Латеральные потоки взвешенного вещества на разрезе “Кольский меридиан”

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018-9-4-109-117 УДК 551.465

М. В. Митяев, М. В. Герасимова, Л. Г. Павлова, Е. И. Дружкова

Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН, г. Мурманск, Россия

ЛАТЕРАЛЬНЫЕ ПОТОКИ ВЗВЕШЕННОГО ВЕЩЕСТВА НА РАЗРЕЗЕ "КОЛЬСКИЙ МЕРИДИАН"

Аннотация

В работе рассмотрены основные особенности распределения взвешенного вещества на разрезе "Кольский меридиан". Выявлена поперечная структура латеральных потоков взвеси и дана оценка литодинамики западной части Баренцева моря.

Ключевые слова:

взвешенное вещество, латеральные потоки, нефелоидный слой, Баренцево море.

M. V. Mityaev, M. V. Gerasimova, L. G. Pavlova, E. I. Dryzhkova

Murmansk Marine Biological Institute KSC RAS, Murmansk, Russia

LATERAL FLOWS OF THE SUSPENSION MATERIAL ON THE SECTION "KOLA MERIDIAN"

Abstract

The paper discusses the main features of the distribution of suspended matter on the section "Kola Meridian". The transverse structure of the lateral slurry flows was determined and the litodynamics of the western part of the Barents Sea was estimated.

Keywords:

suspended matter, lateral flows, nepheloid layer, Barents Sea.

Введение. Одна из важнейших геологических задач в исследовании шельфовой зоны - выявление закономерностей распределения потоков вещества в толще вод. Основная масса твердых частиц в океане перемещается во взвешенном состоянии (Айбулатов, 1990). Изучение этой части потока вещества по существу решает проблему его динамики в целом.

Сведений о пространственном распределении взвеси в Баренцевом море недостаточно (Quantitative ..., 1977; Медведев, Потехина, 1986, 1990; Новые ..., 1999; Влияние ..., 2004; Biogeochemistry ..., 2005; Митяев, Герасимова, 2007). Для их пополнения в июле 2017 г. Мурманским морским биологическим институтом была проведена экспедиция в Баренцево море на НИС "Дальние Зеленцы". Сбор фактического материала был выполнен вдоль разреза "Кольский меридиан" (33.5° в. д.) - от Мурманского поднятия на юге (73.5° с. ш.) до желоба Короля Карла на севере (78.7° с. ш.). Стратегия изучения взвеси

заключалась в пересечении основных форм рельефа, контролирующих потоки вещества, направленные как в Баренцевоморский бассейн, так и из него с целью последующего определения удельных и суммарных расходов вещества в потоках.

В Баренцево море поступают теплые воды из Северной Атлантики, которые имеют низкую концентрацию взвеси (Новые ..., 1999), характерную для открытых вод Мирового океана. В северной акватории моря происходит смешивание теплых атлантических вод с водами Северного Ледовитого океана, которые также характеризуются высокой прозрачностью и, как следствие, низкой концентрацией взвеси (Матюшенко, Ушаков, 1993).

Результаты исследований взвеси и латеральных потоков взвешенного вещества в Баренцевом море (лето 2017 г.). Ранее установлено (Медведев, Потехина, 1986; Арктический ..., 1987; Суздальский, 1974; Влияние ..., 2004; Митяев, Герасимова, 2007), что основные источники поступления взвешенного материала в Баренцево море - абразия берегов, эрозия дна, твердый сток рек, лед, биологические процессы, атмосферные аэрозоли. К этим источникам можно добавить и техногенные (Гуревич, 1989; Новые ..., 1999). Очевидно, что источники взвешенного материала и районы его депонирования находятся преимущественно в самом Баренцевом море. Аллохтонными являются взвеси Белого, Карского морей и взвесь, поставляемая течениями из Северной Атлантики и Арктики. Их роль еще следует оценить, но по предварительным оценкам она не менее значительна, чем местных источников. Основными факторами переноса взвешенного материала в толще вод Баренцева моря следует считать различного рода течения, ветровое волнение, льды и айсберги, биогенные потоки, гравитационные потоки, широко проявленные на границах положительных и отрицательных форм рельефа (Морфоструктуры ., 2003).

