Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Влияние течений на концентрацию и дисперсность осадочного вещества (на примере характерных районов Северной Атлантики)

ВАК РФ 04.00.10, Геология океанов и морей

Автореферат диссертации по теме "Влияние течений на концентрацию и дисперсность осадочного вещества (на примере характерных районов Северной Атлантики)"

Российская Академия наук О Д Институт океанологии им. П. П. Ширшова

На праьах рукописи

СИВКОЗ ВАБМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ТЕЧЕНИЙ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ И ДИСПЕРСНОСТЬ ОСАДОЧНОГО ВЕЩЕСТВА (на примере характерных районов Северной Атлантики)

(специальность 04.00.10 - геология океанов и морей)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Российская Академия наук Институт океанологии им. П. П. Ширшова

На правах рукописи

СИВКОВ ВАДИМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ТЕЧЕНИИ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ И ДИСПЕРСНОСТЬ ОСАДОЧНОГО ВЕЩЕСТВА (на примере характерных районов Северной Атлантики)

(специальность 04.00.10 - геология океанов и морей)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Работа выполнена в Атлантическом отделении Института океанологии им. П. Е Ширшова Российской Академии наук.

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор, Е. М. Емельянов. Официальные оппоненты: член-корреспондент Российской

Ведущая организация: Мзсковский государственный университет им. М. а Ломоносова

заседании специализ: _

кандидатских диссертаций при Институте океанологии им. Е Е Ширшова РАН по адресу: Москва, 117218, ул. Красикова, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П. И Ширшова РАЕ

Академии Наук А. Е Лисицын (ИО РАН),

кандидат географических наук В. Л Лебедев (МГУ)

Защита состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат географических наук

С. Г. Панфилова

БВЕДЕКЕ

Актуальность темы работы Концентрация и гранулометрический состав (дисперсность) осадочного вещества (взвеси и осадков), широко используется в седиментолзгии в качестве чувствительного индикатора динамических условий седиментации. Однако существуют серьезные разногласия в вопросе интерпретации гранулометрического состава осадков, а данные по детальной гранулометрии взвеси до настоящего времени имеют фрагментарный характер в силу методических трудностей их получения. Почти не изучены процессы трансформации гранулометрического состава осадочного вещества на литолого-геохимических барьерах.

Океанологические исследования последних десятилетий привели к ряду крупных открытий, заставляющих пересматривать многие сложившиеся представления о динамике океана, особенно в ее приложении к осадкообразованию. С другой стороны, значительный рост интереса к перемещению осадочного вещества в океанах и мерях связан с активизацией экологических исследований океана.

Цель и задачи работы По характеру седиментации все осадочные частицы можно разделить на две большие группы: крупные (оседающие) и мелкие (фоновые) [МсСауе, 1975]. Решающий вклад в величину суммарного гравитационного потока взвеси дают относительно редкие крупные частицы (крупноалевритовой и песчаной размерности) , тогда как мелкие (глинистые) частицы, доминирующие в количественном составе и в массе, сами по себе практически не оседают и создают дисперсный фон океана. Мелкие частицы из-за преобладания по массе составляют основу горизонтальных потоков осадочного материала, существующих благодаря океанским течениям. Именно тонкодисперсное осадочное вещество образует скопления взвеси в толще вод океанов и морей (нефе-лоидные слои). Определяющий, вклад глинистых частиц в гранулометрический состав донных осадков океанов и морей привлекает к ним внимание при изучении придонной циркуляции. В настоящей работе основное внимание уделяется именно тонкодисперсному осадочному веществу.

Концепция литолого-геохимических барьеров в океане

.[Емельянов, 1982] исходит из сушэствования в нем относительно небольших по размерам участков и зон, в которых резко активизируются процессы трансформации осадочного вещества и происходит изменение интенсивности и форм миграции химических элементов. К литолого-геохимическим бартерам относятся, в частности, такие гидродинамически активные участки океана как гидрологические фронты, апвелжшги, слои скачков плотности вод, пограничные слои (барьеры "вода-атмосфера" и "вода-дно").

Цель настоящей работы - показать специфику распределения концентрации и дисперсности осадочного Е.ещества (взвеси и донных осадков) в условиях океанских течений (иа примере некоторых гидродинамически активных районов Северной Атлантики и Балтийского моря).

В соответствие с поставленной целью репвлнсь следующие задачи:

1) выявление общих закономерностей дисперсности водной взвеси;

2) выявление роли течений и соответствующих им плотнсет-ных литолого-геохимических барьеров "гидрофронт" к "пикнок-лин" в формировании пространственной изменчивости концентрации и гранулометрического состава взвеси;

3) выявление признаков гидродинамической активности придонного слоя океана (барьер "вода-дно") з гранулометрическом составе тонкодисперсных пелагических осадкоЕ.

Настоящая работа выполнена в лаборатории геологии Атлантики Атлантического отделения Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН (АО ИО РАН) в рамках Общеакадемической программы фундаментальных исследований N 14 "Научные основы рационального использования Мирового океана, атмосферы и поверхности суши" (Блок 1. Оптимизация освоения Мирсзого океана. Тема 14.1.4. Геологическое изучение дна Мирового океана в целях прогноза и поиска полезных ископаемых. Зэдтема 2. Геологическая история океанов, условий палеосреды, создание моделей океанской седиментации. Особенности гидротермальной деятельности и минерализации на дне океана).

Отдельные разделы работы выполнены при поддержка Российского фонда фундаментальных исследований, финансировавшего проект N 93-05-8119 "Нефелоидные слои в океане".

