Поступление и распределение рассеянного осадочного вещества в Арктике на границе "Океан - атмосфера" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.28, кандидат геолого-минералогических наук Горюнова, Наталья Владимировна

• Горюнова, Наталья Владимировна
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Горюнова, Наталья Владимировна

Введение.

Глава 1. Физико-географическая характеристика Арктики и современные изменения ее природной среды.

1.1. Основные особенности среды и климата Арктики, ее изменения в последние десятилетия.

1.2. Физико-географическая характеристика изучаемых арктических регионов.

1.2.1. Юго-восточная часть моря Бофорта.

1.2.2. Архипелаг Шпицберген.

1.2.3. Арктические моря России.

Глава 2. Рассеянное осадочное вещество в Арктике.

2.1. Общие сведения о рассеянном осадочном веществе в Арктике.

2.1.1. Природные источники вещества в Арктике.

2.1.2. Антропогенные источники загрязнения в Арктике.

2.2. Перенос вещества в Арктику.

2.3. Миграция вещества в природных средах Арктики.

Глава 3. Материалы и методы.

3.1. Материалы, используемые в диссертации.

3.2. Методы исследований.

3.2.1. Отбор атмосферных аэрозолей.

3.2.2. Отбор снега с поверхности.

3.2.3. Отбор снега из снежного шурфа.

3.2.4. Отбор льда.

3.2.5. Отбор ниласа.

3.2.6. Отбор подледной воды.

3.3. Аналитические исследования.

3.3.1. Фильтрация.

3.3.2. Сканирующая электронная микроскопия.

3.3.3. Бь А1,Р.

3.3.4. Нейтронно активационный метод (ИНАА).

3.3.5. Атомная абсорбция (ААС).

3.3.6. Взвешенный органический углерод.

3.3.7. Углерод.

3.3.8. Рентгеноструктурный анализ.

3.3.9. Обратные траектории.

Глава 4. Элементный состав аэрозолей Российской Арктики.

Глава 5. Криозоль фоновых районов Арктики.

5.1. Центральная Арктика.

5.2. Юго-восточная часть моря Бофорта.

5.3. Заливы Белого моря.

5.4. Море Лаптевых.

5.5. Дальний перенос аэрозолей. Выпадение снега, окрашенного в желтый цвет, на севере Европейской части России (2008 г.).

Глава 6. Состав снега в импактных районах Арктики на примере поселков залива Ис-фьорд, арх. Шпицберген.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поступление и распределение рассеянного осадочного вещества в Арктике на границе "Океан - атмосфера"»

Актуальность проблемы.

Микро- и наночастицы в рассеянной форме содержатся во всех« природных геосферах Земли: атмосфере, криосфере, гидро- и биосфере, седиментосфере и в глубинных сферах Земли [Лисицын, 2010]. В рассеянном веществе преобладают тонкие частицы, что предопределяет их подвижность, значительную площадь поверхности, сорбционные и другие свойства, и в значительной мере также вещественный состав- дальность распространения'в разных средах и возможность «пересадочного распространения» при» обычном в природе переходе частиц из одной геосферы в другую. Рассеянное осадочное вещество своим, качественным и количественным, составом' отражает все стороны осадочного процесса.

Особенности арктического региона, с точки зрения распределения вещества на границе «атмосфера-подстилающая поверхность», определяются уникальными условиями природной среды: совокупностью холодного климата (по сравнению с более южными районами) и наличием Северного Ледовитого океана (СЛО), занимающего большую часть площади. Почти полное покрытие поверхности! океана льдом в холодную часть года (до 8-9 месяцев) делает ледовый перенос одним из важнейших механизмов горизонтального перераспределения^ вещества не только в течение года, но и на протяжении нескольких лет. Для- осадочного процесса в Арктике характерен особый тип седиментогенеза - ледовый морской [ГлБЙгш, 1972, 2002; \Vefer, 1989].

Кроме того, снег и лёд регулируют в течение большей части года-количество и состав рассеянного осадочного материала; выпадающего из атмосферы, и блокируют выветривание, речной сток и развитие растительности.

