Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Факторы, определяющие процессы переноса взвешенного вещества в Баренцевом и Печорском морях 10
1.1. Климат 10
1.2. Берега 13
1.3. Рельеф дна 16
1.4. Гидрологический режим 19
1.5. Ледовый режим 27
1.6. Сток рек 29
1.7. Донные осадки 32
Глава 2. Источники взвешенного вещества в Баренцевом и Печорском морях 36
2.1. Абразия берегов и дна 36
2.2. Аэрозоли 39
2.3. Лед 40
2.4. Реки 44
2.5. Течения 44
2.6. Биогенные источники 46
2.7. Гравитационные процессы на крутых склонах дна 48
2.8. Антропогенные источники 48
Глава 3. Материалы и методы изучения взвеси и потоков осадочного вещества 51
3.1. Экспедиционные методы изучения взвеси и потоков осадочного вещества 54
3.1.1. Изучение взвешенного вещества 54
3.1.1.1. Отбор проб, фильтрация 56
3.1.1.2. Оптические методы 57
3.1.2. Изучение потоков осадочного вещества 59
3.2. Изучение состава вещества лабораторными методами 62
3.2.1. Изучение гранулометрического состава взвеси 62
3.2.1.1. Сканирующая электронная микроскопия 62
3.2.1.2. Использование лазерно-оптического счетчика частиц 63
3.2.2. Изучение вещественного состава взвеси 63
3.2.3. Изучение минерального состава взвеси 64
3.2.4. Изучение химического состава взвеси 64
Глава 4. Количественное распределение взвеси в Баренцевом и Печорском морях 66
4.1. Количественное распределение взвеси в акватории 67
4.2. Количественное распределение взвеси в фиордах 92
Глава 5. Состав взвеси Баренцева и Печорского морей 113
5.1. Гранулометрический состав взвеси 113
5.2. Вещественный состав взвеси 120
5.3. Минеральный состав взвеси 145
5.4. Химический состав взвеси 150
.4.1. Взвешенный органический углерод 150
5.4.2. Макро- и некоторые микрокопоненты взвеси 163
Глава 6. Потоки осадочного вещества в Баренцевом и Печорском морях 166
6.1. Горизонтальные потоки осадочного вещества 166
6.2. Вертикальные потоки осадочного вещества 174
Заключение 190
Список литературы 192
Приложение 221
- Гидрологический режим
- Количественное распределение взвеси в акватории
- Вещественный состав взвеси
- Вертикальные потоки осадочного вещества
Введение к работе
Актуальность проблемы. Во второй половине ХХ века теория седиментогенеза быстро развивалась, особенно в связи с широким использованием сравнительно-литологического метода. В работах Н.М. Страхова [1962, 1976] и А.П. Лисицына [1974] было убедительно показано, что для познания осадочного процесса необходимо всестороннее изучение осадочного вещества от зарождения до отложения на дно конечных водоемов стока с последующими сложными превращениями осадков в осадочные породы, в том числе и изучение взвешенного вещества (взвеси).
Изучение взвеси требует комплексного подхода – соединения воедино геологических, биологических, гидрологических, оптических и геохимических параметров морской среды.
Взвесь является важным звеном в цепи глобального переноса вещества, поэтому знание закономерностей ее распределения и состава необходимо для понимания процесса современного осадконакопления. С практической точки зрения, взвесь является чутким индикатором загрязнения окружающей среды микроэлементами, а также переносчиком загрязняющих веществ на дальние расстояния, то есть ее изучение помогает и в экологической оценке состояния акватории. Природные комплексы морей Арктики являются неустойчивыми и уязвимыми к антропогенным воздействиям. Открытие Штокманского газогидратного месторождения, нефтяного «Приразломного» еще больше заинтересовало исследователей западного сектора Российской Арктики в части «взвеси» с точки зрения экологических проблем при освоении этих месторождений. Назрела острая необходимость исследования взвеси как носителя загрязняющих веществ, как фона при обустройстве месторождений, для изучения видимости под водой при проведении оборонных мероприятий, при промысловом рыболовстве и т.д. Нельзя забывать и то, что Баренцево и Печорское моря из морей Российской Арктики испытывают наиболее сильное влияние Атлантики не только в климатическом плане, но и в связи с переносом поллютантов из европейской прибрежной зоны.
Во второй половине ХХ века Институт океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР начал планомерное изучение взвешенного вещества Баренцева и Печорского морей. По мере усовершенствования методик эти исследования повторялись, охватывались новые районы. Чтобы идти дальше в исследовании взвеси, необходимо обобщение своего и предшествующих материалов на современном уровне.
Цель работы: изучение закономерностей количественного распределения и состава водной взвеси, потоков осадочного вещества в Баренцевом и Печорском морях.
Задачи:
изучение количественного распределения взвешенного вещества в Баренцевом и Печорском морях;
изучение гранулометрического, минерального, химического составов взвешенного вещества Баренцева и Печорского морей;
изучение взвешенного вещества во фиордах западного сектора Российской Арктики;
изучение горизонтальных и вертикальных потоков осадочного вещества.
