Биогеохимические процессы раннего диагенеза в современных

Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ РАННЕГО ДИАГЕНЕЗА В
СОВРЕМЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ МОРЕЙ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ
А.Ю. Леин
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, lein@ocean.ru
Моря российской Арктики: Белое, Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское
и Чукотское — относятся к окраинным морям Северного Ледовитого океана. Все они, кроме
южной части Белого моря, расположены за полярным кругом, с чем связано наличие почти
круглогодичного (около 9 мес.) ледового покрова, низкие среднегодовые температуры воды
и укороченный по сравнению с остальными районами Мирового океана, кроме Антарктики,
период активных биологических процессов.
Глубины, ниже которых даже летом сохраняются отрицательные температуры, для
разных морей приведены в табл. 1. Среднегодовая температура верхних горизонтов донных
отложений такая же, как в придонном слое воды.
Арктические моря сильно различаются по площади и по величине речного стока
(табл. 2). Последнее особенно важно, как будет показано, для характеристики особенностей
биогеохимических процессов в морских отложениях.
Таблица 1. Морские глубины, ниже которых всегда
отрицательные температуры
Море
Глубина, м
Температура, °С
Белое
150
−1,4
Баренцево
20–120
< −1
Карское
16–18
300
< −1
< −1
Восточно-Сибирское
20–22
−1
Таблица 2. Площадь и речной сток морей российской Арктики
(Иванов и др., 2010, с добавлениями)
Белое
Площадь, 103
км2
90
Речной сток,
км3•год-1
250
Первичная продукция,
г•м-2•год-1
25
Баренцево
1512
215
20-200
Карское
926
1480
30-50
Чукотское
620
24
20-400
Лаптевых
498
25-400
Восточно-Сибирское
987
25-40
Море
Современные отложения изученных арктических морей представлены главным образом
терригенными бескарбонатными алевритовыми и алеврит-пелитовыми илами с примесью
грубообломочного материала. Илы сильно биотурбированы. Ходы червей (polichets) проникают
иногда на всю вскрытую толщу (60 см) осадков, вовлекая из верхних горизонтов коричневые
окисленные илы и воду в нижележащие серые восстановленные отложения. Процессы раннего
диагенеза протекают в условиях физико-химической (термодинамической) неравновесности, а
биотурбация еще больше усложняет эти процессы. В современных и голоценовых отложениях
широко развиты процессы аутигенного минералообразования с закономерным распределением
аутигенных минералов в зависимости прежде всего от окислительно-восстановительных
условий и от скорости биогеохимических реакций. В окисленных современных осадках часто
163
VII Всероссийское литологическое совещание 28-31 октября 2013
присутствуют железомарганцевые конкреции, а в восстановленных отложениях распространены
стяжения сульфидных минералов — производных сероводорода, размером от микронов
до сантиметров, и карбонатные конкреции, часть которых формируется из углекислоты,
образованной при разложении органического вещества (ОВ) осадков, а другая часть — за счет
изотопно-легкой углекислоты, образованной при микробном окислении метана.
Ведущим фактором, определяющим направленность и скорость диагенетических
процессов, является количество и состав (реакционная способность, лабильность) ОВ,
достигающего дна водоемов. От состава органического вещества зависит в первую очередь
и интенсивность биогеохимических процессов. Наиболее реакционно-способным, легко
усваивающимся микроорганизмами и в целом всем органотрофным бентосным сообществом
является органический детрит, состоящий из остатков морского фитопланктона и в меньшей
мере фитопланктона пресноводного.
Арктические моря отличаются от морей других климатических зон значительным
поступлением в водоем и на дно терригенного органического вещества, снесенного с суши,
сильно преобразованного как в условиях древнего диагенеза и литогенеза, так и в процессе
транспортировки и потому трудно усвояемого микроорганизмами, что заметно замедляет
скорости биогеохимических процессов в современных осадках арктических морей. Доля
терригенного органического вещества, выраженного через Сорг, например, в голоценовых
осадках Белого моря изменяется от 35 до 100 %.
В кислородных условиях в водной толще и на дне минерализуется и окисляется при
участии органотрофных микроорганизмов около 86 % Сорг (Леин, Иванов, 1981; Леин, 1983;
Lein, 1984). Только оставшиеся 14 % Сорг участвуют в дальнейших преобразованиях ОВ,
которые сводятся в первую очередь к выделению химических компонентов из состава самого
ОВ (HCO3−, PO43−, NH4+ и др.) и к потреблению кислорода, что приводит к смене аэробных
условий на анаэробные. Основными процессами, происходящими при смене аэробных условий
на анаэробные, являются окислительно-восстановительные процессы с участием кислорода и
кислородных соединений марганца и железа. Переход к анаэробным условиям завершает этап
окислительного диагенеза. При анаэробном диагенезе, по существу, единственным окислителем
ОВ становится кислород сульфат-иона иловых вод. Биогеохимические процессы, происходящие
на анаэробной стадии диагенеза, являются объектом наших исследований в океане в течение
ряда десятилетий (Леин, 1983; Леин, Иванов, 2009). Изучение биогеохимических процессов в
морях российской Арктики охватывает период с 1993 по 2012 гг.
Восстановительные процессы цикла серы начинаются с восстановления сульфатиона иловых вод с образованием HS--иона. При наличии в среде реакционно-способного
железа HS−- ион реагирует с ним с образованием группы минералов, условно относящихся
к гидротроилиту (FeSn-1). В составе гидротроилита (условного) выделяются как аморфные
разности, так и кристаллические — маккиновит и грейгит. При определенных условиях, чаще
всего в присутствии элементной серы, гидротроилит переходит в пирит. В осадках всегда
присутствует в большем или меньшем количестве органическая сера. В отложениях Белого
моря она преобладает над всеми другими формами восстановленной серы.
