Потоки биогенных элементов на границе вода-дно в Енисейском заливе (59 рейс нис «»)

2 , 1, 1, 1, 1 , 1

(1Институт океанологии им. РАН, г. Москва, e-mail: *****@***ru 2 Московский государственный университет им. , г. Москва e-mail: *****@***ru, makkaveev55@mail/ru)

Потоки биогенных элементов на границе вода-дно в Енисейском заливе (59 рейс нис «»)

Kodrian K. V.2, Lein A. Yu.1, Makkaveev P. N.1 , Polukhin A. A.1, Rozanov A. G.1, Stepanova S. V. 1

(1Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow; 2  Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography , Moscow *****@***ru, makkaveev55@mail/ru)

The flux of the nutrients through the boundary water – sediments in the Yenisei bay (59 cruise RV “Akademik Mstislav Kedish”)

Во время 59-го рейса НИС «» в числе прочих были проведены работы на субмеридиональном разрезе (рис.1) р. Енисей – желоб Св. Анны (18-22 сентября 2011 г.), который охватывал диапазон глубин от 13 м (ст. 5014) до 476 м (ст. 5026). Начальная, самая южная, станция разреза была выполнена в водах, где по всему вертикальному профилю не прослеживалось влияние соленых вод. На этом профиле были представлены пресные (речные) воды, зона смешения (в эстуарии) речных и морских вод, воды шельфа и воды открытого моря.

На большинстве станций разреза проводились гидрохимические анализы в придонной воде (на 2 – 4 горизонтах от дна) и иловой воде верхнего слоя осадка. Материал для исследования отбирался с помощью батометров Нискина комплекса Rozette (водная толща) и мультикорером (наддонная вода, наилок и осадок).

По гидрохимическим показателям  на разрезе выделяются две основные области, где проходит массовое осаждение и окисление в верхнем слое осадков органического вещества, где в придонной воде наблюдалось значительное увеличение минерального фосфора, соединений азота и двуокиси углерода [1]. Во-первых, это так называемый первый геохимический барьер, где в придонных водах наблюдался рост всех биогенных элементов и значительное снижение содержания растворенного кислорода. Значительное увеличение здесь содержания общего фосфора и аммонийного и общего азота свидетельствует о высокой интенсивности деструкционных процессов и «молодости» органического вещества осадков. Эта область окисления связана с массовым осаждением растворенных и взвешенных веществ на геохимическом барьере.

Вторая область разложения органического вещества находится ниже по течению, где рельеф дна залива образует заметное понижение, отгороженное от мористой части участком с небольшими глубинами. Повышение содержания биогенных элементов выражено здесь слабее, чем выше по течению. Наиболее заметно повышение содержания нитратного азота и снижение относительного содержания кислорода. Преобладание полностью окисленных форм азота и незначительное увеличение фосфатов свидетельствует о том, что органическое вещество, находящееся в верхнем слое осадков и придонной воде, уже прошло основные стадии окисления. Эта область, связанна с окислением органики и возникла, скорее всего, на «орографическом» барьере, где изменение динамических характеристик потока и особенность рельефа дна залива создаёт условия для осаждения несомой водой взвеси.

Рис.1. Схема станций в Енисейском заливе. 59-й рейс НИС «».

Оценка диффузионных потоков (J) на границе вода-дно была проведена на основании закона Фика [2]:

J=-ф*Ds*(dC/dx);

где C - концентрация компонента в иловом растворе (поровой среде) осадка: х - расстояние от поверхности вглубь осадка. Ds –коэффициент диффузии компонентов в поровой среде осадков. Коэффициент пористости был принят равным 0.95, а коэффициенты диффузии компонентов в поровой среде осадков для Ctot=4,01*10-5, PO4 =2,15*10-5, Si=3,97*10-5, Ntot=7,8*10-5 [3]. Результаты расчетов показаны на рис. 2.

Интенсивность поступления химических элементов из верхнего слоя осадков составляет для фосфора от -0,0051 до 0,0289 мкмоль/м2∙сутки, для кремния находится в пределах от -0,4522 до1,5658 мкмоль/м2∙сутки, для общего азота от 0,112 до 4,114 мкмоль/м2∙сутки и для общего углерода находится в диапазоне от -0,353 до 0,210 мкмоль/м2∙сутки.

Рис.2. Изменение величины потоков химических элементов на объединенном разрезечерез Енисейский залив и восточный отрог желоба Св. Анны (мкмоль/м2 сутки)

По интенсивности потоков химических элементов (Ctot, Ntot, Si, PO4) можно выделить пять зон в зависимости от удаленности от устья Енисея и увеличения глубины. Непосредственно у самого устья реки интенсивность потоков была минимальной на всем разрезе.

Вторая зона где Енисей впадает в Енисейский залив, это первый максимум потока биогенных элементов через границу вода-дно. Здесь находится область лавинной седиментации, именно здесь скорости осадконакопления наибольшие, в основном в осадок выпадает минеральная взвесь, с наибольшим удельным весом, поскольку скорость несущего потока значительно падает. Считается, что у выхода реки в залив  осаждается 90% взвешенного вещества [4].