Научная новизна. На базе собранного автором материалов с использованием современного комплекса судовых и дистанционных (спутниковых) методов с учетом всех предыдущих исследований впервые проведено обобщение по распределению взвешенного вещества в Баренцевом и Печорском морях и в фиордах западного сектора Российской Арктики. Впервые изучен вещественный состав взвеси этих морей разнообразными методами. Трассированы горизонтальные потоки осадочного материала, дана оценка вертикальных потоков осадочного материала в Баренцевом и Печорском морях, определена роль потоков в осадконакоплении на гляциальных шельфах.
Объект исследования: взвешенное вещество в водах Баренцева и Печорского морей.
Фактический материал, личный вклад автора. Работа основана на результатах исследования взвеси и вертикальных потоков осадочного вещества Баренцева моря, проведенного в 3-х рейсах НИС «Академик Сергей Вавилов» автором с коллегами в 1997–98 гг. [Иванов, Айбулатов, 1998; Айбулатов и др., 1999; Романкевич, 1999; Политова и др., 2000; Шевченко и др., 2003, 2004, 2005; Lisitzin et al., 2000], проб сепарационной взвеси, собранной в рейсе НИС «Профессор Штокман», и обобщении литературных данных. Автор в экспедициях принимала участие в отборе проб воды, выполняла сбор взвеси на ядерные фильтры, участвовала в постановке седиментационных ловушек. Работы в комплексных экспедициях дали возможность сравнить результаты измерений с данными гидрологических, оптических и геологических исследований. Применение спутниковых методов (сканеры SeaWiFS и MODIS-Aqua) позволило охватить всю площадь поверхности моря и проследить главные изменения по сезонам года на протяжении четырех лет. В экспедициях удалось профильтровать более 1000 проб воды, проанализировать по ним распределение концентраций взвешенного вещества, изучить состав взвеси; изучено 9 проб сепарационной взвеси. В лабораторных условиях автор проводила исследования под электронным сканирующим микроскопом, подготавливала пробы к различным видам анализа. Диссертантом выполнена интерпретация и обобщение полученных материалов.
Достоверность результатов. Данные по количественному распределению и составу взвеси получены с помощью современных методов пробоотбора и анализа на борту НИС «Академик Сергей Вавилов» и НИС «Профессор Штокман», в лабораториях ИО РАН, ГЕОХИ РАН, Института полярных и морских исследований им. А. Вегенера (Германия) совместно с коллегами из перечисленных научных учреждений. Для проверки достоверности результатов использованы международные стандарты химического состава. Достоверность выводов обеспечена обширным фактическим материалом и применением независимых методов анализа.
Практическая значимость: Кроме фундаментального значения работы для понимания современных процессов седиментогенеза предлагаемая работа имеет важное значение для изучения экологических проблем, возникающих при обустройстве Штокманского газогидратного месторождения, нефтяного Приразломного и др., а также для мониторинга состояния окружающей среды.
Кроме того, исследование переноса взвеси в фиордах архипелага Новая Земля чрезвычайно важно для понимания судьбы радиоактивных свалок (дампинг) в восточных фиордах архипелага Новая Земля [Айбулатов, 2000].
Так как Баренцево море, по существу, является военным русско-американским морским полигоном, данные о видимости под водой имеют немаловажное значение.
Кроме того, динамика взвеси – это динамика химических элементов, поэтому ее изучение важно для рыболовства, которое в Баренцевом море является профилирующей отраслью хозяйства.
Защищаемые положения:
-
Баренцево и Печорское моря отличаются невысокими содержаниями взвеси по сравнению с морями других климатическихм зон, но они выше значений в других арктических морях из-за влияния атлантических вод.
-
В вещественном составе взвеси велика доля терригенной составляющей, но в открытой части Баренцева моря она перестает играть решающую роль и в составе взвеси преобладают биогенные частицы.
-
Горизонтальный перенос осадочного вещества в морях западного сектора российской Арктики образует ряд отдельных потоков, подпитывающихся со стороны континентальной и островной суши. Основные потоки, отличающиеся своей мощностью и вещественным составом: Кольский, Западно-Новоземельский и Северный в Баренцевом море и Северный Колгуевский и Южный Колгуевский – в Печорском.
-
Вертикальные потоки осадочного вещества во внутренних областях моря сравнительно низки.
-
Значительный горизонтальный и вертикальный перенос осадочного вещества в фиордах западного сектора Российской Арктики (Кольский п-ов, архипелаг Новая Земля) ограничен пространством самого фиорда из-за особенностей морфологического строения горла фиорда и не является ощутимой подпитывающей ветвью для потоков, развивающихся в открытом море.
Апробация работы. Основные результаты и отдельные положения исследования были доложены диссертантом на коллоквиумах Лаборатории шельфа и морских берегов им. В.П. Зенковича Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, на совещании «Арктика-99» (Москва, 1999), Международной конференции PACON-99 (Москва, 1999), ХХ Международной конференции «Человечество и береговая зона Мирового океана в 21 веке» (Москва, 2000), XIV и XVI Международной научной Школе по морской геологии «Геология морей и океанов» (Москва, 2001, 2005), рабочих совещаниях LOIRA (Москва, 2002, 2004), Международной конференции «Современные экологические проблемы Севера (к 100-летию со дня рождения О.И. Семенова-Тян-Шанского)» (Апатиты, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ (статей и тезисов докладов), в том числе 3 статьи в реферируемых журналах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, содержащего основные выводы, и приложения. Общий объем диссертации составляет 251 страницу; содержит 66 иллюстраций, 2 таблицы. Приложение состоит из 7 таблиц. Список литературы включает 281 библиографическую ссылку, из них 63 работы из зарубежный изданий.
