Сравнительно-литологические исследования осадочного

VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
СРАВНИТЕЛЬНО-ЛИТОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСАДОЧНОГО
ВЕЩЕСТВА ГЕОСФЕР ЗЕМЛИ И ДОННЫХ ОСАДКОВ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ
А.П. Лисицын
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, [email protected]
Изучение рассеянной формы осадочного вещества в водах (взвеси) для целей геологии
было начато автором в 1950–1955 гг. в морях Дальнего Востока. Удалось не только выделить из
воды незначительные (в среднем 0,1–1 мг/литр) количества взвешенного материала, но и начать
его лабораторное изучение методами, сопоставимыми с методами седиментологии и смежных
областей науки (Лисицын, 1955, 1956).
Исследованиями по разработанной методике удалось в рейсах судов РАН охватить
практически весь Мировой океан (морские исследования продолжались около 40 лет), т.е. все
природные зоны морей и океанов, все глубины (вплоть до 10–11 км), причем в разные сезоны
года и в разные годы-десятилетия.
Впервые удалось выделить и изучить рассеянную форму осадочного вещества, которая не
может быть изучена литологами, но которая является единственным источником разнообразных
донных осадков.
Гранулометрический состав рассеянного осадочного вещества (РОВ) изучен как
стандартными методами, так и инситно с помощью счетчика Коултера (Кравчишина, 2006).
Более 70 % РОВ в пелагии составляет пелитовая фракция, в которую, кроме глинистых
минералов, входит значительное количество мелкого минерального и биогенного детрита.
Пелитовые частицы (<0,001 мм), в отличие от более крупных фракций, не подчиняются
закону Стокса, а находятся в броуновском движении и подвержены воздействию магнитных (на
этом основана палеомагнитная шкала), электрических и других полей (Щукин и др., 2004). Как
эти частицы попадают на дно, тем более при осаждении в поле течений?
Удалось открыть новый биологический механизм биофильтрации рассеянного вещества
планктоном, бентосом и нектоном. По данным биологов, это главный механизм улавливания
пищи, рассеянной в толще вод. В ходе фильтрации улавливаются тонкие (<00,1 мм) частицы,
которые связываются в комки-пеллеты, имеющие наружную оболочку (пеллициль). Определена
скорость их осаждения — от 30 до 1500 м и более в сутки. В ходе погружения пеллеты часто
снова отфильтровываются глубинным планктоном, а у дна — организмами бентоса. Это
было изучено параллельно с седиментологами, также и биологами со вскрытием желудков,
определением скоростей осаждения пеллетов и др. (Лисицын, 2004, 2013).
Скорость биофильтрации очень значительна, по данным планктонолога В.Г. Богорова:
весь объем вод Мирового океана планктон отфильтровывает за 0,5 года.
К настоящему времени удалось изучить десятки тысяч проб, полученных во всех
морях и океанах мембранной ультрафильтрацией. Для выделения взвеси переработано
антибиотическими мощными сепараторами на ходу судна около 150 тыс. тонн морской воды.
Исключительно важный материал для понимания динамики процессов и их изменений
во времени дали материалы из седиментационных обсерваторий — более 200 годичных и
многолетних постановок на разных глубинах (Лисицын 1983, 2001, 2013). Почти во всех рейсах
наряду с получением взвеси велось изучение бактерий в воде и в донных осадках (Леин и др., в
этом сборнике).
Важной особенностью было то, что для каждой пробы были получены все необходимые
океанологические и спутниковые данные. Таким образом, исследованиями за 60 лет по единой
методике, единым коллективом ученых охвачен весь Мировой океан — в четырехмерном
пространстве, во времени от суток-месяцев до лет и десятилетий — в одной точке-станции.
Исследование впервые в 4-х мерной системе выполнено не только для водной толщи, но и для
донных осадков, т.е. по единой методике.
