Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Минеральный состав донных отложений и особенности современного осадконакопления в Каспийском море

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Минеральный состав донных отложений и особенности современного осадконакопления в Каспийском море"

КОЗИНА Нина Владимировна

МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ В КАСПИЙСКОМ МОРЕ

Специальность 25.00.28 - «Океанология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Ь 2015

Москва-2015

005558167

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. ГШ. Ширшова Российской академии наук.

Научные руководители: доктор геолого-минералогических наук,

академик РАН

Александр Петрович Лисицын

доктор геолого-минералогических наук Вячеслав Владимирович Гордеев

Официальные оппоненты: Олег Васильевич Япаскурт

доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой литологии и морской геологии геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, г. Москва

Алексей Алексеевич Крылов

кандидат геолого-минерапогических наук, доцент кафедры осадочной геологии Института наук о Земле Санкт-Петербургского государственного университета, г. Санкт-Петербург

Ведущая организация: Институт наук о Земле, Федеральное

государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится «19» февраля 2015 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 002.239.03 при Федеральном государственном бюджетном Учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский проспект, д. 36, Большой конференц-зал. Электронный адрес: tkhusid@mail.ru. факс (499) 124-59-83.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного Учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Автореферат разослан «16» января 2015 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, кандидат биологических наук

Т. А. Хусид

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы: Изучение донных осадков морей и океанов является важнейшим направлением в исследовании процессов седиментогенеза.

Каспийское море является крупнейшим внутриконтинентальным озером-морем. Оно не имеет связи с океаном, но обладает особенностями осадконакопления, которые свойственны морским водоемам [Хрусталев, 1978]. Отличительной чертой Каспийского моря является его питание, которое происходит как за счет гумидных, так и аридных, субаридных областей. С севера Каспийское море расположено в пределах аллювиальной равнины, включающей в себя бассейны рек Волги, Урала и Эмбы. Западная и южная часть Каспийского моря изрезана реками, эродирующими горную часть Кавказа и Ирана, где особенно четко проявляется вертикальная зональность. Восточная часть - это бессточная область, с четко выраженным аридным климатом, полностью покрытая пустынями. Чтобы понять и оценить вклад каждой области, необходимо было провести комплексные исследования, сочетающие применение традиционных методов с использованием новейших и современных аналитических приборов. Особенности минерального и химического состава современных донных осадков, выявленные в ходе исследований, позволяют более детально познать процессы современного осадкообразования. Среди других методов - прямое изучение осадочного вещества (аэрозоли, криозоли, речной сток, биозоли и др.) в ходе транспортировки от источников до распределения в водной толще, как это уже сделано для Белого моря (т. 1-Ш). Минералогические исследования, характеризующие количественный и вещественный состав рассеянного осадочного вещества и донных осадков, дают возможность выяснить особенности распределения минеральных видов по площади и глубине акватории, выделить терригенно-минералогические провинции и, наконец, установить связь с основными питающими провинциями, с учетом влияния гидродинамического режима в бассейне.

Эта работа выполняется на протяжении пяти лет при непосредственном участии автора коллективом Лаборатории физико-геологических исследований Института океанологии, и данные диссертации являются частью этого большого исследования.

Цель работы: Целью работы является изучение минеральной ассоциации во фракции 0.1-0.05 и < 0.01 мм, а также некоторых осадкообразующих биогенных компонентов в поверхностных слоях донных осадков Каспийского моря с последующим выявлением питающих провинций и путей переноса вещества в различных геосферах, а также его осаждения в осадочном водоеме с большим разнообразием условий внутри водосборного бассейна. Задачи: В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: > Обобщение и систематизация результатов предшествующих исследований

> Отбор проб донных осадков в Каспийском море

> Проведение минералогического анализа крупноалевритовой фракции (анализ тяжелой и легкой подфракций) из поверхностного слоя донных осадков Каспийского моря

> Изучение минерального состава пелитовой фракции с помощью электронного сканирующего микроскопа с микрозондовой приставкой и рентгенодифрактометрического анализа

> Выделение терригенно-минералогических провинций на основании минералогического анализа (тяжелой подфракции), построение карт распределения основных минералов и путей их переноса в море

> Выявление основных питающих провинций и их вклада в формирование минеральной ассоциации поверхностных донных осадков Каспийского моря

> Выполнение химического анализа донных осадков современными методами с применением международных стандартов

> Построение карт распределения биогенных компонентов и прямого определения вертикальных потоков вещества с учетом рельефа дна и типов донных осадков, а также выделение особенностей распределения каждого элемента

> Определение основных закономерностей, влияющих на формирование, распределение и состав современных донных осадков

Научная новизна: Впервые в Каспийском море применен системный подход к исследованию процессов образования современных донных осадков и их изучение в геосферах, взаимодействующих с гидросферой. Отбор проб осадков осуществлялся новым методом с помощью мультикорера, который способен сохранять жидкий слой, образующийся на границе вода-дно (наилок), ненарушенным. Отбор проб из атмо-, крио- и биосферы здесь не рассматривается.

Настоящая работа является первым результатом исследования количественного и качественного состава современных донных осадков Каспийского моря, полученных мультикорером с сохранением самого верхнего полужидкого слоя осадков (1-5 мм), который обычно теряется при отборе осадков другими методами.

Получены новые данные о распределении минералов легкой и тяжелой подфракций крупноалевритовой фракции современных донных осадков Каспийского моря. Автором выделены терригенно-минералогические провинции и установлена их связь с основными источниками поступления обломочного материала. Автором построены карты распределения биогенных компонентов с учетом продукции, потоков вещества, рельефа дна и типов донных осадков.

Автору удалось выделить и проследить по глубине акватории Каспия пояс ракушечного материала, который почти сплошным кольцом опоясывает Каспийское море.

Автору удалось выделить мощную толщу известковых отложений в восточной части Южного Каспия, а также определить основные закономерности распределения и состав современных донных осадков.

В настоящей работе впервые без неизбежных нарушений верхнего полужидкого слоя осадка, отобранных при помощи мультикорера, получены новые надежные данные о скоростях осадконакопления для Среднего и Южного Каспия.

Впервые при непосредственном участии автора были сделаны следующие находки:

• в современных донных осадках Южно-Каспийской котловины на глубине 1 ООО м обнаружен редкий минерал кутнагорит (СаМп[С03]2), [Дара, Козина, Гордеев, 2013].

• в современных донных осадках Каспийского моря найдены кокколитофориды.

• в современных донных осадках Каспийского моря обнаружены биоморфные структуры, характерные только районам с сероводородным заражением.

• получены новые данные о содержаниях Сорг. в самом верхнем слое осадков, которые в 2-3 раза превышают концентрации Сорг., установленные ранее другими исследователями [Бордовский, 1969, 1974; Лебедев и др., 1973; Каспийское море..., 1989; Хрусталев, 1978, 1981 и др.].

Фактический материал, личный вклад автора: Работа основана на результатах исследований современных донных осадков Каспийского моря и осадочного вещества различных геосфер. Материал для исследований был получен в семи экспедициях научно-исследовательских судов (НИС «Рифт» и «Никифор Шуреков») автором с коллегами в 2008-2013 гг., в том числе и любезно предоставленных Г.Н. Батуриным образцов донных осадков, а также в результате обобщения литературных данных. Автором производился отбор проб донных осадков из дночерпателя, бокскорера и мультикорера. На борту судна автор выполнял литологическое описание осадков и первичную обработку проб. В лаборатории на судне автором изготавливались смер-слайды из проб донных осадков для изучения под микроскопом и первичного заключения об особенностях состава осадка.

Лично автором был проведен оптико-минералогический анализ крупноалевритовой фракции для более чем 80 проб поверхностных донных осадков (0-5 см).

Автору удалось обработать более 500 проб донных осадков для различных видов исследований: гранулометрического анализа, рентгенодифрактометрического анализа, сканирующей электронной микроскопии, определения биогенных компонентов (Сорп СаСОз, 8Ю2аморфный), радиоизотопного (210РЬ, 14С) датирования.

В работах, которые выполнялись в соавторстве, соискатель принимал активное участие на всех этапах исследования - от отбора проб, литологического описания

донных осадков и проподготовки образцов до обсуждения полученных данных и подготовки их к публикации.

Достоверность результатов: Данные по определению и количественному содержанию минералов тяжелой подфракции в отложениях Каспийского моря получены современными методами анализа с применением новейшего оборудования в лабораториях ИО РАН, МГУ, ВИМС с определениями в параллельных пробах и консультациями ведущих специалистов.

Данные по сканирующей микроскопии, рентгенодифрактометрическому анализу, определению Сорг., СаСОз и БЮгаморфный получены в Лаборатории физико-геологических исследований и Аналитической лаборатории ИО РАН.

