CC BY
52
УДК 624: 131
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2013. Вып. 1
Д. Ю. Здобин
НОВЫЙ ВИД ДИСПЕРСНЫХ СВЯЗАННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ГРУНТОВ — МОРСКОЙ ФИТОЛИТ
Комплексные исследования вопросов формирования состава и физико-химических свойств прибрежно-морских органо-минеральных грунтов проводились на своеобразном природном образовании — литоральной лагунной ванне, встречающейся на приливном берегу (ватте) островов Керетского архипелага Кандалакшского залива Белого моря [1].
Исследования литоральной лагунной ванны проводятся ежегодно с 1997 г. Почти за 15-летний цикл наблюдений можно осторожно говорить об общей тенденции в динамике накопления осадочного материала на этом специфическом объекте.
Геологическое строение четвертичных отложений, в пределах которых располагается ватт, достаточно простое. В целом они имеют незначительную мощность (до 3 м) и залегают на выверенных архейских гранитах и гранито-гнейсах. На базальном горизонте, представленном плотным слоем щебня скальных пород с песчаным заполнителем, залегает супесь голубовато-серая, пластичная, в верхней части гумусированная, мощностью 1,2 м. Выше по разрезу отмечается суглинок темно-серый, мягко пластичный, с редкими включениями дресвы. Завершает разрез серая текучая глина. Верхний горизонт разреза был исследован на глубину 0,55 м, шагом 1-3 мм.
Литоральная лагуна представляет собой практически замкнутый водоем (15 х 20 м), отшнурованный от моря песчаным баром с валунами, и, по всей видимости, ранее являлась бухтой, но в процессе неотектонического поднятия претерпела значительные изменения. Лагуна расположена практически на марше. Нижний уровень лагуны совпадает со вторым уровнем современных литоральных ванн. Верхний уровень — с началом границы марша, он частично заполняется водой (до 7-15 см) только во время сизигийного прилива (один раз в 28 дней).
В пределах собственно литоральной лагуны из-за общей неоднородности поверхности отмечаются отрицательные формы рельефа, которые нами названы литоральными лагунными ваннами. Если литоральная лагуна периодически осушается и заливается водой во время приливно-отливных явлений, то литоральные лагунные ванны все время находятся под водой и в них происходит постоянная седиментация вещества.
По берегу лагуны, выходящей на марш, на траве отмечается большое количество штормовых выбросов (Cladophora sp., Fucus vesiculosus). Также сплошным покровом современные водоросли покрывают все дно литеральной ванны. Вода у кромки берега имеет коричневато-бурый оттенок с синеватой металлической железистой пленкой, что является явным признаком окислительных процессов. Поверхность дна бугристая с резкими и невысокими поднятиями (до 5-10 см). Кроме этого повсеместно по
Здобин Дмитрий Юрьевич — канд. геол.-минерал. наук, Санкт -Петербургский государственный университет; е-ша1: [email protected]
© Д. Ю. Здобин, 2013
всей поверхности литеральной ванны (особенно в местах примыкания к отдельным валунам) отмечаются пятна и выцветы розового, малинового и охристо-коричневого цвета. В тех местах дна, где слой современных водорослевых матов достаточно велик (до 2-4 см), отмечаются отдельные вздутия (пузыри), при разрушении дающие резкий запах сероводорода.
В сизигийный отлив в летнее время вода в литоральной лагунной ванне из-за незначительной глубины последней (до 7-10 см) прогревается до +25+27 °С, что создает благоприятные условия развитию биохимических процессов как в барьерной зоне «вода-осадок», так и собственно в верхней части грунтовой толщи.
0,0-0,1 см — бурая, коричневато-бурая и коричневато-охристая пленка. Геле-образная (студнеобразная), тонковолокнистая. Встречаются отдельные нитевидные волокна.
0,1-1,0 см — черные, водонасыщенные слои водорослевых матов (каждый слоек около 1 мм). Внизу интервала степень разложения увеличивается. Резкий запах Н^. Граница с вышележащим слоем четкая.
1,0-1,5 (3,5) см — черный водонасыщенный органический грунт (морские нитчатые водоросли — С1айорЪога зр.). Остатки растительных тканей. В верхнем интервале еще сохраняется горизонтальная или субгоризонтальная слоистая структура, практически параллельная поверхности морского дна. Граница с вышележащим слоем — постепенная.
