Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геохимические особенности современного осадконакопления в Чукотском море

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Геохимические особенности современного осадконакопления в Чукотском море"

На правах рукописи

Колесник Александр Николаевич

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ В ЧУКОТСКОМ МОРЕ

Специальность 25.00.28 «океанология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

13 МАП 2015

Владивосток - 2015

005568662

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОЙ ДВО РАН), г. Владивосток

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Астахов Анатолий Сергеевич, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией морского рудообразования ТОЙ ДВО РАН, г. Владивосток

Волохин Юрий Германович, доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории гидрогеохимии и океанического литогенеза Федерального государственного бюджетного учреждения науки Дальневосточный геологический институт Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВГИ ДВО РАН), г. Владивосток

Федотов Андрей Петрович, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией палеолимнологии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук (ЛИН СО РАН), г. Иркутск

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ), г. Владивосток

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения просим направлять по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, д. 43 приемная-тел./факс: 8 (423) 231-25-73; е-таП: fedi@poi.dvo.ru.

Защита состоится 26 и ЮН Я_ 2015 года в час. 00 мин. на заседании

диссертационного совета Д 005.017.02 при ТОЙ ДВО РАН по адресу 690041 г Владивосток, ул. Балтийская, д. 43. '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТОЙ ДВО РАН и на сайте http://www.poi.dvo.ru/.

Автореферат разослан 42 МДЯ 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 005.017.02. к.г.н.

Ф. Ф. Храпченков

Введение

Актуальность. Основной интерес к Чукотскому морю связан с возможностью открытия и разработки здесь месторождений углеводородов, а также россыпей -преимущественно Аи и йп (касситерита). Однако привлекательной считается не только геолого-экономическая сторона вопроса. Арктические моря характеризуются своеобразной геотектонической позицией, климатическими условиями, гидро- и литодинамикой - их изучение могло бы внести существенный вклад в понимание общей картины литогенеза полярной зоны. Чукотское море как одно из наименее изученных морей Российской Арктики требует особого внимания.

Цель работы - установить закономерности формирования химического состава современных донных осадков Чукотского моря.

Основные задачи: 1) комплексно изучить химический состав поверхностного слоя донных осадков (далее по тексту - осадки), провести сравнительный анализ полученных результатов с литературными данными и выявить особенности, присущие осадкам Чукотского моря; 2) сформировать базу данных по химическому составу осадков Чукотского моря; 3) разделить осадки по вариациям химического состава; провести типизацию обстановок осадконакопления; выявить основные факторы, определяющие геохимический облик осадков Чукотского моря.

Научная новизна. Автором получены и изучены пробы осадков из малоизученных районов Чукотско-Аляскинского сектора Северного Ледовитого океана, а также образцы железомарганцевых конкреций (ЖМК). Обнаружены и охарактеризованы аутигенные метанопроизводные карбонаты северо-восточной части Чукотского моря (бровка шельфа). Впервые при изучении донных отложений Чукотского моря применен электронно-зондовый микроанализ; с помощью методов математической статистики обработан самый большой для Чукотского моря массив геохимических данных. В результате проведенных исследований расширены представления о химическом, особенно микроэлементном, составе современных донных отложений Чукотского моря и факторах, определяющих их геохимический облик; подробно рассмотрены геодинамические условия осадконакопления. Впервые построены карты распределения И, К, N3, Б г, У, УЬ, Хг, Ьа, Мо, Ag, Аи, Р1, Об, 1г, Ки и С<1; дополнены и детализированы карты 51, А1, Ре, Мп, Са, Р, БЮг^морф, Сорг, Ва, Со, Сг, Си, №, РЬ, V, 7.п и Н8. С помощью методов математической статистики выделены районы Чукотского моря с повышенными содержаниями металлов в осадках. Получены новые данные о россыпной минерагении шельфа Чукотского моря.

Теоретическая и практическая значимость. Представленные в работе данные восполняют дефицит информации по геохимии и минералогии осадков Чукотского моря. В рамках существующих представлений о седиментации в арктических морях (механическая дифференциация обломочного и глинистого терригенного материала при скромной роли биогенных и хемогенных процессов) в диссертации развивается идея о наличии в Чукотском море участков с особыми геодинамическими и гидрохимическими условиями, благоприятствующими обогащению осадков Сорг и металлами и образованию ЖМК.

Результаты исследований могут представлять интерес при прогнозировании в Чукотском море концентраций полезных ископаемых - россыпей цветных и благородных металлов, ЖМК.

Материал и методы. Отобрано и изучено 296 проб осадков и более 100 образцов аутигенных образований (ЖМК, карбонаты) Чукотского моря, восточной части ВосточноСибирского моря и примыкающей открытой части Северного Ледовитого океана (далее по тексту - Чукотское море). Основная масса геологического материала получена сотрудниками лаборатории морского рудообразования ТОЙ ДВО РАН, в том числе автором, в научных экспедициях 2002-2012 гг. Материал изучался с помощью комплекса

аналитических методов: атомно-эмиссионной и масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (около 5600 элементоопределений), термокатализа (около 150 анализов), нейтронной активации (126 элементоопределений), электронного микрозондирования (свыше 1000 анализов) и др. Данные по валовому химическому составу осадков обработаны методами математической статистки.

