Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Океанологические условия среды в зоне современного ледово-морского седиментогенеза в морях Арктики 20-60
1.1. Океанологическая характеристика района исследования 20-29
1.2. Основные закономерности температурного, соленостного и ледового режимов 29-43
1.3. Активные граничные поверхности и фронтальные зоны 43-60
Глава 2. Материал и методы исследования 61-64
Глава 3. Геохимические особенности состава иловых вод в прибрежной зоне Баренцева моря 65-100
3.1. Эколого-геохимическая характеристика прибрежной зоны 65-87
3.1.1. Физико-химические параметры донных отложений литоральной зоны 66-75
3.1.2. Особенности распределения биогенных элементов в иловых водах литорали 75-87
3.2. Биогенные элементы иловых вод в круговороте питательных веществ 87-100
Глава 4. Сравнительная характеристика химического состава вод южной части Баренцева моря 101-133
4.1. Макрокомпонентный солевой состав вод Баренцева моря 101-104
4.2. Основные черты химического состава вод в заливах и губах Мурмана 104-114
4.3. Особенности формирования геохимического состава иловых вод в Кольском заливе 115-133
Глава 5. Химический состав наддонных и иловых вод и биологическая продуктивность арктических морей 134-172
5.1. Биогеохимия седиментогенеза 134-143
5.2. Роль иловых вод в формировании биопродукции на шельфе Баренцева и Норвежского морей 143-153
5.3. Биогенные элементы, марганец и железо в иловой воде Карского моря 154-172
Глава 6. Геохимия иловых вод и палеоэкология гляциальных шельфов арктических морей 173-253
6.1. Специфика геохимии иловых вод при ледниково морском седиментогенезе в плейстоцене-голоцене 173-236
6.1.1. Влажность донных отложений 178-187
6.1.2. Хлорность иловых вод Западно-Арктических морей 187-202
6.1.3. Изменение геохимического состава иловых вод в процессе диагенеза 202-225
6.2. Палеоэкология и морской перигляциал 225-236
6.3. Особенности палеоэкологических реконструкций в полярных океанах 236-249 Заключение 250-253 Литература
- Основные закономерности температурного, соленостного и ледового режимов
- Физико-химические параметры донных отложений литоральной зоны
- Основные черты химического состава вод в заливах и губах Мурмана
- Роль иловых вод в формировании биопродукции на шельфе Баренцева и Норвежского морей
Основные закономерности температурного, соленостного и ледового режимов
Палеогеографические реконструкции имеют научную и прикладную значимость при разведке нефтегазовых ископаемых, поисках россыпных месторождений и строительного сырья. Наряду с геоморфологическими данными (Матишов, 1980), геохимические параметры иловых вод позволили реконструировать палеоэкологическую ситуацию в арктических морях в период дегляциации четвертичного ледникового покрова. Результаты исследования по палеосолености и диагенезу иловых вод расширяют представление об истории развития климата и донных ландшафтов Западно-Арктических морей в послеледниковое время четвертичного периода.
Фактический материал и личный вклад соискателя. В основу диссертации положены материалы, полученные в Мурманском морском биологическом институте при многолетних полевых исследованиях соискателя на литоральной отмели Дальний Пляж (Восточный Мурман) и в морских экспедициях с борта научно-исследовательских судов "Дальние Зеленцы" (рейсы 7, 9, 13, 20, 22, 32, 40, 45), "Помор" (рейсы 2, 43), "Вс.Березкин" (рейс 77) за период 1974-1994 г.г.
География района морских исследований включает акваторию Баренцева, Карского, Норвежского, Гренландского, Северного морей, губы и заливы Баренцева моря, фьорды Зап.Шпицбергена и Новой Земли. Соискатель в течение многих лет участвовал в морских экспедициях и с борта судов непосредственно сам вел систематические исследования захороненных иловых вод. Отбор и камеральная обработка проб донных отложений, получение иловой воды на борту экспедиционного судна, все аналитические определения выполнены лично автором.