1,5 (3,5)-3,0 (5,0) см — постепенный переход полностью разложившихся черных текучих остатков морских водорослей (в нижней части параллельная структура полностью отсутствует) в ил органогенный, черный, глинистый, текучий, водонасыщен-ный с резким запахом Н^. В самом конце интервала иссиня-черный цвет осадка постепенно сереет.
3,0 (5,0)-10,0 см — ил серовато-зеленый, серый и оливково-болотный, глинистый, текучий, водонасыщенный с большим количеством разноориентированных остатков корней прибрежных растений.
10,0-35,0 см — постепенный переход от ила серовато-зеленого к глине серой, белесо-серой, текучей и текучепластичной. В нижней части интервала отмечается появление плохо окатанной мелкой гальки и мелкого щебня с одновременным резким уменьшением растительных тканей.
35,0-50,0 см — постепенный переход от глины серой текучей к суглинку серому мягкопластичному. Единичная галька и створки моллюсков.
50,0-70,0 см (и ниже) — супесь серая, пластичная, плотная, маловлажная с пятнами рыжевато-бурого ожелезнения, с редкими скоплениями линз мелкого песка (1,03,0 см), с мелким хорошо окатанным гравием и единичными створками двустворчатых моллюсков.
Максимальные значения естественной влажности у бурой пленки — до 1200%. Черный органический и серый органо-минеральный грунты характеризуются повышенными значениями естественной влажности: Ше = 489% и 135% при влажности верхнего предела пластичности (Шь) 186% и 159%, и низкими значениями плотности и плотности твердых частиц грунта: р = 1,04 г/см3, р5 = 2,13 г/см3 и 1,04 г/см3 и 2,60 г/см3 соответственно. У суглинка и глины значения Ше и резко падают и составляют Ше = 40% и 36%, = 43% и 47%, значения плотностей наоборот возрастают до р = 1,69 г/ см3, р5 = 2,52 г/см3, 1,87 г/см3 и 2,65 г/см3.
При сопоставлении результатов проведенных физико-химических и биохимических исследований была выявлена прямая взаимосвязь между показателями Ше, Шь, содержанием частиц 0,002 мм и концентрацией органического вещества, представленными показателями содержания органического углерода (Сорг) и содержанием суммарного белка СБ (интегральная характеристика, включающая все формы белковых соединений микроорганизмов живых и мертвых клеток, белковые продукты их метаболизма и белок, входящий в состав захороненных растительных остатков) [2].
Максимальные значения биохимических показателей приурочены к верхнему ли-тологическому горизонту и к границам литологических разностей на границе черного и серого органо-минеральных грунтов: первый горизонт Сорг — 54%, второй горизонт Сорг — 31%, СБ — 392,7 мкг/г. На границе серого органо-минерального грунта и глины Сорг — 7%, СБ — 196 мкг/г.
Можно выделить две геохимических и биохимических обстановки: окислительную и восстановительную.
Окислительная обстановка — до глубины 0,1 см — представлена бурой пленкой. Граница с бурой пленкой является границей изоляции от придонной, насыщенной кислородом морской воды и, собственно, границей осаждения и характеризуется аномально высокими значениями естественной влажности (до 1200%) и СБ до 950 мкг/г.
Здесь наблюдается начало коагуляции твердых и органических частиц в присутствии растворенного органического вещества, которое и является главным фактором коагуляции. Рассматриваемая геохимическая обстановка характеризуется наличием химических элементов высшей степени окисления, что подтверждается данными спектрального анализа. Отмечается резкое уменьшение содержания Мп и Fe вниз по разрезу при достаточно стабильном содержании А1203, MgO, СаО, К20, №20.
Восстановительная обстановка начинается с глубины 0,1 см. В грунтах, залегающих ниже, отмечается начало гравитационного уплотнения осадка: отжатие поровой воды; доминирует развитие анаэробных процессов, сопровождающихся переходом окисных соединений в закисные и сменой аэробной микрофлоры на анаэробную, что подтверждается высокими значениями биохимических показателей. Начиная с глубины 10 см, осадочный разрез представлен нормально уплотненными грунтами, прошедшими раннюю стадию диагенеза. Здесь анаэробные процессы развиты наиболее широко — рН = 5,50-6,55, и роль анаэробной микрофлоры является главенствующей.