Данные по радиоизотопному (210РЬ, 14С) датированию получены в ГЕОХИ РАН и СПбГУ.

Для проверки достоверности результатов использовались параллельные пробы и международные стандарты. Достоверность выводов обеспечена обширным фактическим материалом и применением новейших приборов.

Практическая ценность работы: Проведенные комплексные исследования (для диссертации избрана только часть их результатов) дают возможность не только оценить вклад в процессы современного осадкообразования основных источников обломочного материала, но и оценить особенности состава и закономерности распространения донных осадков и выявить разнообразные загрязнения поверхностного слоя донных отложений. Данная работа по-новому раскрывает процессы современного седиментогенеза в Каспийском море. В ходе работы на научно-исследовательских судах отработаны и усовершенствованы методики пробоотбора и обработки полученного материала непосредственно на борту судна.

Данная работа направлена на разработку методики комплексного изучения морского осадкообразования в акваториях разного типа, в том числе самого крупного моря-озера. Основные защищаемые положения:

1. Установленные закономерности в пространственном размещении минералов тяжелой подфракции в поверхностных слоях донных осадков Каспийского моря позволили выделить 9 терригенно-минералогических провинций. Формирование терригенной составляющей донных осадков происходит главным образом за счет осадочного материала, поступающего с речным стоком, эоловой взвесью, а также при абразии берегов и дна.

2. Выявлено, что в донных осадках Южно-Каспийской котловины протекает усиленное аутигенное минералообразование, заключающееся в образовании сульфидов, сульфатов и карбонатов. Установлено, что максимальное содержание сульфидов приурочено к зонам сероводородного заражения, в которых также были впервые обнаружены биоморфные структуры. Образованию карбонатов и

сульфатов способствуют условия аридной климатической зоны, которые оказывают сильное влияние на процессы осадконакопления в южной части Каспийского моря. Впервые в современных донных осадках Южно-Каспийской котловины был обнаружен редкий аутигенный минерал - кутнагорит (двойной карбонат кальция и марганца (СаМп[С03]2), [Дара, Козина, Гордеев, 2013]. 3. Получены новые уникальные данные, связанные с интенсивной аккумуляцией биогенных компонентов Сорг и СаС03 в современных донных осадках Каспийского моря. Выявлено, что максимальная концентрация Сорг составляет 68%, что в 2-3 раза выше, чем было установлено предыдущими исследователями [Бордовский, 1969, 1974; Лебедев и др., 1973; Каспийское море..., 1989; Хрусталев, 1978, 1989 и др.]. Удалось подтвердить наличие высококарбонатных осадков в восточной части Южного Каспия и выделить мощную толщу известковых отложений, в которой содержание СаС03 составляет 70-80%. Впервые в современных донных осадках Среднего и Южного Каспия обнаружены кокколитофориды. Публикации и апробация работы: Материалы диссертации опубликованы в 17 работах, из них 6 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Основные положения диссертации были представлены и обсуждены на XIX Международной школе по морской геологии (Москва, ноябрь 2011 г); международной конференции «Dialogue between contourite and oceanography processes», International Workshop (University of Hull, UK, 2013 г); VII Всероссийском литологическом совещании «Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационные процессы в геологической истории» (Новосибирск, октябрь 2013 г); XX Международной школе по морской геологии (Москва, ноябрь 2013 г), а также в ряде докладов на коллоквиумах Лаборатории физико-геологических исследований ИО РАН.

Объем и структура работы: Диссертационная работа насчитывает 245 страниц и включает 83 рисунка, 26 таблиц и 4 приложения. Список литературы содержит 277 наименований. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, выводов и приложения.

Благодарности: Автор выражает благодарность своим научным руководителям А.П. Лисицыну и В.В. Гордееву. Выполнение данной работы было бы невозможным без их помощи, ценных советов и замечаний. Автор благодарит за поддержку и помощь коллег в экспедициях и на дальнейших этапах работы: В.Н. Лукашина, М.Д. Кравчишину, A.A. Клювиткина, А.Н. Новигатского, Н.В. Политову, А.К. Амбросимова, A.C. Саввичева, А.Г. Рослякова, A.C. Филиппова, Д.Ф. Будько, H.H. Дмитревского, A.A. Мелузова, P.A. Ананьева, Н.В. Либину. Автор глубоко признательна А.Ю. Леин, И.А. Немировской, В.П. Шевченко, Л.Л. Деминой, Л.Е. Рейхард, Н.В. Ульяновой, Е.А. Новичковой, А.И. Мамочкиной за помощь на всех

этапах выполнения работы. За помощь в аналитической работе автор выражает благодарность: О.М. Дара, Л.В. Деминой, Е.О. Золотых, Г.А. Павловой, А.Н. Рудаковой, Т.Н. Алексеевой, В.А. Карлову, О.Б. Дмитренко, Г.Х. Казариной, A.B. Травкиной, В.А. Григорьеву, А.И. Коченковой, Н.С. Маториной. Автор благодарит

A.Г. Матуля, В.Г. Воронцову, С.С. Изотову, JI.A. Гайворонскую, Т.Ю. Зеленину,

B.А. Путане, Ю.Г. Маринову, Е.В. Блинову, М.А. Смирнову, М.С. Поняева за всестороннюю поддержку. Автор благодарна A.B. Маслову за совместные плодотворные работы. Автор благодарит своих учителей и преподавателей О.В. Япаскурта, Ю.В. Ростовцеву, П.Н. Куприна, В.М. Сорокина, Г.М. Седаеву, B.JJ. Косорукова, В.Л. Лукшу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи, отражены научная новизна и практическая ценность работы.

Глава 1. История исследования современных донных осадков Каспийского моря. В этой главе обобщены опубликованные материалы по исследованию современных донных осадков в Каспийском море.

Глава 2. Физико-гео графические условия Каспийского моря. На основе литературных данных представлено физико-географическое описание изучаемого региона (в т.ч. водосбора), описаны основные черты климата и гидрологии. Глава 3. Основные черты геологии и тектоники водосбора Каспийского моря.

В данной главе представлены основные черты геологического и тектонического строения фундамента Каспийского моря и его водосбора, а также характеристики терригенно-минералогических ассоциаций пород водосбора. В этой главе раскрыты принципиальные минералогические различия основных структурных частей водосбора Каспийского моря (Уральской складчатой области, Русской платформы, горных сооружений Большого и Малого Кавказа). Кроме того, в этой главе даны характеристики морфологических структур Каспийского моря и его четвертичных отложений.

Глава 4. Материал и методы исследований донных осадков Каспийского моря.

Комплексные исследования Каспийского моря проводятся в рамках проекта «Система Каспийского моря» под руководством академика А.П. Лисицына. 4.1. Материал. Материалом для исследования являются результаты изучения более 500 образцов поверхностных донных осадков, полученных различными пробоотборниками (дночерпатель, бокскорер, мультикорер) в 7 экспедициях, а также пробы донных осадков, которые были любезно предоставлены Г.Н. Батуриным (рис.1). 4.1. Методика исследований.

4.2.1. Экспедиционные исследования. В экспедициях автором проводились отбор проб поверхностных донных осадков и их литологическое описание. Для первичной

оценки осадка отбиралась проба дночерпателем и после литологического описания осадка, делалось заключение о возможности (невозможности) использовать мультикорер. Если осадок был представлен пелитовым, пелитово-алевритовым, алеврито-пелитовым материалом, то в дальнейшем производился отбор проб мультикорером, который позволяет получить ненарушенный поверхностный слой донных осадков и сохранить верхний флоккулированный слой (наилок). В ходе экспедиции изготавливались смер-слайды, которые просматривались под поляризационным микроскопом для предварительной оценки осадочного материала. 4.2.2. Аналитические исследования.

4.2.2.1. Гранулометрический анализ. Гранулометрический анализ поверхностных донных осадков был выполнен по методике Петелина [1967]. Анализы выполнялись в ИО РАН: аналитики А.Н. Рудакова; Т.Н. Алексеева.

4.2.2.2. Минералогические исследования (метод оптической микроскопии). В работе использованы результаты определения минералов легкой и тяжелой (> 2.89 г/см3) подфракций крупноалевритовой размерности, сделанные под поляризационным микроскопом и бинокуляром. Анализы выполнялись в ИО РАН, МГУ: аналитик Н.В. Козина.

Условные обозначения

+ Волга, 2009 г.

▲ рейс НИС "Никифор Шуреков" август-сентябрь 2013 г.

+ 41-ый рейс НИС "Рифт-октябрь 2012 г.

ф пробы Г-Н. Батурина, 1976-1980 г.

