Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. История исследования современных донных осадков каспийского моря 13
Глава 2. Физико-географические условия каспийского моря 18
2.1. Основные черты климата 21
2.2. Основные черты гидрологии
2.2.1. Зимний режим 27
2.2.2. Течения 29
2.2.3. Сток рек 33
2.2.4. Соленость 37
2.2.5. Температура воды 39
2.2.6. Распределение взвеси 42
2.2.7. Распределение вертикальных потоков вещества 46
2.2.8. Сероводородное заражение (глубоководные котловины) 48
2.3. Изменения уровня Каспийског моря 51
Глава 3. Основные черты геологии и тектоники водосбора Каспийского моря 56
3.1. Четвертичные отложения 67
Глава 4. Материал и методы исследований поверхностных донных осадков Каспийского моря 70
4.1. Материал 70
4.2. Методика исследований
4.2.1. Экспедиционные исследования 74
4.2.2. Аналитические исследования
4.2.2.1. Гранулометрический анализ 76
4.2.2.2. Минералогические исследования (метод оптической микроскопии) 76
4.2.2.3. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ 76
4.2.2.4. Определение общего, органического и карбонатного углерода 77
4.2.2.5. Определение аморфного кремнезема 78
4.2.2.6. Рентгенодифрактометрический анализ 78
4.2.2.7. Радиоизотопное (210Pb, 14C) датирование 78
Глава 5. Современные донные осадки каспийского моря и некоторые закономерности их накопления 81
5.1. Основные литологические типы донных осадков 82
5.2. Распределение основных гранулометрических фракций 91
5.3. Скорости осадконакопления 101
Глава 6. Минералогия донных отложений Каспийского моря 107
6.1. Изучение минерального состава донных осадков и выделение терригенно-минералогических провинций (оптическая микроскопия) 107
6.2. Изучение минерального состава тонких фракций донных осадков с помощью ренгеноструктурного анализа 134
6.3. Изучение вещественного состава донных осадков методом сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа 146
Глава 7. Черты геохимии 164
7.1. Распределение биогенного вещества (CaCO3, Cорг., SiO2аморфный) в современных донных осадках 164
7.1.1. Карбонат кальция (CaCO3) 164
7.1.2. Органический углерод (Cорг.) 173
7.1.3. Аморфный кремнезем (SiO2аморфный) 178
7.1.4. Закономерности распределения биогенной триады 181
Заключение 183
Выводы 188
Список литературы 190
- Основные черты гидрологии
- Аналитические исследования
- Распределение основных гранулометрических фракций
- Изучение минерального состава тонких фракций донных осадков с помощью ренгеноструктурного анализа
Основные черты гидрологии
Исследование процессов современного осадконакопления является одной из важнейших проблем геологии моря. Этой проблеме посвящено большое количество работ, и общие процессы современного осадкообразования проясняются, но, отдельные вопросы еще нуждаются в разработке. Осадки Каспийского моря начали изучаться в начале XX века. Первые сводки принадлежат академику Н.И. Андрусову, который осветил историю развития этого бассейна, описал важнейшие типы осадков [Андрусов, 1888; 1900]. В 1914–1915 гг. проводились широкие гидрохимические исследования Н.М. Книповичем. Н. М. Книпович составил первую карту течений Каспийского моря, дал представление о географическом распределении температуры, солености, прозрачности моря, о вертикальной циркуляции вод и о распределении растворенного кислорода [Книпович, 1921; 1923; 1938].
В 20–ых годах прошлого века начались активные исследования осадков и водной толщи Каспийского моря. Исследования проводили А.Д. Архангельский [1941], Н.М. Страхов, М.В. Кленова, С.В. Бруевич, В.П. Батурин и Е.К. Копылова.
Н.М. Страхов, опираясь на исследования предшественников, дал анализ осадконакопления в Каспийском море, продвинул геохимические исследования [Страхов, 1951; 1954; 1968].
