Вертикальные потоки вещества в каспийском море

Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПОТОКИ ВЕЩЕСТВА В КАСПИЙСКОМ МОРЕ
В.Н. Лукашин, А.П. Лисицын, А.Н. Новигатский, Э.И. Мусаева, О.М. Дара
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, [email protected]
Поток служит основной количественной характеристикой, определяющей темпы
поступления осадочного материала сквозь водную толщу. Он формируется в эвфотическом
слое, где взаимодействуют внешние геосферы Земли: продуцируется органическое вещество,
развиваются планктонные организмы, поступает литогенное вещество с речным стоком и
из атмосферы. Безвыборочная фильтрация воды зоопланктоном приводит к агрегированию
дисперсных биогенных и минеральных частиц в виде фекальных пеллет и других продуктов
метаболизма, которые могут сравнительно быстро погружаться и достигать морского дна
(Лисицын, 2001; Lisitzin, 2004; Hongo et al., 2008). Основным инструментом при изучении
потоков вещества являются седиментационные ловушки (Лукашин и др., 2011).
В Каспийском море нами впервые была поставлена серия буйковых станций с
седиментационными ловушками и измерителями течений для определения вертикальных
потоков вещества и характеристик течений (Лукашин и др., 2010; Амбросимов и др. 2011, 2012).
Схема постановки показана на рис. 1. В результате получен уникальный материал, позволивший
оценить потоки осаждающегося вещества, выявить закономерности их распределения в море,
определить вещественный и химический состав вещества, а также установить характер
внутригодовой изменчивости потоков.
Осаждающееся вещество собиралось малыми цилиндрическими седиментационными
ловушками МСЛ-110 для сбора валовых проб и конусными (Лотос) и цилиндрическими
(Hydrobios) 12-стаканными ловушками для исследования месячных потоков и внутригодовой
их изменчивости. Для регистрации скорости и направления течений использовались
измерители течений Поток-2М. Перед постановкой станции в пробосборники ловушек
заливался плотный фиксирующий раствор (1 % раствор HgCl2 в морской воде с соленостью
197
VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
Рис. 1. Схема расположения станций в Каспийском море. Линия обозначает положение транскаспийского
разреза. На врезке: распределение вертикальных потоков осадочного вещества на транскаспийском
разрезе, мг/м2/сут
35 ‰) для предотвращения микробиального разложения органического вещества и вымывания
собранного материала при подъеме станции. После подъема станции пробосборники ловушек
закрывались и переносились для хранения в холодильник. По окончании экспедиции пробы
перевозились в портативных холодильниках в береговую лабораторию. Первичная обработка
проб позволила определить величины вертикальных потоков вещества, состав и размеры
частиц под микроскопом в камере Богорова, химический состав вещества — фотометрическим
198
Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
и кулонометрическим методами, минеральный состав — рентген-дифрактометрическим
методом.
Данные по суммарным потокам (ловушки МСЛ-110) показывают, что потоки варьируют
от 206 до 13 955 мг/м2/сут (рис. 1 врезка). Максимальные значения приурочены к приволжскому
шельфу Дербентской впадины, они контролируются речным стоком. С удалением в море
потоки уменьшаются. В Дербентской впадине над северным склоном и склоном Апшеронского
порога характер такого распределения нарушается в придонных слоях воды значительным
увеличением потоков. Над южным склоном Апшеронского порога потоки также увеличиваются
в глубинных водах. В центре Южной впадины они уменьшаются с глубиной. Распределение
потоков осадочного вещества на разрезе соответствует распределению концентраций морской
взвеси (Амбросимов и др., 2011).
Таким образом, для распределения величин потоков вещества характерно их уменьшение
с удалением от берегов. Эта закономерность нарушается в придонных слоях над склонами
увеличением потоков из-за добавки вещества нефелоидного слоя, формирующегося при
воздействии течений на донные осадки, а также поступлением материала с верхних горизонтов
склонов в результате гравитационных процессов (Лисицын, 1988).