► 35-ый рейс НИС "Рифт", май-июнь 2010 г.

ф 28-ой рейс НИС "Рифт", сентябрь-октябрь 2008 г.

■ 39-ый рейс НИС "Рифт", май-июнь 2012 г.

• 25-ый рейс НИС "Рифт1 февраль 2008 г.

50 51 52 53 54 55 56 "В-Д

Рис. 1. Карта станций.

4.2.2.3. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ. Для детального изучения тонкой части осадочного материала автором использовался электронный микроскоп (методика Гаранина с соавторами [1987]). Анализы выполнялись в ИО РАН: аналитики В.А. Карлов, Н.В. Козина.

4.2.2.4. Определение общего, органического и карбонатного углерода проводилось методом кулонометрического титрования на анализаторе углерода АН-7529. Анализы выполнялись в ИО РАН: аналитик Л.В. Демина.

4.2.2.5. Определение аморфного кремнезема проводили фотоколориметрическим методом по восстановленной форме кремнемолибденовой гетерополикислоты после двукратной содовой вытяжки [Горбаренко и др., 2000]. Анализы выполнялись в ИО РАН: аналитики Е.О. Золотых, Д.Ф. Будько.

4.2.2.6. Рентгенодифрактометрический аначиз. Для определения минерального состава фракции < 0.01 мм проводилось исследование на рентгеновском дифрактометре D8 ADVANCE (Bruker АХС). Анализы выполнялись в ИО РАН: аналитик О.М. Дара.

4.2.2.7. Радиоизотопное (2>0РЪ, 14С) датирование выполнялось согласно принятой методике [Ham et al., 1997; Saito et al., 1997]. Анализы выполнялись в СПбГУ (аналитик: В.А. Григорьев) и ГЕОХИ РАН (аналитик: А.В. Травкина).

Глава 5. Современные донные осадки Каспийского моря и некоторые закономерности их накопления. Новые направления в исследовании донных осадков, а также приемы геологического картирования донных осадков широко развил академик А.П. Лисицын. На базе новых фактических данных он сформулировал основные закономерности осадочного процесса в океане — учение о зональности океанской седиментации. А.П. Лисицын выделил и описал глобальные типы осадочного процесса в океанах и морях: ледовый, умеренный, гумидный, аридный и экваториальный гумидный [Лисицын, 1978; 1979; 1982; 1986; 2010; 2011; 2014].

Современные осадки - это отложения, образовавшиеся в современной геологической эпохе, т.е., формирующиеся в настоящее время под действием современных процессов [Страхов, 1954; Лисицын, 19666, 1974; Мурдмаа, 1987]. В накоплении современных осадков важнейшую роль играет взвешенный и растворенный осадочный материал, который участвует в биогенных, хемогенных, терригенных и вулканогенных процессах [Лисицын, 2014].

5.1. Основные литологические типы донных осадков. В Каспийском море имеют место многообразные условия современного осадконакопления, и только благодаря комплексному изучению донных осадков удалось охарактеризовать их основные литологические типы. При выделении литологических типов осадков и составлении карт использовалась классификация, разработанная в Институте океанологии РАН [Безруков, Лисицын, 1960; Лисицын, 1974].

Современные осадки широко распространены по площади дна акватории Каспийского моря и имеют различную литологическую характеристику в разных частях моря [Лебедев и др., 1973; Каспийское море..., 1989; Хрусталев, 1989 и др.].

Основными компонентами, слагающими современные донные осадки Каспийского моря, являются терригенный материал и карбонат кальция (хемогенный и биогенный).

Северный Каспий является самой мелководной частью Каспийского моря и характеризуется грубым механическим составом отложений. В поверхностных донных осадках Северного Каспия широкое развитие имеет ракушняк, представленный как целыми створками раковин, так и раковинным детритом, а также широко распространены пески и алевриты. Лишь в Уральской бороздине и в предустьевых пространствах рек накапливаются более тонкозернистые осадки [Кленова и др., 1956; Каспийское море..., 1989; Хрусталев, 1978, 1989 и др.].

Наши исследования подтвердили существующую информацию о том, что центральная часть Среднего Каспия (Дербентская котловина) заполнена пелитовыми илами и слабоизвестковыми пелитовыми илами. По мере уменьшения глубины и приближения к берегу происходит накопление более грубозернистых осадков. Шельфовые области Среднего Каспия покрыты ракушечным материалом. Ракушечный материал (мощная система биофильтров) представлен как целыми створками раковин, так и битой ракушей. Раковины моллюсков представлены О^йаспа, СагсНшп и др. [Янина, 2012]. Автором установлено, что в западной части ракушняк распространен на глубинах от первых метров до 80-100 метров, в восточной - от первых метров до 100-150 метров.

Южный Каспий в отличие от других районов моря характеризуется высокой карбонатной составляющей осадков [Кленова и др, 1956; Лебедев и др., 1973; Хрусталев, 1989]. В процессе комплексных исследований автору удалось установить и выделить характерную для восточного склона и шельфа Южного Каспия мощную толщу известковых отложений, которая протягивается полосой вдоль побережья на глубинах от 50 м до 200-300 м. Шельфовые области Южного Каспия покрыты ракушечным материалом, который представлен различными по размеру створками раковин (0.5-5 см) без какой-либо примеси песчаного, алевритового и пелитового материала. Автором установлено, что в Южном Каспии этот пояс ракушняка более узкий и распространяется на глубинах от первых метров до 50 м. На глубинах около 50 м на восточном шельфе Южного Каспия распространены хемогенные осадки, представленные карбонатными оолитовыми песками, сцементированными карбонатными корками (оолиты сцементированные карбонатным материалом) и наросшими на эти корки сферолитами, которые автором были зафиксированы в ходе комплексных исследований. С глубиной происходит накопление алеврито-

пелитовых и пелитово-алевритовых илов. В Южной котловине накапливаются слабоизвестково-пелитовые и известково-пелитовые илы.

5.2. Распределение основных гранулометрических фракций. В отложениях Северного Каспия преобладает песчаный материал, в составе которого доминируют мелкозернистые частицы. Повышенные концентрации песчаной фракции приурочены к островам и банкам. Широкое развитие имеют песчано-алевритовые и алевритовые отложения с примесью ракушечного материала. В Уральской бороздине и в преддельтовых областях рек развиты пелитовые и алеврито-пелитовые илы [Каспийское море..., 1989; Хрусталев, 1978, 1989 и др.].

Поверхностные донные осадки Среднего и Южного Каспия сложены преимущественно частицами пелитового размера. По данным автора в глубоководных впадинах содержание пелитовой фракции составляет более 90%. Значительно меньшее распространение имеет алевритовый материал. Содержание песчаной фракции в глубоководных частях моря имеет подчиненное значение и исчисляется десятыми долями процента. В шельфовых областях узкой полосой накапливается алевритовый материал, а также широкое развитие получили ракушечники, которые окольцовывают Каспийское море.

5.3. Скорости осадкоиакопления. При непосредственном участии автора впервые удалось получить данные о скоростях седиментации разными независимыми методами ( РЬ, С). Это стало возможным при отборе проб из верхнего ненарушенного полужидкого слоя осадка при помощи мутьтикорера.

Средняя скорость седиментации в донных осадках северной части Среднего Каспия составляет, по нашим данным, 0.18 мм/год. В центральной части Дербентской котловины скорость седиментации равна 0.28 мм/год. Такая невысокая скорость седиментации хорошо коррелируется с распределением потоков вещества в придонных горизонтах водной толщи данных районов, величина которых незначительна [Лукашин и др., 2014]. В этих районах невысокая скорость осадконакопления связана с различными природными условиями, сложившимися в этих зонах. Глубоководная часть Дербентской впадины отличается слабым гидродинамическим режимом и находится на большом удалении от берега, поэтому количество поставляемого терригенного материала невелико.

Высокие скорости осадконакопления зафиксированы нами на южном склоне Дербентской котловины и составляют 1.8 мм/год. Что касается Южного Каспия, то на северном склоне Южной котловины скорости седиментации, по нашим подсчетам, равны 0.88 мм/год. В этих же районах в придонных горизонтах водной толщи зафиксированы максимальные значения потоков вещества, составляющие 3550 мг/м2/сут на южном склоне Дербентской котловины и 759 мг/м2/сут на северном склоне Южной котловины [Лукашин и др., 2014]. Кроме того, в этих районах обнаружены повышенные концентрации взвеси [Отчет 39..., 2012]. В

Южной котловине скорости осадконакопления имеют схожий порядок и составляют около 1 мм/год.