М.В. Кленовой исследовались дельта реки Волга и Северный Каспий с целью прогноза тех изменений, которые могут произойти в связи с падением уровня моря. В результате этих исследований была предпринята попытка изучения геологического строения и процессов образования осадков и рельефа дельты р. Волга [Кленова, 1951; Кленова и др., 1956]. Помимо Северной части Каспия, М.В. Кленова охарактеризовала геологическое строение подводного склона Каспийского моря [Кленова, 1948; Кленова и др., 1962].
С.В. Бруевич впервые описал стратификацию вод Каспийского моря, охарактеризовал солевой состав, оценил распределение биогенных компонентов в водной толще, рассчитал влияние речного стока на геохимию водоема, вычислил баланс поступления и расхода различных компонентов [Бруевич, 1938; 1946; Бруевич и др., 1946; 1954].
В.П. Батурин впервые рассмотрел Каспийское море как единую область седиментации. Им был описан водосборный бассейн Каспия и оценена деятельность впадающих в него рек. Кроме того, В.П. Батурин обосновал новую классификацию современных донных осадков данной акватории [Батурин, 1934; 1947; Батурин и др., 1956].
В 50-х годах прошлого столетия литологию и геохимию каспийских осадков исследовали И.А. Алексина, Н.М. Арутюнова, А.С. Пахомова и Т.И. Горшкова.
И.А. Алексина охарактеризовала осадки и рельеф подводного склона восточного побережья средней части Каспийского моря. Кроме того, И.А. Алексина провела геохимические исследования эолового материала (аэрозолей) восточной части Среднего Каспия [Алексина, 1959; 1962], а также исследовала взвешенное вещество восточной части Среднего Каспия [Алексина, 1958] и изучала распределение кремнезема в Среднем Каспии [Алексина, 1960].
Н.М. Арутюнова дополнила предшествующие исследования по Северному Каспию и вещественному составу донных отложений этой зоны, описала минеральный состав донных отложений Бакинского архипелага [Арутюнова, 1956; 1957]. А.С. Пахомовой был описан химический состав взвешенных веществ и донных отложений дельты реки Волги, а позже гидрохимия Каспийского моря, проведено исследование органического вещества в донных осадках Каспия [Пахомова, 1956; 1959; 1961; Пахомова и др., 1966]. Т.И. Горшкова изучала карбонаты и органическое вещество в осадках Среднего и южного Каспия [Горшкова, 1959]. В 60–70–х годах прошлого века был сделан значительный скачек в комплексном изучении Каспийского моря. Литолого-геохимические исследования Каспийского моря проводили Л.И. Лебедев, Е.Г. Маев, Л.С. Кулакова, П.Н. Куприн, В.И. Багиров, С.А. Брусиловский, Ю.Н. Гурский, Д.С. Туровский, О.К. Бордовский, Ю.П. Хрусталев и др.
Большой вклад в изучение донных осадков Каспийского моря внесли Л.И. Лебедев и Е.Г. Маев. Авторы впервые изучили стратиграфию донных отложений, проблемы геологии нефти и газа данного бассейна [Лебедев и др., 1963; 1973; 1975; 1987; Маев, 1961; 1962; 1970; 1994]. Л.С. Кулакова изучала минеральный состав современных осадков восточного побережья Южного Каспия и исследовала верхнехвалынские осадки [Кулакова, 1959; Лебедев и др., 1973]. П.Н. Куприн исследовал глинистые минералы, геохимию и органическое вещество донных отложений Каспия. Им впервые была определена скорость осадконакопления в некоторых районах Среднего Каспия. П.Н. Куприн принимал участие в работах, которые привели к открытию месторождений нефти и газа [Куприн и др., 1964; 1969; 1970; 1971; 1974; 1978; 2001; 2003]. С.А. Брусиловский и Ю.Н. Гурский проводили исследования по геохимии донных отложений Каспийского моря [Брусиловский и др. 1976]. Д.С. Туровский изучил распределение глинистых минералов в верхнем слое донных осадков Каспийского моря [Туровский и др., 1981]. О.К. Бордовский дополнил предшествующие исследования органического вещества донных осадков своими данными и материалами [Бордовский О.К., 1969; 1974].
