Suspended matter of the deep-water part of the Black Sea

Full Text

Введение

Взвешенное вещество (ВВ) является важным компонентом морской экосистемы. Формирование его состава происходит преимущественно в верхней толще вод в результате комплексного воздействия веществ различных геосфер – литосферы, атмосферы, гидросферы, биосферы [1]. Взвешенное вещество включает следующие составляющие: литогенную (компоненты терригенного и абиогенного происхождения, поступают с речным стоком, в результате механических разрушений берегов и эолового переноса, а также благодаря таянию льда) и биогенную (остатки живых и отмерших организмов, образуется из органического вещества (С_орг), аморфного кремнезема (SiO_2био) и взвешенного карбоната кальция (СаСO₃), которые входят в состав планктона и его детрита) [2–4].

При смене окислительно-восстановительных условий, как правило, происходит изменение соотношения и содержания литогенной и биогенной составляющих ВВ. Качественный и количественный состав ВВ отражает процессы его трансформации в водной толще. Так как углерод является ключевым компонентом ВВ, исследование его органической и неорганической форм, а также их соотношения позволяет изучить доминирующие механизмы цикла углерода в гидросфере. Содержание органического углерода (С_орг) во взвешенном веществе отражает продуктивность экосистемы, интенсивность протекания в ней биохимических процессов и устойчивость к воздействиям на нее различных природных и антропогенных факторов [5, 6]. Также весомый вклад во взвешенное вещество вносят карбонаты – как терригенные, вынесенные с суши, так и автохтонные, образованные в водной толще [7]. Неорганический углерод (С_карб) является структурным компонентом карбонатных минералов, представленных во взвеси биогенными и хемогенными образованиями.

Согласно данным многолетних исследований фитопланктона, основными карбонат-концентрирующими биогенными частицами в составе ВВ в Черном море являются кокколитофориды Emiliania huxleyi [8, 9]. Эти водоросли служат посредником при перемещении С_карб из атмосферы и эвфотической зоны в донные отложения, так как в период окончания «цветения» кокколиты частично оседают на дно и являются основным компонентом известковых илов [8].

В водной толще тонкодисперсные микро- и наночастицы ВВ агрегируются под влиянием биологических (фильтрация воды организмами зоопланктона с превращением осадочного вещества в пеллеты и аморфные комки (морской снег)), а также физико-химических (коагуляция и флокуляция коллоидов) процессов. Вследствие этого формируются вертикальные потоки осадочного вещества, которое трансформируется при прохождении водной толщи и в конечном счете подвергается процессу захоронения в виде донных отложений [7]. Соответственно, исследование вертикального распределения ВВ представляет собой основу для понимания процессов современного осадконакопления [1].

Таким образом, исследование потока ВВ и механизмов его образования и трансформации является актуальной океанографической задачей.

До последнего времени исследования ВВ в российском секторе Черного моря носили эпизодический характер [6, 10] и выполнялись преимущественно в шельфовых районах [11]. Наиболее полно обзор по изучению ВВ и его потока в Черном море представлен в монографии [1]. Современные исследования ВВ основаны преимущественно на спутниковых данных [3–5, 12], при этом у такого подхода имеется ряд недостатков, в частности отсутствие возможности изучать вертикальный профиль ВВ и процессы его трансформации.

В 2015 г. сотрудниками Института океанологии РАН положено начало исследованиям вертикального профиля и внутригодовой изменчивости взвешенного вещества в открытой части Черного моря [1]. В глубоководной части были установлены седиментационные ловушки в составе автоматической глубоководной седиментационной обсерватории (АГОС), концепция которой разработана и внедрена в практику седиментологических исследований академиком А. П. Лисицыным [13, 14].