Защищаемые положения. 1. Распределение химических элементов и биогенных компонентов в донных осадках Чукотского моря подчинено (Si, Ti, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na, P, Si02aMopi, С„рГ, Cr, Pb, Sr, V, Y, Yb, Zr, La, Mo, Au, Ag, Pt, Os, Ir, Ru, Cd, Hg) или весьма близко (Mn, Ba, Co, Cu, Ni, Zn) к закону нормального распределения, что позволяет использовать методы многокомпонентной статистики для моделирования поведения химических элементов и биогенных компонентов в районах со схожими условиями осадконакопления.

2. Результаты статистического анализа указывают на доминирование в Чукотском море процессов терригенной седиментации, определяющей общий химический состав осадков. Биогенное осадконакопление имеет подчиненное значение и проявляется в повышенных содержаниях в осадках отдельных районов (Южно-Чукотская котловина, каньон Геральд) Copr, Si02aM«p,|, и частично Ca, Mg, Ba, Sr, Р.

3. Геодинамические условия Чукотского моря, определяющие на локальных участках дна образование впадин и современную флюидную активность, проявляются в 1) создании обстановок с недостатком кислорода и обогащении осадков Сорг, Mo, V, Ag, Ru, 2) активном диагенезе с повышением содержаний в осадках Fe, Mn, Hg, Zn, Co и образованием аутогенных конкреций.

Личный вклад автора. Автор является участником трех научных экспедиций в Чукотское море (2008 г., 2009 г., 2012 г.), где им отобрана значительная часть фактического материала: 114 проб осадков, более 100 образцов ЖМК, фрагмент аутогенного карбоната. Автором проведена подготовка к анализу около 300 проб осадков и статистическая обработка полученных данных. При участии автора получены и обработаны результаты электронно-микрозондового анализа осадков, ЖМК, карбоната. Весь иллюстративный материал, представленный в диссертации, подготовлен лично автором.

Апробация работы. По теме диссертации сделано около 30 докладов на научных совещаниях различного уровня, в том числе на российско-китайском симпозиуме Marine Environment and Resources in XXI Century (Циндао, 2009 г.; Владивосток, 2012 г.), российско-американских (Котор, 2010 г.; Санкт-Петербург, 2013 г.; Гонолулу, 2014 г.) и российско-китайских (Шанхай, 2012 г.) рабочих совещаниях по вопросам изучения Арктики, международных конференциях «Природа шельфа и архипелагов Европейской Арктики» (Мурманск, 2008 г.), «Ртуть в биосфере (эколого-геохимические аспекты)» (Москва, 2010 г.), «Геология морей и океанов» (Москва, 2011 г., 2013 г.), всероссийских совещаниях «Дегазация Земли: геотектоника, геодинамика, геофлюиды, нефть и газ, углеводороды и жизнь» (Москва, 2010 г.), «Проблемы экологии морского шельфа» (Владивосток, 2010 г.), «Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории» (Новосибирск, 2013 г.), конференциях молодых ученых ТОЙ ДВО РАН «Океанологические исследования» (Владивосток, 2009 г., 2011 г., 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано около 50 работ (2008-2015 гг.), в том числе 12 статей, восемь из которых - в рецензируемых научных журналах из Перечня ВАК при Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (176 источников), приложения. Рисунков - 29. Таблиц - 15. Объем работы - 142 страницы.

Благодарности. Автор глубоко признателен своему научному руководителю д.г,-м.н. А. С. Астахову, всему коллективу лаборатории морского рудообразования, а также

другим сотрудникам ТОН ДВО РАН: д.г.-м.н. А. И. Обжирову, д.г.-м.н. Е. П. Леликову, д.г,-м.н. А. Н. Деркачеву, к.г.-м.н. О. В. Дудареву, к.г.-м.н. Е. П. Терехову, к.г.-м.н. Р. Б. Шакирову, к.г.-м.н. Ю. И. Мельниченко. Благодарность выражается коллегам по экспедиционным работам: к.г.-м.н. Т. В. Матвеевой и к.г.-м.н. Е. А. Логвиной (ВНИИОкеангеология), к.г.-м.н. Е. Г. Вологиной (ИЗК СО РАН), особая благодарность -к.г.н. А. А. Босину (ТОЙ ДВО РАН). Неоценимую помощь в проведении аналитических работ оказали к.г.-м.н. А. А. Карабцов, Н. В. Бондарчук (ДВГИ ДВО РАН), А. А. Марьяш (ТОЙ ДВО РАН).

Работа выполнена в рамках программ фундаментальных исследований РАН, ФЦП «Мировой океан», при финансовой поддержке ДВО РАН (проекты № 10-Ш-В-07-175, № 11-Ш-В-07-144, № 11-Ш-В-07-145, № 12-Ш-В-07-125, № 12-Ш-В-07-007, № 13-Ш-В-07-127, интеграционный проект с СО РАН № 12-П-СО-07-021) и РФФИ (проекты № 09-05-98585-р_восток_а, № 15-05-05680_а, российско-китайский проект № 12-05-91167-ГФЕН_а).

