На основании литолого-геохимических, радиоизотопных (³⁵S, ¹⁴С) и стабильноизотопных (δ³⁴S, δ¹³С) исследований получены количественные оценки скорости диагенетических процессов в верхнем слое (0-30 см) осадочных отложений в районе архипелага Шпицберген (78°-80° с.ш.). Доказано, что скорости диагенетических процессов в полярных отложениях на глубинах 123-395 м, находящихся под влиянием Западно-Шпицбергенского «теплого» течения, контролируются, в первую очередь, биологической продуктивностью и соизмеримы со скоростью процессов в шельфовых отложениях умеренных широт. В 1-метровой толще осадков шельфа (123 м) обнаружены высокие концентрации миграционного метана (до 263 мл/дц³) и изотопно-легкого C_орг (δ¹³С = -30‰) при низкой бактериальной продукции метана in situ. Показано, что метан полностью не утилизируется в осадках бактериальным метанотрофным сообществом и может поступать в водную толщу и, возможно, в атмосферу.

В конце столетия наметились три главных направления в исследованиях осадочных отложений арктического бассейна: нефтегазоносность и экология северных территорий и омывающих их бассейнов, а также создание сценария глобальных климатических изменений. Для решения всех перечисленных задач, особенно при создании обоснованной модели глобальных циклов элементов, необходимы количественные оценки скорости основных диагенетических (биогеохимических) процессов, участвующих в синтезе биогазов (СН₄, H₂S, СO₂), потреблении С_орг и кислорода в различных по составу донных отложениях. Для современных поверхностных осадочных отложений полярных бассейнов общим являются низкие среднегодовые температуры придонных слоев воды (от -1.4 до -1.8°С). К этому следует добавить, что придонные слои воды более чем на 90% акватории Мирового океана периодически имеют температуры ниже 5°С [Sagemann et al., 1998], что может затруднять деятельность микроорганизмов, являющихся главным катализатором большинства диагенетических процессов. Наши исследования, проведенные ранее в Карском (71-73° с.ш.) и Норвежском (72° с.ш.) морях свидетельствуют об адаптации бактериальных сообществ к постоянно низким температурам окружающей среды.

Данная работа посвящена изучению скорости диагенетических процессов в еще более северных отложениях 78-80° с.ш. к западу и северу от островов Шпицбергена и в осадках одного из самых крупных полярных фьордов Айсфьорден (Isfiorden), среднегодовая температура воды в котором составляет 5°С [Elverhoi et al., 1995].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Донные осадки отбирали в 15-м рейсе НИС «Профессор Логачев» 20-22 августа 1996 г. (рис. 1, табл. 1).

Иловые воды из донных отложений отжимали на борту судна на пневмопрессе в атмосфере азота.

Анализ иловых вод проводили методами, принятыми в Институте океанологии РАН и описанными в работе О.В.Шишкиной [1972]:

- Cl^- - прямым титрованием пробы иловой воды раствором AgNO₃;

- Br^- - йодометрическим титрованием при окислении Br^- до бромата гипохлоритом;

- I^- - йодометрическим титрованием при окислении бромной водой;

- Alk (щелочной резерв) - прямым титрованием пробы соляной кислотой;

- Са²⁺, Mg²⁺ - трилономерическим титрованием;

- влажность - весовым методом;

- SO₄^2- - весовым методом после осаждения хлоридом бария.

Eh в осадках определяли непосредственно после подъема на борт судна с использованием портативного иономера рН 320/Set-l Best-Nr. 100740 (Германия).

Химический состав осадков определяли с помощью рентгенофлюоресцентного анализа (спектрометр PW 1600, аналитик И.А. Рощина, ГЕОХИ РАН).

Скорости микробиологических процессов ассимиляции углекислоты, окисления и образования метана, а также сульфатредукции определяли радиоизотопным методом с использованием NaH¹⁴CO₃, ¹⁴СН₄, ¹⁴CH₃COONa и Na₂³⁵SO₄ по методикам, подробно описанным ранее [Гальченко, 1994; Иванов и др., 1976; Лауринавичус и Беляев, 1978] Инкубацию илов с меченым субстратом проводили в пластиковых 5 мл шприцах (объем осадка составлял 3 см³) при температуре -1...+1°С в течение 2 суток. После завершения инкубации осадки фиксировали 2н КОН.

