1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Науки о Земле
  4. T. 497, № 1, 2021

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 497, № 1, стр. 16-22

Потоки осадочного вещества на гидротермальных полях южной части хребта Мона

А. А. Клювиткин 1, *, М. Д. Кравчишина 1, А. Г. Боев 1

1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук
Москва, Россия

* E-mail: klyuvitkin@ocean.ru

Поступила в редакцию 16.11.2020
После доработки 18.11.2020
Принята к публикации 11.12.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Обсуждаются первые результаты исследований вертикальных потоков осадочного вещества в гидротермальной седиментосистеме субполярного участка Срединно-Атлантического хребта под влиянием гидродинамических факторов, воздействующих на распространение гидротермального плюма. Краткосрочная постановка седиментационных ловушек проводилась в 75-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” в июне 2019 г. на гидротермальных полях Троллвегген и Сориа Мориа в южной части хр. Мона. Осаждение частиц в придонном слое происходило при преобладающем переносе вод в северо-восточном направлении, что совпадает с пространственной ориентацией рифтовой долины в зоне исследования. Зафиксированы многочисленные кратковременные положительные аномалии температуры амплитудой до 0.86°С. Потоки частиц в придонном слое исследованного полигона намного ниже, чем на гидротермальных полях более южных участков Срединно-Атлантического хребта. В ловушечном веществе придонных горизонтов выявлено значительное количество минералов гидротермального генезиса (барит, сульфиды и др.). Главные отличия между двумя полями – отсутствие на поле Сориа Мориа кристаллитов гипса и более низкое содержание волокнистых агрегатов (нитей и сфер) аморфного кремнезема.

Ключевые слова: Арктика, гидротермальный плюм, седиментационные ловушки, Троллвегген, Сориа Мориа, бариты, сульфиды

Наиболее эффектные проявления гидротермальной активности в океане – это высокотемпературные источники растворов и газов. Так называемые черные и белые курильщики создают насыщенные частицами плюмы, поднимающиеся на сотни метров над морским дном [1, 5]. Продукция этого материала и его рассеяние в глубинах океана в основном зависят от интенсивности выброса горячих флюидов, которые затем оседают на дно в виде тонких частиц. Эти частицы в составе гидротермальных плюмов нейтральной плавучести переносятся глубоководными течениями и фиксируются на расстоянии в десятки километров от источника [8, 9].

Изучение плюмов в настоящее время – это важная составляющая океанологических исследований в силу значительного влияния высокотемпературных флюидов на баланс химических элементов в океане. Цель работы – оценить потоки вещества и состав оседающих частиц в гидротермальной седиментосистеме южной части хр. Мона под влиянием гидродинамических факторов, воздействующих на распространение гидротермального плюма.

Гидротермальные проявления в южной части хр. Мона были открыты в экспедиции BIODEEP-05 норвежского научно-исследовательского судна “G.O. Sars” в 2005 г. [12]. Исследования развивались в последующих экспедициях в разных направлениях [4, 13]. Изучены рельеф, состав построек и флюидов, эмиссия эндогенного CO2 и метана, биологическая активность гидротермальной фауны, микробные процессы и др. Но прямой сбор осаждающегося вещества гидротермальных плюмов с помощью седиментационных ловушек в этом районе выполнен нами впервые.

Краткосрочная постановка автоматической глубоководной седиментационной обсерватории (АГОС) с седиментационными ловушками (СЛ) проводилась в 75-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” [3] в начале лета 4–8 июня 2019 г. на гидротермальных полях Троллвегген и Сориа Мориа (рис. 1, табл. 1).

Рис. 1.

Положение района исследования.

Таблица 1.

Потоки и состав осаждающегося вещества на гидротермальных полях Троллвегген (АГОС-1) и Сориа Мориа (АГОС-2)

  Координаты, глубина, экспозиция Горизонт/расстояние от дна, м Поток, мг/м2/сут
Общий Siобщ Al Сорг Скарб Хлорин ЛВ SiO2био
АГОС-1 71°17.883′ с.ш. 150/400 279.6 33.1 0.31 88.8 25.2 1.459 3.77 69.3
  05°46.359′ з.д. 350/200 100.5 14.5 1.31 27.5 7.96 0.528 16.0 24.3
  550 м 450/100 85.6 12.2 1.20 19.9 0.81 0.644 14.7 20.0
  101.7 ч 520/30 103.6 14.2 1.26 22.8 5.74 0.827 15.5 23.9
АГОС-2 71°15.677′ с.ш. 270/400 130.3 20.8 1.36 38.6 9.62 0.444 16.6 37.5
  05°48.899′ з.д. 470/200 97.5 12.9 1.11 39.4 0.36 0.663 13.6 21.9
  670 м 570/100 90.2 13.6 1.61 18.3 6.48 0.597 19.7 20.8
  95.5 ч 640/30 103.9 14.6 1.43 20.4 9.42 0.367 17.6 23.9

Использованы малые цилиндрические СЛ МСЛ-110 [6]. Пробосборники заполнялись фильтратом морской воды с горизонта постановки. Для регистрации параметров среды на придонном горизонте АГОС-1 были установлены акустический измеритель течения Nortek Aquadopp и CTD-профилограф SBE37, а на двух нижних горизонтах АГОС-2 – термографы RBRduet. Перед постановкой и после подъема АГОС выполнены CTD-зондирования судовым комплексом SBE911plus.

