Условия накопления органического вещества и его преобразование в диагенезе

В современных морских осадках и водной толще ОВ отлича­ются сложностью состава и полигенностью. Это, во-первых, жи­вое вещество — фауна и флора, продукты их метаболизма, синге-нетичное или автохтонное ОВ, планктогенное и бентосное, ал-лохтонное, принесенное с континента, также может присутство­вать эпигенетичное ОВ, мигрировавшее из нижележащих толщ, и продукты антропогенного загрязнения.

Седиментогенез ОВ

Седиментация, или осадконакопление, — сложный процесс взаимодействия геосфер Земли, происходящий при низких тем­пературах и давлениях с участием различных организмов. Седи­ментация минеральных частиц и ОВ тесно связаны. В бассейне седиментации основной источник ОВ — это автохтонное ОВ,

формирование которого происходит путем фотосинтеза, т.е. сово­купностью биохимических реакций; в процессе формирования ОВ извлекает другие биогенные элементы в виде SiO₂, СаСO₃. Mg СO₃ с некоторыми присущими им микроэлементами.

Для всех фотосинтезирующих организмов реакции фотосин­теза идут согласно следующему уравнению:

Фотосинтез в океане происходит в сравнительно тонком верх­нем слое мощностью 2—250 м (в среднем 40 м) — эуфотическом слое — слое жизни. Разные фотосинтезирующие организмы используют различные участки видимого светового спектра, что позволяет фотосинтезирующим бактериям и водорослям обитать на различной глубине водной толщи.

Соотношение автохтонного и аллохтонного ОВ изменяется в различных районах Мирового океана и на разных уровнях столба воды. По данным Е.А. Романкевича, в среднем в Мировом океа­не доля аллохтонного ОВ достигает 5% обшей массы ОВ; приво­дятся более низкие и более высокие значения. На шельфе и не­которых участках континентального склона аллохтонное ОВ мо­жет составлять значительную долю общего ОВ; в водоеме оно на­ходится в растворенной и взвешенной (детритной) формах. В океане количество растворенного ОВ резко преобладает над взвешенным и является господствующей формой существования, но в донный осадок практически переходит только взвешенное ОВ. Б. Тиссо и Д. Вельте (1981), ссылаясь на Д. Мензеля, приво­дят следующие данные о соотношении этих форм ОВ. Вертикаль­ное распределение детритного органического углерода (ДОУ) и растворенного органического углерода (РОУ) в океанах практически одинаково ниже глубины 200-300 м. Концентрация ДОУ изменяется от 2 до 10 мкг/л, а РОУ — от 350 до 700 мкг/л. Выше указанной глубины содержание этих компонентов изменя­ется, причем ДОУ прямо пропорционально, а РОУ обратно про­порционально величине первичной продукции органического вещества.

Создаваемое в бассейне автохтонное ОВ представлено прежде всего фитопланктоном. При малых размерах основных предста­вителей фитопланктона (микропланктон и наннопланктон) и ни­чтожной массе он отличается чрезвычайно высокой продуктив­ностью.

В табл. 3.5 и 3.6 приводятся соотношения биомассы (Б) и био­продукции (П) для разных типов автотрофных комплексов по различным областям.

Схема баланса органического углерода в океане (рис. 3.4) на­глядно демонстрирует соотношение биомассы и биопродукции фитопланктона, а также соотношение растворенной и детритной

форм углерода.

По данным Е.А. Романкевича, ежегодная биопродукция в океане, включая и поступающее с суши ОВ, составляет 21,1 млрд т С_орг, в форме взвеси — около 1-3 млрд т С_орг.

Годовая продукция С_орг в Мировом океане, по разным ис­точникам, колеблется от 35 до 7510⁹ т, при этом величина терри-генного сноса за год составляет 25-10⁹ т, т.е. ниже биопродукции, при этом содержание С_орг в осадках обычно не превышает 1%. Такое соотношение минеральной и органической составляющих осадка связано с тем, что подавляющая часть биопродукции не доходит до дна, а минерализуется. Минерализующееся ОВ образует «водный гумус», стойкие растворенные органические соединения, которые массой на два порядка превышают массу

фитопланктона.

