Геохимия, 2021, T. 66, № 2, стр. 114-126

ВВЕДЕНИЕ

Одним из самых распространенных методов изучения донных осадков и водной взвеси современных морей и океанов является исследование их компонентного состава. При этом наиболее часто изучаются с помощью количественного анализа абиогенное (литогенное) вещество (АВ), СаСО₃, SiO₂ биог., С_орг. Полученные результаты выражаются как в виде массовых процентов, так и в виде так называемых абсолютных масс, выраженных в (г/см²) х тыс. лет. Традиционно указанные компоненты исследуются раздельно и в исследованиях освещаются их связи, например, с первичной продукцией, глубиной дна, потоками вещества на дно и т.д. (Лисицын, 1974, 1978; Левитан, 1992; van Andel et al., 1975; Farrell et al., 1995).

В то же время все сильнее ощущается необходимость комплексного анализа основных осадкообразующих компонентов, связанная с изучением их связей между собой и с основными фациальными факторами среды осадкообразования. В связи с развитием математического моделирования в последние годы стали появляться публикации по множественной корреляции результатов компонентного анализа (Costa et al., 2018).

В настоящей статье предпринята попытка применения дисперсионного и регрессионного анализов к данным компонентного анализа верхнеплиоценовых осадков из кернов глубоководного бурения (проект DSDP) в Индийском океане.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

В рамках проекта DSDP в Индийском океане были проведены рейсы №№ 22-27 (von der Borch et al., 1974; Whitmarsh et al., 1974; Fisher et al., 1974; Simpson et al., 1974; Davies et al., 1974; Veevers et al., 1974). Данные по содержаниям и абсолютным массам вышеуказанных компонентов осадков позднеплиоценового возраста (табл. 1) рассчитаны М.А. Левитаном (Левитан и др., 2018₁, 2018₂, 2018₃) по материалам описания и изучения кернов скважин, представленным в перечисленных выше отчетах по рейсам глубоководного бурения. В данном регионе (рис. 1, табл. 1) были изучены 18 морфологических структур дна Индийского океана по 26 скважинам глубоководного бурения.

Рис. 1.

Расположение скважин глубоководного бурения (проект DSDP) в Индийском океане. В качестве фона использован фрагмент карты расположения глубоководных котловин Мирового океана из статьи (Harris et al., 2014, с изменениями). Курсивом даны номера скважин, 4100–4700 – глубины глубоководных котловин (в м).

Важно отметить, что СаСО₃ и С_орг определялись непосредственно в рейсах на анализаторах углерода фирмы “LECO” и выражены в массовых процентах. Указанные содержания SiO₂ биог. в % рассчитывались по определениям площадей в шлифах (мазках), занятых остатками кремневых организмов (в основном диатомей и радиолярий, в гораздо меньшей степени – силикофлагеллят и спикул кремневых губок). Специальные исследования показали, что начиная с 30% содержание SiO₂ биог., определенное под микроскопом, примерно на 20% выше истинного содержания этого компонента, выявленного химическим анализом (Uliana et al., 2001). Содержание абиогенного вещества равно разнице между 100% и суммой СаСО₃, SiO₂ биог. и С_орг в процентах. Указанные в табл. 1 содержания и абсолютные массы SiO₂ биог. в данной статье приводятся впервые.

Для расчета абсолютных масс использовались приведенные в отчетах материалы по стратиграфии, влажности и плотности натуральных осадков, скорости их седиментации.

Несмотря на плитно-тектонические движения, мы сочли возможным считать вероятные изменения палеокоординат и глубин дна скважин незначительными, поэтому в табл. 1 приведены современные координаты и глубины дна для пробуренных скважин.

Верхнеплиоценовые осадки, несомненно, подвержены влиянию диагенетических процессов, однако это влияние гораздо более слабое, чем в более древних осадках (Левитан, 1992). Поэтому мы полагаем, что седиментационный сигнал в приведенных в табл. 1 величинах компонентов выражен существенно сильнее, чем диагенетический.

