Сорбционные процессы, как известно, играют важную роль в накоплении органического вещества нефтематеринских толщ и в аккумуляции техногенных загрязнений в донных осадках морских нефтегазоносных провинций. Огромный нефтегазоносный потенциал западно-арктических шельфовых морей и сложная экологическая ситуация в Арктике придают особое значение изучению процессов сорбции именно в этом регионе.

В морской геологии и геохимии обычно используют экспериментальное определение сорбционной емкости донных осадков, осуществляемое традиционными физико-химическими методами. В качестве основных сорбирующих компонентов осадков рассматриваются глинистые минералы, органическое вещество, биогенный опал, оксиды и гидроксиды железа и марганца, цеолиты и т.д. В донных осадках западно-арктических морей, безусловно, ведущую роль играют глинистые минералы. Общепризнано, что, при прочих равных условиях, чем тоньше осадки, тем выше их сорбционная емкость. Доказано, что сорбционные свойства различных глинистых минералов существенно отличаются друг от друга [Sawney, 1972]. Поскольку число доступных определений сорбционной емкости донных осадков Арктики незначительно, а данные гранулометрического анализа и результатов исследования глинистых минералов весьма многочисленны, авторы в 1994 г. [Левитан и др., 1994] предложили определять сорбционный потенциал донных осадков по формуле

 Е = (20Ill₁, + 135Sm₁ + 30Chl₁ + 10Kaol₁) ∙ С₁ (1)

где Е - сорбционный потенциал (мг-экв/г); Ill₁, Sm₁, Chl₁, и Kaol₁ - содержание соответственно иллита, смектита, хлорита и каолинита во фракции менее 0.001 мм (отн.%); С₁ - содержание фракции менее 0.001 мм в осадке (мае. %).

Численные коэффициенты перед содержаниями отдельных групп глинистых минералов означают их средние сорбционные емкости (мг-экв/г).

Разумеется, эти коэффициенты носят ориентировочный характер, так как зависят, например, от политипов гидрослюд, генезиса, химического состава и степени кристалличности смектитов и многих других параметров. Кроме того, определенное значение имеет и характер сорбируемого материала: органическое вещество, растворенные формы тяжелых металлов, радионуклиды, нефтяные углеводороды и т.д.

При определении сорбционного потенциала нельзя, разумеется, забывать также об окислительно-восстановительном потенциале донных осадков, а также о гидродинамической активности природного слоя, которые могут влиять на развитие процессов десорбции. Тем не менее нам представляется, что введенное понятие «сорбционный потенциал» полезно, так как отражает сорбционную емкость и дает возможность быстрого расчета и прогноза сорбционной способности донных осадков.

Учитывая, что в большинстве зарубежных работ глинистые минералы анализируются во фракции менее 0.002 мм, мы провели (совместно со специалистами Института им. Альфреда Вегенера, Бремерхафен, Германия) сравнительный анализ 27 пар образцов фракций менее 0.001 и менее 0.002 мм из проб донных осадков Баренцева и Карского морей. В результате мы получили следующие средние коэффициенты: Sm₂ = 1.33Sm₁; Ill₂ = 0.83 Ill₁; С₂ = 1.19С₁, где индексы 1 и 2 означают соответственно фракции менее 0.001 и менее 0.002 мм. Содержание каолинита и хлорита в обеих фракциях отличается незначительно.

Из формулы (1) следует, что минералы группы смектита обладают заметно более высокой сорбционной способностью, чем другие глинистые минералы. Этот вывод недавно подтвержден в экспериментах по сорбции и десорбции тяжелых металлов донными осадками Баренцева моря [Aplonov et al., 1996]. В пресноводных условиях, судя по некоторым данным, радионуклиды цезия лучше сорбируются иллитами [Francis & Brinkley, 1976].

Нами составлены схемы распределения сорбционного потенциала в поверхностном (0-2 см) слое донных осадков Баренцева (рис. 1) и Карского (рис. 2) морей. Соответствующие карты распределения фракции менее 0.001 мм и глинистых минералов уже опубликованы авторами [Nurnberg et al., 1995; Шелехова и др., 1995; Levitan et al., 1996]. При картировании учитывались также имеющиеся литологические карты [Павлидис, 1995; Gurevich, 1995] и карты распределения С_орг [Романкевич и др., 1982; Gurevich, 1995].

Положение максимумов на обеих схемах определяется прежде всего двумя основными особенностями: приуроченностью наиболее тонких осадков (пелитовых и алевритово-пелитовых терригенных илов) к различным понижениям донного рельефа и развитием ареалов максимального обогащения донных осадков смектитами. В этом плане в Баренцевом море обращают на себя внимание область распространения вулканогенных смектитов вокруг Земли Франца-Иосифа и полоса повышенных содержаний смектитов, привнесенных атлантическими водами, в депрессиях центральной части изученной акватории.

Существенно более высокие значения сорбционного потенциала в осадках Карского моря, на наш взгляд, обусловлены двумя причинами: во-первых, большей ледовитостью этого бассейна, что привело к большему развитию пелитовых илов в условиях подледной седиментации, и, во-вторых, огромным количеством смектита, привносимого Обью и, особенно, Енисеем за счет размыва сибирских траппов.