Фактический материал и методы исследования

Материалом для исследования концентрации и дисперсности взвеси послухили свыше 500 проб воды, отобранные и изученные автором в ходе экспедиций на НИС "Академик Курчатов" (40 и 49 рейсы), "Академик Мстислав Келдыш" (13 А рейс), "Профессор Штокман" (24 и 25 рейсы). Для исследования гранулометрического состава донных осадков (53 пробы) материал был получен из фондов лаборатории геологии Атлантики АО ИО РАН. Основным методом изучения осадков был подсчет суспендированных осадочных частиц на счетчике Коултера (модель гЬ1). Использовались также данные гранулометрического анализа осадков водно-механическим методом и различные литологи-ческие и батиметрические карты.

Для изучения роли придонных течений в перераспределении осадков и образовании эрозионно-аккумулятизньгх форм донного рельефа были" привлечены материалы сейсмоакустических исследований, выполненных ИО РАН и его Атлантическим отделением.

Гидрологические и гидрооптические материалы, использовавшиеся в работе для характеристики условий осадконакопления, были получены сотрудниками ИО РАН и его Атлантического отделения при участии автора.

Защищаемые положения

1. Связь концентрации и размера взвешенных частиц при аг-регативной устойчивости дисперсной системы океана (когда агрегация уравновешивается диспергированием частиц) описывается гиперболической функцией (законом Шге), однако параметры функции сильно варьируют в зависимости от конкретной ситуации. Возникновение экстремумов гранулометрического состава взвеси (отклонений от гиперболической функции) в поверхностных водах (фотический слой океана) обусловлено развитием фитопланктона, особенно во фронтальных зонах районов повышенной биопродуктивности.

2. Гидродинамические процессы синоптического масштаба (Фронтальные и интрузионные струи, вихри, "события апвеллин-га"), тесно связанные с термохалинной структурой вод океана, оказывают существенное влияние на свойства литолого-геохимических барьеров "гидрофронт" и "пикноклин", как правило концентрирующих взвешенное осадочное вещество. Флуктуации тече-

ний могут обеспечивать ускоренное проникновение медленно оседающей взвеси через плотностные барьеры.

. 3. Мелкоалевритовые пелагические осадки чувствительны к воздействию абиссальных придонных течений. При пренебрежимо малом влиянии факторов, искажающих гидродинамическую сортировку осадочного вещества, распределение по размерам частиц осадка на интервале 10-20 мкм контролируется изменением средней составляющей скорости придонного течения. Величина экстремальных отклонений от средних значений скорости течения (флуктуаций) влияет на содержание крупноалевритовой и песчаной фракций осадка. Эти особенности могут быть использованы для палеоокеанологических реконструкций гидродинамической активности придонного слоя океана.

Научная новизна работы

1. Получены новые количественные характеристики изменчивости гранулометрического состава взвеси з обширном районе Северной Атлантики, включая такие существенные элементы циркуляции вод как Гольфстрим (Северо-Атлантическое течение) и Канарский апвеллинг.

2. Показана роль синоптической нестациокарности течений в формировании поля концентрации взвеси и ее лисперености.

3. Уточнены маршруты придонных течений североморских вод в Борнхольмской впадине Балтийского моря.

4. Получены новые геологические свидетельства о распространении Антарктических придонных вод в Северной Атлантике в настоящее и позднечетвертичное время.

Практическое значение работы

1. Результаты работы способствуют дальнейшему пониманию процессов океанского седименгогенеза, в частности, в синоптическом пространственно-временном масштабе, что может быть использовано в работах по океанологическом обеспечению глубоководного бурения в океанах, в проектировании подводных сооружений.

2. Данные по дисперсности взвеси в известной мере характеризуют активность обмена веществом и энергией на геохимическом барьере "вода-взвесь" и представляют интерес для исследований обменных процессов в морских экосистемах.

3. Выявленные маршруты струйных придонных течений в Борнхольмской впадине Балтийского моря проходят з непосредствен-

ной близости от подводных свалок взрывчатых отравляющих веществ, что позволяет критически оценить перспективы их естественного захоронения в связи с эрозионно-аккумулятивной деятельностью течений.

4. Выводы о связи абиссальных придонных течений и грану. лометрического состава осадков могут быть полезны при исследованиях заносимости и возможности подъема затонувших судов.

5. Для развития оптических методов исследования океана, в частности, метода "обращения оптических данных", представляют интерес сведения об изменчивости параметров в формуле гиперболического приближения (модель Юнге), которая использовалась нами при рассмотрении распределения взвешенных част>{Ц по размерам.

6. Проведенное исследование позволило получить новый фактический материал для системного анализа и математического моделирования океанского седиментогенеза.

Апробация работы и публикации

Основные положения диссертации докладывались на 111 съезде советских океанологов (Ленинград, 1987), 7 и 9 Всесоюзных школах морской геологии (Геленджик, 1986 и 1990)-, 1-3 Всесоюзных совещаниях "Современные методы морских геологических исследований" (Светлогорск, 1985, 1987; Калининград, 1991), рабочем совещании стран-членов СЭВ "Геологическое строение и развитие Балтийского моря и закономерности форми-роваения минеральных ресурсов" (Таллин, 1988), IV Всесоюзной конференции по географии Мирового океана (Калининград, 1989), международных конференциях "Экобалтика-91" (Калининград, 1991) и по геологии Балтийского моря (Германия, 1991) и др. Диссертация в целом докладывалась на коллоквиуме лаборатории геологии Атлантики АО ИО PAR

По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 7 выполнено автором лично, остальные - в соавторстве с другими исследователями.

Объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 166 наименований, в том числе 94 иностранных источника. Она содержит страниц текста, рисунков, таблиц.

Благодарности

- б -

Автор благодарен своему научному руководител; профессору Е. М. Емельянову за поддержку и постоянное внимание к работе.

Автор признателен научным сотрудникам лаборатории геологии Атлантики Атлантического отделения ИО РАН 5. С. Гркюнису, Г. С. Харину, Е И. Свиридову, М. Е Руденко, Е Л. Стгкку, готруд-никам других подразделений Института океанологии РАН. -О. Е Копелевичу, Г. С. Карабашеву, О. И. Коб ленд-Мкпке, Е. А. Кон-тарю, ЕЕГоленко, Е}{. Буренкову, а также Е А. Гридеко (Калининградский технический институт), X.Христ/.аЕеену (Ор-хусский университет, Дания) за предоставление мате:лалов, плодотворное сотрудничество в экспедициях и ценные советы.

Аьтор считает своим долгом также выразить признательность А. Ф. Кулешову, Ю. И. Курову, С. А. Ханаеву, К. Йокгаеу, А. Волынскому, Е А. Давидовичу, Е А. Джумайло, Н. Ши:ховой, Е Г. Войкиной-Сапецион, И. Б. Васильевой за помощь, на опельных этапах работы.

ГЛАВА 1. СЕДИМЕНТАЦИЯ В ПОДВИЖНОЙ ОКЕАНСКОЙ СРЕДЕ: 1ЧЕРК ИЗУЧЕННОСТИ И ОБОСНОВАНИЕ ПОДХОДА

В тех случаях, когда частица осадка находится не з малоподвижной жидкости, а попадает в движущийся погок, скорость падения частиц уменьшается пропорционально скорссги гсризон-тального потока, и соответственно возрастает горизонтальная составляющая переноса. В результате медленно ос-дающит в потоке частицы переносятся на большие расстояния. Этик объясняется огромная роль морских течений как агента разноса осадочного материала [Лисицын, 1966]. При перек:се ос елочного материала разной крупности течением с уменьшающейся скоростью происходит его сортировка (механическая дифференциация) потоком. На транспортные возможности течений оказывает влияние не только дисперсность, но также и концентрация взвеси [Лисицын, 1966].

Геологическая деятельность' течения образует систему, включающую три тесно связанных и чередующихся в пространстве и времени элемента: эрозию дна, сопровождающуюся взмучиванием осадков, транспорт захваченного осадочного материала и его аккумуляцию (переотложение) СБе 1Ьо1с1, 1878].

Создание и использование погружаемого зонда-нефелометра, непрерывно измеряющего рассеяние света "in situ", позволило обнаружить природные нефелоидные слои толщиной около 1 км, расположенные над континентальным подножием и абиссальной равниной [Ewing, Thorndike, 1965J. Их происхождение было объяснено взмучиванием осадков со дна турбулентными потоками придонных вод. Обобщающие работы по мутности Атлантического океана [Eittreim et al., 1976; Biscaye, Eittreim, 19771 показали высокую степень согласования нефелоидных слоев с Западным глубинным пограничным противотечением. Подтверждением тому послужили данные по концентрации взвеси, полученные методом фильтрации на разрезе GEOSECS в западной Атлантике [Brewer et al. , 1976]. Выяснение общих закономерностей распределения взвеси в океане позволило перейти к исследованиям на региональном и локальном уровнях.

Оседающая и накапливающаяся на дне дисперсная фаза (твердое осадочное вещество) дисперсной системы океана содержит информацию об условиях седиментации, в том числе и о гидродинамических. Имеется принципиальная возможность определения скоростей течений (гидродинамического режима оеадконакопле-ния), которые существовали при отложении того или иного осадка. Однако при этом нельзя упускать из вида, что исходная крупность осадочного материала меняется в зависимости от зональности и местных условий, что существует гетерогенность осадков, и динамический фактор далеко не во всех случаях оказывается достаточно мощным, чтобы рассортировать исходный осадочный материал в соответствие с его крупностью [Лисицин, 1978.,«].

В настоящее время существуют прямо противоположные взгляды на чувствительность гранулометрического состава тонкодисперсных осадков к абиссальным придонным течениям. Дальнейшее понимание динамики процессов седиментации возможно только на основе детального и комплексного изучения ограниченных по пространству, но характерных участках океана [Faugeres, Poutiers, 1982].

Большая часть использовавшегося в работе фактического материала оказалось сконцентрированной в нескольких районах, относительно небольших .:о размерам, но характерных с точки зрения циркуляции океана и концепции литолого-геохимических

барьерных зон. Они условно обозначены как: 1) "Северо-Атлантический субполярный фронт (Гольфстрим)", 2) "Канарский ап-веллинг", 3) "Борнхольмская впадина", 4) "Абиссальная равнина Хаттерас", 5) "Глубоководный проход Кейн".

Обобщение оригинальных данных по Атлантике и Балтийскому морю и последоватедьне рассмотрение первых трех районов, позволило получить представление о концентрации и гранулометрическом составе взвеси (главы 1 и 2). В первом и втором районах главное внимание уделялось литолого-геохимическому барьеру "гидрофронт", в третьем - барьеру "пикноклин (слой скачка)". Кроме того, на примере третьего района (Борнхольмская впадина) проанализированы геологические свидетельства гидродинамической активности мелководного бассейна, который может рассматриваться как натурная модель океанских бассейнов. Четвертый и пятый районы рассмотрены в рамках задачи об отражении гидродинамической активности в гранулометрическом составе тонкодисперсных пелагических осадков (глава 3).