Концепция АГОС подразумевает возможность использования комплексного подхода в изучении потока ВВ для определения сопутствующих параметров, а именно: определения основных параметров верхнего слоя вод дистанционными методами исследования с использованием спутниковых снимков; использования седиментационных ловушек с различным временным разрешением, устанавливаемых на различных глубинах; подключения дополнительных зондов для определения гидрологических параметров среды в точке постановки ловушки (течения, температура, соленость, содержание, прозрачность, флуоресценция и др.).

Цель настоящей работы – количественная оценка потока взвешенного вещества в глубоководной части Черного моря, его изменчивости и трансформации состава в анаэробных условиях по данным 2021–2022 гг.

Материалы и методы

Данные были получены в результате постановки на пяти горизонтах седиментационных ловушек в глубоководной части Черного моря (глубина постановки станции 1968 м) на разрезе м. Херсонес – пролив Босфор (расстояние от м. Херсонес 180 км).

Для отбора проб использовались два типа седиментационных ловушек: первый – с возможностью получения непрерывного по времени сбора материала с заданным временем экспозиции (дифференциальные 12-стаканные седиментационные ловушки «Лотос-3»), второй – интегральные малые цилиндрические седиментационные ловушки МСЛ-110, которые собирают материал в течение всего времени работы станции [1]. На рис. 1 показан район установки седиментационных ловушек. Обсерватория АГОС была установлена в ходе 119-го рейса НИС «Профессор Водяницкий» 24 сентября 2021 г., подъем станции выполнен 4 октября 2022 г. в ходе 124-го рейса этого научно-исследовательского судна. Для интегрального сбора материала в течение года были установлены МСЛ на глубинах 218, 568, 1068, 1568 и 1918 м. На глубинах 218 м («Лотос-3») и 1918 м (ловушка «Лотос-1» не сработала, данные в работе не обсуждаются) были установлены дифференциальные седиментационные ловушки со временем экспозиции 30 сут. Таким образом, период работы АГОС на разных глубинах и с заданной дискретностью сбора ВВ составил 12 мес (375 сут), он охватывал все сезоны с сентября 2021 г. по октябрь 2022 г. Для сохранения собираемого материала в условиях, максимально приближенных к естественным, емкости-приемники заполняли 4%-ным раствором хлорида натрия, что в два раза превышает среднюю соленость вод Черного моря.

 

Рис. 1. Схема АГОС (а) и район ее постановки (b)

Fig. 1. Scheme of the AGOS (a) and the area of its installation (b)

 

На глубине 218 м ловушки были установлены для оценки потока из верхнего квазиоднородного слоя, на глубине 1918 м – для оценки потока, достигающего дна и участвующего в формировании осадков. Три промежуточные глубины были выбраны для оценки изменчивости потока ВВ с глубиной.

После подъема емкости с пробами ВВ сохранялись в холодильной камере до лабораторной обработки, которая проводилась по единой методике, описанной в [1].

Пробы фильтровали под вакуумом через параллельные предварительно взвешенные ядерные фильтры с размером пор 0,45 мкм для определения суммарного потока ВВ, а также через прокаленные при температуре 450°С стекловолокнистые фильтры Whatman GF/F для определения содержания общего, органического и карбонатного углерода.

После высушивания при температуре 60°С до постоянной массы и взвешивания фильтров с отфильтрованным веществом получали суммарное количество материала (масса сухой взвеси, мг). Для взвешивания материала использовали аналитические лабораторные весы Adventurer AR2140 с точностью измерения до 0,0001 г.

Поток взвешенного вещества рассчитывался как отношение массы сухого ВВ к произведению площади сбора ловушки и времени экспозиции:

$F=\frac{m}{ST}$, (1)

где F – поток ВВ, мг∙м^‒2∙сут^‒1; m – масса сухой взвеси, мг; S – площадь сбора, м²; T – время экспозиции, сут.

Содержание общего, органического и карбонатного углерода определяли методом кулонометрического титрования на анализаторе углерода АН-7529 [15].