Основная масса вещества из седиментационных ловушек представлена аморфными
детритными комками размером 0,2–0,5 мм. Скелеты диатомовых водорослей и фекальные
пеллеты зоопланктона также составляют большую часть вещества. Кроме них в полученных
образцах обнаружены фрагменты линочных шкурок ракообразных, их яйца, обрывки
микроводорослей и др. Потоки диатомовых и пеллет в верхних горизонтах столба воды
составляют десятки и сотни тысяч экз./м2/сут. С глубиной потоки этих компонентов
уменьшаются из-за интенсивного растворения скелетов диатомовых и частичного разложения
пеллет. Так, на ст. 8-32Р на горизонте 560 м остается 30 % диатомовых и 90 % пеллет от их
количеств в верхнем слое. Над склонами (ст. 2-30Р и 9-32Р) в придонных горизонтах потоки
фекальных пеллет возрастают, что обусловлено динамикой придонных вод: при воздействии
течений на осадки происходит их ресуспензия (взмучивание) и перенос в виде взвеси.
Кристаллическая часть проб составляет от 50 до 80 %. Она представлена обломочными,
глинистыми и карбонатными минералами. Сумма обломочных минералов варьирует от 41 до
62 %, отношение кварц/полевые шпаты — около 1. В составе глинистых минералов преобладает
иллит, их сумма — 21–35 %. В карбонатной части обнаружен кальцит (преобладает), Mgкальцит, арагонит и доломит, сумма карбонатов составляет 4–29 %.
Анализ вещества на основные взвесеобразующие химические элементы позволил
установить состав осадочного материала, исходя из того, что Siсил и Al представляют
минеральную терригенную часть, Siам — биогенную кремнистую (скелеты диатомовых),
Сорг — органическое вещество, а Скарб — карбонатную часть осадков. Главная тенденция —
уменьшение с глубиной содержаний биогенных компонент и рост терригенных. Это отмечается
на всех станциях. Особенно заметно уменьшение кремнистой компоненты, что соответствует
уменьшению с глубиной потоков скелетов диатомовых.
12-стаканные седиментационные ловушки собрали материал для исследования
внутригодового распределения потоков с шагом 30 суток (рис. 2). По данным ловушки Лотос-2
на ст. 2-30Р (горизонт 500 м) максимальные потоки (495 мг/м2/сут) наблюдались в мае, что связано
с цветением фитопланктона, интенсивным его выеданием зоопланктоном и, соответственно,
увеличением потока осаждающегося вещества. Летом интенсивность цветения снижается, и
уменьшаются потоки.
В центре Дербентской впадины (ст. 8-32Р) в 18 м от дна наблюдались два пика высоких
вертикальных потоков. Первый — во время осеннего цветения планктона в ноябре (754 мг/м2/
сут), второй пик весенний — в мае (835 мг/м2/сут). Зимой и летом вертикальные потоки вещества
незначительны. Изменчивость вертикальных потоков вещества, связанная с сезонностью
биологических процессов, характерна для морей и океанов (Deuser, 1996; Лукашин и др., 1996)
Подобное распределение характерно и для придонного горизонта в центре Южной впадины на
глубине 955 м.
Над северным склоном Дербентской впадины был получен материал из седиментационной
ловушки Hydrobios-4 (ст. 9-32Р, горизонт 396 м в 20 м от дна), а ниже был расположен измеритель
199
VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
Рис. 2. Изменчивость потоков во времени. Для ст. 9-32Р показаны векторы распределения скоростей
течения и распределение температуры с 15 сентября 2009 г. по 5 марта 2010 г.
200
Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
течений Поток-2м. Здесь, в отличие от центральной части впадины, высокие и максимальные
значения наблюдались зимой. Анализ данных показал, что, во-первых, распределение потоков
контролируется сезонными вариациями, связанными с биологическими процессами в море.
Об этом свидетельствует близость величин потоков для мая и ноября на ст. 9 и 8-32Р (см.
выше). Во-вторых, зимний максимум обязан интенсификации придонных течений. Данные по
распределению потоков показывают максимальные значения в декабре, январе и в феврале. В
марте и апреле потоки убывают и вновь увеличиваются в мае. Записи регистрации течений
показали (рис. 2), что именно в зимний период скорости течений в 10 м от дна были очень
высоки (до 45 см/с). Увеличение скорости связано с повышением плотности воды из-за
охлаждения и осолонения воды в Северном Каспии в результате зимнего конвективного
перемешивания и льдообразования. Плотность воды становится выше, чем на больших
глубинах в Дербентской впадине, что приводит к стеканию воды по континентальному
склону (каскадинг) до больших глубин (Косарев, 1975; Тужилкин, 2008). Взаимодействие
течений с поверхностью дна приводит к взмучиванию нестабильного слоя осадков и
частичного перевода его во взвесь (образование придонного нефелоидного слоя), которая вновь
агрегируется и, утяжеляясь, осаждается (Thomsen, Ritzrau, 1996; Ransom et al., 1998). Высокие
вертикальные потоки вещества в глубинных водах над северным склоном Апшеронского
порога также связаны с придонным течением, которое, по нашим данным, усиливается зимой.
