Маргинальные фильтры океанов
Океаны умеют защищаться от пагубной деятельности человека. Как это происходит, выяснили российские океанологи.
Океанологи давно заметили, что неподалеку от устьев рек содержание примесей в морской воде значительно снижается по сравнению с речной водой. Замечено, что это снижение нельзя объяснить простым смешением «грязной» речной и «чистой» морской воды. То есть, здесь работают так называемые естественные маргинальные фильтры (ЕМФ). Ученые из Института океанологии им. П.П. Ширшова (ИОРАН) решили построить физическую модель этих естественнфых фильтров, тщательно исследовав устья нескольких великих рек: Лены, Енисея, Оби и Амазонки.
Оказалось, что в маргинальных фильтрах океанов задерживается 90-95% взвешенных и 30-40% растворенных веществ и загрязнений речного стока.
Как показали исследования, естественные фильтры весьма сложны. Их можно представить в виде пяти последовательных ступеней, каждая из которых имеет свою, только ей присущую функцию. На первых двух происходит гравитационное осаждение песчано-алевритового материала (из которого обычно состоят летние слои ленточных глин) и коагуляция глинистого вещества (более мелкого по сравнению с песчано-алевритовым) – сильного сорбента. На третьей ступени из растворов возникают флоккулы (лат. flocculi, от floccus — клочок) новых мощных сорбентов – органического вещества и оксигидратов железа, происходят процессы сорбции и десорбции. Два заключительных этапа – биологические. На одном из них растворенные формы элементов (в том числе биогенных) переводятся во взвеси, в частности накапливаются в клетках фитопланктона. На другом происходит заключительная принудительная фильтрация всей взвеси организмами-фильтраторами, входящими в состав зоопланктона, связывание в крупные комки-пелетты (гранулы), и перевод вещества из воды в донные осадки. В результате, если в воде речного стока до прохождения ею естественного фильтра преобладают взвешенные формы элементов, то после него – растворенные.
Сейчас в планах исследователей ИОРАН – изучить работу фильтров Арктики зимой.
Источник
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт океанологии им. П.П. Ширшова
Российской академии наук
Лисицын Александр Петрович (1923 – 2020)
Геолог, академик РАН
доктор геолого-минералогических наук, профессор
Руководил Лабораторией физико-геологических исследований
Геолог, академик РАН (1994), доктор геолого-минералогических наук (1966), профессор (1974), действительный член РАЕН (1991), главный научный сотрудник (2017).
В 1941-1945 гг. служил в Советской армии штурманом авиации дальнего действия на северо-западном фронте. По заданию Комитета обороны участвовал в перегоне самолетов с заводов СССР на фронт, из США по трассе Аляска – Сибирь (АлСиб), в 1944-1945 гг. – в бомбардировках глубоко за линией фронта.
В 1950 г. окончил Московский геологоразведочный институт. С 1949 г. работает в Институте океанологии. Специалист в области литологии и геохимии донных осадков морей и океанов. Основные исследования посвящены изучению закономерностей осадкообразования, механизма осадочного процесса, литологии водной, воздушной и ледовой взвеси, гидротермальным процессам на дне океана. Им разработаны новые направления в науке: учение о взвеси в океане, биодифференциации вещества в океане, о закономерностях осадочного процесса, лавинной и ледовой седиментации; установлено решающее значение биоса на всех этапах седиментации.
С 1950 г. ведет работу по изучению литологии водной, воздушной и ледовой взвеси. Работы по литологии взвеси дали возможность по-новому оценить закономерности осадочного процесса.
Выполнил детальные исследования вклада эндогенного вещества в океанское осадконакопление; провел наблюдения в ходе 30 личных погружений в океане на подводных аппаратах «Пайсис» и «Мир». Развил новые направления исследований, а также приемы геологического картирования донных осадков, в том числе с помощью обитаемых глубоководных аппаратов. Участвовал в составлении 8 атласов, включая «Атлас Антарктиды», «Морской Атлас». На базе новых фактических данных сформулировал основные закономерности осадочного процесса в океане – учение о зональности океанской седиментации. Выделил и описал глобальные типы осадочного процесса в океане: ледовый, умеренный, гумидный, аридный и экваториальный гумидный. Учение о зональности подтверждено многочисленными новыми данными, в том числе полученными с помощью глубоководного бурения, и является в настоящее время широко известным. Большое внимание уделяет разработке учения о быстрой и сверхбыстрой (лавинной) седиментации в океане и о связанных с ней перерывах в осадконакоплении.
