Вариации изотопного состава кислорода и водорода (δ18O, δD) морских вод и изучение источников опреснения арктических морей на примере заливов Карскоморского побережья архипелага Новая Земля
Введение
Глава 1. Гидрологический режим Карского моря и заливов юго-восточного
побережья Новой Земли
1.1. Карское море
1.1.1 Основные водные массы Карского моря
1.1.2. Речной сток в Карское море
1.1.3. Циркуляция вод в Карском море
1.2. Архипелаг Новая Земля
1.2.1. Заливы Северного Острова
1.2.2. Заливы Южного острова
Глава 2. Методы изотопной геохимии в изучении вод Арктических морей
2.1. Основные понятия и величины
2.1.1. Изотопная система молекулы воды
2.1.2. Изотопные стандарты
2.1.3. Связь величин δ18O и δD, дейтериевый эксцесс
2.1.4. Соленость морских вод
2.2. Связь изотопного состава и солености морских вод
2.3. Методы изотопного анализа морских вод
2.3.1. Определение изотопного состава водорода. Метод разложения
микрообразцов воды на горячем хроме.
2.3.2. Определение изотопного состава кислорода. Метод изотопного
уравновешивания
Глава 3. Результаты
3.1. Воды заливов Северного Острова
3.2. Воды заливов Южного Острова
3.3. Локальные источники пресных вод, талый ледниковый лед
3.4. Воды глубоководных желобов Св. Анны и Воронина
Глава 4. Источники опреснения вод заливов юго-восточного побережья
Новой Земли
4.1.Подходы к идентификации источников опреснения морских вод
4.1.2. Набор реперных линий двухкомпонентного смешения
4.1.2. Дейтериевый эксцесс
4.2. Источники опреснения морских вод в заливах Северного острова Новой
Земли
4.2.1. Залив Благополучия
4.2.2. Залив Седова
4.2.3. Залив Ога
4.2.4. Залив Цивольки
4.3. Источники опреснения морских вод в заливах Южного острова Новой
Земли
4.3.1. Залив Степового
4.3.1. Залив Абросимова
Глава 5. Механизмы опреснения вод в заливах юго-восточного побережья
Новой Земли
5.1. Опреснение подгалоклинных вод
5.2. Опреснение вод поверхностного слоя
5.3. Изотопная систематика опресняющих компонентов вод заливов
Карскоморского побережья Новой Земли
5.4. Сходства и различия процессов опреснения вод заливов Карскоморского
побережья Новой Земли
Заключение
Литература
В Главе 1 «Гидрологический режим Карского моря и заливов юго-
восточного побережья Новой Земли» приведена краткая географическая справка и
даны характеристики основных особенностей гидрологического режима Карского
моря. В данной главе приведена систематика существующих в настоящий момент
представлений об основных типах водных масс и источников пресных вод в
Карскоморском регионе. Также дана общая географическая характеристика юго-
восточного побережья Новой Земли и изучаемых в настоящей работе заливов.
Глава включает разделы 1.1 Карское море и 1.2 Архипелаг Новая Земля.
На Карское море приходится более половины от общего речного стока
сибирской Арктики (более 1.5 тысяч км3 континентального речного стока
ежегодно), что составляет около одной трети от общего континентального стока в
акватории Северного Ледовитого океана (Gordeev et al., 1996). В Карское море
разгружается большое количество рек, но основной объем поступающей пресной
воды приходится на крупнейшие сибирские реки Обь и Енисей (75-80% от всего
объема пресных вод, поступающий в Карское море). По некоторым оценкам, до
40% площади моря затронуто процессами опреснения (Pavlov, Pfirman, 1995). При
столь значительных объемах, в течение года речной сток в Карское море
распределен во времени крайне неравномерно, до 80% речной воды приходит в
море в теплый период года (конце лета – начале осени), при этом пик приходится на
июнь (Harms, Karcher, 2005).
