Аэрозоли в приводном слое каспийского моря

Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
АЭРОЗОЛИ В ПРИВОДНОМ СЛОЕ КАСПИЙСКОГО МОРЯ
В.Н. Лукашин, А.Н. Новигатский, А.А. Клювиткин, О.М. Дара, Н.В. Политова
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, [email protected]
Особенностью Каспийского моря является то, что значительная часть его (Средний и
Южный Каспий) расположена в аридных и полуаридных регионах, где практически отсутствует
речной сток и расположены огромные степи, полупустыни и пустыни, являющиеся основным
источником осадочного вещества. Для этих регионов главным агентом транспортировки
осадочного материала является атмосфера. Минеральные и органические частицы почв
ветрами выносятся в атмосферу и в виде аэрозолей переносятся воздушными массами над
акваторией Каспийского моря, частично осаждаясь на морскую поверхность. Аэрозоли состоят
из литогенного, биогенного, антропогенного материала (загрязнения), а также солевых частиц,
вынесенных с морской поверхности или образовавшихся в атмосфере. В седиментационной
системе солевая компонента не играет какой-либо роли, так как частицы солей растворяются при
попадании в морскую воду или в воды водосборного бассейна моря. На морское дно осаждаются
литогенные и частично биогенные частицы. Последние представлены материалом карбонатных
отложений на суше и органическим веществом (растительными волокнами, пыльцой, спорами
и сажевым углеродом). К настоящему времени данных по химическому составу аэрозолей над
Каспийским морем очень мало (Аникиев, Колесов, 2008), а по минеральному составу данные
отсутствуют. Поэтому целью настоящей работы является исследование аэрозолей и их состава
как одного из главных агентов поставки осадочного материала в море.
Сбор аэрозолей в приводном слое Каспийского моря проводился в 5 рейсах НИС «Рифт»
(рисунок): в апреле и сентябре 2009 г. в 30 и 32 рейсах (Лукашин и др., 2010; Амбросимов и
др., 2011), в июне 2010 г. в 35 рейсе (Амбросимов и др., 2012), в мае – июне 2012 г. (39 рейс) и в
октябре 2012 г. (41 рейс). Для сбора аэрозолей использовался сетевой метод. Он заключается
в улавливании аэрозольных частиц капроновыми сетями с ячейками размером около 0,3 мм
(Chester, Johnson, 1971; Живаго, Богданов, 1974). Суть метода состоит в том, что при прохождении
воздуха через такие сети их нити электризуются и притягивают тонкие частицы аэрозолей.
Сети вывешиваются в специальных рамах перед передней мачтой на высоте на высоте 8–13 м
от поверхности моря. Пробы собираются только при ветре встречных румбов не более ±70°
от курса для предотвращения загрязнения от судна. Отбор проб проводится на ходу судна.
После экспозиции сети снимаются и отмываются двойным полосканием в дистиллированной
воде. Промывные воды фильтруются под вакуумом 0,6 атм. через предварительно взвешенные
ядерные фильтры с размером пор 0,45 мкм и диаметром 100 мм. Отфильтрованная проба
высушивалась при температуре 50–60 °С, после чего полученный материал анализировался.
Минеральный
состав
определялся
рентген-дифрактометрическим
методом.
Фотометрическим методом определялись Si, Al, P, точность анализа — 2 %. Определение Cорг
проводилось кулонометрическим методом на анализаторе углерода АН 6529 с предварительной
обработкой пробы слабой соляной кислотой; точность анализа — 5 %. Атомно-абсорбционным
методом определялись Fe, Mn, Cu, Zn, Ni, Cr, Pb, Cd, As, Sb, точность анализа составляла
~5 % для первых четырех элементов и ~10 % для остальных. Правильность всех анализов
193
VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
Схема отбора аэрозолей на ходу судна. Стрелками указано направление движения судна
контролировалась отечественными стандартами донных осадков и почв (СДО-1, СДО-2,
СДПС-1).
Достоинством сетевого метода является то, что через сети проходит огромный объем
воздуха (сотни тыс. м3), что дает возможность получить значительное количество вещества
(сотни мг и граммы) и всесторонне анализировать его. Недостаток заключается в потере
солевой части аэрозолей и десорбции части элементов в воду при промывке сетей, а также
в малой точности определения концентраций аэрозолей за счет потери вещества в начале
экспозиции, когда тонкие частицы проскакивают сквозь сети, а в конце экспозиции возможны
потери вещества при снятии сетей. Ранее нами была получена зависимость (Лукашин и др.,
2013), которая позволяет учесть потери терригенного вещества при использовании сетевого
метода сбора аэрозолей.
194
Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
Концентрации терригенной части аэрозолей, рассчитанные с учетом этой
зависимости, приведены в табл. 1. Концентрации довольно высокие, 6–22 мкг/м3, по
сравнению с концентрациями над океанами, что обусловлено положением Каспийского
моря (внутриконтинентальное море). В этой же таблице даны значения потоков на морскую
поверхность терригенной части аэрозолей, рассчитанные по концентрациям и скорости
осаждения литогенных частиц — 2 см/с (Duce et al., 1991). Потоки варьируют от 10 до 38 мг/
м2/сут. Эти значения ниже, чем величины вертикальных потоков терригенной части вещества
в верхнем слое столба воды (100–200 м), которые составляют от 34 до 254 мг/м2/сут. Такая
разница объясняется тем, что в Среднем Каспии, где потоки максимальны, значительную часть
их составляет терригенное вещество речного стока, во-вторых, сбор аэрозолей проводился в
течение нескольких суток в разные сезоны с экспозициями менее суток, а материал для расчета
потоков в водной толще собирался непрерывно в течение 5 и 9 месяцев.
Таблица 1. Концентрации терригенной части аэрозолей, мкг/м3 и их потоки
на морскую поверхность, мг/м2/сут
№ пробы
Концентрации
Потоки
Р30-1
Р30-2
Р32-1
Р32-2
P35-1
P35-2
Р39-1
P41-1
9,7
5,8
6,5
13,3
16,2
22,4
12,9
16,5
16,7
9,9
11,2
22,8
27,8
38,6
22,1
28,4
В табл. 2 приведены данные по минеральному составу кристаллической части аэрозолей.
Видно, что первые четыре пробы, отобранные весной и осенью 2009 г., значительно отличаются
по минеральному составу от проб, отобранных в последующих экспедициях. Различия, прежде
всего, в содержаниях кварца: в первых 4 пробах они практически вдвое выше, чем в пробах,
собранных в 35, 39 и 41 рейсах. Отношение кварц/полевые шпаты также намного выше, а
сумма глинистых минералов ниже. Это свидетельствует о разных источниках минеральной
части аэрозолей. Используя данные по направлению ветра, регистрировавшегося в течение
экспозиции отбора проб, и расчету обратных траекторий воздушных масс (http//www.arl. noaa
gov/ready/), удалось предположительно определить регионы, откуда принесены аэрозоли. Для
первых 4 проб — это Средняя Азия, а для последних — Кавказ и Предкавказье. Кроме того,
может приноситься аэрозольный материал дальнего разноса, источники которого определить
практически невозможно.
Таблица 2. Минеральный состав аэрозолей
Минералы
Р30-1
Р30-2
Р32-1
Р32-2
Р35-1
Р35-2
Р39-1
Р41-1
Кварц
53
51
53
38
27
17
25
15
Альбит
7
5
7
5
13
13
15
13
КПШ
3
3
5
3
7
9
7
7
Амфибол
следы
6
5
5
3
1
3
3
Пироксен
следы
н.о.
н.о.
н.о.
2
3
следы
3
Доломит
3
3
3
н.о.
1
3
2
2
Кальцит
Иллит
Каолинит
15
7
2
3
12
4
следы
5
н.о.
3
2
н.о.
9
10
4
14
9
5
11
11
3
8
19
4
Хлорит
2
4
7
7
5
5
5
9
195
VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
Минералы
Р30-1
Р30-2
Р32-1
Мусковит
следы
следы
8
7
19
18
18
17
Гетит
3
4
5
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
3
н.о.
н.о.
6,4
4,4
4,8
1,4
0,77
1,1
0,75
Палыгорскит
н.о.
Кварц /
5,3
Пол. шпаты
н.о. – не обнаружено
Р32-2
Р35-1
Р35-2
Р39-1
Р41-1
Полученные образцы аэрозолей были проанализированы на ряд химических элементов,
породообразующих и микроэлементов, концентрации которых приведены в табл. 3. Высокие
величины отношения Si/Al в первых 4-х пробах и низкие в последних соответствуют
минеральному составу силикатной части. Содержания микроэлементов значительно
варьируют, что обусловлено разницей в составе основных минеральных компонентов
аэрозолей. Некоторые элементы в аэрозолях концентрируются относительно литосферы.
Коэффициенты концентрирования Кк, рассчитанные по отношению нормированных по Al
элементам в аэрозолях и в верхней литосфере (Rudnic, Gao, 2004), показывают, что степень
концентрирования для некоторых элементов составляет более порядка величины. Ряд
концентрирования свидетельствует, что Zn, As, Pb, Cd и Sb наиболее обогащают аэрозоли.
Si, Mn, Co – Fe – Cr – P – Ni – Cu – Zn – As – Pb – Cd – Sb
Кк <1
1,3 2,0 2.8 3.6
4.4
12
18
25
34
68
Это обогащение связано, по-видимому, с загрязнением атмосферы. Это в основном
продукты сгорания топлива, используемого в различных производствах: нефтегазодобыче
и нефтепереработке, металлургии, легкой промышленности, коммунальном хозяйстве,
судоходстве и др. (Pacyna, 1986).
Таблица 3. Концентрации химических элементов в аэрозолях
Химический
элемент
Si
Р30-1
Р30-2
Р32-1
Р32-2
Р35-1
Р35-2
Р39-1
Р41-1
13,06
12,04
16,5
9,4
18,64
19,08
16,91
18,83
Al
3,6
3,77
5,88
3,26
7,35
7,00
7,4
8,43
Si/Al
3,63
3,19
2,81
2,88
2,54
2,73
2,29
2,23
P
0,14
0,09
0,09
0,12
0,22
0,15
0,11
2,23
Сорг
18
26,7
19,5
23,2
9,84
7,24
4,00
0,11
Fe
2,16
2,56
3,47
2,1
4,25
4,54
4,08
3,02
Mn
370
270
370
220
605
590
690
860
Cu
113
103
85
100
72
66
86
75
Zn
940
670
500
470
522
638
540
385
Ni
210
175
75
230
63
90
60
69
Co
10,8
9
14,5
9,4
8,7
13
12,7
17,8
Cr
190
180
52
240
91
114
95
117
Pb
415
810
240
4230
148
143
122
170
Cd
2,5
1,8
2,9
1,5
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
As
95,6
72,1
26,3
54,9
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
Sb
2,93
1,94
1,22
1,66
н.о.
н.о.
н.о.
н.о.
н.о. – не определялись
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных
исследований Президиума РАН № 23, грантов РФФИ (проекты № 11-05-00456а945, № 12-0531450 мол_а), гранта НШ-618.2012.5, проект ОНЗ РАН «Наночастицы…».
196
Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
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.
Амбросимов А.К., Лукашин В.Н., Либина Н. В. и др. Комплексные исследования системы
Каспийского моря в 35-м рейсе научно-исследовательского судна «Рифт» // Океанология. 2012. Т. 52,
№ 1. С. 751–757.
Аникиев В.В., Колесов Г.М. Природные факторы, определяющие временную изменчивость
основного химического состава минеральных аэрозолей над Северным Каспием // Геохимия. 2008. № 12.
С. 1304–1321.
Живаго В.Н., Богданов Ю.А. Эоловая взвесь над Атлантическим и Тихим океанами //
Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах. М.: Наука, 1974.
С. 259–279.
Лукашин В.Н., Амбросимов А.К., Либина Н.В. и др. Комплексные исследования в северной части
каспийского моря в 30-м рейсе научно-исcледовательского судна «Рифт» // Океанология. 2010. Т. 50, № 3.
С. 472–476.
Лукашин В.Н., Новигатский А.Н. О химическом составе аэрозолей в приводном слое атмосферы
Среднего Каспия зимой и осенью 2005 г. // Океанология. 2013. Т. 53, № 5.
Chester R., Johnson L.R. Atmospheric dust collected off the West African coast // Nature. 1971. V. 229.
P. 105–107.
Duce R.A., Liss P.S., Merrill J.T. et al. Atmospheric input of trace species to the World Ocean // Global
Biogeochemical Cycles. 1991. V. 5. P. 193–259.
Pacyna J.M. Atmospheric trace elements from natural and anthropogenic sources // Toxic metals in the
atmosphere. Wiley series in Advances in Environmental sciences and Technology. V. 17. N.Y.: Wiley, 1986. 33 p.
Rudnic R.L., Gao S. Composition of continental crus t// Tretise on Geochemistry. V. 3. The Crust.
Amsterdam, Boston et oth.: Elsevier Pergamon, 2004. P. 1–64.
197