pdf.php@id=6161.pdf

отложений некоторых акваторий было установлено, что высо­ кое содержание ОВ коррелируется с высокими концентрациями частиц субколлоидного размера (1 мкм) и с распространением иллита и монтмориллонита. Высокая адсорбционная способ­ ность этих глинистых минералов, обеспечивающая повышенные концентрации Сорг, 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 концентра­ ция 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), дале­ ко разносится течениями, переносится ветром и т.д.

На основе изучения состава ОВ «свежего осадка», фитоплан­ ктона, дисперсных обломочных частиц и донного осадка учены­ ми И. Ехиро и X. Нобухико было установлено, что ненасыщен­ ные жирные кислоты встречаются в значительных количествах в «свежем осадке», дисперсном материале эвфотического слоя, планктоне и отсутствуют в дисперсном материале в водных сло­ ях глубже 500 м. Японские исследователи делают вывод, что органический материал «свежего осадка» генетически связан с фитопланктоном эвфотического слоя, причем перенос фито­ планктоногенного 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 ОВ также влияет время пребывания частицы ОВ в столбе воды. Большая скорость осаждения и малая глу­ бина, 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 благо­ приятными являются условия сероводородного заражения во­ дной толщи, типа современного Черного моря. В его бассейне, по мнению многих исследователей, наблюдаются максимальные (до 4%) коэффициенты фоссилизации ОВ. Подобные бассейны с

131

заражением практически всей водной колонны в настоящее вре­ мя 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 пол­ ной аноксии (Н28 -заражения) возникают достаточно часто. Они свойственны областям с высокой биопродуктивностью (зонам апвеллингов), участкам бассейнов с затрудненной циркуляцией вод (норвежские фиорды, впадины Балтийского моря).

Зоны аноксии возникают как у дна, так и внутри водной тол­ щи. 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 впа-

Таблица 3.9

Продукция сероводорода в Черном море (по А.Ю. Леин и др.)

Таблица 3.10

Терминология низкокислородных режимов и биофаций (Р.В. Тайсон и Т.Х. Пирсон, 1991)

132

дины на шельфе со спокойным гидродинамическим режимом, лагуны, эстуарии, впадины на континентальном склоне, осо­ бенно если они отделены поднятием, задерживающим конти­ нентальный 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 -э 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 пере­ ходит в водорастворимые соединения и гидролизуется. Процесс преобразования липидной фракции ОВ идет по несколько другой схеме, поскольку липиды — наиболее устойчивая фракция ОВ по отношению к микробиальной атаке.

Абсолютное содержание всех фракций ОВ во взвеси сокра­ щается, 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 содержа­ ние 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 со­ ставе бензольной части битумоида уменьшается содержание С и Н, масел, растет доля асфальтенов.

Биос в водной толще выполняет очень важную функцию по­ мимо накопления ОВ, Si02, СаС03. Он переводит часть взвеси в субколлоидную форму. Взвесь, поставляемая водами рек, осо­ бенно обогащена металлами — Ni, Fe, Pb и др. После отмирания клетки эти элементы снова попадают в воду, постоянно гидроли­ зуются и осаждаются.

Диагенетические преобразования ОВ

Накопление ОВ тесно связано со следующим этапом в жизни осадка и ОВ — этапом диагенеза. По Н.М. Страхову, диагенез — совокупность природных процессов преобразования рыхлых осадков в породу или процессы физико-химического уравнове­ шивания разнородных компонентов осадков в термодинДмиче-

133

ских условиях поверхности верхней части осадочной оболочки Земли. В поверхностном слое осадка можно выделить четыре компонента — минеральную часть, косное органическое веще­ ство (остатки отмерших животных и растений), поровые воды и живые организмы. При всем их разнообразии наиболее активной группой являются микроорганизмы, пользующиеся в большин­ стве случаев в осадках широким распространением.

Наличие органического вещества и деятельность микроор­ ганизмов определяют практически все протекающие в раннем диагенезе процессы. В позднем диагенезе ОВ также испытывает преобразования под влиянием продуктов микробиальной дея­ тельности.

Н.М. Страхов выделял несколько этапов диагенеза. Самый ранний протекает в верхнем слое осадка, находящемся в окисли­ тельной обстановке при наличии свободного кислорода. В бас­ сейнах со свободным обменом между осадком и внешней средой толщина этого окислительного (или аэробного) слоя составляет 10—15 см, но может достигать и 0,5 м. В бассейнах с дефицитом кислорода этот слой не превышает нескольких сантиметров или вообще отсутствует. В течение этого этапа происходит раство­ рение некоторых компонентов осадка и начинается деструкция органического вещества, чему очень способствуют бактерииаэробы. В определенных условиях может начаться образование новых аутогенных минералов. Второй этап раннего диагенеза протекает в современных осадках до глубин 10 м и характеризу­ ется восстановлением сульфатов в результате деятельности анаэ­ робных, в основном сульфатредуцирующих, бактерий. На тре­ тьем этапе активность бактериальной деятельности снижается. В это время начинается формирование диагенетических конкре­ ций, локальные процессы цементации. В результате происходит литификация, превращение рыхлого осадка в крепкую горную породу, происходит отжим поровых вод и частично упорядоче­ ние структурного расположения чешуек глинистых минералов. В жизни ОВ в диагенезе выделяются три стадии биохимического разложения и формирования керогена. Общая схема преобразо­ вания ОВ приведена на рис. 3.8. Биохимическое разложение ОВ начинается сразу после отмирания бионтов еще в эвфотическом слое воды, но наиболее интенсивно происходит в поверхност­ ном слое осадка. Белки и углеводы подверглись расщеплению еще в водной толще. В результате в осадках присутствуют ами­ нокислоты и сахара, содержание их редко превышает 1 0 % и бы­ стро сокращается с глубиной; количество жирных кислот также сокращается, но в некоторых случаях их находят и на больших

