Силикаты

Биологическая роль кремния в морской воде определяется тем, что он (наряду с кальцием и магнием) входит в состав скелетных образований широко распространенных морских организмов: створок диатомовых, игл радиоляриевых, спикул кремниевых губок. Главным источником поступления кремния в океан служит материковый сток и поэтому нахождение кремния (в форме истинно растворенной кремнекислоты) в больших количествах может служить показателем распространения речных вод в пределах залива.

Основной путь удаления растворенного кремния из морской воды – это биогенные процессы, происходящие в фотическом слое. Высокое содержание кремния способствует интенсивному развитию диатомей, что уменьшает его содержание в фотическом слое. Однако только в исключительных случаях в районах с высокой биологической продуктивностью и при наиболее благоприятных условиях, содержание кремния в морской воде может снижаться до аналитического нуля.

Вертикальное распределение. На вертикальное распределение кремния в толще вод залива оказывают последствия жизнедеятельности кремневых организмов (поглощение в процессе развития и регенерация кремния из продуктов их распада), вертикальная осенне-зимняя конвекция, горизонтальный и вертикальный перенос вод, различная интенсивность приливных и непериодических течений, вихреобразование, а также связанное с ними турбулентное перемешивание вод.

Для периода с декабря по февраль-март в толще вод залива Петра Великого, как правило, наблюдается гомогенное распределение кремния. Это связано с мелководностью района исследования и благоприятными условиями для хорошего развития конвекции. Поэтому в этот период года в заливе не выделяются другие структурные элементы в вертикальном распределении силикатов (Рисунок 30). В теплый период года главная крупномасштабная особенность вертикального распределения кремния в водах залива Петра Великого заключается в том, что на подповерхностных горизонтах (10-20 м) выделяется слой с пониженными содержаниями. Весной и летом в верхнем слое вод (за счет вегетации фитопланктона) формируются минимальные содержания кремнекислоты. Более того, по мере прогрева верхнего слоя вод и потребления биогенных веществ на поверхности моря, интенсивность вегетации фитопланктона смещается на подповерхностные горизонты. Как следствие, происходит формирование подповерхностного минимума силикатов. Только в поверхностных водах залива этот дефицит силикатов пополняется за счет стока рек. Как правило, подповерхностный минимум силикатов в заливе Петра Великого проявляется на горизонтах 10-20 м. По мере дальнейшего роста глубин на средних многолетних профилях вертикального распределения выделяется однотипное распределение, для которого характерен рост содержания силикатов с глубиной (Рисунок 30). Осенью и в начале зимы, когда существенно понижается температура воздуха и увеличивается скорость ветра, на акватории залива происходит перестройка вертикального распределения, в результате которой постепенно (от поверхности до придонных горизонтов) происходит разрушение отмеченной выше для теплого периода года структуры вертикального распределения силикатов. Следует также отметить, что все изложенное основывается на средних многолетних величинах. В конкретные годы отдельные элементы представленной выше структуры вертикального распределения кремния могут быть выражены более ярко (например, рисунок 29). Более того, их вертикальное распространение и значения градиентов также могут быть существенно выше либо ниже.

Рисунок 30 - Вертикальное распределение силикатов (мкг/л) в отдельных районах заливе Петра Великого (а – номера и границы районов, б – распределение силикатов в районе 1, в – в районе 2, г – в районе 3, д – в районе 4, е – в районе 5). Условные обозначения: 1 – февраль, 2 – апрель, 3 – июнь, 4 – август, 5 – октябрь, 6 – декабрь.

Сезонная изменчивость . Внутригодовые изменения содержания кремния в водах залива Петра Великого зависят от сложного взаимодействия гидрологических, гидрохимических, динамических и биохимических процессов. В прибрежной части моря главное влияние на его содержание оказывает изменчивость материкового стока. По мере удаления от берегов на особенности внутригодового распределения кремния начинают больше влиять изменения  крупномасштабной циркуляции вод, вихри и меандры локальных течений, а также процессы осенне-зимней конвекции. Жизнедеятельность диатомового фитопланктона, являющегося основным потребителем кремния, также имеет свои внутригодовые особенности, обусловленные активной вегетацией в теплый период года и существенным ее снижением зимой.

