книги из ГПНТБ / Бабинец А.Е. Гидрогеологические и геохимические особенности глубоководных отложений Черного моря
.pdf
А К А Д Е М И Я Н А У К У С С Р И Н С Т И Т У Т Г Е О Л О Г И Ч Е С К И Х Н А У К
А. Е. БАБИНЕЦ, А. Ю. МИТРОПОЛЬСКИЙ,
С.П. ОЛЫІІТЫНСКИЙ
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГЛУБОКОВОДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ЧЕРНОГО МОРЯ
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О «H А У К О В А Д У M К А» К И Е В — 1 9 7 3
552
Б12
УДК 5514-62 ! 551, 35 (262,5)
В монографии приведены результаты изучения физиче ских, воднофизических, физико-химических свойств, химиче ского состава твердой фазы и поровых растворов донных отло жений области континентального склона и глубоководной равнины Черного моря.
На основе анализа и обобщения исследованных особеннос тей и экспериментальных данных освещаются некоторые за кономерности начальных стадий диагенеза глубоководных морских отложений и формирования седиментационных вод, входящих в их состав.
В работе рассматриваются также возможности использо ванных методов исследований и приводятся соответствующие рекомендации в отношении их дальнейшего применения.
Работа рассчитана на специалистов в области морской гео логии, гидрогеологии, геохимии и литологии.
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р академик АН УССР
А. Г. Колесников
Р е ц е н з е н т ы : доктор геол.-мин. наук Е. Ф. Шнюков,
доктор хим. наук В. П. |
Баранник |
Чі->Т |
- • " л. |
Редакция литературы о Земле и Космосе Зав. редакцией В. Н. Завирюхина
0296—160 ,66—73 М22Ц04)—73
Издательство «Наукова думка», 1973 г.
От редактора
Общий технический прогресс во всех областях знаний, наступив ший в последние годы, наиболее ярко проявился в росте наших знаний об океанах и морях планеты. Выяснилось, например, что запасы нефти шельфа Мирового океана и внутренних морей в два-три раза превышают известные на суше. Одно из
обнаруженных |
в последние |
годы месторождений горючего |
газа |
в Северном море |
|||
относится к крупнейшим в мире. Можно также указать на |
крупнейшие |
россыпи |
|||||
в прибрежных |
зонах Японии, Африки, Америки (титан, |
цирконий, |
золото, ал |
||||
мазы и т. п.). В шельфовой зоне Черного моря между Одессой и |
Тарханкутским |
||||||
полуостровом устанавливаются структуры, перспективные |
на нефть и газ, а на |
||||||
одной из них уже обнаружена нефть. Весьма вероятно |
наличие |
здесь и рос |
|||||
сыпных |
месторождений. |
|
|
|
|
|
|
Исследуется не только дно морей и океанов. Не менее актуально |
изучение |
||||||
морских |
и океанских вод, которые уже ныне являются источником добычи мине |
||||||
ральных солей и многих редких и рассеянных элементов, сосредоточенных |
в легко |
||||||
доступной для |
извлечения |
«жидкой руде». Огромные потенциальные |
резервы |
||||
пресной воды, запасы которой на континентах крайне ограничены, также сосре доточены в океанах и морях. Уже теперь разрабатываются проекты опреснитель ных установок вдоль Черноморского побережья.
Приведенные в качестве примера немногие из известных данных о полезных ископаемых морей и океанов свидетельствуют о том, что вскоре развернется промышленное освоение морей и океанов. Естественно, что это вызывает необходи мость уже в настоящее время всесторонне развивать разнообразные морские
геологические исследования, так как, несмотря на достигнутые успехи, дно морей |
|
и океанов еще очень мало изучено. Особенно это касается вопросов |
взаимодейст |
вия водной массы и донного осадка. |
|
Области шельфа — это обширные зоны разгрузки подземных |
вод артезиан |
ских бассейнов, находящихся на континентах. В глубоководных частях морей и океанов, особенно на участках, где развиты современные вулканические процессы, глубинные подземные воды также мигрируют. Таким образом, гидрогеологические
явления в зоне шельфа и абиссальных областях, существенно влияющие на |
состав |
поровых и придонных вод, а также на компонентный состав осадка, требуют |
само |
го пристального изучения. |
|
3
Освоению минеральных богатств морей и океанов должны предшествовать ис следования в области гидрогеологии и грунтоведения. Сложность изучения дон ных отложений акватории морей и океанов заключается в том, что если в зоне шельфа еще возможно использование приборов и методов, применяемых на кон тиненте, то в глубоководной части это почти исключено. Кроме того, верхний слой этих осадков находится на начальной стадии литогенеза, почти не консоли дирован и весьма переувлажнен, находится под мощным слоем морской воды, которая в придонной части переуплотнена, что, видимо, отражается на ее физикохимических свойствах (возрастание полярных свойств воды и пр.).