Глава 1. Седиментогенез в арктических морях: изученность,

особенности

Глава посвящена рассмотрению основных результатов, достигнутых в изучении процессов морского полярного седиментогенеза с акцентом на геохимических аспектах современного осадконакопления в Чукотском море. Для последнего особого внимания и конкретизации требуют такие вопросы, как 1) химический состав осадков (имеющиеся сведения касаются главным образом макрокомпонентного состава осадков внутреннего шельфа и получены с помощью устаревших методов анализа), 2) аутигенное минералообразование, 3) факторы и обстановки, определяющие накопление химических элементов в осадках и образование аутигенных минералов.

Глава 2. Материал и методы исследовании

В главе приводится краткое описание фактического материала (рисунок 1) и методов его изучения. Основное внимание уделено анализу химического состава осадков методами плазменной спектрометрии (более 5000 элементоопределений) и статистической обработке полученных данных (кластер-анализ, корреляционный анализ и др.).

Глава 3. Условия современного осадконакопления в Чукотском море

В главе рассмотрены геологическое строение континентального обрамления, геодинамика, морфология дна, климат и гидрология Чукотского моря. Показано, что осадки Чукотского моря формируются в условиях полярного морского климата при активном поступлении с суши терригенного материала различного петрографического и минералогического состава. В бассейне существенную роль в рассортировке материала играют морфология дна (выположенная поверхность с отдельными положительными и отрицательными формами рельефа) и течения (основными являются Беринговоморский

поток и воды Восточно-Сибирского моря): см. рисунок 2. Локальное влияние на процессы осадконакопления оказывают обстановки с дефицитом кислорода в придонных водах и особые геодинамические условия в пределах грабен-рифтовой системы Чукотского моря.

РисуНОК I (слева) - Карта фаКТИЧеСКОГО Материала: 1, 2 - станции отбора проб осадков, переданных той ДВО РАН: 1 - Университетом Тончжи, Шанхай, 2 - ФГУП «ВНИИОкеангсология», Санкт-Петербург; 3-8 - станции отбора проб осадков, выполненные сотрудниками ТОЙ ДВО РАН: 3 - НИС «Профессор Хромов», 2002 г., 4 - НИС «Академик М. А. Лаврентьев». 2008 г., 5 - НИС «Профессор Хромов», 2004 г., 6 - ГИСУ «Север». 2006 г., 7 - НИС «Профессор Хромов», 2009 г., 8 - НИС «Профессор Хромов», 2012 г.; 9, /0 - литературные данные: 9 - [Feder et al., 1994], 10 - [Viscosi-Shirley et al., 2003]; 11 — станции отбора образцов аутигенных образований, выполненные сотрудниками ТОЙ ДВО РАН (цветом обозначены: розовым -ст. L, железомарганцевые конкреции (ЖМК), НИС «Профессор Хромов», 2009 г.; оранжевым - ст. 3, ЖМК, НИС «Профессор Хромов», 2009 г.; белым - ст. 4, ЖМК и фрагмент аутогенного карбоната, НИС «Профессор Хромов», 2009 г.; желтым - ст. 5, ЖМК, НИС «Профессор Хромов», 2012 г.).

Рисунок 2 - Некоторые геодинамические, морфологические, гидрологические и гидрохимические условия осадконакопления в Чукотском море: / - направление преобладающих поверхностных течений [Коучмен и др., 1979; Weingartner et al., 2005]; 2, 3 - распространение придонных вод с дефицитом кислорода (менее 6 мл/л) летом (2) и зимой (3) [Обзор..., 2008]; 4 - мезозойско-кайнозойская грабен-рифтовая система Чукотского моря [Шипилов и др., 1989; Fujita et al., 2002]. Рельеф суши и морского дна - по данным Генеральной батиметрической карты океанов (ГЕБКО_08).

Глава 4. Общая характеристика современных осадков Чукотского моря

В главе приводится краткое описание внешних характеристик осадков Чукотского моря, представлены результаты изучения их гранулометрического и минерального состава.

Основные выводы

1. Современные осадки Чукотского моря преимущественно терригенные пелит-алевритовые, иногда с незначительным количеством биогенного материала. Аутогенные образования распространены в каньоне Геральд (дискоидальные и лепешковидные

Аляска

Чукотка

диагенетические ЖМК) и в северо-восточной части бассейна (плитчатые диагенетические ЖМК, брекчиевидный кавернозный фрагмент метанопроизводного карбоната): см. рисунок 1.

2. Подтверждены результаты предыдущих исследований по распределению гранулометрических фракций в осадках Чукотского моря [Белов, Огородников, 1976; Кошелева, Яшин, 1999; Павлидис, 1982; Шуйский, Огородников, 1981]. В распределении гранулометрических фракций прослеживается циркумконтинентальная зональность, которая заключается в снижении доли терригенных псаммитовых частиц и увеличении пелитовых от внутреннего шельфа к внешнему (рисунок 3). Гипсометрическая зональность проявлена в накоплении мелкозернистых алевритовых и тонкозернистых пелитовых частиц в котловинах и каньонах и более грубозернистого песчано-алевритового материала на подводных возвышенностях.