Проанализировано свыше 3000 проб поверхностных, придонных и иловых вод. Иловая вода получена из более чем 100 колонок донных отложений. Всего проведено свыше 20 тыс. гидрохимических и геохимических определений в донных отложениях и различных типах воды. В донных отложениях проводились определения влажности, содержания органического вещества, двух- и трехвалентных форм железа, рН, частично Eh, в воде определялось содержание биогенных элементов (NBajb N-NO3, N-NO2. Рвал, Р-Р04,), углеводов, Сорг, макрокомпонентный солевой состав (СГ, S04 ", бор, щелочность, жесткость, Са , по разности сумма натрия и калия), общая минерализация (сухой остаток), содержание ионов железа и марганца.
Апробация и публикация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, в том числе несколько коллективных монографий в издательстве "Наука" и Кольского научного центра, одна монография в соавторстве с академиком Г.Г.Матишовым. Основные положения и результаты работы докладывались и были одобрены на Всесоюзной (Международной) школе по морской геологии (Геленджик, 1982, 1984, 1986, 1988, 1992; Москва, 1997), на II и III Всесозных Съездах океанологов (Севастополь, 1982, Ленинград, 1987), на Всесоюзной конференции "Биоседиментация в морях и океанах" (Теберда, 1983), на IX Микропалеонтологическом совещании (Ухта, 1983), на Всесоюзных конференциях по географии Мирового океана, комплексному изучению бассейна Атлантического океана (Калининград, 1983, 1989, 1997), на Всесоюзном совещании "Биогеохимия приконтинентальных районов океана" (Нальчик, 1984), на II Всесоюзной конференции по географии и картографии океана (Мурманск, 1985), на
Всесоюзной конференции по проблемам четвертичной палеоэкологии и палеогеграфии морей Северного Ледовитого океана (Мурманск, 1985, 1987, 1989, 1991, 1994, 1996, 1998), на Всесоюзной конференции по биологической продуктивности и охране биоресурсов Баренцева моря (Мурманск, 1986, 1988, 1990), на Международном совещании по инженерной геологии шельфа и континентального склона морей и океанов мира (Тбилиси-Батуми, 1988), на III Всесоюзной конференции по морской биологии (Севастополь, 1988), на IX Съезде Географического общества СССР (Ленинград, 1990), на Всесоюзном совещании по стратегии социально-экологического развития Крайнего Севера (Нарьян-Мар, 1990), на конференции по экологическим проблемам охраны живой природы (Знаменское-Садки, 1990), на II Международной конференции по освоению шельфа арктических морей (Санкт-Петербург, 1995, 1996), на 7 ом Съезде ВГБО (Казань, 1996), на Международной конференции "Финно угорский мир..." (Сыктывкар, 1997), на Международной конференции по мониторингу морей Зап.Арктики (Мурманск, 1997), на Полярном симпозиуме в Польше (Варшава, 1997; Торун, 2000) и Швеции (1997), на Международной конференции "Поморье в Баренц-регионе..." (Архангельск, 1997), на Международной конференции по промысловой океанологии (Санкт-Петербург, 1997).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения; изложена на 291 страницах, содержит 23 рисунка, 26 таблиц. Список использованной литературы включает 370 наименований, в том числе 37 источников на иностранных языках.
Работа выполнена в Мурманском морском биологическом институте Кольского научного центра Российской академии наук.
В процессе написания отдельных разделов и оформлении диссертации ценными были творческие контакты с к.г.-м.н. Ю.Н.Гурским, д.г.н. А.В.Ивановым, д.г.н. Е.И.Поляковой. Принимали участие в обсуждении работы и сделали ряд полезных замечаний и предложений к.г.н. В.Т.Богучарсков, к.г.н. В.И.Мысливец, к.г.н. Г.В.Ильин, к.г.-м.н. И.А.Погодина. В проведении полевых работ техническую помощь оказывали к.г.-м.н. В.В.Алексеев, к.г.н. В.Б.Хасанкаев, к.г.-м.н. Н.П.Кураленко, д.г-м.н. Ю.А.Лаврушин и многие сотрудники ММБИ и других организаций, участвовавшие в совместных морских экспедициях, экипажи исследовательских судов. Всестороннюю поддержку и содействие при работе над диссертацией автор ощущал со стороны дирекции и администрации Мурманского морского биологического института. Автор всем им признателен за помощь и сотрудничество. Особую благодарность за постоянную поддержку в работе автор выражает научным консультантам академику РАН, профессору Г.Г.Матишову и зав. отделом океанографии и геологии моря ММБИ, д.г.-м.н. Г.А.Тарасову.