Наиболее высокие скорости седиментации присущи нижним частям склонов глубоководных котловин, что связано с контурными течениями. Глава 6. Минералогия донных отложений Каспийского моря. Изучение минерального состава современных донных осадков является одним из приоритетных направлений в исследовании процессов осадконакопления в морях и океанах и позволяет более детально познать процессы современной седиментации. Минералогические исследования, которые характеризуют вещественный состав осадков, дают возможность выяснить особенности распределения минеральных видов по площади дна бассейна, выделить терригенно-минералогические провинции и установить их связь с основными источниками поступления обломочного материала, а также определить влияние гидродинамического режима в бассейне на распределение минеральных ассоциаций. Минералогические исследования позволяют проследить процессы диагенеза по комплексам аутигенных минералов и могут быть использованы при реконструкциях палеообстановок осадконакопления в Каспийском море, а также для выяснения вклада различных геосфер (атмосфера, льды, реки, биосфера и антропосфера) в процесс современного осадконакопления. 6.1. Изучение минерального состава донных осадков и выделение терригенно-минералогических провинций (оптическая микроскопия). Изучение минерального состава легкой и тяжелой подфракций крупноалевритовой фракции является трудоемким процессом. Под поляризационным микроскопом автором было изучено более 80 проб крупноалевритовой фракции поверхностных донных осадков. Донные отложения Каспийского моря характеризуются полиминеральным составом. Алевритовую фракцию современных отложений образуют терригенные и аутигенные минералы. Терригенные минералы составляют основу алевритовой фракции и представлены более чем 30 компонентами. Среди аутигенных минералов выделены пирит, гипс и карбонаты.

Основную массу крупноалевритовой фракции слагает легкая подфракция, содержание которой в осадках Каспия по нашим подсчетам составляет более 95%. В легкой подфракции установлено наличие кварца, карбонатов, полевых шпатов (ПШ), слюды, обломков пород, хлорита, глауконита и гипса. Наиболее широко распространенными минералами являются кварц, карбонаты и полевые шпаты. Помимо перечисленных минералов в легкой подфракции обнаружены раковинный материал (целые створки раковин и раковинный детрит двустворчатых моллюсков), раковины фораминифер, панцири диатомей и их обломки, а также растительный детрит. Удалось установить, что в Северном Каспии преобладающими минералами легкой подфракции являются кварц и ПШ. На западе Среднего и Южного Каспия преобладают хлорит, ПШ и литокласты. В Дербентской котловине происходит

накопление кварца и слюды. В восточной части Среднего и Южного Каспия осадкообразующими минералами являются карбонаты, ПШ и кварц. В ЮжноКаспийской котловине основными минералами легкой подфракции являются карбонаты.

Автором установлено, что выход тяжелой подфракции небольшой и изменяется от первых процентов до 4-5%. Минералы тяжелой подфракции распределяются по площади Каспийского моря неравномерно. В глубоководных частях Среднего и Южного Каспия по данным автора выход тяжелой подфракции минимальный и составляет менее 1% (в среднем 0.1-0.5%). В Северном Каспии концентрация тяжелой подфракции наиболее высокая и составляет более 2%. Такое распределения выхода тяжелой подфракции закономерно и связано с распределением литологических типов донных осадков. Максимальные концентрации тяжелой подфракции присущи пескам, средние концентрации - крупным алевритам, а минимальные - пелитовым илам.

Ниже приводится краткое описание наиболее важных в количественном и диагностическом смысле групп тяжелых минералов, а также особенностей их распределения в поверхностном слое донных осадков Каспийского моря.

Минералы тяжелой подфракции. Удалось установить, что рудные минералы (ильменит, магнетит, титаномагнетит, лимонит) являются наиболее распространенными минералами в тяжелой подфракции донных осадков дельты р. Волги и Северного Каспия. В аллювии р. Волги содержание ильменита составляет более 25%. Ильменит является основной составной частью тяжелой фракции выносов р. Волги. Он обладает высоким удельным весом (4.6—4.8 г/см3), поэтому повышенные концентрации можно наблюдать вблизи основных источников поступления терригенного материала. По мере удаления от основных источников его концентрации уменьшаются. В отложениях Дербентской котловины его концентрации составляют 7-10%. А в отложениях Южного Каспия зафиксированы минимальные значения ильменита: от 3% на западном шельфе до «единичных значений» в глубоководной впадине Южного Каспия.

Магнетит распространен по всему Каспийскому морю в небольших концентрациях. Повышенное значение магнетита в осадках приурочено к западной части Каспийского моря и достигает 5%. В остальных районах его значение не превышает 3%.

Титаномагнетит встречается в осадках аллювия р. Волги и Северного Каспия. Его концентрации не превышают 5%. В остальных частях Каспийского моря этот минерал отсутствует, либо встречается в единичных экземплярах.

Лимонит распространен по всей акватории Каспийского моря с максимальными концентрациями в западных частях Каспия (10%). В

глубоководных впадинах Каспийского моря его содержания минимальны (0.5-1%), что связано с расположением в этих зонах восстановленного осадка.

Среди группы устойчивых минералов (гранат, циркон, сфен, рутил, турмалин) автором установлено, что повсеместно по площади Каспийского моря распространен гранат: с максимальными концентрациями (13%) в аллювии р. Волги и Северном Каспии (7-9%), соответственно (рис. 2). Учитывая, что гранат имеет высокий удельный вес (3.47-3.83 г/см3), его накопление происходит вблизи основного источника. Значительные концентрации граната наблюдаются около Апшеронского порога (5-7%), где происходит размыв коренных пород дна. Минимальное количество граната зафиксировано в Южной котловине - менее 1%.

| ракушечный материал

- - - предполагаемая зона развития ракушечного материала,

1-1 [Хруста— ---------------'

-1 [Хрусталев 197В 1969) с дополнениями

Рис. 2. Карта процентного содержания граната.

Схожий с гранатом характер распространения имеют циркон, сфен. рутил и турмалин, содержание которых в осадках дельты р. Волги достигает максимальных значений. В отложениях Северного Каспия и на Апшеронском пороге концентрация этих минералов повышенная. В глубоководных впадинах Среднего и Южного Каспия накопление устойчивых минералов минимально.

Минералы группы амфиболов распространены по всей площади Каспийского моря. Представлены они в основном обыкновенной роговой обманкой. Другие амфиболы (глаукофан, актинолит, тремолит и базальтическая роговая обманка) встречаются в качестве «единичных значений». Роговая обманка широко распространена в породах Уральской горной системы, а также в породах Большого и Малого Кавказа [Гроссгейм, 1961; 1972]. Роговая обманка обладает низкой степенью гидродинамической устойчивости, поэтому распространяется повсеместно в осадках Каспийского моря с преобладанием в осадках западного шельфа (рис. 3).

Рис. 3. Карта процентного содержания роговой обманки.

Максимальные концентрации роговой обманки можно наблюдать на западном шельфе Южного и Среднего Каспия, 15-20% и более 20%, соответственно. Такое обогащение осадков роговой обманкой связано, прежде всего, с выносом ее горными реками, которые эродируют Кавказ. Горные реки, дренирующие Кавказ, размывают магматические (зеленокаменные породы и роговообманковые порфириты) и метаморфические породы (сланцы), богатые роговой обманкой. В Северный Каспий роговая обманка попадает с терригенным материалом рек Волги и Урала. Призматическая форма минерала способствует его легкой транспортировке в

глубоководные части моря (котловины) за счет сильных течений и штормовых волнений в этом районе. Минимальные концентрации роговой обманки зафиксированы в восточной части Каспийского моря.

Слюды (биотит, мусковит) распространены по всей площади Каспийского моря. Максимальные ее концентрации приурочены к восточной части Каспия (рис.

4).

| ракушечный

к- - - предполагаемая зона развития ракушечного материала,

-J [Хрустапев. 1976; 1969] с дополнениями

Рис. 4. Карта процентного содержания слюды.

Слюда обладает хорошими флотационными свойствами за счет своей формы и строения, поэтому большое ее количество обнаружено в глубоководных впадинах Среднего и Южного Каспия. Что касается западной части Каспия, то здесь наблюдается увеличение концентрации слюды в осадках с севера на юг. В Северном Каспии концентрации ее минимальны и составляют менее 5%. Среди метаморфических минералов (кианит, ставролит, силлиманит, апатит) по всей площади дна Каспийского моря распространены кианит и апатит. Для кианита характерно повышенное содержание в осадках западного шельфа (>10%). Поставка этого минерала осуществляется горными реками, дренирующими горные сооружения Большого и Малого Кавказа. Апатит встречается повсеместно в

современных осадках Каспийского моря, не превышая значений 5%. Ставролит и силлиманит имеют небольшие концентрации в отложениях Каспийского моря, обычно не превышающие 4% от всего количества тяжелой фракции. Основным источником этих минералов являются выносы терригенного материала р. Волгой.