В ходе этих работ было установлено, что в составе РОВ морской воды значительную (а
иногда главную) роль играет РОВ всех геосфер Земли, поэтому были модифицированы и заново
182
Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
разработаны методики выделения РОВ, существующего в геосферах в невидимых количествах.
Эти методики сопоставляются с принятыми ранее для водной толщи.
Удалось, таким образом, наладить прямые и косвенные исследования рассеянного
осадочного вещества семи внешних (атмосфера, криосфера, пресноводная часть гидросферы —
реки и озера, биосфера, соленая часть гидросферы — моря и океаны, седиментосфера и
антропосфера (осадочный материал, связанный с деятельностью человека, в том числе
радиоактивное и другие виды загрязнений)) и одной внутренней (эндосфера) в местах выхода
глубинного вещества на поверхность дна.
Таким образом, впервые удалось сопоставить главные виды осадочного вещества на
планете (в семи внешних и одной внутренней геосферах), изучить их по единой методике
и сопоставить это осадочное вещество отдельных геосфер Земли в их взаимодействии в
пространстве и во времени в пределах планеты (Лисицын, 1961, 1964, 1974, 1978, 1983, 1994а, б,
2001, 2011, 2013).
Эти работы и исследования последних десятилетий, особенно в рейсах «Витязя»,
открытие тектоники литосферных плит, глубоководное бурение и бурение ледниковых куполов
Антарктиды и Гренландии, многие другие исследования привели к новому пониманию
современного и древнего осадочного процесса.
Впервые возникла реальная возможность изучения не только современных и древних
осадков и осадочных пород, но и процессов их образования, а также исходного (рассеянного)
осадочного вещества во всех средах (жидкой, твердой, газообразной) до его превращения в
донный осадок, когда с наибольшей силой действуют свободнодисперсные системы с развитой
поверхностью.
Седиментология, которая ранее понималась как современный осадочный процесс (т.е.
часть литологии), все более расширяется. В понимании автора, это не только современные
донные осадки, но и осадочный материал — микро и наночастицы в средах, причем не только
в водах рек, но и в водах морей и океанов, в твердой и газообразной средах, т.е. геосфер —
внешней и внутренней во взаимодействии.
Детальные исследования количественного распределения, вещественного состава и
свойств современных донных осадков также показали, что в их образовании принимают
участие все геосферы Земли (а не только речной материал, который разносится течениями) При
этом в определенных природных зонах океана может преобладать вещество одной из оболочек
Земли — аэрозольное (в аридных зонах), ледовое (в криогенных), биогенное и вулканогенное (в
местах выходов на дне эндогенного вещества).
Как показали наши многолетние исследования совместно с биологами Института
океанологии и института микробиологии РАН, Зоологического и Ботанического институтов
РАН, важнейшее значение имеет биота в процессах во всех геосферах и не только в подготовке,
но и в транспортировке на дно с дальнейшей переработкой бентосом и микроорганизмами.
Биогенный процесс участвует в превращении растворенных форм элементов (биогенных,
железа и большой группы биофильных элементов в ходе синтеза) в клеточное содержимое и
панцири. Масштабы фотосинтеза по последним данным (Виноградов, 2004) оказались намного
выше, чем это считалось ранее (до 2–5 раз), и составляют около 100 млрд т Сорг. в год.
Стало очевидным, что геохимические процессы в морях и океанах не есть простое
механическое поступление осадочного вещества из рек и их перенос течениями, а достаточно
сложный геосферный процесс с определяющим (или всегда очень важным) участием биоты (от
бактерии и до организмов планктона, бентоса, нектона). Огромное разнообразие химических
процессов, связанных с глобальными процессами смешения тонкодисперсного вещества
геосфер в ходе их взаимодействия.