Физико-химические параметры донных отложений литоральной зоны
Содержание нитритов в поверхностной воде залива в этот период не обнаружено. В иловой воде выявлены ионы N-NCb только на двух станциях. У пос.Ретинское (ст.ЗЗ) иловая вода содержит 13 мкг/л нитритов. Донные отложения представлены полужидким органогенным илом. У о-вов Екатерининский, Средний и Большой Олений (ст.29а) концентрация увеличивается в 2 раза. Это, по-видимому, обусловлено высокой сорбционной способностью дисперсных частиц залегающего на дне глинистого алеврита, благодаря чему подвижные компоненты сорбируются и накапливаются в осадке. Илистые осадки слабо аэрированы, следствием чего является накопление восстановленных форм азота.
Нитраты выявлены в поверхностных слоях воды на всех исследованных станциях. В южном колене предел колебаний концентрации N-NO3 от 25 до 35 мкг/л. По направлению к выходу в открытое море содержание нитратов в целом возрастает, достигая максимальных значений (63 мкг/л) у пос. Ретинское (ст.ЗЗ). Концентрация нитратов на дне зависит не только от уровня загрязнения вод, но и от литологических особенностей донных отложений. В южном колене у пос.Дровяное (ст. 40) в плотном слабо песчанистом иле содержание N-NO3 находится в пределах аналитического нуля, а в полужидком слабо песчанистом иле (ст.39) накапливается до 100 мкг/л. На сравнительно более глубоководной станции 38 (глубина 40 м) в придонном слое воды установлено существенное повышение содержания нитратов (55 мкг/л) относительно поверхностных слоев воды (35 мкг/л) и иловых вод (8 мкг/л). По-видимому, принесенные сточными загрязненными водами нитраты не успевают фиксироваться на дне и выносятся быстрым течением в море.
У пос.Мишуково на повороте течения из южного колена в среднее в центральной хорошо промываемой части залива (ст.36) содержание N-NO2 в иловой воде более низкое, чем у восточного и западного берегов (20 мкг/л). В северном колене концентрации нитратов в иловой воде колеблются в довольно широких пределах - от 20 мкг/л у входа в Тюва-губу (ст.ЗО) до 140 мкг/л у входа в Большую Волоковую восточную (ст.28). Повышенное содержание N-NO3 (60 мкг/л) отмечается у о-вов Екатерининский и Оленьи (ст.29а) и у пос. Ретинское (ст.ЗЗ - 85 мкг/л).
Фосфаты в поверхностной воде не обнаружены. По-видимому, ионы фосфора, как лимитирующего биогенного элемента, использованы фотосинтезирующими организмами в процессе их жизнедеятельности. На дне в иловой воде на всех станциях выявлены довольно существенные концентрации Р-Р04. В южном колене содержание фосфатов высокое и колеблется в основном от 120 (ст.38) до 282 мкг/л (ст.40). Исключительно максимальное значение Р-РО4 (1020 мкг/л) установлено на ст.39, где одновременно содержится много и нитратов. Другие данные также свидетельствуют о некотором загрязнении дна на этой станции и о биогеохимическом преобразовании седиментационного материала. Так, щелочность повышается до 4,06 мг-экв/л, а содержание сульфатов вследствие редукции несколько понижается (52.81 мг-экв/л), по сравнению с придонной водой (53.32 мг-экв/л).