Присутствие аэрозолей в атмосфере и криосфере играет важную роль в формировании климата Земли в целом, влияя на термический режим атмосферы и земной поверхности [БНЕВА, 1993; Макштас, Священников;

1998], что особенно ярко проявляется в условиях среды ледовых зон.

Изучение рассеянного осадочного вещества в различных средах Арктики^ необходимо для понимания процессов» осадконакопления, также для» оценки экологического состояния> акватории, оказывающей огромное влияние на природную среду Земли. В свою очередь, глобальные изменения^ на Земле вызывают стремительные изменения во всех компонентах арктической« среды: от атмосферы до антропосферы [ACIA, 2004; Graversen, 2006; Haas et al., 2008; Macdonald; 2008; Overland et al., 2008], отражаясь на качественном и количественном составе вещества, поступающего в Арктику [SEARCH, 2001; АМАР, 2002]

Цель.работы: изучить особенности*поступления и распределения рассеянного осадочного вещества? на границе «океан-атмосфера» в слабо изученных областях Арктики.

Задачи. В соответствии с поставленной целью решались следующиезадачи:

1. обобщение и систематизация опубликованных результатов предшествующих исследований в Арктике;

2. получение нового фактического" материала, в- морях Северного Ледовитого океана и на? его водосборах (отбор проб снега и льда, аэрозолей, подледной воды);

3 исследование вещественно-генетического состава нерастворимых частиц в различных средах: определение соотношения минеральной, биогенной и антропогенных составляющих, морфологии частиц для выявления i источников вещества; 4. изучение элементного состава нерастворимых частиц в аэрозолях, снеге и льдах, а также подледной морской воде; 5 определение количественной и качественной составляющей вертикальных потоков аэрозолей в некоторых арктических районах и сравнение с данными литературных источников;

6. оценка роли аэрозолей в осадочном процессе и формировании, природной среды Арктики;

Научная новизна. Настоящая работа представляет собой комплексное исследование вещества в удаленных и труднодоступных районах Северного Ледовитого океана. Пробы были отобраны по единой методике в различные сезоны года (в том числе в условиях полярной ночи), что не удавалось сделать ранее, несмотря на многочисленные работы последних десятилетий.

Рассеянное осадочное, вещество аэрозолей, снега, льда и подле дно й воды характеризует ранее не учитываемые литологами и геохимиками особенности в области морского и* ледового седиментогенеза, само существование которого ранее отрицалось.

Установлено, что рассеянное осадочное вещество снега на поверхности дрейфующих льдов своим-качественным-и количественным составом отражает состав аэрозолей- Арктики. Также выявлено,- что морской- лед - природный планшет Северного Ледовитого океана, где вещество накапливается в ходе дрейфа и разгружается в местах встречи потока дрейфующих льдов»с теплыми, течениями (пролив* Фрама), т.е: проходит по поверхности, многие тысячи километров.

Выявлено; что вертикальные потоки!вещества из атмосферы,в импактных районах Арктики (залив Ис-Фьорд, арх. Шпицберген) сопоставимых потоками*, из атмосферы в крупныхпромышленных центрах Евразии.

Фактический материал, личный вклад« автора. Изучены материалы, полученные в ходе рейсов по программе NABOS на л/к «Капитан Драницын» (2006, 2008 гг.), экспедиций, на арх. Шпицберген 2007-2009 гг., в ю-в части -моря Бофорта на л/к «Амундсен» в зимний сезон 2007-2008 гг. Часть проб была отобрана в ходе российских экспедиций на НЭС «Академик Федоров» (2000-2009 гг.), дрейфующих станций «Северный полюс» (2003-2008 гг.), экспедиций, ПАЛЭКС в 2007-2009 гг. Были проанализированы также пробы окрашенного снега, выпавшего в марте 2008 г. в Архангельской области, Республике Коми и Ненецком автономном округе, и пробы снега и льда, отобранные в ходе экспедиций ИО РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова и- ФГУ «ГОИН» в район Белого моря (Онежский и Мезенские заливы).

