Содержание хлорина в морских осадках как индикатор палеопродуктивности

Вестник ДВО РАН. 2007. № 1

С.П.ЗАХАРКОВ, А.А.БОСИН, С.А.ГОРБАРЕНКО

Содержание хлорина в морских осадках как индикатор палеопродуктивности

Предложенный авторами экспресс-метод определения содержания хлорина в глубоководных морских осадках дал возможность с высоким разрешением по времени (100-300 лет) рассмотреть изменение палеопродуктивности в Охотском море. Полученные данные по концентрации хлорина, потвержденные результатами по органическому углероду и другим параметрам палеопродуктивности, показали увеличение продуктивности моря во время теплых изотопно-кислородных стадий (ИКС 1, 3 и 5) и уменьшение — в холодные (ИКС 2, 4 и 6). Наиболее высокая продуктивность отмечена со времени терминации 1А и начала голоцена, и относительно меньшие значения были во время стадии 3 и подстадий 5а, 5с и 5е. Приведенная уточненная возрастная шкала изученной колонки позволила скорректировать полученные ранее оценки изменения палеопродуктивности в точке отбора этой колонки для времени максимума последнего оледенения и позднего голоцена (0—б тыс. л.н.).

Chlorin content in sea sediments as an indication of sea primary productivity. S.P.ZAKHARKOV, A.A.BOSIN,

S.A.GORBARENKO (V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute FEB RAS, Vladivostok).

An express method for determination of chlorine in deep water sea sediments proposed by the authors allowed us to consider at high resolution a change of paleoproductivity in the Sea of Okhotsk. The obtained data on chlorine concentration, confirmed by the results on organic carbon and other paleoproductivity parameters, showed the increase of sea productivity during warm isotopic oxygen stages and the decrease during cold stages. The highest productivity was registered from the time of 1A termination and the beginning of Holocene; and relatively smaller values were observed during stage 3 and substages 5a, 5c and 5e. The presented modified age scale of the studied core gave an opportunity to revise the obtained earlier estimations ofpaleoproductivity in the studied core for the time of the Last Glacial maximum and the Late Holocene (0—6 kyear ago).

Охотское море, являясь окраинным бассейном, соединяется с Тихим океаном многочисленными проливами Курильской островной гряды, а с Японским морем - через пролив Лаперуза и Амурский лиман - проливами Невельского и Татарский (рис 1). Они обеспечивают возможность водообмена и оказывают существенное влияние на гидрологические характеристики Охотского моря, но главной особенностью его циркуляционной системы является общее циклоническое движение вод вдоль границ всего бассейна [2].

Ранее для различных районов Охотского моря нами было показано, что концентрация органического вещества в поверхностных осадках пропорциональна величинам первичной продукции этих районов [5, 15]. Зная об изменениях первичной продуктивности и имея результаты реконструкции климата в прошлом, можно изучить взаимосвязи изменения климата и продуктивности для различных регионов и выявить основные механизмы влияния климата на продуктивность различных морских бассейнов. В современном

ЗАХАРКОВ Сергей Петрович - кандидат биологических наук, БОСИН Александр Анатольевич, ГОРБАРЕНКО Сергей Александрович - доктор геолого-минералогических наук (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток).

Работа выполнена при поддержке грантов ДВО РАН (№ 06-ІІІ-Б-07-275, № 06-ІІІ-А-07-270, № 06-ІІІ-В-07-283), интеграционных проектов ДВО РАН и СО РАН (06-ІІІ-А-07-478), гранта РАН № 16 «Отклик древних континентальных озер Азии и окраинных морей Дальнего Востока на глобальные изменения атмосферной циркуляции: фазы интенсивного переноса влаги в континентальную Азию из Атлантики и с Восточно-Азиатскими муссонами в плейстоцене-голоцене», РФФИ 06-05-91576 ЯФ-а, а также ФЦП «Мировой океан».

океане продуктивность планктона можно оценить через концентрацию хлорофилла в морской воде, но хлорофилл не сохраняется в осадках, в отличие от значительно более долговечного хлорина (так в палеологии называют совокупность продуктов трансформации хлорофилла а - в основном фитинов и форбидов), поэтому для реконструкции изменений первичной палеопродукции с недавних пор применяется хлориновый метод [8, 9]. Кроме того, он представляется более точным для определения палеопродукции по сравнению с использующими традиционные показатели, поскольку, например, аморфный кремнезем создается только диатомеями, а хлорин - результат жизнедеятельности всего фитопланктона, органический же углерод может быть частично наземного происхождения.