Гидрологический режим
Общая циркуляция вод моря сложна и изменчива (рис. 1.2). Наиболее мощным потоком, во многом определяющим гидрологический режим моря, является Нордкапское течение. Оно движется из Норвежского моря в восточном направлении со скоростью около 25 см/с, привнося теплые прозрачные воды Атлантического океана с температурой +4 - +12С и соленостью около 35%о (в Арктический регион в год поступает 225 103 км3 воды из Атлантического океана [Романкевич, Ветров, 2001]). В районе 25 в.д. это течение разделяется на Прибрежное со скоростью на поверхности около 40 см/с и Северное со скоростью около 13 см/с. Часть Прибрежного течения отклоняется к юго-востоку и уходит в Белое море, а другая часть следует на северо-восток, образуя Мурманское течение. В районе Северо-Канинской банки образуется Колгуево-Печорская ветвь течения, которая уходит в Печорское море. Основная же масса Северной ветви Нордкапского течения поворачивает на запад и юго-запад, хотя частично (в районе 73 с.ш. и 30 в.д.) имеет северо-восточное направление, где включается в циклонический круговорот. Из-за большого притока теплых атлантических вод Баренцево море - одно из самых теплых в Северном Ледовитом океане. Большая часть тепла Нордкапского течения (около 89%) расходуется на нагрев атмосферы, благодаря чему над Норвежским и Баренцевым морями создаются положительные аномалии температуры. В результате тепло- и массобмена между океаном и атмосферой происходит пополнение энергией атмосферных циклонов, создаются условия, препятствующие замерзанию вод и формируются системы циркуляции открытого океана. Объем поступающих атлантических вод оценивается в 50-75 тыс. км3/год.
Холодное течение движется с востока на запад вдоль возвышенности Персея и в районе о-ва Надежды, сливаясь с Восточно-Шпицбергенским, образует Медвежинское течение со скоростью около 50 см/с. Холодные воды течения Литке поступают через Карские Ворота [Добровольский, Залогин, 1982; Pfirman et al., 1995]. А на северо-востоке в море поступает холодное течение Макарова. Вдоль восточного шельфа архипелага Шпицберген идет поставка арктических поверхностных вод Восточно-Шпицбергенским течением.
В Баренцевом море выделяют следующие водные массы [Родионов, Костяной, 1998]:
атлантические теплые (4-12С) и соленые (35%о) воды, поступающие с Нордкапским течением, а также в промежуточных горизонтах с севера и северо-востока;
арктические воды с отрицательными температурами и пониженной соленостью, приходящие с севера с поверхностными течениями;
прибрежные воды, образованные материковым стоком, Норвежским прибрежным течением и вытоком из Белого моря (они характеризуются низкой соленостью, имеют летом высокую, а зимой низкую температуру);
баренцевоморские воды, образующиеся в результате взаимодействия и трансформации вышеперечисленных вод. Они отличаются низкой температурой и высокой соленостью. В зимнее время вся северо-восточная часть моря заполнена баренцевоморскими водами, а юго-западная - атлантическими. Летом в поверхностном слое преобладают арктические воды - на севере, атлантические - в центральной части, прибрежные - в южной. В глубинных слоях в северной части располагаются баренцевоморские воды, в южной -атлантические.
При смешении теплых и холодных течений образуется Северо-Атлантический полярный гидрологический фронт, воды которого в большей мере обогащены кислородом, способствующим росту биопродуктивности в этой зоне. Полярные фронты океана, являясь климатическими образованиями глобального масштаба, имеют много общих черт. В Северной Атлантике и прилегающих Баффиновом, Норвежском, Гренландском и Баренцевом морях происходит сложное взаимодействие сравнительно соленых (35-36%о) и теплых (10-20С) водных масс Северо-Атлантического течения (Гольфстрим) с более холодными (менее 5-10С) и распресненными арктическими и субарктическими водами различного происхождения.
В.Б. Родионов и А.Г. Костяной [1998] выделяют следующие основные фронтальные зоны на акватории Баренцева моря (рис. 1.3):
1. Медвежинская - зона взаимодействия вод Медвежинского течения с водами Нордкапского течения и Шпицбергенская - зона взаимодействия вод Восточно-Шпицбергенского течения с окружающими водами на северо западе моря.
2. Фронтальная зона, локализованная вдоль периферии Западного желоба Баренцева моря, в зоне смешения вод северной ветви Нордкапского течения с окружающими водами.
3. Фронтальная зона Центральной возвышенности, образующаяся при взаимодействии вод центральной ветви Нордкапского течения с баренцевоморскими водами, образующимися над Центральной возвышенностью.
4. Фронтальная зона на периферии Центральной впадины, образующаяся при взаимодействии баренцевоморских вод с атлантическими и прибрежными водами.
5. Прикромочные, или арктические фронтальные зоны, образующиеся на периферии линзы холодных распресненных вод при таянии льда.
