Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 498, № 1, стр. 46-51

Трансарктические исследования, проведенные в эпиконтинентальной Арктике от Карских Ворот до 168° в.д., в геохимических барьерных зонах река (Обь, Енисей, Лена, Хатанга, Индигирка, Колыма) – море (Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское) в 2007–2018 гг. установили, что максимальный диапазон концентраций органических соединений (ОС) – С_орг, липидов и различных углеводородных классов (алифатических углеводородов – АУВ и полициклических ароматических углеводородов – ПАУ), а также взвеси приурочен к устьевой области Оби [1]. Изменения в величинах ОС в разные годы исследования были связаны с соленостью вод и сезоном (табл. 1).

Биологическая продуктивность Обской губы формируется в период открытой воды, при этом ее максимум приходится на короткий период биологической весны, сразу после схода льда [2, 3]. Значительные различия в концентрациях ПАУ в водах и осадках наблюдались в Обской губе в 2010 г. и были связаны с периодом наблюдений: при интенсивном стоке (с 29 июля по 17 августа) и при низком стоке (с 18 сентября по 7 октября) [4]. Основное количество ПАУ в поверхностных водах содержалось во взвеси, и их концентрации в летний сезон были в 35–40 раз выше, а осенний – в 25–30 раз выше, чем в растворенной форме. При этом как летом, так и осенью повышенное содержание ПАУ приурочено к зонам смешения вод: в южной части Обской губы при впадении р. Таз, в северной части – при смешении вод Оби и Карского моря.

Строительство и функционирование порта Сабетта на западном берегу Обской губы, предназначенного для обеспечения перевалки углеводородного сырья Южно-Тамбейского газоконденсатного месторождения на Ямале, и сопутствующая интенсификация судоходства должны влиять на экологическую ситуацию в этом районе. При сооружении канала к порту Сабетта с 2014 г. в летний период проводили активные дноуглубительные работы с общим объемом выбранного грунта около 70 млн. м³ [5]. Это должно было привести к увеличению количества взвеси в воде. Действительно, в июле 2016 г. содержание взвеси на разрезе (в среднем 10.3 мг/л) было значительно выше, а концентрации АУВ, которые имеют, как природное, так и нефтяное происхождение (НУ) [6], наоборот, ниже (табл. 1). Резкое снижение (почти в 3 раза до 3.52 мг/л) концентрации взвеси произошло после окончания строительства канала в сентябре 2017 г. Напротив, содержание АУВ, особенно в южной части губы, возросло до 365 мкг/л (86 мкг/мг взвеси). В составе алканов в низкомолекулярной области доминировали выветренные НУ [1], что, вероятно, обусловлено интенсификацией судоходства в этом районе.

С целью определения сезонной изменчивости содержания и состава ОС (С_орг, липидов, АУВ и ПАУ) были проанализированы пробы поверхностных вод и донных осадков, отобранные в западной и центральной частях Карского моря и в Обской губе в июле 2019 г. (76 рейс НИС “Академик Мстислав Келдыш”, рис. 1а).

Рис. 1.

Положение станций отбора проб в 76 рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” в июле 2019 г. – (а); распределение: 1 – АУВ, 2 – липидов, 3 – взвеси, 4 – солености в поверхностных водах – (б); состав алканов во взвеси поверхностных вод на различных станциях – (в); распределение 1 – АУВ, 2 – С_орг, и 3 – влажности в поверхностном слое донных осадков – (г).

Работы в Карском море были проведены сразу после схода сезонного льда. Пробы на станциях 6221 и 6222 (рис. 1а) согласно спутниковым данным были отобраны через 0–5 дней после таяния льда, а на станциях 6223–6225 и 6234 – непосредственно у ледовой кромки. Пробы поверхностной воды отбирали на подходе к станциям, чтобы исключить загрязнение от судна; поверхностный слой донных осадков (0–1 и 0–2 см) отобран мультикорером. Количество взвеси определяли гравиметрически после выделения на ядерные фильтры; исследование ОС проводили на стекловолокнистых фильтрах GF/F. Концентрацию липидов и АУВ определяли методом ИК-спектрофотометрии, содержание и состав алканов – методом газовой хроматографии, ПАУ – методом высокоэффективной жидкостной хроматографии, С_орг – методом сухого сожжения. Подробности методических процедур описаны в [6, 7].

Полученные данные показали, что на станциях у пролива Карские Ворота и вдоль восточного побережья Новой Земли (станции 6220–6225, рис. 1а) содержание взвеси изменялось от 0.05 мг/л (ст. 6221, шельф Новой Земли) до 1.07 мг/л (ст. 6234 у границы льда). При таянии сезонных льдов поверхностная соленость у их границы снижалась на ~5 PSU (до 27.7 PSU) и освобождался включенный в лед материал. У кромки льдов формируются условия для роста концентраций хлорофилла и биогенной взвеси [7], и в наших наблюдениях ее количество возросло более, чем в 5 раз – с 0.11 до 0.58 мкг/л. В меньшей степени изменялось содержание липидов и АУВ, концентрации которых оказались довольно постоянными (рис. 1б): 51–66 мкг/л при средней величине 59 мкг/л и стандартном отклонении ±4.6 мкг/л (7.8% от средней). Аналогичное поведение взвеси и АУВ авторы наблюдали на разрезе вдоль антарктического побережья [7], где рост содержания взвеси происходил синхронно с увеличением концентрации хлорофилла а. При этом величины АУВ почти не изменялись, так как они не являются доминирующей фракцией при биосинтезе.