Минералы группы пироксенов. в основном моноклинные пироксены {авгит, диопсид). реже ромбические пироксены (гиперстен, содержание которого «единичные значения»), повсеместно распределены в осадках Каспийского моря при содержании от «единичных значений» до 20%. В максимальных количествах пироксены концентрируются в донных отложениях западной части Каспийского моря. Повышенное содержание пироксенов в современных осадках обусловлено выносами рек Терека, Самура, Сулака, Куры и др. Причем концентрация пироксенов с севера на юг на западном шельфе Среднего и Южного Каспия увеличивается, достигая максимальных значений возле дельты р. Кура (20%).

Одним из существенных компонентов донных осадков Каспийского моря (тяжелой подфракции) является пирит (аутигенный минерал). Встречается он в виде микростяжений, агрегатных скоплений, кубических кристаллов, агрегатов фрамбоидальной формы и округлых зерен. Повышенные концентрации пирита приурочены к районам наиболее тонкозернистых осадков, с содержанием пелитовой фракции более 90%, а также к районам с сероводородным заражением. Максимальные его концентрации зафиксированы в глубоководных впадинах Среднего и Южного Каспия.

Осадки Каспийского моря характеризуются различным составом минералогических ассоциаций, что обусловлено расположением Каспийского моря как в аридных, так и в гумидных областях, а также влиянием на процессы седиментации различных источников. Различия в концентрациях групп минералов по площади позволили автору разделить поверхность дна Каспийского моря на девять терригенно-минералогических провинций (рис. 5).

1. По данным Ю.П. Хрусталева [1978] с нашими дополнениями Северный Каспии можно отнести к ильменит-эпидот-гранатовой провинции. Основным источником терригенных компонентов в этом районе являются выносы рек Волги и Урала. Кроме вышеуказанных минералов для этой провинции характерно повышенное содержание циркона и минералов кианит-силлиманитовой групп, указывающих на привнос осадочных веществ с Русской платформы.

2. Северная зона Среднего Каспия относится к амфибол-эпидот-гранат-цирконовой провинции. Основным источником терригенных компонентов в этом районе являются выносы р. Волги, а также эоловые потоки материала из пустынь.

3. Западную зону Среднего Каспия можно отнести к амфибол-биотит-кианитовой провинции. Для этой зоны характерно наличие роговой обманки, биотита, кианита, повышенное содержание пироксенов, представленных авгитом и диопсидом,

апатита, рудных минералов (магнетит, ильменит) и незначительного количества устойчивых минералов (гранат, циркон). Основным источником является обломочный материал, поступающий с горными реками с Кавказа.

-I-I-1-г- — -Т----Т-I-1-7-1-;-I-I-

ЛЛ 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56

Рис. 5. Терригенно-минерапогические провинции поверхностных донных осадков Каспийского моря по данным работ 2008-2014 гг. [Козина. 2013; 2014] и субпровинции Северного Каспия по данным [Хрустачев. 1978] с нашими дополнениями.

Провинции: 1 - Северный Каспий (ильменит-эпидот-гранатовая): Средний Каспий: 2 - северная (амфибол-эпидот-гранат-цирконовая); 3 - западная (амфибол-биотит-кианитовая); 4 - восточная (слюдисто-эпидот-гранат-цирконовая); 5 - центральная (слюдисто-эпидот-амфибол-пиритовая); 6 - Апшеронская (слюдисто-пиритовая с большими концентрациями устойчивых и рудных минералов); Южный Каспий: 7 - западная (пироксен-амфибол-кианитовая); 8 - восточная (слюдисто-пиритовая); 9 — центральная (биотит-пирит-амфиболовая);

Субпровннции Северного Каспия: а - Волжская; б - Уральская; в - Бузачинская; г - Терекская; д - Центральная; е - Тюбкараганская.

4. Восточная зона Среднего Каспия относится к слюдисто-эпидот-гранат-цирконовой провинции. Помимо этих минералов в этой зоне зафиксированы: роговая обманка, авгит, рудные минералы (ильменит, магнетит), пирит. Если говорить об основной массе алевритовой фракции, то она сложена карбонатом и слюдой, в меньшей степени кварцем. Зерна кварца матовые и имеют очень хорошую

окатанность. Такая хорошая окатанность не встречается в других районах моря. Этот факт доказывает, что основное минеральное питание этой зоны осуществляется за счет эолового переноса материала из пустынь.

5. Центральная зона Среднего Каспия относится к слюдисто-эпидот-амфибол-пиритовой провинции. На осадкообразование в данной зоне влияет большое количество факторов. В осадках наиболее глубокого центрального района значительные концентрации имеют легкие минералы и минералы, обладающие хорошими флотационными свойствами (группа амфиболов, слюды). Кроме того, на центральную часть Среднего Каспия оказывает влияние мощный речной сток р. Волги. Большое вклад на осадкообразование этой зоны оказывает эоловый перенос терригенных компонентов из пустынь. Нельзя не отметить влияние различных биохимических процессов, накопление аутогенных минералов.

6. Зона около Апшеронского порога относится к слюдисто-пиритовой провинции с большими концентрациями устойчивых и рудных минералов. Питание этой провинции происходит за счет абразии дна и береговых отложений, а также существенный вклад на осадкообразование данной зоны оказывает эоловый материал, поступающий из пустынь Казахстана и Туркменистана.

7. Западную зону Южного Каспия можно отнести к пироксен-амфибол-кианитовой провинции. Для нее характерно повышенное содержание пироксенов, амфиболов, биотита и кианита. Кроме этого, встречены эпидот, гранат, циркон и рудные минералы. Источниками терригенного материала этой провинции являются выносы рек Куры и Аракса.

8. Восточная зона Южного Каспия относится к слюдисто-пиритовой провинции. Кроме этих минералов, в восточной части Южного Каспия концентрируются устойчивые минералы, эпидот, роговая обманка, минералы метаморфических пород и авгит. Для этой зоны характерна высокая степень окатанности зерен кварца. Образование такого минерального комплекса связано в основном с эоловой поставкой материала из пустынь, но также и с размывом береговых обрывов. Кроме того, в восточной части Южного Каспия на глубине 50 м были обнаружены карбонатные оолитовые пески бежево-коричневого цвета. При изучении под микроскопом было отмечено, что многие минеральные зерна тяжелой фракции полностью обросли корками кальцита. Такое аутигенное накопление кальцита в виде обрастания минеральных зерен и их цементации характерно для аридной седиментации [Кпенова, 1962; Лебедев и др., 1973; Хрустапев, 1989; Каспийское море..., 1989].

9. Центральная зона Южного Каспия относится к биотит-пирит-амфиболовой провинции. Эта зона отличается высоким содержанием пирита, биотита, роговой обманки. Роль устойчивых и рудных минералов минимальна. На осадкообразование и поступление терригенного материала в южную глубоководную впадину

оказывают влияние различные факторы. В глубоководной впадине оседают минералы, обладающие хорошими флотационными свойствами. Еще одним важным источником является поступление эолового материала. Также, на осадкообразование данной зоны влияют различные биохимические процессы, приводящие к накоплению аутигенных минералов. Помимо этих факторов в формировании осадков Южной глубоководной котловины отражаются выбросы грязевых вулканов.

Таким образом, представленный выше текст подтверждает, что первое защищаемое положение доказано.

6.2. Изучение минерального состава тонких фракций донных осадков с помощью рентгенодифрактометрического анализа. Результаты анализа валового состава проб донных осадков, отобранных мультикорером в Среднем и Южном Каспии, показали, что ведущими минералами в осадках пелитовых илов Каспийского моря являются кварц, полевые шпаты (альбит, КПШ, анортит, ортоклаз), карбонаты (кальцит, ГУ^-кальцит, доломит, сидерит, арагонит) и глинистые минералы (иллит, хлорит, каолинит, смектит, монтмориллонит). В северной части Среднего Каспия в пелитовых илах среди полевых шпатов, помимо альбита и КПШ в верхних горизонтах разреза, были обнаружены анортит и ортоклаз, что связано с относительной близостью мощного речного стока р. Волги, который и поставляет эти минералы из гумидных областей водосбора.

По данным рентгенодифрактометрического анализа концентрации кварца в осадках глубоководных частей Среднего и Южного Каспия, в Дербентской и ЮжноКаспийской котловинах значительно ниже, чем в северной части Среднего Каспия, куда поставляются значительные массы терригенного материала.