Третья зона - это зона уменьшения величины потоков химических элементов из осадка. Наиболее тяжелая часть взвеси выпадает в осадок выше по течению, а тонкая взвесь еще не начала осаждаться, поскольку скорость течения еще достаточно высока.

Четвертая зона располагается на бровке шельфа, здесь наблюдается снова увеличение потоков химических элементов из-за осаждения тонкой взвеси, как поступающей из Енисейского залива, так и переносимой прибрежными течениями по шельфу. Далее на склоне снова наблюдается минимум величин потоков химических элементов. Для иловых вод осадков данной зоны характерны низкие концентрации химических элементов по сравнению с зонами максимумов. Что может быть связано с тем, что часть осадков сползает в результате склоновых процессов. Скорость современного осадконакопления здесь не высока.

Последняя пятая зона представлена глубоководными осадками подошвы склона. Здесь на графике мы можем наблюдать снова повышение величины потоков. На самом склоне интенсивность потоков вещества между водой и осадками невелика.

Следует заметить, то что изначально мы могли ожидать максимальные значения интенсивности потоков биогенных элементов не на глубине, а наоборот у берега, так как именно там осаждается наибольшее количество взвеси, и именно там скорости осадконакопления максимальны. Тем не менее, сейчас мы наблюдаем исходя из графика совершенно противоположную ситуацию. Причем это наблюдается не только на станциях нашего объединенного разреза через Енисейский залив и восточный отрог желоба Св. Анны, но и характерно для всех станций рейса. На небольших глубинах интенсивность потока из осадка в воду не велика, наибольшая интенсивность наблюдается на станциях, расположенных на глубинах от 100 до 200 метров, что соответствует бровке шельфа. Глубже 200 метров интенсивность потока практически не меняется.

Как упоминалось выше, из трубок Ниемисто (диаметр 5 см) проводился отбор проб для определения градиента содержания кислорода и растворенного углерода в слое воды над осадками. Отбор проводился сифоном из силиконовой трубки с 2 – 4 горизонтов из слоя 1 – 20 см  над осадком. Специально для этой цели были подготовлены флаконы малого объёма (около 30 мл) для отбора проб на кислород.

В придонной воде речной части разреза градиенты содержания кремния и фосфора были незначительными. Видимо, достаточно высокие скорости течения приводили к выравниванию гидрохимических характеристик. Для кислорода, как более динамичного параметра, влияние течения было не столь заметным и на большей части станций в непосредственной близости к поверхности осадка (1 см), как правило, наблюдалось падение содержания кислорода на 0.5 – 0.8 мл/л.

Если на речном разрезе в придонном слое проходило выравнивание гидрохимических параметров течением и вертикальные градиенты содержание растворенного кремния, фосфора и величины общей щелочности практически отсутствовали, то на станциях в желобе наблюдалось вполне закономерное увеличение этих параметров в придонном слое. Распределение кислорода было более разнообразным. Из 5 станций, выполненных на склоне и в желобе Св. Анны, на 2 (ст. 5033 и 5039) содержание кислорода в 10 см. слое над осадком увеличивалось на 0,1 – 0,2 мл/л, на остальных станциях в этом слое наблюдалось падение содержания кислорода на 0,2 – 0,5 мл/л. Наличие градиентов кислорода в 20-ти см. слое над осадком наблюдалось преимущественно на тех станциях, где интенсивность потоков вещества между водой и осадком была высокой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

, , и др. Гидрохимическая характеристика вод западной части Карского моря. Океанология, в печати). , Химический обмен на границе вода – дно в океанах и морях. М.: ГЕОС. 2002. 164 с. Schulz H. D. Quantification of Early Diagenesis: Dissolved Constituents in Marine Pore Water // Marine Geochemistry. Ed. Schulz H. D., Zabel M. Springer. Heidelberg, Bern, NY. 2000. P. 85-128. Маргинальный фильтр океанов // Океанология. 1994. Т. 34. № 5. С. 735-747.

On the materials of the cruise 59 of R/V "Akademik Mstislav Keldysh" fluxes of phosphorus, nitrogen, silicon and inorganic carbon between the water and the top layer of sediment were calculated. The highest intensity of exchange at water-sediment interface is marked on the shelf-break as well as at the beginning of the Yenisei Gulf. Vertical gradients of nutrients and oxygen content in 20-cm layer of bottom water were observed in places of high flux intensity of matter between water and sediment.

На основании материалов 59-го рейса «» были рассчитаны потоки фосфора, азота, кремния и неорганического углерода между водой и верхним слоем осадков. Наибольшая интенсивность обмена на границе вода-осадок отмечена на бровке шельфа. Усиливаются потоки вещества и в месте впадения р. Енисей в залив. В местах, где отмечались высокие потоки вещества между водой и осадками наблюдались вертикальные градиенты содержания биогенных элементов и кислорода в 20-ти см слое придонных вод.

<*****@***com>

Александр Полухин

младший научный сотрудник Лаборатории биогидрохимии

Институт океанологии им. РАН

Alexander Polukhin

Junior Researcher of the Laboratory of Biohydrochemistry

Shirshov Institute of Oceanology RAS

117997 Russia, Moscow, Nakhimovsky pr., 36