Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Распределение и потоки кислорода и сероводорода на границе с донными отложениями Черного моря

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Распределение и потоки кислорода и сероводорода на границе с донными отложениями Черного моря"

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Орехова Наталья Александровна

УДК 551.465

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПОТОКИ КИСЛОРОДА И СЕРОВОДОРОДА НА ГРАНИЦЕ С ДОННЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ ЧЕРНОГО МОРЯ

11.00.08 - океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

005552589

1 8 СЕН 2014

Севастополь — 2014

005552589

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институте Национальной академии наук Украины, г. Севастополь

Научный руководитель:

член-корреспондент HAH Украины,

доктор географических наук Коновалов Сергей Карпович

Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины

заведующий отделом биогеохимии моря

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор

Тучковенко Юрий Степанович

Одесский государственный экологический университет Министерства образования и науки Украины, проректор по научной работе

кандидат географических наук Губанов Владимир Иванович,

Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского Национальной академии наук Украины старший научный сотрудник

Защита диссертации состоится «¿У 2014 г. в часов

на заседании специализированного ученого совета Д 50.158.01 в Морском гидрофизическом институте Национальной академии наук Украины по адресу: 299011, Крым, г. Севастополь, ул. Капитанская, 2, малый конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского гидрофизического института HAH Украины по адресу: г. Севастополь, ул. Капитанская, 2.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 50.158.01 кандидат географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Верхний слой донных отложений является зоной активных биогеохимических процессов, значительных вертикальных градиентов и потоков вещества и энергии между отложениями и придонным слоем вод. Наиболее важными веществами, характеризующими биогеохимические и биологические процессы на поверхности донных отложений, являются кислород и сероводород. Наличие кислорода обеспечивает существование бентосных сообществ, препятствует поступлению восстановленных форм элементов и загрязняющих веществ из донных отложений в придонный слой вод. Существенное снижение содержания кислорода (гипоксия), а особенно его исчезновение и появление сероводорода (аноксия), ведет к разрушению экосистем, возникновению источников вторичного загрязнения и эв-трофированию вод, катастрофическому снижению рекреационного и биопродукционного потенциалов акватории, возникновению значительного экономического ущерба (Black Sea INCOM Science Plan, 2000). Для анализа бюджета кислорода и сероводорода в водах Черного моря и прогноза возможных изменений в распределении этих веществ в глубоководной части моря, а также прогноза возникновения за-морных явлений на шельфе необходимы количественные оценки потоков кислорода и сероводорода на границе донных отложений с водой, которые в настоящее время отсутствуют. Именно по этим причинам изучение особенностей распределения и потоков кислорода и сероводорода, а также процессов, определяющих их динамику, на поверхности и верхнем слое донных отложений является актуальной океанографической задачей, имеющей прикладное значение.

Донные отложения являются одним из ключевых элементов морских экосистем. Они представляют собой естественные гетерогенные многокомпонентные системы, с которыми традиционно ассоциируется конечный этап трансформации, миграции и аккумуляции различных веществ, в первую очередь загрязняющих веществ антропогенного характера. При изменении физико-химических условий донные отложения могут становиться источником вторичного загрязнения. Физико-химические условия в значительной степени определяются величиной окислительно-восстановительного потенциала, который в морских системах зависит от наличия и содержания таких противоположных с электрохимической точки зрения веществ, как кислород и сероводород (или его производных - сульфидов). Дефицит кислорода или полное его отсутствие (гипоксия и аноксия соответственно) способствуют смещению зоны восстановительных биогеохимических процессов ближе к поверхности отложений из-за уменьшения роли аэробных процессов. При этом изменяются окислительно-восстановительные условия среды, сопровождающиеся появлением восстановленных форм серы, в частности сероводорода, сначала в толще и на поверхности донных отложений, а затем и в слое воды.

Наличие, распределение и динамика содержания кислорода и сероводорода на границе воды и донных отложений зависят, с одной стороны, от физического потока кислорода из воды и сероводорода из отложений, а с другой - от биогеохимических процессов с участием кислорода и сероводорода в донных отложениях. Продукция сероводорода зависит в первую очередь от содержания и реакционной способности органического углерода в донных отложениях: окисление органического углерода

определяет потребление кислорода, а в его отсутствии - продукцию сероводорода. Наличие окисленных форм азота, железа и марганца определяет возможность окисления или связывания сероводорода в донных отложениях. В зависимости от распределения и величины потока кислорода и сероводорода на поверхности и в верхней части донных отложений изменяются характеристики зон дефицита кислорода в аэробной и прибрежной части Черного моря, интенсивность поступления или поглощения сероводорода в глубоководной анаэробной части моря. В связи с этим исследование районов с различными условиями формирования донных отложений и источниками органического вещества, а также изменения распределения и потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений являются чрезвычайно актуальными задачами, как для всего Черного моря, так и для побережья Крыма, имеющего первостепенное курортно-рекреационное значение и подверженного значительной антропогенной и техногенной нагрузке.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Морского гидрофизического института HAH Украины (МГИ НАНУ) в рамках следующих завершенных и действующих научно-исследовательских тем и проектов:

- тема HAH Украины «Междисциплинарные исследования фундаментальных процессов формирования и эволюции экосистемы глубоководной части Черного моря в условиях интенсивной антропогенной нагрузки, региональных вариаций и глобальных изменений климата» (шифр «Черное море»), ГР № 0101U001020, 2001 -2005 гг., исполнитель;

- тема HAH Украины «Исследование геофизических и биогеохимических процессов, определяющих устойчивость и ассимиляционную емкость большой черноморской системы, в целях управления и создания методологии оценки качества морской среды» (шифр «Стабильная экосистема»), ГР № 0106U001408, 2006 - 2010 гг., исполнитель;

- тема HAH Украины «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, которые определяют функционирование и эволюцию экосистем Черного и Азовского море на основе современных методов контроля состояния морской среды и гридтехнологий» (шифр «Фундаментальная океанология») ГР № 0111U001420,2011-2015 гг., исполнитель;

- Международный проект 7-ой рамочной программы «Monitoring and observing oxygen depletion throughout the different Earth system components» (шифр «HYPOX») ГР № 226213,2009 - 2012 гг., исполнитель;

- Международный проект United States Civilian Research and Development Foundation For the Independent States of the Former Soviet Union «Controls on the distribution and fluxes of redox species at the oxic/anoxic bottom of the Black Sea», CRDF UKG2-2645-SE-05,2005 - 2007 гг., исполнитель;

- Международный проект United States Civilian Research and Development Foundation For the Independent States of the Former Soviet Union «Numerical studies of physical exchange and biogeochemical transformations in the oxic/anoxic Cariaco Basin», CRDF UKG2-2924-SE-07,2008 - 2010 гг., исполнитель;

- грант HAH Украины на реализацию проектов научно-исследовательских работ для молодых ученых HAH Украины «Ппокая: виникнення та розвиток в рай-

онах з рвними джерелами надходження оргашчноТ речовини» (шифр «Гипоксия»), ГР № 0111U005905,2011 - 2012 гг., руководитель;

- Международный проект 7-ой рамочной программы «People for Ecosystem Based Governance in Assessing Sustainable Development of Ocean and Coast» (шифр «PEGASO»), ГР № 442 0111U008815,2010 - 2014 гг., исполнитель.

