Океанология, 2022, T. 62, № 4, стр. 564-577

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность изучения прибрежно-шельфовой зоны арктических морей России определяется современными изменениями климата в Арктике, способствующими разгрузке многолетнемерзлых толщ, термоабразии и эрозии берегов, дегазации дна, ледовой экзарации и, соответственно, необходимостью прогноза опасных природных явлений на шельфе [1, 6–8, 10, 27, 29, 34, 37–39, 45, 52, 68–70, 80]. Отличительной особенностью Восточно-Арктического шельфа является широкое распространение подводных многолетнемерзлых пород, сосредоточивших в себе значительное количество органического углерода (С_орг), способного к мобилизации и быстрой миграции [41, 44, 48, 64, 65, 73–75, 78, 83, 86, 87]. На фоне продолжающихся климатических изменений в Арктике резервуар С_орг многолетнемерзлых толщ постепенно вовлекается в современный цикл углерода в основном за счет усиления термоэрозии и абразии берегов, увеличения речной разгрузки [35, 37–39, 49, 66, 67].

Активация многолетнемерзлого С_орг и его климатическая роль в биогеохимических процессах в Арктике является дискуссионной и широко публикуемой темой [например, 29–33, 39, 44, 64–67, 76–77, 79–82]. Поступающий в составе осадочного материала С_орг преимущественно захоранивается в донных осадках, однако часть его распространяется в толще вод на большие расстояния и вовлекается в цикл углерода, что способствует усилению ацидификации водных масс и потоков CH₄ и CO₂ в системе океан–атмосфера [11, 30–32, 44, 53–55, 66, 67, 82]. Анализ концентрации и состава органического вещества (ОВ) в генетически разнообразных отложениях подводной криолитозоны для идентификации их происхождения и оценки потенциальных климатических рисков является актуальной фундаментальной задачей ввиду ограниченности данных и трудностей пробоотбора в суровых условиях Арктики. Целью работы была сравнительная характеристика концентрации, изотопного и элементного состава ОВ в генетически различных донных осадках и отложениях подводной многолетней мерзлоты из трех скважин, пробуренных в губе Буор-Хая.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Материалом для исследования послужили донные отложения и многолетнемерзлые грунты из трех скважин, пробуренных в марте–апреле 2014 г. и апреле 2015 г. в губе Буор-Хая [17, 18]. Скважины были пробурены с припайного льда в 2014 г. в Ивашкиной лагуне полуострова Быковский (скв. 1D-14), вблизи северного мыса о. Муостах (скв. 3D-14) и в 2015 г. севернее о. Муостах (скв. 1D-15). Для выполнения анализов пробы были высушены до постоянной массы в течение 48 ч при температуре +60°С, измельчены на шаровой мельнице Pulverisette 7 (Fritsch, Германия) при 670 об./мин в течение 10 мин (размольные стаканы и шары выполнены из агата), просеяны и квартованы. Всего проанализировано 105 образцов.

Анализы концентрации С_орг и C/N отношения выполнены в лаборатории органических и гибридных функциональных материалов Института химии ДВО РАН. Использован метод высокотемпературного сжигания на элементном анализаторе EuroVector-ЕА3000 (Италия). C/N рассчитывалось как массовое отношение концентрации С_орг к общему азоту (N_общ). Стандартное отклонение не превышало ±3% от массовой концентрации С и N в сухом осадке для трех параллельных измерений при чувствительности метода 0.001%.

