ОКЕАНОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 216-225
МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК 551.465
О ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПОТОКАХ ВЕЩЕСТВА В КАСПИЙСКОМ МОРЕ
© 2014 г. В. Н. Лукашин, А. П. Лисицын, А. Н. Новигатский, Э. И. Мусаева, А. К. Амбросимов, Л. А. Гайворонская
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: lukashin@ocean.ru Поступила в редакцию 25.02.2013 г., после доработки 08.04.2013 г.
Представлены первые результаты исследования вертикальных потоков осадочного вещества с использованием седиментационных ловушек на транскаспийском разрезе. Определены величины потоков, закономерности их распределения. Определены также потоки частиц, составляющих осаждающееся вещество. Внутригодовая изменчивость потоков соответствует сезонной изменчивости биологической активности. Над северным склоном Дербентской впадины максимальные вертикальные потоки отмечены зимой, что обусловлено интенсификацией придонных течений.
DOI: 10.7868/S0030157414020166
Изучение вертикальных потоков вещества является приоритетной задачей при исследовании процессов седиментации в океанах, морях и внут-риконтинентальных бассейнах, так как поток служит основной количественной характеристикой, определяющей темпы поступления осадочного материала на дно и степень преобразования его при прохождении водной толщи. Терриген-ные частицы микронных размеров, поступающие в бассейны седиментации с речным стоком и через атмосферу, находятся в морской воде во взвешенном состоянии и не могут самостоятельно осаждаться в морских динамических условиях (ветер, волны, течения). И только в условиях "живого океана" при работе биологического насоса терригенная взвесь может погружаться и достигать дна [18, 23]. Осаждение терригенных частиц происходит при взаимодействии с биогенным веществом. Они агрегируются с биогенными компонентами взвеси, при фильтрации воды зоопланктоном включаются в состав фекальных пел-лет и пищевых комков, налипают на слизистые поверхности аморфных детритных и желеобразных биогенных частиц ("морской снег") [20, 23, 26, 32 и др.]. И только крупные раковины планктона (например, фораминифер, птеропод, крупных диатомей) могут осаждаться самостоятельно. Именно процессы агрегирования минеральных терригенных частиц с биогенными компонентами взвеси обеспечивают осаждение (поток) тонкого терригенного вещества в составе крупных биогенных агрегатов, которые сравнительно быстро (скорость осаждения в среднем 70 м в сут [12, 22, 28 и др.]) достигают морского дна. Вертикальные потоки вещества выражаются в единицах массы вещества, проходящей через единицу площади столба воды в единицу времени (обычно
в мг/м2/сут) и изучаются разными методами — изотопными, расчетными с использованием математического моделирования и прямым с помощью седиментационных ловушек, дающим наиболее точные результаты [4].
Исследования вертикальных потоков вещества в океанах и морях мировое научное сообщество проводит более 40 лет [9, 13, 15, 17, 21, 30, 33 и др.]. Уже первые результаты оказались настолько важными, что был организован международный проект ГСОБВ (Объединенное глобальное изучение потоков вещества в океане), включенный как основной проект в ЮБР (Международную геосферно-биосферную программу), программу, разработанную в связи с глобальными климатическими изменениями, обусловленными повышением содержания СО2 в атмосфере. Поэтому изучались преимущественно потоки углерода, являющиеся важным компонентом его глобального цикла [13, 17, 21, 30, 31, 33, 34 и др.]. Исследование потоков вещества как материала для формирования осадков или в целях мониторинга морской среды также проводилось, но в меньших масштабах [7, 15, 25, 29 и др.]
Во внутренних морях России и в морях, омывающих ее побережья (Белом, Черном, Баренцевом, Карском, Японском), потоки вещества изучались как российскими, так и зарубежными исследователями [например, 6, 11, 19, 24, 25]. В Каспийском море такие исследования не проводились, хотя оно является уникальным внутренним бассейном, расположенным в гумидной, се-миаридной и аридной зонах, что определяет характер питания бассейна осадочным материалом. В акваторию Северного Каспия осадочный материал поступает главным образом с речным стоком, тогда как в западную часть Среднего и Юж-
ного Каспия поставка осадочного материала осуществляется речным стоком и в виде аэрозолей через атмосферу, а в восточную часть этих акваторий только через атмосферу. Кроме того, на дне Южного Каспия обнаружено множество грязевых вулканов, которые также являются важным источником осадочного вещества. Таким образом, исследование потоков вещества стало необходимыми при выполнении программы "Система Каспийского моря", руководимой академиком РАН А.П. Лисицыным, так как изучение функционирования системы моря без исследования потоков вещества невозможно. Поэтому в 30-и 32-м рейсах НИС "Рифт" в 2009 г. впервые в Каспийском море была поставлена серия притоп-ленных буйковых станций-обсерваторий с седи-ментационными ловушками и измерителями течений Поток-2М для изучения вертикальных потоков вещества и условий его осаждения. В результате получен материал, предлагаемый для рассмотрения в этой статье. Целью работы является оценка вертикальных потоков осадочного материала, определение состава осаждающегося вещества и потоков его компонентов, выявление закономерностей их распределения в море и характера внутригодовой изменчивости.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материал для изучения потоков вещества был получен в экспедициях 30-, 32- и 35-го рейсов НИС "Рифт" в апреле, сентябре 2009 г. и в июне 2010 г. соответственно [1, 2]. Сбор материала для исследования потоков вещества проводился на притопленных буйковых станциях-обсерваториях, поставленных на транскаспийском разрезе (рис. 1). В табл. 1 приведены данные по местоположению каждой седиментационной ловушки и времени сбора осаждающегося вещества (экспозиции). Притопленные буйковые станции состояли из буя (пенопластового или набранного из стеклянных плавучестей), погруженного под воду на 30—40 м (под слой скачка плотности) для предотвращения влияния волнения и обрастания, груза-якоря (набор цементных бордюрных плит) и буйрепа — капронового фала между буем и якорем, на который навешивались приборы. Станции были оборудована малыми цилиндрическими седиментационными ловушками МСЛ-110, разработанными и изготовленными в Лаборатории физико-геологических исследований ИО РАН [8], конусными 12-стаканными ловушками Лотос (ОКБ ОТ) и цилиндрическими 12-ти стаканными ловушками НуёгоЫо8 (КиМ, ФРГ). Кроме того, на станции были поставлены изме-ригели течений Поток-2м (ОКБ ОТ), регистрирующие скорость и направление течений и температуру воды. Каждая станция была снабжена гидроаку-ститческим размыкателем троса АГАР (ОКБ ОТ),
Рис. 1. Схема расположения станций-обсерваторий в Каспийском море. Линия обозначает положение транскаспийского разреза.
при срабатывании которого станция освобождалась от якоря по команде с судна. Станция всплывала и поднималась на борт судна.
Перед постановкой станции в пробосборники (полиэтиленовые флаконы) ловушек заливался плотный фиксирующий раствор (1% раствор ЩС12 в морской воде с соленостью, доведенной до 35%о) для предотвращения разложения органического вещества в ловушке и вымывания собранного материала при подъеме станции.
После подъема станции пробосборники из ловушек вывинчивались, закрывались чистыми крышками и переносились для хранения в холодильник. По окончании экспедиции пробы перевозились в портативных холодильниках в лабораторию ИО РАН. Полученные пробы были разделены с помощью сплиттера на две части — 0.75 и 0.25. Меньшая часть переливалась в флакон и помещалась в холодильник, она предназначена для определения состава частиц. Большая часть сначала пропускалась через капроновое сито с размером ячей около 300 мкм для отделения крупных
Таблица 1. Данные по седиментационным ловушкам в Каспийском море
№ станции Даты постановки подъема Координаты с.ш. в.д. Глубина, м Горизонт, м Экспозиция, сут Прибор Поток, мг/м2/сут
1-30Р 19:07 19.04.09 07:00 26.04.09 43°40.31' 49°18.23' 65.5 48 62 6.5 МСЛ 3 Поток-2м 13955
2-30Р 10:00 24.04.09 08:50 09.09.09 41°45.874' 50°57.738' 520 100 220 320 420 500 510 138 138 137 138 Поток-2м МСЛ 9, 10 7, 8 5, 6 Лотос 2 Поток-2м 470 509 457 4-495
3-30Р 16:20 25.04.09 14:20 14.09.09 43°07.442' 49°43.747' 320 100 220 270 310 141.9 МСЛ 17, 18 15 13, 14 Поток-2м 214 273 381
4-32Р 06:00 11.09.09 17:30 16.06.10 39°03.325' 50°48.518' 975 130 945 955 960 278 277 МСЛ 29 25 Лотос 2 Поток-2м 244 206 13-251
5-32Р 21:00 11.09.09 10:00 16.06.10 39°39.438' 50°56.335' 716 130 160 360 560 685 696 706 277 276 Поток-2м МСЛ 41 40 34 30 Лотос-3 Поток-2м 330 360 182 648 759
7-32Р 21:00 12.09.09 15:00 15.06.10 41°26.828' 50°51.820' 456 45 100 300 435 445 276 Поток-2м МСЛ 39 33 32 Поток-2м 542 2178 3550
8-32Р 12:00 13.09.09 06:00 09.06.10 41°49.550' 50°23.288' 753 150 550 705 735 747 269 268 269 МСЛ 37 36 31 НуёгоЫо8-4 Поток-2м 298 454 417 57-835
9-32Р 22:00 14.09.09 07:00 08.06.10 42°43.638' 49°17.435' 417 120 270 380 397 407 267 266 267 МСЛ 42 38 35 НуёгоЫо8-3 Поток-2м 262 407 1046 149-1856
частиц. Уловленный ловушками планктон (свим-меры) выбирался чистым пластиковым пинцетом, крупные пеллеты разрушались струей биди-
стиллированной воды и проходили сквозь сито. После этого пробы отстаивались, морская вода декантировалась, а пробы дважды промывались би-
С
44°
200
400 -
600 -
800
1000 -
43°
42°
41°
40°
39° с.ш. _1_
Ю
0
Рис. 2. Распределение потоков на транскаспийском разрезе, мг/м2/сут. 1 - <300; 2 - 300-500; 3 - 500-1000; 4 - 1000-2000; 5 - >2000; 6 - >10000
дистиллятом для удаления солей. Затем они высушивались в чистом сушильном шкафу при 40°С и взвешивались. Расчет потоков вещества проводился на полную пробу с использованием данных по массам проб, площадям сбора ловушек и временам экспозиции в море. Величины потоков приведены в табл. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Данные по суммарным потокам, полученные малыми седиментационными ловушками МСЛ-110, показывают, что их величины варьируют от 206 до 13955 мг/м2/сут. Максимал
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.