6. Фронтальные зоны восточной части Баренцева моря, обусловленные взаимодействием вод Мурманского и Новоземельского течений с водами шельфа архипелага Новая земля и северной части Печорского моря.
7. Прибрежные фронтальные зоны, образующиеся при взаимодействии баренцевоморских вод, вод прибрежной ветви Нордкапского течения, вод Мурманского течения и речных вод.
Определяя свойства и гидрологические границы водных масс, СП. Тарадин [1989] намечает так называемые горизонтальные фронтальные зоны: сезонный слой скачка, существующий почти на всей акватории моря в теплую часть года на глубинах от 20 (весной) до 70 м (осенью); промежуточная, имеющая различное происхождение; глубинная, которая ограничивает сверху баренцевоморские воды, стекающие по желобам в сопредельные глубоководные бассейны центральной части моря; придонная, отделяющая воды дна Центральной впадины Баренцева моря.
Распределение поверхностной температуры воды характеризуется ее общим понижением с юго-запада на северо-восток и с юга на север. Зимой на юге температура поверхностной воды равна +4, +5, в центральной части от +3С до нуля, а на севере становится отрицательной. Летом температура поверхностной воды близка к температуре воздуха. В южной части она равна +8, +9, в центральной части +3, +5С, а севернее 79 с.ш. наблюдаются отрицательные значения, близкие к температуре замерзания. Максимум температуры воды на поверхности почти всей акватории Баренцева моря наступает в августе, на глубине - позднее.
Вертикальное распределение температуры водной толщи почти всецело зависит от проникновения теплых атлантических вод, от зимнего охлаждения и от рельефа дна. В юго-восточной части, наиболее подверженной влиянию атлантических вод, температура плавно понижается с глубиной, оставаясь положительной до дна. На севере, востоке и юго-востоке влияние атлантических вод резко падает. Пришедшие в эти районы атлантические массы охлаждаются и в течение всего года сохраняют отрицательную температуру от поверхности до дна.
В придонных слоях существуют некоторые пространственные различия в сроках наступления минимальной температуры воды. В мелководных юго-восточных районах и в прибрежной зоне минимум теплосодержания от поверхности до дна наблюдается одновременно. В районах с переуглубленным рельефом с глубинами около 200-300 м, минимальных значений придонная температура может достигать в мае-июне, а иногда и в июле. На юго-западе, а также в районах с глубинами более 300 м основную роль в сезонных изменениях теплосодержания придонных масс играет адвективная составляющая теплового баланса. Поэтому здесь годовой ход температуры может иметь несколько экстремумов, время наступления которых зависит от внутри годовых колебаний адвективной компоненты [Химическое процессы..., 1997].
Количественное распределение взвеси в акватории
Закономерности количественного распределения взвешенного материала в Баренцевом и Печорском морях изучалось автором в экспедициях, проводившихся в конце летнего и в осенний период. То есть фактический материал был получен лишь для этих сезонов. Но анализ спутниковых карт сканеров цвета SeaWiFS и AquaModis, верификация которых проводилась в этих экспедициях, позволяет увеличить объем наблюдений. Осреднение проводилось по месяцам, когда акватория была свободна от льда [Копелевич и др., 2002].
В целом, для Баренцева и Печорского морей характерно невысокое содержание взвешенного вещества в водной толще. Картина распределения концентраций взвеси отличается пятнистостью.
В конце августа-начале октября 1997 г. (11-ый рейс НИС «Академик Сергей Вавилов») работы проводились по разрезам, как бы очерчивающим воды Баренцева моря по границам (российским или с другими морями). Концентрации взвешенного вещества для акватории моря составляли в среднем 0.53 мг/л, для поверхностных вод это значение меньше - 0.29 мг/л. Абсолютный максимум концентрации взвеси (1.5 мг/л) отмечается на широтах 71-72 в Нордкапской ветви Гольфстрима. На разрезе по 37-40 в.д. (положение разрезов показано на рис. 4.1, 4.2), несмотря на определенные различия в вертикальном распределении взвеси на юге и севере, надо отметить то общее, что характерно для всех широт от 7130 до 80 с.ш. Максимумы концентрации взвеси приурочены к верхнему 30-3 5-метровому слою и к придонному слою. Повышенная концентрация взвеси в верхнем слое объясняется поступлением терригенного материала с суши, биологическими процессами (развитие фитопланктона) и наличием слоя скачка плотности [Айбулатов и др., 1999; Зернова и др., 2001, 2002, 2003, 2005]. Это характерно и для других бассейнов [Айбулатов, 1990]. В промежуточном слое (70-180 м) концентрация взвеси падает до 0.2-0.3 мг/л. Этот слой просветленной воды непрерывен вплоть до 80с.ш. В придонном слое (первые десятки метров) почти на всем протяжении обоих западных меридиональных разрезов фиксируется повышенная концентрация взвеси ( 0.5 мг/л). Такие слои повышенной концентрации взвеси известны в литературе как нефелоидные слои [Biscaye, Eittreim, 1977; Gardner, 1989; Pfirman et al., 1995; Thomsen, Gust, 2000]. Выше них располагается слой со значительными градиентами прозрачности - придонный нефелоклин. Ведущую роль в их формировании играют придонные течения, способные эродировать дно, сложенное рыхлыми осадками. Другим источником взвеси для нефелоидного слоя являются частицы, оседающие из верхних слоев воды. Доходя до придонного слоя, они не могут осесть из-за достаточно сильных придонных течений и перемещаются вдоль дна в горизонтальном направлении. Нефелоидные слои широко распространены в Мировом океане и приурочены к зонам распространения холодных вод из полярных бассейнов [Biscaye, Eittreim, 1977; Gardner, 1989; Пыхов, 1989; Thomsen, Gust, 2000; Лукашин, 2006]. Тонкие частицы (7-9 мкм) в нефелоидном слое имеют столь малую скорость оседания, что в спокойных условиях они будут оседать с высоты 100 м до дна в течение месяца.
