ОКЕАНОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 357-367
МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК 551.463.8,549.08,552.52
МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ВЗВЕСИ БЕЛОГО МОРЯ
© 2014 г. М. Д. Кравчишина, О. М. Дара
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: kravchishina@ocean.ru, olgadara@mail.ru Поступила в редакцию 09.08.2012 г., после доработки 11.02.2013 г.
Проведено исследование минерального состава взвеси водной толщи Белого моря. Выполнено сопоставление с минеральным составом речных взвесей водосборного бассейна моря, в том числе, одного из главных источников терригенного взвешенного вещества — р. Северной Двины. Подобные работы сопряжены со многими техническими трудностями, что замедляет развитие этих исследований. Данные литературы по вопросу изучения минерального состава взвесей крайне ограничены. С помощью метода рентгеновской порошковой дифрактометрии нам удалось изучить валовый минеральный состав взвешенного вещества и состав ее глинистой фракции.
DOI: 10.7868/S0030157414020129
ВВЕДЕНИЕ
Взвешенное вещество является исходным материалом для формирования донных осадков. Минеральный состав взвеси — один из важных индикаторов происхождения взвешенного осадочного материала, дальности и векторов его переноса. Он определяется поставкой материала не только из водосборного бассейна реками, но также из взаимодействующих геосфер (атмосфера, криосфера, биосфера и др.) [17, 18, 20].
Минералогические исследования взвешенного вещества затруднены в силу целого ряда технических проблем, а работы по этой проблеме немногочисленны. Минеральный состав взвеси ряда Арктических морей (Баренцева, Карского и Лаптевых) был изучен в работах Лисицына [19], Серовой, Горбуновой [30], Мурдмаа и др. [23], Русакова и др. [29], Политовой [26], Лукашина [37], Müller и Stein [38]. Минеральный состав взвеси р. Северной Двины — основного поставщика терригенного осадочного материала в Белое море — рассмотрен в статье Кравчишиной и др. [10].
Первая и единственная работа о глинистых минералах во взвеси прибрежной зоны Белого моря принадлежит Кривоносовой и др. [12].
Минералогические исследования в Белом море проводились только для изучения минерального состава донных осадков (особенно состава глинистых минералов) Калиненко и др. [6, 7], Невес-ским и др. [24], Павлидисом и др. [25], Ратеевым и др. [27], Saukel et al. [39], речных взвесей и аллювия — Кривоносовой и др. [12], Калиненко и др. [7]. Таким образом, впервые за последние 40 лет авторами предпринята попытка исследования минерального состава не донных осадков, а морской взвеси водной толщи этой акватории.
Комплексное исследование взвеси Белого моря проводится нами (начиная с 2000 г.) в рамках проекта "Система Белого моря" под руководством академика А.П. Лисицына [20].
РАЙОН РАБОТ И ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗВЕСИ
Белое море — целиком шельфовое море, занимающее окраинную материковую депрессию, которая располагается на рубеже основных мега-структур Восточно-Европейской платформы: Балтийского щита и Русской плиты. Дочетвер-тичные образования и четвертичные породы, их мощность и распространение на водосборном бассейне моря рассмотрены в работах Невесского и др. [24], Спиридонова и др. [33], "Система Белого моря" [31].
Общие закономерности распределения взвеси в поверхностных водах Белого моря были намечены в различных публикациях [21, 22, 24] и характерны для многих внутренних и шельфовых морей Российской Арктики.
По нашим данным средняя концентрация взвеси в поверхностных водах Белого моря за пределами маргинальных фильтров рек летом приблизительно составляет 1.0 мг/л [11]. По данным 10 лет наблюдений летом она варьирует от 0.5 до 1.1 мг/л, повышаясь, как правило, в июне и понижаясь в августе. Концентрация взвеси более 1.0 мг/л наблюдаются, как правило, в сравнительно узкой (обычно до 20 км) прибрежной полосе, где формируется сложная структура взвесенесущих вдольберего-вых потоков [1, 8]. Содержание взвешенного вещества в этих районах постоянно меняется в зависимости от гидрологической ситуации (штор-
мовое волнение, приливные течения и др.) и обусловлено физико-химическими и биологическими процессами, происходящими в устьях рек (явление маргинального фильтра) [19].
С удалением от побережий в пелагиаль значение концентрации взвеси становится все более постоянным, а в количественном отношении оно уменьшается в 5—10 и более раз. В центральной части моря концентрации взвеси обычно колеблются от 0.3 до 0.8 мг/л.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Пробы взвеси для изучения минерального состава отбирались тремя способами: фильтрационным, сепарационным и декантацией.
Карта-схема мест отбора проб воды дана на рис. 1а, 1б (всего 42 пробы взвеси). Элементный состав части этих проб взвеси из дельты р. Северной Двины приведен в статье Шевченко и др. [34].
Фильтрация взвеси проводилась под вакуумом 0.4 атм с помощью фильтрационных воронок фирмы "Сарториус" ("Sartorius") через мембранные ядерные поликарбонатные фильтры диаметром 47 мм и размером пор 0.4 мкм производства ОИЯИ (г. Дубна).