Углубленные исследования природы физико-химических особенностей при донных и поровых вод морей и океанов, физико-механических и прочностных свойств этих осадков, их геологических особенностей и процессов структурообразования требуют расширения применяемых лабораторных методов. Наряду с выяснением гидрофильности объекта и применением конического пластометра, с помощью которого изучают структурообразование в грунтах, необходимо углуб ленное изучение взаимодействия воды с поверхностью глинистых частиц. Исполь зование современных методов, таких как ядерно-магнитный резонанс, позволяю щих уяснить особенности адсорбции воды на глинистых минералах,— один из подходов к решению этой проблемы. Весьма интересно определить также влияние обменных катионов на многие коллоидно-химические свойства глинистых илов
ит. п.
Внастоящее время в связи с практическим интересом к геологии моря необ ходимо изучать условия формирования донных осадков, распределение в них минеральных компонентов, особенности состава, физико-химических свойств и миграции в фильтрационном потоке поровых вод при уплотнении осадка.
Систематизации, анализу и обобщению этих исследований и посвящена настоя щая монография. В ней наряду с известными геологическими и геохимическими методами, авторы впервые пытаются применить и гидрогеологические методы к исследованию донных осадков Черного моря.
Полагаю, что монография будет полезна и вызовет интерес среди специ алистов в области изучения океана.
Академик. АН УССР А. Г. |
Колесников |
П Р Е Д И С Л О В И Е
Образование осадочных пород и их геологическую исто рию на суше изучает многочисленная армия геологов. Многие из возникающих при этом вопросов могут быть решены только после получения данных о морских осадках и процессах их образования С другой стороны, не менее важно изучение гидрогеологических особенностей морских осадков, свойств и состава их поровых вод для решения проблем происхождения подземных минерализованных вод и рассолов. В некоторых случаях глубинные рассолы и сильно минерализованные подземные воды являются перспективным сырьем для получения йода, брома, лития и др.
Глубоководные отложения покрывают значительную площадь дна как внутриконтинентальных морей типа Средиземного и Черно го, так и всего Мирового океана. Более половины объема поверхно стного слоя глубоководных осадков составляет седиментационная вода. Вполне естественно, что если объемы жидкости и твердых ча стиц в осадке почти равны, то на формирование осадочной породы на начальных этапах диагенеза существенно влияют движение поровых вод в пористой среде осадка и взаимодействие их с твердой фазой. Движение поровых растворов вполне способно обеспечить перенос растворенных компонентов, принимающих участие в гео химических процессах, протекающих в осадке. Поэтому следует выяснить скорость движения воды, фильтрующейся через осадок, особенности диффузии, адсорбции, ионного обмена и их роли в фор мировании химического состава поровых вод на начальной стадии диагенеза.
Исследования Черного |
моря начались свыше двухсот лет |
назад |
|||
в связи |
с нуждами навигационного |
обеспечения |
мореплавания. |
||
Первые |
гидрографические |
работы |
были проведены в |
X V I I — |
|
X V I I I ст. Со второй половины X I X ст. начинается |
изучение |
гидро |
|||
логического режима, животного, растительного мира и геологии Черного моря. В 1871 г. была основана Севастопольская морская биологическая станция, которая, наряду с биологическими, проводила и океанографические исследования. На станции работали такие вы-
5
дающиеся русские ученые, как А. А. Ковалевский, Н. В. Насонов, С. А. Зернов.
В 1873 г. первые данные о температуре и солености вод Черного моря получила гидрографическая экспедиция на шхуне «Ингул» под руководством Ф. Ф. Врангеля. Профессор Одесского универси тета Р. А. Прендель начал исследование морских береговых террас вдоль Кавказского побережья Черного моря [189]. В 1881—1882 гг. на судне «Тамань» С. О. Макаров провел ценные наблюдения над течением в проливе Босфор, обнаружив егодвуслойность: в верхнем слое — из Черного моря в Мраморное, в нижнем — в противопо ложном направлении.