Рисунок 3 - Содержание гранулометрических фракций (псаммитовой Ре, алевритовой А, пелитовой Р1) в осадках Чукотского моря, по [Шуйский, Огородников, 1981].

3. Основными породообразующими минералами осадков Чукотского моря являются кварц и полевые шпаты; акцессорными — минералы группы эпидота, черные рудные минералы (ильменит, магнетит и др.), гранаты, амфиболы. Из глинистых минералов преобладает гидрослюда; идентифицируются смектит, хлорит, каолинит, смешаннослойные минералы. Отмечается присутствие рентгеноаморфной фазы, иногда значительное. Впервые для осадков Чукотского моря описаны минеральные выделения железофосфатного состава с заметным содержанием Са и 51 — гидроксофосфаты Бе-Са (?). Полученные данные не противоречат ранее опубликованным [Кошелева, Яшин, 1999; Логвиненко, Огородников, 1980 и др.].

4. Впервые в осадках и аутигенных образованиях Чукотского моря выявлены и изучены минеральные зерна (размер - первые мкм), где минералообразующими элементами являются цветные, благородные и другие металлы (Си, Хп, Эп, РЬ, N1, Ав, ЭЬ, В1, Та, Ьа-N(1, У, ТЬ, Ре, Ти Сг, /г, Ag, Аи, Рс1, Рц 1г). Больше всего зерен выявлено в осадках, хотя и там они распространены неравномерно: максимум - на северном мелководье острова Геральд, минимум - у юго-западных берегов острова Врангеля (рисунок 4). В аутигенные образования рудные частицы были включены вместе с терригенным материалом в процессе цементации и породообразования. Первоначально значительная часть рудных минералов попала в осадок в результате транспортировки их течениями и льдами с суши, в том числе островной, в составе продуктов разрушения горных пород. Часть их могла поступить в осадок и во внутренней части бассейна в процессе местного размыва дна.

Рисунок 4 - Особенности пространственного распределения минеральных зерен цветных (карта слева) и благородных металлов в осадках Чукотского моря: 1-4 - количество обнаруженных зерен: I - большое, 2 - значительное, 3 - единичные зерна, 4 - зерна не обнаружены; 5 - зона Си-гп специализации; б - зона Бп-РЬ специализации; 7 - постоянная примесь Си и Ъл (около 1 %); 8 — присутствие зерен платиноидов (Р1, Рс1, 1г); 9 -присутствие зерен Аи; 10 - металлогеничеекая зона/район суши с указанием ведущего полезного ископаемого (1-4), по [Металлогенические зоны..., 1984]: 1 - Си, 2 - Бп, 3 - Мо, 4 - РЬ и 2п] 11 - месторождение суши с указанием полезного ископаемого, по [Металлогенические зоны..., 1984].

Глава 5. Химический состав современных осадков Чукотского моря

Глава знакомит с результатами изучения химического состава осадков Чукотского моря и обработки полученных данных методами математической статистики.

Основные выводы

1. Изучено распределение в осадках 34 химических элементов и биогенных компонентов. В результате впервые построены карты распределения Ti, К, Na, Sr, Y, Yb, Zr, La, Mo, Ag, Au, Pt, Os, Ir, Ru и Cd [Астахов, Гусев, Колесник, Шакиров, 2013; Астахов, Колесов, Дударев, Иванов, Колесник, 20106] (см. список основных работ..., с. 16). Дополнены и детализированы карты распределения Si, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, P, Si02lMop(t), Copr, Ba, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, V, Zn и Hg (рисунок 5) [Астахов и др., 2008, 2009, 2013; Белов, Огородников, 1976; Кошелева, Яшин, 1999; Огородников, Русанов, 1978; Романкевич, Ветров, 2001; Grebmeier et al., 2006; The Organic Carbon..., 2004 и др.]. Подтверждена установленная ранее закономерность уменьшения содержаний Si в сторону открытой части Чукотского моря при общем нарастании количества Al, Mg, Fe и особенно Мп, а также микроэлементов (рисунок 5). В центральной части бассейна на эту закономерность накладывается другая, связанная с рельефом дна и заключающаяся в повышении содержаний Si и уменьшении доли других элементов в осадках положительных морфоструктур с обратной картиной распределения - в осадках отрицательных.

2. На большом массиве геохимических данных показано, что распределение химических элементов и биогенных компонентов в осадках Чукотского моря подчинено (Si,

Т\, А1, Бе, М& Са, К, Р, 8Ю2аморф, Сорг, Сг, РЬ, вг, V, У, УЬ, Ъх, Ьа, Мо, Аи, Ag, Об, 1г, Яи, Сс1, Hg) или весьма близко (Мп, Ва, Со, Си, N1, 7я) к закону нормального распределения (рисунок 6). Последнее позволяет применять методы многокомпонентной статистики для моделирования поведения химических элементов и биогенных компонентов в районах со схожими условиями осадконакопления.