На ст. 6244, расположенной во внешней части Обского эстуария (рис. 1а), при уменьшении солености до 6.1 PSU, наблюдался резкий рост всех изучаемых компонентов (рис. 1б): взвеси в 2.7 раза (до 2.93 мг/л), липидов – в 4.5 раза (до 417 мкг/л), АУВ – в 2.5 раза (до 169 мкг/л). В Обской губе с уменьшением солености с севера на юг тенденция сохранялась. Количество взвеси по сравнению с открытыми районами Карского бассейна увеличилось в среднем в 31 раз (до 9.41 мг/л), а АУВ – в среднем в 6.2 раза (до 372 мкг/л). При величине ПДК для нефтяных УВ 50 мкг/л [6] их концентрация достигала 7.4 ПДК. Максимум взвеси (15.5 мг/л), в отличие от максимальных величин АУВ, был приурочен к ст. 6246 при поверхностной солености 0.22 PSU (рис. 1). Южнее их количество снижалось и затем вновь увеличивалось на ст. 6254 до 13.62 мг/л при солености 0.16 PSU. Содержание АУВ также возрастало на входе в Обскую губу от ст. 6245 к ст. 6246 в 1.8 раза – до 114 мкг/л. Южнее в акватории Обской губы среднее содержание взвеси и АУВ достигало соответственно 9.78 и 469 мкг/л (9.4 ПДК для нефтяных УВ). Наблюдавшиеся связи в распределении АУВ и липидов (r = 0.79), АУВ и взвеси (r = 0.85), а также липидов и взвеси (r = 0.55) указывали, в основном, на природный биогенный состав изучаемых соединений.

Среди алканов во взвеси в основном преобладали низкомолекулярные гомологи, так как отношение ($\sum {({{{\text{C}}}_{9}}} $ + С₂₄)/$\sum {({{{\text{C}}}_{{25}}}} $ + С₃₇) = L/H изменялось в интервале 0.92–2.29 (в среднем 1.84). Плавный характер распределения алканов (рис. 1в) может свидетельствовать о влиянии на их состав выветренных нефтяных УВ. Последнее также подтверждалось доминированием фитана над пристаном, так как отношение i-C₁₉/i-C₂₀ в среднем составляло 0.56, а отношение С₁₇/С₂₅ было лишь незначительно выше 1 (в среднем 1.15).

Концентрации ПАУ в поверхностных водах Карского моря были низкими, в среднем 1.6 нг/л, их количество существенно возрастало в Обской губе – в среднем до 14.7 нг/л. В составе ПАУ доминировали наиболее стабильные полиарены: фенантрен и флуорантен [8, 9] (рис. 2а). При этом содержание нафталинов и высокомолекулярных полиаренов в основном было ниже чувствительности их определения. Только на ст. 6254 в Обской губе в низкомолекулярной области выделялся пик 2-метилнафталина, характерный для нефтяных ПАУ. Незначительное присутствие пирогенных ПАУ в пробах также подтверждает отношение фенантрен/антрацен, которое колебалось в интервале 65–190, так как только при значениях <10 это отношение указывает на существенную долю продуктов сгорания судового топлива в составе ПАУ. Отношение флуорантен/ (флуорантен + пирен), которое при значениях <0.5 маркирует пирогенные ПАУ [9, 10], в наших определениях в среднем составило 0.62. Это также подтверждает незначительное влияние продуктов сгорания судового топлива на их состав.

Рис. 2.

Состав ПАУ во взвеси поверхностных вод – (а) и в донных осадках – (б) на отдельных станциях. На вставках распределение основных маркеров в составе ПАУ. НАФ – нафталин, 1-МеНАФ – 1-метилнафталин, 2-МеНАФ – 2-метилнафталин, АЦНФ – аценафтен, ФЛР – флуорен, ФЕН – фенантрен, АНТР – антрацен, ФЛ –флуорантен, ПР – пирен, БаА – бенз(а)антрацен, ХР – хризен, БеП – бенз(е)пирен, БаП – бенз(a)пирен, БбФ – бенз(б)флуорантен, БкФ – бенз(к) флуорантен ДБА – дибенз(а, h)антрацен, БПЛ – бенз(g,h,i)перилен, ИНД – инден[1,2,3-c,d]пирен, ПРЛ – перилен.