В толще осадков колонок мультикорера можно наблюдать четкую зависимость распределения карбонатных минералов по вертикали. Во всех колонках происходит увеличение содержания карбонатных минералов от верхних горизонтов к нижним. В особенности, это наглядно видно в росте содержания высокомагнезиального кальцита к нижним частям разреза. Такое распределение карбонатных минералов подчеркивает динамику процессов, происходящих в современных донных осадках.

В Южно-Каспийской котловине концентрация карбонатных минералов значительно выше, чем в Среднем Каспии, что связано с аридностью климата.

В самой глубокой части Южно-Каспийской котловины, где развито сероводородное заражение, в верхних горизонтах колонки (от 0 до 3-х см), обогащенной Мп, впервые в осадках Каспийского моря был обнаружен редкий минерал двойной карбонат кальция и марганца - кутнагорит (СаМп[С03])2 [Дара, Козина, Гордеев, 2013]. Его образование связано с процессами диагенеза.

В глубоководных впадинах Среднего и Южного Каспия, где развито сероводородное заражение, концентрация пирита увеличивается. Кроме того, в

глубоководных впадинах происходит активное образование гипса. Образование этих минералов связано с диагенетическими процессами.

Глинистые минералы в донных осадках встречаются в виде карбонатно- и органоглинистых сгустков или сплошных масс. Из гумидных областей Каспийского моря реками поставляется большое количество иллита, подчиненное значение имеют хлорит, каолинит, монтмориллонит и смешаннослойные образования [Каспийское море, 1989]. Поставка иллита реками с водосборной площади гумидных зон играет ведущую роль. Среди глинистых минералов иллит доминирует и его концентрация в 2-3 раза выше по сравнению с другими глинистыми минералами (хлорит, каолинит, смектит, монтмориллонит). Монтмориллонит в малых количествах (<1%) обнаружен лишь в Южно-Каспийской котловине.

6.3. Изучение вещественного состава донных осадков методом сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа. Одновременно с изучением крупноалевритовой фракции под оптическим микроскопом проводилось исследование донных осадков при помощи электронного сканирующего микроскопа с микрозондовой приставкой. Многие минеральные зерна крупноалевритовой фракции, с трудом определявшиеся оптическими методами, подтверждались на электронном сканирующем микроскопе. Просматривались и изучались также пробы тонкозернистых пелитовых илов.

Выяснилось, что в пелитовых илах глубоководных впадин Среднего и Южного Каспия пирит широко распространен и имеет разный генезис: аутогенный и терригенный. Автором установлено, что развитие фрамбоидального пирита (бактериального происхождения) в одних случаях приурочено к участкам скопления панцирей диатомей (рис. 6а), в других случаях его развитие происходит в межзерновом пространстве осадка (рис. 66).

Рис. 6. Развитие бактериального пирита: а) на поверхности панцирей диатомей. б) в межзерновом пространстве, в) скопления кристаллитов пирита.

Размер фрамбоидов сильно варьирует и колеблется от 3^4 микрон до 10 микрон в диаметре. Часто можно наблюдать скопления кристаллитов пирита (рис. 6в),

которые имеют размерность от 0.5 до 2-3 микрон и различную форму. В современных донных осадках Каспийского моря кристаллиты встречаются субферической, призматической, октаэдрической, пентагондодекаэдрической и полигональной (неправильной) формы.

В большинстве случаев образование пирита связано с ранними процессами диагенеза [Страхов, 1954; 1963; Логвиненко, 1973; 1980; Леин, 2009; 2014 и др.].

В ходе исследований автору удалось выявить большое генетическое разнообразие карбонатного материала: биогенного, хемогенного и терригенного происхождения. В современных осадках Каспийского моря карбонаты были обнаружены в виде кристаллов различной формы, карбонатно-глинистых масс, оолитов, раковин моллюсков, фораминифер. Кроме того, в современных донных осадках Среднего и Южного Каспия автор впервые обнаружил различные виды кокколитофорид: Са1ЫсН5си5 крЮрогиэ, СоссоНЙшб ре^сш, Вгаагиёозраега Ы§е1оил (определения были сделаны к.г-м.н. О.Б. Дмитренко, Лаборатория палеоэкологии и биостратиграфии ИО РАН). Они были зафиксированы как в глубоководных впадинах, так и на восточном шельфе Каспия. Эти виды кокколитофорид нельзя отнести к переотложенным, так как можно наблюдать их очень хорошую сохранность.

С точки зрения минералогии карбонаты представлены кальцитом, магнезиальным кальцитом, арагонитом, доломитом, сидеритом и кутнагоритом, найденным впервые в Каспийском море (рис. 7) [Дара, Козина, Гордеев, 2013]. Кутнагорит представляет собой скопления глобулярных форм (рис. 7а).

Рис. 7. а) Кутнагорит; точками показано распределение б) Са, в) Мп для рисунка (а).

Широко развит в современных донных осадках Каспийского моря гипс в виде радиально-лучистых агрегатов (розочек), двойников (сростков призматических кристаллов), кристаллических сплошных агрегатов, призматических кристаллов и параллельно-шестоватых агрегатов. Максимальные концентрации гипса

21

зафиксированы в глубоководных впадинах Среднего и Южного Каспия, а также на восточном шельфе.

В Южной котловине на глубине 1000 м был обнаружен барит в виде пластинчатых сростков кристаллов, образование которого связано с диагенетическими процессами, происходящими в этой зоне.

В водах Каспийского моря содержатся диатомовые водоросли, распространенные по всей площади акватории. В ходе наших исследований выяснилось, что количество диатомовых панцирей в поверхностных донных осадках увеличивается в сторону восточной части Каспия. Максимальные их концентрации приурочены к шельфовым областям восточной части Каспийского моря.

Кроме того, в верхних горизонтах донных осадков Каспийского моря выявлено наличие различных видов спор и пыльцы. Максимальные их концентрации приурочены к шельфовым областям, в глубоководных котловинах их содержание значительно уменьшается, вплоть до полного исчезновения.

Автором впервые в поверхностных донных осадках Каспийского моря были обнаружены биоморфные структуры (рис. 8), местонахождение которых связано с районами, где развито сероводородное заражение. В других частях моря их обнаружено не было.

Рис. 8. Биоморфные структуры. 22

Автором выявлено, что при наличие биоморфных структур в осадке концентрация фрамбоидального пирита увеличивается. Биоморфные структуры представляют собой необычные формы образования, имеющие, на наш взгляд, биогенное происхождение, что, в первую очередь, подтверждается формой этого образования. Данная форма является не характерной для минеральных и кристаллических образований. Кроме того, биогенное происхождение подтверждается высокими содержаниями углерода (70-80%). Меньшее значение имеет кислород и составляет (20-25%). Примесь остальных элементов (М§, А1, 81, Са, Ре) составляет менее 5% и связана с пелитовым материалом. К сожалению, точно установить принадлежность этих образований к какому-либо виду не удалось (ведущие специалисты в области микробиологии отрицают принадлежность этих биоморфных структур к тому или иному виду), и идентификация их требует дальнейших исследований.

В тех условиях, где мы проводим исследования впервые, могут встречаться совершенно оригинальные формы биологических структур.

Глава 7. Черты геохимии.

7.1. Распределение биогенного вещества (СаСО,, Сорг., 8Ю2яморфный) в современных донных осадках.

7.1.1. Карбонат кальция (СаСОз). Одним из самых важных компонентов поверхностных донных осадков Каспийского моря являются карбонаты. Карбонатные осадки занимают значительную часть дна акватории Каспийского моря. Различные природные условия привели к накоплению разнообразных типов карбонатов [Лебедев и др., 1973; Сорокин и др., 1984; Куприн и др., 2003 и др.].

Активное карбонатонакопление протекает в мелководных прибрежных областях и в Южном Каспии. Высококарбонатные осадки связаны с большими концентрациями раковинного материала в шельфовых областях, а также с хемогенной садкой кальцита в глубоководных впадинах и хемогенным образованием оолитов, плотными карбонатными корками из сцементированных оолитов и сферолитами на восточном шельфе.

На основании исследования более 300 образцов поверхностных донных осадков Каспийского моря автором была построена и уточнена карта распределения СаСОэ в поверхностных донных осадках, выделена мощная толща известковых отложений в восточной части Южного Каспия (рис. 9). В шельфовых областях Каспийского моря зафиксирована высокая продуктивность моллюсков, в результате чего содержание биогенного материала может достигать 90% и более. С ростом глубины содержание биогенного материала уменьшается, достигая минимальных значений, вплоть до полного исчезновения в глубоководных впадинах.

Минимальные концентрации карбонатного материала (<10%) зафиксированы в западной и центральной частях Дербентской глубоководной впадины, что связано с сильным разбавлением терригенными минералами и органикой, вследствие мощного речного стока р. Волги. По мере удаления от этого района в восточную сторону (аридную зону) происходит постепенное увеличение содержания карбонатного материала. В восточной части Среднего Каспия происходит накопление как биогенного, так и хемогенного карбоната, но преобладающим процессом является биогенное карбонатонакопление.