Анализы изотопного состава органического углерода (δ¹³С) выполнены в лаборатории стабильных изотопов Дальневосточного геологического института ДВО РАН на базе ЦКП “Приморский центр локального элементного и изотопного анализа”. Для анализа пробы были обработаны соляной кислотой (0.1 М) для удаления карбонатов. Подготовка проб к анализу проведена с использованием элементного анализатора FlashEA-1112 (ThermoQuest, Германия) в конфигурации C/N по стандартному протоколу конвертирования С_орг в СО₂. Измерение изотопных отношений ¹³С/¹²С выполнено на масс-спектрометре MAT-253 (ThermoQuest, Германия) в режиме непрерывного потока гелия. Результаты измерений δ¹³С приведены к международному стандарту Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB). Для калибровки аналитической системы использованы изотопные стандарты МАГАТЭ CH-6 и NBS-22. Стандартное отклонение не превышало ±0.15‰ δ¹³С для трех параллельных измерений. Обработка результатов методом главных компонент проведена с использованием программного пакета XLSTAT Premium v.2016.02.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Полуостров Быковский расположен к северо-востоку от п. Тикси и представляет собой фрагмент подгорной равнины, примыкающий к восточным склонам Хараулахского хребта и ограниченный с востока акваторией губы Буор-Хая (рис. 1). Как и большая часть побережья изучаемого региона, он сложен льдистыми породами ледового комплекса и тонкозернистыми аласными отложениями. Ивашкина лагуна представляет собой затопленную морской водой термокарстовую котловину, формирование которой началось на границе голоцена и плейстоцена [50, 56, 57], а соединение с морем произошло в середине голоцена [28]. Остров Муостах, расположенный юго-восточнее полуострова, является исчезающим останцем той же равнины и состоит преимущественно из отложений ледового комплекса позднеплейстоценового возраста [38, 59–63, 71]. Ведущая роль криогенных процессов в осадконакоплении и постгляциальной трансформации осадочных толщ (солифлюкции, таберирования) исследуемой части моря Лаптевых связана с повсеместным распространением высокольдистых отложений ледового комплекса в прибрежной зоне Северной Якутии.

Рис. 1.

Карта-схема района исследований и расположение пробуренных скважин.

Береговые отложения губы Буор-Хая, сложенные плейстоценовыми льдистыми породами ледового комплекса, окаймляют ее с востока практически целиком (п-ов Буор-Хая) и частично с юго-запада (п-ов Быковский и о. Муостах). Эти отложения представлены суглинками с высоким содержанием C_орг, представленного в основном остатками континентальной растительности, торфа, гумусом, керогеном [12, 17, 19, 24–26, 42, 59, 61]. Современная седиментация в акватории губы Буор-Хая определяется в первую очередь влиянием стока Лены и грунтовых вод, процессами абразии и термоэрозии берегов, термокарста, ледовым режимом [12, 19, 33, 37, 38, 58, 59, 61]. В периоды ледостава ослабевает влияние речного стока и поставка осадочного вещества континентального происхождения на дно снижается. В свободное ото льда время влияние стока Лены возрастает, что отражается в интенсификации термоэрозии берегов и, соответственно, в усилении поставки терригенного материала с континента.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Исследуемые полифациальные толщи отложений залива Буор-Хая представлены широким набором литологических и криогенных типов отложений в многолетнемерзлом, охлажденном и талом состоянии, формирование которых происходило под влиянием четвертичных колебаний климата и уровня моря, определявших разнообразие географических обстановок осадконакопления и неоднократные изменения седиментационных потоков в условиях прибрежного криолитогенеза [12, 17–19, 23, 24, 40, 51]. В составе этих толщ доминируют разнозернистые кварц-полевошпатовые аллювиальные пески, в виде отдельных включений и слоев встречаются остатки наземной растительности (древесина, мхи), почвы, торф, зерна керогена, рассеянный гравийно-галечный материал и отдельные слои окатанной гальки. Эти песчаные отложения отражают плейстоцен-плиоценовую историю формирования буорхаинской свиты [12], толщи которой были затоплены в результате среднеголоценового постгляциального повышения уровня моря [28]. Литологическая характеристика и гранулометрический состав исследованных в настоящей работе отложений и мерзлых грунтов подробно рассмотрены в [17, 18] соответственно.

Проанализированные отложения характеризуются значительной вариабельностью С_орг (от 0.04 до 23.1%), C/N (от 1.0 до 42) и δ¹³С (от –29.1 до ‒19.6‰), что отражает пульсирующий характер накопления различного по составу, концентрации и зрелости ОВ (табл. 1–3). Анализ частоты встречаемости выявил характерные диапазоны измеренных С_орг, C/N и δ¹³С (рис. 2). Более половины проанализированных проб характеризуется концентрациями С_орг более 1%. Единичные горизонты скважин 1D-14 и 1D-15 содержат более 5% С_орг, и характеризуются значениями С/N > 15. Максимумы C/N в большинстве случаев коррелируют с содержанием в пробах растительных остатков, вносящих значительный вклад в С_орг. Подавляющее большинство проанализированных образцов характеризуется δ¹³С < –24‰. Средняя величина С_орг и C/N буровых профилей 1D-14 и 1D-15 значительно превышает медианные значения, что связано с повышенными концентрациями ОВ в ряде горизонтов, обогащенных остатками растительности, торфа и почв. Для отложений из скважины 3D-14 медианная и средняя величины С_орг и C/N практически совпадают, что отражает умеренную динамику поступления и захоронения ОВ в толщах осадков близ северной оконечности о. Муостах.