Биологическую продуктивность в морских обстановках конт­ролируют различные факторы: свет, температура, минеральные вещества, течения, газовый режим, высота водной толщи и др. На рис. 3.5 приведен схематический профиль через бассейн осад-конакопления, демонстрирующий основные факторы, влияющие на накопление ОВ в бассейне. Главный фактор — питательные вещества (нитраты, фосфаты и др.). Они поступают из разных ис­точников: с континента — выносятся реками и флювиальными

потоками; основная часть питательных веществ поступает из ди­намического резервуара океана и разносится течениями. Макси­мальное количество питательных веществ поступает в эуфотичес-кий слой в зонах апвеллингов, располагающихся у западных окраин континентов. Подъему глубинных вод (апвеллингу) к по­верхности способствуют циклонические круговороты с их дивер­генциями, сгонные ветры, места стыка холодных и теплых тече­ний, штормы, муссонные ветры и др. Мощный и стабильный ап-веллинг связан с пассатными восточными пограничными течени­ями в Тихом и Атлантическом океанах. К этим зонам апвеллин­гов приурочены осадки, наиболее обогащенные С_орг (до 20%). В соответствии с поступлением питательных веществ распределя­ются и области с различной биопродуктивностью (табл. 3.7, 3.8).

Источником питательных веществ в океане, очевидно, явля­ются подводные вулканы, гидротермальные системы, зоны спре-динга. Что касается последних, то исследования их, выполнен­ные в последние 20 лет, в том числе при помощи подводных ап­паратов, привели к сенсационным открытиям. Вблизи гидротер­мальных выходов в различных рифтовых зонах (Восточно-Тихо­океанское поднятие, Галапагосский рифт, Красноморский рифт, бассейн Гуаймас и др.) были обнаружены биогенные сообщества, поражающие своей биомассой (Polychaeta, Alvinellidae, Vestimen-tifera, Riftia и др.). Химический состав животных из этих биологи­ческих сообществ в целом идентичен обычным организмам. Пи­танием для этих животных служит микрофитопланктон, некото­рые формы которого напоминают цианобактерии (Colothrix, Hyphomicrobium и др.). Эти бактерии возникли за счет хемосинте­за по схеме:

Содержание С_озг в районе гидротермальных полей — 0,04-0,35% (одно определение показало 0,95%), что в несколько раз выше, чем в абиссальных пространствах, окружающих гидротер­мальные поля. ОВ отличается повышенным содержанием серы (до 15%) и более тяжелым изотопным составом (^б13С изменяется от -11 до -17%о). Организмы-хемосинтетики характеризуются очень высокой продуктивностью — до 2,7 кг/сут, у фотосинтети­ков — 6,8 кг/сут, т.е. цифры вполне сопоставимы (Леин и др., 1993).

В арктических областях, где самые широкие шельфы, про­дуктивность автотрофов лимитируется коротким световым днем, в дельтах рек — мутностью воды. В теплых тропических водах от­мечается большее разнообразие видов, но его сокращение не означает сокращения биопродуктивности. Самая благоприятная температура для жизнедеятельности диатомовых водорослей — 5-15°С, для динофлагеллат — 25°С, т.е. первые тяготеют к уме­ренным широтам, а вторые — к теплым морям.

Между количеством ОВ, находящимся в бассейне седимента­ции, и концентрацией ОВ в осадках, в общем, существует пря­мая, но не всегда четко выраженная взаимосвязь. Наибольшие концентрации ОВ в осадках отмечены для зон с высокой первич­ной продуктивностью, расположенных вдоль континентов, и в особенности для зон апвеллингов. Однако процессы аккумуляции и консервации ОВ в осадках в значительной мере определяются и рядом другими факторами: скоростью накопления минеральных частиц, их размером, составом, окислительно-восстановительной обстановкой в осадке, высотой столба воды и др.

Распределение С_орг в осадке — это прежде всего функция би­опродуктивности, что хорошо подтверждается характером распре-

деления среднестатистических значений концентраций С_орг, по­лученных по 12-ти выделенным в рельефе дна морфоструктурным зонам океана (рис. 3.6). Характер распределения С_орг на графике хорошо коррелирует с приведенными в табл. 3.7 и 3.8 данными о величине биопродуктивности.

Из рисунка видно, что наличие обогащенных С_орг отложений особенно характерно для континентального склона (субкларк 1,02%), что вдвое выше кларка океанического сектора Мирового океана (0,51%), в 1,5 раза превышает субкларки, свойственные глубоководным желобам (0,78%), континентальному подножию (0,76%) и краевому плато (0,72%); шельф оказался практически на уровне кларка (0,52%), что, видимо, связано с повышенной долей терригенного материала. Низкие значения (0,10%) отмече­ны для островных дуг и абиссального ложа (0,19%). Повышение значения концентраций в глубоководных желобах определяется повышенной продуктивностью вод над ними, обусловленной по­ступлениемпитательных веществ с островной дуги.