Рассмотрим поперечную (профильную) и вертикальную структуры горизонтальных потоков взвеси в центральной части Баренцева моря.

На меридиональном разрезе по 33.5° в. д. отчетливо видна поперечная структура баренцевоморских вод, входящих в Баренцево море (с запада и севера) и выходящих из него (на юго-запад), и латеральных потоков взвешенного вещества (рисунки 1, 2). На рисунке 1 изображена поперечная структура летних вод Баренцева моря, где на наш взгляд можно выделить четыре крупных течения. В южной части моря (южнее Демидовской возвышенности) теплые атлантические воды практически полностью заполняют данную акваторию, вероятно, это центральная и северная ветви Нордкапского течения. В северной части (севернее Демидовского желоба) в верхней 150-180-метровой толще воды господствуют холодные воды, поступающие из Северного Ледовитого океана по желобам Франц-Виктория и Орла, ниже залегают трансформированные баренцевоморские воды. На Демидовской

возвышенности и в Демидовском желобе отчетливо видна поперечная структура придонного течения баренцевоморских вод и сопровождающий его горизонтальный поток взвеси направленный из центральных районов Баренцева моря в Медвежинский желоб. В желобе Короля Карла и на возвышенности Персея выявляется поперечная структура придонного течения, вероятно, несущая холодные воды из впадины Альбанова (северо-восточная акватория Баренцева моря) в сторону Зюйдкапского желоба. Атлантические и арктические воды формируют два входящих в Баренцево море потока, по-разному насыщенные взвешенным веществом (рис. 2). Придонные течения, выходящие из Баренцева моря, имеют сопоставимые концентрации и распределения взвеси.

Рис. 1. Температура воды на разрезе "Кольский меридиан" в июле 2017 г. Fig. 1 Water temperature at the section "Kola Meridian" in July 2017

Рис. 2. Концентрация взвеси на разрезе "Кольский меридиан" в июле 2017 г. Fig. 2. Concentration of the suspended matter at the section "Kola Meridian" in July 2017

Несмотря на определенные различия в концентрациях взвешенного вещества (рис. 2) в вертикальном распределении взвеси на юге и севере, есть много общего. Максимумы концентрации взвеси приурочены к 10-метровому

горизонту и придонному слою воды (нефелоидный слой, рис. 3). Абсолютный максимум концентрации взвеси отмечается в нефелоидном слое, и практически повсеместно превышает 0.9 мг/л (до 2.2 мг/л).

Южнее вершинной поверхности Демидовской возвышенности толща воды между глубинами 10 и 210 м характеризуется низкой концентрацией взвеси - 0.2-0.4 мг/л. Этот слой прозрачной воды непрерывен вплоть до возвышенности Персея (77.5° с. ш.). Прозрачные воды подстилаются слоем воды, обогащенной взвешенным веществом, градиент (нефелоклин) концентраций взвеси располагается на разной глубине, но не более 80 м от дна (в среднем 40-60 м).

Рис. 3. Вертикальное распределение концентраций взвеси на разрезе "Кольский меридиан"

Fig. 3. Vertical distribution of the suspended matter concentrations at the section "Kola Meridian"

На северном склоне Демидовской возвышенности, в Демидовском желобе и на южном склоне Центральной возвышенности толща воды между глубинами 70 и 200 м характеризуется повышенной концентрацией взвеси - 0.5-0.9 мг/л. Выше глубины 70 м располагается слой прозрачной воды (0.2-0.5 мг/л) с максимумом на горизонте 10 м (до 0.64 мг/л). По всей акватории четко проявлен нефелоидный слой с концентрацией взвеси более 0.9 мг/л (до 2.05 мг/л), нефелоклин выражен четко, а мощность нефелоидного слоя не превышает 60 м.

Над вершинной поверхностью Центральной возвышенности основная толща воды характеризуется низкой концентрацией взвеси (0.30.5 мг/л). Мощность нефелоидного слоя не превышает 20 м.