Цель и задачи исследования - целью диссертационной работы является оценка пространственно-временных особенностей распределения и факторов формирования величин потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений Черного моря (прибрежных, шельфовых и глубоководных районов), а также их влияния на содержание и распределение кислорода и сероводорода в придонном слое вод моря.

Для достижения цели работы решались следующие задачи:

1. Получить экспериментальные данные и сформировать базу данных распределения кислорода, сероводорода и других электрохимически активных веществ (окисленных и восстановленных форм железа и марганца: Fe (1П, П), Мп (П), FeSaq) на поверхности и в поровых водах верхнего слоя донных отложений прибрежных, шельфовых и глубоководных районов Черного моря с помощью метода полярографического профилирования.

2. Определить геохимические характеристики верхнего слоя донных отложений: влажность, пористость, содержание органического углерода.

3. Выявить пространственно-временные особенности и влияние различных факторов, процессов и механизмов на распределение кислорода и сероводорода на поверхности и в поровых водах донных отложений различных районов Черного моря.

4. Получить количественные оценки потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений.

5. Оценить влияние потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений на характеристики придонного слоя вод (формирование зон дефицита кислорода в прибрежной и шельфовой части моря и запаса сероводорода в глубоководной его части).

Объект исследования - граница раздела между водами и донными отложениями, поверхностный слой донных отложений и придонный слой вод прибрежных, шельфовых и глубоководных районов Черного моря.

Предмет исследования - распределение и потоки кислорода и сероводорода на границе вода - донные отложения и в верхнем слое донных отложений Черного моря, их пространственно-временные особенности, факторы формирования и влияние на содержание кислорода и сероводорода в придонном слое вод.

Материалы и методы исследования. Колонки донных отложений были отобраны в период 2003 - 2013 гг. В шельфовой части - на 4-х станциях, в районе континентального склона - на 13-ти станциях, в глубоководной части - на 9-ти станциях. В прибрежных районах крымского побережья отбор проб колонок отложений осуществлялся в период 2006 - 2010 гг., охватывая все сезоны: Севастопольская бухта - отобрано 38 колонок в различных районах бухты, бухта Омега - 6, в районе мыса Тарханкут - 8. Структура данных позволила оценить сезонную изменчивость

для прибрежных районов, и пространственные особенности распределения характеристик поровых вод и донных отложений для всей акватории Черного моря.

В диссертационной работе использован метод полярографического профилирования для анализа поровых вод донных отложений и стандартные методы геохимического анализа: фотометрический анализ определения содержания органического углерода, гранулометрический анализ донных отложений, фотометрическое определение растворимых форм железа в донных отложениях, полярографическое определение серы и железа в составе пирита (РеБг) после его восстановления Сг(П) в кислой среде и в составе моносульфида железа (РеБ) после его растворения в кислой среде.

Полученные экспериментальные данные анализировались с использованием классических методов химических балансов и стехиометрии, математической статистики, оптимальной аппроксимации вертикальных распределений кислорода и сероводорода, численных оценок профилей вертикальных потоков кислорода и сероводорода, а также балансов влияния потоков на поверхности донных отложений на содержание кислорода и сероводорода в придонном слое вод. Для более эффективного изучения закономерностей распределения и потоков кислорода и сероводорода на поверхности донных отложений на различных пространственно-временных масштабах использовался картографический метод исследования.

Научная новизна полученных результатов. Впервые получены систематические экспериментальные данные о распределении кислорода, сероводорода, Бе (III, П), Мп (П), РеБ,, на поверхности и в поровых водах верхнего слоя донных отложений прибрежных, шельфовых и глубоководных районов Черного моря с помощью метода полярографического профилирования.

Впервые проведено систематическое исследование пространственно-временных особенностей биогеохимических характеристик (концентрации кислорода, сероводорода, Ре (П, Ш), Мп (П) и РеБ,,) поровых вод в комплексе с геохимическими характеристиками (влажность, пористость, содержание органического углерода) донных отложений различных районов Черного моря, а также влияния основных процессов на распределение кислорода и сероводорода на поверхности и в поровых водах верхнего слоя донных отложений.

Впервые получены количественные оценки потоков кислорода и сероводорода на границе вода - донные отложения и в верхнем слое донных отложений на основе экспериментальных данных, а также изучено влияние этих потоков на содержание кислорода и сероводорода в придонном слое вод моря, эволюция распределения кислорода и сероводорода, и возникновение зон дефицита кислорода.

Практическое значение полученных результатов. Установленные закономерности пространственно-временного распределения кислорода и сероводорода в придонном слое вод и в верхнем слое донных отложений и оценка их потоков на границе донных отложений позволяют выполнить прогноз возникновения гипоксии и аноксии в прибрежных и шельфовых районах Черного моря, вызывающих замор-ные явления, что в значительной степени ухудшает рекреационный и биопродукционный потенциалы акватории. Исследование особенностей распределения кислорода и сероводорода в придонном слое вод и в верхнем слое отложений, оценка потоков сульфидов на границе донных отложений глубоководной части Черного моря, а

также факторов формирования структуры придонного слоя вод и верхнего слоя донных отложений прибрежных и шельфовых районов могут быть использованы для усовершенствования учебных курсов географического и океанологического профилей в ВУЗах.

Личный вклад. Теореггико-методологические основы исследования разработаны автором совместно с научным руководителем. Личный вклад соискателя состоит в: отборе и анализе проб донных отложений, изучении биогеохимических процессов раннего диагенеза в донных отложениях прибрежных районов, глубоководной, шельфовой части Черного моря и района континентального склона. Используя полученные экспериментальные данные, выполнен анализ влияния основных биогеохимических процессов на распределение кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений. Получены количественные оценки потоков кислорода и сероводорода на поверхности донных отложений и изучено их влияние на содержание этих веществ в придонном слое вод.

Автор работы принимал участие в научных экспедициях, отборе проб и последующем анализе донных отложений Севастопольской бухты в 2006 — 2010 гг., бухты Омега и района мыса Тарханкут в 2009 - 2010 гг.; международной океанологической экспедиции на НИС «Maria S. Merian» в ноябре - декабре 2013 г.