Отбор проб воды с различных горизонтов проводился винипластовыми батометрами (или пластиковым ведром с поверхности по ходу судна) на основе предварительного многопараметрического гидрофизического зондирования. Объем отфильтрованной воды составлял от 1 до 5—7 л (в зависимости от количества взвеси).
Сепарация взвеси на ходу судна выполнялась тарельчатыми и барабанными сепараторами [16, 18]. Декантация проб взвеси проводилась в пластиковых баках из объемов воды 30—50 л в областях маргинальных фильтров рек.
Для исследования минерального состава взвешенного вещества был применен метод рентгеновской порошковой дифрактометрии. Предварительное оптическое и электронно-микроскопическое исследование образцов показало, что основная масса материала представлена детритом (раковинки, панцири планктонных организмов и их обломки, остатки наземной растительности, органо-минеральные агрегаты), целыми клетками фитопланктона, пыльцой, спорами. Исследуемый материал — это смесь отдельных минеральных зерен, агрегатов, чешуйчатых образований слоистых силикатов с рентгеноаморфной массой.
Минеральное вещество, собранное на фильтрах, в основном, состоит из частиц пелитовой размерности [9]. Количество его зависит от сезона года, места и глубины отбора пробы. Практически всегда кристаллической фазы материала недостаточно для рентгенографического количественного анализа. Отфильтрованная из воды
взвесь обычно прочно прикреплена к фильтру, дающему на рентгенограмме мощное гало в области 16°—30° 9. Исследуемый материал смывался с фильтров в агатовую ступку, дотирался пестиком и наносился в виде суспензии на подложку из кварцевого стекла. Такая подготовка проб приводит к дополнительным неизбежным потерям тонкого материала. Количество и вещественный состав материала, полученного из морской воды, далеко не всегда позволяет выделить тонкодисперсную (пелитовую) фракцию для детального исследования.
Несмотря на эти сложности, метод рентгеновской порошковой дифрактометрии, является единственным методом, способным расшифровать состав столь сложного, многофазного объекта.
Для изучения минерального состава использовали рентгеновский дифрактометр ДРОН-2.0 с CuZa-излучением, графитовым монохромато-ром, U = 40 kV, I = 40 mA, работающим в непрерывном режиме со скоростью 1 градус/мин. Образцы снимались в интервале углов от 2.5° до 70° 29 с использованием щелевой программы: щели Соллера, на трубке 1 мм и 0.1 мм перед образцом и на счетчике 0.25 мм при комнатной температуре.
Регистрация спектров и их первичная обработка осуществлялись с помощью "Системы автоматизации рентгеновских дифрактометров "ДРОН".
В зависимости от количества вещества проводился либо только валовый полуколичественный анализ пробы, либо дополнительно выполнялся анализ глинистых минералов (в тех случаях, когда удавалось выделить пелитовую фракцию). В первом случае анализ проводили с использованием корундовых чисел. Во втором — для анализа минерального состава глин были использованы широко распространенные приемы изучения глинистых минералов, описанные в сборнике под редакцией Брауна [28]. Ориентированные воздушно-сухие образцы готовили из водной суспензии пелитовой фракции, отделенной от исходного образца в дистиллированной воде. Далее, при необходимости, применялась термическая обработка (для идентификации хлорита) и насыщение пробы этилен-гликолем (для идентификации минералов группы смектита и смешанно-слоистых образований с разбухающими слоями). Соотношение глинистых минералов рассчитывалось по рентгенограммам образцов, насыщенных этиленгликолем по методике Biscaye [36].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Взвешенное вещество Белого моря сильно обогащено рентгеноаморфным материалом (скелеты диатомовых и другие планктонные микро-
(а)
Рис. 1. Карта-схема станций отбора проб взвеси для изучения минерального состава: (а) в Белом море: 1 — пробы собраны методом фильтрации (август 2007 г., июнь 2008 г.), 2 — пробы собраны с помощью сепаратора (август 2006 г.), 3 — положение ст. 4929; (б) в дельте р. Северной Двины методом декантации: 1 — в мае 2006 г., 2 — в августе 2006 г., 3 - в мае 2004 г.
(а)
(б)
водоросли, детрит). Наличие рентгеноаморфного вещества и малые навески взвеси, выделенной с помощью фильтрации, затрудняют также определение соотношений кристаллических минеральных фаз. Исследование сепарационных проб, где удается получить большие навески вещества, к сожалению, не дают полноценной картины минерального состава. Тонкопелитовая (преимущественно глинистая) часть взвеси теряется при сепарации морской воды, в результате чего кристаллическая фаза вещества обогащается кварцем. В сепарационных пробах взвеси наиболее полно представлены минералы песчано-алевритовых фракций.
О составе и содержании минералов наиболее полно можно судить по декантированным (осажденным) пробам взвеси. Получать взвешенное вещество в необходимых для анализа количествах удается лишь в пробах воды с высокими содержаниями взвеси (маргинальные фильтры довольно узкой прибрежной зоны моря) (рис. 1б). Пример дифр
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.