Аналитические исследования
Во взвешенном состоянии в морской воде находится большое количество терригенных частиц, которые не способны самостоятельно осаждаться из-за сильных гидродинамических условий (ветер, волны, течения). И только при работе биологического насоса в условиях «живого океана» терригенная взвесь погружается и достигает дна, взаимодействуя при этом с биогенным веществом [Honjo et al., 1982; 2008; Lisitzin, 2004; Лукашин и др., 2014]. Процессы агрегирования терригенных частиц с биогенными компонентами взвеси способствуют осаждению вещества. Вертикальные потоки вещества выражаются в единицах массы вещества, проходящей через единицу площади столба воды в единицу времени (обычно в мг/м2/сут) и изучаются с помощью седиментационных ловушек [Лукашин и др., 2014; Лисицын и др., 2014].
В рамках проекта «Система Каспийского моря» впервые исследовались потоки осадочного вещества в толще Каспийского моря. Максимальные значения потоков приурочены к северному шельфу Дербентской котловины из-за большого количества осадочного материала, приносимого реками. По мере удаления в глубоководные части моря потоки уменьшаются (рис. 2.2.7.1.) [Лукашин и др., 2014].
В глубоководной котловине Среднего Каспия в верхней части столба воды потоки незначительные и составляют менее 300 мг/м2/сут (рис. 2.2.7.1.). С глубиной происходит увеличение потоков, что связано с мощным речным стоком Волги, который распространяет взвесь в глубоких слоях котловины [Лукашин и др., 2014].
Очень высокие значения потоков отмечаются в придонных горизонтах южного склона Дербентской впадины. Кроме того, на северном склоне Южно-Каспийской впадины в придонных горизонтах зафиксированы также значительные концентрации потоков (рис. 2.2.7.1.). В Южно-Каспийской впадине потоки уменьшаются с глубиной (рис. 2.2.7.1.) [Лукашин и др., 2014].
Таким образом, величина потоков зависит от местоположения, с удалением от берега значения потоков уменьшаются. Кроме того, на континентальных склонах глубоководных котловин в придонных горизонтах происходит значительное увеличение потоков, связанное с придонными течениями. В этих же районах (континентальные склоны глубоководных котловин), как описано в предыдущем разделе, увеличиваются концентрации взвеси, в результате чего образуется нефелоидный слой, который в дальнейшем является источником материала для осадка [Лукашин и др., 2014].
Распределение и величина потоков оказывает непосредственное влияние на процессы осадконакопления в Каспийском море, а также на минералогию донных осадков.
В первой трети прошлого столетия, в условиях высокого уровня Каспийского моря (рис. 2.3.2.), С.В. Бруевичем [1938; Бруевич и др., 1946] было впервые обнаружено присутствие невысоких концентраций (0.2–0.4 мл/л) сероводорода в глубоководных впадинах Каспийского моря. Причем сероводород был зафиксирован в водной толще (с глубин 600–700 м и до дна). Растворенный кислород в придонных водах глубоководных впадин Среднего и Южного Каспия не обнаруживался, либо его содержание не превышало 1 мл/л [Бруевич, 1938].
В конце 30–х годов прошлого столетия началось существенное изменение уровня моря, которое продолжалось до конца 70–х годов прошлого века. Уровень Каспийского моря упал на 2.9 м (рис. 2.3.2.). Масштабные исследования гидрохимии Каспия, в период понижения уровня моря, выполнялись в 1958–1962г [Пахомова и др., 1966]. В этот период были зафиксированы сильные изменения: полное отсутствие сероводорода и значительное увеличение содержания кислорода до 4–5 мл/л [Пахомова и др., 1966; Салманов, 1987].
