ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 456, № 3, с. 355-359
= ОКЕАНОЛОГИЯ
УДК 551.463.8
РАССЕЯННЫЕ ФОРМЫ ОСАДОЧНОГО ВЕЩЕСТВА И ИХ ПОТОКИ В ОКЕАНАХ И МОРЯХ НА ПРИМЕРЕ БЕЛОГО МОРЯ (РЕЗУЛЬТАТЫ 12 ЛЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ)
© 2014 г. Академик А. П. Лисицын, А. Н. Новигатский, В. П. Шевченко, А. А. Клювиткин, М. Д. Кравчишина, А. С. Филиппов, Н. В. Политова
Поступило 03.12.2013 г.
Б01: 10.7868/8086956521415016Х
Рассеянная форма осадочного вещества очень широко распространена в природе, но почти не изучена. Эта форма дисперсного осадочного вещества существует во всех геосферах Земли — аэрозоли в атмосфере, гидрозоли — в морской и пресной воде, криозоли — во льдах и снеге. Она существует и в местах подводных извержений — гидротермальной деятельности (дымы "черных курильщиков"), в незначительных количествах поступает из космоса (космическая пыль). Важную роль в образовании золей играют также организмы, особенно организмы-продуценты (диатомовые, кокколитофориды и др.), которые создают биогенную взвесь, и организмы-фильтраторы, которые используют эту тонкую взвесь и мелкий биогенный детрит для питания (зоопланктон и бентос). Рассеянные формы осадочного вещества на континентах связаны с процессами физического и химического выветривания горных пород и в значительной мере — с макроорганизмами и растительностью (споры и пыльца при цветении растений, микрочастицы при распаде растительного вещества). Многие важные особенности образования, переноса (транспортировки) осадочного вещества в рассеянной и растворенной его формах до настоящего времени почти не изучены. Изучали в основном только их концентраты: донные осадки океанов, морей, озер. Водная взвесь — единственный источник формирования донных осадков, главный источник пищи глубоководных организмов. Общей особенностью осадочного материала всех геосфер являются незначительные содержания в среде и размеры. Как и бактерии (биогенная часть взвеси), осадочный материал не различается невооруженным глазом. Характерны также его подвижность, очень широкое региональное и глобальное распространение,
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва
тонкость частиц (в основной части 1—100 мкм), тесная связь с условиями среды, взаимодействие по путям переноса. Считали, что в геосферах осадочное вещество имеет ничтожное значение.
Первые исследования рассеянного вещества морской воды (взвеси) в целях морской геологии были начаты в 1955—1956 гг. в морях Дальнего Востока [1, 2]. За прошедшие годы удалось не только разработать методы извлечения ничтожных количеств рассеянного вещества из геосфер [3], но и всесторонне изучить осадочное вещество вод морей, океанов, рек, озер и подводных извержений практически из всех частей Мирового океана, со всех глубин вплоть до максимальных (до 11 тыс. м) в разные сезоны и годы, а также аэрозолей атмосферы [4].
Рассеянные формы осадочного вещества — главный источник пелагических донных осадков; они обнаружены во всех геосферах и перемещаются в соответствии с динамикой среды. Принципиально новые данные о процессах осадкообразования получены прямыми методами определения вертикальных (и наклонных) потоков осадочного вещества (седиментационные ловушки, вертушки, изотопные методы и др.) [4—6]. Для седиментологии наибольший интерес представляют методы седиментационных ловушек. Это конусы или цилиндры, в нижней части которых установлены приемные флаконы, собирающие рассеянный осадочный материал. Смена флаконов производится микропроцессором, т.е. экспозиции улавливания вещества могут устанавливаться от одних суток до месяцев, сезонов, лет. Мы ведем отбор вещества на разных глубинах обычно с экспозицией 1 мес и сменой станций один раз в год.
Таким образом удается получить непрерывный во времени ряд проб с месячными экспозициями (дифференциальные потоки) и годовыми экспозициями (интегральные потоки) на Белом, Каспийском морях, в Арктике и разных природных
355
7*
67° с.ш.
66°
65°
64°
32° 34° 36° 38° 40° 42° в.д. 44°
Рис. 1. Схема расположения станций определения и изучения концентрации взвеси и гидрофизических параметров в 2001—2012 гг. на мегаполигоне Белое море и автоматических глубинных седиментационных обсерваторий (АГОС) с седиментационными ловушками и измерителями течений.
зонах океанов. Опорные станции, снабженные не только ловушками, но и измерителями течений, прозрачномерами, самописцами в комплекте с ловушками, установленными на разных глубинах на вертикальном тросе с якорем, называют седиментологическими обсерваториями. Это новый обсерваторный метод системного непрерывного во времени изучения Мирового океана в 21-м веке.
Метод седиментологических обсерваторий мы совмещаем обычно с непрерывными спутниковыми наблюдениями для поверхностного слоя вод, рейсовыми океанологическими и геологическими исследованиями донных осадков на станциях. Такие исследования методом АГОС (автоматическая глубинная обсерватория седиментаци-онная) с непрерывным изучением рассеянного вещества в толще вод Белого моря (0—340 м) в сопоставлении с донными осадками удалось выполнить в 2000—2012 гг. на мегаполигоне Белое море (рис. 1). Полученные данные изложены в [7—9].