В работах, опубликованных с соавторами, конкретный вклад соискателя заключается:

- в работах [1, 3,4,12] автором определено содержание органического и неорганического углерода в донных отложениях, посчитан коэффициент соотношения органической и неорганической форм углерода, сделан вывод о приоритете накопления органической формы углерода в донных отложениях;

- в работах [2, 5, 8, 14, 16 - 19, 21, 22, 24, 29, 31] автором выполнено полярографическое профилирование поровых вод донных отложений, определены основные компоненты, принимающие участие в раннем диагенезе отложений, определены границы возникновения анаэробных условий, сделаны выводы о влиянии потока органического вещества, гранулометрического состава отложений на формирование структуры донных отложений;

- в работах [6, 20] автором выполнено полярографическое профилирование донных отложений, изучено вертикальное распределение кислорода и сероводорода в поровых водах различных районов крымского побережья, сделан вывод об условиях возникновения гипоксии и аноксии в этих районах;

- в работах [7, 11, 13, 15, 25, 26, 30] определено содержание органического углерода в донных отложениях;

- в работах [9, 23,27] определены геохимические и биогеохимические характеристики донных отложений, выполнен расчет индексов, позволяющих оценивать экологическое состояние аквасистемы и проводить сравнение экологического состояния аквасисгем с различным типом и интенсивностью антропогенных нагрузок;

- в работе [10] автором выполнен геохимический анализ донных отложений бухт севастопольского региона: определено содержание органического и неорганического углерода, гранулометрический состав, влажность. Изучено влияние физико-химических характеристик донных отложений на распределение микроэлементов;

- в работе [28] выполнено определение органического углерода в образцах донных отложений, сравнены методы определения органического углерода в донных отложениях морских экосистем с помощью «мокрого» сжигания и методом «потери при прокаливании».

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований, представленные в диссертации, неоднократно представлялись в МГИ HAH Украины на общенаучных институтских семинарах и семинарах отдела биогеохимии моря, а также на международных и всеукраинских научных конференциях, школах-семинарах: Международная летняя школа-семинар «Climate changes impact on marine ecosystems», Middle East Technical University, г. Анкара, Турция, 14 - 26 августа 2006 г.; Научная конференция «Ломоносовские чтения» 2007 года и Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2007», Черноморский филиал МГУ имени М.В. Ломоносова, Севастополь, 3-4 мая 2007 г.; Международная конференция молодых ученых «Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины», Морской гидрофизический институт HAH Украины, г. Севастополь - п. Кацивели, 12 -14 июня 2007 г.; Вторая международная научно-техническая конференция «Навколишне природне середовище - 2007: актуальш проблеми екологн та пдрометеорологтТ - ¡нтегращя ocbíth i науки», г. Одесса, 26 - 28 сентября 2007 г.; Международная летняя школа-семинар «Analysis of end to end food webs and Biogeo-chemical Cycles», Middle East Technical University, г. Анкара, Турция, 11-16 августа 2008 г.; IV Всеукраинекая школа-семинар для молодых ученых «Украинская наука и экологическая безопасность Азово-черноморского региона - 2008», Институт биологии южных морей HAH Украины, г. Севастополь, 15-18 сентября 2008 г.; IV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молода науковщ - географ1чшй наущ», Киевский национальный университет им. Т. Шевченко, г. Киев, 20 - 23 ноября 2008 г.; Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2008», Филиал МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Севастополь, 24 - 25 апреля 2008 г.; I Всеукраинская научная конференции «Мониторинг природных и техногенных сред», Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского, г. Симферополь, 25 апреля 2008 г.; VI Международная научно-практическая конференция молодых ученых по проблемам водных экосистем «Pontos Euxinus - 2009», Институт биологии южных морей HAH Украины, г. Севастополь, 21 - 24 сентября 2009 r.fv Международная научно-практическая конференция «Проблеми природокористування, сталого розвитку та еколопчноТ безпеки репошв», г. Днепропетровск, 6-9 октября 2009 г.; V Всеукраинская конференция с международным участием «Молод1 науковщ - географинш наущ», Киевский национальный университет им. Т. Шевченко, г. Киев, 24 - 25 декабря 2009 г.; Международная научная конференция «Функционирование и эволюция экосистем Азово-Черноморского бассейна в условиях глобального изменения климата», Морской гидрофизический институт HAH Украины, г. Севастополь - п. Кацивели, 6-11 сентября 2010 г.; Международная школа-семинар «Ocean Teacher Academy Course DM: Introduction to Marine Data for Young scientists», г. Остенде, Бельгия, 6-10 сентября 2010 г.; V Всеукраинская школа-семинар для молодых ученых и специалистов «Научная молодежь и экологическая безопасность Азово-

черноморского региона», Институт биологии южных морей HAH Украины, г. Севастополь, 14 - 17 сентября 2010 г.; VI Всеукраинская конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Молода науковш - географ1чнш наущ», Киевский национальный университет им. Т. Шевченко, г. Киев, 25 - 26 ноября 2010 г.; X Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2011» и X научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносовские чтения», г. Севастополь, Филиал МГУ имени М.В. Ломоносова, 26 - 28 апреля 2011 г.; VII Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Понт Эвксинский - 2011», Институт биологии южных морей HAH Украины, г. Севастополь, 24 - 27 мая 2011 г.; IV Международная конференция «Физические методы в экологии, биологии и медицине», г. Львов — г. Шацк, 15—18 сентября

2011 г.; VI Международная научно-практическая конференция «Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов», г. Днепропетровск, 8-11 ноября 2011 г.; Молодежный форум «Молодые ученые Украины: пути интеграции», Институт биологии южных морей HAH Украины, г. Севастополь, 24 - 25 ноября 2011 г.; Всеукраинская научная конференция с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых «Географические и геоэкологические исследования в Украине и сопредельных территориях», Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского, г. Симферополь, 4-8 апреля

2012 г.; VI Всеукраинская школа-семинар «Научная молодежь за экологическую безопасность Азво-Черноморского региона - 2012», Институт биологии южных морей HAH Украины, г. Севастополь, 28-31 мая 2012 г.; Международная научная конференция «Экологическая безопасность Приморских регионов» г. Ростов-на-Дону, 05 - 08 июня 2012 г.; VII Международная научная конференция «Современные рыбохозяйственные и экологические проблемы Азово-Черноморского региона», посвященная 90-летию ЮгНИРО, Южный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии, г. Керчь, 20 - 23 июня 2012 г.; ХШ Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований», Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, 14-16 мая, 2013 г.; VIII Международная научная конференция «Современные рыбохозяйственные и экологические проблемы Азово-Черноморского региона», Южный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии, г. Керчь, 26 - 27 июня 2013 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 31 работе. Из них: монографий - 1 (в соавторстве); статей в научных журналах и сборниках научных трудов - 14; тезисов в сборниках материалов научных конференций - 16. Публикации [1 - 9] полностью отражают основные результаты диссертации и содержатся в изданиях, включенных в перечень ДАК МОН Украины: «географические науки». Публикации [2, 3] включены в международную наукометрическую базу SCOPUS. Работа [6] выполнена без соавторов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и приложения. Она содержит 174 страницы печатного текста, в том числе 6 таблиц, 40 рисунков. Список литературы включает 89 наименований на 10 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, показана ее связь с научными темами Морского гидрофизического института НАН Украины, национальными и международными проектами, формулируются цель и задачи работы, изложены материалы и методы исследования, показаны научная новизна, обоснованность и достоверность полученных результатов, описаны их практическое значение и апробация, приведены количество публикаций и структура работы.