Отработка методики хлоринового анализа явилась одной из задач данного исследования. Также нам представлялось необходимым сопоставить результаты по изменениям концентрации хлорина в осадках колонки ЬУ 28-41-5 (рис. 1) из Охотского моря со сравнительно высоким стратиграфическим разрешением за последние 135 тыс. лет с другими результатами по этой колонке [1], демонстрирующими зависимости продуктивности центральной части Охотского моря от климатических изменений в прошлом, установить корреляцию концентрации хлорина с содержанием органического углерода в осадках, что подтвердило бы пригодность нового метода для изучения первичной палеопродукции.

Колонка донных осадков ЬУ 28-41-5 была отобрана в 28-м рейсе ТОИ ДВО РАН на научно-исследовательском судне «Академик М. А. Лаврентьев» из центральной части Охотского моря в точке с координатами 51°38,9'М, 149°03,3'Е с глубины 1114 м (рис. 1).

135 140 145 150 155 160 В

Рис. 1. Расположение колонки ЬУ 28-41-5

Литологическое описание колонки ЬУ 28-41-5 (715 см):

0-80 см: пелиты алевритовые, диатомовые илы. Осадок мягкий, оливково-зеленый;

80-102 см: пелит алевритовый, диатомово-глинистый, на горизонте 95 см обогащен карбонатным детритом;

102-242 см: алеврит пелитовый с примесью песка, серый; на горизонте 125-129 см наблюдается увеличение количества кокколитов. С горизонта 200 см текстура осадка комковатая (диагенетически преобразована). В интервале 242-247 см имеется прослой вулканического пепла алевритовой размерности (слой К2);

247-610 см: алеврит пелитовый с примесью песка, серый. Текстура осадка комковатая;

610-654 см: пелит алевритовый диатомовый. На горизонте 630-654 см осадок кокко-лито-диатомовый, сильно биотурбирован;

654-710 см: алеврит пелитовый с примесью песка, комковатый, до горизонта 670 см с примесью кокколитов.

Включения гальки ледового разноса обнаружены на горизонтах 145, 178, 182, 260, 342, 350, 355, 525, 550 см.

Из колонки для анализа содержания хлорина отбирался 1 г сухого вещества с интервалом 2,5 см между 0 и 545 см и интервалом 2 см между 551 и 695 см. После перетирания пробы заливали 8 мл 90%-го раствора ацетона и тщательно перемешивали 2 раза. После суточной экстракции при Т +4°С пробы центрифугировали 15 мин при 1000 g. Поглощение супернатанта определяли на спектрофлуориметре ИйасЫ МРБ-4.

При калибровке данных, полученных с помощью флуоресцентного метода, использовался спектрофотометрический метод. Для этой цели параллельно с флуоресценцией на 120 пробах измерялась оптическая плотность образцов на спектрофотометре Shimadzu

иУ-1650РС с точностью до 0,0002. Это достигалось путем графического анализа полученных данных, в которых на плече общего сигнала на длине волны 666 нм измерялся максимум поглощения хлорина в пробе. (Типичный спектр поглощения хлорина в 90%-м растворе ацетона приведен на рис. 2.) Из этих данных можно вычислить абсолютные значения концентрации хлорина [10] по закону Бугера-Ламберта-Бера

применительно к поглощению света растворами поглощающих веществ в непоглощающих растворителях. Зависимость между флуоресценцией и концентрацией хлорина приведена на рис. 3.

В 70 образцах хлорин экстрагировали повторно; рассчитано, что при первой экстракции извлекается около 77 ± 6% хлорина. Следовательно, разделив полученные данные на 0,77, мы получим общее содержание хлорина в осадке.

Рис. 2. Спектр поглощения хлорина, экстрагированного из осадков изучаемой колонки 90%-м раствором ацетона

Количество хлорина

Рис. 3. Связь между флуоресценцией и концентрацией хлорина

Спектрофотометрический анализ экстрактов в колонке ЬУ 28-41 показал, что концентрация хлорина изменяется в пределах от 0,09 до 3,52 мг/г (рис. 4).

Для построения возрастной шкалы осадков данной колонки использованы результаты анализа изотопного состава кислорода планктонных фораминифер (518Опф), тефро-хронология, а также корреляция изменения магнитной восприимчивости (МВ) осадков, содержание в них крупных фракций (КФ) и концентрация элементов органической триады (карбонат кальция, органический углерод и аморфный кремнезем) с опорными возрастными уровнями данных параметров, выявленными ранее в датированных колонках Охотского моря [4, 6, 7].