Перейдем теперь к сопоставлению приведенных выше схем распространения сорбционного потенциала с данными по распределению С_орг и ¹³⁷Cs в донных осадках Баренцева и Карского морей. В наших пробах из Баренцева моря коэффициент корреляции С_орг и сорбционного потенциала составил 0.70. Сопоставление рис. 1 с картой из работы [Gurevich, 1995] выявило высокую степень сходства в распределении максимумов и минимумов сорбци-онного потенциала, с одной стороны, и С_орг, с другой. В частности, обращает на себя внимание совпадение максимумов в центральной зоне исследованной акватории и к юго-западу от губы Черной.

В Карском море сравнение рис. 2 с картами из работ [Романкевич и др., 1982; Gurevich, 1995] также выявило значительное сходство рисунков распределения сорбционного потенциала и С_орг с хорошо выраженными максимумами в депрессиях, окаймляющих Западно-Карское поднятие, в желобе Святой Анны, в эстуариях Оби и Енисея, в зонах смешения речных и морских вод. Интересно, что соответствующие максимумы в обоих случаях протягиваются дальше на север на траверзе Енисея, а не Оби.

Данные об особенностях распространения ¹³⁷Cs в донных осадках Баренцева и Карского морей взяты нами из [Матишов и др., 1994; Галимов и др., 1996; Gurevich, 1995]. Сравнительный анализ этих данных и материалов по распределению сорбционного потенциала выявил прежде всего довольно существенное сходство в рисунках распространения обоих параметров. Так, в Баренцевом море очевидно совпадение максимумов на западе архипелага Земли Франца-Иосифа, в центральной части исследованной акватории, к юго-западу от губы Черной. В Карском море прежде всего обращает на себя внимание повышенная фиксация радиоцезия в зоне смешения речных вод Енисея с морскими водами. Подобный максимум к северу от Обской губы выражен гораздо слабее, так же, как в депрессиях западной части Карского моря, включая желоб Святой Анны.

Выполненное исследование позволяет сделать несколько выводов. Во-первых, предложенное понятие «сорбционный потенциал» действительно отражает реальную сорбционную способность донных осадков и может быть использовано как для объяснения закономерностей накопления С_орг, так и для целей геоэкологического прогноза. Во-вторых, сорбция играет важнейшую роль в аккумуляции органического вещества в донных осадках. В-третьих, среди факторов, определяющих фиксацию радионуклидов цезия в осадках, наряду с сорбцией большое значение имеют и другие обстоятельства, в частности наличие соответствующих мощных источников загрязнения и свободная транспортировка этих радионуклидов к месту их фиксации в осадках. Вероятно, именно это обстоятельство и определяет отмеченное выше различие в концентрации ¹³⁷Cs в осадках зоны смешения морской воды с речными водами Оби, с одной стороны, и Енисея, с другой. Остальные факторы, например окислительно-восстановительный потенциал и десорбция придонными течениями, играют подчиненную роль. В-четвертых, в морских условиях, вероятно, большее значение для фиксации радиоцезия имеют смектиты, чем иллиты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Sawney B.L. Selective sorption and fixation of cations by clay minerals: a review // Clays and Clay Miner. 1972. V. 20. P. 93-118.

2. Левитан M.A., Шелехова E.C., Павлидис Ю.А. Геология морей и океанов. М., 1994. С. 119.

3. Aplonov V.S., Andreeva LA., Grinberg G.P. et al. Progr. Abstr. III Workshop Russian-German cooperation. SPb.: AARI, 1996. P. 86.

4. Francis C.W., Brinkley F.S. Preferential adsorption of 137Cs to micaceous minerals in contaminated freshwater sediment // Nature. 1976. V. 260. P. 511-513.

5. Nurnberg D., Levitan M.A., Pavlidis Yu.A., Shelekhova E.S. Distribution of clay minerals in surface sediments from the eastern Barents and southwestern Kara Seas // Geol. Rdsch. 1995. Bd. 84. S. 665-682.

6. Шелехова E.C., Нюрнберг Д., Васнер М. и др. // Океанология. 1995. Т. 35. № 3. С. 435-439.

7. Levitan М.А., Dekov V., Gorbunova Z.N. et al. // Ber. Polarforsch. 1996. № 212. S. 58-81.

8. Gurevich V.I. Recent Sedimentogenesis and Environment of the Arctic Shelf of Western Eurasia. Oslo: Norsk Polarinstitutt, 1995. 92 p.

9. Павлидис M.A. // Океанология. 1995. Т. 35. № 4. С. 614-622.

10. Романкевич Е.А., Данюшевская A.И., Беляева А.Н. и др. Биогеохимия органического вещества арктических морей. М.: Наука, 1982. 240 с.

11. Матишов Г.Г., Матишов Д.Г. и др. Радионуклиды в экосистеме региона Баренцева и Карского морей. Апатиты, 1994. 233 с.

12. Галимов Э.М., Лаверов Н.П., Степанец О.В. и др. // Геохимия. 1996. № 7. С. 576-597.