Скачать презентацию Океан как природная система Матуль Александр Геннадьевич Доктор
Общая океанология_Геол ф-т.ppt
- Количество слайдов: 42
Океан как природная система Матуль Александр Геннадьевич Доктор геолого-минералогических наук Заведующий лабораторией палеоэкологии и биостратиграфии Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН
2 Полезная литература и интернет-ссылки • • • Монин А. С. (гл. ред. ). Океанология. Биология океана. Т. 1 -2. М. : Наука, 1977. Лисицын А. П. Терригенная седиментация, климатическая зональность и взаимодействие терригенного и биогенного материала в океанах // Литология и полезные ископаемые. 1977, № 6, с. 3 -22. Talley L. D. et al. Descriptive Physical Oceanography, 6 th Edition. An Introduction. Elsevier, 2011. 560 p. Brooks J. J. , Summons R. E. Sedimentary hydrocarbons, biomarkers for early life. Treatise in Geochemistry. V. 8. Elsevier. 2003. P. 63 -115. Henderson G. M. New oceanic proxies for paleoclimate. Earth and Planetary Science Letters. 2002, v. 203. P. 1 -13. www. oceanmotion. org www. klimawiki. org http: //oceanexplorer. noaa. gov http: //visibleearth. nasa. gov/
3 Взаимодействие океан-атмосфера-суша
4 Глобальная циркуляция
5 Экмановский перенос
6 Геострофический перенос
7 Поверхностная циркуляция ≈ ? баротропный океан (давление+ветер)
8 Среднегодовая температура на поверхности
9 «Живой» океан
10 Сезонный прогрев поверхности океана
11 Зимняя соленость на поверхности океана
12 Зимняя плотность на поверхности океана
13 Северная Атлантика – «опрокидывание» океана (overturning)
14
15 Глобальный термогалинный конвейер – бароклинный океан
16 Климат от прошлого к будущему
Факторы поддержания биопродуктивности в океане ЭНЕРГИЯ: 1) солнечный свет – для фотосинтеза, влияет на количество и разнообразие жизни, 2) температура – для (био)химических реакций. ВЕЩЕСТВО ( «строительное» и вспомогательное): 1) углекислый газ – для фотосинтеза органического вещества, 2) биогенные элементы (nutrients) – N, P, Ca, Si – быстро регенерируются биосистемами и находятся в круговороте океанской жизни, 3) вспомогательные элементы – Fe, Cu, Mg, Z и др. – трудно растворимы, слабо регенерируются и должны подпитываться из-за пределов биосистем, 4) кислород – для клеточного дыхания, расходуется на окисление отмершей органики. МЕСТНЫЕ УСЛОВИЯ для начала и поддержания работы биосистем – вертикальная стратификация 17
18 Термо- и галоклин
Мощность эуфотического слоя – верхнего перемешанного слоя, где производится первичное органическое вещество 19
20 Среднегодовая концентрация хлорофилла а на поверхности океана
Пищевая пирамида океана 21
Who is who в пищевой пирамиде 22
Микрофлора – гетеротрофные бактерии и грибки – важнейшая часть морских экосистем! На микрофлору приходится около 80 % общего потока энергии через гетеротрофную часть сообщества и более 50 % трат всего сообщества на энергетический обмен. Роль аэробной микрофлоры – биохимическая деструкция (окисление - respiration) органического вещества. При этом происходят процессы: потребление кислорода, образование СО 2, регенерация минеральных форм азота и фосфора (при фотосинтезе потребляются только минеральные формы биогенов!), фиксация атмосферного азота, фиксация биологически активных металлов (Fe, Mn, Co и др. ), регуляция содержания растворенного и взвешенного органического вещества в воде за счет активности микрофлоры на поверхности частиц взвеси, и др. Важно, что микрофлора способна минерализовать биогены из трудноминерализуемых растворенных соединений типа нуклеиновых кислот, которые в ряде биотопов (тропические поверхностные воды) содержат основной запас биогенов. 23
Схема создания и передвижения биогенного вещества Свет Первичная продукция Новая продукция Миграции зооп Экспортная продукция Апвеллинг биогенов е частиц Осажден и ланктона Эуфотическая зона Реминерализация Афотическая зона Биогены Седиментация 24