Аляска

Аляска

Аляска

Чукотка

Чукотка

более 257

[более.

Аляска

Аляска

Чукотка

Чукотка

Рисунок 5 - Зависимость содержания в осадках Чукотского моря некоторых макро- и микроэлементов от глубины (Н) и содержания основных гранулометрических фракций (псаммитовой Рб, алевритовой А, пелитовой Р1, по [Шуйский, Огородников, 1981]). Красные

точки - максимальные содержания элемента в осадке, желтые - минимальные; г - коэффициент корреляции.

21,86 2425 26,97 30.08 33,64 37,74 42.47 47,96% женеримеш а.1ЬНМС >11 Н'1 С НИН

0,006 0,007 0,009 0,011 0,016 0,024 0,042 0,104 жснсрнмснгальныс шаченнн

Рисунок 6 — Распределение химических элементов в осадках Чукотского моря, соответствующее закону нормального распределения (Б1) и близкое к нему (Мп).

3. Выделенные для осадков Чукотского моря полиэлементные ассоциации: Si (I), Ti-Ba-Y-Yb-Zr-La-Co-Hg (II), Al-Mg-Fe-Mn-Zn-V-Mo-Cr-Ni (III), Ca-Sr (IV), Copr-Pb-Cu (V) - во многом объясняются зависимостью химического состава от гранулометрии и частично минералогии (таблица). Показано, что коррелирующие между собой элементы/компоненты ассоциаций V и III могут обогащать осадки районов со специфическими гидрохимическими условиями, в частности в зоне влияния гидротермальных источников.

4. Поэлементное сопоставление шельфовых (до 200-метровой изобаты) осадков Чукотского моря с кларками для земной коры [Wedepohl, 1995] и осадочных пород [Виноградов, 1962] выявило относительное обогащение первых Ag, Cd, Р, Си, Zn, Mo и др., что типично для морских бассейнов с недостатком кислорода в придонных водах [Юдович, Кетрис, 2011].

5. С помощью методов математической статистики выделены районы Чукотского моря, в первую очередь район Чукотского грабена, с повышенными содержаниями металлов в осадках (большинство металлов входит в полиэлементную ассоциацию III - см. вывод 3): рисунок 7. По формальным признакам, например по значениям литохимического модуля (Fe+Mn)/Ti (рисунок 8), эти осадки могут быть отнесены к металлоносным [Батурин, 1993; Гурвич, 1998]. По характеру и локализации аномалий (рисунок 8) предположено, что некоторые из них сформировались за счет интенсивного осаждения металлов из придонных или иловых вод в особой гидрохимической обстановке, созданной при участии эндогенных источников различного типа.

© I © 2 О з О ^ О 5 Д 7 • 8 • 9 • 10 • II • <2

Рисунок 7 (слева) - Общий органический углерод (голубая заливка) и повышенные* содержания металлов В осадках Чукотского моря: 1 - аномалия металда-сидерофила с указанием металла, 2 - аномалия мсталла-халькофила с указанием металла, 3 - мультианомалия с указанием номера аномалии (1-8): 1 - Мп. V, Сс1, Не, 2 - V, Мо. Сс1; 3 - V, Мо, Сё, 4 - Ag, Яи; 5 - Ре, Мп; 6 - Хп, Ag; 7 - Мп, V, Мо; 8 - Сг, N1. *3а повышенные приняты значения, превышающие величину, равную сумме двойного стандартного отклонения и среднего арифметического. В параллелограмме - Чукотский грабен.

Рисунок 8 - Распределение значений литохимического модуля (Ре+Мп)/Т] в осадках (голубая заливка) и железомарганцевых конкрециях (ЖМК) Чукотского моря: 4 - высокие

значения (Гс^Мп)/Т| в осадках, 5 - значения (ре I Мп).;Т] в ЖМК, 6 - основные структуры грабен-рнфтовой системы [Шипилов и др., 1989: Рирш а а1„ 2002], 7 - гидротермальные источники [Поляк и др., 2008], 8-12 - эпицентры землетрясений с магянтудами [Аветисов, 1996]: 8 - менее 3; 9 - 3-3,9; 10 - 4—4,9; 11 - 5-5,9; 12 - 6 и выше. В параллелограмме - Чукотский грабен.

Чукотка

.Аляска

Таблица - Корреляционная матрица для химических элементов, биогенных компонентов, гранулометрических фракций (псаммитовой Рб, алевритовой А, пелитовой Р1) и глубины пробоотбора (Н) осадков Чукотского моря

яи са нв

-0.04 0,28 -0.20 0,22 0.22 0,64 0.51 036 0.39 0.09 0.18 0,33 0,55 0.48 0,41 0,54 0.49 0,52 0.09 -0.13 0.23 -0.02 0.10 0.39 0,37 1

Значимость коэффициентов корреляции определялась по критерию Пирсона при вероятности ошибки р < 0,05. Цветом (и жирным шрифтом) отмечены коэффициенты корреляции: светло-зеленым - значимые положительные, зеленым - указывающие на наличие практически прямой связи между параметрами, желтым - значимые отрицательные, красным - указывающие на наличие практически обратной связи между параметрами. Прочерк - нет данных. Корреляционные связи для хлорина и диатомей рассчитаны на основе их содержаний в донных осадках, по [.Колесник и др., 2010] и [Обрезкова, Колесник, Семилетов, 2014] соответственно (см. список основных работ..., с. 16).