Начиная с 1-го рейса НИС «Витязь» в Охотское море, принимал участие более чем в 30 экспедициях во все части Мирового океана. В 17 экспедициях, из них в 3-х международных, участвовал в качестве начальника экспедиции. Принимал участие в организации и проведении первых Советских Антарктических экспедиций, возглавлял морской геологический отряд в двух первых экспедициях на д-э «Обь».
В 1968 г. первым из советских ученых был приглашен принять участие в рейсе глубоководного бурения на «Гломар Челленджер», много лет входил в разные экспертные группы по глубоководному бурению океанов. Вместе с коллективом сотрудников лаборатории занимался обработкой кернов многих рейсов бурения. Это дало возможность впервые в стране развить новое направление в океанологии – палеоокеанологию, или геологическую историю океанов. С 1972 г. руководил первыми работами по изучению гидротерм и руд на дне океана (8-й рейс НИС «Дмитрий Менделеев» в юго-восточную часть Тихого океана). С 1980 г. эти исследования проводятся сначала с помощью обитаемых аппаратов «Пайсис», а затем впервые для этих работ в 1988 г, были применены глубоководные аппараты «Мир». В ходе этих исследований были установлены огромные масштабы поступления глубинного вещества на дно океана – они более чем в 10 раз превышают масштабы наземного вулканизма. Открыты новые гидротермальные поля, в том числе в тыловых частях островных дуг западной части Тихого океана.
В 1978 году руководил эколого-геохимической экспедицией на НИС «Академик Курчатов» по изучению антропогенного стресса в Балтийском море – первого крупного специализированного рейса по такой тематике. Результаты этого рейса изложены в трехтомной коллективной монографии. Последние годы вел исследования в Арктике – в море Лаптевых, Карском, Баренцевом и Белом морях с применением принципиально нового комплекса работ для изучения процессов на барьере река–море и в области материкового склона. На основании этих и более ранних исследований сформулировал концепцию маргинального фильтра океанов. Разработана модель маргинальных фильтров разных климатических зон, определена их роль в предохранении океана от загрязнений, включая и радиоактивные загрязнения. Установлено, что маргинальные фильтры задерживают 93–95% взвешенных веществ, поступающих с суши (включая загрязнения), и около 40% растворенных. Природные маргинальные фильтры – пятиступенчатые, включают абиогенную и биогенную части. В них сочетается действие физических, химических, биологических и седиментационных процессов. После прохождения фильтра в речной воде содержание взвеси снижается в 50–100 раз.
Лидер Ведущей научной школы по океанскому осадкообразованию, им подготовлено 11 докторов наук, около 30 кандидатов наук.
С 1974 г. он – организатор и председатель оргкомитета Международных конференций (Школ) по морской геологии. Он член Научного комитета по проблемам Мирового океана, Национального комитета Российских геологов, член редакционных советов журналов “Океанология” и “Арктика: экология и экономика”, член Литологического комитета РАН. Лауреат Государственных премий (1971, 1977), лауреат международной премии им. Ф. Шепарда (1968), премии “Триумф-Наука” (2008), премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники за 2012 г.
Заслуги А.П. Лисицына перед Родиной и наукой высоко оценены, среди его наград орден «Красной Звезды» (1945), орден «Отечественной войны» (1945), орден «Знак Почета» (1961), орден «Трудового Красного Знамени» (1975), орден «Дружбы народов» (1983), орден «Почета» (1998), орден «За заслуги перед Отечеством IV степени» (2009), медаль «Академик П.П. Ширшов» (2014 г.).