Автор лично осуществляла отбор проб аэрозолей, снега, льда и подледной воды в арктических экспедициях. Лабораторная обработка, исследования под электронным сканирующим микроскопом, подготовка проб к различным видам анализа и некоторые химические анализы проводились автором лично. В работе представлена интерпретация и обобщение-полученных материалов, их сопоставление с литературными данными.

Достоверность* результатов-. Данные по количественному и качественному составу аэрозолей-и криозолей получены и с помощью современных методов пробоотбора, которые принятые Институте океанологии РАН [Лисицын, 2001; Шевченко и др., 2009]!, и обработаны на борту научно-исследовательских судов и детально исследованы в лабораториях ИО РАН, ГЕОХИ РАН, научного центра ЮНИС (UNIS) на Шпицбергене, в лаборатории им. О. Ю. Шмидта (Санкт-Петер бург) совместно с коллегами из перечисленных научных учреждений. Для проверки достоверности результатов использованы международные стандарты. Достоверность выводов обеспечена обширным фактическим материалом- применением современных приборов и в ряде случаев! независимых методов получения материала и анализа.

Практическая ценность работы. В ходе работы получены новые данные о количественном и качественном составе аэрозольного и криозольного вещества в Арктике, которые впоследствии могут быть использованы как основные значения для построения новых моделей эолового и ледового переноса. Полученные данные и сделанные выводы могут использоваться и для изучения загрязнений в области морской ледовой седиментации (в атмосфере и снежно-ледовом покрове Арктики).

Защищаемые положения.

Ii Снег очищает атмосферу Арктики (мокрое осаждение), его состав, отражает количество и состав аэрозолей, позволяет судить о потоках, происхождении и путях переноса. В фоновых районах Арктики в зимний, период основным источником рассеянного осадочного вещества снега является дальний и сверхдальний перенос, поставляющий-антропогенные (загрязнения) и терригенные компоненты. Летом рассеянное осадочное вещество поставляется» в основном, в результате локального и регионального переноса частиц; причем биогенные частицы (споры; пыльца, диатомовые водоросли) часто составляют основную часть рассеянного осадочного вещества снега:,

2'. Полученные нами экспериментальные данные показывают, что в Арктике такиеэлементы, как Ni^ Со, Zn, As, Sb в аэрозолях иг снеге имеют преимущественноантропогенноепроисхождение.

3. Лед является* депонирующей средой* в бассейне Северного Ледовитого океана. При формировании льда »и. дальнейшей-его трансформации имеет место явление «ледового насоса», вбирающего в себя аэрозоли, рассеянное осадочное вещество снега и водную взвесь, из подледных слоев. Дрейф* морского льда является фактором дальнего и сверхдальнего (более 1» тыс. км) переноса- осадочного вещества в Северном Ледовитом океане.

4. Вертикальные потоки, вещества из атмосферы в зимний период в промышленных арктических- районах по нашим1 данным. сопоставимы с потоками, из атмосферы в крупных промышленных центрах Евразии.

Апробация. Результаты исследований автора, изложенные в- работе, были представлены на конференциях: SCAR/IASC IPY Open Science Conference "Polar Research - Arctic and-Antarctic perspectives in the-International Polar Year" (Санкт-Петербург, 2008), XVII Международной научной конференции» (Школе) по морской геологии (Москва, ноябрь 2007), Otto Schmidt Laboratory Annual

Meeting of 2007/2008 Fellowship Program (Германия, г. Киль, 2008), XVIII Международной научной конференции (Школе) по морскойтеологии (Москва, ноябрь 2009), а также в ряде докладов на коллоквиумах лаборатории физико-геологических исследований ИО РАН и на семинаре ИФА РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 3 статьи в. реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка, литературы и приложения.'Диссертация, насчитывает 172' страницы, 39' рисунков, 18 таблиц. Список литературы- состоит из 189* наименований, из них 106 на иностранных языках.