ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2007, № 3, с. 247-266
УДК 551
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЧУКОТСКОМ МОРЕ
© 2007 г. А. Ю. Леин, А. С. Саввичев*, И. И. Русанов*, Г. А. Павлова, Н. А. Беляев,
К. Крейн**, Н. В. Пименов*, М. В. Иванов*
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117997 Москва, Нахимовский проспект, 36;
E-mail: Lein@ocean.ru * Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН 117811 Москва, проспект 60-летия Октября, д. 7, корп. 2;
E-mail: ivanov@inmi.host.ru ** Центр исследования Арктики, США Поступила в редакцию 25.04.2006 г.
При исследовании биогеохимических процессов в воде и в осадках Чукотского моря в августе 2004 г. обнаружены максимумы концентраций биогенных элементов (N, P, Si) и скорости микробного процесса сульфатредукции в поверхностном слое (0-3 см) осадков, что не типично для морских отложений. Соотношение C:N:P в ОВ этого слоя не подчиняется стехиометрической модели Редфилда-Ри-хардса. Предполагается, что особенности биогеохимических процессов в море обусловлены сложной динамикой вод; высокой первичной продукцией (110-1400 мгС/м2 сут); малой глубиной водоема (менее 50 м на 60% площади акватории); редуцированной пищевой цепью из-за малой численности зоопланктона; высокой плотностью зообентоса (до 4230 г/м2); высокой активностью микробных процессов. Резкое убывание концентрации биогенов, йода, величины общей щелочности (Alk), численности микроорганизмов ниже слоя 0-3 см свидетельствует о масштабной деструкции ОВ на геохимическом барьере "вода-дно". Полученные экспериментальные данные, подтверждают высокую ежегодную скорость минерализации органического вещества на дне Чукотского моря.
Чукотское море разделяет материковые территории США и России. Уже одно это обстоятельство заставляет проводить детальные исследования в этом районе. К этому географо-поли-тическому аспекту следует добавить важный экономический: громадная Иннуитско-Чукот-ская провинция рассматривается как весьма перспективная для поисков углеводородного (УВ) сырья. Уже открыты крупные залежи УВ в американском секторе Чукотского моря [The organic carbon cycle..., 2004]. Наконец, этот водоем вызывает огромный интерес у научного сообщества, поскольку является самым крупным шельфовым морем, с глубинами менее 50 м на 56% его площади, с самой высокой первичной продукцией среди арктических морей (в западной части моря 470 гС/м2 год средняя величина, максимальная -720-840 гС/м2 год [Naidu et al., 2004], со сложным гидрологическим режимом и строением дна [Геоэкология шельфа., 2001].
Водная толща и отложения дна испытывают влияние двух основных течений: Восточно-Сибирского, идущего через пролив Лонга, и Берин-говоморского, поступающего через Берингов пролив (рис. 1). Гидрографический фронт, разделяющий два эти потока в Южной части моря, проходит вдоль меридиана 169° з.д., а на широте примерно 68.2° с.ш. резко уходит на СВ к каньону Геральда, где первичная продукция к западу от
фронта составляет уже только 250-300 гС/м2 год [Naidu et al., 2004].
Более детальная схема распределения водных масс разного происхождения в Чукотском море приведена на рис. 2. Схема составлена по результатам определения температуры, солености и других параметров, полученных в августе 2004 г. [Саввичев и др., 2006]. Температура прибрежных вод вблизи Аляски достигала +11°С, у берегов Чукотки температура колебалась от -1.5 до +2.5°С. Водная толща южной и центральной части Чукотского моря, расположенная в зоне бе-ринговоморских вод и сформированная мощным течением через Берингов пролив, имела положительную температуру, а арктические водные массы в районе каньона Геральда - отрицательную.
Соленость чукотскоморских вод также изменялась от 31.3%о у побережья Аляски до 33%о у берегов Чукотки. Поверхностный водный слой в районе каньона Геральда, с пониженной плотностью и соленостью, был сформирован к августу 2004 г. за счет таяния льдов [Саввичев и др., 2006].
Биогеохимические процессы в Чукотском море мало изучены по сравнению с другими морями Российского сектора Арктики (Белое, Карское, Баренцево, Лаптева) и Норвежским морем. Данные по концентрации Сорг в осадках Чукотского моря имеются в ряде работ [Grebmeier, 1993; Feder
Рис. 1. Батиметрия, положение гидрографического фронта (ГФ) и направление главных течений в северной части Берингова моря и в Чукотском море.
ПВА - прибрежные воды Аляски; ВБМ - водные массы Берингова моря; ПВЧ - прибрежные воды Чукотки, АВ -арктические воды [Naidu et а1., 2004]
et al., 1994; Романкевич, Ветров, 2001] и обобщены в сводке [Naidu et al., 2004], где, помимо распределения концентраций Сорг, рассмотрены источники, потоки, скорости аккумуляции, захоронения и реминерализации органического вещества (ОВ), но, к сожалению, преимущественно в восточной части (восточнее 168° з.д.) Чукотского моря у берегов Аляски. Данные по западной части моря не вошли в эту сводку, если не считать распределения Сорг по площади моря, заимствованного из обзора [Романкевич, Ветров, 2001]. В сводке [Naidu et al., 2004] отсутствуют также данные по биогенным компонентам в иловых водах Чукотского моря.