Глава 6. Обстановки седиментации и факторы, определяющие накопление химических элементов в современных осадках Чукотского моря

В главе систематизированы данные по химическому и гранулометрическому составу осадков Чукотского моря. На основе полученных результатов рассмотрено влияние на процесс осадконакопления механической дифференциации осадочного материала, биоты, окислительно-восстановительных условий, геодинамического фактора, а также факторов, определяющих повышенные содержания в осадках металлов.

Основные выводы

1. На основе кластер-анализа данных по химическому и гранулометрическому составу осадков выд ел ено 15 кластеров (рисунок 9).

Отложения кластеров 13-15 локализуются в виде пятен в южной и центральной частях моря. Это типично песчаные и алевритовые обломочные осадки с максимальным содержанием $1 при минимальном количестве других элементов.

Кластеры 1-5 занимают глубоководную часть бассейна. Это глинистые илы, слабожелезистые и слабомарганцовистые.

Кластер 6 - специфические глинистые осадки с максимальным содержанием Ре (по формальным признакам могут быть отнесены к металлоносным).

Кластеры 7-12 объединяют пробы осадков, которые занимают промежуточное положение между типичными обломочными и типичными глинистыми. Кластер 9: Рисунок 9 - Расположение кластеров (0- максимальное содержание в осадках Р, техника) в Чукотском море, описание кластеров - очень высокое - Ре и Си, высокое - Ва.

см. текст. т/. , ,,

Кластер 10: очень высокое содержание

Са, высокое - вг, значительное — 7л, Т1, Ьа.

2. Показано (подтверждено с помощью методов математической статистики), что в Чукотском море при доминировании терригенного осадконакопления существует зона (Южно-Чукотская котловина, каньон Геральд), где осадочный материал накапливается при участии биогенных и/или хемогенных процессов (биогенное, хемогенное осадконакопление), в некоторых случаях стимулируемых геодинамической активностью.

3. На большом массиве геохимических данных подтверждено, что основным фактором, контролирующим современное осадконакопление в Чукотском море, является механическая сортировка осадочного материала,действующая в связке с такими факторами, как петрофонд области питания Чукотского моря осадочным материалом, гидродинамика, рельеф дна, тектоника/геодинамика. Распределение гранулометрических фракций осадков подчиняется циркумконтинентальной и

13

вертикальной зональностям осадконакопления. Гранулометрический состав отражает главным образом отношение в осадках глинистой (пелитовой) и обломочной (песчано-алевритовой) составляющих, определяя тем самым химический состав отложений. Глинистая составляющая, доля которой наиболее существенна в тонкодисперсных отложениях пониженных форм рельефа центральной части бассейна и на внешнем шельфе, во многом контролирует содержание А1,частично Бе, К и некоторых других элементов, являющихся минералообразующими в гидрослюдах, смектитах, хлоритах, каолините -основных глинистых минералах осадков Чукотского моря (следует учитывать и сорбционные свойства глинистых минералов). Обломочная составляющая, максимальная доля которой характерна для крупнозернистых осадков континентального и островного мелководья, а также подводных возвышенностей центральной части бассейна, представлена преимущественно полевыми шпатами и кварцем, которые в первую очередь контролируют содержание в осадках 81.

4. Биогенный фактор в масштабах всего Чукотского моря играет второстепенную роль. Его действие рассмотрено на примере нескольких в разной степени биозависимых компонентов осадка (рисунок 10, таблица).

Рисунок 10 - Особенности распределения общего органического углерода, аморфного кремнезема, кальция, фосфора, хлорина, диатомей и фораминифер в осадках Чукотского моря; величина первичной продукции в поверхностных водах Чукотского моря, общий органический углерод: изотопный состав (%о, изолинии) - [Ветров и др., 2008; Grebmcier et al., 2006]. Аморфный кремнезем: часть данных взята из работы [Астахов и др., 2013]. Первичная продукция - [Леин и др., 2007]; хлорин - [Колесник и др., 2010], с дополнениями; дизтомеи - [Обрезкова, Колесник. Семилетов, 2014]; фораминнферы - [Саидова, 1994]. Красные точки -максимальные содержания элемента в осадке, желтые - минимальные. Звездочка на карте распределения кальция - станция, где поднят крупный фрагмент метанопроизводного карбоната [Колесник, Колесник, Покровский, 2014].

В распределении Сорг отчетливо выделяется зона повышенных (около 2 %) содержаний в южной и западной частях моря, при этом наблюдается практически прямая связь между содержаниями Сорг и 8Ю2аморф (рисунок 10, таблица). Последнее предполагает поступление в осадки совместно с остатками диатомовых водорослей (рисунок 10); высокие содержания Сорг могут быть обусловлены либо увеличением в этом районе первичной продуктивности, либо сносом течениями биогенных остатков с окружающих участков дна.