Южный Каспий можно разделить на две части: западную и восточную. В западном Каспии в шельфовых областях происходит накопление ракушечного материала, поэтому концентрация карбонатного материала составляет более 90%. Далее с ростом глубины содержание карбонатного материала уменьшается до 1020% (центральная часть моря). И ведущим процессом карбонатонакопления становится терригенная седиментация за счет обильных выносов обломочного материала западными горными реками. Далее по мере аридизации и удаления в восточную часть моря концентрация карбоната кальция сильно увеличивается. На Южную глубоководную впадину и восточный шельф Южного Каспия сильное влияние оказывает аридность климата (бессточный режим), поэтому ведущим процессом становится хемогенное карбонатонакопление. Южная глубоководная впадина представлена слабоизвестковыми и известковыми пелитовыми илами. Автором установлена мощная толща известковых отложений (СаСОз - 50-90%), которая протягивается полосой вдоль восточного побережья Южного Каспия на глубинах от 50 до 200-300 м. Осадки в этом районе представлены известковыми светло-серыми, мелоподобными, вязкими и жирными на ощупь илами. Обломки раковин здесь встречены в единичных экземплярах. В этом районе происходит активное хемогенное накопление карбонатного материала.

В прибрежных областях восточной части Южного Каспия, как и в других прибрежных областях Каспийского моря, происходит активное накопление раковин моллюсков. Еще одной особенностью шельфового карбонатонакопления в восточной части Южного Каспия является оолитообразование. Его развитие происходит в восточной части моря на глубинах около 50 м. Кроме того, там же зафиксированы сцементированные карбонатные корки и наросшие на них сферолиты, что подтверждает активные процессы хемогенного седиментогенеза в этом районе.

Такое распределение карбонатного материала связано, в первую очередь, с тем, что на осадконакопление в западной части Каспийского моря оказывают большое влияние реки (р. Кума, Терек, Сулак, Самур, Кура и др.) с мощным стоком и поставкой обломочного материала, а восточная часть - это бессточная область, где происходит интенсивное испарение. Воздействие этих факторов, а также

местоположение Каспийского моря в аридной зоне привели к тому, что осадки западной части моря имеют пониженную карбонатность по сравнению с осадками восточной аридной и экстрааридной части.

47°-46°-45°-44°-43°-42°-41°-

39°-38°-37°-36°-

46° 47е 48° 49° 50° 51° 52е 53° 54° 55°

Рис. 9. Распределение СаСОз в поверхностных донных осадках Каспийского моря.

Впервые при непосредственном участии автора были получены новые и интересные данные по распределению СаС03 в осадках, отобранных мультикорером, без нарушений верхнего слоя. Исследовано 8 колонок, расположенных по транскаспийскому разрезу (проанализировано более 200 проб осадков из этих колонок). В вертикальном разрезе донных осадков прослеживается определенная закономерность в распределении содержания СаС03. Содержание карбоната кальция значительно увеличивается от верхних горизонтов, где концентрация составляет первые проценты—20%, к нижним горизонтам — до 50% (рис. 11, 12).

7.1.2. Органический углерод (Сорг). На основании изучения 250 образцов поверхностных донных осадков Каспийского моря автором построена и уточнена карта распределения концентраций Сорг в поверхностных донных осадках (рис. 10).

В ходе комплексных исследований удалось выявить, что современные донные осадки Каспийского моря значительно обогащены органическим углеродом. Средние концентрации Сорг составляют около 2-3%. Выявлено, что характерной

25

чертой регионального распределения концентраций органического вещества в поверхностных донных осадках является привязанность его к первичной продукции. Основная масса первичной продукции с помощью течений и волнений, активно развитых в Каспийском море, перемещается в глубоководные части Каспия вместе с тонким пелитовым материалом. Максимальные содержания Сорг приурочены к наиболее тонкозернистым осадкам: в глубоководной впадине Среднего Каспия его концентрации составляют более 3%, в Южно-Каспийской впадине его значения варьируют от 2 до 3% и более.

Рис. 10. Распределение С„рг. в поверхностных донных осадках Каспийского моря.

Скорее всего, локализация Сорг с максимальными значениями во впадинах обусловлена гидродинамическим режимом, под воздействием которого привнесенное из гумидных областей, или продуцируемое в прибрежных участках органическое вещество транспортируется в глубоководные части моря и отлагается в пелитовых илах.

По мере приближения к берегу в зонах распространения более грубозернистых осадков содержание Сорг уменьшается до 0.5% и менее. Невысокие содержания Сорг в донных осадках связаны с разбавлением его биогенным, терригенным и хемогенным материалом.

Впервые автором получены очень интересные данные по распределению Сорг в поверхностных слоях донных осадков, полученных мультикорером, который позволяет сохранить верхний слой осадка (наилок) ненарушенным, (рис. 11, 12).

Рис. 11. Распределение Сорг и СаСОз в поверхностных донных осадках, отобранных мулыпикорером.

Автором было исследовано 8 колонок, расположенных на транскаспийском разрезе. В этих колонках было проанализировано более 200 образцов донных осадков. Впервые в глубоководной впадине Среднего Каспия и в Южной глубоководной впадине в центральной ее части и на северном склоне, где развиты пелитовые и известково-пелитовые илы, зафиксированы очень большие концентрации Сорг. В интервале 0-2 см содержание Сорг в колонках (ст. 3907, ст. 3917, ст. 3916) составляет от 6 до 8%. Таких высоких концентраций органического углерода не было зафиксировано ранее [Бордовский, 1969, 1974; Лебедев и др., 1973; Каспийское море..., 1989; Хрустапев, 1978, 1981 и др.]. После верхних обогащенных 2-х см вниз по разрезу содержание Сорг резко уменьшается до 4% и менее.

Полученные в 2-3 раза повышенные концентрации Сорг связаны, в первую очередь, с новым методом пробоотбора (мультикорер), который до этого времени не использовался.

7.1.3. Аморфный кремнезем ($Ю2ам.)- Аморфный кремнезем является неотъемлемым компонентом в биогенной триаде.

Автором получено, что содержание аморфного кремнезема в поверхностных донных осадках Каспия колеблется от первых процентов до 12-13%. Минимальные концентрации аморфного кремнезема (<1%) наблюдаются в маргинальном фильтре

27

р. Волги, в северной части Среднего Каспия, на западном шельфе и в Южном Каспии. Низкое содержание аморфного кремнезема в этих частях акватории моря связано с мощным твердым стоком речных систем, являющимся сильным разбавителем 8Ю2ам, и гидродинамической активностью. В этих зонах аморфный кремнезем не успевает захораниваться и растворяется. Для Южного Каспия также характерны низкие содержания аморфного кремнезема, но уже по другим причинам. Южный Каспий, располагающийся в аридной климатической зоне, характеризуется высоким карбонатонакоплением.

Максимальные концентрации аморфного кремнезема приурочены к глубоководным частям Среднего Каспия и к восточной части Среднего Каспия (около м. Песчаный), а также чуть севернее него, на глубинах от 100 до 400 м. На этих участках концентрации аморфного кремнезема достигают 12-13%. Основным продуцентом аморфного кремнезема является фитопланктон, в основном диатомовые водоросли. В восточной части Среднего Каспия при просмотре донных осадков под оптическим микроскопом и сканирующем электронным микроскопом было зафиксировано большое содержание в осадках диатомовых панцирей. Такое высокое содержание диатомовых водорослей связано с ограниченным привносом терригенного материала в данную зону из-за отсутствия речных систем. В глубоководную впадину Среднего Каспия наиболее тонкозернистые осадки и диатомовые водоросли транспортируются под воздействием сильных течений с восточного шельфа Каспия. Створки диатомей, в основном, транспортируются на значительные расстояния от мест своего образования.

7.1.4. Закономерности распределения биогенной триады. Полученные данные по распределению СаСОэ, Сорг и 8Ю2ам показывают интенсивную аккумуляцию биогенной триады в бассейне Каспийского моря. Наибольшие массы фитопланктона и бентоса отмечаются в прибрежных областях, и отличительной чертой этих трех компонентов является то, что Сорг и 8Ю2ам продуцируются в водной толще, тогда как СаСОз продуцируется на дне. Тем самым, основная масса раковинного материала накапливается вблизи места обитания моллюсков, тогда как накопление Сорг и БЮзам происходит на некотором удалении от берега.