С_орг определяли на анализаторе АН-7529. Изотопный состав δ¹³С и δ³⁴S соединений углерода и серы определяли на масс-спектрометре МИ 12-01В после окисления до СO₂ и SO₂ соответственно [Есиков, 1980].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Краткая характеристика района работ. Район относится к зоне современного абразионно-аккумулятивного выравнивания (станции 70,74) с глубинами около 200 м, к мелкохолмистой поверхности реликтового ледниково-аккумулятивного рельефа в фьорде Айсфьорден (станции 82, 81), и у выхода из него (ст. 78), с глубинами, соответственно 300-400 и 100-150 м [Леин и др., 1998]. Берега островов Шпицбергена, так же как других островов Баренцева и Норвежского морей, испытывают неотектоническое воздымание, в результате чего формируются узкие полосы цокольных равнин, где коренные породы выходят на поверхность дна. Мощность рыхлых отложений в целом очень небольшая. В фьорде Айсфьорден мощность осадочных отложений составляет для внутренней зоны фьорда ≈10 м, для внешней ≈20 м, а на выходе из фьорда всего 1.2-2.5 м [Elverhoi, 1984]. Средняя скорость седиментации ≈ 1 мм/год [Hooke & Elverhoi, 1996]. Район находится под влиянием «теплых» атлантических вод. Одна из ветвей атлантического течения, так называемого Западно-Шпицбергенского, достигает 80° с.ш. и подходит к северным границам архипелага [Hald & Steinsund, 1996].

Литология и химический состав поверхностных отложений. Осадки имеют, как правило, неравномернозернистую структуру из-за примеси грубозернистого материала, поступающего с островов архипелага и с ледовым разносом (ст. 70, 74). На некоторых горизонтах отложений фиорда доля глинистых илов (пелитовых и алеврито-пелитовых) достигает 95% (ст. 85, гор. 1-10 см). Влажность таких осадков (табл. 2) увеличивается до 65-67%, тогда как влажность грубозернистых отложений составляет 40-50%, а плотных глин предположительно моренного происхождения ≈30%. Хорошо сортированные прослои осадков встречаются редко (ст. 81, гор. 17-18 см). В этих участках иловых колонок повышается влажность и степень их восстановленности (Eh = -70 мВ, табл. 2).

Сложная текстура осадков (рис. 2) объясняется помимо их структурных особенностей активными процессами биотурбации. Во всех изученных отложениях отмечаются ходы червей. Материал «ходов» отличается от вмещающего осадка по гранулометрическому составу и цвету. Крупные живые полихеты обнаружены на поверхности отложений самых северных станций (№ 70,74, рис. 2). В поверхностных отложениях этих же двух станций много битой ракуши.

Количество карбонатов в интервале 0-30 см варьирует от 1.2 до 10.8% (табл. 3). В более глубоких горизонтах содержание карбонатов возрастает до 16% (ст. 78, гор. 100-110 см). Карбонатный материал представлен мелкоперетертыми раковинками бентосных фораминифер. Содержание биогенного опала редко превышает 0.5-1.0%. Во всех отложениях преобладают глинистые минералы каолинит-смектит-иллитового состава.

Содержание С_орг варьирует от 0.35 до 2.00% (табл. 3). Наиболее низкие концентрации С_орг характеризуют отложения самой северной станции №70.

Отношение C_орг/N_вал колеблется от 6.3 до 8 (табл. 3), что свидетельствует о преимущественно морском происхождении органического вещества (ОВ) осадков. Только в верхнем 0.5 см слое ст. 74, где C_орг/N_вал равно 9, можно предполагать значительную примесь в осадках терригенного ОВ, снесенного с суши (табл. 3).

Присутствие даже небольшого количества ОВ приводит к развитию анаэробных процессов, начиная с подповерхностного слоя 5-10 см на ст. 70, 1-5 см на ст. 82 и под тонкой (1-2 мм) окисленной пленкой остальных станций (табл. 2). Все восстановленные осадки имеют характерный оливковый оттенок разной степени интенсивности: от оливково-серых и оливково-зеленых до почти черных осадков на ст. 78.