Наиболее высокие концентрации взвеси фиксируются над возвышенностью Персея (включая его седловину) и в желобе Короля Карла (рисунки 2, 3). Здесь низкие концентрации взвеси зафиксированы в

верхнем 3-метровом слое воды (менее 0.3 мг/л) и в ядре арктических вод (0.4-0.6 мг/л) на глубине 20-50 м. В остальной толще воды концентрации взвеси превышают 1 мг/л, достигая максимума в нефелоидном слое - до 2.2 мг/л. Мощность нефелоидного слоя достигает 70 м в желобе, сокращаясь до 10 м на склонах поднятий.

Повсеместная повышенная концентрация взвеси на 10-метровом горизонте, вероятно, является отражением скачка плотности в толще воды и сопровождающих его биологических процессов, что характерно и для других арктических бассейнов (Айбулатов, 1990).

Наличие нефелоидного слоя является признаком хорошей перемешиваемости водных масс (Ewing, Thomdike, 1965). Ведущую роль в формировании нефелоидных слоев играют гравитационные течения, способные эродировать рыхлые отложения дна. Другой источник взвеси для нефелоидного слоя - частицы, оседающие из верхних слоев воды. Погружаясь в толщу воды, частицы взвеси не могут осесть из-за достаточно сильных придонных течений и перемещаются вдоль дна в горизонтальном направлении. Нефелоидные слои широко распространены в Мировом океане. Считается, что они приурочены к зонам распространения холодных вод из полярных бассейнов (Пыхов, 1989). Но, как показывает практика, они распространены и в областях, где господствуют теплые течения.

Тонкие частицы взвеси имеют столь малую скорость оседания, что в спокойных условиях они могут и не осесть на дно. Несомненно, что при наличии придонных течений такие частицы будут переноситься на большие расстояния, а нефелоидные слои будут существовать длительное время. Существует два главных способа оседания тонких частицы на дно. Это физико-химическое укрупнение взвеси (коагуляция), что возможно при достаточно высокой концентрации взвешенных частиц, и биофильтрация взвеси, главным из которых является формирование нового пеллетного вещества (Лисицын, 2004).

Схожие результаты были получены Н. А. Айбулатовым с соавторами в 1998 г. по меридиональным разрезам на 37° и 40° в. д. (Новые ..., 1999). Предшественники фиксировали более низкие концентрации взвеси в нефелоидном слое (менее 1 г/л) и арктических водах (0.1-0.4 мг/л). Возможно, что различия по концентрации взвеси в арктических водах связаны с тем, что исследования проводились в разные сезоны года. В 1998 году исследования проводились осенью, в 2017 г. - в середине лета. При этом концентрации взвеси в атлантических водах идентичны (менее 0.4 мг/л).

Интересно, что формирование полярного фронта наблюдалось не в зоне сочленения теплых и холодных вод (76° в. д.), а севернее на 2° (между 77.5° и 78.5° в. д.), в непосредственной близости от кромки льдов.

Исходя из имеющихся данных, можно оценить объем латеральных потоков вещества в западной части Баренцева моря, как входящих, так и выходящих из него. С запада Нордкапским течением в верхнем 200-

метровом слое воды в бассейн поставляется примерно 180 тыс. т взвеси в сутки (при средней концентрации взвеси 0.36±0.04 мг/л). С севера арктические воды поставляют еще примерно 55 тыс. т взвеси в сутки (при средней концентрации взвеси 0.74±0.1 мг/л).

В сутки с придонными течениями баренцевоморских вод из Баренцева моря через Финмаркенскую равнину выносится примерно 110 тыс. т взвеси (при средней концентрации взвеси 1.46±0.26 мг/л), через Демидовскую возвышенность - 40 тыс. т (0.69±0.2 мг/л), через Демидовский желоб - 50 тыс. т (1.58±0.28 мг/л), через возвышенность Персея - 35 тыс. т (1.02±0.12 мг/л) и через желоб Короля Карла - 50 тыс. т (1.62±0.25 мг/л).

Таким образом, в западной части Баренцева моря в границах 33.5° в. д. за сутки перемещается более 0.5 млн т взвешенного вещества. При этом поступление взвешенного вещества в центральные районы Баренцева моря можно оценить в 235 тыс. т в сутки, а вынос - в 285 тыс. т в сутки. Запас взвешенного вещества по разрезу "Кольский меридиан" может составить 125 тыс. т, а вертикальный поток - 20-200 кг в сутки (для Медвежинско-Надеждинского поднятия - 24-231 мг/м2 в сутки; Потоки ..., 1994). Следовательно, главным процессом в литодинамике Баренцевоморского шельфа является латеральное перемещение осадочного вещества с незначительным преобладанием выноса взвеси на периферию бассейна.