В ловушечном материале определено содержание Si и Al фотоколориметрическим методом (аналитик Е.О. Золотых) и органического (Сорг) и карбонатного (Скарб) углерода методом кулонометрического титрования на анализаторе углерода АН-7529 (аналитик Л.В. Демина). Содержание CaCO3 рассчитано по Скарб, литогенного вещества (ЛВ) – по Al, а биогенный кремнезем (SiO2био) вычислен методом терригенной матрицы по разнице содержаний валового и литогенного SiO2 на основании среднего состава верхнего слоя земной коры [15].

Состав частиц ловушечного материала изучен с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) VEGA-3sem “TESCAN” с системой рентгеноспектрального микроанализа Oxford “INCA Energy” 350.

ВОДНАЯ ТОЛЩА

Температурный фон в придонных слоях (до 100 м от дна) составил –0.13…–0.12°C для поля Троллвегген и –0.26…–0.13°C для поля Сориа Мориа. CTD-зондирования при постановке и подъеме АГОС выявили у дна положительные температурные аномалии амплитудой 0.64°C на первом и 2.49°C на втором поле соответственно.

Самописцы условий среды в составе АГОС (рис. 2) показали, что осаждение частиц в придонном слое поля Троллвегген происходило при преобладающем переносе вод в северо-восточном направлении, что практически совпадает с пространственной ориентацией рифтовой долины в зоне исследования. При этом движение воды носило возвратно-поступательный характер. Скорости течения изменялись от 0.3 до 18.7 см/с при среднем значении 6.1 см/с. Выявлена периодичная изменчивость скорости и направления течений с полусуточным приливным циклом. В придонном горизонте зафиксированы многочисленные, хаотично возникающие, кратковременные положительные аномалии температуры амплитудой до 0.86°С. К этим же пикам привязаны минимумы концентраций растворенного кислорода, а также максимумы коэффициента обратного рассеяния звука взвесью. Очевидно, что ловушки в придонном горизонте на поле Троллвегген попадали в область влияния гидротермального плюма, что и было целью постановки.

Рис. 2.

Параметры водной толщи в точках постановки АГОС: прогрессивная векторная диаграмма течения (а), изменчивость вектора течения и обратного рассеяния звука взвесью по данным акустического измерителя течений на поле Троллвегген (б), температура (T) и растворенный кислород (O2) на поле Троллвегген (в), температура на придонном (T640) и следующем от дна (T570) горизонте на поле Сориа Мориа (г).

Термографы в придонном слое на поле Сориа Мориа также зафиксировали пики температуры, но с гораздо меньшей амплитудой (~0.25°С). Повышение температуры отмечалось гораздо реже (всего 1 раз в сутки) и было привязано к фазе прилива (рис. 2). На следующем горизонте от дна (570 м) подобные температурные аномалии не обнаружены, т.е. вблизи источника гидротермальный плюм распространяется в субгоризонтальном направлении в 10–30 м от дна, что также подтверждено CTD-зондированиями.

Интересно, что на поле Сориа Мориа при зондировании перед постановкой АГОС у дна наблюдался холодный слой мощностью около 50 м с температурой –0.26°C, что на 0.13°C ниже фонового. Зондирование после подъема АГОС этот слой не обнаружило. Придонный термограф в составе АГОС также фиксировал колебания фоновой температуры с той же амплитудой (до 0.13°C). Период колебаний составил 1 сут, что характерно для суточной составляющей прилива. Таким образом, под воздействием приливных течений происходит заток холодных глубинных вод на исследуемое поле с глубин, превышающих исследуемые на десятки метров. На фоновой станции при глубине моря 2375 м в 50 км от полигона воды с температурой –0.26°C фиксировалась в слое 850 м.