В первом разделе работы дан обзор современных литературных данных о геохимических и биогеохимических характеристиках донных отложений, процессах в поровых водах донных отложений и в самих донных отложениях. В соответствии с термодинамическим свойствами основным окислителем органического вещества выступает кислород, после его исчерпания - нитраты/нитриты, затем - соединения марганца, железа и кислород сульфатов. Таким образом, при дефиците кислорода, вызванным его расходованием на окисление органического вещества, происходит смещение границ анаэробных условий ближе к поверхности донных отложений либо в придонный слой воды, что вызывает гипоксию, или аноксию, сопровождаемую появлением восстановленных форм серы, в частности сульфидов и сероводорода.

В разделе также рассматривается специфика обменных процессов на границе вода—донные отложения. Показано, что природа потоков кислорода и сероводорода на границе вода - донные отложения определяется биогеохимическими процессами, протекающими в верхнем слое донных отложений. Эти процессы в значительной степени контролируются содержанием и реакционной способностью органического вещества. Дан обзор районов Мирового океана, для которых характерно постоянное или периодическое наличие условий гипоксии и аноксии.

Показаны возможности использования вертикальных профилей кислорода и восстановленных форм серы, а также восстановленных форм марганца, железа и других соединений, присутствующих в донных отложениях, для оценки и объяснения наблюдаемых распределений и потоков и определения районов, донные отложения которых служат источником сульфидов для вышележащих слоев и придонного слоя вод.

Приведены возможности практического использования данных по потокам кислорода и сероводорода для прогноза возникновения зон, подверженных дефициту кислорода (гипоксии/аноксии).

Во втором разделе работы рассмотрены физико-географические характеристики глубоководной части Черного моря, континентального склона, шельфа и прибрежных акваторий крымского полуострова (рис. 1). Приведены геохимические особенности формирования донных отложений этих районов. В разделе показано, что донные отложения глубоководной части Черного моря отличаются неоднородностью. На вертикальную неоднородность накладывается разнообразие состава донных отложений в зависимости от удаленности от берегов, что является следствием дифференциации осаждающихся на ложе моря взвешенных частиц, мутьевых потоков, действия глубинных течений, физико-химического состава придонного слоя вод.

Приведены основные геохимические характеристики донных отложений, которые необходимо учитывать при оценке потоков кислорода и сероводорода и их направленности: содержание органического углерода, реакционноспособных форм железа, пористость. В разделе подробно проанализированы применяемые в работе методики. Показано что метод полярографического профилирования с использованием стеклянного Au/Hg микроэлектрода является наиболее приемлемым для решения задач работы. Данный метод позволяет проводить анализ в условиях, максимально приближенных к естественным, при этом сама проба не разрушается и отсутствует процедура предварительной пробоподготовки, таким образом, сохраняется естественный состав отложений, включая характеристики поровых вод. Приведен ряд неоспоримых преимуществ данного метода перед ранее используемыми методами анализа жидкой фазы донных отложений.

В третьем разделе выполнено вертикальное полярографическое профилирование верхнего слоя донных отложений Черного моря, отобранных в районах, для которых характерны аэробные, субкислородные и анаэробные условия в придонном слое вод. Определены концентрации сульфидов в поровых водах донных отложений (рис. 2). Установлено, что в глубоководных анаэробных отложениях материкового склона содержание сероводорода зависит от потока органического вещества из водной толщи: чем дальше от кромки шельфа, тем меньше содержание сероводорода в донных отложениях. Пространственное распределение сульфидов в анаэробных отложениях неоднородно и характеризуется увеличением их концентрации от западной к восточной части моря. Максимальные концентрации сульфидов в донных отложениях глубоководной акватории моря наблюдаются в центральной части. Показано, что в юго-западной части Черного моря наличие мощных мутьевых потоков, обогащенных оксидами марганца и железа, приводит к тому, что окисление сульфидов и пиритизация являются активными геохимическими процессами. В донных отложениях континентального склона отсутствие кислорода в придонном слое воды и субкислородные условия водной толщи, а также различный поток органического углерода, создают предпосылки для протекания разнообразных биогеохимических процессов с участием растворенных Мп (П), Fe (П, III) и сульфидов. Донные отложения, отобранные на шельфе, отличались по морфологическому и литологическо-му составу, однако характеризовались схожим составом поровых вод.

Рис. 1. Схема станций отбора проб в донных отложениях Черного моря: глубоководная часть, континентальный склон, район шельфа и прибрежная часть крымского побережья.

Последовательность окислительно-восстановительных процессов и соединений является типичной для прибрежных районов: начиная с кислорода в качестве основного окислителя органического вещества, заканчивая сульфатами, за исключением отсутствия марганца в этой последовательности .

Показано, что характеристики донных отложений прибрежных районов (район мыса Тар-ханкут, бухта Омега и Севастопольская бухта) значимо откликаются на сезонные колебания концентрации растворенного кислорода в придонном слое воды, потока органического вещества и др. Это проявляется в изменении вертикального профиля кислорода и сероводорода в поровых водах, и, следовательно, границ аэробных и анаэробных условий. Для донных отложений района мыса Тарханкут в летний период характерно явление аноксии, в зимний период происходит разрушение микробиологических матов (являющихся источником органического вещества) и насыщение придонного слоя водной толщи и верхнего слоя донных отложений кислородом.

Донные отложения Севастопольской бухты в зависимости от динамики вод, сезонной изменчивости температуры характеризовались изменением границ анаэробных условий и концентрации сероводорода в их поровых водах. Однако общим для донных отложений Севастопольской бухты является малая глубина проникновения кислорода в донные отложения (не более 2 мм). Гипоксия является постоянной характеристикой системы, изменяется лишь ее степень. Показано, что дополнительные источники железа антропогенного происхождения, привели к тому, что условия формирования донных отложений Севастопольской бухты преимущественно связаны с процессами, контролируемыми реакциями с участием железа, в частности, важную роль играют процессы пиритизации, которые в значительной степени контролируют содержание сульфидов.

В четвертом разделе работы определена направленность потоков кислорода и сероводорода, выявлены районы Черного моря, донные отложения которых служат источником сульфидов для придонного слоя воды (рис. 3). Рассчитано время, за которое полностью израсходуется кислород при условии, если он не будет поступать в придонный слой водной толщи; и время, за которое содержание сульфидов в придонном слое вод обновляется. Установлено, что донные отложения глубоководных районов Черного моря и северо-западного континентального склона являются источником сульфидов для придонного слоя вод. Донные отложения южной части характеризуются минимальными потоками сульфидов в придонный слой вод либо поглощают сульфиды из водной толщи.

Рис. 2. Максимальные концентрации сульфидов в поровых водах донных отложения Черного моря: размер значка прямо пропорционален концентрации, числа соответствуют величине максимальной концентрации сульфидов, мкМ/л.