Особая роль Мирового океана в том, что он является как бы природным коллектором
и смесителем осадочного вещества всех внешних геосфер, которое в верхнем (деятельном —
до 150 м) слое вод смешивается с аутигенным (биогенным) веществом океана и далее по
мере опускания на глубины трансформируется и набирает информацию о среде океана
(дополнительно к информации о среде своего происхождения). Это информация на твердом
носителе. Рассеянный осадочный материал получается океаном из всех геосфер. Он смешивается
183
VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
с биогенным чисто океанским. Это как бы новый сплав, новый источник информации, которая
в значительной мере сохраняется длительное время в толще донных осадков.
Донные осадки океана — это глобальная седиментационно-геохимическая ловушка
осадочного вещества всех геосфер Земли, т.е. глобальный самописец, записи которого с
помощью изучения РОВ мы начинаем понимать. РОВ каждой из геосфер — это запись на
отдельном языке, они собираются, в конечном счете, в донных осадках. Это история внешних
геосфер, а также история внутренних (их части), она может быть понята при рассмотрении всех
геосфер (что возможно только для современных осадков — и в этом насущная необходимость
их изучения).
Таким образом, открылась уникальная возможность изучения рассеянного осадочного
вещества восьми геосфер Земли от возникновения этого вещества до его транспортировки
и смешения с веществом других геосфер (в основном в толще вод) и осаждением этой смеси
(обогащенной биогенным веществом и, таким образом, превращенной в пищу для организмов
глубин), осаждения на дно, в область новой переработки бентосом и бактериями.
В кратком изложении эти глобальные процессы кажутся неубедительными. Поэтому
в докладе будет показаны (для примера) материалы по природной седиментации с
преобладанием аэрозольных частиц (атмосферы) и по ледовой седиментации полярных широт,
поскольку они вообще отрицаются теорией литогенеза, с ними связаны аридный и ледовый
типы седиментогенеза. За последние 20 лет получены с помощью подводных аппаратов
«Мир» и другие принципиально новые данные о поступлении эндогенного вещества и даже
о возможности восстановления истории гидротермальной активности и рудообразования (на
основе изучения «черных курильщиков», М и Р-осадков, а также газов).
Эти исследования рассеянного осадочного вещества геосфер открыли восемь новых миров
для седиментологов, они позволили начать прямое изучение седиментационных процессов (не
на основе теорий и предположений, а на основе прямого изучения количеств состава и свойств
веществ геосферных).
Для более детального изучения процесса в геосферах во времени Лабораторией ИО
РАН были организованы два постоянных многолетних макрополигона: Белое море (ледовая и
субарктическая зоны) и Каспийское море (аридная зона, горная часть водосбора). Здесь были
организованы непрерывные круглосуточные исследования с автоматическими глубинными
обсерваториями (АГОС): на Белом море — 12 лет (Система Белого моря, 2010–2013), а на
Каспийском — 4 года. Работы проводятся впервые в сочетании обсерваторных и рейсовых
наблюдений, в них участвуют сотрудники многих институтов.
Многолетние исследования осадочных процессов в геосферах и в водной толще (зона
смешения вещества геосфер) дополняются, как отмечалось, исследованиями донных осадков
(мультикореры для верхнего слоя и длинные колонки для нижнего). Переход к более древним
осадкам и процессам диагенеза-катагенеза предполагалось осуществить при изучении
кернов бурения. Однако в период перестройки эти сравнительные исследования пришлось
прекратить. А это важнейшая задача для всей литологии, и в ее решении наша страна имеет
много приоритетов. Восстановить участие России в Проекте глубоководного бурения
необходимо, поскольку эти исследования важны не только для построения глобальной теории
седиментогенеза, основанной на реальных фактах, но и как база для нового понимания
осадочного процесса в прошлом (сравнительно — литологический метод А.Д. Архангельского,
1912, 1927).