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ДИСПЕРСНОСТИ ВЗВЕСИ 2.1. Общие закономерности дисперсности взвеси в океане

Пространственная неоднородность распределения взвеси нашла отражение в концепциях океанских типов седиментогенеза [Лисицин, 1981], литолого-геохимических барьерных зон в океане [Емельянов, 1982] и циркумконтинентальной структуры океана [Айзатуллин и др., 1976; Лебедев, 1986]. Значительно хуже, чем концентрация изучена дисперсность (гранулометрический состав) взвеси, поэтому приводятся некоторые оценки, позволяющие судить о ее изменчивости.

Общей чертой гранулометрического состава взвеси различных типов является закономерное увеличение количества частиц с уменьшением их размера. Более 90% взвеси как правило составляет пелитовый материал (<0,01 мм). Лишь в редких случаях содержание этой фракции снижается до 70% [Лисицын, 1978„.&].

Исходный гранулометрический состав поступающего в океан осадочного вещества в известной степени контролируется климатической зональностью, как непосредственно, так и опосре-

дованно - через гидродинамические свойства водных масс. При осаадении происходит трансформация исходного гранулометрического состава взвеси, связанная главным образом с процессами растворения и механического распада нестойких частиц. Все биогенные частицы нестойки в океанской воде, а с уменьшением их размера резко увеличивается поверхность взаимодействия с окружающей средой и уменьшается степень их сохранности. В то же время для мелких, практически не оседающих частиц существенное значение приобретают процессы агрегирования за счет коагуляции и биофильтрации, развитые в верхних слоях океана.

В качестве простой математической модели распределения по размерам взвешенных частиц пелитово-алевритовой размерности чаще всего используется гиперболическая функция Кнге:

r(D) = k«D-",

где D - диаметр частиц, М - параметр размера, к - параметр концентрации.

Для удаленных от источников взвеси районов океана с очень низкой концентрацией взвеси значения параметра М в модели Юнге близки к 4 [Brun-Ccitan, 1976; Sheldon et al., 1972; McCave, 1975; Lerman et al. , 1977; Pak et al. , 1980]. По сложившимся представлениям [Harris, 1977; McCave, 1983, 19843 это имеет место при условии агрегативной устойчивости дисперсной систем океана, когда процессы агрегирования частиц уравновешиваются процессами их диспергирования.

При нарушении агрегативной устойчивости дисперсной системы (появлении избытка частиц на каком-либо участке размерного спектра) на прямой F(D) образуется изгиб, и появляются два значения М. В этом случае функция Юнге принимает вид [Jonasz, 1983]:

F(D) = k^.D-"*, при 2 мкм < D < De и F(D) = k='D-"=, при D„ < D < 32 мкм; здесь D" - диаметр частиц, при котором изменяется № Для удобства сопоставлений приведенная форма записи функции распределения F(D) сохранялась и в случаях, когда Мг=М^.

Отклонение функции F(D) от гиперболического закона (изменение параметра размера М), вызывается, в частности, гетерогенностью гранулометрического состава взвеси и различием ме-. ханизмов трансформации размера частиц на разных участках

- 10 -

размерного спектра СМсСауе, 1984].

Так, если для частиц с диаметром < 2 мкм определяющим является молекулярно-кинетический характер движения с соответствующим механизмом коагуляции (за счет соударений в результате броуновского движения), то для частиц с диаметром > 5-8 мкм - гидродинамический, при котором коагуляция будет определяться процессами турбулентной диффузии и дифференциации частиц при оседании. В промежутке между указанными размерами существует переходный режим. Скорость броуновской коагуляции значительно выше, чем гидродинамической. При достаточной концентрации мелких (субмикронных) частиц это приводит к накоплению агрегатов в размерном интервале с переходным режимом (2-8 мкм) и появлению изгиба на прямой Р(0).

Изменение абсолютной величины и появление второго значения М вызывается и другими причинами, например, повышением продуктивности детерминированных по крупности различных видов фито- и зоопланктона или увеличением поступления взвеси из других источников.

2.2. Обобщенные оценки дисперсности взвеси

Интервальные оценки выбранных параметров (табл. 1) дают общее представление о дисперсности взЕеси в Северо-Восточной Атлантике. Район Канарского апвеллинга, резко выделяющийся по океанологическим условиям и по обеспеченности данными, рассмотрен отдельно, в сравнительном плане с остальной частью региона.

Табл. 1. Интервальные оценки дисперсности взвеси Атлантического океана.

Показатели Северо-Восточная Канарский

дисперсности * Атлантика апвеллинг

С„, млн. шт./л 0,91-34,3 2,56-73,4

С_, см= /л 0,53-16,1 1,28-29,9

С^, чнм 0,07-2,4 0,17-5,8

1/мм 530-1090 460-1090

* С„ - численная концентрация взвеси, С. - площадь поверхности взвеси, С^ - объемная концентрация взвеси, -удельная поверхность взвеси.

Полученные данные (табл. 2) показывают значительную изменчивость параметров размера модели Юнге. • Вместе с тем, сравнение с имеющимися оценками [МсСауе, 1975], позволяет говорить о статистической устойчивости параметров размера М* и М=, по крайней мере за пределами районов со значительно повышенной биопродуктивносгью (Канарский апвеллинг).