Еще одно важное обстоятельство связано не с количественными параметрами изученных компонентов, а с качественными. Дело в том, что ни один из рассматриваемых компонентов не является однородным. Так, в составе С_орг есть углерод органического вещества как терригенного, так и планктоногенного происхождения. A priori понятно, что относительная роль терригенного органического вещества выше в отложениях Бенгальского и Индского фэнов (глубоководных конусов выноса великих индийских рек Ганг и Брахмапутра, и Инд), в зоне влияния р. Замбези и т.п. СаСО₃ в осадках представлен, главным образом, скелетными элементами планктонных организмов – фораминифер и кокколитофорид, однако в тропиках на относительно небольших глубинах встречаются остатки птеропод, на шельфах – многочисленные остатки моллюсков и иглокожих, на шельфе Омана – обломочные терригенные карбонаты. Про состав SiO₂ биог. уже сказано выше. Абиогенное вещество включает в свой состав терригенный осадочный материал, вулканогенно-обломочный и терригенно-вулканогенный, а также абиогенное вещество пелагических красных глин, представляющее собой нерастворимый остаток карбонатов с большой долей аутигенных минералов.

Примененные методы математической статистики были взяты из программы Statgraphics plus версия 5.0.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Треугольник абиогенное вещество, СаСО₃, SiO₂ биог. Все представленные в табл. 1 результаты (за исключением С_орг) показаны в процентах на треугольной диаграмме абиогенное вещество (АВ), СаСО₃, SiO₂ биог. (рис. 2). Из анализа диаграммы вытекает вывод, что только компоненты осадков, накопившихся в позднем плиоцене на континентальных склонах Индийского океана, образуют единый кластер (обведенный сплошной линией). Компоненты осадков глубоководного ложа, т.е. глубоководных котловин и различных подводных хребтов и поднятий, тяготеют к двухкомпонентным смесям абиогенного вещества и СаСО₃, с одной стороны, и абиогенного вещества и биогенного кремнезема, с другой. Отсюда следует, что в фациальном отношении компоненты осадков глубоководного ложа резко дифференцированы на кремнисто-литогенную и карбонатно-литогенную группу. Вероятно, и в позднем плиоцене существовали отмеченные нами ранее для плейстоцена (Левитан, 2016) “два океана”: “ледовый” (т.е. индоокеанская часть Южного океана, в данном случае – с кремнисто-литогенной группой осадков) и “безледный” (относящийся к низким и средним широтам, с карбонатно-литогенной группой).

Рис. 2.

Треугольная диаграмма содержаний СаСО₃, SiO₂ биог. и абиогенного вещества (АВ) в верхнеплиоценовых осадках Индийского океана (в процентах). Условные обозначения: 1 – глубоководные котловины; 2 – подводные хребты и поднятия; 3 – континентальные окраины.

Результаты дисперсионного анализа. Цель дисперсионного анализа, как известно, исследование наличия или отсутствия существенного влияния какого-либо качественного или количественного фактора на изменения исследуемого результативного признака. Для этого фактор, предположительно имеющий или не имеющий существенного влияния, разделяют на классы градации (говоря иначе, группы) и выясняют, одинаково ли влияние фактора путем исследования значимости между средними в наборах данных, соответствующих градациям фактора.

В настоящей статье был применен однофакторный дисперсионный анализ, т.е. метод, который проверяет влияние на зависимую переменную одной независимой переменной.

Закономерность распределения биогенного и абиогенного вещества была более детально изучена по материалам данных однофакторного дисперсионного анализа для абиогенного вещества, карбоната кальция, биогенного кремнезема и органического углерода (рис. 3а). В результате с помощью дисперсионного метода была установлена зависимость распределения абиогенного и биогенного вещества от его фациальной принадлежности: абиогенного вещества с уровнем достоверности 95% (рис. 3б), карбоната кальция с уровнем достоверности 99% (рис. 3в), а также органического углерода на уровне 95% (рис. 3г).

Рис. 3.

Распределение средних содержаний основных компонентов осадков (в процентах) в главных фациальных областях по данным дисперсионного анализа: а – сводный профиль; б – средние и 95% доверительные интервалы распределения АВ; в – средние и 99% доверительные интервалы распределения СаСО₃; г – средние и 95% доверительные интервалы распределения С_орг. 1 – глубоководные котловины; 2 – подводные хребты и поднятия; 3 – континентальные окраины.