Является автором более 500 научных работ, в том числе 31 монографии (из них 12 личных), 6 монографий на английском и японском языках.
Источник
Лисицын маргинальный фильтр океанов
Маргинальные фильтры возникают в зонах смешения речных и морских вод в устьях рек. Здесь происходят значительные по масштабам процессы флоккуляции и коагуляции растворенных (коллоидных) и взвешенных веществ, образование свежих оксигидратов железа, алюминия. Работа седиментационной и сорбционной частей фильтра дополняется еще биоассимиляцией и биофильтрацией. Все эти процессы приводят к тому, что в среднем для рек мира в этой зоне откладывается 93-95% от взвешенных и 20-40% от растворенных веществ речного стока (включая загрязнения). Главное значение имеет глинистый сорбент (осаждение 15.2 млрд. т в год), на втором месте ОВ-сорбент (352 млн. т взвешенной и 20-25 млн. т в виде флоккул органического вещества), на третьем Fe-сорбент (1.28 млн. т свежеобразованных и 170 млн. т раскристаллизованных оксигидратов). Рассмотрены особенности работы маргинальных фильтров Арктики.
Зоны смешения двух наиболее распространенных на Земле типов вод — речных и морских — изучены в основном с точки гидрологии, морфологи и гидродинамики [ Залогин и Родионов, 1969; Михайлов и др., 1986; Найду и Меватт, 1979; Самойлов, 1952; Симонов, 1969 ]. Однако до настоящего времени не получила должного признания глобальная роль зоны смешения как глобального фильтра взвешенного и растворенного вещества, поступающего в океан с континентов. Только за последние годы на основе исследований ученых разных стран стала вырисовываться по отдельным фрагментам эта сложная и крупномасштабная система, в которой объединяется деятельность живого и неживого (косного) вещества, вносимого как с континентов, так и порожденного океаном.
Маргинальный фильтр представляет собой довольно узкий в глобальных масштабах пояс (от сотен километров для крупных рек до сотен метров для мелких), где происходит смешение речных и морских вод. Этот пояс расширяется близ устьев крупных рек и в гумидных климатических зонах со значительным речным стоком и сжимается, сходя на нет, в аридных зонах океанов. Здесь исходная речная вода подвергается сложному воздействию разнообразных сорбентов, организмов, биофильтрации и ряду других характерных только для этой области процессов, что приводит к глубоким ее преобразованиям, к удалению почти всех взвешенных в воде веществ, многих металлов как в растворенных, так и во взвешенных формах, органического вещества и др.
Поэтому устьевые области (области маргинальных фильтров), занимающие менее 10% поверхности океана и менее 0.5% по объему, забирают более 90% осадочного вещества, металлов и солей, поступающих с суши; на эту область приходится более 30% первичной продукции! Накопление больших количеств органического вещества в устьях рек прошлого привело к тому, что здесь возникали крупнейшие нефтегазовые месторождения и месторождения каменного угля.
Скорости химических преобразований, в том числе биохимических процессов, в маргинальном фильтре значительно выше, чем в открытом море.
В маргинальных фильтрах происходит взаимодействие двух уникальных солевых и взвесевых (в том числе коллоидных), биологических резервуаров нашей планеты: морской воды и поверхностных вод континентальных блоков. Для каждого из резервуаров характерен особый состав и свойства, в них содержится значительное количество элементов и соединений в различных формах.
В процессе смешения двух конечных членов особенно большое значение имеют коагуляция и флоккуляция, сорбция (ионный обмен), а также биологические процессы — биоассимиляция, биофильтрация и др. Таким образом, маргинальный фильтр — это уникальная система химического и биохимического реактора, действующая в условиях небольших глубин (давлений) и низких температур. Это система глобальная по масштабам: ежегодно в нее подается 35550 км 3 речной воды, в которой содержится 18.53 млрд. т взвешенных веществ, из них в пределах фильтра ежегодно осаждается 17.05 млрд. т (92%) [ Лисицын, 1977; 1988 ]. Здесь же осаждается значительная часть (20-40%) растворенных в речной воде элементов и соединений. Столь мощный захват осадочного вещества системой маргинального фильтра приводит к седиментационному голоданию пелагических частей океана, к глубоким преобразованиям осадочного вещества, поступающего с суши.
