Геохимия изотопов О, Н и С морских вод Атлантического и Тихоокеанского секторов Арктики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-17-00001

НазваниеГеохимия изотопов О, Н и С морских вод Атлантического и Тихоокеанского секторов Арктики

Руководитель Дубинина Елена Олеговна, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-206 - Изотопная геохимия

Ключевые слова геохимия изотопов кислорода, геохимия изотопов водорода, геохимия изотопов углерода; неорганический растворенный углерод, DIC, изотопное фракционирование, Арктика, морская вода

Код ГРНТИ38.33.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изотопно-геохимическое исследование вод, участвующих в формировании водной толщи Северного Ледовитого океана (СЛО): атлантических и тихоокеанских вод и опресняющих компонентов (талый морской лед, речной сток, атмосферные осадки). Планируется изучение изотопных параметров молекулы воды (δ18О, δD) и поведения изотопно-концентрационной системы растворенного неорганического углерода (δ13C(DIC), [DIC]) в ключевых акваториях Арктики – северных морях (Норвежское, Гренландское) и морях Российского сектора Арктики (Баренцево, Карское, Лаптевых). Первые две изотопные системы являются консервативными, и их можно отнести к атрибутам конкретных водных масс, циркулирующих в Мировом океане. Изотопно-концентрационная система DIC в определенных условиях также способна быть стабильной для глубинных океанских течений. На данный момент, изотопно-геохимические характеристики основных типов океанских вод, циркулирующих в Арктике, изучены слабо, хотя величины δ18О эпизодически применяются в современной океанографии. Острая нехватка изотопно-геохимических данных для Арктических акваторий определяет актуальность проекта. Высокая достоверность ожидаемых результатов будет обеспечена применением высокоточного масс-спектрометрического анализа к образцам морских вод, специально отобранным в пяти экспедициях (71-й, 72-й и 84-й рейсы НИС «Академик Мстислав Келдыш», 58-й рейс НИС «Академик Иоффе» и 82-й рейс НИС «Академик Лаврентьев»). В общей сложности планируется провести анализ более 1500 проб морской воды, осуществить математическое моделирование и провести количественные расчеты с привлечением изотопно-геохимических и гидрофизических данных. Основное внимание будет уделено водам, циркулирующим в проливе Фрама и Баренцевом море, поскольку они играют ключевую роль в процессах атлантификации - крупномасштабного переноса вещества и тепла в Арктику. Опресняющие компоненты и тихоокеанские воды Берингова моря, играющие важнейшую роль в формировании поверхностного слоя арктических морских бассейнов, также будут изучены в нашем проекте. Исследования будут сосредоточены в нескольких ключевых районах: 1) район циркуляции вод Северной Атлантики (Норвежское, Гренландское моря, пролив Фрама, котловина Нансена); 2) район распространения атлантических течений вдоль континентального склона СЛО (глубоководные желоба Баренцева и Карского морей и зона континентального склона моря Лаптевых); 3) район циркуляции вод Тихоокеанского происхождения (север Берингова моря). Основные задачи проекта: 1. Установление изотопно-геохимических (δ18О, δD, δ13C(DIC), [DIC]) характеристик атлантических вод, изучение устойчивости и эволюции этих характеристик по пути следования и циркуляции вдоль континентального склона, как в промежуточном, так и глубинном слое СЛО. 2. Установление изотопно-геохимических (δ18О, δD, δ13C(DIC), [DIC]) характеристик вод Тихого океана, поступающих в поверхностные воды СЛО из северной части Берингова моря. 3. Установление изотопных (δ18О, δD) параметров глобальных опресняющих компонентов акваторий бассейна СЛО и создание обобщенной модели формирования поверхностного опресненного слоя в условиях Арктики. Для решения этих задач будет проведен анализ изотопно-геохимических и гидрофизических параметров, установленных для: 1) крупных двумерных разрезов в интервале глубин – от 0 до 3700 м во всех указанных районах; 2) одномерных «срезов», выполненных методом отбора в поверхностном слое (2-3 м) с помощью специальной проточной системы в Северной Атлантике и Восточной Арктике; 3) детально отобранных проб на отдельно взятых глубоководных (более 3000 м) станциях в Гренландском море, проливе Фрама, котловине Нансена. Научная новизна проекта будет состоять в создании уникальной изотопно-геохимической систематики (δ18О, δD, δ13C(DIC), [DIC]) арктических водных масс, и разработке новых моделей формирования изотопных характеристик, смешения и трансформации вод в условиях Арктики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дубинина Е.О., Коссова С.А., Чижова Ю.Н. ВЫСОКОТОЧНЫЙ АНАЛИЗ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА И КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО НЕОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА (DIC) В МОРСКИХ ВОДАХ Геохимия, том 69, № 1, с. 51-62 (год публикации - 2024)
10.31857/S0016752524010048