Вероятны и другие причины образования слоев с высокой концентрацией частиц. При резких изгибах рельефа нефелоидный слой, продолжая свой путь вдоль дна под воздействием течений, отрывается от него в виде пальцеобразной интрузии в более просветленные слои воды (рис. 4.2). Другой механизм образования нефелоидного слоя связан с накоплением взвеси в отрицательных формах донного рельефа.
На широтном разрез по 80 с.ш. у северных границ Баренцева моря (рис. 4.3) на всем протяжении от 42 до 48 в.д. просматривается трехслойная вертикальная структура распределения взвешенного вещества. Верхний слой 20-25 м характеризуется концентрацией взвеси 0.2-0.4 мг/л, далее идет мощный (275 м) слой очень чистой воды с концентрацией взвеси всего 0.1-0.2 мг/л. И, наконец, придонный нефелоидный слой мощностью около 25 м с концентрацией взвеси 0.2-0.4 мг/л.
К востоку по разрезу от 48 до 57 в.д. картина резко меняется. Во-первых, верхний слой не столь однороден: здесь можно выделить в ряде мест, по крайней мере, 4 слоя с различными значениями концентрации взвеси. Промежуточный слой (120 м) - самый чистый ( 0.1 мг/л) за время наших измерений в экспедиции. Придонный слой не столь ярко выражен (0.1-0.3 мг/л) и очень тонкий. Это объясняется значительным огрубением материала в поверхностном слое осадков и ограниченностью взмучивания.
Повышенное количество взвеси в поверхностном слое кроме гидрологических причин, отмеченных выше, объясняется повышенным содержанием хлорофилла "а" (ст. №№ 882-887) по сравнению с другими районами Баренцева моря [Ведерников. Гагарин, 1998]. Такое повышение продуктивности поверхностных вод обусловлено более ранними по сравнению с южными районами стадиями сезонной сукцессии планктона [Фомин, 1985] в зоне таяния льдов (MIZ - marginal ice zone) [Лисицын, 2001а], что подтверждено и нашими исследованиями [Зернова и др., 2001, 2002, 2003, 2005]. Общая чистота северных вод Баренцева моря свидетельствует о том, что айсберги с ледников Земли Франца-Иосифа из-за удаленности от аэрозольных источников содержат мало взвешенного материала.
Исследования В.Ю. Русакова с соавторами [2004] взвешенного вещества в желобе Франц-Виктория (октябрь 1998 г.) показали, что распределение взвеси в желобе имеет ярко выраженную трехслойную структуру: концентрации менялись от 1.1 мг/л в слое над пикноклином (где основной составляющей являются остатки диатомовых водорослей) до 0.1-0.2 мг/л в промежуточном слое и до 1.8 мг/л в придонном нефелоидном слое, образовавшимся в связи с каскадингом.
Разрез по 60 в.д. (рис. 4.4), сохраняя в целом общую, отмеченную ранее, закономерность распределения взвеси по вертикали (наличие трехслойности) - один из наиболее сложных. Он сложен по рельефу дна; в северной половине разреза дно имеет перепады относительных отметок глубин до 290 м. Отличительная черта северо-восточного разреза -увеличение толщины поверхностного слоя, плавный переход поверхностного слоя в промежуточный и далее в придонный, что свидетельствует об интенсивном процессе смешения поверхностных и глубинных вод. Нефелоидный слой, строго говоря, выражен слабо, а на юге разреза и вовсе отсутствует.
Поверхностный слой крайне неоднороден. "Облака мутности", отмечаемые на севере разреза (78-80с.ш.) в толще слоя, могут быть квалифицированы как дискоидные образования, которые наблюдаются там, где есть условия для разрушения внутренних волн [Серебряный, 1985].
В августе-сентябре 1994 г. на границе Баренцева и Карского морей в желобе Святой Анны проводились комплексные исследования, включающие и исследования взвешенного вещества поверхностного слоя воды [Иванов и др., 1997; Shevchenko et al., 1997, 1999]. Содержания взвеси в желобе составляли от 0.11 до 1.74 мг/л, при этом наибольшие концентрации наблюдались на северо-востоке у границ тающих льдов (MIZ). В целом по Баренцеву морю содержания взвеси в поверхностном слое были невелики, максимальные значения наблюдались в водах Нордкапского течения и у побережья Кольского полуострова (0.38-0.41 мг/л), а наименьшие (0.07 мг/л) в желобе Франц-Виктория. Такие низкие общие концентрации можно объяснить низкой биологической продуктивностью моря в этот период (кроме зон MIZ).
