Геохимические особенности современных донных осадков восточной части моря Лаптевых (на примере губы Буор-Хая)

Актуальность работы. Современный этап изучения и освоения ресурсного
потенциала шельфовых морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского диктует
необходимость глубокого изучения их природы и на этой основе решения обширного
ряда фундаментальных и прикладных проблем. Наряду с огромными углеводородными
ресурсами (Геология и полезные ископаемые…, 2002; Павленко, 2013 и др.) восточно-
сибирский шельф сосредотачивает в себе значительные ресурсы твердых полезных
ископаемых россыпного происхождения, среди которых преобладают золото, платина,
олово, редкометалльные и титановые россыпи (Бортников, 2015). Металлоносные
россыпи приурочены к олигоцен-миоценовым и прибрежно-морским плиоцен-
позднеплейстоценовым образованиям (Патык-Кара и др., 2001; Патык-Кара, 2002; 2003).
В регрессивные эпохи позднего плейстоцена восточно-арктический шельф осушался и
промерзал. Периоды трансгрессий завершались расширением и перестройкой его
структурного плана. Таким образом, к настоящему времени коренные россыпи
восточно-сибирского шельфа в большинстве случаев оказались погребенными более
молодыми прибрежно-морскими отложениями (Павлидис, Никифоров, 2000;
Геоэкология, 2001). Результат захоронения отразился в сокращении участков
россыпеобразования и снижении их продуктивности (Патык-Кара, 2002).
Исключениями стали только реликтовые подводные возвышенности, известные как
Приленское и Семеновское мелководья. Данные останцы субаэрального рельефа
находятся в современной аседиментогенной литодинамической зоне внутреннего
шельфа, поэтому их поверхности перекрыты реликтовыми песками (Дударев и др., 2010;
2014; 2015). На этом фоне до сих пор остается слабоизученной минералого-
геохимическая специализация верхнего литостратиграфического горизонта, т.е.
современных осадков, образовавшихся за последние 2-2.5 тыс. лет субатлантического
периода голоцена (Павлидис и др., 1998; Кошелева, Яшин, 1999). С этих позиций
наибольший интерес вызывают заливы – приемные бассейны стока крупнейших
Сибирских рек. Одной из таких структур-ловушек осадочного материала является губа
Буор-Хая. Согласно Н.Г. Патык Кара (Патык-Кара, 2002), она характеризуется
потенциальными россыпями золота и редких металлов, принимает сток реки Лена и по
перечисленным обстоятельствам рассматривается в качестве приоритетного и
идеального полигона для исследований. Мотивацией для получения новых знаний,
которые бы позволили достоверно и достаточно подробно оценить формирование
геохимической специализации современных донных осадков прежде всего послужила
интенсификация геолого-разведочных работ на стратегические сырьевые ресурсы.
Другим генерирующим необходимость исследований важным фактором являются
современные климатические изменения, негативно влияющие на состояние
многолетнемерзлых пород прибрежно-шельфовой криолитозоны. Последствие такого
воздействия проявляется в расконсервации и вовлечении в биогеохимический цикл
огромного пула древнего органического вещества (Семилетов, 1999; Semiletov et al.,
2007; 2011; Shakhova et al., 2017). Роль органического вещества реликтового и речного
происхождения крайне высока в областях смешения речных-морских вод, поскольку
оно контролирует процессы водной миграции и осаждения многих химических
элементов (Биогеохимия океана, 1983; Лисицын, 1994; Гордеев, 2012; Маслов и др.,
2014; Демина, 1982). Последний мотивирующий фактор заключается в недостаточном
массиве междисциплинарных данных. Имеющаяся для губы Буор-Хая в открытом
доступе ограниченная информация базируется на результатах геологической съемки
масштаба 1:200000 только для некоторых участков подводного берегового склона губы.