Восстановительная обстановка вниз по разрезу не претерпевает существенных изменений показателей Ше, Сорг и СБ.
На аккумулятивных континентальных шельфах различного типа смена окислительной геохимической обстановки на восстановительную имеет исключительно физико-химическую природу. В рассматриваемой прибрежно-морской седиментацион-ной обстановке данный процесс, вероятно, имеет существенно более биохимический характер, и именно содержание биоты является катализатором геохимических процессов и изменения валентности катионов. Следовательно, в литеральной лагунной ванне влияние органического вещества является определяющим на процесс формирования физико-химических свойств грунтов на начальных стадиях осадконакопления.
Отметим, что первоначально самая верхняя часть аквальной секвенции отложений определялась одним нейтральным термином «черный органо-минеральный грунт» [1]. В дальнейшем, при детальных лабораторных исследованиях определение Сорг проводилось по разным методикам: оксидометрическим методом (окисление навески
грунта двухромовокислым калием в сильнокислой среде до образования углекислоты, с последующим оттитрованием избытка двухромовокислого калия раствором соли Мора) и методом сухого сжигания (окисление углерода бескарбонатной навески грунта в потоке кислорода при температуре 950-1000 °С до прекращения выделения углекислого газа). Во всех случаях в различных пробах из этого литологического горизонта, отобранных в различных местах разных латеральных лагун, содержание органического вещества всегда превышало 50% и варьировало в диапазоне от 52 до 67%.
В табл. 1 представлены средние значения определений основных показателей физико-химических свойств органических грунтов (верхняя часть разреза) за весь период наблюдения (1997-2011). Каждый год на выявленном участке латеральной лагунной ванны, где были выявлены эти грунты, отбиралось от 12 до 18 проб.
Еще раз оговоримся, что из-за уникальности данных объектов возникает определенная сложность их классифицирования. Но в целом они укладываются в таксон и смысловое наполнение термина «органический грунт», широко используемого в общей инженерно-геологической классификации грунтов [3]. Подчеркнем, что основным критерием разделения дисперсных связных грунтов на минеральные, органо-мине-ральные и органические грунты является содержание органического вещества.
Исходя из общей инженерно-геологической классификации грунтов, в данном случае по всей совокупности факторов, главным из которых является наличие в составе грунта 50% и более органического вещества, по всей видимости, можно выделить новый вид органического грунта — морской фитолит («морской торф» — название условное).
На наш взгляд, представленные данные статистически значимы и вполне обоснованы для последующего включения морских фитолитов в общую классификацию дисперсных связных грунтов. Вполне понятно, что для включения в классификацию этого вида грунта необходимы дополнительные исследования в других морях Российской Федерации. Мы ожидаем, что при вдольбереговых исследованиях барьерной зоны «берег — море» специалистами различного профиля (геоморфологами, литологами, грунтоведами), будет выявлен этот специфический вид органического грунта в приливных морях Дальнего Востока России — Японского и Охотского и, возможно, в особых седи-ментологических ловушках Балтийского, Каспийского и Черного морей.
Отметим, что в классической литологии эти отложения попадают под определение «гиттия» (от £5уИ}а (швед.) — ил, тина). Термин «гиттия» введен Г. Постом в 1862 г. для озерных отложений автохтонного происхождения, так же как и термин «дью» для ал-лохтонных илов. Впоследствии Р. Лаутерборн в 1901 г. расширил эту классификацию, добавив термин «сапропели» (гниющий ил) — отложения с запахом сероводорода. Подчеркнем, что все вышеперечисленные определения органических и органо-минеральных осадков применимы только для пресноводных водоемов, и в современной литологиче-ской литературе «гиттия» является синонимом термина «сапропель». В нашем случае для органических отложений барьерной зоны «берег — море» данный термин неприемлем.
Возможным пресноводным аналогом морского фитолита в исключительных случаях можно рассматривать отдельные виды торфа в торфяниках староречий, где при благоприятных седиментационных условиях они могут образовывать локально-фаци-альные изометрические тела незначительной мощности.