Маргинальные фильтры — это главная область накопления взвешенного и частично растворенного углерода. Здесь накапливается в год около 360 млн. т Сорг взвешенного (из речного стока 392 млн. т) и 80-90 млн. т растворенного Сорг (около 40%). Это также и главная область поглощения углерода, связанного с деятельностью человека. По подсчетам здесь накапливается до 15% от углекислоты, образующейся от сжигания топлива всех видов ( 10 15 г ) [ Ocean Margin …, 1991 ]. Эти выкладки представляются на современном этапе достаточно спорными, поэтому необходимы исследования в ключевых районах и зонах, в первую очередь в малоизученных областях Арктики, где сохранность терригенного углерода очень высокая.
В масштабе времени могут быть выделены различные по продолжительности состояния фильтра: мгновенное во время наблюдений, сезонное (паводок, межень, зимнее и летнее состояние), многолетнее (10 1 -10 3 лет), соответствующее времени последнего послеледниковья (10 3 -10 4 лет), соответствующее стадиям оледенения и межледниковий (10 4 -10 6 лет).
Маргинальные фильтры — часть областей лавинной седиментации (первый глобальный уровень), системы меняющейся во времени. Эти изменения в целом одновременны для всей планеты и связаны с изменениями уровня Мирового океана. В настоящее время отмечается медленный подъем уровня океана (около 1 мм в год) и его высокое стояние, характерное для межледниковий. К современному положению уровень океана подошел около 6 тыс. лет назад, соответственно заняли свое положение и маргинальные фильтры. Во время оледенений, в том числе последнего с максимумом около 18 тыс. лет назад, положение маргинальных фильтров резко менялось. При снижении уровня океана на 120- 140 м во время оледенений, устья рек смещались на внешние части шельфа или даже выходили на континентальные склоны, а осадочный материал, накопленный при высоком стоянии моря в эстуариях и дельтах, сбрасывался под воздействием волновой абразии к основанию континентального склона. Таким образом, именно здесь следует искать остатки былых маргинальных фильтров межледниковий и более ранних времен [ Лисицын, 1988 ]. Эти колебания уровня океана выражаются не только в образовании областей лавинной седиментации второго глобального уровня, но и связаны с глобальной переброской осадочного вещества с верхнего уровня на нижний при понижениях береговой линии и базиса эрозии. Очень существенно также и то, что загрязнения разбавляются здесь, доводятся до безопасных содержаний большим количеством инертного осадочного вещества. Все это делает проблему маргинальных фильтров весьма важной для понимания влияния антропогенного стресса на природу океана.
СЕДИМЕНТОСИСТЕМЫ МАРГИНАЛЬНОГО ФИЛЬТРА
Впечатляют масштабы осаждения взвешенных в речной воде частиц при встрече речной и морской воды. Главное значение для крупных (алевритовых и песчаных) зерен взвеси играет резкое снижение скорости несущего потока, что приводит к уменьшению вертикальной составляющей турбулентного потока и осаждению частиц. Для более мелких частиц пелитовой размерности, обладающих свойствами природных коллоидов, главное значение имеет другой процесс — смешение пресной воды с морской — электролитом. Это приводит к коагуляции и массовому выпадению тонкой части взвеси.
Приведем некоторые количественные характеристики процессов осаждения в маргинальных фильтрах.
1. Изучение взвеси в реках и в океанах [ Лисицын, 1974 ] показало, что на границе река-море содержание взвеси падает от средних значений 460 мг/л для речных вод до 0.1-0.2 мг/л в среднем для океанских вод, т.е. здесь происходит скачкообразная разгрузка осадочного вещества со снижением содержания в тысячи раз. Исследованиями взвеси в устьях рек бассейна Черного и Каспийского морей, а также Балтики, Белого и Баренцева, морей Дальнего востока было установлено, что в среднем около 90% взвеси, поставляемой реками в моря, осаждается в зоне смешения вод и в пелагиаль не проникает. Независимые исследования были проведены для ряда рек Европы, Африки, Азии учеными разных стран. Они дали сходные результаты — около 90-95% осадочного вещества осаждается на небольших по площади участках в устьях рек (таблица).