Первые крупные океанографические исследования различных районов Черного моря были выполнены экспедициями в 1890— 1891 гг. под руководством И. Б. Шпиндлера и Ф. Ф. Врангеля 181, 258—260]. Выяснилось, что центральная часть Черного моря пред ставляет собой впадину с наибольшей глубиной 2212 ж, а с глубины около 200 м вся водная толща интенсивно заражена сероводородом 1112—114]. Геологическими исследованиями в этих экспедициях руководил академик Н. И. Андрусов. Ему принадлежат первые работы о донных осадках Черного моря и геологическом строении дна [6—14].
Планомерные иссле^ю^ащуі,Черного моря начались после Вели кой Октябрьской социалистической революции.
С1922 по 1927 г. у побережья Керченского полуострова и вдоль Кавказского побережья работала комплексная научно-промысловая экспедиция на кораблях «Сухуми» и «Бесстрашный» под руковод ством H. М. Книповича. Результаты этих работ легли в основу фун даментальных трудов по гидрологии и ихтиологии Черного моря [122, 123].
С1928 г. океанографические и геологические исследования Чер ного моря продолжает Севастопольская морская обсерватория под руководством В. А. Снежинского.
По полученным материалам и колонкам А. Д. Архангельский с сотрудниками изучили вещественный состав и остатки ископаемых организмов и разработали основы стратиграфического расчленения, установив фациальные особенности четвертичных отложений Чер ного моря [15—26].
Сложность четвертичной геологической истории Черноморского бассейна требовала увязки с развитием рельефа Русской равнины, Крыма и Кавказа. Были опубликованы работы, где сопоставлялась стратиграфия черноморских донных отложений с континентальными образованиями прилегающих участков суши. Это направление ис следований, намеченное еще Н. И. Андрусовым и А. Д. Архангель ским, достаточно широко представлено в работах Р. Р. Выржиковского, К. И. Макова, Г. И. Молявко, М. В. Муратова [82, 153, 165, 166].
Выдающиеся монографические публикации А. Д. Архангельского и H. М. Страхова заложили прочную основу изучения осадков Чер-
6
ного моря. В результате тщательного литологического исследования собранных образцов донных осадков были опубликованы работы о закономерностях механизма морской седиментации в Черном море [220, 2211. Они были вскрыты с помощью разработанного H. М. Стра ховым метода абсолютных масс и блестяще проиллюстрированы картами распределения терригенного материала, карбонатов и дру гих компонентов в осадках Черного моря. Его обобщения легли в основу разработанной им современной теории литогенеза.
В последнее время интерес к литологическому изучению при брежных отложений Черного моря значительно возрос. Проблемы поисков морских россыпных месторождений и изучения закономер ностей их формирования в прибрежной части Черного моря осве щены в работах М. Г. Барковской [38—41] и Е. Н. Невесского [173—176]. Значительный вклад в исследование геологии дна Чер ного моря внесли работы геофизиков [168—170, 154—155, 36, 84, 228], благодаря которым удалось установить особенности тектони ческого строения дна Черного моря: положение и направление зон разломов, глубинное строение земной коры. В последние де сятилетия ведется даже разведка железных руд и других по лезных ископаемых в зоне северо-восточного шельфа Черного мо ря [256].