Рис. 3. Пространственное распределение потоков сульфидов: размер значка пропорционален логарифму величины потока, красным цветом отмечены потоки сульфидов, направленные из донных отложений в придонный слой воды, синим - из водной тощи в донные отложения.

На геохимию донных отложений восточной части Черного моря оказывают влияние процессы с участием железа, что отражается в величине и направленности потоков сульфидов на границе с донными отложениями. Величина потока сульфидов позволила рассчитать время, за которое происходит обновление сульфидов в придонном слое вод. Показано, что на станциях восточной глубоководной части это время составляет 126 лет (станция Р 5-6), для станции западной части - 5 лет (станция Р 1-5). Для станций центрального района глубоководной части Черного моря это время составило 2 года на станции М - 1 и

6 лет на станции Р 3-5.

Показано, что в донных отложениях шельфа происходит активное потребление кислорода, поток кислорода направлен из придонного слоя вод в толщу отложений, а время исчерпания кислорода при отсутствии его постоянного потока не превышает 1-го месяца. Время исчерпания кислорода в придонном слое воды прибрежных районов Черного моря сопоставимо со временем исчерпания кислорода шельфовых районов (рис. 4).

В Севастопольской бухте наибольшее влияние на формирование потоков оказывает органическое вещество, высокое содержание которого является результатом эвтрофирования вод бухты. Поскольку гипоксия является постоянной характеристикой данного района, то потоки кислорода на границе вода -донные отложения наблюдаются лишь на некоторых станциях. Время, за которое будет полностью израсходован кислород в окислительных процессах, что привет к гипоксии (аноксии) и переходу восстановленных форм соединений в придонный слой

Рис. 4. Пространственное распределение потоков кислорода и времени его полного исчерпания в придонном слое вод при условии отсутствия дополнительных его источников в шельфовых районах Черного моря: размер значка прямо пропорционален величине потока.

воды в районах, в которых был зафиксирован кислород на поверхности отложений, составило 3,5 месяца для станции 23 и 19 дней в районе Павловского мыска.

Показано, что при дальнейшем накоплении органического углерода в толще отложений бухты будет активно расходоваться Ре (III) на его окисление, а граница анаэробных условий будет приближаться к поверхности донных отложений.

ВЫВОДЫ

Анализ химического состава поровых вод и геохимических характеристик донных отложений позволил определить пространственно-временные особенности распределения и факторы формирования величин потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое поровых вод донных отложений Черного моря (прибрежных, шельфовых и глубоководных районов), оценить потоки сульфидов и кислорода на границе донных отложений и в их толще и определить степень влияния этих потоков на состав придонных вод моря для различных исследованных районов.

1. Получены экспериментальные данные и сформирована база наблюдений о распределении кислорода, сероводорода и других электрохимически активных веществ (окисленных и восстановленных форм железа и марганца) на поверхности и в поровых водах верхнего слоя донных отложений прибрежных, шельфовых и глубоководных районов Черного моря с помощью метода полярографического профилирования. Показано, что пространственное распределение сульфидов в анаэробных отложениях неоднородно и характеризуется увеличением их концентрации от западной к восточной части моря. Максимальные концентрации сульфидов в донных отложениях глубоководной акватории моря наблюдаются в центральной глубоководной части.

2. С помощью анализа геохимических характеристик верхнего слоя донных отложений и вертикального профиля концентраций высокого разрешения рассчитаны потоки кислорода и сероводорода на границе с донными отложениями.

3. Установлено, что высокие концентрации сульфидов в поровых водах верхнего 200 — 500 мм-го слоя донных отложений из анаэробной зоны моря являются результатом интенсивной сульфатредукции в верхнем и сапропелевом слоях, при этом прослеживается зависимость содержания сероводорода от потока органического вещества: чем дальше источник органического вещества, тем меньше содержание сероводорода в поровых водах.

4. Определено, что в юго-западной части окисление сульфидов оксидами марганца и железа является активным геохимическим процессом, приводящим к потреблению сульфидов в донных отложениях, в то время как, для восточной части моря отмечено преимущественное влияние процесса пиритизации.

5. Количественные оценки потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений позволили исследовать пространственные особенности формирования потоков. Для районов, расположенных ближе к берегу, были получены максимальные величины потоков сульфидов, а время обновления сульфидов в придонном слое вод при отсутствии каких-либо дополнительных воздействий - минимальное. Определено, что в восточной части шельфа кислород расходуется активнее, чем на западном шельфе Черного моря.

6. Донные отложения всей глубоководной акватории и большинства районов северного континентального склона являются источником сульфидов для придонного слоя вод, в то время как в южной части донные отложения либо поглощали сульфиды из придонного слоя вод, либо характеризовались минимальными величинами потока сульфидов из донных отложений в придонный слой вод.

7. Выполнен анализ влияния потоков кислорода и сероводорода на формирование зон дефицита кислорода в прибрежной и шельфовой части моря и запаса сероводорода в глубоководной части моря, который показал, что в шельфовых районах, характеризующихся проникновением кислорода в толщу отложений до 7 мм, время исчерпания кислорода при отсутствии его постоянного поступления не превышает 1-го месяца. Время обновления концентрации сульфидов в придонном слое вод анаэробной части Черного моря в значительной степени определяется величиной потока сульфидов и их концентрацией в придонном слое вод и изменяется от нескольких месяцев в районе континентального склона до нескольких десятков лет в глубоководной части.

8. Прибрежные районы Черного моря быстрее реагируют на все изменения, происходящие в водной толще. В открытой прибрежной части (район мыса Тархан-кут) на формирование потоков кислорода и сероводорода на границе донных отложений большее влияние оказывают гидродинамические факторы, которые в зимний и весенний периоды они способствуют полному разрушению матов и насыщению придонного слоя кислородом. В летний и осенний период развитию аноксии в придонном слое водной толщи в первую очередь способствуют биогеохимические процессы сульфатрсдукции.

9. Анализ потоков кислорода и сульфидов на границе донных отложений и в их толще в прибрежном районе с ограниченным водообменом (Севастопольская бухта) показал, что основным фактором в формировании потоков является органическое вещество. Общим для донных отложений Севастопольской бухты является малая глубина проникновения кислорода в донные отложения (не более 2 мм), основные процессы протекают либо с участием железа и марганца, либо с участием сульфидов и последующим образованием моносульфида железа. Гипоксия является постоянной характеристикой системы, изменяется лишь ее степень.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ,

содержащихся в изданиях, включенных в перечень ДАК МОН Украины «географические науки»

1. Моисеенко О.Г. Оценка устойчивости цикла углерода в морской среде / О.Г. Моисеенко, НА. Орехова // Устойчивость и эволюция океанологических характеристик экосистемы Черного моря. - Севастополь: «ЭКОСИ - Гидрофизика», 2012.-С.264 - 272.

2. Orekhova N.A. Polarography of the bottom sediments in the Sevastopol Bay / N.A. Orekhova, S.K. Konovalov // Physical Oceanography. - March 2009. - Vol. 19, № 2. - P. Ill - 123. (Работа является переводом Орехова Н.А. Полярография донных осадков Севастопольской бухты / Орехова Н.А., Коновалов С.К. // Морской гидрофизический журнал. — 2009. — №2. — С. 52 — 66).