Табл. 2. Среднеарифметические значения и стандартные отклонения параметров размера взвеси а) Северо-Восточная Атлантика

Глуби-1 на, м \ 0 5 20-85 150 200-1000 1500-3200

Число 1 проб ! 10 56 51 23 15 4

Мх 13,5(0,2) 3,6(0,3) 3,6(0,4) 3,8(0,4) 3,8(0,4) 3,5(0,5) М= 14,0(0,4) 4,1(0,4) 4,1(0,5) 3,9(0,4) 3,7(0,4) 3,5(0,3)

б) Канарский апвеллинг

Глубина, м ! 5 12-66 100 200-2100

Число проб ! 40 22 5 4

м, ! 3,0(0,4) 2,9(0,3) 3,3(0,4) 3,5(0,4)

М= : 3,8(0,9) 3,8(0,4) 4,2(0,5) 4,0(0,4)

Интервальные оценки характеристик дисперсности взвеси Балтийского моря приведены отдельно (табл. 3), поскольку их нельзя сопоставлять с аналогичными оценками по Атлантике из-за различия в диапазонах измерения и объемах проб, ¿¿м не менее, они дают представление о сезонной изменчивости

дисперсности взвеси, чего не позволяют сделать имеющиеся данные по Атлантике. Достаточно условное разделение всего массива данных по Балтике на два интервала в зависимости от глубины позволяет получить определенное представление о дисперсности взвеси в двух основных вертикальных структурных зонах Балтики, разделенных галоклином: поверхностной (расп-ресненной) и глубинной (осолоненной).

Табл. 3. Обобщенные характеристики дисперсности взвеси Балтийского моря (обозначения параметров дисперсности см. табл. 1).

Параметр ! дисперс- ! ности 1 лето зима

0-80 м 1 >80 м 0-80 м ! >80 м

С„, млн/л 1 С^, чнм I 1/мм! 1,5-46,2 ! 0,02-1,25 ! 740-1890 ! 1,8-24,0 0,04-0,81 990-2010 3,6-59,9 0,09-2,81 900-1760 ! 6,5-32,1 1 0,20-1,31 ! 880-1700

кол-во проб! 162 : 77 99 ! 45

В Балтийском море - полузамкнутом бассейне умеренных широт с сильной плотностной стратификацией вод существенную роль в распределении взвеси и ее дисперсности играют вертикальные плотностные границы (пикноклины), подверженные сезонной и синоптической изменчивости, а также сероводородное заражение глубинных вод и связанный с ним геохимический барьер "кислород-сероводород".

2.3. Северо-Атлантический субполярный фронт (Гольфстрим)

Для анализа барьерной роли Гольфстрима, в отношении дисперсности взвеси был рассмотрен меридиональный разрез, пересекший воды Саргасова моря, фронтальную систему в районе разделения собственно Гольфстрима на ветви ("дельта" Гольфстрима) и перехода его в Северо-Атлантичесое течение (CAT), зону горизонтальной трансформации ("склоновые воды") и воды Лабрадорского моря. На разрезе были получены значения харак-

теристик дисперсности взвеси для поверхности океана (0-5 м) и для слоя пониженной прозрачности вод, глубина которого определялась с помощью зонда-прозрачномера и колебалась от 30 до 70 м.

Наиболее резкие возмущения меридионального хода наблюдались в "дельте" Гольфстрима. Особенно острые пики, как на поверхности, так и в слое пониженной прозрачности, отмечены на северной границе южной струи CAT, стежень которой совпадает с ответвлением субполярного фронта [Баранов, 1972].

Поскольку наши исследования проводились в поверхностном слое океана, где сосредоточен процесс фотосинтеза, и развитие фитопланктона является основным источником взвеси в рассматриваемом размерном диапазоне, то изменение параметра размера М при диаметре частиц 6-8 мкм (признак накопления частиц указанного размера и отклонения от равновесия) с большой вероятностью можно связать именно с развитием фитопланктона [Jonasz, 1982].

Таким образом, распределение концентрации и дисперсности взвеси на рассмотренном разрезе позволяют утверждать, что барьерная роль североатлантического субполярного фронта наряду с другими литолого-геохимическими показателями проявляется и в дисперсности Езвеси, а именно: в увеличению! концентрации взвеси по сравнению с районами, удаленными от фронтальной зоны, и в аномалиях распределения взвеси по размерам. фронтальные границы служат причиной нарушения устойчивости размерного спектра взвешенных частиц, которая выражается в соответствии размерного спектра гиперболическому закону (закону Юнге).

2.4. Канарский апвеллинг

Квазисиноптический временной масштаб выполненной океанологической съемки позволяет учитывать большую часть изменчивости апвеллинга, поскольку обусловленность прибрежного ап-веллинга экмановским дрейфом, направленным в сторону открытого океана, подразумевает сильную зависимость его проявлений ("событие апвеллинга") от синоптической изменчивости ветра [Абрамов, Кооль, 1986; Войтов, Дурбас, 1986].

Анализ суровых метеонаблюдений показал, что наш измерения проводились в период стихания северо-восточного сильного (до 1: м/с) гассатного ветра и его замещения более слабым север:-западным ветром, т. е. - во время затухания ( релаксации) 5лвеллинга [Абрамов, Кооль, 1985]. За период выполнения съемка гидрологическая ситуация не перетерпела существенных изменений, что позволило сделать допущение о стационарности ситуации и строить карты распределения океанологических по-дей. Ь результате исследований было выявлено, что:

:. Структура поля концентрации взвеси приповерхностного слоя зод района Канарского апвеллинга в квазисиноптическом iscnrriSe тесно связана с гидрологической ситуацией - "событием апзеллгага". В период затухания апвеллинга скопления взвесг образуются во фронтальных зонах, возникающих на краях поперечных (по отношению к берегу) холодных фронтальных струй.