В конце 70-х годов прошлого столетия (рис. 2.3.2.) начинается подъем уровня Каспийского моря. С 1995 г. сотрудники ВНИРО возобновили регулярные гидрохимические исследования Каспия [Сапожников и др., 2007]. В 2006 г было обнаружено резкое снижение содержания кислорода в придонных водах глубоководных впадин Среднего и Южного Каспия и появление запаха сероводорода в придонной пробе.
В 2008 к исследованиям подключились Институт океанологии РАН и Институт микробиологии РАН [Иванов и др., 2013; Леин и др., 2011].
В 2011 г наличие сероводорода в придонных горизонтах водной толщи Дербентской и Южной котловин было вновь подтверждено и сотрудниками ВНИРО [Сапожников и др., 2010]. Более детальные исследования распространения и генезиса сероводорода в глубоководных котловинах Каспия выполнялось во время 39–ого рейса НИС «Рифт», май–июнь 2012г (табл. 2.2.8.1.) [Иванов и др., 2013 ]. В таблице показано, что в нижней 175–метровой толще на ст. 3907 и в 120–метровой толще на ст. 3916 обнаруживался растворенный сероводород. Его содержание увеличивалось от верхней границы его обнаружения к придонным горизонтам. Во всех пробах сероводородной воды происходит современный процесс микробной сульфатредукции [Иванов и др., 2013].
Скорость сульфатредукции впервые исследовалась и в верхних горизонтах восстановленных осадков глубоководных впадинах Среднего и Южного Каспия. В изученных осадках активный процесс сульфатредукции обнаружен уже в самом верхнем горизонте осадков, отобранных мультикорером, а также в слое наддонной воды, которая контактирует с наилком [Иванов и др., 2013]. Из этих исследований следует, что в последние годы в Дербентской и в Южной котловинах появился сероводород, что подтверждается уже в течение 4–х лет подряд.
Распределение основных гранулометрических фракций
Самая обширная область высоких концентраций пелитовой фракции расположена в Уральской бороздине [Хрусталев, 1978]. Значительные концентрации пелита встречены в осадках Мангышлакского залива. Кроме того, повышенные концентрации пелитовой фракции наблюдаются в преддельтовых участках рек Волги, Урала и Терека [Хрусталев, 1978, 1983].
Комплексные исследования при непосредственном участии автора показали, что по гранулометрическому составу современные донные осадки Среднего и Южного Каспия сложены преимущественно частицами пелитового размера (табл. 5.2.3.; 5.2.4.; 5.2.5.; 5.2.7.), как было описано и в более ранних работах [Кленова, 1951; Страхов и др., 1954; Лебедев и др., 1973; Каспийское море…, 1989;]. Автором подтверждено, что в глубоководных впадинах содержание пелитовой фракции велико и составляет более 90%. Значительно меньшее распространение имеет алевритовый материал. Содержание песчаной фракции в глубоководных частях моря имеет подчиненное значение и исчисляется десятыми долями процента (табл. 5.2.3.).
Такое распределение осадочного материала на западном шельфе Среднего Каспия связано с активной поставкой обломочного материала горными реками. Более крупный материал оседает в шельфовых зонах после выноса его реками, а тонкий пелитовый материал с помощью гидродинамического режима переносится в глубоководные части Каспийского моря.
Западная и восточная части Среднего Каспия заметно различаются по распределению материала. Автором показано, что на западе содержание пелитовой фракции составляет около 50%, а к юго-востоку оно постепенно увеличивается (табл. 5.2.5.), т.к. сказывается аридность климата (бессточный режим) и основная поставка осадочного материала, которая осуществляется за счет эоловых потоков из пустынь. Табл. 5.2.5. Гранулометрический состав образцов восточной части
Среднего Каспия (рис.4.1.4.). Станция Глубина, м Координаты Гравий 1 мм Песок 1-0,1 мм Алеврит0,1-0,01мм Пелит 0,01мм На восточном борту Дербентской впадины преобладает очень тонкий материал с содержанием пелитовой фракции свыше 80%. Но дальше по мере приближения к берегу количество пелитового материала уменьшается и возрастает содержание алевритового материала, за счет накопления биогенного материала, представленного ракушняком.