Практически параллельно с образованием сероводорода и его производных в осадках
генерируется микробный (диагенетический) метан. Как правило, скорость микробного
метаногенеза на 2–3 порядка ниже скорости сульфатредукции. По мере потребления сульфатиона иловых вод сверху вниз по колонкам в осадках уменьшается скорость сульфатредукции,
растет скорость метаногенеза и метанокисления, а в иловой воде нарастает величина общей
щелочности и аммиачный азот и падает концентрация кальция. При подтоке миграционного
метана в осадках увеличивается скорость окисления метана, скорость 14СО2-ассимиляции и
вновь возрастает скорость сульфатредукции, что связано с новообразованием лабильного ОВ в
виде микробной биомассы и растворенного ОВ (экзометаболического).
Помимо определения количества и состава твердофазных минеральных продуктов
раннего диагенеза в виде аутигенных минералов, при изучении Арктических морей особое
внимание уделялось газообразным продуктам биогеохимических процессов: углекислоте,
сероводороду и метану, в том числе газгидратному.
164
Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории
Материал для исследований был получен в экспедициях Института океанологии
им. П.П. Ширшова РАН (ИО РАН), Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН
(ТОИ ДВО РАН) и Научно-исследовательского института Арктики и Антарктики (ААНИИ)
Гидрометслужбы России.
Отбор проб донных осадков осуществляли с помощью трубки Ниемисте и мультикорера,
с сохранением наддонной воды и жидкого флоккулированного слоя на ненарушенной границе
вода – дно. Мощность отобранных таким образом колонок осадков составила от 20 до 70 см.
Отбирались также донные отложения с помощью геологических трубок. В этих случаях
мощность колонок осадков доходила до 460 см и включала в себя не только современные, но и
более древние отложения голоцена и даже верхов плейстоцена.
Анализы физико-химических свойств осадков (pH, Eh, T°C, влажность), отжим иловых
вод и определение концентрации биогенных элементов проводились на борту судна сразу
после подъема осадков. Столь же оперативно, т.е. сразу после поступления проб осадков на
борт, ставились эксперименты по определению скорости основных микробных процессов,
участвующих в анаэробном диагенезе с использованием радиоактивных изотопов 35S и 14С.
Это следующие процессы: темновая ассимиляция углекислоты (ТАУ), метаногенез (МГ),
метанокисление (МО) и сульфатредукция (СР). Детальное описание перечисленных методов
содержится в наших многочисленных публикациях и монографиях (Гальченко, 2001; Леин,
Иванов, 2009).
В докладе обобщены результаты количественного изучения скоростей перечисленных
выше процессов круговорота углерода и серы, протекающих на стадии раннего диагенеза
в осадках морей российской Арктики. Процессы эти приводят к минерализации части
органического вещества, поступающего в осадки из водной толщи, а также к новообразованию
ОВ в осадках в составе микробных экзометаболитов (РОУ) и биомассы микроорганизмов.
Микробные процессы сопровождаются метаморфизацией иловых вод, аутигенным
минералообразованием и фракционированием стабильных изотопов серы и углерода в
продуктах реакций.
Детально рассмотрены биогеохимические процессы, протекающие на границе «водная
толща – донные отложения», задающие начальные условия для стадии диагенеза осадков.
Количественные оценки скорости процессов метаногенеза и метанокисления используются
для балансовых расчетов накопления метана, а также его аэробного и анаэробного окисления
в водной толще и в осадках (Belyaev et al., 1980; Беляев и др., 1981). Особенности процессов
раннего диагенеза при участии миграционного и газгидратного метана рассматриваются на
примере заполярного грязевого вулкана в Норвежском море.
Процессы раннего диагенеза, протекающие при участии различных групп
микроорганизмов, активно формируют газовый состав гидросферы и атмосферы.
Литература
Беляев С.А., Леин А.Ю., Иванов М.В. Роль сульфатредуцирующих и метанобразующих бактерий в
разложении органического вещества // Геохимия. 1981. № 3. С. 437–442.
Гальченко В.Ф. Метанотрофные бактерии. М.: ГЕОС, 2001. 500 с.
Иванов М.В., Леин А.Ю., Саввичев А.С. Влияние фитопланктона и микроорганизмов на
формирование изотопного состава углерода органического вещества морей российской Арктики //
Микробиология. 2010. Т. 5. С. 579–594.
Леин А.Ю. Потребление Сорг при процессах минерализации органического вещества в современных
осадках // Геохимия. 1983. № 11. С 1634–1639.
Леин А.Ю., Иванов М.В. Динамическая биогеохимия анаэробного диагенеза осадков // Литология
на новом этапе развития геологических знаний. М.: Наука, 1981. С. 62–75.
Леин А.Ю., Иванов М.В. Биогеохимический цикл метана в океане. М.: Наука, 2009. 576 с.
Belyaev S.S., Lein A.Yu., Ivanov M.V. Role of methane-producing and sulfate-reducing bacteria in the
destruction of organic matter // Biogeochemistry of ancient and modern environments. Canberra: Springer
Verlag. 1980. P. 235–242.
Lein A.Yu. Anaerobic consumption of organic matter in modern marine sediments // Nature. 1984. V. 312.
P. 148–150.
165