Работы выполнялись «ВНИИМоргео» в 80-90-х годах прошлого столетия с целью
прогнозных изысканий на металлоносность (Геологическое строение…, 1984; Кошелева,
Яшин, 1999; Патык-Кара, 2003). Несколько образцов для геохимических исследований и
датировок отобраны в рамках российско-немецкой программы «Система моря
Лаптевых» (Holemann et al., 1999). Незнание и поэтому, возможный недоучет
характерных особенностей формирования химического состава губы могут усложнить
представления о реальном геохимическом облике осадков, перекрывающих древние
россыпи. В определенной степени новые данные будут полезными при планировании
освоения многообразного ресурсного потенциала восточно-сибирского арктического
шельфа. Более того, выявление геохимических особенностей современных осадочных
процессов имеет важное значение для реконструкции палеоусловий формирования
месторождений полезных ископаемых. Решаемые в работе фундаментальные и
практические задачи полностью согласуются с разработанной Правительством РФ
концепцией ФЦП «Мировой океан», принятой в июне 2015 г. на период 2016-2031 гг.
Цель работы: изучение литолого-геохимических особенностей современных
донных осадков моря Лаптевых.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: (1) оценить
средние содержания химических элементов в донных осадках; (2) выявить особенности
геохимической специализации донных осадков и определить основные факторы,
контролирующие пространственное распределение химических элементов, а также
способствующие их накоплению; (3) охарактеризовать минералогическую
специализацию тяжелой подфракции донных осадков; (4) изучить особенности
формирования литологической структуры донных осадков; (5) типизировать обстановки
современного осадконакопления по литобиогеохимическим характеристикам.
Фактический материал и методы исследования. Фактическим материалом для
написания данной работы послужили пробы взвеси и донных осадков, отобранные в
губе Буор-Хая во время научно-исследовательских экспедиций. С целью получения
исходного материала осуществлялись:
(1) пробоотбор донных осадков, включая поверхностный слой (дночерпатель Van
Veen, бокскорер) и керны (малая гравитационная труба, корер «GEMAX», установка
разведочного бурения «УРБ-4Т»;
(2) отбор воды (1.8-5 л батометры системы Niskin), выделение взвешенного
материала (фильтровальная система Millipore). Для выявления общего содержания
взвеси вода фильтровалась через мембраны с диаметром калиброванных проб 0.45 мкм
(Charkin, 2011);
(3) регистрация термохалинной структуры водной толщи обеспечивалась зондами
«SBE19 plus» или «SBE19 plus V2» (Semiletov, 2011).
В пробах донных осадков анализировались:
– гранулометрический состав частиц (лазерный дифракционный микроанализатор
«Analysette 22 Fritsch», при необходимости метод совмещался с традиционным
классическим водно-механическим анализом (Петелин, 1961). Литологическая
типизация осадков и взвеси проводилась на основе трехкомпонентной классификации
ТОИ ДВО РАН по соотношению содержания фракций песка Ps (1-0.1 мм), алеврита A
(0.1-0,01 мм) и пелита Pl (<0,01 мм) (Лихт и др., 1983). Основные принципы использованной типизации сопоставимы с классификациями ИО АН СССР и ВНИИОкеангеологии (Петелин, 1961; Кошелева, Яшин, 1999). – химический состав. Инструментальным нейтронно-активационного методом INAA определялись концентрации 36 элементов в ГЕОХИ им. В.И. Вернадского РАН. Точность анализов макроэлементов ±1%, микроэлементов ±10%; – содержание Сорг (пиролизатор «Rock-Eval 6 Turbo», производитель VINCI Technologies). Анализы выполнялись в международной научно-образовательной лаборатории изучения углерода арктических морей ТПУ, а также в лабораториях Международного Арктического центра при университете штата Аляска, Фэрбанкс; – изотопный состав органического углерода, δ13C (изотопный масс-спектрометр «Delta V advantage» фирмы «Thermo Fisher Scientific»). Исследования проводились в лаборатории геохимии и пластовых нефтей ТомскНИПИнефть; – состав тяжелой минеральной подфракции крупно-алевритовый фракции (Петелин, 1957); – содержание общего азота N. Анализ выполнялся на элементном CHNS- анализаторе в центре коллективного пользования ТПУ. Полученные результаты обрабатывались различными методами статистической обработки. Основные защищаемые положения. 