Исследования осенью 1997 г. также проводились и в проливе Карские Ворота (рис. 4.5), через которые, как известно, осуществляется водообмен между Карским и Печорским морями. Гидрологические и спутниковые наблюдения показывают, что в северной части пролива существует течение Литке, направленное на запад, а в южной - Печорское течение, направленное на восток из Печорского моря [Pfirman et al., 1995]. Дно в центральной части пролива осложнено наличием банки асимметричной формы с относительной высотой около 25 м (глубина над ней 120 м). Южный склон пролива, прилегающий к о. Вайгач, круче северного с изломом в его середине (рис. 4.6).
На разрезах 1-3 в проливе (рис. 4.5) значения концентрации взвеси в толще проливных вод в среднем мало различаются. Их объединяет общая особенность поперечной структуры потоков - повышение концентрации взвеси от южного острова Новой Земли к о. Вайгач. Максимум концентрации взвеси фиксируется вблизи о. Вайгач в поверхностном слое от глубины около 50 м и менее. Здесь концентрация взвеси достигает значения 1.8 мг/л, тогда как на новоземельской стороне пролива она равна всего 0.4 мг/л. В придонном слое пролива концентрация взвеси повсеместно меньше, чем в поверхностном. Тем не менее, и здесь она увеличивается в сторону о. Вайгач.
Приведенные материалы прямых измерений взвеси хорошо подтверждают спутниковые наблюдения, фиксирующие факт наличия более мутных вод в Печорском течении.
Вещественный состав взвеси
Еще С.А. Зернов [1949] подразделил понятие взвесь, или сестон, на разнообразный (минеральный и органический) детрит и живую часть -планктон. Исследования взвешенного вещества проводились под микроскопом (оптическим и сканирующим электронным).
Сепарационная взвесь состоит преимущественно из глинистых минералов пелитовой размерности (до 90%), единичных зерен кварца, плагиоклазов, слюд, пелитоморфного карбоната, а также органогенных остатков алевритовой размерности (створками диатомей, остатками игл). В пробе сепарационной взвеси, отобранной вдоль Терского берега, увеличено количество органического детрита (25%), что, вероятно, связано с сильными течениями в этом районе (выход из Воронки Белого моря).
Поверхностная взвесь, отобранная на ядерные фильтры, в районе Мурманского прибрежья представлена большим количеством раковин, спор, минеральных зерен (до 10 мкм) (рис. 5.5). Кокколитофориды, присутствующие во взвеси, можно считать индикатором атлантических вод (Прибрежное течение).
На поверхности станции 856, расположенной на разрезе по 40 в.д., во взвеси преобладают споры динофлагеллат, мелкие минеральные зерна (2-Ю мкм), отдельные растительные волокна, обломки диатомей (рис. 5.6). С глубиной количество взвеси уменьшается, представлена она, в основном, минеральными зернами (1-Ю мкм, редко - 20 мкм), единичными створками Chaetoceros sp., сине-зелеными водорослями. В придонном слое количество взвеси на фильтре возрастает, представлена она более крупными минеральными частицами (до 30 мкм), клетками и обломками диатомей, спорами.
У Земли Франца-Иосифа количество взвеси уменьшается, представлена она преимущественно минеральными зернами (2-12 мкм, до 20 мкм), единичными створками диатомей, спорами (рис. 5.7).
На разрезе по 60 в.д. взвешенного вещества на фильтре много, представлена она преимущественно обломками и целыми створками Chaetoceros sp., минеральными зернами (1-5 мкм) (рис. 5.8).
В заливе Русская Гавань взвеси очень много, но представлена она лишь минеральными частицами разной размерности (10-50 мкм) и состава (кварц, глинистые минералы). Лишь на выходе из бухты встречены единичные обломки диатомовых, тинтиннид (рис. 5.9).
Исследования взвеси в проливе Карские Ворота показали, что взвеси на фильтре немного, представлена она обломками створок, минеральными зернами. Многие объекты «размазаны», разрушены вследствие сильных течений в проливе (рис. 5.10).
В районе губы Долгая (о. Вайгач) взвесь представлена мелкими минеральными частицами, створками и обломками диатомей (рис. 5.11).
Таким образом, изученная под микроскопами «неживая» часть взвеси представляет собой терригенный, преимущественно глинистый, материал с обломками створок планктона и минералов (в прибрежных районах и бухтах количество детрита увеличивается до 90-100%). Доля биогенной («живой») составляющей увеличивается в районах, где природные условия способствовали развитию фитопланктона (у кромки льда, в зоне подъема вод на границе разнонаправленных течений, а также у Мурманского побережья).
Фитопланктон
Биогенная составляющая взвеси - это преимущественно фитопланктон (диатомеи, динофлагеллаты, силикофлагеллаты). Непосредственно фитопланктону Баренцева моря, особенно его южной части, посвящен ряд работ, рассматривающих как состав водорослей, так и их количество в разное время года [Киселев, 1928; Усачев, 1935; Роухияйнен, 1967; Рыжов, 1985, 1994; Rey, Loeng, 1985; Smith et al., 1987; Васютина. 1991; Okolodkov, 1993; Ларионов, 1997; Hegseth, 1997; Матишов и др., 1999; Druzhkov, Makarevich, 1999; Wassmann et al., 1999; Rat kova, Wassmann, 2002; Кузнецов, Шошина, 2003]. Фитопланктон Баренцева и Печорского морей был подробно изучен сотрудниками Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН В.В. Зерновой и Л.А. Паутовой [Зернова и др., 2001, 2002,2003,2005; Паутова, 2001].