2. Дубинина Е.О., Коссова С.А., Осадчиев А.А., Чижова Ю.Н., Авдеенко А.С. ИСТОЧНИКИ ОПРЕСНЕНИЯ ВОД ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ БЕРИНГОВА МОРЯ ПО ИЗОТОПНЫМ (δ 18 О, δD) ДАННЫМ Океанология, том 64, № 3, с. 408–423 (год публикации - 2024)
10.31857/S0030157424030035

3. Е.О. Дубинина, С.А. Коссова, А.А. Осадчиев, Ю.Н. Чижова, А.С. Авдеенко Pacific Waters in the East Siberian Sea: Identification from δ 13 С(DIC) and [DIC] Characteristics Doklady Earth Sciences, Doklady Earth Sciences, 2024, Vol. 515, Part 2, pp. 715–721. (год публикации - 2024)
10.1134/S1028334X2460004X

4. А. Осадчиев, Е. Кускова, В. Иванов The roles of river discharge and sea ice melting in formation of freshened surface layers in the Kara, Laptev, and East Siberian seas Frontiers in Marine Science, Front. Mar. Sci. 11:1348450. (год публикации - 2024)
10.3389/fmars.2024.1348450

5. Е.О. Дубинина, С.А. Коссова, Ю.Н. Чижова, А.С. Авдеенко Dissolved Inorganic Carbon ( δ 13 С(DIC), [DIC]) in Waters of the Western Bering Sea Oceanology, Oceanology, 2024, Vol. 64, No. 5, pp. 681–694. (год публикации - 2024)
10.1134/S000143702470036X

6. Забудкина З., Осадчиев А., Иванов В., Махотин М., Меркулов В. Interannual variability of the Barents Sea branch water in the northeastern part of the Barents Sea and the St. Anna Trough Frontiers in Marine Science, Front. Mar. Sci. 12:1569186 (год публикации - 2025)
10.3389/fmars.2025.1569186

7. Дубинина Е.О., Коссова С.А., Чижова Ю.Н., Авдеенко А.С. Modeling of the isotope (δ18O, δ2H) composition and salinity of the seawater surface layer in polar regions: Application for the East and European arctic Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 223 (2025) 104547 (год публикации - 2025)
10.1016/j.dsr.2025.104547

8. Дубинина Е.О., Чижова Ю.Н. Isotope (δ18O, δ2H) signature of river and plume waters: Residence time of summer Siberian river runoff on the East Arctic shelf Polar Science (год публикации - 2025)
doi.org/10.1016/j.polar.2025.101250

9. Коссова С.А., Дубинина Е.О. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПРЕСНОГО КОМПОНЕНТА В ЭСТУАРИЯХ РЕК ОБЬ И ЕНИСЕЙ И ВОДАХ ПРИЛЕГАЮЩИХ ЗОН КАРСКОГО МОРЯ ПО ИЗОТОПНЫМ (δD, δ18O) ДАННЫМ Океанология, том 65, № 1, с. 63–73 (год публикации - 2025)
10.31857/S0030157425010051