134

0.1

Рис. 3.9. Изменение содержаний аминокислот, сахаров и липидов в современных осадках в зависимости от глубины их погружения (вес. % всего ОВ) (по Б. Тиссо и Д. Вельте)

Таблица 3.11

Концентрация бактерий в современных осадках залива Сан-Диего (Калифорния)

(по Б. Тиссо, Д. Вельте, 1981)

136

атмосферы осадок не может приобрести какие-либо признаки восстановленное™ даже за геологически длительный период, т.е. восстановленность осадка достигается только за счет биологиче­ ского потребления кислорода, в том числе и связанного (Успен­ ский, 1970).

Процесс разложения ОВ протекает по-разному в зависимо­ сти от окислительно-восстановительных условий в осадке, в то же время количество и качество ОВ формируют окислительно­ восстановительный потенциал осадка.

Окислительно-восстановительную обстановку среды осадконакопления определяет степень изолированности этой среды от прямого доступа свободного кислорода и деятельность микро­ флоры, зависящая от количества и качества ОВ, присутствующе­ го в осадке.

В окислительных обстановках разрушение органического ве­ щества описывается схематическим уравнением

аэробное окисление

С 6 Н 120 6 + 6 0 2 = 6 С 0 2 + 6 Н 2 0 .

Бактерии используют молекулярный кислород и окисляют ор­ ганическое вещество до С02 и воды. В условиях продолжающего­ ся доступа кислорода ОВ может израсходоваться полностью. Так

ипроисходило, видимо, во многих хорошо аэрируемых песчаных осадках, в которых практически отсутствует Сорг.

Вслучае, когда поступающий извне кислород потребляется микроорганизмами быстрее, чем он может диффундировать в осадок, или весь свободный кислород израсходован полностью, т.е. при отсутствии кислорода в осадке, устанавливается восста­ новительная обстановка, тем более резко выраженная, чем ак­ тивнее процессы анаэробного разложения ОВ (Успенский, 1970). Такая обстановка существенно легче возникает в тонкозернистых осадках: глинах, алевролитах, тонких карбонатных илах, благода­ ря тому что поровое пространство вскоре становится замкнутым

ипоровые воды разобщаются с покрывающей морской и озерной водой и содержат больше ОВ.

Высокая биопродуктивность ОВ способствует появлению обстановок, характеризующихся дефицитом кислорода, выра­ зившимся в низких и отрицательных значениях окислительно­ восстановительного потенциала Eh. В таких условиях скорость деструкции ОВ резко снижается, разрушение ОВ идет только за счет «аэробных гетеротрофных бактерий, в осадке создаются вос­ становительные и резко восстановительные условия. При низких концентрациях ОВ, обычно ниже 0,5%, значения Eh положи-

137

тельные (+200 мВ). Процессы разложения ОВ интенсивны в том случае, когда до полного сгорания существуют окислительные и резко окислительные условия диагенеза.

В анаэробном разрушении ОВ выделяются две стадии. На пер­ вой гетеротрофная группа анаэробных бактерий, так называемые первичные анаэробы, подвергает ферментативному гидролизу и брожению основные классы органических соединений (белки, липиды, полисахариды) с образованием низших жирных кислот, спиртов, альдегидов, кетонов, С02 и Н20. Эти метаболиты на второй стадии анаэробной деструкции служат субстратами для вторичных анаэробов — сульфатредуцирующих и метанобразующих бактерий. Таким образом, в анаэробных природных экоси­ стемах в процессе деструкции ОВ происходит постоянное потре­ бление низкомолекулярных органических соединений. При этом первая стадия анаэробного разложения, как правило, опережает вторую, поэтому в иловых водах осадков накапливается некото­ рое количество простых веществ (кислот, спиртов, альдегидов, кетонов и др.).

Анаэробное разрушение ОВ идет по схеме:

анаэробное окисление

С6Н20 6 + 6Н20 = 6С02 + 12Н2, далее

С02 + 4Н2 -> СН4 + 2Н20.

Анаэробное разрушение белков с образованием спирта идет по схеме: дезаминирование, гидролиз и декарбоксилирование:

гидролиз, дезаминирование

R -C H -C O O H + Н20 -> R -C H -C O O H + NH3->

Сульфатредуцирующие бактерии — анаэробные гетеротрофы извлекают кислород из сульфатов; они всегда присутствуют в морских водах.

