Вертикальные потоки осадочного вещества в Белом море

Потоки вещества в толще вод от поверхности до дна являются прямой (инситной) основной количественной характеристикой при изучении осадкообразования, позволяют в динамике и во времени изучать процессы современной седиментации рассеянного вещества и его преобразования при прохождении через водную толщу. Возникает возможность измерять количество и состав вещества, поступающего на дно [Лисицын, 2001]. Поток определяется количеством вещества, проходящего через единицу площади в единицу времени (мг/см2/сут, г/м2/год) и соответствует абсолютной массе осадконакопления.

Изучение рассеянного осадочного вещества в толще вод обеспечивается внедрением в практику исследований седиментационных ловушек разных типов, которые являются важными частями глубинных автоматических седиментационных обсерваторий — станций круглогодичного изучения водной толщи на разных глубинах. Седиментационная обсерватория — это (кроме ловушек) серия приборов для непрерывного и синхронизированного во времени изучения вертикальных потоков осадочного вещества, изменений прозрачности (мутности), определения скорости и направления течений и многих других параметров [Лисицын, 2012].

Учение о потоках вещества и загрязнений в океане пока только начинает развиваться. Седиментологи, геохимики, а так же биологи и экологи все еще недостаточно оценивают значение этого количественного метода, огромных возможностей его использования для понимания природы океана, построения количественных моделей, методов прогноза [Лисицын, 20 016- Лисицын, 20 106].

Первоначально значительная часть исследований была посвящена потокам органического вещества и других биогенных компонентов (в мг/м2/год) [Deuser, 1996; Honjo et. al., 1982; Knauer et. al., 1979; Lohrenz et. al., 1992; Soutar et. al., 1977; Suess, 1980; Walsh, 1988 и др.]. Частицы, находящиеся в морской воде во взвешенном состоянии, при фильтрации воды зоопланктоном включаются в состав фекальных пеллет и пищевых комков, а также налипают на слизистые поверхности биогенных частиц. Эти процессы обеспечивают осаждение тонкого биогенного детрита и литогенного вещества в составе крупных биогенных агрегатов, которые сравнительно быстро достигают морского дна [Asper, 1987; Berelson, 2002; Fowler, Small, 1972; Komar, 1981; Peterson et. al., 2005; Shanks, Trent, 1980 и др.].

Количество надежных наблюдений за потоками осадочного вещества на вертикальных разрезах водной толщи Арктики пока не велико и исчисляется несколькими десятками станций, при этом большая их часть относится к районам освобождающимся летом от льдов. Данных для Центральной Арктики, из области круглогодичного распространения льдов, на сегодняшний день — очень мало.

Значительное, на несколько порядков, повышение значений потоков отмечается по мере приближения к устьям великих сибирских рек — достигая предельных значений в 22 156 мг/м2/сут [Лисицын, 1994]. Высокие величины потоков характерны у кромки льдов [Ramseier et al., 1999; Bauerfeind et al., 2009], а также в зоне таяния дрейфующих льдов в проливе Фрама [Honjo, 1990; Hebbeln, 2000], где идет основная разгрузка латерального снежно-ледового потока осадочного вещества из Арктического бассейна [Fahrbach et al., 2001]. Того же порядка могут достигать потоки на континентальном склоне Арктических морей [Лукашин и др., 1996; Лукашин, 2008]. Значительно возрастают потоки также в фиордах и заливах, чаще всего они в пределах 200−2000 мг/м2/сут [Andreassen et al., 1996; O’Brien et al., 2006].

С этими значениями резко контрастируют пока ещё очень редкие данные о потоках под постоянным ледовым покровом: все имеющиеся значения находятся в пределах 1−100 мг/м2/сут. Чаще всего они ниже 5 мг/м2 /сут [Hargrave et al., 1994; Lisitzin, 2010]. Это настоящая ледяная пустыня, значение потока соответствует низким, минимальным для Мирового океана, содержаниям взвеси под покровом паковых льдов и минимальному развитию планктона [Агатова и др., 2011; Кособокова, 2012]. Такие резкие снижения потоков отмечаются и для морей Арктики в зимние месяцы [Fahl et al., 2007; Lalande et al., 2009].