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году продолжались работы по определению изотопных параметров вод Северной Атлантики, Баренцева и Карского морей. К настоящему моменту коллективом создана база высокоточных изотопно-геохимических (δ18О, δD, δ13C(DIC), [DIC]) данных, полученных прецизионными масс-спектрометрическими методами для Российского и Европейского секторов Арктики. База содержит 6377 изотопных определений в образцах вод, отобранных в 2012-2021 гг, в интервале глубин 0…4291м и географических координат 50-83 с.ш., и от 54 з.д. до 176 в.д. Российских аналогов эта база не имеет. Проведена оценка масштабов распространения тихоокеанских вод в акватории Восточно-Сибирского моря на основе изотопно-концентрационной системы DIC. Несмотря на то, что эта изотопная система не является консервативной, она может вести себя как трассер в водах, испытывающих интенсивное смешение, например, на шельфе Восточно-Сибирского моря, где наблюдается активное смешение речного стока, атлантических и тихоокеанских вод. Установлено, что на шельфе Восточно-Сибирского моря «ядра» тихоокеанских вод главным образом приурочены к границе шельфа и континентального склона Восточно-Сибирского моря, причем основная часть тихоокеанских вод распространяется с востока на запад севернее о-ва Врангеля, не исключен также подток тихоокеанских вод со стороны южной оконечности острова. В Восточно-Сибирском море обнаруживаются составы DIC, характерные для летних поверхностных и верхних промежуточных вод Берингова моря. Создана динамическая модель поверхностного слоя (DMSL) опресненной морской воды, учитывающая процессы формирования льда и обмен с нижележащими морскими водами. Модель применима к изучению полярных акваторий как на уровне региональных зависимостей величин δ от солености, так и на уровне расчета для отдельно взятых образцов, что позволяет визуализировать результаты, например, с помощью программы ODV (Schlitzer, 2021). При верификации модели рассчитаны изотопные параметры пресного компонента и ключевой параметр γ, который показывает соотношение скоростей таяния морского льда, его замерзания и поступления в поверхностный слой пресного компонента. Расчет проведен для 350 образцов, отобранных в 2017, 2018 и 2021 годах с помощью проточных систем и на отдельных станциях в 11 районах Европейской и Восточной Арктики. Пространственное распределение параметра γ показывает, что зоны преобладания талых вод над модификационными (γ>0) находятся в центральной части Баренцева моря, в районе Гренландского моря, у юго-восточной оконечности Шпицбергена и к юго-западу от Северной Земли. Зоны преобладания модификационной компоненты (γ<0) в основном расположены на шельфе - у северной оконечности Скандинавского полуострова, к северу от о. Шпицберген, а также вдоль всего Евразийского шельфа, не исключая зон активного речного стока. Оценки состава пресного компонента показывают, что воды Европейской Арктики, движущиеся в сторону Северного Ледовитого океана, содержат атмосферную влагу умеренных широт, а воды, выходящие из Северного Ледовитого океана, наследуют полярный опресняющий компонент. Для поверхностных вод, опресненных речным стоком, получены низкие значения δ18O(F), унаследованные от атмосферных осадков, испытавших рэлеевское исчерпание из-за континентального эффекта. Эти значения соответствуют составу летнего стока крупных сибирских рек в август-сентябре 2017 и 2018 гг. Полученные результаты свидетельствуют об адекватности оценок изотопных параметров пресного компонента и величин γ, получаемых с помощью модели DMSL. Систематизированы данные об изотопных параметрах пресного компонента в зонах речных плюмов на шельфе Евразийского континента. Создана синусоидальная модель, которая позволила оценить время пребывания речных плюмов Оби и Енисея (4.3-5.5 месяцев), Лены и Колымы (2-3 месяца) в районе шельфа. Оценки согласуются с гидрологическими особенностями акваторий: полузакрытого типа для Карского моря и открытого типа для моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря. Оценки показывают, что закономерное уменьшение значений δ18O и δ2H с запада на восток, неоднократно отмечавшееся ранее для сибирских рек, возникает благодаря изменению зимних температур воздуха в водосборах на континенте. Таким образом, изотопные характеристики летнего речного стока в Арктике формируются на континенте в зимнее время. Показано отсутствие фактора испарения в формировании изотопных параметров летнего речного