ПОТОКИ ВЕЩЕСТВА

Максимум потока рассеянного осадочного вещества (279.6 мг/м2/сут) на изученном полигоне приходится на подповерхностный горизонт 150 м на поле Троллвегген (табл. 1). Глубже, с 270 м до дна, потоки варьировали в пределах 85–130 мг/м2/сут. Минимум потоков (85–97 мг/м2/сут) зафиксирован в промежуточном слое 450–570 м на обеих АГОС. Выявлено небольшое увеличение потоков в придонном слое (30 м от дна) +18 мг/м2/сут (до 103.6 мг/м2/сут) на поле Троллвегген и +13.7 мг/м2/сут (до 103.9 мг/м2/сут) на поле Сориа Мориа, что может свидетельствовать как о поставке эндогенного вещества, так и о возможном влиянии придонного нефелоидного слоя. Однако изучение распределения водной взвеси как фильтрационным методом, так и оптическим (нефелометрия), не выявило в исследуемом районе присутствия у дна выраженного нефелоидного слоя, не привязанного к гидротермальной активности, что отмечалось также в работе [4].

Полученные значения потоков осадочного вещества, в целом, несколько выше, чем в среднем для изучаемого региона. Так, в Норвежско-Гренландском регионе на горизонте около 500 м они обычно не превышали 200 мг/м2/сут [2, 14]. Высокие потоки в нашем исследовании объясняются активностью фитопланктона. В период работы АГОС наблюдалось цветение микроводорослей, что подтверждается высокими концентрациями хлорофилла “а” в поверхностном слое (до 5.4 мг/л) и высоким потоком хлорина на подповерхностном горизонте АГОС-1 (1.46 мг/м2/сут на 150 м).

Потоки частиц в придонном слое исследованного полигона намного ниже, чем на гидротермальных полях Срединно-Атлантического хребта 25–40° с.ш. Как видно из табл. 2, потоки вещества значительно варьируют на разных гидротермальных полях, но все они превышают таковые величины, полученные на полях Троллвегген и Сориа Мориа [7, 9–11]. Налицо также высокая временная изменчивость потоков: почти в 70 раз за 16 сут экспозиции ловушек на поле Рэйнбоу [10].

Таблица 2.

Общий поток осаждающегося вещества под влиянием плюма гидротермальных полей на разных участках САХ

Гидротермальное поле Координаты Глубина, м Горизонт, м Поток, мг/м2/сут Источник
Троллвегген 71°17.883′ с.ш. 550 520 103.6 Данная работа
  05°46.359′ з.д.        
Сориа Мориа 71°15.677′ с.ш. 670 640 103.9 Данная работа
  05°48.899′ з.д.        
Лаки Страйк 37°17.508′ с.ш. 1630 1628 264.3 [9]
  32°16.473′ з.д.        
Рейнбоу 36°13.8′ с.ш. 2275 2273 280–19200 [10]
  33°54.1′ з.д.        
Брокен Спур 29°10.1′ с.ш. 3030 3028 1800 [7, 11]
  43°10.3′ з.д.        
ТАГ 26°09.2′ с.ш. 3650 3648 5200 [7]
  44°49.6′ з.д.        

Очевидно, интенсивность гидротермальных проявлений изученных нами полей и влияние гидротермального плюма на водную среду существенно ниже, чем на других известных гидротермальных полях САХ, что отмечалось ранее [4]. Показано сходство этих полей с полем Лаки Страйк по составу донных осадков [4].

По значению вертикальных потоков частиц поля Троллвегген и Сориа Мориа также наиболее близки к полю Лаки Страйк (табл. 2).

СОСТАВ ВЕЩЕСТВА ПОТОКОВ

В осаждающемся материале преобладало биогенное вещество (CaCO3, Сорг, SiO2био), достигая в верхнем слое АГОС-1 (150 м) ~99%. Сорг варьировал от 19 до 40% с максимумом в подповерхностных горизонтах. Отмечено практически постоянное во всей водной толще высокое содержание биогенного кремнезема (22.5–28.7%), при этом максимум потока SiO2био приурочен к подповерхностным горизонтам 150 м (АГОС-1) и 270 м (АГОС-2) и составляет 69.3 мг/м2/сут и 37.5 мг/м2/сут соответственно. Максимум CaCO3 в потоке также выявлен в подповерхностных горизонтах. Поток литогенного вещества возрастает ниже эвфотического слоя и остается практически неизменным (13.6–19.7 мг/м2/сут) от 270 м до дна на обеих станциях, составляя 12.8–21.8% вещества в ловушках.

Придонные горизонты, подверженные влиянию поставки вещества из высокотемпературных гидротермальных флюидов, по соотношению основных макрокомпонент потока явно не выделяются. Обращает на себя внимание только незначительное уменьшение содержания в потоке основного маркера литогенного вещества Al на 13–22% от вышележащего горизонта, при том, что суммарный поток не уменьшается, а даже возрастает на 15–20%. Очевидно, увеличение потока происходит все-таки за счет поставки гидротермального материала, имеющего состав, отличный от среднего для верхнего слоя земной коры, на основании которого обычно рассчитывается содержание литогенного вещества во взвеси [15].

МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА СЭМ

Во всей толще воды, кроме придонных горизонтов обоих полей, преобладали биогенное вещество и частицы породообразующих минералов пелитовой и мелкоалевритовой размерности – полевых шпатов, кварца, авгита, андалузита.

В осадочном веществе придонного горизонта поля Троллвегген выявлено значительное количество минералов гидротермального генезиса. Среди минералов преобладают крупные, до 140 мкм, кристаллиты гипса, сформированные в результате свободного роста. Микрокристаллиты барита (рис. 3) характеризуются пластинчатым и таблитчатым габитусом и значительной изоморфной примесью Sr. Барит образует минеральную ассоциацию и сростки с сульфидами Fe, Cu, Zn. Сульфидные минералы формируют пористые почковидные массы с размерами отдельных сферолитов <0.5  мкм, и только пирит образует правильные октаэдры и кубоктаэдры размером до 3 мкм. Обнаружены волокнистые агрегаты (нити и сферы) аморфного кремнезема с примесью Fe и Ca, часто закрученные в спирали (рис. 3).

Рис. 3.

Вещественный состав осадочного вещества из придонных седиментационных ловушек по результатам сканирующей электронной микроскопии: агрегаты барита на гидротермальном поле Троллвегген (а) и Сориа Мориа (б), сульфидные фазы сложного состава в форме дендритов и сплошных масс на поле Троллвегген (в) и Сориа Мориа (г), волокнистые агрегаты аморфного кремнезема с примесью железа и кальция на поле Троллвегген (д) и Сориа Мориа (е).

Минеральное вещество придонного горизонта поля Сориа Мориа представлено частицами глинистых минералов, единичными частицами породообразующих минералов, стекловидными нитями, сростками кристаллов барита и сульфидами Fe, Cu, Zn. Сульфидные минералы представлены хорошо окристаллизованными октаэдрами пирита и сфалерита до 6 мкм, а также фазами сложного состава в форме дендритов и сплошных масс. Главные отличия между двумя полями – полное отсутствие на поле Сориа Мориа кристаллитов гипса и более низкое содержание агрегатов аморфного кремнезема.

Список литературы

  1. Богданов Ю.А., Леин А.Ю. В кн.: Физические, геологические и биологические исследования океанов и морей. М.: Научный мир, 2010. С. 350–371.

  2. Дриц А.В., Клювиткин А.А., Кравчишина М.Д. и др. // Океанология. 2020. Т. 60. № 4. С. 576–594.

  3. Клювиткин А.А., Кравчишина М.Д., Немировская И.А. и др. // Океанология. 2020. Т. 60. № 3. С. 487–487.

  4. Кравчишина М.Д., Леин А.Ю., Боев А.Г. и др. // Океанология. 2019. Т. 59. № 6. С. 1039–1057.

  5. Лисицын А.П. В кн.: Мировой океан. Т. II. М.: Научный мир, 2014. С. 331–571.

  6. Лукашин В.Н., Клювиткин А.А., Лисицын А.П., Новигатский А.Н. // Океанология. 2011. Т. 51. № 4. С. 746–750.

  7. Русаков В.Ю. // Геохимия. 2007. № 7. С. 766–785.

  8. German C.R., Sparks R.S.J. // Earth and Planet. Sci. Letters. 1993. V. 116. № 1–4. P. 129–134.

  9. Khripounoff A., Comtet T., Vangriesheim A., Crassous P. // J. of Marine Systems. 2000. V. 25. № 2. P. 101–118.

  10. Khripounoff A., Vangriesheim A., Crassous P., et al. // Journal of Marine Research. 2001. V. 59. № 4. P. 633–656.

  11. Lukashin V.N., Rusakov V.Y., Lisitzin A.P., et al. // Exploration and Mining Geology. 1999. V. 8. № 3–4. P. 341–353.

  12. Pedersen R., Thorseth I., Hellevang B., et al. // AGU Fall Meeting Abstracts. 2005. OS21C-01.

  13. Pedersen R.B., Thorseth I.H., Nygård T.E., et al. // Diversity of Hydrothermal Systems on Slow Spreading Ocean Ridges. Washington DC American Geophysical Union Geophysical Monograph Series, 2010. V. 188. P. 67–89.

  14. Peinert R., Antia A., Bauerfeind E., et al. // The Northern North Atlantic: A Changing Environment, ed. P.  Schafer, W. Ritzrau, M. Schluter, and J. Thiede. Springer, Berlin, 2001. P. 53–68.

  15. Rudnick R.L., Gao S. // Treatise on geochemistry. 2014. T. 4. P. 1–51.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал