркеры.
Б01: 10.7868/80016752515080051
ВВЕДЕНИЕ
В озерах накапливается много органического вещества (ОВ), являющегося продуктом жизнедеятельности и остатками озерной биоты и сносимого с окружающих территорий. На состав исходного ОВ влияют природные изменения окружающей среды и антропогенные воздействия. Содержание ОВ в современных озерных осадках обычно невысоко, однако при благоприятных условиях образуются органогенные отложения — сапропели, концентрация ОВ в которых может достигать десятков процентов (Веселовский, 1951). Считается, что сапропели, накапливавшиеся в прошлые геологические эпохи, пройдя стадию диагенеза, внесли значительный вклад в формирование залежей углей и горючих сланцев (Веселовский, 1951). Диагенез ОВ начинается с момента его захоронения и заканчивается в интервале глубин 0.5—1 км в зависимости от особенностей седиментационного бассейна (Тиссо и Вельте, 1981). Ко времени завершения диагенеза основным компонентом ОВ становит-
ся кероген. Современные озера являются удобным объектом для изучения состава сапропелей, разложения живого вещества и преобразований ОВ в процессе накопления, захоронения и раннего диагенеза осадка.
Одним из главных факторов преобразования ОВ на ранних этапах диагенеза является его ферментативная переработка микроорганизмами. Из биохимических составляющих ОВ наименее устойчивыми являются белки. Далее по устойчивости следуют углеводы, лигнин и липиды. Сохранность отдельных химических компонентов определятся их структурой. Так, обычно, длинноцепочечные и из-преноидные н-алканы изменяются в меньшей степени, чем кислород- и азотсодержащие функциональные группировки или ненасыщенные углерод-углеродные связи (Meyers and Ishiwatari, 1993; Meyers, 2003, McKirdy et al., 2010). В ОВ сапропелей присутствует ряд биологических маркеров (споро-пыльцевые комплексы) и хемофоссилий (реликтовые углеводороды), из соотношения которых могут быть получены параметры, используемые для па-
54°
52°
104° 106° 108° 110°
Рис. 1. Расположение оз. Очки.
леоэкологических и палеогеографических реконструкций (Peters et al., 2005).
Несмотря на значительную изученность процессов преобразования ОВ озер в других частях света (Meyers and Ishiwatari, 1993; Meyers, 1997; Meyers, 2003), сибирский регион с его специфическим резко континентальным климатом, мерзлотой и подчиненными им биотическими компонентами остается практически не исследованным. Органическая геохимия осадков изучалась в палеоклима-тическом ключе в долгоживущих озерах Байкал и Хубсугул (Tani et al., 2002; Tani et al., 2009), а также в сапропелевом озере Котокель (Ishiwatari et al., 2009). Поэтому рассмотрение сибирских озер с позиций преобразования ОВ является актуальным.
Проведенное нами в 2006—2008 гг. комплексное изучение ультрапресного сапропелевого озера Очки (южное побережье Байкала) и его окрестностей дало высококачественные керны озерных отложений, для которых были получены палеонтологические и
1
геохимические характеристики . В данной работе
1 Результаты комплексного исследования осадков озера Очки изложены в работе Леонова и др. (2015). "Биогеохимические особенности формирования элементного состава сапропеля в ультрапресном озере Очки (Южное Прибайкалье)" представленной для опубликования в журнале "Геология и геофизика".
мы представляем результаты изучения процессов диагенеза ОВ в осадках озера Очки методами органической геохимии на молекулярном уровне.
ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ
Озеро Очки расположено на южном побережье оз. Байкал в правобережной части р. Выдрин-ная (51°29'56" с.ш., 104°5278" в.д.) (рис. 1). Оно занимает понижение в рельефе моренной возвышенности у подножия хребта Хамар-Дабан. Озерная котловина имеет размер 400 х 200 м и сложную форму — состоит из двух впадин, разделенных перемычкой, из-за чего озеро и получило свое название. Водосборный бассейн озера очень незначителен. Питание озера преимущественно атмосферное. Озеро окружено густым смешанным лесом. Глубина оз. Очки около 3 м, мощность осадков около 3.2 м. В соседнем понижении рельефа расположено верховое болото Выдринское с мощностью торфа 4.5 м, которое формировалось одновременно с оз. Очки (Леонова и Бобров, 2012). Образование озера или болота в понижениях моренного рельефа зависит от местных условий водного питания и заполнения котловин осадками.