Анализ распределения восстановленных соединений серы (табл. 4) показывает, что во всех отложениях присутствуют моносульфиды железа (гидротроилит) от следовых количеств до 0.168% (ст. 81, гор. 20-30, табл. 4), пиритная сера (от следов до 0.39%) и органическая сера. Максимальное содержание суммы восстановленных серных соединений (0.615%) обнаружено в осадках Айсфьордена (табл. 4).

При отборе колонки на ст. 78, к сожалению, не удалось сохранить верхние 10 см осадков. Вместе с тем очевидно, что отложения этой станции являются наиболее восстановленными. Они содержат свободный H₂S и повышенные концентрации СН₄ (табл. 5). Анализ распределения Al, Ва и Р в поверхностных отложениях трех станций (табл. 6) показал, что в осадках ст. 70 и особенно ст. 81 отношение Ва/Al > 80∙10^-3, причем в фиордовой станции это отношение заметно выше. В полярных районах отношение Ba/Al используют для обоснования осаждения биогенного или хемогенного Ba у кромки льда за счет его высвобождения при растворении карбонатов в холодных водах [Nurnberg, 1996]. Характерно также увеличение Р в осадках фиорда, связанное, видимо, с разрушением и переносом в осадки обломков фосфоритсодержащих пород суши.

Состав иловых вод. Химический состав иловых вод приведен на рис. 3, 4 и в табл. 2. Концентрация Cl^- в поверхностных горизонтах илов станций 70, 74 и 81 чуть выше, чем в придонных слоях отложений в неполярных районах океана (рис. 3). Заметное увеличение концентрации Cl^- характерно только для горизонта 0-1 см ст. 82 во внутренней части фиорда, ближайшей к кромке льда. Аномальный химический состав иловых вод этих осадков подтверждается также высокими концентрациями растворенного Са²⁺, Mg²⁺, Br и повышенной величиной общей щелочности (рис. 3, 4), характерными для поверхностных отложений полярных районов.

Вниз по разрезу колонки осадков ст. 82 концентрация Са²⁺, Mg²⁺, SO₄^2-, Cl^- уменьшается, а величина общей щелочности увеличивается за счет анаэробного разложения ОВ осадков. Близкий к этому, но менее выраженный характер изменения солевого состава вод обнаружен в осадках второй станции в Айсфьордене, расположенной ближе к выходу из фиорда.

На химический состав иловых вод ст. 78, расположенной на шельфе, сильное влияние оказывают H₂S и СН₄, содержание которых здесь на несколько порядков величин превышает количество газов в отложениях других станций (табл. 5).

С глубиной (гор. 70-80 см) концентрация метана увеличивается до 2.6∙10⁵ мл/дм³ (табл. 5), а количество H₂S, напротив, уменьшается. Особенно заметное влияние H₂S сказывается на увеличении щелочности по профилю осадков с глубиной.

В колонках остальных станций изменение состава иловых вод определяется, в первую очередь, литологией отложений, а не химическим составом придонных полярных вод или диагенетическими процессами.

Изотопный состав серы. Во всех изученных отложениях наряду с очень слабым потреблением SO₄^2- иловых вод наблюдается небольшое обогащение серы сульфатов изотопом ³⁴S (рис. 4). Максимальное изотопное утяжеление сульфатной серы наблюдается в отложениях ст. 78 (до 27.0‰).

Значения δ³⁴S моносульфидной и пиритной серы лежат в пределах, характерных для осадков с не очень интенсивными диагенетическими процессами. Сульфиды из отложений Айсфьордена содержат меньше легкого изотопа ³²S по сравнению с остальными отложениями (табл. 4).

Изотопный состав углерода. Значения δ¹³С углерода карбонатов изученных отложений (табл. 3) лежат в пределах, характерных для карбонатов морского происхождения, δ¹³С которых варьирует от -10‰ до 10‰ [Sackett, 1964].