Рис. 2.

Диаграммы частоты встречаемости значений С_орг (а), C/N (б) и δ¹³С в исследованных образцах. Значения С_орг > 10% измерены в пробах скважин 1D-14 (горизонты 1070, 1120 и 1706 см) и 1D-15 (горизонт 3146 м).

Донные отложения и мерзлые породы Ивашкиной лагуны (1D-14), обогащенные древесными и травянистыми остатками, отличаются высокой вариабельностью С_орг (0.25–23.1%). Профили 3D-14 и 1D-15 характеризуются меньшими колебаниями С_орг (0.95–2.33% и 0.04–15.2% соответственно), что отражает затухание на сравнительно небольшом расстоянии поступления в толщи растительных остатков с континента, определяющих основной вклад в общий пул С_орг. Интервалы C/N отношения и δ¹³С в отложениях скважин 1D-14, 3D-14 и 1D-15 составили 3.6–37; 2.9–13; 1.0–42 и от –29.1 до –21.4‰; от –27.7 до –24.0‰; от –27.8 до –19.6‰ соответственно, что отражает динамичную изменчивость аллохтонных и автохтонных потоков ОВ различной степени зрелости в губе Буор-Хая. Изотопный состав С_орг профилей 1D-14 и 3D-14 характеризуется близкими средними значениями δ¹³С (–25.3 и –25.5‰ соответственно), тогда как средняя величина δ¹³С отложений 1D-15 на 1‰ выше (–24.3‰). Между талыми и мерзлыми отложениями также обнаружена разница в средних величинах и диапазонах измеренных органо-геохимических параметров. Так, мерзлые отложения отличаются от талых более высокими средними С_орг (2.36% против 1.94%) и C/N (15.2 против 10.0), а также более легким изотопным составом углерода (δ¹³С –25.8‰ против –24.4‰). Наблюдаемая разница связана с хорошей сохранностью диагенетически “свежего” ОВ в многолетнемерзлых толщах и активацией процессов микробного потребления углерода в талых отложениях, а также с пространственной неоднородностью качественных и количественных потоков ОВ, что продемонстрировано на примере отложений скв. 1D-15 [22].

ОБСУЖДЕНИЕ

Высокая концентрация С_орг в отложениях скв. 1D-14 и 1D-15 связана с присутствием большого количества растительных остатков в виде отдельных включений, прослоев и мощных слоев. Верхняя пачка отложений 1D-15 отличается повышенной (> 1%) концентрацией С_орг по сравнению с нижележащими горизонтами, что отражает усиление в верхнем голоцене потоков ОВ с континента. Концентрации С_орг в бесструктурных песчаных толщах наименьшие и отражают поступление бедного органикой осадочного материала. Профиль 3D-14 наименее вариабелен по концентрации С_орг, C/N и δ¹³С, что подтверждено незначительной разницей между их средними и медианными значениями. Он характеризуется незначительным присутствием растительного материала, накопление которого происходило при более консервативном характере осадконакопления.