Распределение Сорг идет по типу внутренних водоемов с максимальной концентрацией в тонких фракциях (глубоководные впадины), в отличие от биогенного СаС03, который присущ шельфовым областям. Что касается 5Ю2ач , то его повышенные концентрации приурочены отложениям глубоководной впадины (Дербентская впадина) и восточной части Среднего Каспия. В распределении кремнезема, наряду с его связью с биосом, проявляется также гранулометрический и батиметрический контроль, который заключается в возможности накопления панцирей диатомей и их остатков в тех осадках, к которым они принадлежат по гидравлической крупности (мелкоалевритовые, алевритовые и пелитовые илы).

В распределении биогенных компонентов в донных осадках, также как и в формировании литологического, гранулометрического и минералогического состава донных осадков, проявляется климатическая зональность, влияние тектоники и морфологии дна Каспийского моря, а также активный гидродинамический режим.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования современных донных осадков показали основные черты и многообразие процессов седиментогенеза в данном бассейне, который здесь чрезвычайно сложен, т.к. питание Каспийского моря происходит за счет как гумидных, так и аридных областей.

Различия в условиях поставки осадочного вещества, а также тектоническая обстановка и рельеф дна Каспийского моря отражаются в распределении литологических типов донных осадков по площади, в распределении гранулометрических фракций, а также в распределении минеральных и биогенных компонентов. На основании результатов анализа минерального состава тяжелой подфракции были выделены основные терригенно-минералогические провинции.

Удалось установить высокие скорости осадконакопления на склонах глубоководных котловин, связанные с контурными течениями.

Особое влияние на процессы седиментогенеза в Каспийском море оказывает климатическая зональность. В данном бассейне особенно наглядно проявляется аридность климата (это самая аридная область России). На восточном шельфе Среднего и Южного Каспия, а также в Южном Каспии происходит активное биогенное и хемогенное осадкообразование. В первую очередь широкое развитие получили карбонатные отложения, представленные как биогенными остатками, так и различными минеральными образованиями карбонатной природы (оолитами, сцементированными корками и сферолитами). По мере аридизации климата усиливается карбонатонакопление в данной акватории, доказательством чего служит изучение колонок донных осадков, расположенных по транскаспийскому разрезу.

ВЫВОДЫ

1. Установленное пространственное размещение минералов тяжелой подфракции позволило выделить в поверхностных слоях донных осадков Каспийского моря 9 терригенно-минералогических провинций. Выявлено, что формирование терригенной составляющей донных осадков происходит за счет осадочного материала, поступающего с речным стоком, эоловой взвесью, а также при абразии берегов и дна. Биогенный материал имеет подчиненное значение.

2. Исходя из гидродинамической устойчивости минералов, выявляется тенденция обогащения прибрежных, мелководных осадков Каспийского моря минералами устойчивой группы и рудными, а в тонких, глубоководных донных осадках -минералами группы амфиболов и слюды.

3. Условия аридной климатической зоны Каспийского моря способствуют интенсивному развитию аутигенного минералообразования, включая образование минералов из группы карбонатов, сульфидов и сульфатов.

4. Впервые:

• в современных донных осадках Южно-Каспийской котловины обнаружен редкий аутогенный минерал кутнагорит [СаМп(С03)2], [Дара, Козина, Гордеев, 2013];

• в современных донных осадках Средней и Южной части Каспийского моря обнаружены кокколитофориды;

• в современных донных осадках Средней и Южной части Каспийского моря, в зонах развития сероводородного заражения [Иванов и др., 2014], где установлено интенсивное образование аутигенного (фрамбоидального) пирита, впервые обнаружены биоморфные структуры, идентификация которых требует дальнейших исследований;

• получены новые данные о повышенных содержаниях Сорг. в самом верхнем слое осадков, которые в 2-3 раза превышают концентрации Сорг, установленные ранее другими исследователями [Бордовский, 1969, 1974; Лебедев и др., 1973; Каспийское море..., 1989; Хрусталев, 1978, 1981 и др.]. Такие высокие концентрации Сорг. (6-8%) связаны с первичной продукцией, а также с применением нового метода пробоотбора донных осадков (мультикорер), который до этого времени не использовался.

Список научных работ, опубликованных по теме диссертации в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Козина Н.В., Новигатский А.Н. Состав обломочных минералов поверхностного слоя донных осадков Каспийского моря // Океанология. 2014. Т. 54. № 3. С. 378395.

2. Путане В.А., Козина Н.В., Ждан М.И. Уточнение путей переноса осадочного вещества в Среднем Каспии по результатам комплексной интерпретации минералогических и сейсмоакустических данных // Бюл. Моск. об-ва испытателей природы. Отд. геол. 2013. Т. 88. Вып. 3. С. 48-53.

3. LeinA.Yu., Sawichev A.S., Kravchishina M.D., Kozina N.V. et al. Microbiological and biogeochemical properties of the Caspian Sea sediments and water column // Microbiology. 2014. Vol. 83. № 5. P. 648-660.

4. Амбросимов A.K., Клювиткин A.A., Артамонова K.B., Баранов В.И., Козина Н.В. и др. Комплексные исследования системы Каспийского моря в 41-м рейсе НИС «Рифт» // Океанология. 2014. Т. 54. № 5. С. 715-720.

5. Немировская И.А., Козина Н.В., Лисицын А.П. Происхождение углеводородов в современных осадках Каспийского моря // // Докл. РАН. 2014. Т. 459. № 4. С. 490-495.

6. Маслов А.В., Козина Н.В., и др. Распределение редкоземельных элементов и систематика Sr/Sr в современных донных осадках Каспийского моря // Докл. РАН. 2014. Т. 459. № 2. С. 203-207.

А также в других изданиях:

7. Козина Н.В., Золотых Е.О., Демина JI.B. Минеральный состав, содержание органического углерода и аморфного кремнезема в поверхностных донных осадках Среднего Каспия. Материалы XIX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва 2011. Т. 3. С. 340-343.

8. Kozina N., Putans V., Zhdan М «Elaboration of sediment transport pathways by integrated interprétation of geological and high-resolurion seismoacoustic data (Caspian Sea)». Dialogue between contourite and oceanography processes, International Workshop. University of Hull. 2013. P. 22. United Kingdom.

9. Козина Н.В. «Минеральный состав современных донных осадков Каспийского моря». Материалы VII Всероссийского литологического совещания. 2013. г. Новосибирск. Т. 2. С. 16-19.

10.Дара О.М., Козина Н.В., Гордеев В.В. «Новые данные о карбонатонакоплении в Каспийском море. Находка кутнагорита в Южной котловине». Материалы VII Всероссийского литологического совещания. Новосибирск 2013. Т. 1. С. 261-263.

11 .Клювиткин А.А., Амбросимов А.К., Филиппов А.С., Козина Н.В., Кравчишина М.Д., Полькин В.В. «Комплексное изучение системы Каспийского моря в 41-м рейсе НИС «Рифт» в октябре 2012 г.: физико-геологические исследования». Материалы XX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва 2013. Т. 3. С. 323-327.

12.Клювиткин А.А., Амбросимов А.К., Духова Л.А., Корж А. О., Кравчишина М.Д., Козина Н.В., Будько Д.Ф. «Комплексные исследования системы Каспийского моря в экспедиции НИС «Никифор Шуреков» в августе-сентябре 2013 г.». Материалы XX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва 2013. Т. 3. С. 328-332.

13.Козина Н.В. «Минералогия голоценовых отложений Каспийского моря». Материалы XX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва 2013. Т. 3. С. 333-337.

14.Козина Н.В., Гордеев В.В., Батурин Г.Н. «Тяжелые металлы (Си, Zn, Ni, Со, Сг, Pb, Fe и Мп) в поверхностных донных осадках Среднего и Южного Каспия». Материалы XX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва 2013. Т. 3. С. 338-342.

15 Меин А.Ю., Саввичев А.С., Кравчишина М.Д., Козина Н.В. и др. «Биогеохимические особенности водной толщи и осадков Каспийского моря». Материалы XX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва 2013. Т. 3. С. 343-345.

16.Маслов А.В., Козина Н.В., Клювиткин А.А., Новигатский А.Н. «Пилотные данные по распределению редкоземельных элементов в современных донных осадках Каспийского моря». Материалы XX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва 2013. Т. 3. С. 368-372.

17.Немировская И.А., Козина Н.В. «Углеводороды в осадках Каспийского моря». Материалы XX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва 2013. Т. 3. С. 373-377.

Заказ № 09-Р/01/2015 Подписано в печать 13.01.15 Тираж 100 экз.

ООО "Цифровичок", Москва, Большой Чудов пер., д.5 тел. (495)649-83-30 11V)) www.cfr.ru ; e-mail: zakpark@cfr.ru