Масштабы участия морской биоты в перераспределении осадочного вещества Общий терригенный сток с суши – около 22. 1 млрд. т/год. Пелагическая терригенная аккумуляция – 6. 2 г/м 2/год или 1. 73 млрд. т/год. Ежегодно на поверхности океана за счет растворенных форм элементов создается 110 млрд. т сухого вещества планктона, что в 5 раз больше терригенного стока с суши. Достигает дна и откладывается в виде биогенных осадков 1. 3 млрд. т или 1. 2 -2% от исходного сухого вещества планктона - в 50 -70 раз меньше, чем продуцируется на поверхности. На поверхности океана образуется в среднем около 50 г/м 2/год Сорг – на 70% эта продукция обеспечивается диатомовыми водорослями, следовательно, по характерным для них отношениям элементов, из воды связывается около 160 г/м 2/год растворенных элементов (Si, Fe, Mn, Ti и др. ). В целом, ежегодно под 1 м 2 океана продуцируется в среднем около 195 г органического вещества и 142 г минеральных веществ, т. е. всего 377 г/м 2/год. 25
Биологический насос в осадконакоплении • Биоассимиляция – перевод растворенного вещества в органическое твердое скелетное и мягкое протоплазменное вещество. • Биофильтрация – извлечение из воды органического детрита и терригенной взвеси и связывание их в крупные пищевые комки. • Биосорбция – захват растворенных элементов поверхностью органического детрита; образование коллоидных гидроокислов из распавшейся протоплазмы, содержащей Fe и Mn; коллоиды концентрируют малые элементы и являются биоколлекторами, определяющими геохимию малых элементов в океане. • Биологический транспорт – перенос вещества организмами-фильтраторами (зоопланктон) и общий перенос вещества и энергии с опускающимся детритом от поверхности (где идет фотосинтез) на дно. 26
27 Климатические зоны океана
Инструментальная биогеография Сравнительный анализ: (1) спутниковых данных (температура поверхностной воды и хлорофилл а) и (2) прямых наблюдений (измерение гидрологических и биологических параметров в экспедициях) Devred et al. : Delineating provinces by ocean colour radiometry. Mar Ecol Prog Ser 346: 1– 13, 2007 28
Моделирование зональности океана: спутниковые данные о температуре поверхностной воды и расчет потоков энергии через поверхность океана OLIVER AND IRWIN: OCEAN BIOGEOGRAPHIC PROVINCES. GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 35, L 15601, doi: 10. 1029/2008 GL 034238, 2008 29
Биогеохимическая зональность океана: сопоставление спутниковых данных о колебаниях первичной продукции с экологическими провинциями (районами разных экологических режимов) 30
Экологические провинции океана по А. Лонгхёрсту: анализ количества и сезонных циклов фитопланктона, динамики биогенов, связи биоценозов с водными массами и гидрологическим режимом Longhurst A. R. Ecological Geography of the Sea, Second Edition. Academic Press, 2006. 560 p. http: //comlmaps. org/how-to/layers-and-resources/boundaries/longhurst-biogeographical-provinces 31
32 Новые индикаторы (paleoproxies) в реконструкции палеоокеанологии и палеоклимата (биомаркеры, изотопные и геохимические показатели)
Универсальное филогенетическое дерево (по данным рибосомной РНК r. RNA) 33
Молекулярные биомаркеры (остатки биолипидов): а) хорошо сохраняются в породах и отложениях, б) образованы на разных стадиях и в разных процессах биосинтеза, в) разнообразны, г) отражают условия окружающей среды и особенности биогеохимических процессов, д) используются для обнаружения и описания до-фанерозойской жизни. Биомаркер 34 Происхождение н-Алканы Морской фитопланктон Ненасыщенные изопреноиды Диатомовые водоросли Циклопентилалканы (моноциклические насыщенные углеводороды) Нефти морского/солоноватоводного/пресноводного генезиса Стераны и стероиды Диатомовые/разные водоросли, динофлагелляты, губки