Сероводород, образующийся в результате бактериального вос­ становления сульфатов иловой воды, в основном фиксируется в виде нерастворимых (или плохо растворимых) соединений в твердой фазе осадков. В результате исследований Э.Ф. Остроу­ мова было показано, что в твердой фазе осадков в ходе восста­

138

новления сульфатов и при следующем метаболизме сероводорода присутствуют следующие формы серы: сульфидная (кислотора­ створимые сульфиды железа), пиритная (дисульфид железа), эле­ ментная и органическая.

Процесс идет по схеме:

CaS04 H- 2С —>2С02 4* CaS,

CaS + 2Н20 -> Са(ОН)2 + H2S,

2H2S + 0 2 —» 2Н20 4- 2S,

Са(ОН)2 + С02-> СаСОз + Н20,

2Fe20 3 4- С —» 4FeO + С02,

FeO + H2S -> FeS + Н20,

FeS 4- S -» FeS2,

FeO 4- C02 —>FeC03.

При недостатке железа H2S выходит в придонную воду. В окислительных условиях аэробы — сероокисляющие бакте­ рии — снова переводят его в сульфат или выпадает элементная сера, которая может образовываться в осадках только в резуль­ тате окисления сероводорода и сульфидов. В осадках она при­ сутствует в большинстве случаев в рассеянном мелкодисперсном состоянии. Крайне редко можно видеть «капельки» элементной серы в телах бактерий, окисляющих сульфиды.

Органическая сера постоянно присутствует в составе органи­ ческого вещества в осадках, затронутых процессом бактериаль­ ной сульфатредукции, и, судя по изотопному составу, следует отличать эту диагенетически образованную форму серы, которая является производной бактериального сероводорода, от серы, прижизненно накапливающейся в живых организмах моря.

В процессе бактериальной сульфатредукции происходит фрак­ ционирование изотопов серы: восстановленные продукты (в том числе и сера органическая) обогащаются легким изотопом, окис­ ленные — тяжелым, т.е. в остаточном сульфате накапливается тяжелый изотоп. Об интенсивности процессов сульфатредукции можно судить по количеству образовавшегося сероводорода. На восстановление сульфатов израсходовалась какая-то часть ОВ, его потери на сульфатредукцию также прямо пропорциональны образовавшемуся количеству H2S. Та часть ОВ, которая не была утилизована бактериями, вскоре оказывается в составе вновь об­ разованных полимерных структур — гуминовых веществ, объ­

139

единяющих гуминовые и фульвовые кислоты. В осадках эти ве­ щества образуются при конденсации автохтонного, в основном планктонного, материала (белки, углеводы и производные липи­ дов) и (или) аллохтонного, принесенного с суши вещества (глав­ ным образом лигнин и целлюлоза).

По строению гуминовые кислоты, образующиеся в субаквальных осадках, отличаются от почвенных гуминовых кислот. Фе­ нольные составляющие в гуминовых кислотах морских осадков представлены менее широко. Напротив, величина отношения Н/С у них возрастает. Это следствие обогащения морских гу­ миновых кислот алифатическими звеньями и алициклическими соединениями.

Жирные кислоты могут входить в структуру гуминового веще­ ства в виде алифатических эфирных группировок.

Углеводороды не вовлекаются в процесс полимеризации, так как в их структуре отсутствуют функциональные группы, необ­ ходимые для связывания с гуминовыми образованиями. Однако различные типы органических соединений, в том числе углево­ дороды, входят во взаимодействие с гуминовыми компонентами органического вещества посредством физической адсорбции или путем образования слабых водородных связей.

Степень обогащения современных осадков гуминовыми и фульвовыми кислотами и их природа, видимо, различны и опре­ деляются конкретными условиями. В тех районах, где происхо­ дит значительный вынос с континента и аллохтонный материал, представленный остатками высших растений, зачастую является главным источником ОВ, гуминовые и фульвовые кислоты обыч­ но характеризуются высокими концентрациями. В их составе, видимо, находятся гуминовые кислоты почв, которые были сне­ сены в бассейн седиментации. В составе аллохтонного материала может принять участие переотложенное органическое вещество, перемытое из древних отложений и перенесенное реками в бас­ сейн, где происходит осадконакопление. Гуминовые кислоты об­ разуются и в осадках, где привнос терригенного ОВ ничтожен.

Вцелом же гуминовый материал — производный терригенного органического вещества преобладает над соответствующим ма­ териалом, возникшим за счет автохтонных морских источников.

Вгуминовых кислотах, видимо, концентрируются и фиксируют­ ся тяжелые металлы: U, V, Си, Ni.

Далеко не все ОВ в осадке переходит в гуминовые кислоты. В за­ висимости от исходного органического вещества и условий его пре­ образования содержание гуминовых веществ в осадках колеблется от 10 до 80%, причем с глубиной их количество снижается.

Всоставе ОВ осадков возникает также особая группа высо­ комолекулярных соединений, прочно связанных с минеральной

140