3. Moiseenko O.G. Investigation of the mechanism of the long-term evolution of the carbon cycle in the ecosystem of the Sevastopol bay / O.G. Moiseenko, N.A. Orekhova // Physical Oceanography. - July 2011. - Vol. 21, № 2. - P. 142 - 152. (Работа является переводом Моисеенко О.Г. Исследование механизма многолетней эволюции цикла углерода в экосистеме Севастопольской бухты / ОТ. Моисеенко, H.A. Орехова // Морской гидрофизический журнал. - 2011. - №2. - С. 72 - 83.

4. Моисеенко ОТ. Цикл углерода Днепровско-Бугского лимана / О.Г. Моисеенко, ILA. Орехова // Морской гидрофизический журнал. - 2014. - №1. -С. 13-27.

5. Орехова H.A. Кислород и сероводород в донных осадках Севастопольской бухты / H.A. Орехова, С. К. Коновалов // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2009. - Вып. 18. - С. 48 - 56.

6. Орехова H.A. Гипоксия и аноксия в донных осадках крымского побережья / H.A. Орехова // География и туризм: Научн. сб. Ред. кол.: Я.Б. Олейник (отв. ред.) и др. - К.: Альтпресс, 2010. - Вып. 4. - С. 146 -152.

7. Котельянец Е.А. Влияние геохимических характеристик на распределение тяжелых металлов в донных отложениях прибрежных районов Черного моря / Е.А. Котельянец, Е.И. Овсяный, НА. Орехова, К.В. Буров, С.К. Коновалов И Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2013. - Вып. 27. - С. 312-317.

8. Орехова Н-А- Изменение геохимических характеристик в донных осадках крымского побережья / ILA. Орехова, С.К. Коновалов, Е.И. Овсяный II Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2013. - Вып. 27. - С. 284 -288.

9. Моисеенко ОТ. Индексы оценки экологического статуса бухт в общей стратегии управления прибрежной средой в целях её устойчивого развития на примере б. Севастопольской (Черное море) / ОТ. Моисеенко, С.К. Коновалов, H.A. Орехова // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2013. - Вып. 27. - С. 399 - 402.

СПИСОК СТАТЕЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

в других изданиях и тезисов в сборниках материалов научных конференций

10. Романов A.C. Влияние физико-химических характеристик донных осадков на распределение микроэлементов на примере бухт Севастополя (Черное море) / A.C. Романов, H.A. Орехова, О.Г. Игнатьева, CJC. Коновалов, Е.И. Овсяный // Экология моря. - 2007. - Вып. 73. - С. 85 - 90.

11. Игнатьева О.Г. Органический и неорганический углерод в донных осадках Севастопольской бухты (Черное море) / О.Г. Игнатьева, М.М. Парамонова, H.A. Орехова // «Ломоносовские чтения» 2007 года и «Ломоносов-2007»: Научная конференция и Международная научная конференция студентов, аспирантов и мо-

лодых ученых, 3 — 4 мая 2007 г.: материалы конференции. — Севастополь: «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2007. - С.62.

12. Игнатьева О.Г. Концептуальная модель процессов биохимической составляющей цикла углерода в Севастопольской бухте (Черное море) / О.Г. Игнатьева, H.A. Орехова, A.C. Романов, Е.И. Овсяный, С.К. Коновалов // Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины: Международная конференция молодых ученых, 12-14 июня 2007 г: тезисы докладов. - Севастополь: «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2007. - С. 102 -103.

13. Котельянец Е.А. Распределение тяжелых металлов в поверхностном слое донных осадков Севастопольской бухты / Е.А. Котельянец, С.К. Коновалов, H.A. Орехова // Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины: Международная конференция молодых ученых, 12 - 14 июня 2007 г.: тезисы докладов. - Севастополь: «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2007. - С. 108 -110.

14. Орехова H.A. Полярография в донных осадках / H.A. Орехова, С.К. Коновалов. // Метеоролопя, кшматолопя та гщролопя. — Видавництво: Одеса, Еколопя, 2008. - Вип 50. - Ч. П - С. 183 - 188.

15. Парамонова М.М. Органический углерод в донных отложениях Севастопольской бухты по данным экспедиции июня 2007 года / М.М. Парамонова, Е.И. Овсяный, О.Г. Игнатьева, H.A. Орехова // «Ломоносов-2008»: Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 24 — 25 апреля 2008 г.: тезисы доклада. - Севастополь: ЧФ МГУ им. М.В. Ломоносова, 2008. - С. 54.

16. Орехова НА. Гидрохимические характеристики поровых вод донных осадков Севастопольской бухты / H.A. Орехова, С.К. Коновалов // Monofli науковщ

- географшнш наущ: IV ВсеукраТнська наукова конференщя, 28 - 29 листопада 2008 р.: збфник наукових праць. - КиТв: OöpiT, 2008. - Вип. IV. - С. 186 - 188.

17. Орехова H.A. Донные осадки и процессы в них как показатель экологического состояния водных экосистем / НА.Орехова, С.К.Коновалов // Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов: пятая Международная научная конференция, 06 — 09 октября 2009 г.: материалы конференции. - Днепропетровск, 2009. - Ч. I - С. 200 - 201.

18. Орехова H.A. Изменчивость гидрохимических и гидроэкологических характеристик донных осадков Севастопольской бухты / H.A. Орехова, Е.А. Котельянец // Молода науковщ — географшнш наущ: ВсеукраТнська конференщя з м1жнародною участю, 25 - 26 листопада 2010 р.: зб1рник наукових праць. - Ки-Ув: Видавництво географ1чно'1 лггератури «Обри», 2010. — Вип. VI. - С. 80 - 84.

19. Орехова H.A. Дефицит кислорода в донных осадках прибрежных акваторий Черного моря с различной антропогенной нагрузкой / H.A. Орехова, Е.А. Котельянец // Pontus Euxinus - 2011: VII Международная научно-практическая конференции молодых ученых по проблемам водных экосистем, посвященная 140-летию Института биологии южных морей HAH Украины, 24 - 27 мая 2011 г.: тезисы

- Севастополь: «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2011. - С.184 - 185.

20. Orekhova N.A. Events of hypoxia and anoxia in the Crimean coastal waters / NA Orekhova, N.G. Sergeeva, M.B. Gulin, S.K. Konovalov // Int. Conf. INQUA 501-IGCP 521.-27.09.10-05.10.2010- Rhodes, Creese, 2010.

21. Орехова НА. Мониторинг бухт севастопольского региона / НА. Орехова, ЕА. Котельянец // «Ломоносов — 2011» и «Ломоносовские чтения»: X Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых и X Научная конференция, 26 - 28 апреля 2011 г.: материалы конференции. — Севастополь: Филиал МГУ в г. Севастополе, 2011. - С. 18.