Исследованные донные осадки относились к алевропелитам, в которых средние концентрации С_орг составили 0.78%, АУВ – 29 мкг/г, влажность – 53.2% (табл. 2). Диапазон измеряемых концентраций был в основном обусловлен изменчивостью гранулометрического состава осадков, о чем свидетельствует зависимость в распределении АУВ и С_орг: r = 0.76. В составе АУВ доминировали нечетные алканы С₂₃–С₃₃, и значения CPI изменялись в интервале 2.44–3.30. На преимущественно терригенный состав АУВ указывают также низкие значения отношений L/H = 0.62 и С₁₇/С₂₅ = 0.12.

Для анализа ОС в донных осадках на ст. 6222-2 из пробы мультикорера была отобрана подпроба наилка, верхний тонкий, легко взмучиваемый слой осадка. Наилок – это переходная форма материала между придонной взвесью и донным осадком [11]. Химический состав взвеси гораздо более подвержен сезонным изменениям, чем донные отложения. В наилке содержание всех исследованных компонентов было выше, чем в верхнем слое уплотненных донных осадков. Его влажность составляла 77.6%, содержание С_орг – 2.05% и АУВ – 120 мкг/г. При этом количество АУВ было более чем в 3 раза выше по сравнению со слоем 0–1 см поверхностного осадка. Напротив, концентрация алканов при переходе от наилка к осадку увеличилась от 0.7 до 0.9 мкг/г за счет уменьшения низкомолекулярных и роста нечетных высокомолекулярных гомологов. Значения CPI (отношение нечетных к четным алканам в высокомолекулярной области) возрастали от 2.68 до 3.09.

Концентрация ПАУ в наилке была ниже, чем в поверхностном слое донных осадков – 300 и 346 нг/г соответственно. Состав наилка по содержанию нафталинов (32.2%) был в 7 раз выше по сравнению с верхним слоем осадка (4.6%).

Содержание ПАУ в донном осадке на внутреннем Карском шельфе, прилежащем к Обской губе (ст. 6242), составляло 328 нг/г, и было выше их средней концентрации в других районах моря – 252 нг/г. Состав ПАУ отличался от взвеси значительной долей 1-метилнафталина, что указывает на нефтяное происхождение полиаренов [9]. Минимальное содержание нафталинов (5.9%) установлено в Карском море на ст. 6236 у северной оконечности Новой Земли, а максимальное (50%) – на ст. 6258 на шельфе центральной части западной половины бассейна. Низкая доля 6-ядерных ПАУ (1–15%) и низкие концентрации бенз(а)пирена (в среднем 0.75 нг/л) подтверждают незначительное влияние продуктов пиролиза органического сырья. Наши данные укладывались в широкий интервал изменчивости концентраций ПАУ в верхнем слое донных осадков в различных районах Карского моря: 52–353 нг/г [9].

Резюмируя полученные данные, можно заключить, что в сезон схода льда в июне 2019 г. средние величины содержания липидов и АУВ (89 и 59 мкг/л соответственно) во взвеси в Карском море были значительно выше, чем их концентрации в осенний сезон 2018 г. (52 и 22 мкг/л соответственно; табл. 1). Последнее связано с интенсивным развитием фитопланктона в период и после схода сезонного льда [3, 7], когда биологическая продукция достигает годового максимума, и в море поступают основные объемы континентального стока [14]. Вегетация морского фитопланктона как на нижней кромке льда, так и в подледной воде начинается уже с конца февраля [12], в результате чего продуцируются значительные объемы автохтонных ОС [13, 14]. Состав АУВ и ПАУ в южной части Карского моря указывал на влияние нефтяных УВ, связанных с добычей углеводородного сырья и интенсификацией судоходства.

На границе Обская губа–Карское море распределение изученных компонентов определяется процессами на геохимическом барьере (маргинальном фильтре [15]), формирующемся в области эстуарной фронтальной зоны. На фоне начальной стадии смешения речных и морских вод при резком изменении солености происходит образование взвесей и ОС. При этом наблюдались локальные максимумы и минимумы в их распределении (рис. 1б), что определяется широтными смещениями эстуарной фронтальной зоны из-за приливов и ветрового воздействия. Влияние речного стока в июле 2019 г. в северном направлении прослеживалось до области перехода от внутреннего мелководного шельфа к внешнему шельфу (76°34 с.ш.; ст. 6235, рис. 1а), где наблюдалось повышенное количество взвеси.

Быстрое разложение автохтонной взвеси и содержащихся в ней ОС в процессе седиментации привело к тому, что в раннелетний сезон в донных осадках, в отличие от поверхностных вод, не наблюдался рост концентраций С_орг, АУВ и ПАУ (табл. 2). Качественный и количественный состав ОС в воде и осадках Обской губы указывал на быструю утилизацию не только компонентов, поступающих с речным стоком, но и продуцируемых локально в самой губе.

Приведенные различия между взвесью, наилком и верхним слоем донных осадков могут указывать на быструю трансформацию ОС в процессах раннего диагенеза, так как интенсивное образование взвеси при дноуглубительных работах, при таянии льда или короткопериодном изменении первичной продукции существенно меньше скорости “типично геологических” процессов в толще донных осадков.