На переходе от южного колена к среднему на осевой станции (ст.36), аналогично распределению нитратов, установлена пониженная концентрация фосфатов (86 мкг/л) в иловой воде в результате активного сноса седиментационного материала и промывания дна. У восточного берега происходит накопление осадка (ст. 37). Взвешенное и растворенное вещество р.Росты и других водных источников, лежащих южнее, бытовых и производственных стоков попадает на дно и обеспечивает высокое содержание в подвижной жидкой фазе исследованных компонентов. Содержание растворенного фосфора достигает 460 мкг/л. Щелочность также повышается (2,80 мг-экв/л). В северном колене наблюдается увеличение содержания Р-РСм в иловой воде от Ретинского (24 мкг/л) до губы Тюва (200 мкг/л). У Екатерининского и рядом расположенных других островов оно понижается до 105 мкг/л и возрастает до 150 мкг/л у Большой Волоковой восточной (ст.28).
Таким образом, литологический состав донных отложений и визуальные наблюдения над поверхностью воды Кольского залива на исследованных станциях свидетельствуют, что водная поверхность залива сильно засорена плавающими разнообразными отбросами и покрыта пятнами нефтепродуктов. Донные отложения наиболее сильно загрязнены как механическими примесями, так и нефтяными углеводородами в среднем и южном коленах и в зоне волноприбоя.
Животный мир дна, судя по дночерпательным пробам и литературным источникам, скудный. Результаты химического анализа показывают, что придонные и иловые воды содержат повышенные концентрации биогенных веществ, хотя и ниже общепринятых рыбохозяйственных ПДК. Наиболее сильно загрязнены нитратами и фосфатами вода и дно на траверзе Белокаменка-Североморск и южнее Мурманска, примерно в районе пос.Дровяное.
Основные черты химического состава вод в заливах и губах Мурмана
Осадки, из которых отжималась иловая вода, неоднородны. Они состоят из обломочного материала, сносимого с материка, продуктов вулканической деятельности, аутигенных минералов, органического вещества отмерших организмов и продуктов их жизнедеятельности. Разнообразен гранулометрический состав отложений. Трубкой извлекаются отложения различного возраста.
Верхнечетвертичные отложения представлены мореноподобными глинами (Тарасов и др., 2000). Разные авторы называют их по-разному -ледниково-морскими и ледниковыми, мореноподобными суглинками, валунными глинами, диамиктоном и др.(Крапивнер, 1973; Лаврушин и др., 1984; Лаврушин, 1989; Спиридонов и др., 1992). Эти ледниковые отложения представлены плотными, сильно обезвоженными темно-серыми осадками с донным каменным материалом. На Медвежинской и Демидовской банках, Рыбачьем плато, Нордкинской и Мурманской возвышенностях, в Медвежинском желобе и Восточно-Земельской возвышенности они выходят на поверхность или покрыты маломощным слоем голоценовых осадков.
Осадки Баренцева моря слабокарбонатные. Содержание СаС03 в среднем по бассейну составляет 1-4 %. По высоте колонки сохраняется низкое фоновое содержание карбонатов. На мелководных банках содержание СаСОз повышается до 5-9 %. Широко распространены развитые почти с поверхности или под маломощным слоем современных отложений реликтовые отложения или зоны размыва (Виноградова, 1964; Котенев, Виноградова, Горшкова, 1979).
Изменения натуральной влажности отложений дна Баренцева моря. Цифры - номера станций, точками отмечена влажность окатышей. гранулометрическим составом и другими физическими характеристиками донных отложений, имеет значение при диффузии растворенных компонентов иловых растворов. Н.П.Затенацкой (1974) показано, что коэффициент диффузии хлор-иона зависит от степени литификации породы и ее относительной влажности. К примеру, низкое содержание хлора в иловой воде на станциях, где диффузия затрудняется вследствие понижения влажности осадков, является указанием на существование на месте современного бассейна в эпоху оледенения солоноватого бассейна (Шишкина, 1980). Разделение колонки на горизонты для отжима иловых вод и отбор проб на определение влажности производились в соответствии с литологическими особенностями отложений.
Содержание влаги в осадке является важной характеристикой его генезиса и процессов диагенеза, протекающих в толще отложений дна. В Баренцевом море (табл. 15) наиболее низкие значения натуральной влажности (17.2 %) выявлены в отложениях Медвежинской низменности (ст.209). Среднее значение по колонке составляет 20.5 ±1.6 % (п=5) при коэффициенте вариации 17.7 %. Как правило, поверхностные отложения более обводнены и имеют полужидкую консистенцию (рис. 12). Невысокую влажность имеют отложения на материковом склоне Баренцева моря (ст. 212). Пределы значений колеблются от 26.2 (у забоя) до 38.7 % при среднем по колонке 32.1 ±1.5 % (коэффицент вариации 14.2 %). Немного выше влажность отложений на Демидовской банке - от 33 до 45 % (ст. 205). Пониженная влажность (от 19.8 - в плотных прослоях глины мощностью до 23 см - до 38.5 %) присуща отложениям юго-западной части материкового склона в районе банки Копытова (ст. 356). На Нордкинской банке влажность несколько выше - 23.6 - 37.9 % (ст.354). На Шпицбергенском мелководье в направлении северного склона
В северо-западной части Шпицбергенского мелководья вблизи Ис-фьорда (ст.94) отложения с глубиной по колонке более обводнены. Влажность закономерно повышается от 38.6 % (интервал опробования 0-20 см) в плотном мелком алеврите с черными прослоями и донным каменным материалом. Примерно так же обводнены осадки станции 101 (Медвежинский желоб). С поверхности влажность составляет 29.5 %, в интервале опробования 80-116 см - 48.5 %. Отложения центральной части возвышенности Персея (ст.399) отличаются низкой натуральной влажностью но колонке (22.5-26.8 %) и незначительными градиентами в пределах однометровой колонки. На запад и восток от центральной части возвышенности отложения поверхностного слоя более обводнены и мощность этих осадков возрастает. На юго-западном склоне возвышенности Персея (ст.397) влажность отложений колонки до 40 см от поверхности дна составляет 43-47 %, снижается на глубине колонки в 70 см до 21.5 %. Отложения юго-восточного склона возвышенности Персея (ст.400) имеют в колонке до 123 см высокую натуральную влажность -48.7-56.6 %. Такого же порядка натуральная влажность отложений Новоземельской банки (ст.401 и 404) - 45.1-59.9 %. В отложениях Гусиной банки (ст.414) натуральная влажность понижается до 21-33 %.
Роль иловых вод в формировании биопродукции на шельфе Баренцева и Норвежского морей
Хлорность морской воды на акватории Грен-фьорда связана с влиянием ледового покрова. На всех станциях поверхностный слой воды более опреснен, чем придонная и иловая вода. Содержание хлоридов в нем колеблется от 18.07 до 18.56 г/л. Ко дну содержание хлора возрастает. Максимальная концентрация ионов хлора (21 г/л) установлена в иловой воде наиболее мористой станции. В то же время на этой станции наблюдается максимальное распреснение в поверхностном слое воды, так как весь сток талых вод из фьорда в открытое море проходит через эту станцию.
Структура прибрежной пелагиали характеризуется наличием стабильных стоковых шлейфов с опресненными водами, формирующихся в непосредственном контакте с выводными ледниками. В Грен-фьорде соленость воды растет с глубиной, плотностная стратификация выражена слабо (Ларионов, 1996).
Концентрация сульфатов в поверхностном слое воды составляет 53.75-64.37 мг-экв/л, в иловой воде несколько выше - от 61.11 до 66.25 мг-экв/л. Полученные данные по вертикальному и пространственному распределению основных компонентов солевого состава воды в Грен-фьорде свидетельствуют о влиянии процесса таяния льда на химический состав воды. Установлено (Шмидеберг, 1986), что распределение концентрации хлора в леднике подчиняется вертикальной и горизонтальной зональности. В большой степени содержание хлора в льдах зависит от того, образуется ли он в результате поступления атмосферных осадков или намерзания морской воды снизу.
Процесс выноса солей и формирование состава талых вод при таянии ледников слабо изучен. Нами проанализированы три порции талой воды для установления изменений их солевого состава по мере таяния куска морского льда.