Результаты

По данным, полученным с помощью седиментационных ловушек, определены вертикальный поток ВВ, содержание С_орг и С_карб в пробах, а также рассчитаны потоки органического и неорганического углерода со взвешенным веществом. На глубине 218 м изучена их сезонная изменчивость. Потоки ВВ характеризовались неоднородностью распределения как по глубине, так и в течение года (рис. 2).

 

Рис. 2. Вертикальная (а) и сезонная (b) изменчивость потока ВВ по данным 2021–2022 гг.

Fig. 2. Vertical (a) and seasonal (b) variability of the suspended matter flux based on the 2021–2022 data

 

По данным интегральных ловушек, поток ВВ изменялся в диапазоне 62–99 мг·м^‒2·сут^‒1 (рис. 2, а). Отмечено наличие двух пиков одинаковой интенсивности (99 мг·м^‒2·сут^‒1) на глубинах 218 и 1568 м; на глубинах 568, 1068 и 1918 м значение снижалось и составляло 61–63 мг·м^‒2·сут^‒1. Порядок этих значений сопоставим как с современными данными за 2015–2016 гг. для центральной части моря у подножия северо-западного склона глубоководной котловины [1], так и с данными 80-х годов прошлого века для Анатолийского побережья [16–18].

Сезонная изменчивость потока ВВ на глубине 218 м характеризовалась максимумом в сентябре (70,2 мг·м^‒2·сут^‒1 в пересчете на 30 дней) и минимумом в марте (2 мг·м^‒2·сут^‒1) (рис. 2, b). В целом значения потока ВВ изменялись в пределах 9–36 мг·м^‒2·сут^‒1, что также соответствует литературным данным [1, 16–18].

Распределение углерода, одного из основных компонентов ВВ, соответствовало вертикальному профилю его потока: максимальные концентрации наблюдались на глубинах 218 и 1568 м (19,25 и 19,52% соответственно); на глубинах 568, 1068, 1918 м концентрации находились в узких пределах 17,29–17,68%. С глубиной незначительно изменялось соотношение органической и неорганической форм углерода (рис. 3, a), при этом вклад органического углерода в среднем составлял 83%.

 

Рис. 3. Распределение органической (С_орг) и неорганической (С_карб) форм углерода с глубиной (а) и в течение года (b)

Fig. 3. Distribution of organic (C_org) and inorganic (C_carb) forms of carbon with depth (a) and during a year (b)

 

В течение года содержание углерода во взвешенном веществе изменялось в пределах 5–23,29% с максимумом в августе и сентябре и минимумом в марте, когда наблюдался минимальный поток ВВ (рис. 2, b). Сезонная изменчивость концентрации С_орг качественно совпадала с сезонной изменчивостью потока ВВ и характеризовалась минимумами в марте и ноябре (5,0 и 7,54% соответственно) и максимумами в июле – сентябре (16,3–20,53%) (рис. 3, b). Распределение С_карб во взвешенном веществе носило несколько иной характер: наблюдались минимумы концентрации в весенний и осенний периоды (в марте, апреле и октябре, ноябре соответственно).

Подобное распределение концентраций органической и неорганической форм углерода выявило, что вклад органической составляющей также характеризуется выраженной сезонностью с максимумами в марте и октябре (рис. 4): в первый период наблюдалось плавное снижение доли С_орг на 25% с марта по август; во второй – более резкое снижение доли С_орг с октября по январь.

 

Рис. 4. Доля органической составляющей от суммарного углерода во взвешенном веществе

Fig. 4. Share of organic component in total carbon in suspended matter

 

Обсуждение результатов

Вертикальный профиль. Колебание интенсивности потока ВВ с глубиной обусловлено влиянием как физических, так и биогеохимических процессов. По данным, полученным с помощью седиментационных ловушек, определены вертикальные потоки, содержание С_орг и С_карб в пробах, а также рассчитаны потоки органического и неорганического углерода со взвешенным веществом. На глубине 218 м изучена их сезонная изменчивость.