В колонке ЬУ 28-41-5 определены весовые содержания (%) крупной фракции более 63 мкм, которые аналогично изменению магнитной восприимчивости осадков характеризуют изменения интенсивности терригенной поставки на дно в результате абразии берегов и ледового разноса. В дополнение к традиционной органической триаде нами использованы результаты по изменению содержания хлорина, высокоразрешающие записи которого детально отражают изменения среды бассейна (рис. 4). Согласно литологическому описанию осадка и пиковым значениям МВ и КФ, в интервале 242-247 см расположен прослой вулканического пепла К2 с возрастом 30 тыс. календарных лет [7].

Как было установлено ранее по записям детально датированных колонок Охотского моря [8], повышенные значения МВ и КФ осадков в данном бассейне по времени соответствуют холодным изотопно-кислородным стадиям (ИКС) 2, 4 и 6 при усилении поступления крупного терригенного материала на дно бассейна. Это позволяет провести хроностратиграфию колонки ЬУ 28-41-5 по данным параметрам с возрастом границ ИКС по Мартинсону с соавторами [11].

В стадии 5 данные литофизические параметры по аналогичному признаку позволяют выделить также холодные подстадии 5Ь и 5d и соответственно теплые 5а, 5с и 5е. Положение вулканического прослоя К2 в кровле ИКС 3 хорошо согласуется с установленной хроностратиграфией колонки. Записи параметров органогенной триады и хлорина показывают на увеличение продуктивности и накопления в осадках органогенных компонент во время ИКС 1, 3 и подстадий 5а, 5с и 5е, сформированных в более теплые периоды. Эта зависимость изменения продуктивности Охотского моря от климата подтверждает установленную ранее связь продуктивности этого бассейна с климатическими изменениями в прошлом на основании анализа скоростей аккумуляции органического вещества нескольких колонок. Так, во время максимума последнего похолодания, соответствующего ИКС 2, продуктивность Охотского моря была значительно меньше, чем за последние 6 тыс. лет с климатическими условиями, близкими к современным [5]. Кроме того, согласованность изменений этого ансамбля параметров продуктивности в зависимости от климата подтверждает пригодность определения содержания хлорина в морских осадках как индикатора палеопродуктивности морских бассейнов. Судя по результатам определения всех органогенных параметров, наиболее теплые условия Охотского моря были во время ИКС 5е и 1, что хорошо соответствует глобальным изменениям климата [12, 14].

Граница изотопно-кислородных стадий 1 и 2 фиксируется в колонке на уровне 130 см по быстрому уменьшению §18Опф (рис. 4), которое также отмечалось в других изотопнокислородных записях Охотского моря [4, 7]. Положение этой границы хорошо согласуется с высоко разрешающими записями СаСО3 и хлорина по резкому увеличению содержания этих компонент в начале беллинг-аллеред (БА) - потепления в Северном полушарии 14,6 тыс. календарных лет [4, 6, 7, 12]. В основании ИКС 1 ясно выделяются два типичных для Охотского моря пика концентрации СаСО3 и Сорг 1А и 1Б, соответствующие по времени БА и началу голоцена (14,5-12,7 тыс. и 11,2-9,7 тыс. лет назад соответственно) [3, 6, 7]. Содержание хлорина в это время изменяется параллельно с высокоразрешающей записью СаСО3. Резкое уменьшение в высокоразрешающих записях содержания СаСО3 и хлорина в интервале 100-108 см соответствует установленному ранее в Северном

Рис. 4. Изменение в колонке ЬУ 28-41-5 с глубиной (см) изотопного состава кислорода планктонных форами-нифер (518Опф), содержания хлорина, органического углерода, карбоната кальция, биогенного опала, магнитной восприимчивости осадков и весовые (%) содержания крупной, более 63 мкм, фракции осадка. ЭЯ-3 - поздний дриас, К2 - прослой тефры

полушарии [12] и Охотском море [3] похолоданию поздний дриас 12,7-11,6 тыс. лет назад (11-10 тыс. радиоуглеродных лет) [13]. Хорошо выраженный в изменениях содержания СаСО3 в колонке ЬУ 28-41-5 пик 1С можно сопоставить с аналогичным пиком в других детально датированных колонках Охотского моря с возрастом около 5 тыс. лет [3, 7]. Положение и возраст карбонатного пика 1С хорошо согласуется со временем формирования диатомовых илов и началом максимальных концентраций аморфного кремнезема в голоценовых осадках Охотского моря [7]*.