Состав же ОВ, осажденного в различных морфоструктурных зонах, существенно отличается. Изменение состава ОВ в зависи­мости от глубины бассейна, типа обстановки осадконакопления вполне закономерно. Это отражается как в элементном и группо­вом составе, так и в микрокомпонентном составе ОВ. Распреде­ление микрокомпонентного состава ОВ в зависимости от мор­фоструктурных областей осадконакопления показано на рис. 3.7. Наиболее высокой биопродуктивностью в Мировом океане характеризуются зоны глобальных апвеллингов, площадь которых около 1 млн км², биопродуктивность достигает 2 r/м² ОВ в сутки;

наиболее благоприятны глубины 100-300 м, скорость подъема вод 1 м/сут. Эти зоны отличаются и самыми высокими концентраци­ями С_орг - до 12%, (24,6% в апвеллинге Уолфиш-Бей).

Органическое вещество зон апвеллингов имеет специфичес­кий состав (амикагиновое ОВ), в нем повышено содержание азо­та, прежде всего за счет высокой доли зоопланктона в исходной биопродукции.

Важнейшим фактором, в значительной степени определяю­щем концентрацию ОВ в породах, является скорость накопления

осадков. В условиях отно­сительно постоянной ско­рости поступления ОВ в осадок его содержание обратно пропорциональ­но скорости накопления минеральной составляю­щей осадка — эффект «разубоживания»; он на­иболее хорошо проявля­ется в периферических частях бассейна седимен­тации, где фиксируется наибольшее поступление органического материала. Однако эта зависимость проявляется далеко не всегда, так как на эффект «разубоживания» накла­дываются другие процес­сы. Высокая скорость се­диментации минеральных частиц препятствует дей­ствию аэробных бакте­рий, т.е. способствует со­хранению ОВ и увеличе­нию его концентрации в осадке.

П.И. Мюллером и Е. Суэсом была сделана попытка учесть влияние скорости осадконакопления на сохранность ОВ. На основании анализа содержания ОВ в донных осадках различных частей океана установлена «универсальная» связь степени сох­ранности С_орг со скоростью осадконакопления. В соответствии с расчетами при низкой скорости осадконакопления (2—6 мм за 1000 лет) сохраняется менее 0,01% С_орг, при умеренной (2-13 см за 1000 лет) — от 0,1 до 2% и при высокой (66-140 см за 1000 лет) — от 11 до 18%. Авторами предложено уравнение,

где R — первичное содержание углерода в осадке; S — скорость осадконакопления; Р_n — плотность; Ф — пористость.

Из приведенного уравнения следует, что степень сохранения С_орг в осадке удваивается при 10-кратном увеличении скорости осадконакопления при прочих равных условиях (Muller, Suess,

1979).

Размер осаждающихся минеральных частиц и состав их также влияют на концентрацию ОВ. На ряде толщ современных и иско­паемых осадков установлена обратная зависимость между грану­лометрией и концентрацией ОВ. На примере современных отло­жений некоторых акваторий было установлено, что высокое со­держание ОВ коррелируется с высокими концентрациями частиц субколлоидного размера (1 мкм) и с распространением иллита и монтмориллонита. Высокая адсорбционная способность этих глинистых минералов, обеспечивающая повышенные концентра­ции С_орг, в толщах разного возраста констатировалась для многих осадочных бассейнов. Растворенное ОВ (РОУ) также может сор­бироваться. Происходит адсорбция главным образом полярных веществ — аминокислот, Сахаров, фенолов.

На скорость осаждения ОВ влияет и концентрация ОВ во взвеси. Так, в прибрежных зонах амазонской дельты концентра­ция ОВ во взвеси 10-25%, в отдаленных районах — 50—80%, Для взвеси с высокой концентрацией ОВ характерно и закономерное распределение в столбе воды: чем больше ОВ, тем легче взвесь и выше в водной колонне она располагается (не осаждается), дале­ко разносится течениями, переносится ветром и т.д.