Поток С_карб для Черного моря определяется преимущественно процессами с участием кокколитофорид, так как для этой экосистемы они являются преобладающими водорослями, имеющими в основе карбонатный скелет [8, 9]. За счет недостаточного насыщения глубинных водных масс карбонатами [19], а также снижения рН и увеличения концентрации СО₂ должно происходить растворение карбонатов, что проявляется в снижении потока С_карб с глубиной (рис. 3, а):

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ↔ Ca²⁺ + 2 HCO₃^‒. (2)

Увеличение потока ВВ на глубине 1568 м и ниже, возможно, обусловлено глубинными течениями [10]. По данным [20], в нижних нефелоидных слоях, которые образуются в результате донной эрозии под действием внутренних приливов и волн, происходит адвективный перенос вод. Мелкозернистые, ресуспендированные отложения, включающие частицы глины, ила и кокколит, часто вовлекаются в эту форму придонного горизонтального переноса [16, 17].

Увеличение концентрации взвеси также может определяться влиянием анаэробных условий вод Черного моря и рядом особенностей протекания биохимических реакций в этих условиях. Так, некоторые исследователи связывают это с реакциями с участием марганца, железа и других микроэлементов, образующих в сероводородной зоне нерастворимые сульфиды, которые в дальнейшем осаждаются, сорбируя некоторую часть растворенных соединений, и способствуют формированию взвеси сложного состава [10]. Наличие пиритов во взвеси глубинных вод Черного моря показано в работе [1]. Кроме того, доля потока углерода составляет 20% от потока ВВ, что указывает на сложный компонентный состав ВВ и подтверждает теорию образования в анаэробном слое сульфидов металлов, в частности железа и марганца, и сорбирование ими других растворенных компонентов с образованием комплексных соединений:

Me²⁺ + S^2‒ → MeS↓. (3)

Поскольку в наших исследованиях наблюдается снижение потока ВВ с глубиной, а профиль потока органического вещества качественно совпадает с вертикальным профилем потока ВВ (рис. 2, а; 3, а), можно предположить, что для глубоководных вод Черного моря вклад органической составляющей является преобладающим при формировании ВВ. На это также указывает тот факт, что, согласно данным [1], с увеличением глубины концентрация карбонатов резко уменьшается и не определяется на глубине 1775 м. При этом увеличение интенсивности потока ВВ на глубине 1568 м и концентрации С_орг, вероятнее всего, определяется физическими процессами переноса.

Сезонная изменчивость потока ВВ и углерода. Установка долгосрочных седиментационных ловушек с заданным временем экспозиции, последующим сбором и анализом материала дает возможность изучать вклад различных физических, химических и биологических процессов в формирование ВВ и его последующую трансформацию при смене условий.

Сезонная изменчивость характеристик ВВ и его потока, прежде всего, определяется биологическими процессами с участием планктона и бактерий, которые, в свою очередь, также зависят от гидрологических условий, сезонных явлений [10] (в частности, от сезонных циклов первичных продуцентов, «цветения» кокколитофорид и диатомовых микроводорослей) в эвфотической зоне глубоководной области Черного моря [18, 21, 22].

Пики значений потока ВВ на глубине 218 м приходятся на летний (август) и осенний (сентябрь) периоды (36,4 и 70,2 мг·м^‒2·сут^‒1 соответственно). Их суммарный вклад составляет 45% от суммарного значения годового потока (рис. 2).

С учетом того, что по спутниковым данным (рис. 5, а) вспышка «цветения» кокколитофорид приходилась на июнь [9], а по данным ловушек максимальный вклад карбонатов в поток ВВ приходился на июль, август и сентябрь (40,1, 51,1 и 22,5% соответственно (рис. 5, c)), можно предположить, что в этот период поток ВВ обусловлен карбонатной составляющей и осаждением кокколитофорид. Скорость осаждения ВВ в этом случае должна соответствовать примерно 7–9 м·сут^‒1, что согласуется с данными [23].