Распределение абиогенного вещества происходило согласно законам механической дифференциации, т.е. согласно размеру обломочных частиц, а также определялось морфометрическими особенностями рассматриваемых структур дна Индийского океана (рис. 1, 3а, 3б). Как показали наши исследования, максимальные значения концентраций абиогенного вещества в осадках наблюдаются на континентальном склоне и в котловинах, что связано с максимальными скоростями осадконакопления на континентальных склонах, перекрытых терригенными осадками, и в тех частях глубоководных котловин, которые подверглись воздействию мутьевых потоков и подводных оползней с соседних континентальных склонов. Кроме того, в тех частях глубоководных котловин, где аккумулируются красные глины, высокие значения концентраций АВ обусловлены отсутствием карбонатов вследствие их растворения. Минимальные значения содержаний абиогенного вещества отмечаются на подводных поднятиях, где свою роль играет разбавление АВ карбонатами.

Анализ распределения карбоната кальция в осадках (рис. 3а, 3в) показывает, что высокие его значения связаны с подводными хребтами и континентальными склонами, а минимальные – с котловинами. Максимальные концентрации карбонатов на подводных хребтах и поднятиях определяются, главным образом, слабым влиянием разбавляющего АВ, а также повышенной продукцией СаСО₃ и минимальным его растворением на малых глубинах. На континентальных окраинах важнейшую роль играет тип окраины (по преобладающим осадкам). Поэтому континентальные окраины Аравийского полуострова и Австралии (последние – вне нашего анализа) являются ареной аккумуляции карбонатов различного состава и здесь наблюдаются высокие концентрации СаСО₃. Здесь же в связи с циркумконтинентальной зональностью распределения первичной продукции наблюдаются наиболее высокие значения продуктивности карбонатов. В глубоководных котловинах, находящихся ниже уровня (глубины) карбонатной компенсации (CCD), карбонаты растворены.

Распределение концентраций С_орг в верхнеплиоценовых осадках (рис. 3а, 3г) свидетельствует о наиболее высоких значениях этого компонента на континентальных окраинах в связи с упоминавшейся циркумконтинентальной зональностью первичной продукции. Кроме того, массы тонкого осадочного материала, накапливающиеся в этой фациальной обстановке, служат сорбентом для органического вещества. С другой стороны, именно с помощью механизма “биологического насоса” через организмы планктона осуществляется (в значительной степени) в океане транспортировка АВ на дно (Лисицын, 1978). В осадках глубоководного ложа концентрации С_орг существенно ниже, чем на континентальных окраинах, как в силу уменьшения первичной продукции, так и из-за относительного увеличения размера зерен осадка на подводных хребтах в силу их большей подверженности воздействию придонных течений, которые вымывают тонкий осадочный материал, на котором преимущественно сорбируется С_орг.

Результаты регрессионного анализа. Регрессионный анализ весьма успешно применяется в океанологии для изучения зависимости распределения различных компонентов осадка в различных фациальных обстановках. Например, следует отметить работу, в которой было произведено картирование органического углерода в осадках различных фаций на основе данных регрессионной модели (Costa et al., 2018). Не менее интересна статья, где приведены результаты распределения органического вещества в поверхностных осадках залива Убатуба по результатам регрессионного анализа (Burone et al., 2003).

В целях анализа взаимосвязей карбоната кальция, органического углерода, абиогенного вещества, биогенного кремнезема и глубины их накопления использовался одномерный регрессионный анализ. В процессе его проведения были изучены следующие парные взаимосвязи: 1) С_орг и абиогенного вещества (AB), их значения даны в абсолютных массах (г/см²) × тыс. лет; 2) С_орг и C-aCO₃ (значения даны в процентах); 3) CaCO₃ (в процентах) от глубины накопления; 4) CaCO₃ и AB (в процентах); 5) SiO₂ биог. и CaCO₃ (в процентах).

Изучение первой пары – С_орг и AB (табл. 2) – методом полином регрессии позволило обнаружить статистически значимую связь между двумя переменными на уровне 99%, что подтверждено P-value меньше 0.01 (табл. 2). В данном случае, коэффициент детерминации (R²) равен 50.11% и показывает долю изменения зависимой переменной C_орг под влиянием независимой переменной AB, объясняемую построенной моделью регрессии. Стандартная ошибка регрессии (среднеквадратическое отклонение регрессионных остатков) составляет 0.038. Данная величина представляет собой стандартное отклонение наблюдаемых значений С_орг от предсказываемых значений C_орг. При этом уравнение полином регрессии для данной модели имеет следующий вид:

C_орг = –0.0102 + 0.026AB – 0.00086AB².

