Контакт океана с дном

Дно океана в свете глобальной тектоники играет ведущую роль в пополнении океана массой воды и химическими элементами. Ключевое значение для геохимии океана имеют срединноокеанические хребты, а точнее рифтовые разломы, образующиеся в результате расхождения литосферных плит. Здесь на глубине около 4000 м, что соответствует давлению 400 атм, расплавленная магма постоянно взаимодействует с холодными придонными водами. Срединно-океанические хребты — это мощные химические «реакторы», где во взаимодействие вступают атомы всех известных в земной коре элементов. О масштабах геохимических процессов можно судить по тому, что протяженность этого «реактора» около 80 000 км, а весь объем океанической воды проходит через него за 3 млн лет.

Глубокие трещины (рифты) можно сравнить с ранами в тонкой земной коре, из которых сочатся вязкие потоки лавы. Застывая в холодной воде, эти потоки превращаются в причудливые нагромождения. Холодная придонная вода (ее температура даже в тропических широтах едва превышает 0°С) проникает сквозь пористые вулканические породы вглубь, в недра Земли. Постепенно вода нагревается и растворяет содержащиеся в горных породах металлы. Горячая вода под большим давлением устремляется к поверхности и выбрасывается в виде подводных гейзеров — гидротерм, температура которых достигает 300—400°С. Благодаря высокому содержанию сульфидов металлов вода гидротерм окрашена в черный цвет. Ее выбросы похожи на черный дым, поднимающийся из фабричных труб. Поэтому глубоководные рифтовые гейзеры окрестили «черными курильщиками»^[1][2].

До сих пор мы говорили об экологической системе океана, спусковой механизм биологического круговорота которой находится в приповерхностной толще и заключен в фотосинтезе, осуществляемом растениямиавтотрофами. Полной сенсацией явилось открытие сгущений жизни в глубинах океана вокруг «черных курильщиков».

Обращает на себя внимание экологический парадокс «черных курильщиков». И внешне, и по существу области развития гидротерм напоминают промышленный ландшафт с лесом труб металлургических и химических заводов, выбрасывающих ядовитый дым. Такая картина на суше стала символом экологической катастрофы. Однако в глубинах океана именно гидротермы служат животворными источниками, создающими в условиях полного мрака и холода оазисы жизни. Вблизи горячих источников скалы облеплены моллюсками, кишат бесчисленные черви и червеобразные организмы, принадлежащие к особому типу беспозвоночных — погонофорам, лежат «морские огурцы», ползают крабы, кружат рои креветок. Когда горячий источник иссякает (они существуют по нескольку десятков лет), ледяные, погруженные в вечный мрак глубины вновь становятся безжизненными. Ключом к разгадке тайны богатой органической жизни служат высокие концентрации в водах гидротерм сероводорода и метана, а также симбиоз животных с хемосинтезирующими бактериями. Миллиарды хемосинтезирующих бактерий, наполняющих ткани животных, питаются этими ядовитыми газами. Животным, у которых отсутствуют кишечник и желудок для переваривания пищи, бактерии, синтезирующие органические соединения, вводят питательные вещества непосредственно в клетки¹.

С «черными курильщиками» связано формирование обширного класса рудных гидротермальных месторождений. Поднимаясь из недр, гидротермы насыщаются не только метаном и сероводородом, но и сернистыми соединениями железа, цинка, меди, молибдена, серебра, свинца, кобальта, марганца, ванадия, мышьяка и других металлов. По сути дела, дым «черных курильщиков» — это жидкая руда. На контакте гидротермальных растворов с холодной придонной водой интенсивно идут геохимические реакции, в результате которых многие минералы выпадают в осадок. Постепенно гидротермальный источник обрастает осадочными породами, образующими конусы высотой до 50—70 м, представляющие собой весьма богатые полиметаллические руды. Поскольку захват донными осадками металлов, выносимых из недр, широко распространен на большой площади ложа океана, разбитого густой сетью разломов, то на дне формируются так называемые металлоносные илы и железомарганцевые конкреции.