Около Ашеронского порога происходит накопление алеврито-пелитовых и пелито-алевритовых илов с примесью ракушечного материала (табл. 5.2.6.). Эта зона отличается невысокими глубинами, поэтому происходит накопление более крупного материала, а значительная часть пелитового материала переносится в глубоководные части моря. Табл. Гранулометрический состав образцов, расположенных около Апшеронского порога (рис.4.1.4.).
Установлено, что Южный Каспий характеризуется более тонкозернистым материалом, но имеет аналогичную картину распределения гранулометрических фракций по площади дна. Почти вся площадь дна Южной части Каспийского моря покрыта тонкозернистыми осадками, где концентрация пелитовой фракции составляет 80%. Южная глубоководная впадина характеризуется тонкозернистым материалом с содержанием пелитовой фракции 90% (табл. 5.2.7.).
По мере уменьшения глубины и приближения к берегу происходит накопление более крупного и грубого материала. Вблизи Апшеронского порога – накопление алевритового и алеврито-пелитового материала с примесью ракушняка. В восточной части Южного Каспия на глубине 50 м развиты хемогенные осадки, представленные карбонатными оолитовыми песками, крупнопесчаной размерности.
Уникальная особенность Каспийского моря, о чем было сказано в предыдущем разделе, заключается в распространении обширного поля ракушняка на дне шельфовых областей Каспия. Это косвенно указывает на активную вдольбереговую гидродинамику и, как следствие, на невозможность аккумуляции более тонких фракций. Это поле биофильтраторов бентоса. Организмы принудительно (фильтрацией) удаляют взвешенный материал из придонных вод (поверхностного слоя осадков) и используют органический материал для питания.
Изучение минерального состава тонких фракций донных осадков с помощью ренгеноструктурного анализа
Количество КПШ уменьшается от верхних горизонтов вниз по разрезу. Кальцит накапливается на всем протяжении осадочной толщи с небольшим увеличением к нижним горизонтам колонки. В осадках этой колонки был обнаружен сидерит, который не был зафиксирован в предыдущем разрезе. Его образование может быть связано с жизнидеятельностью микроорганизмов. Мы знаем, что в Дербентской впадине высокие концентрации имеет Fe, порядка 5% [Козина и др., 2013]. Итак, при определенных условиях (в результате жизнидеятельности микроорганизмов в отложениях) процесс микробной железоредукции сопровождается образованием минералов [Леин, 2014], в данном случае сидерида и пирита. Сидерит, доломит и арагонит встречены не во всех интервалах в небольших количествах. Что касается Mg-кальцита, то здесь наблюдается похожая картина, как и на предыдущей станции 3904, расположенной севернее. В верхних горизонтах до 6 см его обнаружено не было, а дальше происходит увеличение этого минерала к низу колонки. Такое распределение Mg-кальцита связано с разбавлением верхнего слоя осадка терригенным материалом и органическим веществом и активным накоплением этого минерала в более нижних горизонтах. В осадках этой колонки пирит обнаружен с 3.5 см и встречается вплоть до нижних горизонтов колонки. На данной станции происходит активное накопление гипса, и его концентрации в осадочной толщи колонки 3907 в десятки раз выше чем в осадках предыдущей колонки 3904. Такое аутигенное накопление гипса связано, прежде всего, с распространением в этой зоне сероводорода и активными диагенетическими процессами. Концентрации хлорита и каолинита в осадках колонки 3907 в три раза превышают концентрации этих же минералов в осадках предыдущей колонки 3904. Кроме того, наблюдается определенная закономерность размещения этих минералов, максимальные их концентрации приурочены к верхним горизонтам, далее вниз по разрезу происходит уменьшение их содержания. В распределении иллита по разрезу можно наблюдать похожую закономерность увеличения его концентраций вниз по разрезу. Смектит обнаружен во всех интервалах колонки и его содержание составляет минимальные значения.