Воды акваторий заливов юго-восточного побережья Новой Земли опреснены,
так же, как и формирующие их воды Карского моря, однако по мере удаления от
влияния континентального стока возрастает роль локальных источников пресных
вод. Помимо речных вод Оби и Енисея к постоянным источникам опреснения вод
заливов Новой Земли можно отнести так же региональные атмосферные осадки,
талый ледниковый лед и локальные пресные водотоки.
Таким образом, можно ожидать, что опреснение вод в заливах Новой Земли
является многокомпонентным, а соотношение глобальных и локальных источников
опреснения, вероятнее всего, неоднородно по глубине.
В Главе 2 «Методы изотопной геохимии в изучении вод Арктических
морей» рассмотрены основные понятия и величины, используемые в геохимии
стабильных изотопов, а так же некоторые подходы, применяемые к интерпретации
изотопных данных и аналитические методы, используемые для их получения. В
разделе 2.1. Основные понятия и величины изложены ключевые термины и
основные принципы работы с изотопными данными. В разделе 2.2. Связь
изотопного состава и солености морских вод систематизированы существующие в
настоящий момент подходы к интерпретации изотопных данных в комплексе с
данными о солености морских вод. В разделе 2.3 Методы изотопного анализа
морских вод приведено подробное описание методик, необходимых для измерения
изотопного состава водорода и кислорода в пресной и морской воде. Комплексное
применение данных методов позволяет изучать две изотопные системы молекулы
воды (δD, δ18O), вследствие чего возможно использование дополнительной
изотопной характеристики природных вод – дейтериевого эксцесса (d)
использование генетической диаграммы δD – δ18O.
Северный ОстровЮжный Остров
22.027.032.026.031.0
00
50S, е.п.с.50S, е.п.с.
2014
1002014 г100
2015 г2015
1502016 г
ГлубинаГлубина
200,м200,м
-24.0-19.0-14.0-9.0-4.01.0
-40.0-30.0-20.0-10.00.0
0
5050
δD, ‰δD, ‰
100100
150150
ГлубинаГлубина
200,м,м
-6.00-4.00-2.000.00-3.0-2.0-1.00.0
00
50δ18О, ‰50
δ18О, ‰
100100
150150
Глубина
,м200Глубина
,м
Рис. 1 Вертикальное распределение солености (S), изотопного состава водорода (δD), кислорода
(δ18O) в водах заливов Северного и Южного островов Новой Земли за три года наблюдений;
пунктиром обозначены характеристики, отвечающие водам атлантического происхождения,
циркулирующим в Баренцевом море (Дубинина и др., 2017).
В Главе 3 «Результаты» систематизированы все данные об изотопном
составе и солености изученных опресненных морских вод. Показано, что во все
годы наблюдений воды всех станций, расположенных в заливах Карскоморского
побережья Северного (левый столбец рис. 1) и Южного (правый столбец рис. 1)
островов Новой Земли, имеют схожую динамику распределения солености и
изотопных параметров по глубине. Воды всех изученных станций на всех глубинах
являются опресненными относительно вод северной Атлантики, (S≈34,9 е.п.с.;
Никифоров, Шпайхер, 1980), которые формируют акватории Баренцева и Карского
морей.
В данной главе так же приведены значения величин δD, δ18O для вод
локальных водотоков и талого ледникового льда. На Северном острове интервал
величин δ18О и δD локальных водотоков составил -16,6 … -12,0 и -120,4 … -86,0‰
соответственно. На Южном острове величины δ18О и δD варьируют слабо, и
интервалы вариаций составляют -12,0 … -11,1 и -88,7 … -79,6 ‰ соответственно.
Интервалы величин δ18О и δD ледникового льда составили -17,6 … -15,4 и -127,1 … –
94,0 ‰ соответственно.
В Главе 4 «Источники опреснения вод заливов юго-восточного
побережья Новой Земли» изложены основные подходы к идентификации
источников опреснения морских вод в условиях многокомпонентного опреснения.