На субширотном профиле (рисунки 4, 5), через поднятие Короля Карла и седловину Персея хорошо видна поперечная структура четырех латеральных потоков. Относительно низкими концентрациями взвеси (0.49±0.03 мг/л) характеризуется поток холодных (арктических) вод с пониженной соленостью (34.516±0.021 %о), вероятно, поступающий со стороны желоба Орла (Стурё), который может приносить до 6 тыс. т взвеси в сутки. Под поверхностным течением располагаются охлажденные воды с более высокой соленостью (34.861±0.003 %) и концентрацией взвешенного вещества (0.78±0.11 мг/л), формирующие второй поток. Вероятнее всего, этот поток направлен в северо-западном направлении и может выносить до 9 тыс. т взвеси в сутки. В восточной части разреза (рисунки 4, 5) видна поперечная структура двух потоков (охарактеризованы выше) через желоб Короля Карла, их ширина достигает 20 км. Центральную часть разреза занимают баренцевоморские воды с относительно высокими концентрациями взвеси (0.95±0.13 мг/л), формируют ли данные воды адвекционный поток на основе имеющихся данных сказать нельзя.

32.1° 32.9° в.д.

Рис. 4. Температура воды на субширотном профиле (78.7° с. ш.) в июле 2017 г. Fig. 4. Water temperature at the sublatitudinal profile (78.7° N) in July 2017

32.1° 32.9" В.Д.

Рис. 5. Концентрация взвеси на субширотном профиле (78.7° с. ш.) в июле 2017 г. Fig. 5. Concentration of the suspended matter at the sublatitudinal profile (78.7° N) in July 2017

Заключение. Проведенные исследования позволили получить новые данные о трансграничных латеральных потоках в Баренцевом море, которое является открытой системой, куда поступают и откуда удаляются большие объемы взвешенного осадочного вещества, часть которого успевает аккумулироваться внутри бассейна.

С запада в Баренцевоморский бассейн взвешенное вещество поставляют нордкапские воды Гольфстрима, которые, несмотря на высокую прозрачность, за год перемещают более 65 млн т взвесей. Несомненно, что в составе взвесей много автохтонного фитопланктона и продуктов его жизнедеятельности, а также и аллохтонного вещества, в том числе и различного рода поллютантов. Ранее в атлантических водах выделялась трехслойная структура латерального потока взвесей (Новые ..., 1999), но, вероятно, нефелоидный слой не относится к атлантическим водам, так как он формируется под влиянием баренцевоморских вод и гравитационных течений.

С севера взвешенное вещество поступает в Баренцево море из котловины Нансена через краевые желоба Франц-Виктория и Орла (Стурё). Судя по низким температурам и невысокой солености это

арктические воды, которые характеризуются повышенными концентрациями взвеси. Возможно, насыщение вод взвешенным веществом связано с прохождением течений вдоль трех поднятий морского дна (плато островов Белый, Виктория и Короля Карла). С этими водами за год в бассейн Баренцева моря может поступать до 20 млн т взвеси.

Придонные баренцевоморские воды перемещаются в западном и северном направлениях, компенсируя приток атлантических и арктических вод. Они насыщенны взвесью, которая повсеместно формирует нефелоидный слой. Если повсеместное распространение нефелоидного слоя во внутренних районах моря фиксировалось и ранее (Новые ..., 1999), то для северных акваторий наличие нефелоидного слоя в целом отрицалось, что объяснялось интенсивным перемешиванием водных масс. В целом только в нефелоидном слое баренцевоморские воды в год перемещают более 100 млн т взвеси. Несомненно, что часть взвешенного вещества аккумулируется в локальных седиментационных ловушках (Современная ., 2002), но существенное количество осадочного вещества может выноситься из Баренцева моря.

Подводя итоги, отметим главное - в современной литодинамике Баренцевоморского шельфа преобладает латеральное перемещение осадочного вещества, с выносом взвесей на периферию бассейна.

Работа выполнена по теме 9-18-03 в рамках государственного задания № 0228-2018-0016.