 

Рис. 5. Концентрации кокколитофорид (a) и первичной продукции (b) в районе постановки ловушки по спутниковым данным за 2022 г.; сезонный ход потоков органического (F_орг) и неорганического углерода в составе карбонатов (F_карб) во взвешенном веществе на глубине 218 м по данным ловушки «Лотос-3» (c)

Fig. 5. Concentrations of coccolithophores (a) and primary production (b) in the area of installed trap based on satellite data for 2022; seasonal variations of organic (F_org) and inorganic (F_carb) carbon fluxes, as the parts of carbonates, in suspended matter at the 218 m depth based on the “Lotus” trap data (c)

 

Наблюдаемое отставание в один-два месяца между временем пика продуктивности фитопланктона в эвфотической зоне и максимальными значениями потока неорганического углерода (представленного преимущественно кокколитофоридами) также обусловлено скоростями осаждения (в пределах 1–36 м·сут^‒1) [24].

В остальное время поток ВВ изменялся в пределах 2,3–25,5 мг·м^‒2·сут^‒1 при среднем значении 13 мг·м^‒2·сут^‒1 и характеризовался чередованием максимумов и минимумов (рис. 2). Минимальный поток ВВ зафиксирован в марте, в этот период он определялся только органической компонентой, а вклад неорганической составляющей отсутствовал (рис. 3, b; 4, 5). Для вод Черного моря характерно два пика «цветения» фитопланктона – осенне-зимний (более интенсивный, максимум приходится на ноябрь – декабрь) и зимне-весенний [25], это проявляется и в сезонном распределении ВВ и его потока (рис. 2, b).

Таким образом, сезонная динамика потока ВВ преимущественно совпадает с динамикой первичной продукции и численностью кокколитофорид (рис. 5) [9, 26].

Заключение

Сезонная динамика потока ВВ и углерода определяется влиянием как физических, так и биогеохимических процессов. Потоки ВВ характеризовались неоднородностью распределения с глубиной и в течение года.

Отмечено наличие двух пиков потока ВВ одинаковой интенсивности на глубинах 218 и 1568 м. Снижение интенсивности потока ВВ происходит за счет протекания биогеохимических процессов, приводящих к растворению, окислению и минерализации веществ, образующих ВВ. Увеличение концентрации ВВ и его потока, вероятнее всего, обусловлено влиянием течений либо протеканием физико-химических процессов сорбции на сульфидах металлов.

Сезонная изменчивость потока ВВ определялась преимущественно биологическими процессами с участием планктона, вклад органической составляющей достигал 83%. Пики значений потока ВВ приходились на летний период, их суммарный вклад составлял 45% от значений годового потока.

Минимальный поток ВВ зафиксирован в марте, в этот период он определялся только органической компонентой, а вклад неорганической составляющей отсутствовал.

Сезонная динамика потока ВВ соответствует спутниковым данным по первичной продукции и численности кокколитофорид, соотношение времени пиков их «цветения» в зоне фотосинтеза и потоков неорганического углерода на глубине 218 м соответствует расчетным скоростям осаждения в пределах 1–36 м·сут^‒1.

Измерения проведены в Центре коллективного пользования НИС «Профессор Водяницкий» Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Институт биологии южных морей имени А. О. Ковалевского РАН».

About the authors

I. N. Mukoseev

Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: igor.mukos@gmail.com
ORCID iD: 0009-0000-3485-1004
SPIN-code: 7600-4992

старший инженер, отдел биогеохимии моря, лаборатория мониторинга и исследования потоков парниковых газов и кислорода в морской среде

Russian Federation, Sevastopol

N. A. Orekhova

Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences

Email: natalia.orekhova@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0002-1387-970X
SPIN-code: 9050-4772
Scopus Author ID: 35784884700
ResearcherId: I-1755-2017

ведущий научный сотрудник, зав. отделом биогеохимии моря, кандидат географических наук

Russian Federation, Sevastopol

References

Supplementary files