Несмотря на то, что сбор материала по фитопланктону был проведен в конце лета и осенью, сезонное состояние водорослей в поверхностном слое было весьма разнообразным. Это отразилось как на составе микроводорослей, так и на их количестве. Каждый из рассмотренных разрезов имеет свои особенности [Зернова и др., 2001, 2002, 2003]. Так на разрезе по 37-40 в.д. по количеству фитопланктона было выделено три района (рис. 5.12). В южном районе (69-74 с.ш.) была отмечена наиболее высокая на этом разрезе средняя численность (10410 кл/л) и биомасса (123.6 мг/м3) водорослей с преобладанием динофлагеллат, а средняя концентрация взвешенного органического углерода достигала 189 мкг/л.
Центральный район (74-78 с.ш.) отличается наиболее низкими рассматриваемыми показателями (2614 кл/л, 25.1 мг/м3, 66 мкг/л). Здесь продолжали преобладать динофлагеллаты как по числу клеток, так и по биомассе.
В северном районе (78-80 с.ш.) в зоне влияния разнонаправленных течений количество водорослей и ВОУ несколько увеличились (10700 кл/л, 82.8 мг/м , 92 мкг/л). В фитопланктоне по числу клеток преобладают «прочие» (Dinobryon balticum, Phaeocystis pouchetii), а по биомассе -диатомеи.
На широтном разрезе по 80 с.ш., проходящем южнее ледовой кромки на западе (40 49 в.д.) и среди плавающих льдов к югу от Земли Александры и Земли Франца-Иосифа (49-60 в.д.), были выделены по фитопланктону два района (рис. 5.13). Между этими районами наблюдаются значительные различия в численности и биомассе фитопланктона и меньшие по ВОУ. Если в западной части разреза численность и биомасса фитопланктона составляли 2830 кл/л и 23.5 мг/м3, то в восточной части, благодаря прикромочному влиянию льда, численность возросла в 28 раз (80250 кл/л), а биомасса - всего в 4 раза (92.8 мг/м3). Это связано с тем, что вблизи кромки льдов даже осенью продолжают развиваться в массе характерные для весны мелкие выделяющие слизь колониальные виды {Chaetoceros socialis, Dinobryon balticum, Phaeocystis pouchetii). Именно здесь был отмечен наименьший средний объем клеток (1100 мкм). Основной вклад в биомассу фитопланктона вносят более крупные виды рода Thalassiosira. Если в западной части разреза преобладали «прочие» по числу клеток, то по биомассе преобладали диатомеи, которые и в восточной части становятся абсолютными доминантами.
На меридиональном разрезе по 60 в.д. также выделяются два района (рис. 5.14). В более продуктивном северном районе летний диатомовый фитопланктон продолжает развиваться в арктических водах с присутствием льда на севере (48400 кл/л и 155 мг/м3). В южном районе, находящемся в водах прибрежной ветви Новоземельского течения [Лебедев, 1999], фитопланктона значительно меньше (1860 кл/л и 25.6 мг/м3).
Вертикальные потоки осадочного вещества
Вертикальные потоки осадочного вещества делятся на три типа: потоки тонкодисперсного вещества в виде отдельных частиц («частица за частицей»), потоки- «контейнеры» и потоки крупных панцирей [Лисицын, 2004]. Потоки «частица за частицей» в верхних слоях океана состоят преимущественно из биогенного планктонного вещества, которое на 70-90% растворяется в деятельном слое воды (до слоя скачка плотности). Другая часть биогенного и минерального материала связывается организмами-фильтраторами (зоопланктоном) в пеллетные комки («контейнеры»), а часть детрита существует не в форме пеллет, а в виде остатков отмерших организмов.
Скорость осаждения частиц определяется законом Стокса. Скорость опускания пеллет в 2-5 раз больше, чем организмов того же размера. Например, С. Хонджо [Honjo, 1976] определил среднюю скорость осаждения пеллетного материала в 160 м/сутки, и, таким образом, заключенный в них кокколитовый материал может попасть на глубины 5000 м и более за 30 суток. Скорость оседания отдельных кокколитов, не связанных в пеллеты, составляет 0.14 м/сутки, и глубины 5 км они достигнут более чем за 35 тыс. суток (т.е. пеллетный механизм повышает скорость осаждения частиц более чем в 1000 раз). Учитывая постоянные турбулентные потоки, можно определить, что за 100 лет опускания через толщу вод кокколитовый материал будет перенесен течениями на огромные горизонтальные расстояния, и, в конечном счете, не только кокколиты, но и весь материал планктона должен бы быть перемешан. Связь с биоценозами при этом была бы потеряна, так же как связь с питающими провинциями для тонкодисперсных минеральных зерен. Пеллетный же механизм переноса вещества обеспечивает эти связи.