Высокие значения потоков выявлены по фронту таяния льдов. Они обычно превышают 100−200 мг/м2/сут, т. е. на порядок и более превышают потоки под покровом льдов [Hebbeln and Wefer, 1991]. Это связано с тем, что паковые льды накапливают осадочный (эоловый и морской) материал на протяжение многих лет, концентрируют его в поверхностном слое, на дне снежниц и в углублениях поверхности. Эти области разгрузки льдов от осадочного вещества выявляются также и по содержанию взвеси в морской воде, по высокой первичной продукции и носят название фронта таяния льдов [Quadfasel et al., 1987; Ramseier et al., 1999]. Таким образом, моря Арктики, а также Центральная Арктика — области глобального дефицита осадочного вещества в водной толще [Левитан и др., 2012], которые окружены областями высоких потоков в маргинальных фильтрах и областях таяния льдов [Lisitzin, 2010].

Цели и задачи исследования. Целью работы является исследование пространственно-временной изменчивости распределения и состава потоков осадочного вещества в водной толще для установления закономерностей современного осадконакопления в Белом море.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. оценить вертикальные потоки осадочного вещества, используя метод седиментационных ловушек и седиментационных обсерваторий;

2. выявить закономерности пространственно-временной изменчивости (среднегодовой и среднемесячной) величины и состава осаждающегося осадочного вещества;

3. сопоставить состав осаждающегося осадочного вещества с составом водной взвеси и с поверхностным слоем донных осадков;

Научная новизна работы. Впервые рассмотрен осадочный процесс как единая система трех частей: 1) рассеянное осадочное вещество (фильтрационная и сепарационная взвесь), 2) осаждающееся в толще вод осадочное вещество (материал из седиментационных ловушек) и 3) поверхностный слой донных осадков на одном природном объекте — Белом море.

Впервые количественно и качественно изучены вертикальные потоки осадочного вещества во всей акватории Белого моря методом автоматических глубинных седиментационных обсерваторий (АГОС).

Получены новые данные о ходе осадочного процесса, начиная от поверхности моря до верхнего слоя донных осадков.

Впервые в Белом море применен системный подход к исследованию процессов распределения и состава осадочного материала вертикальных потоков в разные сезоны непрерывно на протяжении двенадцати лет.

Проведенные в ходе работ месячные, сезонные, годовые, многолетние количественные оценки вертикальных потоков осадочного вещества Белого моря являются основой для прямых расчетов поступления химических компонентов и минералов, а также разнообразных загрязнений в поверхностный слой донных осадков. Белое море, одно из шести морей Российской Арктики, может рассматриваться как мегаполигон для развертывания дальнейших современных исследований с использованием открытых новых закономерностей арктического седиментогенеза.

Работа направлена на разработку новых технологий комплексного изучения морских акваторий с помощью подводных седиментационных обсерваторий, регулярных судовых наблюдений в сочетании с использованием спутниковой информации. Эти технологии могут быть использованы в целях улучшения экологической обстановки за счет более рационального природопользования, основанного на оперативном экомониторинге морской среды. Первоочередной задачей является круглогодичный мониторинг на трассе Севморпути.

выводы.

1. С применением новых методов (автоматические глубинные седиментационные обсерватории в сочетании с судовыми и спутниковыми данными) установлены средние многолетние (12 лет непрерывных исследований) величины потоков осадочного вещества для всего моря они составили 234 г/м2/год, для Двинского залива — 243 г/м2/год, для Бассейна — 213 г/м2/год, для Кандалакшского залива — 367 г/м2/год. Для водного столба 0100 м средняя величина потока составила 171 г/м2/год, для водного столба 100−300 м средняя величина потока составила 275 г/м /год (рост в придонном слое).

2. Максимальные скорости течений в Белом море нами выявлены в Горле (скорость от 50 до 100 см/с). В глубоководной части Кандалакшского залива в придонных горизонтах значения течений не превышали 10 см/с, в придонных горизонтах Двинского залива течения достигали 25 см/с. Результирующий вектор скорости латерального движения придонных водных масс в течение года в среднем составляет 1,5 см/с. Приведенные исследования свидетельствуют о наличии устойчивых придонных течений в Белом море, приводящих к образованию нефелоидных слоев.

3. Определены скорости осадконакопления (абсолютные массы для осадков) в Белом море варьирующие от 0,4 до 4,2 мм/год. Полученные значения скоростей осадконакопления в Белом море близки к значениям для шельфовых морей Российской Арктики. Сопоставления скоростей осадконакопления придонных значений потоков осадочного вещества с поверхностным слоем донных осадков (метод радиохронологии), свидетельствует о корректности использования метода седиментационных ловушек для ориентировочной оценки скоростей осадконакопления в придонных горизонтах.