По сравнению с типичными морскими илами, δ¹³С которых варьирует от -22 до -24‰ [Hebbeln & Berner, 1993], изотопный состав органического углерода (С_орг) поверхностных отложений (0-10 см) во фьорде содержит больше легкого изотопа ¹²С (-25...-26.2‰), что может объясняться, с одной стороны, примесью изотопно-легкого терригенного ОВ с δ¹³С до -28‰, снесенного с суши [Emerson & Hedges, 1988], а с другой стороны, легким изотопным составом полярного планктона [Леин и др., 1996; Rau et al., 1982].

Существенное изотопное облегчение до -30.2% С_орг (табл. 3) в осадках ст. 78 (гор. 70-80), видимо, связано с присутствием изотопно-легких УВ, которые могли сопровождать миграционный метан, пришедший из подстилающих осадков.

Скорости основных биогеохимических процессов в осадках. С использованием радиоизотопов определены скорости анаэробных микробиологических процессов, играющих ключевую роль в деструкции ОВ в современных осадках. Максимальные скорости сульфатредукции обнаружены в отложениях фьорда и шельфовой станции № 74 (табл. 5, рис. 5). В то же время, в поверхностных осадках этих станций процесс метанообразования или не выявлен, или его скорость очень невелика (ст. 74). Наибольшие скорости метанообразования 7.7 мкл СН₄ м^-2 сут^-1 характеризуют осадки ст. 81, где установлена также сравнительно высокая скорость сульфатредукции (табл. 5).

Процессы анаэробного окисления метана в отложениях ст. 82 и особенно ст. 78 на порядок величин превышают скорость метанообразования (табл. 5). В поверхностных горизонтах этих осадков, по-видимому, происходит окисление миграционного метана, поступающего из более глубоких горизонтов.

В целом наблюдаемые скорости анаэробных микробиологических процессов свидетельствуют о заметной роли бактерий циклов углерода и серы на ранних этапах диагенеза поверхностных осадков полярных областей. Это подтверждается также данными определения скорости ассимиляции углекислоты, которые характеризуют суммарную активность микробного сообщества осадков (табл. 5).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Анализ результатов радиоизотопных определений скоростей микробиологических процессов в исследованных осадках позволяет говорить об относительно высокой активности биогеохимических процессов трансформации ОВ в изученных отложениях полярного региона, особенно в илах Айсфьордена и на шельфе у выхода из фьорда. Возможно, что в некоторой степени эта активность связана с влиянием теплого Западно-Шпицбергенского течения, обусловливающего сравнительно высокую биологическую продуктивность района исследования. Данные по С_орг, изотопному составу органического и карбонатного углерода, по соотношению C_орг/N_вал доказывают ведущую роль морского планктона в составе ОВ осадков. Лабильное планктоногенное OB, а не снесенное с суши терригенное ОВ, служит хорошим энергетическим субстратом для микробиологических процессов в изученных осадках.

Активные микробиологические процессы в осадках подтверждаются изменением химического и изотопного состава иловых вод. Наиболее выраженными геохимическими последствиями этих бактериальных процессов являются:

·        потребление сульфат-иона и рост величины общей щелочности в колонках илов;

·        образование изотопно-легких лабильных сульфидов и пирита;

·        изотопное утяжеление серы остаточного сульфата иловых вод.

В верхнем слое осадков ст. 74 и Айсфьордена продукция H₂S достигает 0.90-1.12 ммоль м^-2 сут^-1 (табл. 7). Для осадков ст. 78 эта величина может быть существенно занижена, поскольку рассчитывалась для интервала 10-30 см без учета верхних 10 см осадка. Минимальные величины скорости сульфатредукции обнаружены в осадках самой северной станции № 70 (80° с.ш.), что скорее всего объясняется низкой первичной продукцией в этом районе. По сравнению с остальными изученными отложениями, где С_орг в илах не опускалось ниже 1%, в осадках ст. 70 концентрация С_орг составляла 0.35-0.44%.

Величины продукции H₂S интересно сопоставить с данными Сагеманна с соавторами [Sagemann et al., 1998], полученными в январе и мае 1995 г. для верхних 15 см осадков двух более южных фьордов Шпицбергена (77° с.ш.). Интегральная продукция сероводорода в этих осадках, отобранных с глубины 78-145 м, варьировала от 0.90 до 2.41 ммоль м^-2 сут^-1 при температуре придонных вод от -1.7 до 3°С.