Берега озера представляют торфяные сплавины из слоя бриевых и сфагновых мхов и остатков прибрежной и береговой растительности. Основными
источниками автохтонного ОВ в озере являются фитопланктон (Chrysophyta), дающий обильную биомассу осенью, и зоопланктон (Cladocera и Copepoda), в массе развивающийся в летнее время. Вклад водных макрофитов (рдест нитевидный и кувшинка белая), произрастающих в прибрежной части озера, незначителен. Наряду с автохтонным ОВ в озеро поступает аллохтонный материал сплавин — в основном стебли мхов, остатки которых встречаются во всей толще озерных отложений, и другая терригенная органика.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Нами исследовались пробы фито- и зоопланктона и озерные осадки. Планктон собирали с помощью малой стандартной планктонной сети Джеди с диаметром ячеи 73 мкм. Пробы сушили в мешочках из капронового газа в защищенном от солнечного света проветриваемом помещении до воздушно-сухого состояния (Абакумов, 1983). В лабораторных условиях пробы гомогенезировали — растирали в агатовой ступке.
Осадки были получены в 2008 г. в центральной части озера методом вибрационного бурения с помощью модифицированного пробоотборника Ли-вингстона диаметром 7.5 см. Ненарушенная колонка керна вскрыла сапропелевый слой мощностью 3.2 м и подстилающую морену. Радиоуглеродное датирование показало голоценовый возраст осадков около 11 тыс лет (Бобров и др., 2010).
ОВ современных осадков гетерогенно и является смесью отмерших организмов и химических продуктов их разложения. Традиционные методы его анализа требуют трудоемкой пробоподготовки; это — кислотный и основной гидролиз, экстракция, хроматография экстрактов, очистка и т.д. (Poirier et al., 2003). В нашем исследовании использовались менее трудоемкие пиролитические методы
Метод пиролиза в варианте RE-пиролиз был разработан для диагностики нефтематеринских пород (Тиссо и Вельте, 1981). Пиролиз проводился нами на анализаторе SR Analyzer, Humble In-str.Inc.™ (США). Исследуемые пробы ступенчато нагревались в токе гелия по температурной программе: на первой ступени при изотерме Т = = 250°C (3 мин), далее со скоростью 50°С/мин до 650°С с последующей минутной выдержкой при этой температуре. Поток газа из реактора поступал на пламенно-ионизационный датчик, который регистрировал только углеводородную составляющую в нем. Углеводороды (УВ), выделявшиеся на первой (низкотемпературной) ступени (пик S1 на графиках), соответствуют газообразным и жидким УВ, находящимся в породе в свободном или адсорбированном состоянии. Углеводороды, выделявшиеся при температурах выше 380—400°С (пик S2 на графиках), соответствуют продуктам разложения керогена. Последние характеризуют остаточный,
нереализованный в природных условиях, нефтеге-нерационный потенциал ОВ или водородный индекс (HI), измеряемый в мг УВ/г Сорг. Температура, отвечающая максимальной скорости выделения УВ (Тмакс), является параметром зрелости или катагенетической преобразованности ОВ. Благодаря своей простоте и надежности в последнее время он стал широко использоваться для исследования незрелого ОВ в образцах почв, современных озерных и морских осадков (Disnar et al., 2003). Нами вместо Тмакс использовалась фактическая температура вблизи тигля при максимальной скорости выделения УВ, обозначаемая на пирограммах как Тпик. Это было сделано для сопоставимости литературных данных, полученных на приборах, отличных от Rock Eval, использовавшихся (Disnar et al., 2003).
Основным методом изучения молекулярного состава протокерогена является пиролиз в варианте хромато-масс-спектрометрии (флеш-пиро-лиз, Пир-ХМС) при температурах выше 600°C с последующим хромато-масс-спектральным анализом образовавшихся продуктов. Анализ зоопланктона и неконсолидированного осадка осуществлялся нами в режиме последовательного прогрева: на первой ступени при 330°C проводились термодесорбция УВ и хромато-масс-спектромет-рический анализ термодесорбата. Термодесорбат включает в себя соединения, исходно присутствующие в пробе в свободном состоянии, в частности, липиды, и продукты разложения при этой температуре лабильных компонентов белково-углеводно-
лигниновых веществ (пик S'2 на графиках) (Joc-teur-Mon
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.