В ряде горизонтов 1D-14 и 1D-15 зафиксированы высокие (> 20) значения C/N отношения, которые сопряжены с присутствием в осадках растительного детрита, торфа и почв. В большинстве случаев на этих горизонтах отмечаются максимальные концентрации С_орг (4–23%) и облегченный состав углерода (δ¹³С от –26 до –27.5‰), что указывает на захоронение в толщах больших количеств недеградированного ОВ растительного происхождения. Этот вывод был подтвержден данными по молекулярному составу фенолов лигнина [24] и н-алканов [14, 22, 23], однако следует отметить, что аналитический сигнал δ¹³С нетрансформированного растительного ОВ в мерзлых отложениях криолитозоны Арктического региона обычно лежит в пределах от –29 до –27‰ [58, 81, 82, 85]. В случае исследованных отложений наблюдаемый сдвиг δ¹³С в сторону утяжеления углерода относительно вышеуказанного аналитического диапазона, скорее всего, связан с различным соотношением потоков ОВ аллохтонного и автохтонного генезиса, что продемонстрировано на примере молекулярного состава и концентрации н-алканов [22, 23]. Активация процессов биохимического потребления С_орг бактериями в оттаивающих под действием морской воды толщах [20, 21] отражается на молекулярном составе ОВ [16], а также приводит к селективному потреблению ¹²С и накоплению изотопов ¹³С, что отражается на величине δ¹³С [2, 5].

Что касается низких значений C/N отношения, то для бедных органикой проб рассчитанные C/N могут быть неадекватны в связи с аналитической погрешностью измерений. Тем не менее, величины C/N < 2 встречаются в отложениях ледового комплекса и переотложенного осадочного материала в Арктике [60, 75], что является специфичным признаком отдельных криогенных типов отложений. Напротив, высокие значения С/N, которые в подобных отложениях могут достигать 50 и выше [4, 9], связаны с высокой степенью оторфованности исследованных толщ и маркируют вклад терригенного нетрансформированного ОВ. Отношение С/N отражает не только генезис ОВ в осадочных толщах, но и является важным индикатором его трансформации. При высоких C/N происходит иммобилизация азота, и деградация ОВ идет по пути окисления углерода до СО₂ [3, 46], повышенная эмиссия которого была зафиксирована ранее в исследуемом районе моря Лаптевых [80, 82]. По мере трансформации ОВ в почвенных слоях обогащается азотом, что, в конечном счете, приводит к уменьшению C/N отношения.

Парное соотношение С/N и δ¹³С используется в химии для установления генезиса ОВ, а также идентификации криогенного типа отложений [43, 59]. На основе анализа множества различных криогенных типов отложений Арктики авторами [43] по характерным диапазонам величин С/N и δ¹³С были статистически разделены отложения едомной свиты, термокарстовых озер (аласов) и затопленных котловин. В случае исследованных нами донных отложений и многолетнемерзлых пород однозначно идентифицировать криогенный тип осадков по этой диаграмме затруднительно (рис. 3). Лишь несколько горизонтов из скважин 1D-14 и 1D-15 попадают в области, соответствующие термокарстовым озерам и котловинам. В область едомной свиты попадает больше горизонтов, однако подавляющее большинство проанализированных проб выпадает из аналитических областей на диаграммы С/N–δ¹³С. Это является следствием выраженного полигенного характера ОВ и различной степени его зрелости в перигляциальных толщах губы Буор-Хая, содержащих большие количества остатков наземной растительности, торфа и керогена. Подобная картина может быть вызвана также постгляциальной трансформацией толщ, последующим перераспределением и смешиванием ОВ. Например, присутствие в толщах скв. 1D-14 и 3D-14 таберальных образований, утративших начальные текстуру и физические свойства, также оказывает влияние на сдвиг аналитического сигнала С/N и δ¹³С.

Рис. 3.

Парное соотношение измеренных в пробах отложений значений C/N и δ¹³С. Цветом выделены области диаграммы, соответствующие генетическим типам ОВ (по [59]). Пунктирной линией выделены области диаграммы, соответствующие криогенным типам отложений (по [43]). Пробы скважин: (1) 1D-14; (2) 3D-14; (3) 1D-15. (а) – ОВ континентальной растительности (С3-фотосинтез); (б) – ОВ озерного происхождения; (в) – ОВ морского происхождения. I – отложения едомной свиты; II – отложения затопленных морем котловин; III – отложения термокарстовых озер.