4. Выявлена пространственно-временная зависимость количества и состава осаждающегося вещества (в седиментационных ловушках) с фильтрационной взвесью Используя спутниковые данные, стало возможно бесконтактным методом непрерывно получать (для безледного периода) месячные данные о величинах потока осадочного вещества из самого поверхностного слоя (верхняя часть зоны фотосинтеза) для всего моря, а также для прилегающей морей, т. е. охватывать огромные регионы.

5. Метод автоматических глубинных седиментационных обсерваторий (АГОС) и непрерывные спутниковые, гидрооптические и гидрофизические наблюдения открывают новые возможности для океанологии и седиментологических наблюдений п экспериментов. Они превращают толщу вод морей и океанов в огромную седименто-геохимическую лабораторию. С большими перспективами для исследований метод автоматических глубинных седиментационных обсерваторий открывает возможность для проведения круглогодичного изучения морей Российской Арктики, основную часть года покрытых льдом и недоступных для исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Удалось рассмотреть осадочный процесс как единую систему из трех частей: 1) рассеянного осадочного вещества фильтрационной и сепарационной взвеси, 2) осаждающегося осадочного вещества (материал из седиментационных ловушек) и 3) поверхностного слоя донных осадков.

Выделены три области величин потоков осадочного вещества в Белом море. 1 -область высоких и сверхвысоких величин потока. Характерна для фронтальных зон (Горло, граница Онежского залива и Бассейна), а также устьевых областей рек- 2 -область величин потока под пикноклином и промежуточной водной массе- 3 — область придонных величин потока, характеризующаяся необычно повышенными значениями.

Экспериментальные данные по количественной оценке потоков осадочного вещества, а также прямо изученные в рейсах и обсерваториях скорости придонных течений, гидрооптические и гидрофизические данные, а также многие косвенные признаки по составу осадочного вещества показывают наличие устойчивого придонного нефелоидного слоя в Белом море.

Наблюдается ярко выраженная сезонная изменчивость потоков осадочного вещества в Белом море. Так, максимальные значения характерны для безледного летнего периода, а минимальные значения для зимнего периода, когда море и питающие провинции покрыты снежно-ледовым покровом. При структурной смене гидрологического режима характерны устойчивые максимумы потоков рассеянного осадочного вещества из года в год (повышенное содержание потоков в декабреледовая разгрузка в апрелемайская вспышка цветения фитопланктона и паводок С. Двиныповышенные потоки во фронтальных зонах).

Гранулометрический и вещественный состав материала из седиментационных ловушек и поверхностного слоя донных осадков имеет существенное сходство, однако во всех донных осадках увеличивается доля грубых фракций и литогенная составляющая. По химическому составу осаждающееся осадочное вещество в Белом море занимает промежуточное положение между взвесью фотического слоя и самым поверхностным слоем донных осадков. Так, в верхних слоях воды наблюдается значительное обогащение осаждающегося осадочного вещества органическим углеродом и кремнеземом, а придонные горизонты существенно обогащены литогенными элементами и по химическому составу приближаются к поверхностному слою донных осадков. Минеральный состав материала из глубинных седиментационных ловушек и поверхностного слоя донных осадков очень близки.

Выявленные мгновенные и суточные (мембранная ультрафильтрация), месячные, сезонные, годовые, многолетние и межгодовые (12-ть лет работ автоматических глубинных седиментационных обсерваторий) могут быть основой для нового понимания осадочных процессов в морях и океанах, а также для решения вопросов минералогии и геохимии современного осадочного процесса, изучения геохимии загрязнений на фоне новых количественных исследований в реальном времени.

Белое море, одно из шести арктических морей России, может рассматриваться как мегаполигон для развертывания исследования всех морей Российской Арктики.

Проведенные исследования с новой методикой и новой технологией изучения морских акваторий с помощью автоматических глубинных седиментационных обсерваторий, в сочетании с донными осадками, судовыми и спутниковыми наблюдениями рекомендуются для изучения морей Российской Арктики.

Это новый количественный (в пространстве и времени) уровень литолого-геохимических исследований прямого изучения осадочного процесса не только в Арктике, но и в других зонах Мирового океана.