Свидетельства о ранней жизни по биомаркерам, неорганической химии и палеонтологии • 3. 5 Ga – сульфат-редуцирующие бактерии (по изотопам серы, кратон Пилбара, Зап. Австралия) • 2. 8 -2. 5 Ga – метаногенные археи (по изотопам углерода в керогенах) • 2. 7 Ga – предположительно сингенетические стераны эукариотов и метилхопаны аэробных цианобактерий (железорудный бассейн Хамерсли, Зап. Австралия) • 2. 15 Ga – цианобактерии с определенной морфологией (Канада) • 1. 9 -1. 8 Ga –предположительно фоссильные эукариоты (Китай) 35
Свидетельства о ранней жизни по биомаркерам, неорганической химии и палеонтологии (продолжение) • 1. 64 Ga – определенно сингенетические биомаркеры эукариотов (Сев. Территория, Австралия) • 1. 26 -0. 95 Ga – фоссильные эукариоты, принадлежащие к существующим ныне красным водорослям (Канада) • 555 -590 Ma – фосфатизированные эмбрионы животных (metazoans) (Южный Китай) • 460 Ma – фоссилии с определенной морфологией грибов (Fungi) (Висконсин, США) 36
(Био)Геохимические и изотопные палеоиндикаторы 1. Палеотемпература воды • Традиционный палеотемпературный анализ – микропалеонтология и δ 18 O. • Алкеноны U 37 k – прямые длинноцепочные ненасыщенные этил-метиловые кетоны. Синтезируются микроводорослями Haptophytae (кокколитофориды) в эуфотической зоне. Самые ранние находки – середина альба (ок. 105 Ma); в больших количествах обнаруживаются с палеогена. Палеотемпература реконструируется по зависимости концентрации U 37 k в осадке от температуры поверхностной воды (прямая функция). 37
38 (1. Палеотемпература воды) • Атомарное соотношение Mg/Ca в раковинах планктонных фораминифер зависит от температуры воды во время образования раковины (квадратичная функция). Применяется для палеореконструкций плейстоцена; для более ранних этапов применение сомнительно, т. к. мало данных о составе морской воды в геологическом прошлом.
(1. Палеотемпература воды) • Атомарное соотношение Sr/Ca в кораллах отражает условия во время их роста (прямая функция от температуры). Преимущество метода – получение сведений о (суб)годовых изменениях температуры. Недостаток – приповерхностные кораллы обитают в тропиках. Также мало данных о влиянии симбионтов и состава морской воды в геологическом прошлом. • Изотоп кальция 44 Ca (прямая функция от температуры). Его доля в составе кальцита устойчива к диагенезу. 39
2. Циркуляция океана • Традиционные методы – δ 13 С, содержание 14 С, атомарное соотношение Cd/Ca. • Новый метод для реконструкции направлений водных потоков – изотопный анализ Nd, Pb и Hf. Соотношения изотопов каждого из этих элементов изменчивы в пространстве из-за изменчивости континентальных питающих провинций и короткого времени «жизни» элементов в воде. Материал для изучения – марганцевые корки и раковины фораминифер. 40
41 (2. Циркуляция океана) • Для реконструкции интенсивности глубоководной циркуляции – соотношение изотопных продуктов распада урана 231 Pa/230 Th. Концентрация урана в океане постоянна, поэтому образование данных нуклидов идет с постоянной скоростью. Но 230 Th почти нерастворим и быстро осаждается на дно, а 231 Pa более растворим и может (при реминерализации) переноситься глубинными водами: где 231 Pa мало в осадке - оттуда он уносится, где его много – туда он переносится.
3. Палеопродуктивность и использование (utilization) биогенов • Отношение более растворимых Pa и Be к менее растворимому Th показывает как адвекцию водных масс, так «захват» биотой более растворимых элементов в районах повышенной биопродуктивности. • Отношение Cd/Ca: Cd имеет такое же биогеохимическое поведение в океане, как и фосфаты, поэтому есть возможность «симулировать» утилизацию фосфатов фораминиферами. • Биоминерализация использует сначала более легкие изотопы азота и кремния, поэтому степень утилизации определяется по обогащению биогенного материала тяжелыми изотопами 15 N и 30 Si. 42