2. Механизм поперечных фронтальных струй (filaments), связанных с элвеллингом, обеспечивает перенос взвеси от прибрежных районов на несколько сотен километров в открытый океан. Величина этого переноса на рассмотренном участке Канарского апвеллинга составляет не менее 5-10 млн. тонн осадочного вещества в год.

С-. Распределение взвеси по размерами (в единицах объемной концентрации) в районе Канарского апвеллинга является долим: дальным, что может быть объяснено присутствием нескольких еидов планктона Сочетания мод соответствуют особенностям гидрологической ситуации.

Учитывая сходство механизмов образования прибрежных ап-зеллкнгоз, южно предположить, что выводы, полученные в районе ?анарского апвеллинга, в обших чертах справедливы и для других алвелдингов.

2.5. Борнхольмская впадина

Бсрнхольмекая впадина - первый на пути соленых (плотных) оеверсмсрсккл вод относительно глубоководный бассейн Балтики. 5е стационарность течений здесь в значительной степени овяз^нз с пудьсационным характером водообмена между Северным л Балтийским морями.

- -О -

Проьедензое сопоставление гидрологической ситуации с распре делением ззвеси на период выполненной съемки показало, что:

1. Обсгааеннае взЕесыо гридонные воды мелководного Ар-конского бассейна, попадая : Борнхольмскую впадину, отрываются от дна и ксопикничееки распространяются в верхней части пикноклина тзке в виде относительно прозрачной интрузии. Это указывает на быотрув разгрус>г/ от взвеси этих вод при входе в Борнхольмскую зпадину, что объясняется потерей скорости движения интругли при е-е заглублении и приближении к соответствующему из:пикничесгаму тровнню.

2. Поскольку затоки з Борнхольмскую впадину аномально плотных, проникающих через пк-гоклин, североморских вод редки, то большинство лрндоЕЗЫх ннтрузий в нижней части пикноклина все-таки сгрьшаюггея от хна. Плотность вод здесь значительно выте, чту в верхней чести пикноклина, и разгрузка от взвеси происходи нэ так быстро. Как следствие, возможно образование промелуточных нефелоидных слоев. Выяснение природы скоплений взЕеен в нижней: части пикноклина (глубины 70-75 м) осложняется действием геохимического источника взвеси на барьере "кислорсд-еерозодгорог".

3. Интрузиоинне струк, распространяющиеся в толще вод Борнхольмской вгадины с заглублением, представляют собой гидродинамический г-еханиэ м ус-зрения седиментации.

4. Пикноклин играет барьерную роль не только как слой концентрировании взвешенного осадочного вещества [Емельянов, 1982; 1986], но и как слой, "напирающий" богатый взвесью фо-тический сзой .верхней кваглоднородный слой), т.е. препятствующий седхментацга возникающих там частиц.

5. Осложнении в распределении взвеси вызываются синоптической нестационарностыо течений, генерирующей внутрипикнок-линные вихри (КЗ). В свлзи : низкими концентрациями взвеси в пикноклнне роль рассмотренных ВПВ в переносе взвеси, по-видимому, не бкла значительной. Однако в штормовых условиях или при экстремальны затоках североморских вод в Борнхольмскую впадину ЕПВ, пс-виггмому, могут служить достаточно эффективным механизмом как вертикального, так и горизонтального переноса ввзепзенного осаоочного вещества :: поэтому требуют специального изучения в :едиментологическом плане.

Глава 3. ПРИЗНАКИ ПРИДОННЫХ АБИССАЛЬНЫХ ТЕЧЕНИЙ В ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОМ СОСТАВЕ ОСАДКОВ

3.1. Абиссальная равнина Хаттерас

Рассмотренный район удовлетворяет нескольким важным для достижения поставленной цели требованиям. Во-первых, он находится на достаточном удалении от источников поступления осадочного материала, что позволяет считать обоснованным допущение о пренебрежимо малом влиянии мисточникое на гранулометрический состав осадков. Во-вторых, условия осадкообразования в пределах полигона в целом неблагоприятны для аути-генного минералообразования [Мурдмаа, 1979], что также свидетельствует в пользу "чистоты" гидродинамического сигнала. В-третьих, в нем сравнительно хорошо изучена современная придонная циркуляция и заведомо существуют участки с различной активностью течений, что удобно для сравнения осадков [Amos е.а, 1971; MsCave, Tucholke, 1986].

Почти все полученные нами гранулометрические распределения (размерные спектры) осадков характеризовались наличием максимума (моды), образуемого частицами с диаметром 13-19 мкм. Менее выражена была мода 21-28 мкм. В некоторых пробах для частиц > 32 мкм был отмечен рост их содержания по мере укрупнения.

На материалах HEBBLE было показано [Driscoll et al., 1985], что при изучении механической (гидродинамической) дифференциации осадочного вещества в придонном слое океана необходимо различать два дополняющих друг друга процесса: а) взмучивание и вынос тонких частиц периодически возникающими придонными штормами (экстремальные течения), б) удержание во взвешенном состоянии, перенос на значительные расстояния и сортировка при переотложении взмученных осадков более слабыми, но и более стабильными термохалинными течениями - элементами общей циркуляции океана (средние течения).