Одним из итогов выполненных работ расширенных глубоководным бурением явилось
подтверждение на новом глобальном материале четырех основных законов зональности
осадкообразования в океанах: 1) природной (климатической), 2) вертикальной, 3)
циркумконтинентальной, 4) тектоно-магматической, а также создание концепции литологии
литосферных плит (Безруков, 1964; Лисицын, 1974, 1977, 1978, 1981, 2013).
Литература
Архангельский А.Д. Верхнемеловые отложения востока Европейской России. М., 1912.
Архангельский А.Д. Об осадках Черного моря и их значении в познании осадочных горных пород //
Бюлл. МОИП. Отд. геол. Вып. 5. № 3 – 4.
184
Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
Безруков П.Л. Зональность и неравномерность осадконакопления в океанах // Современные
проблемы географии. М.: Наука, 1964. С. 445 –249.
Виноградов М.Е. Биологическая продуктивность океанических экосистем // Новые идеи в
океанологии. М.: Наука, 2004. Т. 1. С. 237–264.
Кравчишина М.Д. Вещественный состав водной взвеси Белого моря. Автореф. дисс… канд. геол.мин. наук. М., 2006. 32 с.
Лисицын А.П. Атмосферная и водная взвесь как исходный материал для образования морских
осадков // Тр. ИО АН СССР. 1955. Т. 13. С. 16 –20.
Лисицын А.П. Методика изучения взвеси с геологическими целями // Тр. ИО АН СССР. 1956. Т. 19.
С. 95 –105.
Лисицын А.П. Распределение и состав взвешенного материала в морях и океанах // Современные
осадки морей и океанов. М.: Изд. АН СССР, 1961. С. 175 –232.
Лисицын А.П. Распределение и химический состав взвеси в водах Индийского океана //
Океанологические исследования. МГГ. М.: Наука, 1964. № 10.
Лисицын А.П. Новые данные о составе и распределении взвешенных веществ в морях и океанах в
связи с вопросами геологии // ДАН СССР. 1966. Т. 126. № 4. С. 863 –866.
Лисицын А.П. Осадкообразование в океанах. Количественное распределение осадочного
материала. М.: Наука, 1974. 438 с.
Лисицын А.П. Терригенная седиментация, климатическая зональность и взаимодействие
терригенного и биогенного материала в океанах // Литология и полезные ископаемые. 1977. № 6. С. 3 –24.
Лисицын А.П. Процессы океанского осадкообразования. М.: Наука, 1978. 271 с.
Лисицын А.П. Зональность природной среды и осадкообразование в океанах // Климатическая
зональность и осадкообразование. М.: Наука, 1981. С. 5 – 45.
Лисицын А.П. Потоки вещества и энергии в океане и их биогеохимическое значение // Биогеохимия
океана. М.: Наука, 1983. С. 201–274.
Лисицын А.П. Маргинальный фильтр океанов // Океанология. 1994а. Т. 34. № 4. С. 522–559.
Лисицын А.П. Ледовая седиментация в Мировом океане. М.: Наука, 1994б. С. 448.
Лисицын А.П. Потоки вещества и энергии во внешних и внутренних геосферах Земли // Глобальные
изменения природной среды. Новосибирск: Наука, 2001. С. 163 –248.
Лисицын А.П. Потоки осадочного вещества, природные фильтры и осадочные системы «живого»
океана // Геология и геофизика. 2004. № 1.
Лисицын А.П. Аридная седиментация в Мировом океане. Рассеянное осадочное вещество
атмосферы // Геология и геофизика. 2011. Т. 52. № 10. С. 1398 –1466.
Лисицын А.П. Современные представления об осадкообразовании в океанах и морях. Океаны как
природный самописец взаимодействия геосфер Земли. Мировой океан. Т. 2. М.: Наука, 2013.
Система Белого моря. В 4 т. М.: Научный мир. Т. 1. — 2010. Т. 2. — 2012. Т. 3. — 2013. Т. 4 — в
печати.
Щукин Е.Д. Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высш. Школа, 2004. С. 445.
185