На основе изучения состава ОВ «свежего осадка», фитопланк­тона, дисперсных обломочных частиц и донного осадка учеными И. Ехиро и X. Нобухико было установлено, что ненасыщенные жирные кислоты встречаются в значительных количествах в «све­жем осадке», дисперсном материале эуфотического слоя, план­ктоне и отсутствуют в дисперсном материале в водных слоях глубже 500 м. Японские исследователи делают вывод, что органи­ческий материал «свежего осадка» генетически связан с фито­планктоном эвфотического слоя, причем перенос фитопланкто-ногенного органического материала в глубинные воды происхо­дит очень быстро.

Работы А.П. Лисицина показали, что перенос материала из эвфотического слоя на дно происходит главным образом в виде фекальных пеллет.

На сохранность OB также влияет время пребывания частицы ОВ в столбе воды. Большая скорость осаждения и малая глубина, естественно, способствуют его сохранности, поэтому в мелковод­ных участках бассейна сохранность ОВ лучше, чем в глубоковод­ных, за счет меньшего пребывания в столбе воды и менее интен­сивного воздействия аэробного окисления. Помимо высоты стол­ба воды важна насыщенность вод кислородом, его аэрируемость. Конечно, недостаток кислорода (застойные воды) способствует сохранности ОВ. Считается, что наиболее благоприятными явля­ются условия сероводородного заражения водной толщи, типа современного Черного моря. В его бассейне, по мнению многих исследователей, наблюдаются максимальные (до 4%) коэффици­енты фоссилизации ОВ. Подобные бассейны с заражением прак­тически всей водной колонны в настоящее время крайне редки.

При стратификации водной толщи сероводородное зараже­ние возникает в водной колонне. На это расходуется очень боль­шое количество ОВ, так что при прочих равных условиях поток ОВ на дно заметно сокращается. В современном Черном море доля H₂S, образованного в водной колонне, почти вдвое превы­шает объем H₂S, поступивший в воду из осадков (табл. 3.9).

Локальные кратковременные (сезонные) обстановки полной аноксии (H2S заражения) возникают достаточно часто. Они свой­ственны областям с высокой биопродуктивностью (зонам апвел-лингов), участкам бассейнов с затрудненной циркуляцией вод (Норвежские фиорды, впадины Балтийского моря).

Зоны аноксии возникают как у дна, так и внутри водной тол­щи. По концентрации кислорода в воде выделяются следующие типы режимов седиментации и обстановок (табл. 3.10).

Наиболее благоприятными областями для накопления ОВ кроме зон апвеллингов являются участки шельфа, особенно впа­дины на шельфе со спокойным гидродинамическим режимом, лагуны, эстуарии, впадины на континентальном склоне, особен-

но если они отделены поднятием, задерживающим континенталь­ный снос (например, Карибское море, северный шельф Канады,

северный шельф России).

Микробиальное преобразование ОВ отмерших организмов (некромы) начинается уже в эуфотическом слое. Устойчивость различных компонентов ОВ к биохимическому разложению сле­дующая: белки → целлюлоза → лигнин → кутин→ воски → смо­лы. Первыми разлагаются белки и углеводы с образованием ами­нокислот, Сахаров, фенолов и их производных; в ОВ взвеси уже фиксируются гуминовые и фульвокислоты, т.е. идет процесс гу­мификации ОВ. Большая же часть углеводов и белков переходит в водно-растворимые соединения и гидролизуется. Процесс пре­образования липидной фракции ОВ идет несколько по другой схеме, поскольку липиды — наиболее устойчивая фракция ОВ по отношению к микробиальной атаке.

Абсолютное содержание всех фракций ОВ во взвеси сокра­щается, но там происходит относительное накопление липидной фракции. Ее содержание колеблется от 11 до 64% в исходном ОВ диатомовых, что связано с избирательным накоплением одних фракций и окислением других, причем с глубиной их содержание в ОВ растет; с глубиной растет доля простых соединений — жир­ных кислот, стеринов, жирных спиртов, УВ. При больших глуби­нах бассейна седиментации, видимо происходит частичное окис­ление и липидной фракции. По данным Д.Е. Гершановича, В.В. Вебера, А.И. Конюхова, с увеличением глубины бассейна битумоиды приобретают менее восстановленный характер; в со­ставе бензольной части битумоида уменьшается содержание С и Н, масел, растет доля асфальтенов.

Биос в водной толще выполняет очень важную функцию по­мимо накопления ОВ, SiO₂, СаСО₃. Он переводит часть взвеси в субколлоидную форму. Взвесь, поставляемая водами рек, особен­но обогащена металлами: Ni, Fe, Pb и др. После отмирания клет­ки эти элементы снова попадают в воду, постоянно гидролизуют-ся и осаждаются.