Глобальная роль маргинального фильтра океана

VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
ГЛОБАЛЬНАЯ РОЛЬ МАРГИНАЛЬНОГО ФИЛЬТРА ОКЕАНА
В.В. Гордеев
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, gordeev@ocean.ru
Термин «маргинальный фильтр» (МФ) был введен академиком А.П. Лисицыным после
работ 49-го рейса НИС «Дмитрий Менделеев» (1993) в Обской губе и Енисейском заливе
(Лисицын, 1994). Это зона смешения речных и морских вод с соленостью от 0 до примерно 20 ‰,
в которой происходят качественные и количественные изменения растворенных и взвешенных
веществ, поступающих с континента. В глобальном масштабе МФ представляет собой довольно
узкий пояс (от сотен км для крупных рек до сотен метров для небольших рек). Биогеохимическая
трансформация речного осадочного материала приводит к направленному переводу
растворенных и коллоидных веществ речного стока во взвешенные формы с последующим их
осаждением на дно, т.е. выведению этих веществ, наряду с осаждением основной массы речных
взвесей, из дальнейшего транспорта в открытые части морей и океанов.
По сути, эти зоны мало чем отличаются от эстуарных зон, которые раньше изучались с
иных позиций — с точки зрения морфологии, гидрологии и гидродинамики. С геохимических и
седиментологических позиций МФ начали изучаться в ИО РАН с 60-х годов прошлого столетия.
Исследованиями были охвачены многие реки бывшего СССР, а также некоторые крупные
зарубежные реки — Амазонка, Ганг-Брахмапутра и др. Результаты более чем 40-летних
исследований были обобщены в докторской диссертации автора (2009) и монографии «Геохимия
системы река-море» (2012).
Цель доклада — дать обобщенное представление о работе МФ с позиций геохимии и
литологии и показать его влияние на океан в глобальном масштабе.
Речной сток всегда рассматривался как важнейший источник осадочного терригенного
материала в морях и океанах (Страхов, 1961; Лисицын, 1974). Оценки мирового твердого стока
рек колебались в больших пределах от 12,7 млрд т/г (Лопатин, 1952) до 51,1 млрд т/г (Fournier,
1960). Последняя и, по-видимому, самая надежная оценка принадлежит Дж. Миллиману
(Milliman, 2000) — 18,6 млрд т/г, что практически совпадает с оценкой А.П. Лисицына (1974) —
242
Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
18,53 млрд т/г. Считалось, что эти огромные массы твердого осадочного материала разносятся
океанскими течениями по всей площади океанов и осаждаются на дно.
В монографии А.П. Лисицына (1978) были опубликованы результаты огромной работы
по прямым определениям абсолютных масс осадков, накапливающихся на океанском дне с
глубиной более 1–3 км (без включения шельфа и верхней части континентально склона), что
составляло более 90 % площади дна океанов. Было показано, что в пелагиаль океанов проникает
и осаждается на дно в течение года только 1,73 млрд т. Сравнение с годовым твердым стоком рек
показывает, что в океане оседает всего около 1/10 от исходных 18,6 млрд т. Возникает вопрос:
куда же деваются остающиеся 90 % речных взвесей, если они не обнаруживаются на дне
глубокого океана? Последующие работы по изучению МФ многих рек, выполненные как нами,
так и многими другими исследователями, позволили разрешить это противоречие. Оказалось,
что до 90–95 % речного осадочного материала осаждается в областях МФ и шельфа на дно, а
также частично разносится вдольбереговыми течениями на большие расстояния. Иначе говоря,
подавляющая часть речных взвесей не достигает пелагических частей океана в результате
интегрального воздействия различных физических, химических, биогеохимических и других
процессов, протекающих в зонах МФ. В докладе приводятся примеры, подтверждающие
принципиальный вывод о МФ как важнейших барьерных зонах на пути терригенного материала
с континента в океан.
Потери главной части твердого и частично растворенного осадочного материала в МФ
рек приводят к накоплению в устьях рек огромных толщ отложений (до 10–15 км и более)
и, в конечном счете, к дефициту осадков в пелагиали океанов. Эстуарии и дельты рек были
отнесены А.П. Лисицыным (1988) к 1-му глобальному уровню лавинной седиментации (2-й
уровень — основание континентального склона, 3-й — активные окраины (зоны субдукции)
и глубоководные желоба). Объемы дельтовых отложений крупнейших рек мира достигают
гигантских величин. Так, огромная дельта Ганга-Брахмапутры имеет объем около 5 млн км3,
что в 10 раз больше объема Черного моря!
Возникает вопрос: почему в областях МФ не вырастают монбланы осадочного материала?
Дело в том, что под давлением огромных масс осадков происходит прогибание земной коры, так
что система находится в постоянном динамическом равновесии.