На базе предложенных подходов установлены основные источники опреснения в
заливах юго-восточного побережья Новой Земли, даны оценки количественного
содержания пресных вод различного происхождения и их распределения в водной
толще.
В разделе 4.1 Подходы к идентификации источников опреснения морских вод
обосновано использование набора реперных линий двухкомпонентного смешения
(для вод, имеющих низкую соленость 28-34 е.п.с.) и применение дейтериевого
эксцесса (для вод с соленостью ниже 28 е.п.с.). Пример диаграммы, содержащей
все необходимые для интерпретации изотопных данных линии сравнения, показан
на рис. 2 (для вод залива Цивольки). В разделах 4.2 Источники опреснения морских
вод в заливах Северного острова Новой Земли и 4.3 Источники опреснения морских
вод в заливах Южного острова Новой Земли проведена интерпретация полученных
изотопных данных в координатах δD-S. Эта изотопная система выбрана потому,
что вариации в морских водах величины δD более значительные, чем у величины
δ18O, а точность изотопного анализа этих элементов сопоставима (±0.3‰ и ±0.1‰
соответственно). В результате, анализ данных в координатах δD-S позволяет более
эффективно распознавать смешение нескольких компонентов, а также
идентифицировать процессы замерзания и таяния, которые испытала водная масса.
Залив Цивольки является наиболее представительным из всех изученных
заливов Северного острова, в нем ярче прослеживаются закономерности,
присущие и другим изученным заливам. Все полученные для залива Цивольки
данные на диаграмме в координатах δD-S формируют единую последовательность
(рис.2). Единообразие распределения точек, соответствующих пробам разных лет,
свидетельствует о постоянстве источников опреснения во времени.
33.533.733.934.134.334.5
-1
S, е.п.с.
2016
-2
2015
-22014
-3
-3
-42
-4δD, ‰
Рис.2 Изотопный состав водорода и соленость вод залива Цивольки. Линии отвечают
смешению морского компонента атлантического происхождения с водами Оби (1), Енисея (2) и
региональных Арктических атмосферных осадков (3, по данным Frew et al., 2000). Пунктиром
ограничена область, отвечающая двухкомпонентному смешению морского компонента с
локальным стоком с Новой Земли.
Максимально опресненным водам залива (22
Актуальность темы. На сегодняшний день геохимия стабильных изотопов
кислорода и водорода воды является наиболее информативным методом изучения
ряда геохимических процессов, протекающих в морских водах. Анализ данных об
изотопном составе морских вод в комплексе с данными об их солености (δ18О,
δD, S) дает возможность эффективно изучать процессы опреснения, протекающие
в морских водах. Такой подход позволяет не только определить природу
опресняющего компонента, но и произвести количественную оценку его
содержания в той или иной части водной толщи. Помимо этого, комплексное
изучение изотопного состава и солености морских вод может быть использовано
для того, чтобы проследить другие физические процессы в истории водной массы,
например, эпизоды формирования или таяния льда.
В настоящее время изучение процессов опреснения вод Арктического
океана является одним из основных направлений в исследованиях Арктики.
Процессы опреснения затрагивают все моря Российского Арктического сектора
(Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское), но Карское море является
самым опресненным. Более половины всего речного стока Сибирской Арктики
приходится на реки Обь и Енисей, разгружающиеся в Карское море (Gordeev et
al., 1996; Pavlov and Pfirman, 1995). В настоящий момент установлено, что
опреснение Карского моря в основном представляет собой процесс простого
двухкомпонентного смешения морских вод, поступающих из акватории
Баренцева моря, и речного стока (Hanzlick, Aagard, 1980; Дубинина и др., 2017б;
Полухин, Маккавеев, 2017; Флинт, Поярков 2015). Заливы, расположенные на
юго-восточном побережье Новой Земли в значительной степени удалены от
влияния континентального речного стока. Это делает их уникальным природным
объектом, поскольку тут процессы опреснения, затрагивающие всю акваторию
Карского моря, осложнены за счет участия большого количества локальных
источников опреснения.