Тяжелый изотопный состав Сорг также свидетельствует о преобладающей роли планктогенного органического вещества, чего нельзя сказать о прилегающей восточной части Восточно-Сибирского моря [Ветров и др., 2008; ОгеЬте^ег ег а!., 2006].

Имеющиеся данные указывают на почти полное отсутствие в Чукотском море биогенного карбонатонакопления [Астахов и др., 2013; Леин и др., 2007]. Продуктивность же бентосных и планктонных сообществ, в том числе организмов с карбонатными раковинами, например фораминифер, значительна [Саидова, 1994; Сиренко, Гагаев, 2007; Таманова, 1965; ОгеЬпшег е! а1., 2006]. Причина в том, что карбонаты по температурным условиям вод не переходят в осадок, а практически полностью растворяются. На шельфе наиболее высокое содержание Са отмечено на юге и востоке (рисунок 10). Это, очевидно, обусловлено размывом карбонатных пород суши. Обнаружены здесь и раковины фораминифер с известковым скелетом (рисунок 10). Таким образом, Са (карбонат кальция) частично является биогенным, частично терригенным. Подобно Са ведет себя и Р, но, судя по более тесной связи с Сорг и хлорином (рисунок 10, таблица), биогенный фактор влияет на распределение этого элемента сильнее.

Наибольшее значение биогенный фактор для осадков Чукотского моря приобретает в Южно-Чукотской котловине и каньоне Геральд, где он действует совместно с гидро- и геодинамическим факторами: см. рисунок 11. Обогащенные биогенами тихоокеанские воды проникают через Берингов пролив и достигают Южно-Чукотской котловины. В связи с этим в южной и юго-западной частях моря активно развивается планктон, в основном диатомеи, и нектон. При отмирании организмов детрит практически не измененным достигает поверхности осадка, где и происходят все значимые процессы переработки органического вещества [Леин и др., 2007; Саввичев, 2011; Саввичев и др., 2007 и др.]. Распад органики ведет к высвобождению и обогащению осадка Сорг и 8Ю2аморф, Са, 8г, Р с выделением Н25, СН4, С02.

уровень моря

суша

Мо. V, А».

Рс, Мл. Т.п.

Р.

др.

А

каньон северное

Гера п,1 Южно-Чукотская котловина мелководье

Чукотки

Рисунок 11 — Схема процесса осадконакопления в Чукотском море по профилю ЮжноЧукотская котловина — каньон Геральд с учетом биогенного, гидрохимического и флюидодинамического факторов.

5. Действие редокс-фактора сезонно, локально и связано с более или менее выраженным дефицитом кислорода в придонных и/или иловых водах Чукотского моря. Наибольшее влияние фактор оказывает на характер распределения в осадках С„,,г, Си, РЬ,

Мо, V, 2п. Важную роль окислительно-восстановительные условия среды играют в постседиментационных процессах (образование ЖМК, карбонатообразование).

6. Границы влияния на седиментацию геодинамического фактора контролируются расположением в Чукотском море основных структур грабен-рифтовой системы. Последние, в первую очередь Чукотский грабен, являются центрами накопления осадков с повышенными содержаниями металлов (Ре, Мп, Тп, V, Мо, Сг, N1, РЬ, А§, 11и и др.). Геохимические особенности осадков указывают на различные причины формирования аномалий. Аномалии Мо, V, Ag, Ии возникают, вероятно, вблизи холодных газовых или водно-газовых источников - на локальных участках с аноксидными придонными или иловыми водами; Ре, Мп, Ъа, Щ, Аи - вблизи водных (в том числе термальных) источников, поставляющих металлы или создающих благоприятные физико-химические условия для осаждения металлов различными способами из придонных или иловых вод (рисунок 11). Очевидно, важную роль при этом играют биохимические процессы, и часть аномалий обусловлена раннедиагенетическими преобразованиями осадков. Не исключено, что активный диагенез, в результате которого образуются ЖМК, стимулируется действием тех же флюидных источников (рисунок 11). Аутигенное карбонатообразование, установленное в северо-восточной части Чукотского моря, также является результатом активности (в прошлом) холодных метаносодержащих флюидов [Колесник, Колесник, Покровский, 2014] (см. список основных работ..., с. 16); поступая на дно, метан окислялся при активном участии микроорганизмов.

Заключение

В результате проведенных исследований расширены представления о геохимии современных седиментацнонных и постседиментационных процессов, протекающих в Чукотском море.

1. Показано, что осадки шельфа Чукотского моря формируются в условиях преимущественно терригенного осадконакопления. Основным контролирующим фактором является механическая дифференциация вещества. Биогенная седиментация, фиксируемая в высоких и повышенных содержаниях Сорг, 8Ю:аморф и частично Са, Мц, Эг и Р, характерна главным образом для южной части Чукотского моря. Хемогенное/биохемогенное осадконакопленне (отложение Ре и Мп, постседиментационные преобразования с образованием конкреций) связано преимущественно с особенностями гидрохимического режима в каньоне Геральд и северных глубоководных районах моря.