График соотношения абсолютных масс С_орг и АВ (рис. 4а) свидетельствует о том, что при относительно низких (до 5–7 (г/см²) тыс. лет) абсолютных массах АВ наблюдается прямо пропорциональная зависимость между обоими компонентами и это, скорее всего, является результатом сорбции растворенной органики на существенно пелитовом осадочном материале АВ. В то же время правая часть рисунка позволяет утверждать, что при сверхвысоких абсолютных массах АВ (свыше 15 (г/см²) тыс. лет) существует преобладающая часть этого материала, которая не сорбирует растворенное ОВ, т. к. оно уже успело осесть на АВ, и поэтому разбавляет меньшую часть АВ, на которой сорбирован С_орг.

Рис. 4.

Результаты регрессионного анализа: а – график полином регрессии соотношения абсолютных масс С_орг и АВ (в г/см² × тыс. лет); б – график полином регрессии соотношения С_орг и СаСО₃ (в мас. %); в – график нелинейной обратной зависимости соотношения СаСО₃ (в мас. %) и глубин скважин (в м); г – график нелинейной обратной зависимости соотношения СаСО₃ (в мас. %) и АВ (в %); д – график нелинейной обратной зависимости соотношения СаСО₃ (в мас. %) и SiO₂ биог. (в %). 1 – линия регрессии; 2 – доверительный интервал для среднего значения предсказанных значений регрессии; 3 – доверительный интервал соответствующий предсказанному значению регрессии.

При исследовании с помощью полином регрессии соотношений процентных содержаний в осадках С_орг и CaCO₃ (рис. 4б, табл. 3) была установлена статистически значимая связь между переменными с уровнем достоверности 95%, что подтверждает значение P-value менее 0.05. Коэффициент детерминации, равный 32%, говорит об изменении зависимой переменной C_орг на эту величину под воздействием независимой переменной CaCO₃. При этом стандартная ошибка составляет 0.5 (табл. 3). Уравнение полином регрессии подобранной модели имеет следующий вид:

Показанный на рис. 4б график взаимосвязи процентных содержаний С_орг и СаСО₃ в осадках верхнего плиоцена носит сложный характер: при низких значениях (до 30% СаСО₃) наблюдается тесная положительная корреляция, которую, вероятно, можно интерпретировать как результат одновременного накопления обоих компонентов на континентальных окраинах (см. рис. 3а). При содержании карбоната кальция от 30 до 80% корреляция с С_орг явно отрицательная, что свидетельствует, возможно, о разбавлении органического вещества в условиях подводных хребтов и возвышенностей. Намечающаяся положительная корреляция при высоких (свыше 80% СаСО₃) содержаниях, как представляется, может быть объяснена содержащимся именно в кальцитовых раковинках специфическим органическим веществом при условии предельно низких концентраций других разновидностей органики (в том числе за счет вымывания этой органики вместе с тонкими фракциями осадков в гребневых зонах хребтов и возвышенностей, табл. 1). Судя по последним данным, содержания С_орг могут быть понижены в осадках подводных хребтов также в связи с тем, что его активно поглощают бактерии, которые обитают в иловых водах (Sunita et al., 2018). В то же время, такие же соотношения наблюдаются и в других фациальных условиях – на континентальной окраине Аравийского полуострова (табл. 1). Здесь действуют другие механизмы: накопление карбонатных отложений в условиях практического отсутствия поставки терригенного вещества (за исключением эолового материала) и повышенные содержания С_орг в осадках за счет апвеллинга (Левитан, 1992).

Рассмотрение регрессии следующей пары – CaCO₃ (%) и глубины накопления (м) – позволило обнаружить умеренно-сильную отрицательную корреляцию между двумя переменными (рис. 4в), в данном случае коэффициент корреляции составляет -0.6 (табл. 4). Поскольку значение P-value менее 0.01 и равно 0.004 (табл. 4), это подтверждает взаимосвязь CaCO₃ с глубиной на уровне статистической значимости 99%. Коэффициент детерминации в данной регрессионной модели составляет 30.3%. При этом стандартная ошибка равна 2.97. Наблюдается заметное уменьшение содержания карбоната кальция в осадках на глубинах с 4500 до 5000 метров (рис. 4в). Нелинейное уравнение регрессии CaCO₃ от глубины распределения имеет следующий вид:

CaCO₃ = (10.9406 – 0.0015D)², где D – глубина × 1000, м.