Обработка данных методом главных компонент позволила оценить связь измеренных геохимических параметров с гранулометрическим составом исследованных отложений. В обработку были взяты С_орг, С/N, δ¹³С и массовая доля (в %) гранулометрических фракций: песка (>63 мкм), крупного (10–63 мкм) и тонкого (2–10 мкм) алеврита, пелита (< 2 мкм). Результаты гранулометрического анализа взяты из [18]. Первые две главных компоненты объясняют 76.2% вариабельности значений органо-химических и гранулометрических параметров (рис. 4). Первая главная компонента (PC1) объясняет 52.6% вариабельности, и максимальные значения нагрузок здесь наблюдаются для процентного содержания гранулометрических фракций. Вторая компонента РС2 объясняет 23.6% вариабельности по концентрации C_орг и С/N. Третья главная компонента (РС3), в свою очередь, объясняет 11.6% вариабельности, и наибольшее значение нагрузки соответствует δ¹³С.

Рис. 4.

Парная диаграмма главных компонент органо-геохимических и гранулометрических параметров исследованных отложений. Пробы скважин: (1) 1D-14; (2) 3D-14; (3) 1D-15. (4) Характеристики отложений (нагрузки). Черным цветом обозначены образцы мерзлых пород.

Нагрузки, соответствующие процентному содержанию пелита и алеврита в отложениях, расположены диаметрально противоположно пескам, что подтверждает обломочную природу тонкодисперсного осадочного материала в исследованных толщах. В свою очередь антагонизм пары С_орг и C/N с δ¹³С подтверждает обогащение исследованных в заливе Буор-Хая толщ нетрансформированным ОВ терригенного генезиса. С ростом С_орг в осадках наблюдается рост C/N отношения и изотопное облегчение С_орг, отражающие его терригенное происхождение и низкую степень биодеградации. Следует обратить внимание на крестообразное расположение относительно друг друга нагрузок органо-геохимических и гранулометрических характеристик. Такая картина определенно указывает на отсутствие связи ОВ–размер частиц, характерной для осадконакопления в зонах смешения река–море. Точки, соответствующие проанализированным пробам (счета), расположились на диаграмме весьма хаотично, что не позволяет выделить отдельные группы. Можно отметить, что отложения профилей 1D-14 и 1D-15 более обогащены С_орг и песком, тогда как образцы 3D-14 содержат в основном среднедисперсный материал с умеренным содержанием ОВ. Также следует отметить характерное тяготение мерзлых горизонтов к точкам C_орг и C/N и отдаление от δ¹³С. Выше уже было отмечено, что образцы многолетнемерзлых пород по сравнению с оттаявшими толщами характеризуются повышенными средними C_орг и C/N и пониженным δ¹³С, т.е. они более обогащены нетрансформированным ОВ терригенного генезиса.

Характерная для современной седиментации в арктических морях тенденция роста концентрации С_орг с увеличением доли тонкодисперсных частиц [например, 13, 33, 44, 72] в исследованных отложениях не прослеживается, и это происходит по ряду причин. Во-первых, обогащение исследованных отложений С_орг в значительной степени связано с захоронением растительных остатков и фрагментов субаэральных травянистых ландшафтов. При этом растительный детрит не учитывается при гранулометрическом анализе, а доля терригенного ОВ в исследованных отложениях многократно превышает вклад автохтонного, что характерно для позднечетвертичного и современного осадконакопления в рассматриваемом районе и Арктике в целом [1, 12, 13, 15, 33, 36, 44, 58–63, 72, 75]. Во-вторых, при столь выраженной смене седиментационных потоков, механизмов седиментации и полигенном характере исследованных отложений, сформированных в основном за счет аллювиального выноса, криолитогенеза и постгляциальной трансформации толщ, осадконакопление в исследуемом районе отличалось заметными колебаниями скоростей вплоть до появления локальных перерывов. Таким образом, осадконакопление в исследованном районе губы Буор-Хая, находящимся под влиянием пульсирующего поступления терригенного вещества речного и термоабразионного происхождения, характеризуется особым типом связи (отсутствием корреляции) между концентрацией С_орг и гранулометрических фракций отложений.