Согласно результатам сопоставления со средним составом земной коры и осадочных пород, осадки Чукотского моря (шельф) отличаются повышенными содержаниями А§, Сс1, Р, Си, 7.г\, Мо, Аи, V, что типично для морских бассейнов с дефицитом кислорода.

2. Установлено, что осадки шельфа Чукотского моря, обогащенные Сорг и металлами относительно фоновых содержаний по бассейну, накапливаются в пределах Чукотского грабена и некоторых других структур грабен-рифтовой системы при определенных геодинамических условиях. Последние выражаются в довольно длительном растяжении земной коры, формировании выраженных в рельефе дна систем прогибов и современной флюидной активности. В результате создаются локальные обстановки с недостатком кислорода, активизируются диагенетические процессы.

Локальное обогащение шельфовых отложений Чукотского моря микроразмерными минеральными зернами металлов (Си, Тп, Яп, РЬ, Ag, Аи, Рс1, Р1, 1г и др.) связано в первую очередь с металлоносностью геологических формаций окружающей суши и, вероятно, самой акватории.

3. На примере Чукотского моря показана возможность использования методов многокомпонентной статистики для изучения осадочных отложений, сформированных в условиях преимущественно терригенного осадконакопления, а также моделирования поведения в таких условиях различных химических элементов. В Чукотском море закону нормального распределения подчинены содержания в осадках "Л, А1, Бе, Са, К, Р, 5Ю2аморф, Сорг, Сг, РЬ, Бг, V, У, УЪ, Ьг, Мо, Аи, Ag, П, Оэ, 1г, Яи, Сё, Hg. Весьма близки к этому содержания Мп, Ва, Со, Си, №, 2п.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Астахов А. С., Босин А. А., Колесник А. Н., Коршунов Д. А., Крейн К., Логвина Е. А. Геологические исследования в Чукотском море и примыкающих районах Северного Ледовитого океана в экспедиции ГШ5АЬСА-2009 // Тихоокеанская геология. 2010а. Т. 29. №6. С. 110-116.

2. Астахов А. С., Колесов Г. М., Дударев О. В., Иванов М. В., Колесник А. Н. Благородные металлы в донных осадках Чукотского моря // Геохимия. 20106. Т. 48. № 12. С.1289-1301.

3. Колесник А. Н., Босин А. А., Марьяш А. А. Условия накопления органического вещества в донных осадках шельфа Чукотского моря // Геология и геоэкология континентальных окраин Евразии. Вып. 2. М.: ГЕОС, 2010. С. 138-146.

4. Колесник О. Н., Колесник А. Н. Особенности химического и минерального состава железо-марганцевых конкреций Чукотского моря // Геология и геофизика. 2013. Т. 54. № 7. С. 853-866.

5. Астахов А. С., Гусев Е. А., Колесник А. Н., Шакиров Р. Б. Условия накопления органического вещества и металлов в донных осадках Чукотского моря // Геология и геофизика. 2013. Т. 54. № 9. С. 1348-1365.

6. Астахов А. С., Колесник А. Н., Олейников И. С. Литохимические индикаторы современных геодинамических процессов в Чукотском море // Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории: материалы VII Всероссийского литологического совещания (Новосибирск, 28-31 октября 2013 г.). Т. 1. Новосибирск: ИНГГ СО РАН, 2013. С. 49-54.

7. Колесник А. Н. Особенности осадконакопления в Чукотско-Аляскинском секторе Северного Ледовитого океана (по данным кластерного анализа) // Геология морей и океанов: материалы XX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии (Москва, 18-22 ноября 2013 г.). Т. 1. М.: ГЕОС, 2013. С. 72-73.

8. Колесник О. Н., Колесник А. Н., Покровский Б. Г. О находке аутогенного метанопроизводного карбоната в Чукотском море //ДАН. 2014. Т. 458. № 3. С. 330-332.

9. Астахов А. С., Маркевич В. С., Колесник А. Н., Ван Рудзян, Кононов В. В., Обрезкова М. С., Босин А. А. Возможные условия и время формирования покмарков Чукотского плато // Океанология. 2014. Т. 54. № 5. С. 665-678.

10. Обрезкова М. С., Колесник А. Н., Семилетов И. П. Распределение диатомей в поверхностных осадках морей Восточной Арктики России // Биология моря. 2014. Т. 40. № 6. С. 473-480.

11. Колесник О. Н., Колесннк А. Н. Редкие земли и иттрий в железомарганцевых конкрециях Чукотского моря // Литология и полезные ископаемые. 2015. № 3. С. 203—214.

Колесник Александр Николаевич

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ В ЧУКОТСКОМ МОРЕ

Специальность 25.00.28 «океанология»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Подписано в печать 22.. 2015. Формат 60*84 1/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 'И 5 . Отпечатано с авторского оригинал-макета в ТОЙ ДВО РАН 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, д. 43