Итак, дно океана представляет собой мощный природный геохимический фильтр, связывающий тяжелые металлы, поступающие из недр. Однако работа этого фильтра может быть нарушена, если начнется промышленная добыча металлоносных осадков, и тогда концентрация тяжелых металлов в водах океана быстро возрастет.

Рассмотрим дно океана как источник вторичного загрязнения его экосистемы. Донные отложения аккумулируют загрязненные частицы размером от нескольких до сот микрометров, выносимые из фотического слоя океана благодаря механической и биогенной седиментации планктонных и бентосных организмов. В частности, оседающие клетки фитопланктона приносят ко дну полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и медь, а фрагменты отмершего зоопланктона — парафиновые углеводороды, полихлорированные бифенилы (ПХБ) и металлы. Но основная часть тяжелых металлов, поступающих в океан в связи с антропогенной деятельностью, не попадает в донные осадки и остается в компонентах морских экосистем^[3][2].

Из ПАУ особенно высокое содержание в донных отложениях имеет бензопирен (БП). ПАУ обычно концентрируются в самом верхнем слое донных отложений мощностью не более 1—5 см. Пространственное распределение ПАУ крайне неравномерно. В открытых районах океана содержание БП не превышает нескольких микрограмм на 1 кг сухой массы, у морских побережий индустриальных районов, в зонах судоходства и на акваториях морских портов оно может быть в тысячу раз больше. Например, на французском побережье Средиземного моря и в проливе ЛаМанш обнаружены места с концентрацией БП в донных отложениях до 5000 мкг/кг сухой массы¹.

Значительная биоаккумуляция БП отмечена и в геле донных животных, и у растений (медузы, губки, мшанки, звезды, полихеты, моллюски, ракообразные, крупные водоросли). Содержание БП в бентосных организмах имеет тот же порядок, что и в донных отложениях. ПАУ наряду с токсичными и мутагенными свойствами обладают ярко выраженной канцерогснностью. Учитывая молекулярную устойчивость этих соединений, донные отложения могут рассматриваться как «депо» химических токсикантов и опасный источник вторичного загрязнения океана. Концентрация хлорированных углеводородов и токсичных металлов в донных отложениях Мирового океана тоже повышается неравномерно. Так, содержание углеводородов в среднем достигает 10—100 мг/г сухой массы, но в отдельных местах значительно больше. Концентрация токсичных металлов в открытых районах морей и океанов невелика (табл. 7.3), а в прибрежных районах, подверженных влиянию промышленных сбросов, может увеличиваться на несколько порядков. Например, в дойных отложениях зарегистрировано содержание кадмия 18 000 мкг/г сухой массы, ртути — до 350, свинца — до 60, мышьяка — до 15 мкг/кг. Причем особенно активно токсичные металлы на дне аккумулируются моллюсками и макрофитами. Бентосные организмы содержат свинца от 50 до 20 000 мкг/кг, кадмия — от 50 до 550, ртути — от 39 до 3800 мкг/кг сухой массы (см. табл. 7.3).

Таблица 73

Скорость (т/год) поступления некоторых химических элементов в донные отложения Мирового океана на глубине 400 м <²>

Вопросы вторичного загрязнения, связанного с размывом и взмучиванием донных отложений различными гидродинамическими возмущениями, пока еще слабо изучены. Одним из глобальных механизмов вторичного загрязнения океана из донных осадков является биологическое взмучивание. Этот сложный процесс осуществляют донные животные. Разрушение и трансформация тех соединений, которые достигли ложа океана, происходят и под действием химических процессов — окисления, восстановления, адсорбции, радиоактивного разложения. Кроме того, донные течения могут снова суспензировать (приводить во взвешенное состояние) отложившиеся осадочные материалы. Таким образом, многие химические соединения, оказавшиеся на дне океана, возвращаются в водную толщу и перераспределяются в ней¹.

• [1] См.: Патин С. Л. Нефть и экология континентального шельфа.
• [2] См.: Петров К. М. Геоэкология.
• [3] См.: Петров К. М. Биогеография океана.
• [4] См.: Петров К. М. Геоэкология.
• [5] См.: Патин С. А. Нефть и экология континентального шельфа.
• [6] Приводится по: Израэль 10. А., Цыбанъ А. В. Антропогенная экология океана.