Распространение речного стока по акватории Карского моря напрямую связано с
динамикой водных масс, о которой в настоящий момент отсутствует единое
представление (Volkov et al., 2002; Harms, Karcher 1999, 2005; Panteleev et al.,
2007; Зацепин и др. 2010а, б; Dmitrienko et al., 2015 и другие работы). Изучение
процессов опреснения морских вод заливов Карскоморского побережья Новой
Земли, а также их гидрологического режима, методами изотопной геохимии
позволит дополнить существующие представления о циркуляции вод в Карском
море новыми сведениями. Изучение режима водообмена между акваториями
заливов и Карским морем так же является актуальной задачей и с экологической
точки зрения. Начиная с середины 1960-х годов в районе Новой Земли начали
затапливать различные типы радиоактивных отходов, и к настоящему моменту
основным местом захоронения являются заливы юго-восточного побережья
Новой Земли. Например, в заливе Степового затоплена подводная лодка «К-27» с
двумя ядерными реакторами, а в заливе Цивольки – отработанное ядерное топливо
с ледокола «Ленин». Всего на Карскоморском побережье Новой Земли затоплены
радиоактивные отходы суммарной активностью свыше 2400 кКи, что составляет
70% активности всех радиоактивных отходов, затопленных в СССР (Саркисов и
др., 2011; Владимиров и др., 2012; Сивинцев и др., 2005). Находясь под водой,
данные объекты неизбежно подвержены эрозии, вызванной взаимодействием
контейнера с морской водой, вследствие чего существует риск их возможной
разгерметизации, которая приведет к попаданию радионуклидов в экосистему
залива, и, вероятно, в Карское море. Морская вода является хорошим
растворителем, поэтому потенциальные загрязняющие вещества могут
распространяться на значительные расстояния от источника загрязнения в
соответствии с гидродинамическими условиями бассейна. Применение методов
геохимии изотопов кислорода и водорода для исследования морских вод позволит
установить не только потенциальные пути распространения загрязняющих
веществ, но и оценить дальность их проникновения в Карское море. Таким
образом, изучение процессов опреснения заливов Карскоморского побережья
Новой Земли является актуальным для решения широкого спектра научных задач,
связанных с Карским морем.
Объектом исследования диссертационной работы являются изотопные
системы водорода и кислорода опресненных вод, формирующих акватории
заливов юго-восточного побережья Новой Земли. Работы, посвященные
исследованиям изотопно-кислородной системы вод Карского моря, велись и ранее
(Erlenkeuser et al., 1999; Bauch et al., 2003; Cooper et al., 2005). Однако данные для
изотопно-водородной системы вод Карского моря в литературе отсутствуют, а
для акваторий заливов Новой Земли изотопно-геохимического (δ18О, δD)
изучения вод ранее не проводилось.
Цель настоящей работы состоит в идентификации источников опреснения и
изучении специфики пространственного распределения вод, из них поступающих,
в водной толще заливов Карскоморского побережья Новой Земли. Основным
методом, примененным для достижения этой цели, является изотопная геохимия
кислорода и водорода воды.
Для достижения поставленной цели, были решены следующие задачи
исследования:
1. Проведен изотопный анализ кислорода и водорода опресненных морских
вод в заливах юго-восточного побережья Новой Земли.
2. Изучены изотопные параметры потенциальных источников опреснения
морских вод в акваториях заливов Новой Земли.
3. Разработан новый подход для оценки вклада различных пресных
компонентов при мультикомпонентном опреснении.
4. Показана возможность применения дейтериевого эксцесса для
идентификации пресных вод в акваториях заливов Новой Земли.
Фактический материал. В основу диссертации легли результаты
исследований, проведенных автором в лаборатории изотопной геохимии и
геохронологии ИГЕМ РАН. Образцы морских вод для изотопных исследований
были отобраны во время рейсов НИС «Академик Мстислав Келдыш» и
«Профессор Штокман» при содействии академика РАН М. В. Флинта в период с
2014 по 2018 год.