1. Геохимической специализацией донных осадков губы Буор-Хая являются повышенные содержания Na, K, Ba, Co, Ni, As, Se, Hf, Ta, U, La, Gd, Tb, Dy, Ho и пониженные Ca, Br, Cs по сравнению с их содержаниями в осадочных породах континентальной коры. 2. В пространственном распределении химических элементов в донных осадках губы Буор-Хая проявлена субмеридиональная латеральная зональность, обусловленная разными источниками осадочного материала в восточной и западной частях губы, а также гидрологическим разделом в осевой части, выполняющим барьерную функцию и ограничивающим перенос и обмен веществом. 3. Среднее содержание органического углерода в терригенных породах губы Буор-Хая составляет 1,9 %. Максимальные его концентрации приурочены в прибрежной зоне дельты р. Лена. Установлена значимая прямая корреляционная связь органического углерода с Fe, Cr, Co, Ni, Zn, Sc, Br. Научная новизна. Впервые выявлены геохимические особенности донных осадков одного из наиболее крупных и перспективных на погребенные металлоносные россыпи заливов-ловушек восточно-арктического шельфа – губы Буор-Хая. Для практически всех химических элементов выявлена линейная субмеридиональная структура полей распределения. Она обусловлена взаимодействием стоковых и шельфовых вод и определяет различный уровень содержания элементов в западной и восточной частях губы. На основании анализа массива междисциплинарных данных впервые выполнено районирование акватории губы по характеру процессов, контролирующих биогеохимический состав донных осадков. Впервые построены карты распределения 37 химических элементов в поверхностном слое донных осадков. Теоретическая и практическая значимость работы. Практическая значимость определяется возможностью использования результатов диссертации для решения прикладных задач, как например планирования освоения ресурсного потенциала района, палеореконструкций условий арктического литогенеза и прогноза его возможных изменений. Изложенные в работе данные расширяют представления о современных осадочных процессах, а также восполняют дефицит информации по геохимическим, минералогическим и литологическим особенностям донных осадков моря Лаптевых. Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 в журналах, входящих в перечень ВАК и базу данных Scopus и Web of Science. Результаты исследований были представлены на российских и международных конференциях и форумах: AGU Fall Meeting (США, г. Сан-Франциско, 2015), XIX, XX, XXI Международных научных симпозиумах студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2015- 2017 гг.), X Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире (Пермь, 2017), Международном форуме, посвященном изучению биогеохимических последствий деградации вечной мерзлоты в Северном Ледовитом океане (г. Томск, 2016), IX, X Всероссийских научных молодежных конференциях с международным участием с элементами научной школы имени профессора М.К. Коровина «Творчество юных – шаг в успешное будущее» (г. Томск, 2016-2017). Также результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедры геологии и разведки полезных ископаемых НИ ТПУ. По теме исследований автор принимал участие в выполнение работ по мегагранту Правительства Российской федерации (грант 14 Z50.31.0012) и гранту Российского научного фонда (грант 15-17-20032). Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач, выборе методики исследований. Автор принимал участие в 5 научно-исследовательских экспедициях в период с 2014 по 2016 гг., в ходе которых им была собрана большая часть фактического материала, используемого для написания данной работы. Автор участвовал в отборе донных осадков и взвеси, гидрологических и буровых работах, натурных наблюдениях. При участии автора были получены и обработаны результаты гранулометрического, нейтронно-активационного, пиролитического, хромато-масс-спектрометрического, минералогического анализов донных осадков. Автором лично сформулированы защищаемые положения, проведена статистическая обработка и обобщение полученных результатов, которые изложены в диссертационной работе