Пеллеты имеют ограниченный срок существования. В зависимости от размеров они разрушаются на разной глубине, создавая «шрапнельный эффект», т.е. обогащая осадочный материалом глубинные слои.
К настоящему времени в Арктике вертикальные потоки осадочного вещества довольно детально изучены зарубежными учеными в Норвежском и Гренландском морях [Honjo et al., 1988; Honjo, 1990].
Очень подробные исследования потоков осадочного материала седиментационными ловушками проводились на месте гибели атомной подводной лодки «Комсомолец» в Норвежском море В.Н. Лукашиным на протяжении 5 лет [Лукашин и др., 1996 а, б, в; 1998; 2000; Лукашин, 2006]. На границе с Баренцевым морем на континентальном склоне о. Медвежий были определены вертикальные потоки равные 17.9 мг/м2/сут. на горизонте 133 м и 517 мг/м /сут. на горизонте 268 м (глубина моря 283 м). При этом состав материала в ловушках отличается: в верхней ловушке присутствовали пеллеты, органический детрит, редкий терригенный материал, а в ловушке, поставленной в придонном нефелоидном слое, значительную часть составляет хлопьевидный и другой детрит с терригенными частицами с более редкими пеллетами.
В Российской Арктике такие исследования были начаты в сентябре 1993 г. в 49-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев». Было выполнено первое исследование потоков осадочного вещества в Карском море и в эстуариях Оби и Енисея. Оно показало [Лисицын и др., 1994], что в открытой части Карского моря значения потока осадочного вещества и органического углерода низкие, а в составе осадочного вещества преобладают пеллеты копепод и эуфаузиид, а также хлопьевидные агрегаты. В эстуариях Оби и Енисея потоки осадочного вещества на два-три порядка выше, чем в открытой части моря, что является результатом осаждения взвеси на первом глобальном уровне лавинной седиментации. Осадочное вещество здесь в основном состоит из терригенного материала пелитовой и алевритовой фракций. Быстро осаждающиеся в водной толще частицы богато заселены бактериями, которые осуществляют деструкцию осадочного материала.
В 9-м рейсе НИС «Профессор Логачев» потоки осадочного вещества были изучены в желобе Святой Анны и в восточной части Баренцева моря вблизи Новой Земли [Иванов и др., 1997; Shevchenko et al., 1997]. В желобе Святой Анны на станции ПЛ-3 (7923.44 с.ш., 6958.38 в.д.; глубина моря 515 м) поток осадочного вещества сначала уменьшается с глубиной от 23 мг/м /сут. на горизонте 405 м, а затем возрастает до 27.9 мг/м /сут. на горизонте 465 м. Близ Южного острова Новой Земли отмечены значительно более высокие значения потока осадочного вещества, например, в точке с координатами 7301.22 с.ш., 5253.9Г в.д. (глубина моря 40 м) на горизонте 15 м поток равен 314 мг/м /сут. При этом осадочное вещество представлено в основном агрегатами «морского снега», в основе которых лежат диатомовые водоросли, и пеллетами зоопланктона. Но близ Новой Земли возрастает вклад минеральных частиц, поступающих в водную толщу в результате взмучивания поверхностного слоя донных осадков придонными течениями и от абразии берегов.
В 1997 г. в 11-ом рейсе НИС «Академик Сергей Вавилов» в Баренцевом и Печорском морях были установлены 5 автоматических буйковых станций (АБС), но, к сожалению, удалось получить результаты только с четырех из них (табл. 6.1).
На АБС-3 (7805.0 с.ш., 6000.2 в.д.), расположенной в глубоководной части Баренцева моря между островами Новая Земля и архипелагом Земля Франца-Иосифа (рис. 6.2), были установлены три седиментационные ловушки на глубинах 70 м, 130 м и 360 м при глубине моря 380 м. Общий вертикальный поток осадочного материала на данной станции составил: на глубине 70 м - 9.8 мг/м /сут.; на глубине 130 м - 17.7 мг/м /сут.; на глубине 360 м - 62.9 мг/м /сут. Был определен поток диатомей на данной станции. Он составлял 5.3x10 кл/м /сут. на глубине 70 м, 5.7x10 кл/м /сут. на глубине 130 м и 9.3x10 кл/м /сут. на глубине 360 м (рис. 6.3), при этом с глубиной уменьшалось количество клеток с хлоропластами, т.е. диатомей, попавших в ловушку живыми (отношение количества клеток с хлоропластами к количеству пустых створок уменьшалось с 10.1 на глубине 70 м до 0.85 на глубинах 130 м и 360 м), что было отмечено и ранее в желобе Святой Анны [Шевченко и др., 1998а; Shevchenko et al., 1999]. Подобное уменьшение можно объяснить как разрушением органического материала при опускании из эвфотической зоны, так и вымыванием пустых створок из верхнего слоя осадков.
На горизонте 70 м, у нижней границы эвфотической зоны, основным компонентом осадочного материала являются аморфные агрегаты («морской снег») размером 100-200 мкм, основой которых являются цепочки диатомовых водорослей. Преобладающими видами являлись: в первую очередь Thalassiosira bioculata (размер клеток 80x40 мкм), Thalassiosira gravida (размер клеток 30x30 мкм), Thalassiosira nordenskioeldii. Наряду с отмершими встречались живые и делящиеся клетки.