стока сибирских рек, что резко отличает континентальный сток с Евразии от континентального стока Канады. Проведен анализ новых спутниковых данных о толщине морского льда в Северном Ледовитом океане, рассчитаны распределения потоков пресной воды, поставляемой в результате таяния морского льда в моря российской Арктики в 2012-2020 гг. Установлено, что вклад талых вод в формирование плюма Оби-Енисея невелик, и варьирует от 6 до 10%, что обусловлено ранним и интенсивным таянием льда в Карском море. В плюме Лены талые воды обеспечивают от 14 до 29% от общего объема пресного компонента, такая высокая изменчивость определяется сезонной изменчивостью условий таяния морского льда в море Лаптевых. Проведена обработка гидрофизических и изотопных данных для двух субширотных сечений в Северной Атлантике («73-77 градусы СШ» и «Пролив Фрама») и двух субмеридиональных сечений в районе континентального склона Северного Ледовитого океана (15 градусов ВД – «Котловина Нансена», 79 градус ВД – «Желоб Св. Анны»). Установлено, что кроме опресненных поверхностных вод, везде отчетливо выделяются ядра двух водных масс - теплого течения (Западно-Шпицбергенской ветви Норвежского течения, далее WSС) и холодных глубинных воды северных морей (NDW). Первые имеют соленость 35-35.1 епс и положительную температуру, которая постепенно снижается по мере продвижения вод от западной границы Баренцева моря через пролив Фрама до желоба Св. Анны. Глубина нахождения WSС не превышает 700 м (в среднем, 200-500 м). Воды NDW, занимают глубины 1600 метров и ниже, в Гренландском море - 2000-3700 м. Они имеют стабильные TS и изотопные (δ18, δD, δ13С(DIC)) параметры и концентрации DIC. В водах WSС изотопные параметры несколько более вариабельны, отличаясь повышенными величинами δ18О и δD при стабильно низких величинах δ13С(DIC) и иногда повышенной концентрацией [DIC]. По результатам глубоководного зондирования в Гренландском море отмечаются тонкие вариации величин δ18О и δD в NDW: более высокие значения установлены в районе восточного склона Атлантического океана, а пониженные обнаружены у побережья Гренландии. В проливе Фрама и котловине Нансена величины δ18О и δD в NDW близки к составам NDW на восточном склоне Атлантического океана. Подготовлены и опубликованы три статьи, одна из них в списке Q1.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В 2025 году проведен высокоточный анализ изотопного состава водорода 332 образцов, отобранных в рейсах 2021 года. Возможность правильного анализа после столь долгого хранения образцов воды обеспечивалась тем, что сразу после рейса от каждого образца была отобрана порция, которую консервировали специальным образом для создания «библиотеки» образцов. Правильность получаемых данных из законсервированных проб была проверена путем повторных измерений случайно выбранных образцов, уже имеющихся в базе. Получен важный методический результат: использованный нами способ консервации обеспечивает сохранность изотопной системы водорода водных проб (наиболее подверженной искажениям при хранении) как минимум, в течение 4-х лет при объеме пробы 25 мл. Наработанный опыт позволяет рекомендовать немедленную консервацию порций от каждой пробы после экспедиций, на случай задержек с анализом или иной необходимости. В результате этих и предыдущих работ база изотопных данных для морских вод, созданная и поддерживаемая группой стабильных изотопов ИГЕМ РАН, содержит 8 000 изотопно-концентрационных характеристик (5400 определений величин δ18О и δ2Н, и по 1303 парных определений δ13С и концентрации DIC) для 2863 образцов. Теоретические исследования 2025 г. состояли в анализе гидрофизических и изотопных (δ18О, δD, δ13C(DIC), [DIC]) данных для атлантических вод, циркулирующих в зоне континентального склона и глубоководных желобов Баренцева, Карского морей и моря Лаптевых. Желоб Святой Анны. На основе гидрофизических данных и данных о пространственном положении, выделены основные типы вод, циркулирующих в этом районе (SW-поверхностные, WCW зимние субповерхностные, CDW- холодные модифицированные воды шельфа, BSBW – баренцевоморские придонные, FAW – атлантические воды, поступающие к желобу вдоль континентального склона СЛО со стороны пролива Фрама). Установлено, что в 2021 году за время прохождения желоба фрамовская атлантическая вода существенно остывала (в среднем от 2.16±0.23 до 1.19±0.2 оС), при этом ее соленость практически не менялась (≈34.85 е.п.