Методы исследования. Изотопный состав кислорода опресненных морских
вод, талых ледниковых вод и пресноводных водотоков был определен методом
изотопного уравновешивания с CO2. Измерения выполнены на масс-спектрометре
DeltaV+ (Thermo-Finnigan), работающем в режиме постоянного потока гелия (CF-
IRMS) с использованием приборного комплекса GasBench II с автосэмплером
PAL. Изотопный анализ водорода в тех же образцах природных вод был
выполнен методом восстановления водорода из микро-проб воды на горячем
хроме. Масс-спектрометрические измерения выполнены на приборе Delta plus
(Thermo, Германия), работающем в режиме двойного напуска (DI IRMS) с
использованием периферийной опции HDevice. Величины δ18О и δD, полученные
вышеуказанными методами для 412 образцов природных вод, были использованы
для оценок вклада различных пресных компонентов в опреснения вод заливов
юго-восточного побережья Новой Земли. Изотопные исследования
сопровождались анализом данных о солености опресненных морских вод,
полученных при содействии сотрудников ИО РАН им. П.П. Ширшова.
Научная новизна работы. Впервые проведено комплексное изучение
опресненных морских вод заливов юго-восточного побережья Новой Земли
методами изотопной геохимии водорода и кислорода. Проведено изучение двух
изотопных систем (δ18О и δD) молекулы воды в комплексе с данными о солености
вод. Предложены подходы к интерпретации изотопных данных для акваторий,
испытывающих опреснение несколькими источниками, что позволило не только
установить природу пресных компонентов, но и количественно оценить их
содержание в каждом конкретном образце опресненных морских вод. Показана
возможность применения дейтериевого эксцесса в качестве дополнительного
изотопного параметра, который может быть использован для идентификации
источников пресных вод. Предложены возможные механизмы и пути поступления
пресных вод различной природы в акватории заливов Карскоморского побережья
Новой Земли. Впервые показано, что природа и пространственное распределение
опресняющего компонента в водной толще различается от залива к заливу и,
зависит, главным образом, от морфологии залива и степени открытости его
акватории к открытому морю.
Практическая значимость работы. Полученные при выполнении работы
изотопные данные позволили значительно расширить представление о процессах
мультикомпонентного опреснения, протекающих на Карскоморском побережье
Новой Земли. Установленные для каждого из изученных заливов источники
опреснения и предложенные механизмы поступления различных типов пресных
вод в акватории заливов вносят большой вклад в понимание процессов
опреснения вод Карского моря и Арктики в целом. Разработанные подходы могут
быть применены при изучении других районов мирового океана, в которых
опреснение морских вод осложнено участием большого количества различных
типов пресных компонентов.
Защищаемые положения
1. Идентификация пресных компонентов и оценка их содержания при мульти-
компонентном опреснении морских вод могут проводиться как путем
сопоставления данных в координатах «изотопный состав – соленость» с
набором соответствующих линий двухкомпонентного смешения, так и путем
расчета дейтериевого эксцесса в пресном компоненте. Каждый из подходов
может применяться в определенной области солености: первый работает в
интервале 28-34 psu, второй пригоден в области солености не выше 28 psu.
2. В заливах Карскоморского побережья Новой Земли соотношение вкладов
источников опреснения варьирует в зависимости от глубины. Поверхностные
воды опреснены, как правило, локальным компонентом (сток с архипелага,
речные плюмы), нижележащие воды опреснены широким спектром
источников, в том числе, значительно удаленных от архипелага
(континентальный речной сток, атмосферные осадки региона и более высоких
полярных широт).
3. Опреснение вод заливов Северного (Цивольки, Седова, Благополучия и Ога) и
Южного (Степового, Абросимова) островов архипелага Новая Земля
кардинально различается. В отличие от Южного острова в заливах Северного
острова присутствуют талые воды ледников архипелага и атмосферные осадки
полярных широт. Для слабо опресненных вод Южного острова характерно два
источника опреснения – континентальный речной сток и летние региональные
атмосферные осадки.