Минеральный состав осадков станции 3907 (Дербентская котловина, глубина 720 м). Следующая колонка (ст. 3916) расположена в Южно-Каспийской впадине на глубине 1000 м. Здесь обнаружено сероводородное заражение [Иванов и др., 2013]. В этой зоне осадок представлен слабоизвестковыми пелитовыми илами серо-зеленого, серого, светло-серого цвета с многочисленными включениями гидротроилита и известковыми илами светло-серого, мелоподобного цвета с небольшим количеством гидротроилитовых примазок. С 9 до 35 см обнаружена пористая текстура, связанная с выделением газов (приложение 2). Минеральный состав донных осадков данной колонки (Южно-Каспийская впадина) (рис. 6.2.4.; табл. 6.2.2.) значительно отличается от предыдущих двух, расположенных в Среднем Каспии. Южный Каспий характеризуется иной обстановкой осадконакопления. При непосредственном участии автора выявлено, что в верхних горизонтах колонки от 0 до 3–х см, обогащенной Mn (рис. 6.2.4.), впервые в осадках Каспийского моря был обнаружен редкий минерал двойной карбонат кальция и марганца – кутнагорит (CaMn[CO3])2 [Дара, Козина, Гордеев, 2013].
Что касается других карбонатных минералов, то, к примеру, кальцит и Mg-кальцит распространены по всему разрезу с увеличением концентраций к нижним горизонтам. Арагонит встречен в 3–х интервалах в небольших количествах. Помимо карбонатных минералов в осадках данного разреза присутствуют кварц, полевые шпаты (альбит, КПШ), пирит, гипс, NaCl и глинистые минералы (хлорит, каолинит, иллит и монтмориллонит). Распределение концентраций кварца в осадках колонки 3916 (ЮжноКаспийская впадина) имеет похожую картину распределения кварца в осадках предыдущей колонки 3907 (Дербентская впадина). В верхнем горизонте его содержание минимально, после чего происходит увеличение кварца к нижним слоям разреза. В осадках этой колонки (ст.3916) концентрации кварца, также как и в предыдущей колонке (ст. 3907) более низкие, по сравнению с количеством кварца в первой колонке (ст. 3904, северная часть Среднего Каспия). Более низкие концентрации кварца в осадках колонок 3907 и 3916 зависят от местоположения этих станций. Обе эти станции (3907, 3916) расположены на значительном удалении от берега, в глубоководных частях Среднего и Южного Каспия, Дербентской и ЮжноКаспийской впадине. Тем самым, влияние выносов обломочного материала реками почти не сказывается на осадкообразовании глубоководных впадин. К тому же, в верхних горизонтах данных разрезов протекают активные диагенетические преобразования. Альбит присутствует в осадках на всем протяжении разреза практически в равных концентрациях. Накопление КПШ происходит на всем протяжении разреза и лишь в одном горизонте 0.5–1 см КПШ выпадает, как раз, где происходит активное накопление кутнагорита. Развитие пирита в осадке данного разреза происходит почти на всем протяжении колонки, за исключением верхних горизонтов 0.5–4 см, где пирит выпадает из осадка. Что касается гипса, то его концентрации распределяются равномерно по всему разрезу, за исключением двух горизонтов 0.5–1 см и 1–1.5 см, где его концентрации увеличиваются в несколько раз. Такое увеличение аутигенных минералов связано активно протекающими диагенетическими процессами. Среди глинистых минералов преобладающим минералом, как и в предыдущих разрезах, является иллит. Его содержание по разрезу не сильно варьирует. Хлорит и каолинит также распространены равномерно по всему разрезу колонки. Кроме того, в Южно Каспийской глубоководной впадине (ст. 3916) был обнаружен монтмориллонит, который не был зафиксирован в предыдущих разрезах.