Скорости до более 30 см/с наблюдались в январе – феврале 2010 г. Здесь, так же как на северном
склоне Дербентской впадины, образуется нефелоидный слой, за счет которого в придонном
горизонте увеличивается вертикальный поток осадочного материала.
Таким образом, для распределения величин потоков вещества характерно их уменьшение
с удалением от берегов. Эта закономерность нарушается в придонных слоях над склонами
значительным увеличением потоков из-за добавки в поток вещества нефелоидного слоя,
формирующегося контурным течением зимой.
Наибольшие потоки вещества наблюдаются в периоды максимальной биологической
активности (весной и осенью). Это указывает, что главная роль в транспортировке материала
сквозь водную толщу принадлежит морской биоте, ее детриту и продуктам метаболизма, что
подтверждено составом оседающих частиц. По мере осаждения происходит трансформация
вещества: увеличивается литогенная часть потока, убывает биогенная за счет растворения
биогенных компонентов.
Исследования поддержаны Президиумом РАН (программа № 23) и Отделением наук о
Земле РАН (проект «Наночастицы…»), НШ-618.2012.5, а также РФФИ (грант 11-05-00456-а).
Литература
Амбросимов А.К., Лукашин В.Н., Буренков В.И. и др. Комплексные исследования системы
Каспийского моря в 32-м рейсе научно-исследовательского судна «Рифт» // Океанология. 2011. Т. 51, № 4.
С. 751–757.
Косарев А.Н. Гидрология Каспийского и Аральского морей. М.: Изд-во Московского университета,
1975. 272 с.
Лисицын А.П. Лавинная седиментация и перерывы в осадкообразовании в морях и океанах. М.:
Наука, 1988. 309 с.
Лисицын А.П. Потоки вещества и энергии во внешних и внутренних сферах Земли // Глобальные
изменения. Новосибирск: Наука, 2001. С. 163–248.
Лукашин В.Н., Амбросимов А.К., Либина Н.В. и др. Комплексные исследования в северной части
Каспийского моря в 30-м рейсе НИС «Рифт» (17–28 апреля 2009 г ) // Океанология. 2010. Т. 50, № 3.
С. 472–473.
Лукашин В.Н., Виноградов М.Е., Гордеев В.Ю., Русаков В.Ю. Потоки осадочного материала в
Норвежском море (по данным годовой станции с седиментационными ловушками) // Доклады Академии
Наук. 1996. Т. 348, № 6. С. 826–829.
Лукашин В.Н., Клювиткин А.А., Лисицын А.П., Новигатский А.Н. Малая седиментационная
ловушка МСЛ-110 // Океанология. 2011. Т. 51, № 4. С. 746–750.
Тужилкин В.С., Гончаров А.В. О вентиляции глубинных вод Каспийского моря // Труды ГОИН.
2008. Вып. 211. С. 43–64.
Deuser W.G. Temporal variability of particle flux in the deep Sargasso sea // Particle flux in the ocean.
N.Y.: Wiley and Sons, 1996. P. 185–198.
201
VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
Honjo S., Manganini S.J., Krishfield R.A., Francois R. Particulate organic carbon fluxes to the ocean
interior and factors controlling the biological pump: A synthesis of global sediment trap programs since 1983 //
Progress in Oceanography. 2008. V. 76. P. 217–285.
Lisitzin A.P. Sediment fluxes, natural filtration and sedimentary systems of a “Living Ocean” // Russian
Geology and geophysics. Special Issue. Novosibirsk: SB RAS, 2004. V. 45. P. 12–43.
Ransom B., Shea K.F., Burkett P.J. et al. Composition of pelagic and nepheloid layer marine snow:
implications for carbon cycling // Marine Geology. 1998. V. 150. P. 39–50.
Thomsen L., Ritzrau W. Aggregate studies in the benthic boundary layer at a continental margin // J. of
Sea Res. 1996. V. 36. P. 143–146.
202