В конце 70-х годов прошлого столетия была опубликована статья (Гордеев, Лисицын,
1978), в которой приводились данные о средних содержаниях в речных взвесях более чем 50ти химических элементов на основе собственных и литературных данных по более чем 100
рекам бывшего СССР и других стран мира. Почти одновременно и независимо от нас на ту
же тему вышла статья французских исследователей (Martin, Meybeck, 1979), оценки которых
оказались хорошо сопоставимыми с нашими. В последние годы появились две крупные
работы — книга В.С. Савенко (2006) и статья французских авторов (Viers et.al., 2008), которые
дополнили и уточнили, но принципиально не изменили оценки конца 70-х годов. Уже тогда
соотношение взвешенных и растворенных форм элементов в речном стоке показало, что при
средней глобальной мутности речных вод (около 500 мг/л) для подавляющего числа элементов
взвешенные формы явно преобладают (табл. 1), что позволило академику А.П. Лисицыну
назвать речной сток «царством взвешенных форм элементов».
Одновременно проводились и широкие исследования микроэлементного состава
океанских вод и взвесей. Изучению химического состава взвесей Тихого океана была посвящена
кандидатская диссертация автора (1974). Растворенные формы металлов в океане активно
изучались иностранными исследователями. К. Бруланд (Bruland, 1983) обобщил накопленные к
тому времени данные и выделил три группы элементов, различающиеся типом распределения
в толще вод океана (консервативный, биогенный и литогенный типы). Выполненное автором
сопоставление по аналогии с речными водами вклада растворенных и взвешенных форм
элементов в океанской воде показало, что между речной и морской водой существуют
кардинальные геохимические различия (табл. 2).
243
VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
Таблица 1. Соотношение взвешенных форм к сумме взвешенных и растворенных форм
элементов в речном стоке (в %).
Мевзв.
Мевзв.+Мераств.
<10
10–50
50–70
70–90
90–95
95–99
>99
Элемент
Cl I
S, Na, Ca, Br, Sb
Mg, Corg., N, B, As, Mo, Sr, Cd, F
K, Ba, Li, Ag, U, Cu, Zn
P, Au, Ni
Si, Co, Rb, Zn, Th, V, Mn, Cr, Pb, Cs, Ga
Al, Fe, Ti, Hf, Tu, Lu, Tm, Er, Yb, La, Nd, Gd, Ce,
Ho, Pr, Sm, Tb, Nb, Sc
Океанская вода была названа «царством растворенных форм элементов». С геохимической
точки зрения доминирование растворенных форм означает резкое усиление геохимической
подвижности элементов в океане по сравнению с речным стоком. Это также означает, что
геохимия речных вод радикально отличается от геохимии океанских вод, при этом водоразделом
между ними является зона МФ.
Итак, МФ океана представляет собой барьерную зону глобального масштаба,
задерживающую главную часть осадочного терригенного материала на пути с континента в
океан и при этом разграничивающую пресноводную (речной сток) и морскую (океан) гидросферы
не только географически, но и по силе протекающих в них процессов.
Таблица 2. Соотношение взвешенных форм к сумме взвешенных и растворенных форм
элементов в океанской воде (в %)
Мевзв.
Мевзв.+Мераств.
<0,1
0,1–1,0
1,0–10,0
>10,0
Элемент
Na, K, Mg, Si, P, Li, Rb, Cs, Sr, Ba, Sb,
U, V, Y
Cd, Ga, Cu, Ni, Mo, Zr, легкие РЗЭ
Co, Zn, Ag, Mn, Ti,
Sc, тяжелые РЗЭ
Fe, Al, Pb
Литература
Гордеев В.В. Микроэлементы во взвеси и воде центральной и юго-восточной частей Тихого океана:
Автореф. дисс. канд. географ. наук. М.: ИОАН, 1974. 25 с.
Гордеев В.В. Система река-море и ее роль в геохимии океана. Дисс. докт. геол.-мин. наук. 25.00.28.
М.: ИО РАН, 2009. 356 с.
Гордеев В.В. Геохимия системы река-море. М.: И.П. Матушкина И.И., 2012. 452 с.
Гордеев В.В., Лисицын А.П. Средний химический состав взвесей рек мира и питание океанов
речным осадочным материалом // ДАН СССР, 1978. Т. 238, № 1. С. 225–228.
Лисицын А.П. Осадкообразование в океанах. М.: Наука, 1974. 438 с.
Лисицын А.П. Процессы океанской седиментации. Литология и геохимия. М.: Наука, 1978. 391 с.
Лисицын А.П. Лавинная седиментация и перерывы в осадкообразовании в морях и океанах. М.:
Наука, 1988. 309 с.
Лопатин Г.В. Наносы рек СССР. М.: Гидрометеоиздат, 1952. 366 с.
Савенко В.С. Химический состав взвешенных наносов рек Мира. М.: ГЕОС, 2006. 174 с.
Страхов Н.М. Основы теории литогенеза. Т. 1. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 212 с.
Bruland K.W. Trace elements in sea-water // Chemical oceanography/ London: Acad. Press. 1983.
P. 157–220.
Fournier F. Climat et erosion. Paris. Press Univ., France. 1960. 201 p.
Martin J.-M., Meybeck. Elemental mass-balance of material carried by major world rivers // Mar. Chem.
1979. V. 7. P. 173–206.
Viers J., Dupre B., Guillardet J. Chemical composition of suspended sediments in world rivers: new in
sight from a new data base // Sci. Total Environ. 2008. V. 407. P. 853–868.
244