Результаты наших исследований в Карском [Леин и др., 1994; 1996] и Норвежском морях [Леин и др., 1998], а также цитированные выше работы зарубежных коллег свидетельствуют о том, что скорость микробиологических процессов сульфатредукции в полярных отложениях сопоставима со скоростью этого процесса в шельфовых отложениях среднеширотных водоемов.

Следует отметить, что в полярных районах существенное влияние на характер и скорость диагенетических процессов могут оказывать необычные для умеренных широт процессы транспорта обломочного материала: процессы абразии берегов, ледовый и айсберговый транспорт, турбидитные потоки. Разбавляющий эффект этого грубообломочного материала, лишенного лабильного ОВ, может сказаться на окислительно-восстановительных процессах диагенеза полярных отложений, существенно замедляя их скорость. Другими словами, именно особенности транспорта осадочного материала и литология отложений, а не суровые температурные условия, могут определять скорости микробиологических процессов трансформации ОВ.

Известно, что процесс сульфатредукции энергетически предпочтительнее процесса метанообразования. Поэтому активизация процессов метанообразования в морских осадках происходит на значительной глубине в осадочной толще, где за счет жизнедеятельности сульфатредукторов снижается содержание сульфатов. К сожалению, в настоящей работе исследовались только верхние 30 см осадков. Следовательно, полученные низкие скорости процесса образования метана в полярных осадках могут объясняться отсутствием данных по более глубоким горизонтам.

Особый интерес представляют осадки самой мелководной шельфовой ст. 78, содержащие высокие концентрации метана. В 1-метровом разрезе этих отложений метан имеет миграционную природу, поскольку скорости процесса метанообразования во вмещающих его отложениях очень низкие. Процессы бактериального окисления метана не могут утилизировать весь СН₄, имеющийся в осадках (табл. 7). Следовательно, в районе ст. 78 наблюдается подток более глубинного осадочного (?) метана. Не исключено его поступление в придонные слои воды, а при условии низкой активности метанотрофов в водной толще и в атмосферу.

Таким образом, проведенный комплекс исследований позволяет утверждать, что скорости биогеохимических процессов в полярных отложениях (76-80° с.ш.) северо-западного, западного шельфа Шпицбергена и самого большого Айсфьордена соизмеримы со скоростью этих процессов в шельфовых отложениях умеренных широт. Максимальные скорости приурочены к осадкам внутри фиорда, где происходит повышение первичной продукции за счет цветения фитопланктона у кромки льда. Следовательно, скорости диагенетических процессов в осадках региона, находящегося под влиянием теплого Западно-Шпицбергеновского течения, контролируются биологической продуктивностью и литологией отложений.

Нельзя исключить наличие нефтегазоносных пород в разрезе отложений Шпицбергенского шельфа, поскольку в 1-метровой толще отложений мелководного (123 м) шельфа обнаружены высокие концентрации миграционного метана (до 262 мл/дм³) и изотопно-легкое С_орг (δ¹³С = -30‰). Процесс метаноокисления, происходящий в этих осадках с низкой скоростью, не может утилизировать весь метан. Это заставляет предполагать существование потока СН₄ в воду и, возможно, в атмосферу. Необходима постановка исследований, включающих изучение распределения СН₄ в водной толще и определение генезиса СН₄ в районе мелководного шельфа.

Авторский коллектив выражает благодарность экипажу рейса НИС «Профессор Логачев». Особую признательность хотелось бы выразить П. Вогту, Г.А. Черкашеву и Г.И. Иванову за возможность участвовать в экспедиции, а также геолого-инженерной службе «Полярной экспедиции» за помощь при отборе образцов.

Работа выполнена при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 96-04-48823 и 96-15-97889).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гальченко В.Ф. Сульфатредукция, метанобразование и метанокисление в различных водоемах оазиса Бангер Хиллс, Антарктида // Микробиология. 1994. Т. 63. № 4. С. 388-396.

2. Данилов И.Д. Полярный литогенез. М.: Недра, 1978. 233 с.

3. Есиков А.Д. Масс-спектрометрический анализ природных вод. М.: Наука, 1980. 204 с.