Перечислим основные природные факторы, контролирующие образование и последующую геологическую эволюцию морских фитолитов на приливных равнинах Белого моря:
Таблица 1. Физико-химические свойства морских фитолитов. Белое море. Кандалакшский залив
Год отбора проб Мощность слоя,см We, де WL)He Wp) де IP II n,% е р, г/см3 ps, г/см3 С0рГ, %
1997 2,9 464 186 159 27 11,30 0,91 10,49 1,04 2,12 54
1998 2,9 414 190 161 29 8,72 0,91 9,74 1,01 2,11 55
1999 3,0 398 189 164 25 9,36 0,90 8,68 1,02 1,98 59
2001 3,0 423 179 153 26 10,38 0,90 9,46 1,01 2,02 55
2002 3,1 455 169 141 10 11,21 0,91 10,59 1,02 2,13 63
2003 3,1 489 198 168 30 10,70 0,91 10,61 1,01 1,99 66
2004 3,2 411 157 130 27 10,41 0,90 9,47 1,02 2,09 61
2007 3,3 459 189 165 24 12,25 0,91 10,35 1,02 2,07 67
2010 3,4 437 174 151 23 12,43 0,91 9,91 1,03 2,09 61
2011 3,5 447 169 144 25 12,12 0,91 10,09 1,04 2,11 52
Примечание. Влажность: — естественная, ^Уь — верхнего предела пластичности, — нижнего предела пластичности; 1р — число пластичности, — показатель текучести, п — пористость, е — коэффициент пористости, р — плотность грунта, р8 — плотность частиц грунта, Сорг — содержание органического вещества.
• геоморфологическое строение вдольбереговой линии (образование происходит только в литеральных лагунах приливных аккумулятивных равнин);
• степень биологической продуктивности прибрежных вод (количество выброшенных на берег в период штормов и приливно-отливных явлений водорослей);
• гидрологическая обстановка прилегающей акватории (постоянная вдольберего-вая циркуляция вод);
• приливно-отливные и сгонно-нагонные явления;
• общее количество, направленность и сила осенних штормов;
• мощность ледового покрова и дрифтовые процессы (чем суровее зима, тем более длительный период существования ледового покрова, якорение последнего на уровне береговой линии и вынос льда с вмерзшим в него верхним горизонтом грунта, накопленного в летний период);
• сезонные климатические температурные изменения погоды (продолжительность и степень летнего прогрева атмосферы: чем выше температура, тем больше прогрев ванн и тем больше степень разложения органического вещества).
Нам представляется два пути дальнейшей эволюции данного вида органического дисперсного связного грунта:
1. При неблагоприятных условиях (в подавляющем большинстве случаев) он полностью разрушается вследствие либо штормовых размывов, либо ледовой абразии.
2. При благоприятных условиях с учетом общего тектонического поднятия всей территории (до 5 мм в год) грунт превращается в маршевую гидроморфную почву. По нашим данным общий тренд в осадконакоплении исследованной латеральной лагунной ванны заключается в постепенном увеличении мощности фитолита (до 5 мм) за весь период наблюдений.
Понятно, что эти локально-фациальные короткоживущие прибрежные образования минимальной мощности — достаточно экзотический вид органических грунтов, но, тем не менее, они существуют и занимают свое определенное положение в российской общей классификации грунтов (табл. 2).
Табпица 2. Положение фитолитов в общей классификации дисперсных связных грунтов
(фрагмент ГОСТ 25100-95)
Класс Группа Подгруппа Тип Вид
Минеральные Глинистые грунты
Илы
Дисперсные Связные Осадочные Органо-минеральные Сапропели Заторфованные грунты
Органические Торфы Фитолиты
Прямыми аналогами беломорских морских фитолитов в других природно-климатических условиях следует рассматривать органогенные отложения мангровых зарослей на экваториальных приливных равнинах тропического пояса.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность руководству Морской биологической станции СПбГУ в лице А. Э. Фатеева за неоценимую помощь в проведении полевых работ.
Литература
1. Здобин Д. Ю. Физико-химические свойства отложений латеральных лагун Кандалакшского залива Белого моря // Труды XIX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. 2011. Т. IV. С. 77-82.
2. Нижарадзе Т. Н., Пушнова Е. А., Кнатько В. М. и др. Методические указания по количественному учету влияния жизнедеятельности микроорганизмов на физико-механические свойства. М.; Л.: ЛГУ, 1988. 25 с.
Статья поступила в редакцию 20 сентября 2012 г.