На полигоне HEBBLE результатом гидродинамической сепарации, проходящей при оседании взвешенных частиц в придонном слое океана стало возникновение в поверхностных осадках моды

10-17 мкм [McCave, 1985]. Теоретические оценки показали соответствие этой моды скорости течения 10-18 см/с (средние течения). Присутствие в осадках абиссальной равнины Хаттерас близкой моды 13-19 мкм позволяет дать ей аналогичную гидродинамическую интерпретацию. ■

Результаты проведеных исследований подтвердили выводы HEBBLE об информативности тонкодисперсных фракций осадков для изучения абиссальной циркуляции океана, а именно: 1) мелкоалевритовая мода 13-19 мкм распределения частиц осадка по размерам, формируясь в процессе седиментации, отражает интенсивность постоянной составляющей придонного потока; 2) крупноалезритовая (мелкопесчаная) мода является продуктом эрозионной деятельности флуктуаций придонного течения, достигающих экстремально высоких скоростей.

3. 2. Глубоководный проход Кейн

С палеоокеанологической точки зрения самого пристального внимания заслуживают те редкие колонки осадков, которые получены з гидродинамически активных зонах и имеют относительно однородный состав без признаков размыва и переотложения.

Проход Кейн (колонка ППЬ872) находится на подводной возвышенности Сьерра-Леоне, которая на несколько километров приподнята над океанскими котловинами и пересекает пути распространения глубинных и придонных водных масс Атлантического океана. Такого рода подводные поднятия являются ключевыми для реконструкции палеотечений абиссали [Бараш, 1988], особенно в районах глубоководных каналов (проходов), через которые осуществляется водообмен между соседними котловинами.

Скорость среднего потока оценивалась по величине отношения "мелкий алеврит /пелит", а отклонения от среднего потока (абиссальная вихревая кинетическая энергия) - по сумме песчаной и крупноалевритовой фракций. Дополнительным показателем возможной эрозии осадков послужил коэффициент асимметрии гранулометрического состава, ранее применявшийся для аналогичной цели в Тихом океане С Huang, Vatkins,1977].

Были выявлены следующие особенности придонного течения ААПВ в проходе Кейн:

1. Ускорение среднего потока в конце относительно теплых климатических периодов, соответствующих изотопно-кислородным стадиям 5 и 3, и его последующее ослабление во время ледниковых стадиалов. Причины ускорений предположительно связаны с интенсификацией вертикальной конвекции вод полярных районов океана перед началом очередных этапов похолодания климата (по аналогии с зимней конвекцией). По мере усиления похолодания и развития ледового покрова над районами образования глубинных и придонных вод конвекция затухает.

2. Резкое ослабление среднего потока на границе плейстоцена и голоцена, т. е. в конце последнего оледенения. Полученный факт хорошо уклад,ывается в представления о застойности глубин океана во время дегляциации [ЬоГичап, 1978; Могиг^оп, 1968], когда таяние ледниковых покровов служило мощным источником относительно легких распресненных вод, которые в сочетании с очень плотными ледниковыми глубинными и придонными водами создавали исключительно устойчивую стратификацию океана, препятствующую вертикальной конвекции и формированию холодных глубинных вод.

3. В раннем и среднем голоцене средний поток оставался слабым, хотя и имел тенденцию к усилению. Предположительно в последние несколько тысяч лет средний поток в проходе Кейн значительно усилился. И это усиление сопровождалось увеличением абиссальной вихревой кинетической энергии, что привело к эрозии дна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. В широком диапазоне океанологических условий в качестве модели распределения тонкодисперсных (< 30 мкм) частиц взвеси по размерам используется гиперболическая модель Юнге. По нашим данным, также как и по данным других исследований, размерные параметры модели Юнге (в ее дифференциальной форме) в отдельных пробах могут сильно отличаться, но их средние значения, как правило, стремятся1к 4, т.е. прослеживается статистическая устойчивость размерных параметров гиперГиперболическое распределение частиц по размерам является

признаком агрегативной устойчивости дисперсной системы океана, когда в равновесии находятся процессы агрегирования и диспергирования частиц. Такое равновесие достигается в условиях малой изменчивости концентрации и дисперсности взвеси, т. е. на достаточном удалении от источников поступления осадочного вещества в океан, болической модели.

Обнаруженные нами отклонения от равновесных распределений в поверхностном слое океана объясняются высокими концентрациями взвеси в слое фотосинтеза, а также непосредственным влиянием отдельных видов фитопланктона, имеющих биологически обусловленные размеры .

Распределение взвеси по размерам , как правило, является полимодальным, что определяется видовым составом планктона. Сочетания мод (максимумов распределения) соответствуют особенностям гидрологической ситуации.

Z. В районах с сильной плотностной стратификацией вод существенную роль в распределении концентрации взвеси и ее дисперсности играют вертикальные плотностные границы (лито-• лого-геохимический барьер "пикноклин"), подверженные сезонной и синоптической изменчивости.

Барьерная роль гидрофронтов (Северо-Атлантического субполярного фронта и апвеллинговых фронтов, в частности) наряду с другими литолого-геохимическими показателями проявляется как в увеличении концентрации взвеси так и в аномалиях распределения взвеси по размерам. Фронтальные границы являются одной из причин нарушения агрегативной устойчивости морской дисперсной системы, а следовательно вызывают отклонения от гиперболического закона распределения частиц по размерам.

3. Механизм поперечных фронтальных струй (filaments), связанных с апвеллингом, обеспечивает перенос взвеси от прибрежных районов на несколько сотен километров в открытый океан. Величина этого переноса на рассмотренном участке океана в районе мыса Кап-Блан составляет не менее 5-10 млн. тонн осадочного вещества в год.