22. Орехова Н.А. Кислород — ключевой показатель качества среды / НА. Орехова, С.К. Коновалов // Физические методы в экологии, биологии и медицине: IV Международная конференция, Львов - Шацк, 15-18 сентября 2011 г.: тезисы доклада. - Львов: Издательский центр ЛНУ им. И. Франко, 2011. - С. 68 - 70.

23. Konovalov S. Coastal management tools and databas es for the Sevastopol Bay (Crimea) / S. Konovalov, V. Vladymirov, V.Dolotov, A. Sergeeva, Yu. Gorryachkin, Yu. Vnukov, O. Moiseenko, S. Alyemov, N. Orekbova, L. Zharova // The Tenth conference on the Mediterranean Coastal Environmen, MEDCOAST11:25 - 29 October, 2011: Proceedings. - Rhodes, Greece, 2011. - P.145 -156.

24. Орехова H.A. Процессы диагенеза в современных донных осадках шель-фовой части Черного моря / НА. Орехова, Е.И. Овсяный, С.К. Коновалов // Географические и геоэкологические исследования в Украине и сопредельных территориях: Всеукраинская конференция с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых, 4 — 8 апреля 2012 г.: материалы конференции. — Симферополь: ДИАЙПИ, 2012. - С. 31 - 33.

25. Медведев Е.В. Оценка состояния цикла углерода прибрежных акваторий Черного моря / ЕВ.Медведев, О.Г.Моисеенко, Н.А.Орехова, Е.И.Овсяный // «Ломоносов - 2012»: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 25 - 26 апреля 2012 г.: тезисы доклада - Севастополь, 2012. - С. 53 - 54.

26. Моисеенко О.Г. Оценка закономерности функционирования и степени трансформации цикла углерода прибрежных экосистем Чёрного моря / О.Г. Моисеенко, Е.В. Медведев, НА. Орехова // Экологическая безопасность Приморских регионов: Международная научная конференция, 05 - 08 июня 2012 г.: тезисы докладов. - Ростов-на-Дону, 2012. - С. 160 - 162.

27. Орехова Н.А. Комплексное исследование экологического состояния Севастопольской бухты / НА. Орехова, О.Г. Моисеенко, С.К. Коновалов // Современные рыбохозяйственные и экологические проблемы Азово-Черноморского региона: VII Международная конференция, 20 - 23 июня 2012 г.: сборник научных статей. -Керчь: ЮгНИРО, 2012.-Т. 1.-С. 285-288.

28. Моисеенко О.Г. Оценка методов для определения органического углерода в морских донных отложениях прибрежных районов / О.Г. Моисеенко, Н.А. Орехова // Современные методы и средства океанологических исследований: XIII Международная научно-техническая конференция «МСОИ-2013», 14 - 16 мая 2013 г.: материалы конференции. - М.: АПР, 2013. - Т.1. - С. 197 - 200.

29. Орехова НА. Использование стеклянного Au-Hg микроэлектрода для профилирования донных отложений / НА. Орехова, С.К. Коновалов // Современные методы и средства океанологических исследований: ХШ Международная научно-техническая конференция «МСОИ-2013», 14 - 16 мая 2013 г.: материалы конференции. - М.: АПР, 2013. - Т.1. - С. 60 - 64.

30. Моисеенко О.Г. Оценка экологического статуса Севастопольской бухты (Черное море) / О.Г. Моисеенко, С.К. Коновалов, НА Орехова // Современные методы и средства океанологических исследований: XIII Международная научно-техническая конференция «МСОИ-2013», 14 - 16 мая 2013 г.: материалы конференции. - М.: АПР, 2013. - Т.1. - С. 193 - 196.

31. Орехова НА. Исследование геохимических характеристик Севастопольской бухты / Н.А. Орехова, О.Г. Моисеенко, С.К. Коновалов // Современные рыбо-хозяйственные и экологические проблемы Азово-Черноморского региона: VIII Международная конференция, 26 - 27 июня 2013 г.: сборник научных статей. - Керчь: ЮгНИРО, 2013. - С. 55 - 58.

АННОТАЦИЯ

Орехова НА. Распределение и потоки кислорода и сероводорода на границе с донными отложениями Черного моря, — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.08 - океанология. - Морской гидрофизический институт НАН Украины, 2014.

Получены экспериментальные данные и сформирована база наблюдений о распределении кислорода, сероводорода и других электрохимически активных веществ (окисленных и восстановленных форм железа и марганца) на поверхности и в поро-вых водах верхнего слоя донных отложений Черного моря (прибрежных, шельфо-вых, глубоководных районов) с помощью метода полярографического профилирования, а также содержания органического углерода, железа и других геохимических характеристик верхнего слоя донных отложений, полученных традиционными методами геохимического анализа.

Проведен анализ пространственно-временных особенностей распределения кислорода и сероводорода на поверхности и в поровых водах донных отложений различных районов Черного моря, а также анализ влияния некоторых океанологических факторов, процессов и механизмов на эти особенности. Получены оценки изменчивости по площади бассейна вертикального профиля сульфидов, концентрация которых увеличивается от западной к восточной части Черного моря. Наиболее важными веществами, определяющими активные биогеохимические и биологические процессы на поверхности донных отложений, являются кислород и сероводород. Наличие кислорода обеспечивает существование бентосных сообществ, препятствует поступлению восстановленных форм биогенных элементов и загрязняющих веществ из донных отложений в придонный слой вод. Существенное снижение содержания кислорода (гипоксия) и особенно появление сероводорода (аноксия) ведут к разрушению экосистем, возникновению источников вторичного загрязнения и эвтрофированию вод, катастрофическому снижению рекреационного и биопродукционного потенциала акватории. Для анализа бюджета кислорода и сероводорода в водах Черного моря и прогноза возможных изменений в распределении этих веществ в глубоководной части моря, а также прогноза возникновения заморных явлений на шельфе необходимы количественные оценки потоков кислорода и сероводорода на границе донных отложений с водой, в настоящее время такие оценки отсутствуют. Именно по этим причинам изучение особенностей распределения и по-

токов кислорода и сероводорода, а также процессов, определяющих их динамику, на поверхности и верхнем слое донных отложений является важной и актуальной океанографической задачей.

Показано, что окисление сульфидов и пиритизация являются доминирующими процессами в центральной и западной глубоководных частях Черного моря, вследствие потоков мелкодисперсных осадков, обогащенных оксидами марганца и железа (как дополнительными окислителями), в то время как для восточной глубоководной части доминирующим был процесс пиритизации.

Установлено, что высокие концентрации и линейный профиль сульфидов в верхнем 200 - 500 мм-ом слое осадков свидетельствуют об их интенсивной продукции в верхнем и сапропелевом слоях, при явно выраженной зависимости содержания сероводорода от потока органического вещества из водной толщи и от расстояния от источника терригенного органического вещества: чем дальше источник, тем меньше содержание сероводорода в донных отложениях.