4. Пространственное распределение источников и степени опреснения для
каждого залива определяется его географическим положением, морфологией
дна, степенью открытости залива по отношению к Карскому морю и наличием
ледникового стока.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения
и дополнительных материалов, включающих карты маршрутов научно-
исследовательских судов и сводные таблицы, содержащие полученные изотопные
данные. Основной материал работы изложен на 137 страницах, которые содержат
10 таблиц и 32 рисунка. Список цитируемой литературы включает 139
наименований.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых
журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России:
1. Коссова С.А., Дубинина Е.О., Чижова Ю.Н., Мирошников А.Ю. Источники
опреснения вод заливов Южного острова Новой Земли по изотопным (δD, δ 18O)
данным. Доклады Российской Академии Наук, Науки о Земле, 2020, том 492,
№2, с.99-104.
2. Коссова С.А., Дубинина Е.О., Мирошников А.Ю., Флинт М.В. Применение
дейтериевого эксцесса для идентификации источников опреснения в заливах
архипелага Новая Земля. Доклады академии наук, 2019, том 487, №2, с.212-216.
3. Дубинина Е.О., Коссова С.А., Мирошников А.Ю. Источники и механизмы
опреснения морских вод в заливах Цивольки и Седова (Новая Земля) по
изотопным (δD, δ18O) данным. Океанология, 2019, том 59, №6, с.928-938.
4. Дубинина Е.О., Чижова Ю.Н., Коссова С.А., Авдеенко А.С., Мирошников А.Ю.
Формирования изотопных (δD, δ18O, d) параметров ледников и водного стока с
Северного острова архипелага Новая Земля. Океанология, 2020, том 60, №2,
с.200-215.
5. Дубинина Е.О., Коссова С.А., Мирошников А.Ю., Фяйзуллина Р.В. Изотопные
(δD, δ18O) параметры и источники опресненных вод Карского моря.
Океанология, 2017, том 57, №1, с.38-48.
6. Дубинина Е.О., Коссова С.А., Мирошников А.Ю., Кокрятская Н.М. Изотопная
(δD, δ18O) систематика вод морей Арктического сектора России. Геохимия,
2017, №11, с.1041-1052.
Результаты исследований докладывались на 7-ми российских
конференциях: XXI Симпозиум по геохимии изотопов им. А.П. Виноградова,
Москва, 2016; XXII Международная конференция (школа) по морской геологии,
Москва, 2017; IX Сибирская конференция молодых ученых по наукам о Земле,
Новосибирск, 2018; XXII Симпозиум по геохимии изотопов им. А.П.
Виноградова, Москва, 2019; Комплексные исследования мирового океана,
Севастополь, 2019; Комплексные исследования мирового океана, Калининград,
2020; Беломорская студенческая научная сессия СПбГУ, Санкт-Петербург, 2020.
Благодарности. Автор выражает самую искреннюю благодарность своему
другу и научному руководителю член-корреспонденту РАН Дубининой Е.О.
Автор благодарен заведующему лабораторией изотопной геохимии и
геохронологии ИГЕМ академику РАН Чернышеву И.В. за участие и ценные
советы; академику РАН Флинту М.В. за возможность работать с уникальным
материалом и за предоставленный шанс принять участие в Арктической
экспедиции; Мирошникову А.Ю. и Надьярных Г.И. за помощь в полевых работах,
ценные советы и замечания; а так же своим коллегам Чижовой Ю.Н. и
Авдеенко А.С. за поддержку, помощь и участие. Отдельную благодарность автор
приносит командам и членам экспедиций научно-исследовательских судов,
выполнивших рейсы, в которых был отобран материал для данной работы.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (22 отзыва)
4.7 (18 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.8 (13 отзывов)
5 (145 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
4.9 (37 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
5 (1241 отзыв)