Интрузионные струи, изопикнически распространяющиеся в толще вод (Борнхольмская впадина Балтийского моря), не только транспортируют осадочное вещество в горизонтальном направлении, но и представляют собой гидродинамический механизм

ускорения седиментации.

Осложнения в распределении взвеси вызываются также и знутрипикноклинными вихрями. Предположительно они могут служить достаточно эффективным механизмом как вертикального, так и горизонтального переноса взвешенного осадочного вещества и поэтому требуют специального изучения в седименто-догическом - плане.

Таким образом, синоптическая нестационарность течений ("события апвеллинга", фронтальные струи, интрузии, внутри-пикноклинные вихри) вызывают неоднородность литолого-геохимических барьеров "гидрофрозт" и "пикноклин", на которых образуются скопления взвеси. Это приводит к существенным отклонениям мгновенных концентраций и гранулометрического состава взвеси от соответствующих ереднемноголетних значений.

4. Гранулометрические критерии придонной гидродинамической активности, аналогичные использованным в проекте НЕВВЬЕ, подтверждают чувствительность тонкодисперсных фракций осадков к особенностям абиссальной циркуляции океана (район абиссальной равнины Заттерас), а именно:

1) мелкоалевритозая мота 13-19 мкм распределения частиц осадка по размерам, формируясь в процессе седиментации, отражает интенсивность средней составляющей придонного потока;

2) крупноалевритовая (мелкопесчаная) мода является продуктом эрозионной деятельности флуктуаций (отклонений от среднего значения) придонного течения, достигающих экстремально высоких скоростей.

Рассмотренные гранулометрические критерии (и их разновидности) при соблюдении определенных условий могут использоваться для палеоокеанологических исследований. Так, с их помощью для глубоководного прохода Кейн (подводная возвышенность Сьерра-Леоне в экваториальной Атлантике) выявлено усиление средней состазляюпей скорости придонного течения Антарктических придонных вод в конце относительно теплых климатических периодов, и его последующее ослабление во время ледниковых стадиалов. Отмечено также резкое ослабление средней составляющей течения во время последней дегляциации, когда таяние полярных ледниковых покровов служило мощным источником относительно легких распресненных вод, которые в

сочетании с очень плотными ледниковыми глубинными и придонными водами создавали исключительно устойчивую стратификацию океана. Вертикальная конвекция в этих условиях практически прекращалась и сЕежие глубинные воды не формировались.

Связь придонной циркуляции с климатическими колебаниями значительно осложнена влиянием локальных и региональных факторов. Поэтому отмеченные выше закономерности требуют дальнейшего изучения и проверки независимыми методами.

5. Наряду с основными выводами, соответствующими задачам исследования, были получены и некоторые косвенные результаты. Они относятся, главным образом, к Борнхольмской впадине Балтийского моря, которая может рассматриваться как перспективная натурная модель для изучения процессов океанского се-диментогенеза. В частности, ниже галоклина эрозионно-аккуму-лятивные процессы в Борнхольмской впадине характеризуются большей стабильностью и меньшей средней энергией по сравнению с мелководным, однако периодически усиливающийся вток североморских вод (1 раз в год-два) приводит к возникновению струйных придонных течений, которые осуществляют размыв осадков и создают характерные формы донного рельефа: эрозионные каналы и насыпные осадочные тела. Разветвление траекторий придонных струйных течений обусловлено гидродинамической неоднородностью вод, поступающих из Арконской впадины, и пересеченным рельефом дна.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Сивков В. В. , Стрюк В. Л. Концентрация водной взвеси в районах Гольфстрима и Канарского апвеллинга. - В кн.: Физические и океанологические исследования в тропической Атлантике. М., Наука, 1986, с. 54-64.

2. Сивков К К Многомерный лиголого-геохимический признак позднечетвертичных перемещений Гольфстрима - Рукопись представлена Атлантическим отделением Института океанологии им. ЕЕ Ширшова АН СССР. Деп. в ВИНИТИ, 1987, N° 7941-В87, 12 с.

3. Сивков а В. , Тримонис Э. С. Литологические признаки придонного палеотечения в глубоководном проходе Кейн (Центрально-Восточная Атлантика). - Океанология, 1990, т. 30,

вып. б, с. 957-962.

4. Стрюк Е Л. , Йокшас К. К , Кулешов А. Ф. , Сивков Е Е , Журов Ю. И. Альбом гидрологических, гидрохимических, оптических и седиментологических измерений в Балтийском море (сентябрь-октябрь 1989 г.). - Калининград, 1977. - 55 е. -Рукопись представлена Атлантическим отделением Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР. Деп. в ВИНИТИ в 1990 г. , N° 4695-В90.

5. Сивков Е Е, Буренков Е И. Концентрация и дисперсность взвеси в приповерхностных водах Канарского апвеллинга (по материалам квазисиноптической съемки). - Океанология, 1991, т. 31, вып. 6, с. 929-934.

6. Сивков Е В, Журов Ю. И. О специфике скоплений взвеси во впадинах Балтийского моря. - Океанология, 1991, 31, зып. 6, с. 1060-1066.

7. Сивков Е Е Дисперсность взвеси в поверхностных водах северо-восточной части Атлантического океана. - Океанология, 1992, т. 32, вып. 3, с. 577-582.

8. Свиридов Н. И. , Сивков Е Е Использование сейсмоакусти-ческих данных для изучения придонных течений юго-западной Балтики. - Океанология, 1992, т. 32, вып. 5, с. 941-947.

КТИРПХ. Заказ 199. Тираж 70 экз. Объем 1,0 п.л.