Анализ влияния потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений на характеристики придонного слоя вод (формирование зон дефицита кислорода в прибрежной и шельфовой части моря и запаса сероводорода в глубоководной части моря) показал, что по сравнению с южной частью, в северной части моря донные отложения всей глубоководной акватории и континентального склона являются источником сульфидов для придонного слоя вод. Для районов, расположенных ближе к берегу, были получены максимальные величины потоков сульфидов, а время, за которое увеличится вдвое концентрация сульфидов в придонном слое вод при отсутствии каких-либо дополнительных воздействий - минимальное. Определено, что в восточной шельфовой части кислород расходуется активнее, чем на западном шельфе Черного моря.

Прибрежные районы Черного моря быстрее реагируют на все изменения, происходящие в водной толще. В районе мыса Тарханкуг на формирование потоков кислорода и сероводорода на границе донных отложений большее влияние оказывают гидродинамические факторы: в зимний и весенний периоды они способствуют полному разрушению матов и насыщению придонного слоя кислородом, а в летний и осенний период их отсутствие способствует развитию аноксии в придонном слое водной толщи. В Севастопольской бухте анализ потоков кислорода и сульфидов на границе донных отложений и в их толще показал, что основным фактором в формировании потоков являются органическое вещество.

Ключевые слова: донные отложения, поровые воды, полярография, Au/Hg микроэлектрод, кислород, сероводород, потоки, Черное море.

SUMMARY

Orekhova N.A. The distribution and fluxes of oxygen and solfide at the surface of sediments in the Black Sea. - Manuscript.

Thesis for PhD degree in the field of geographical sciences 11.00.08 - Oceanology. -Marine Hydrophysical Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2014.

In this work, observational data were collected and a database was formed to incorporate information on the distribution of oxygen, sulfide and other key redox species in pore

waters of the upper layer of sediments in the Black sea, retrieved from voltammetric profiling with a glass Au/Hg microelectrode, as well as information on organic carbon, iron, porosity, and other geochemical characteristics of the upper layer of sediments, retrieved from standard geochemical analyses.

Spatial and temporal variations in the distribution of oxygen and sulfide in pore waters of different regions of the Black sea have been revealed and the analysis of influences of oceanographic factors and processes on these features has been performed. The obtained data have allowed estimation of variability in the vertical profile of sulfide in the investigated area and they have revealed that the concentration of sulfide in pore water increases from the western to the eastern part of the Black sea.

The influence of fluxes of oxygen and sulfide at the surface and within the upper layer of sediments at bottom water chemistry has revealed that sediments are the source of sulfides for the bottom waters in the northern part of the sea and in the area of the continental slope. Yet, sediments often consume sulfide from water in the southern part of the sea. The highest fluxes of sulfide have been detected near the shelf break resulting in the shortest residence time of sulfide in the bottom waters. It has been also demonstrated that oxygen is consumed more actively in the region of the eastern shelf, as compared to the western shelf of the Black sea.

Fluxes at the surface of sediments in coastal areas of the Black sea quickly response to all changes in the water column physics and chemistry. Thus, the fluxes of oxygen and sulfide at the surface of shore sediments near the Tarkhankut Cape are primarily governed by hydrodynamics in winter and spring, as intensive water dynamics results in complete destruction of microbial mats and oxygen saturation of bottom waters, and by intensive microbiological processes of sulfate reduction in summer and autumn, resulting in anoxia and highly sulfidic conditions in sediments and the bottom layer of water. In the Sevastopol Bay, biogeochemical processes of respiration of organic carbon and sulfidization and pyritization are the main factors governing the flux of oxygen and sulfide at the surface of sediments.

Keywords: sediments, pore waters, voltammetry, Au/Hg microelectrode, oxygen, sulfides, fluxes, Black Sea.

АНОТАЦИЯ

Орехова И.О. Розподш i потоки кисню i Ырководшо на меж! з доннимн вад-кладеннями Черного моря. - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата географ!чних наук за спе-щальшстю 11.00.08 - океанолопя. - Морський пдрофЬичний шститут НАН УкраТ-ни, м. Севастополь, 2014.

У даному дисертащйному дослщженш отримано експерименталып даш та сформовано базу спостережень про розподш кисню, арководню та шших електрохш^ч-но активних речовин (окислених i вщновлених форм залт i марганцю) на поверхш i у порових водах верхнього шару донних вщкладень Чорного моря (прибережних, шельфових i глибоководних райошв) методом полярограф1чного профшювапня, а також вм1сту оргашчного вуглецю, зашза та ¡нших геох1м1чних характеристик верхнього шару донних вщкладень.

Проведено анагпз просторово-часових особливостей розпод1лу кисню i Ырково-дню на поверхн1 i у порових водах, донних вщкладень рпних райошв Чорного моря, а також аналп впливу деяких океанолопчних фактор1в, npouecie i механ1зм1в на ui особливосп. Отримано оцшки Miwineocri по плоил басейну вертикального проф)лю сульфдав, концентращя яких збшынуеться вщ захщноТ до схщноТ частини Чорного моря.

Анал13 впливу потоюв кисню i с|"рководню на поверхм i у верхньому liiapi донних вщкладень на характеристики придонного шару води показав, що портняно з т'вденною часгиною, у швшчнш частиш моря донш вщкладення yciei глибоковод-ноТ акваторп i континентального схилу е джерелом сульфщт для придонного шару води. Для райотв, розгашованих ближче до берега, було отримано максимальш ве-личини поток1в сульфЩв, а час, за який збшьшиться вдв1ч1 концентращя сульфцив у придонному mapi вод при вщсутносп яких-небудь додаткових дш — мипмальний. Визначено, що у cxixmtö шельфовш частиHi кисень витрачаеться актившше, шж на захщному шельфi Чорного моря.

Прибережт райони Чорного моря швидше реагують на Bei змши, що вщбува-ються у водшй товщ1. В райош мису Тарханкут на формування потоюв кисню i cip-ководню на кордот донних вщкладень бшьший вплив надають пдродинам1чш фак-тори: в зимовий i весняний перюди вони сприяють повному руйнуванню Marie i на-сиченню киснем придонного шару, а в лггнш та осшнш перюд Тх вщсутшсть сприяе розвитку аноксп в придонному mapi водно! товщь У Севастопольськш бух-ri анашз потоюв кисню i сульфшв на меж! донних вщкладень i в ix tobiiu показав, що основ-ним чинником у формуванн! потоюв е органична речовина.

Ключом слова: донш в1дкладення, nopoei води, полярограф1я, Au/Hg М1кроеле-ктрод, кисень, с'фководень, потоки, Чорне море.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Ореховой Натальи Александровны

Подписано к печати 10.07.2014 г. Формат бумаги 60 х 90/16

Объем 0.9 авт.л._Заказ № 87 Тираж 100 экз.

Напечатано в ООО «Рибэст» 299058, г. Севастополь, ул. Бориса Михайлова, 23 тел/факс (0692) 42-84-01 Свидетельство о государственной регистрации серия ДК № 190 от 20.09.2000 г.