В целом, измеренные концентрации С_орг и C/N характерны для отложений арктической едомной свиты и ледового комплекса, которые формировались в условиях позднечетвертичных колебаний климата [59, 73–75, 85]. Присутствие древесных и травянистых остатков увеличивают концентрацию С_орг в осадках до > 5%, в отдельных случаях до > 10%. В зонах насыщения растительным детритом C/N отношение также высокое (> 15) и отражает вклад недеградированной органики континентального генезиса (остатки наземной растительности, почв, торфа). Учитывая распространенность обогащенных растительным детритом слоев и прослоев, содержание С_орг в исследованных толщах осадков залива Буор-Хая весьма значительно. По сравнению с современными донными осадками моря Лаптевых, накопление которых в голоцене происходило в субаквальных условиях, концентрация С_орг и величина С/N в исследованных полифациальных толщах выше и варьируются в гораздо большем диапазоне [1, 13, 15, 47, 72, 84]. По составу стабильных изотопов углерода ОВ донных отложений и многолетнемерзлых пород исследованных скважин имеет терригенный и смешанный генезис. Диапазон измеренных δ¹³С–С_орг согласуется с [12, 32, 33, 44, 58, 76, 82], и лишь единичные горизонты характеризуются величиной δ¹³С < –22‰, что отражает преобладающий вклад аквагенного ОВ и/или поступление сильно трансформированных бактериями органических компонентов.

Зафиксированное в результате исследования изотопное утяжеление С_орг талых отложений по сравнению с многолетнемерзлыми, вероятно, указывает на то, что деградация ОВ в протаявших толщах происходит в современный период. В условиях продолжающегося талассогенного таяния подводной мерзлоты в Арктике активация этого механизма регуляции цикла углерода может привести к сдвигу в сторону образования в зависимости от внешних условий ключевых углеродсодержащих газовых компонентов – СО₂ и СН₄, повышенная миграция которых была зафиксирована ранее в исследованном районе [67–69, 82]. Обогащение исследованных толщ песками при этом обеспечивает высокую доступность ОВ для микроорганизмов [85]. Учитывая повышенную бактериальную активность в протаявших толщах отложений [58], постепенная деградация ОВ над кровлей подводной мерзлоты сопровождается продуцированием углеродсодержащих газов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследования установлено, что основной вклад в общий пул С_орг в донных отложениях и подводных многолетнемерзлых грунтах залива Буор-Хая вносит терригенное, диагенетически непреобразованное ОВ континентального происхождения, представленное растительным детритом, почвами, торфом. Субаквальные реликтовые толщи многолетней мерзлоты обогащены терригенным ОВ, поступавшим с аллювиальными потоками, тогда как более современные отложения представлены продуктами береговой абразии и термоэрозии, усиление которых началось в конце позднего плейстоцена. Установленная неоднородность распределения органо-геохимических параметров в исследованных толщах, отсутствие связи между С_орг и гранулометрическим составом отложений подтвердило выраженные колебания режима осадконакопления и широкое разнообразие механизмов седиментации. При этом характер распределения по глубине толщ С_орг, C/N и δ¹³С отражает преимущественно континентальный режим осадконакопления.

Статистический анализ полученных данных выявил взаимосвязь между органо-геохимическими индикаторами. С ростом концентрации С_орг наблюдается возрастание С/N и изотопное облегчение С_орг, что подтверждает обогащение исследованных толщ ОВ терригенного генезиса независимо от их литологического состава и криогенного типа. При этом многолетнемерзлые толщи отличаются бóльшим по сравнению с талыми отложениями вкладом терригенного ОВ, поступление и захоронение которого в исследованных перигляциальных толщах происходило в значительно изменявшихся обстановках прибрежного арктического морфолитогенеза и определялось динамикой потоков с континента.

Под влиянием поступления большого количества древесных остатков, выявленного разнообразия обстановок морфолитогенеза, литологических и кригенных типов отложений, соотношение которых быстро изменялось во времени и на коротких расстояниях, сформировалась субаквальная толща континентальных отложений, обогащенных реакционно способным ОВ, для которых характерно отсутствие корреляции ОВ–размерность частиц. Такие обстановки формирования прибрежных толщ отложений на шельфе Арктики заслуживают углубленного изучения в аспекте оценки инженерных характеристик грунтов, газовой эмиссии, разгрузки грунтовых вод и миграции флюидов при таянии подводной мерзлоты.

Источники финансирования. Анализы стабильных изотопов углерода выполнены при поддержке РНФ (проект № 19-77-10 044). Обобщение результатов выполнено в рамках Госзадания ИО РАН (тема № 0128-2021-0005).