Для колонки ЬУ 28-41-5 имеются также результаты изучения количественного и видового состава диатомей [1], изменения содержания органического углерода, содержания в осадках материала ледового разноса [3]. Содержание хлорина изменяется в пределах от 0,31 до 15,93 мг/см2 • тыс. лет за прошедшие 135 тыс. лет. Можно видеть максимумы с высокой концентрацией, которые очень хорошо коррелируют с общим органическим углеродом, подтверждая, что по концентрации хлорина можно судить о палеопродуктивности, так как органическое вещество, аккумулируемое в районе колонки ЬУ 28-41-5, в основном морского происхождения.

Итак, для Охотского моря были выявлены взаимосвязи между содержанием хлорина, палеопродуктивностью и изменением климата за последние 135 тыс. лет. В четные ИКС, т.е. в периоды похолодания климата, концентрация хлорина и других палеопродукционных параметров (карбонат кальция, органический углерод и аморфный кремнезем) снижалась, показывая уменьшение продуктивности. В нечетные ИКС, т.е. в более теплые периоды, концентрация хлорина и других палеопродукционных параметров в осадках возрастала. Особенно рельефно эта закономерность проявилась во время событий позднего дриаса. При резком похолодании наблюдались резкое падение концентрации хлорина (хорошо видное благодаря высокому разрешению) и органического углерода и возрастание этих параметров при последующем потеплении начала голоцена.

Таким образом, колебания климата отразились прежде всего в изменении концентрации хлорина, содержания Сорг в осадке.

Данные хлоринового анализа отражают изменения палеосреды и климата и подтверждаются содержанием Сорг, изменениями числа частиц ледового разноса, кислородно-изотопным и другими геохимическими методами (рис. 4). Авторам удалось поставить хорошо воспроизводимую, малотрудоемкую методику определения хлорина в осадках дальневосточных морей, определяя его в экстрактах 90%-го ацетона спектрофлуориметрическим и спектрофотометрическим методами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артемова А.В., Горбаренко С. А., Лесков В.Ю. Палеоокеанологические изменения в Охотском море в течение позднего плейстоцена-голоцена по данным диатомового и геохимического анализов (на примере колонок ОБ 99-10 и ЬУ 28-41) // Океанол. исследования. Владивосток: Дальнаука, 2002. С. 233-243.

2. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. 9. Охотское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / под ред. Терзиева Ф.С. и др. СПб.: Гидрометеоиздат, 1998. 343 с.

3. Горбаренко С. А., Гвоздева И.Г., Соутон Дж.Р. Быстрые изменения среды и климата Охотского моря в голоцене и оледенение // Вестн. ДВО РАН. 2003. № 2. С. 148-156.

* Приведенная в данной работе уточненная возрастная шкала колонки ЬУ 28-41-5 позволила пересмотреть полученные ранее оценки палеопродуктивности Охотского моря в точке отбора колонки на основании расчета средних скоростей аккумуляции органического вещества (потоков) для времени максимума последнего оледенения (ИКС 2) и позднего голоцена (0-6 тыс. лет назад) с условиями климата и уровня моря, близкими к современным [4]. Согласно приведенной выше возрастной шкале осадков ЬУ 28-41-5, средние скорости аккумуляции органики во время позднего голоцена составляли 38,0 мг/см2хтыс. лет, а во время ИКС 2 - 25,7 мг/смхтыс. лет, что согласуется с общей тенденцией уменьшения палеопродукции Охотского моря в холодные климатические эпохи по сравнению с теплыми, по данным десяти колонок из разных частей моря [6].

4. Горбаренко С. А., Чеховская М.П., Соутон Дж.Р. О палеосреде центральной части Охотского моря во время последнего оледенения голоцена // Океанология. 1998. Т. 38, № 2. С. 305-308.

5. Горбаренко С.А., Гольдберг Е.Л. Оценки изменения первичной продукции Охотского и Берингова морей и северо-западной части Тихого океана за максимум последнего оледенения и голоцен // Докл. АН. 2005. Т 405, № 5. С. 673-676.

6. Gorbarenko S.A., Southon J.R., Keigwin L.D. et al. Late Pleistocene-Holocene oceanographic variability in the Okhotsk Sea: geochemical, lithological and paleontological evidences // Palaeo geography, palaeoclimatology, palaeoecology. 2004. Vol. 209. P 281-301.