с.). Неизменными оставались также изотопные параметры FAW, которые составили в среднем: δ18О≈0.3‰, δ2Н≈1.5‰, δ13С(DIC)≈0.7‰, [DIC]≈2210-2220 umole/l. Сделан вывод о том, что не только консервативные трассеры (δ18О и δ2Н), но и изотопно-концентрационная система DIC являются устойчивым атрибутом FAW. Проведена оценка изотопных характеристик остальных типов вод, заполняющих желоб Св. Анны. По гидрофизическим данным выделяют относительно «теплые» баренцевоморские придонные воды (BSBW) и холодные глубокие воды (CDW), залегающие примерно на одинаковых глубинах. По консервативным изотопным параметрам (δ18О, δ2Н) эти воды также близки. Однако, они существенно отличаются по величине δ13С(DIC): в водах CDW ей присущи крайне низкие значения относительно остальных вод желоба, достигающие 0.46±0.05‰ в ядре. В то же время, BSBW близки к водам фрамовской ветви по величине δ13С(DIC) (0.65±0.05‰), что подтверждает не только их общее атлантическое происхождение, но и устойчивость изотопных характеристик при очень разной истории поступления этих вод в желоб Св. Анны. Установлено, что CDW являются продуктом зимней модификации BSBW, связанной, по-видимому с деятельностью полыньи у северной оконечности Новой Земли. Зимние субповерхностные воды желоба (WCW), которые находятся на глубине 35-75 м под теплым поверхностным слоем, имеют δ13С(DIC)= 0.88±0.16‰, что существенно ниже, чем в поверхностных водах (1.54±0.16‰), равновесных с СО2 современной атмосферы. Эта общая закономерность позволяет заключить, что величина δ13С(DIC) является не только устойчивой характеристикой водных масс, но также индикатором процессов зимней модификации морских вод. Проведен анализ многолетнего состояния гидрофизических параметров водных масс в районе желоба Св. Анны и межгодовой изменчивости термохалинных характеристик баренцевоморской ветви поверхностных атлантических вод на основе архивных данных для теплых сезонов с 1977 по 2024 годы. Выявлена связь с высокой корреляцией (R^2=0.8) между начальной температурой баренцевоморской ветви на западной границе Баренцева моря и ее температурой на северо-восточной границе Баренцева моря. Показано, что после 2000-х годов баренцевоморская ветвь стала затекать в Баренцево море с более высокими температурами, чем это было ранее, и уже не успевает охладиться до отрицательных температур за период прохождения через Баренцево море. Кроме того, ее охлаждение замедлилось из-за усиления частоты юго-западных ветров в холодные периоды года, и это приводит к уменьшению теплопотери из океана в атмосферу. Показано, что в последние десятилетия охлаждение вод баренцевоморской ветви в желобе Святой Анны продолжается, а зона ее охлаждения расширяется на северо-восток и в последние годы захватывает уже акваторию желоба Святой Анны. Желоба северной части Баренцева моря. Обработаны результаты, полученные для образцов, отобранных в районе глубоководных желобов Орли и района о-ва Белый. Из-за небольшой представительности коллекции, удалось надежно установить изотопные параметры только для поверхностных и зимних вод, широко распространенных в данном районе. Зона континентального склона в море Лаптевых. На основе обработки данных для двух сечений, проходящих через континентальный склон в море Лаптевых, установлен характер трансформации вод фрамовской ветви теплого атлантического течения, циркулирующего в пределах СЛО. В районе Западного и Восточного сечений отмечаются 2 ядра теплых атлантических вод (AW2 и AW1), одно из которых отвечает водам, поступившим из пролива Фрама, а другое – тем же водам, прошедшим через желоб Св. Анны. Для последних (AW1) характерна пониженная температура, но сохраняются изотопные параметры кислорода и углерода DIC (δ18О≈0.3‰, δ13С(DIC)≈0.7-0.8‰), которые были установлены для ветвей FAW в желобе Св. Анны. Более теплое атлантическое течение, AW2, характеризуется теми же изотопными характеристиками, что и AW1. Это еще раз подтверждает устойчивость изотопных характеристик атлантических вод, несмотря на длительную циркуляцию и значительное изменение их температуры и плотности. По независящим от нас обстоятельствам не состоялся рейс, участие в котором планировалось на лето 2025 года. В 2025 году опубликованы 4 статьи, две из них в изданиях Q1 (Deep Sea Research I и Frontiers in Marine Science), одна – в издании Q2 (Polar Science) и одна – в журнале "Океанология".

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть научным заделом для изучения обеспечения функционирования Северного морского пути, освоения арктических акваторий.