Полученные данные (Павлова, 1987а, 1989г) позволяют считать, что в зависимости от стадии таяния льда талая вода имеет различный состав в силу индивидуальных особенностей химических элементов при их миграции. Скорость убывания отдельных компонентов из льда неодинакова. Наиболее интенсивно (в 5-6.5 раз быстрее) снижается содержание хлора, что соответствует его более высокой подвижности как химического элемента. Такая же закономерность наблюдается и для сухого остатка, так как хлор является основным макрокомпонентом общей минерализации морской воды. Падение содержания сульфатов, карбонатов + гидрокарбонатов (Alk) и кальция происходит медленнее. Получен следующий ряд подвижности ионов: СГ SO4 " СОз " + НСОз" Са +.
Отношение содержания ионов к хлору закономерно возрастает во времени. От первой порции к третьей оно увеличивается в 1.2-1.8 раза, в третьей по отношению ко второй - в 2 раза.
Таким образом, до полного вытаивания плавающего морского льда солевой состав воды все время будет меняться. Сначала из льда в окружающую воду вытаивают и стекают вниз по капиллярам соли, причем различные компоненты убывают с различной скоростью (Павлова, 1987а). Последние остатки обессоленного льда будут оказывать наиболее опресняющее воздействие на водную среду фьорда.
В условиях современного оледенения арктических архипелагов при интенсивном отступлении покровных ледников явления океанического перигляциала играют роль в процессе осадконакопления (Матишов, Тарасов, 1996; Тарасов, 1996, 1998; Матишов, Тарасов, Павлова, 1997а, 19976; Matishov, Pavlova, 1993, 1997; Matishov et al., 1994; ). В фьордах Западного Шпицбергена, Новой Земли, Земли Франца-Иосифа летом наблюдается активное ледниково-морское осадконакопление за счет выносов терригенного материала с айсбергами и стоками талых ледниковых вод. Тяжелые и грубые фракции осаждаются вблизи места разгрузки ледника, тонкий взвешенный глинистый материал переносится на 40-50 км в открытое море. В фьордах Новой Земли и Западного Шпицбергена формируются сезонно-слоистые донные осадки (Тарасов, 1996; Тарасов и др., 2000).
В условиях более сурового климата, очень короткого лета и более "холодных" ледников архипелага Земля Франца-Иосифа характер современного седиментогенеза несколько отличается (Matishov et al., 1994). На дне многочисленных глубоководных заливов и проливов сезонная слоистость отсутствует и формируются нетипичные мелкозернистые осадки, характерные для открытого моря.
Исследование фациальных особенностей перигляциальных зон важно не только для решения литологических, но и экологических проблем. Установлено, что в приледниковых областях донная фауна очень бедна или находится в сильно угнетенном состоянии (Тарасов, 1996). Наши исследования в заливе Русанова (Карское море) показывают полное отсутствие донной макрофауны в ледниковых отложениях, разгружаемых ледником Нансена в море. Это связано с сильной мутностью вод и с высокой скоростью отложения несортированного терригенного материала при стабильно высокой гидродинамической активности.
У ледника Нансена прибрежная зона фактически лишена мелководий и это накладывает специфический отпечаток на структуру прибрежной пелагической зоны. Потоки охлажденных и распресненных талых вод, поставляемых выводными ледниками, способствуют развитию прибрежных пелагических экосистем, характеризующихся задержкой цветения микроводорослей, а также укорачиванием и упрощением сукцессионного цикла фитопланктона (Ларионов, 1996).
И.А.Погодиной (1984) при проведении микропалеонтологических исследований верхнечетвертичных отложений Баренцева моря показано, что фораминиферы в отложениях фиордов Западного Шпицбергена, находящихся под воздействием ледников, характеризуются мелкими размерами и значительной долей ювенильных особей. Периодическое оседание большого количества осадочного материала делает существование биоты нестабильным. В нестабильных и нарушенных местах обитания преобладают виды-оппортунисты, характеризующиеся коротким циклом развития, высокими темпами размножения, мелкими размерами (Одум, 1986).
Следовательно, экологические исследования по влиянию комплекса явлений океанического перигляциала на морские экосистемы в условиях Арктики и Субарктики являются актуальными. Важнейшими вопросами на данном этапе являются изучение организации сообществ криопелагиали и криобентали и выявление особенностей и установление закономерностей становления адаптации отдельных особей и целых сообществ в исторической ретроспективе.