Литература

Айбулатов Н. А. Динамика твердого вещества в шельфовой зоне. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 272 с.

Арктический шельф Евразии в позднечетвертичное время / А. А. Аксенов, Н. Н. Дунаев, А. С. Ионин и др. М.: Наука, 1987. 278 с.

Влияние ледников Новой Земли на современное осадконакопление на примере залива Русская гавань (Северный остров архипелага Новая Земля) / Н. В. Политова, В. П. Шевченко, Н. А. Айбулатов и др. // Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде северных регионов. Архангельск: Изд. АГТУ, 2004. Т. 2. С. 172-176.

Гуревич В. И. Техногенная седиментация на западно-арктическом шельфе // Проблемы кайнозойской палеоэкологии и палеогеографии морей Северного Ледовитого океана: Тез. докл. 3-й Всесоюз. конф. Апатиты: Изд. КНЦ АН СССР, 1989. С. 18-19.

Лисицын А. П. Потоки осадочного вещества, природные фильтры и осадочные системы "живого океана" // Геология и геофизика. 2004. Т. 45, № 1. С.15-48.

Матюшенко В. А., Ушаков И. Е. Экологический экспресс-мониторинг прозрачности морской воды прибрежных акваторий архипелага Новая Зекмля, Баренцева и Белого морей // Тр. Мор. Аркт. комп. экспед. 1993. Т. 2. Вып. 3. Новая Земля. С. 142-149.

Медведев В. С., Потехина Е. М. Количественное распределение и особенности динамики взвеси в юго-восточной части Баренцева моря // Океанология. 1986. Т. 26, № 4. С. 639-645.

Медведев В. С., Потехина Е. М. Количественное распределение и особенности динамики взвеси в юго-западной части Карского моря // Современные процессы осадконакопления на шельфе Мирового океана. М.: Наука, 1990. С. 110-120.

Морфоструктуры западной части Баренцевоморского шельфа / М. В. Митяев, В. Б. Хасанкаев, Г. А. Тарасов, В. А. Голубев // Океанология. 2003. Т. 43, № 4. С. 611620.

Митяев М. В., Герасимова М. В. Геохимия взвешенного вещества вблизи активного ледника Павлова (залив Иностранцева, архипелаг Новая Земля) // Вестн. Южного науч. центра. 2007. Т. 3, № 3. С. 51-62.

Новые данные о поперечной структуре латеральных потоков взвешенного вещества по периферии Баренцева моря / Н. А. Айбулатов, В. А. Матюшенко, В. П. Шевченко и др. // Геоэкология. 1999. № 6. С. 526-540.

Потоки осадочного вещества в Карском море и в эстуариях Оби и Енисея / А. П. Лисицын, В. П. Шевченко, М. Е. Виноградов и др. // Океанология. 1994. Т 34, № 5. С. 748-758.

Пыхов Н. В. Донные пограничные слои в океане: состояние экспериментальных исследований гидрофизических процессов // Исследование придонного слоя океана буксируемыми аппаратами. М.: Изд. Ин-та океанологии РАН, 1989. С. 8-39.

Современная литодинамика и седиментационные ловушки Медвеженского желоба Баренцева моря / Г. Г. Матишов, М. В. Митяев, В. Б. Хасанкаев и др. // Докл. РАН. 2002. Т. 384, № 6. С. 818-820.

Суздальский О. В. Литодинамика мелководий Белого, Баренцева и Карского морей // Геология моря. 1974. Вып. 3. С. 27-33.

Biogeochemistry of the Kem' River estuary, White Sea (Russia) / V. P. Shevchenko1, Y. S. Dolotov, N. N. Filatov et al. // Hydrology and Earth System Sciences, 2005. № 9. Р. 57-66.

Ewing M., Thorndike E. M. Suspended matter in deep ocean water // Science. 1965. V. 147. P. 1291-1294.

Quantitative distribution of suspension and suspended organic carbon in the Kara and Barents Seas / V. P. Shevchenko, A. P. Lisitsin, G. I. Ivanov et al. // Natural Conditions of the Kara and Barents seas: Proceedings of the Russian-Norwegian Workshop-95. Oslo: Norsk Polarinstitutt, 1977. Rapport № 97. P. 431-435.