7. Gorbarenko S.A., Nuernberg D., Derkachev A.N. et al. Magnetostratigraphy and tephrochronology of the upper Quaternary sediments in the Okhotsk Sea: implication of terrigenous, volcanogenic and biogenic matter supply // Marine Geology. 2002. N 183. P 107-129.

8. Harris P.G., Zhao M., Rosell-Mele A. et al. Chlorin accumulaion rate as a proxy for Quaternary marine primary productivity // Nature. 1996. Vol. 383. P 63-65.

9. Higginson M.J., Maxwell J.R., Altabet M.A. Nitrogen isotope and chlorin paleoproductivity records from the Northern South China Sea: remote vs. local forcing of millennial- and orbital-scale variability // Marine Geology. 2003. N 201. Р. 223-250.

10. Jeffrey S.W., Humphrey G. F. New spectrophotometric equations for determing chlorophylls a, b, c and c2 in higher plants, algae and natural phytoplankton // Biochem. und Physiol. Pflanz. 1975. Bd 167. S. 191-194.

11. Martinson D.G., Pisias N.G., Hays J.D. et al. Age dating and the orbital theory of ice ages: Development of highresolution 0 to 300,000-year chronostratigraphy // Quatern. Res. 1987. Vol. 27. P. 1-29.

12. Meese D.A., Gow A.J., Alley R.B. et al. The Greenland ice sheet project 2 depth-age scale: methods and results // J. Geoph. Res. 1997. Vol. 102. C12, 26,411-26,423.

13. Stuiver M., Grootes P., Braziunas T.F. The GISP ô18O climate record of the past 16500 years and the role of the Sun, ocean, and volcanoes // Quatern. Res. 1995. N 44. P. 341-354.

14. Wang Y.J., Cheng H., Edwards R.L. et al. A high-resolution absolute-dated late Pleistocene monsoon records from Hulu Cave, China // Science. 2001. Vol. 294. P. 2345-2348.

15. Zakharkov S.P., Biebow N., Selina M.S., Gorbarenko S.A. Modern primary production, biomass and species composition in the Okhotsk Sea // K0MEX-2000, April 17-20, 2000, Moscow, Russia. Moscow, 2000. P. 62-63.

Новые книги

Геодинамика, магматизм и металлогения Востока России : в 2 кн. / под ред. АИ. Ханчука; ДВГИ ДВО РАН, ИТиГ ДВО РАН, СВКНИИ ДВО РАН, ИВиС ДВО РАН, ИГиП ДВО РАН, ТИГ ДВО РАН

Geodynamics, magmatism and metallogeny of the Russian East : in 2 books / ed. by A.I. Khanchuk. Владивосток : Дальнаука, 2006. - Кн. 1. - С. 1-572 + цв. карта; Кн. 2. - С. 573-981, [10 с.] + 5 п.л. цв. вкл. - ISBN 5-8044-0634-5.

Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

690022, Владивосток, просп. 100-летия Владивостока, 159. Fax: (4232) 31-78-47.

E-mail: oJfice@fegi.ru

Монография представляет собой наиболее полную современную сводку по тектонике, геодинамике, сейсмичности, магматизму и полезным ископаемым дальневосточной окраины России. Охарактеризованы тер-рейны различной геодинамической природы, детально описаны перекрывающие геологические комплексы, магматические и металлогенические пояса, а также месторождения полезных ископаемых, сформировавшиеся в обстановках субдукционного, трансформного и коллизионного взаимодействия литосферных плит и внедрения мантийных плюмов. Показаны современная геодинамика и сейсмичность территории, расшифровано ее глубинное строение. Впервые мезозойская и кайнозойская геодинамическая история Восточной Азии представлена как чередование во времени и пространстве надсубдукционных и трансформных континентальных окраин, установлены тектонические, геохимические и металлогенические индикаторы древних трансформных окраин региона.

The monograph contains the most complete and comprehensive modern information on tectonics, geodynamics, seismicity, magmatism, and minerals of the Russian Far East margin. Terranes of different geodynamic nature as well as the overlap complexes and the magmatic and metallogenic belts are described. Mineral deposits in the environments related to lithospheric plate interaction of subduction, transform, and collision nature and ascending mantle plumes are discussed as well. The present-day geodynamics, seismicity and deep structure of the Russian Far East are considered. Mesozoic and Cenozoic geodynamic history of East Asia was first represented as alternating in time and space suprasubduction-type and transform continental margins. The monograph concerns the tectonic, geochemical and metallogenic signatures for ancient transform margins in the region.

v____________________________________________________________________________________________________y