В августе 2004 г. состоялась экспедиция в Чукотское море в рамках Комплексной российско-американской долгосрочной арктической программы (The Joint Russian-American Long-Term Census or the Arctic [Rusalka]) на НИС "Профессор Хромов" (см. рис. 2). Программа экспедиции включала исследования скорости биогеохимических процессов циклов метана и серы в водной
толще и в осадках Чукотского моря [Саввичев и др., 2006]. Эти работы явились продолжением исследований геохимии и скоростей биогеохимических процессов в арктических морях (Карское, Баренцево, Белое, Норвежское), проводимых совместно коллективом сотрудников ИО РАН и ИНМИ РАН [Леин и др., 1996; Саввичев и др., 2004; Намсараев и др., 1995], с использованием единой методологии и широкого комплекса геохимических и микробиологических методов, включая радиоизотопные и изотопные.
Цель данной работы - попытка определить скорость и масштабы минерализации ОВ на границе водная толща-донные отложения.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Изучена водная толща и осадки в Беринговом проливе (профиль I, ст. 7), на двух параллельных разрезах (профили II, III) в южной части Чукотского моря от побережья Чукотки к побережью
175°E 180° 175°W 170°W 165°W 160°W
Рис. 2. Расположение станций опробования по профилям (Г-ГУ) на схеме распределения водных масс в Чукотском море [Саввичев и др., 2006, с добавлениями]. ПВА - прибрежные воды Аляски; ПВЧ - прибрежные воды Чукотки; ВБМ -водные массы Берингова моря; АВ - арктические воды. Цифры на схеме - номера станций.
Аляски и на разрезе через каньон Геральда в северо-западной части Чукотского моря (см. рис. 2).
Пробы воды отбирали 5-литровыми батометрами, установленными на системе Rozett (Woodsholl, США), снабженной датчиками температуры, солености, мутности, флуоресценции и содержания кислорода [Саввичев и др., 2006]. Отбор воды из батометров проводили в стеклянные флаконы и закрывали газонепроницаемой пробкой.
Для определения общей концентрации взвеси пробы воды фильтровали через предварительно прокаленные и взвешенные (точность взвешивания составляет ±0.05 мг) стекловолокнистые фильтры GF/F диаметром 47 мм. Перед опытным взвешиванием фильтры высушивали до постоянного веса при температуре 60°С.
Пробы донных осадков отбирали дночерпате-лем "van Veen" и ударной геологической трубой. Окислительно-восстановительный потенциал (Eh, мВ) и значения рН определяли параллельно с отбором проб при помощи потенциометра "рН 320/Set-1" (Германия). При перевозке проб в стационарные лаборатории использовали сумки-холодильники.
Из части проб осадков иловая вода отжималась центрифугированием в 50-мл стаканах при 6000 об/мин. Другая часть отжималась в лаборатории ИО РАН на пневмопрессе в атмосфере азота. В иловых водах определяли:
- величину общей щелочности (Alk) - прямым титрованием пробы соляной кислотой в присутствии смешанного индикатора при непрерывном продувании пробы воздухом, лишенным двуокиси углерода и аммиака;
- хлорность (X хлора, брома, йода) - прямым титрованием пробы раствором AgNO3 в присутствии индикатора K2CrO4 при непрерывном перемешивании с помощью магнитной мешалки;
- N/NH4 - колориметрически с реактивом Нес-слера;
- X магния и кальция - трилонометрическим титрованием с эрихром-черным и отдельно кальций - с мурексидом в качестве индикаторов, по разности находили магний;
- сульфаты - весовым методом и на ионном хроматографе Biotronik (Германия);
- йод - йодометрическим титрованием при окислении пробы бромной водой.
Содержание растворимого Сорг (РОУ) в водной толще определяли во ВНИРО на скоростном проточном анализаторе "СПА-Аликем" [Руководство., 2004 ].
Химический состав осадков (силикатный анализ) определяли с помощью рентгено-спектраль-ного флуоресцентного метода, а минеральный состав - рентгенографического полуколичественного фазового анализа (ИО РАН).
Удержание CаCO3 в осадках определяли методом регистрации объема диоксида углерода, выделившегося при реакции карбоната с соляной кислотой. B качестве эталона использовали спектрально чистый реактив CаCO3 ^O РАН).
Удержание C^ в осадках, после растворения CаCO3 в 3M НО, измеряли на экспресс-анализаторах АН-7560 и АП-7529 путем регистрации CO2 при сухом сжигании (T = 900°C) в токе воздуха, очищенного от CO2 ^O РАН). Диапазон измеряемых долей углерода составляет от 0.01 до 4%, воспроизводимость результатов анализа ±1.5%. ^либровка прибора производилась по стандартным образцам донных осадков QO,O-1, QO,O-2.
Экстракция углеводородов из проб донных осадков производилась на ультразвуковой бане фирмы "Branson Ultrasonic B.V.", модель "Bran-son-1210". B качестве растворителя использовался хлороформ, обеспечивающий наиболее полное извлечение yB. Фракции алканов выделяли с помощью колоночной хроматографии. Наполнитель колонки - силикагель, элюент - гексан.
Для хромато-масс-спектрометрических исследований органического вещества осадков (очищенные экстракты) использовали хромато-масс-спек-трометр фирмы Shimadzu модели GCMS-QP50
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.