Начало геохимического исследования донных отложений Чер ного моря заложено работой А. Д. Архангельского и Е. В. Копченовой [20], в которой рассматривается распределение органическо
го вещества, фосфора и ванадия в |
осадках. Множество работ по |
геохимии донных осадков Черного |
моря опубликовано в послед |
ние годы. |
|
Институтом геологических наук АН УССР начаты исследования донных отложений Черного моря в 1964 г. В результате работы от ряда морской геологии ИГН в 16-м рейсе научно-исследовательского судна Морского гидрофизического института АН УССР «Михаил Ломоносов» в 1964 г. добыты многочисленные образцы грунта в виде колонок до 5,5—6 м длиной. Для получения образцов донных осад
ков использовались прямоточные |
грунтовые трубки |
диаметром 89 |
и 127 мм. В марте — апреле 1968 |
г. были выполнены |
комплексные |
геологические исследования в глубоководной зоне Черного моря. Настоящая работа является обобщением результатов, которые полу
чены при исследовании образцов донных осадков, |
поднятых на |
||
геологических станциях вдоль четырех профилей (рис. 1). |
|
||
Профиль А — А1 проходит с запада на восток и пересекает Чер |
|||
ное море по параллели 43° северной широты; ß — ß 1 |
с юго-запада |
||
на северо-восток от Босфора к Севастополю; С — С1 |
расположен |
||
вдоль меридиана 34° восточной долготы; D— D 1 |
начинается |
вблизи |
|
Туапсе и направлен на юго-запад. |
|
|
|
По разрезам колонок, общая длина которых |
составляет |
свыше |
|
150 м, отобрано в общей сложности более 3000 проб донных осадков. По ним выполнено свыше 2500 приближенных спектральных анали зов, 86 гранулометрических анализов, 93 анализа на карбонатность,
7
61 анализ поровых вод, 40 полных химических силикатных анали зов. По 350 влажным образцам донных осадков определены удельный и объемный вес, весовая влажность, коэффициенты фильтрации и диффузии ионов хлора, пластическая прочность, pH и теплопровод-
Рис. 1. Схема расположения геологических станций в Черном море:
С т а н ц и и НИС: «Михаил Ломоносов» / — 1970 г., 2 — 1968 г., 3 — 1962— 1S64 гг.; 4 — «Академик Вавилов» и «Витязь»; 5 — шельф, 6 — материковый склон, 7 — наклонная аккумулятивная равнина, 8 — глубоководная равнина; А—А1 — профиль.
ность. В некоторых образцах определялось содержание органиче ского углерода. Исследовался также минеральный состав фракций донных осадков.
Исследования проводились с целью выяснения взаимного влия ния поровых вод и минеральных частиц осадков на начальных ста диях диагенеза, приводящих к перераспределению химических эле ментов в толще донных осадков.
В подготовке к печати графических материалов и текста при нимали участие старший инженер Сектора гидрогеологии ИГН АН УССР В. Д. Бурлаченко и техник Л. Ф. Панченко. Ценные советы были получены от сотрудника ИГН АН УССР, кандидата геоло го-минералогических наук О. И. Слензака. Этим товарищам авторы приносят искреннюю благодарность.
Авторы глубоко признательны академику АН УССР А. Г. Ко лесникову, взявшему на себя труд по редактированию работы, а также выражают искреннюю благодарность доктору химических наук профессору В. П. Бараннику и доктору геолого-минерало гических наук профессору Е. Ф. Шнюкову за ценные советы и замечания.
Глава I
ОСОБЕННОСТИ
ФОРМИРОВАНИЯ ЧЕРНОМОРСКОЙ ВПАДИНЫ
Черное море простирается в широтном направлении от Бургасского залива до Кобулети (см. рис. 1). Крайняя северная точка находится в Березанском лимане, а крайняя южная — у Гиресуна. Наибольшая длина моря по параллели 42° 30' с. ш. равна 1150 км; ширина моря неодинакова в различных местах; максимальная между портом Очаков и мысом Эрегли достигает 610 км, минимальная между южной оконечностью Крыма (мысом Сарыч) и мысом Керемпе на южном берегу — 262 км. Длина берего вой линии Черного моря около 4020 км, коэффициент изрезанное™ ее — 1,8.
Черное море в северной части через узкий и мелководный Кер ченский пролив соединяется с Азовским морем, являющимся по сути его заливом, в юго-западной части — через пролив Босфор — с Мра морным морем.
Граница Черного моря в Керченском проливе проходит между мысами Такиль и Панагия, в проливе Босфор — между мысами Румели и Анадолу.
Площадь поверхности Черного моря около 413 490 км2, объем его составляет 529 955 км3. Из них на долю слоя от поверхности до глубины 200 м приходится 67 595 км3, слой воды от 200 м до дна занимает около 462 360 км3, или 87,3%. Так как в Черном море кислород наблюдается лишь до глубины 175—200 м, то верхний, «живой», слой занимает всего 13%, около 87% объема моря — это мертвая зона, почти лишенная органической жизни, за исключением бактериальной.
Черное море со всех сторон окружено сушей и является среди земным морем котловинного типа. Площадь питания его составляет около I 864 000 км2. Отношение площади питания к площади водо ема для Черного моря составляет 3,7. Средняя абсолютная скорость осадконакопления [221] за 1000 лет составляет 48,4 г/см2, что зна чительно превышает подобные показатели для океанов (например, для Атлантического океана эта величина равна 1,47 г/см2).
9