Полученные данные следует интерпретировать, прежде всего, с точки зрения растворения СаСО₃ с глубиной, при этом отмеченное изменение в его содержании в интервале глубин 4500–5000 м явно связано с известным из литературы (Лисицын, 1978) ускорением растворения карбонатов при подходе к глубине карбонатной компенсации.

Исследование регрессии очередной пары – CaCO₃ и AB (значения приведены в относительных процентах) – свидетельствует о наличии их взаимного разбавления, что доказано с уровнем значимости 99% (рис. 4г, табл. 5). При этом значения P-value составляют менее 0.01 (табл. 5). Коэффициент детерминации, который составляет 50.3%, показывает долю изменения зависимой переменной CaCO₃ под воздействием независимой переменной AB. При этом стандартная ошибка регрессии составляет 2.91. Линейное уравнение регрессии зависимости переменной CaCO₃ от абиогенного вещества (AB) имеет следующий вид:

CaCO₃ = 77.8702 – 0.793AB.

В результате исследования последней пары – биогенного кремнезема (%) и CaCO₃ (%) – методом полином регрессии была обнаружена их статистическая взаимосвязь с уровнем значимости 99%, что подтверждает значение P-value, равное 0.007 (табл. 6). График зависимости двух переменных представлен на рис. 4д. Коэффициент детерминации составляет 35.3% (табл. 6), что объясняет долю изменения зависимой переменной – SiO₂ биог. – в результате изменения независимой переменной – CaCO₃. Уравнение полином регрессии зависимости SiO₂ биог. и CaCO₃ имеет следующий вид:

Исследование рис. 4д показывает, что при содержаниях SiO₂ биог. от 0 до 60–70% наблюдается отрицательная корреляция обеих переменных, а выше – положительная. Таким образом, в первом случае (в большинстве фациальных обстановок) оба компонента взаимно разбавляют друг друга, а во втором случае (на максимальных глубинах глубоководных котловин в Южном океане) усиленное растворение карбонатов элиминирует их разбавляющую для биогенного кремнезема роль.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье с использованием методов множественной корреляции проанализированы соотношения содержаний основных компонентов верхнеплиоценовых осадков Индийского океана, вскрытых в 26 скважинах глубоководного бурения проекта DSDP, а именно, С_орг, СаСО₃, абиогенного вещества (АВ) и SiO₂ биог.

Установлено, что соотношения главных компонентов (АВ, CaCO₃ и SiO₂ биог.) разбиваются на три группы: первая из них образует ассоциацию из всех трех компонентов и приурочена к континентальным окраинам, формируя компактный кластер; вторая группа представляет собой двухкомпонентную смесь абиогенного вещества и СаСО₃, а третья – двухкомпонентную смесь абиогенного вещества и биогенного кремнезема. Вторая и третья группы приурочены к глубоководному ложу: вторая – в средних и низких широтах, а третья – в индоокеанском секторе Южного океана.

В результате были получены данные, которые во многом совпадают с классическими представлениями о распределении абиогенного и биогенного материала в океанических обстановках. При этом на основе проведения однофакторного дисперсионного анализа была обнаружена и доказана четкая закономерность распределения абиогенного и биогенного материала осадков в зависимости от их фациальной принадлежности.

Применение одномерного регрессионного анализа (с приведением линейных и нелинейных регрессионных уравнений, рассматривающих взаимосвязь компонентов со статистической значимостью на уровне 95–99%) позволило достоверно оценить данные компонентного анализа и выявить ранее неизвестные особенности, например, в распределении С_орг в зависимости от абсолютных масс АВ и процентных содержаний СаСО₃, а также соотношений между процентными содержаниями СаСО₃ и SiO₂ биог.

Представляется, что полученные закономерности можно использовать при построении математических моделей позднеплиоценовой седиментации в Индийском океане.

Статья написана при финансовой помощи гранта РФФИ № 08-05-00221.