Другой независимый метод количественного изучения осадочного вещества в толще вод (концентрация, мг/л) — метод мембранной ультрафильтрации (выделение частиц крупнее 0.45 мкм) — был разработан и внедрен в практику еще при иссле-
довании дальневосточных морей в 1955—1956 гг. [1, 2]. Этот метод дает картину распределения вещества только для момента работ на станции (одномоментный). Обычно дискретный отбор проб батометрами предваряют непрерывным вертикальным зондированием прозрачности и других параметров, что открывает возможность отбора проб не формально (по горизонтам), а в наиболее важных местах. Для самого верхнего слоя (0—5 м) используют также спутниковые данные для всего времени работ спутников, т.е. круглогодичные.
Таким образом, удается получить сочетание спутниковых и станционных наблюдений концентраций взвеси (мг/л), т.е. непрерывную картину распределения взвеси для поверхностного слоя (которая верифицируется и контролируется прямыми дискретными определениями мембранной фильтрацией), а далее распространяется на большую часть года только по спутникам для взвешенного осадочного вещества в целом и его биологической части (по хлорофиллу). Итак, появилась возможность прямого сопоставления данных о рассеянном веществе в сочетании со всеми океанологическими параметрами в трехмерном пространстве и во времени, т.е. в 4D-си-стеме [10, 11]. Это крайне важно для понимания седименто-геохимических процессов в сочетании
Величина потока, г/м2/год
10000
100
/ст. 4941 фот. 4934 /*' • ®ст. 6062' ш ст. Ь-4а
- - ...■л'''"'"^? . Ь-^ст. 4936 ст. 4944 ст. 6070,. ^
ст. Ъ-15.
2
'"ст. 6056.. !ст. Ъ-15
ст. 6070 ст. 3
• 9
ст. Ъ-1^сс1Г.3605Гст. 4936
ст. 2
ст' 2 стЪ 4930 ст. Ъ-15
в ст. 3 I ст. 4930
ст. 3.,. ст. 3
хт. 2
ст. Ъ-16
.ст. 4930 ст. Ъ-6а ^^т. Ъ-6а
»ст. 4930
50
100
150
200 250 300
Горизонт постановки, м
Рис. 2. Соотношение величин интегральных вертикальных потоков в Белом море с глубиной (0—300 м): 1 — область высоких и сверхвысоких величин потока; 2 — область величин потока под пикноклином; 3 — область придонных величин потока.
1
3
1
0
с биогеохимией и бактериологией. Впервые удалось сопоставить данные по концентрации (мг/л) рассеянного осадочного вещества с его вертикальными потоками (с помощью АГОС) и с абсолютными массами донных осадков.
В табл. 1 приведены первые данные о вертикальных потоках осадочного вещества, полученные за эти 12 лет с интегральной (годовой) характеристикой для разных глубин, что необходимо для прямых сопоставлений с данными по верхнему слою донных осадков. В ходе работ мы выделили два структурных фронта в Белом море: Северный, где через Горло поступают воды из Баренцева моря и уходят из Белого моря (Северодвинское течение), т.е. это область смешения вод, и Южный фронт близ Соловецких о-вов [12]. Эти фронтальные зоны характеризуются повышенными по сравнению с другими частями моря концентрациями и потоками рассеянного вещества (взвеси). Здесь, кроме того, высокая интенсивность приливо-отливных течений. Именно здесь проявлены максимальные для моря среднегодовые значения потоков на трех станциях (4082—1814, в среднем 2758 г/м2/год). Другие части Белого моря (Бассейн, Двинский, Кандалакшский заливы) характеризуются более низкой приливо-отливной энергией и более низкими концентрациями и потоками рассеянного осадочного вещества. Средняя величина потоков осадочного вещества в море (за исключением аномалий двух фронтов) 234 г/м2/год (табл. 1), т.е. на порядок меньше, чем во фронтальных зонах. Минимальные потоки обнаружены в центральной части моря в Бассейне (51 г/м2/год), а средние многолетние для глубоководной части Белого моря 213 г/м2/год, что близко к другим определениям для Арктики [11]. Повышены потоки осадочного вещества в заливах Белого моря — Двин-
ском и Кандалакшском, в особенности в областях их маргинальных фильтров (зоны смешения речных и морских вод) [13, 14]. Так, средняя многолетняя величина потока для Двинского залива 243, а в Кандалакшском заливе 367 г/м2/год для открытых их частей. Таким образом, маргинальные фильтры — это вторая область повышенных значений потоков осадочного вещества. Третья область повышенных значений содержания взвеси и потоков — придонная (от поверхности дна до 100 м над дном, а иногда и больше). Здесь основное значение имеют придонные течения, изученные на нескольких станциях на протяжении ряда лет. Главное значение для динамики в Белом море имеют полусуточные приливы с местными отклонениями, связанными с конфигурацией дна и берегов. При уменьшении глубины амплитуда приливо-отливных течений растет. Скорости возникающих течений бывают достаточными для размыва наилка (жидкий верхний слой осадков), что напрямую подтверждается наблюдениями за концентрацией взвеси и прозрачностью вод придонного слоя. Данные зондирования и мембранной фильтрации показали возникновение слоев и линз вод повышенной мутности (нефелоидов) [10, 1
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.