4. Иванов М.В., Леин А.Ю., Кашпарова Е.В. Интенсивность образования и диагенетического преобразования восстановленных соединений серы в осадках Тихого океана // Биогеохимия диагенеза осадков океана. М.: Наука, 1976. С. 171-179.

5. Лауринавичус К.С., Беляев С.С. Скорость микробного метанобразования, определяемая радиоизотопным методом // Микробиология. 1978. Т. 47. №6. С. 1115-1116.

6. Леин А.Ю., Миллер Ю.М., Намсараев Б.Б. и др. Биогеохимические процессы цикла серы на ранних стадиях диагенеза осадков на профиле река Енисей-Карское море // Океанология. 1994. Т. 34. № 5. С. 681-692.

7. Леин А.Ю., Русанов И.И., Саввичев А.С. и др. Биогеохимические процессы циклов серы и углерода в Карском море // Геохимия. 1996. № 11. С. 1027-1044.

8. Леин А.Ю., Вогт П., Крейн К., Пименов Н.В. и др. Геохимические особенности газоносных (СН₄) отложений подводного грязевого вулкана в Норвежском море // Геохимия. 1998. № 3. С. 230-249.

9. Литвин В.М. Основные черты геоморфологии и Четвертичной геологии шельфовых морей. Изд. Калининградского гос. ун-та, 1989. С. 5-13.

10. Шишкина О.В. Геохимия морских и океанических иловых вод. М.: Наука, 1972. 288 с.

11. Elverhoi A. Glacigenic and associated marine sediments in the Weddel Sea, Fjords of Spitsbergen and the Barents Sea: A Review // Marine Geology. 1984. V. 57. P. 53-88.

12. Elverhoi A., Andersen E.S., Dokken T.D.H. et al. The growth and decay of the late Wechselian Ice Sheet in Western Svalbard and adjacent areas based on provenance studies of marine sediments // Quaternary Research. 1995. V. 44. P. 303-316.

13. Emerson S., Hedges J.I. Processes controlling the organic carbon content of open ocean sediments // Paleoceanography. 1988. V. 3. P. 621-634.

14. Hald M., Steinsund P.I. Benthic foraminifera and carbonate dissolution in the surface sediments of the Barents and Kara Seas / Berichte zur Polarforschung. 1996. V. 212. P. 285-307.

15. Hebbeln D., Berner H. Surface sediments distribution in the Fram Strait // Deep-Sea Research. 1993. V. 40. № 9. P. 1731-1745.

16. Hooke R.L., Elverhoi A. Sediment flux from a fjord during glacial periods, Isfiorden, Spitsbergen // Global & Planet. Change. 1996. V. 12. P. 237-249.

17. Jasper J.P., Gadosian R.V. Glacial-interglacial climatically forced δ¹³C in sedimentary organic matter // Nature. 1989. V. 342. P. 60-62.

18. Nurnberg D. Biogenic barium and opal in shallow Eurasian shelf sediments in relation to the pelagic Arctic Ocean environment // Berichte zur Polarforschung. 1996. V. 212. P. 96-119.

19. Rau G.U., Sweeney R.E., Kaplan I.R. Plankton ¹³C : ¹²C ratio changes with latitude: difference between northern and southern oceans // Deep-Sea Research. 1982. V. 29. P. 1035-1039.

20. Sackett W.M. The depositional history and isotopic organic carbon composition of marine sediments // Marine Geology. 1964. V. 2. P. 173-185.

21. Sagemann J., Jorgensen B.B., Greeff О. Temperature Dependence and Rates of Sulfate Reduction in Cold Sediments of Svalbard, Arctic Ocean // Geomicrobiology J. 1998. V. 15. P. 85-100.

22. Stein R. Organic-carbon and carbonate distribution in surface sediments from the eastern arctic ocean and the Eurasian continental margin: Sources and pathways // Berichte zur Polarforschung. 1996. V. 212. P. 243-263.

Ссылка на статью:

Леин А.Ю., Пименов Н.В., Саввичев А.С., Павлова Г.А., Русанов И.И., Миллер Ю.М., Иванов М.В. Геохимические особенности диагенеза голоценовых отложений в районе архипелага Шпицберген // Океанология. 2000. Т. 40. № 2. С. 247-256.