2. Не менее четким количественным показателем напряженности седиментационных процессов в фильтре служат значения потоков осадочного вещества. Например, для открытых частей Карского моря, находящихся за пределами фильтра, летние значения потоков составляют в верхних слоях воды (вне зоны придонного нефелоида) 1-20 мг м -2 сут -1 , а в маргинальном фильтре Оби — 1321 мг м -2 сут -1 , Енисея 22156 мг м -2 сут -1 . Таким образом, значения потоков осадочного вещества в маргинальных фильтрах в сотни и тысячи раз выше, чем за их пределами.
3. Многочисленные данные по скоростям седиментации показывают, что для областей река-море характерны скорости более 100 мм/1000 лет (местами более 1000 мм/1000 лет).
На основе собственных и опубликованных данных, а также материалов нескольких устьевых экспедиций проведенных Отделом физико-геологических исследований Института океанологии, автор предложил называть процесс быстрого (более 100 мм/1000 лет против средних значений для пелагиали 1-3 мм/1000 лет) и сверхбыстрого (более 1000 мм/1000 лет) накопления осадочного вещества лавинной седиментацией [ Лисицын, 1980; 1988 ].
4. Ураганным скоростям накопления соответствуют ураганные значения абсолютных масс (более 5 г/см 2 /1000 лет), появление особых свойств донных отложений, особых текстур, особого химического состава и процессов перемещения осадочного вещества (преобладание гравититов над суспенситами) [ Лисицын, 1988 ]. В 1974 г . автор этих строк на основании впервые составленных карт скоростей седиментации для Мирового океана и карт абсолютных масс определил, что в пелагиаль проникает только 7% от осадочного вещества, поставляемого реками, а 93% осаждается по периферии океана, не выходит за пределы небольших участков шельфа прилегающих к устьям рек [ Лисицын, 1974; 1977; 1984 ].
5. В ходе изучения мощности донных осадков океанов было установлено, что она в пелагиали океанов удивительно мала: в ряде мест составляет первые метры и нигде не превышает 500- 700 м . Выявился дефицит осадочного вещества, осадочная дистрофия пелагиали [ Лисицын, 1977 ]. Более того, при глубоководном бурении было обнаружено, что в разрезах осадочной толщи выявляются длительные этапы неотложения вещества, а также обширные участки размыва отложений. Такие перерывы в осадочной толще обнаружены также и в разрезах осадков шельфа.
Вместе с тем были найдены, как отмечалось, по периферии океана участки с очень высокими скоростями осадконакопления: осадочно-породные бассейны с мощностью осадочных отложений до 10- 15 км [ Лисицын, 1988 ].
Таким образом, все количественные показатели осадочного процесса убедительно показывают, что главная часть взвешенного вещества рек осаждается на небольших по площади участках, прилегающих к устьям рек. Это главная на Земле область седиментации, депоцентр седиментосистемы, область действия маргинальных фильтров.
СОРБЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МАРГИНАЛЬНОГО ФИЛЬТРА
Система маргинального фильтра не только удаляет взвесь, но и захватывает растворенные формы элементов и соединений из речной воды и селективно извлекает ряд элементов, трансформирует состав исходной воды. Здесь располагается крупнейшая на Земле сорбционная система — сложная и образованная из разнообразных сорбентов, новых видов биокосного вещества. Трансформация состава речного стока (взвешенные и растворенные вещества) становится еще более глубокой. Система маргинального фильтра — одна из мощнейших природных систем поддержания ионного равновесия океанской воды на протяжении миллионов лет при всех разнообразных, часто катастрофических, изменениях континентального блока и поступающих в океан речных вод.
Потери взвешенного вещества (в % от общего количества) на границе река-море [ Гордеев, 1983; Ocean Margin …, 1991 ]
Источник