Имеющиеся средние многолетние данные позволяют выделить следующие закономерности внутригодовой изменчивости кремнекислоты в водах залива Петра Великого (Рисунок 31). Минимальный размах внутригодовой изменчивости силикатов наблюдается в толще вод заливов Уссурийский и Посьета, где он не превышает 300-600 мкг/л (Рисунок 31 в, д). На акваториях, режим которых существенно зависит от речного стока, сезонные колебания силикатов существенно увеличиваются и достигают, например, в заливах Амурский, Восток и Находка 700-1000 мкг/л (Рисунок 31 б, е). В мористой глубоководной части залива Петра Великого сезонные вариации силикатов достигают 1000 мкг/л (Рисунок 31). Так как колебания силикатов здесь совершаются синхронно на всех горизонтах рассматриваемой толщи вод, то можно предположить, что сезонная изменчивость в глубоководной части залива Петра Великого имеет адвективную природу. Только в водах Амурского залива наблюдается четко выраженная годовая гармоника в ходе сезонных изменений силикатов. Их максимальное содержание, как следует из рисунка 31 б, хорошо согласуется с изменчивостью речного стока, для которого максимальные значения наблюдаются в августе. Минимальное содержание силикатов выделяется осенне-зимний период (когда сток рек минимален).

Отмеченные выше закономерности с правильной годовой гармоникой сезонных вариаций содержания силикатов, как следует из рисунка 31, не наблюдаются в толще вод остальной и преобладающей части залива Петра Великого.

Как видно из представленного рисунка, характерной чертой внутригодовых изменений силикатов является присутствие локальных экстремумов во всех районах обобщения данных. Возможно, что основной причиной этого является недостаточное в настоящее время для обобщения количество исходных данных в отдельные месяцы, а также влияние не отфильтрованной межгодовой изменчивости содержания силикатов. Следует также отметить, что на подповерхностных и придонных горизонтах размах сезонных колебаний кремнекислоты существенно не уменьшается (Рисунок 31).

Пространственно-временное распределение. В поверхностном слое залива Петра Великого в течение года наблюдается однотипное пространственное распределение кремния, отличительной чертой которого является наличие максимальных значений в прибрежных районах северной периферии исследуемой акватории. В мористой глубоководной части залива, как правило, содержания кремния существенно ниже (Рисунок 32). В основном, эти различия связаны с тем, что влияние стока рек на гидрологический режим вод залива Петра Великого ограничивается прибрежными мелководными участками акватории.

Рисунок 31 - Сезонные изменения силикатов (мкг/л) в отдельных районах залива Петра Великого (а – номера и границы районов, б – изменения силикатов в районе 1, в – в районе 2, г – в районе 3, д – в районе 4, е – в районе 5). Условные обозначения: 1 - 0 м, 2 - 10 м, 3 - 20 м, 4 - 30 м, 5 - 50 м.

Рисунок 32 - Распределение силикатов (мкг/л) на поверхности залива Петра Великого (а – март, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

На горизонтах 20, 30 и 50 м пространственное распределение силикатов определяется адвекцией вод из глубоководной части Японского моря, вертикальной протяженностью отдельных элементов структуры вод, зависящей от сезона года, а также интенсивностью развития фитопланктона. Влияние стока материковых вод на этих горизонтах практически не сказывается, так как в теплый период года между верхним (хорошо перемешанным и прогретым) слоем и придонными водами существует слой сезонного пикноклина, препятствующий вертикальному обмену характеристик. В тоже время зимой, когда конвекция охватывает всю толщу вод залива, материковый сток минимален. Все перечисленные составляющие баланса кремния в заливе Петра Великого подвержены воздействию динамических процессов, происходящих в толще вод, а также существенно изменяющихся атмосферных процессах и явлениях над рассматриваемой акваторией. Минимальные содержания кремния в слое 20-50 м (не превышающие 360-440 мкг/л) наблюдаются в конце зимы (см. например, распределение кремния в марте на рисунках 33 - 35).

Рисунок 33 - Распределение силикатов (мкг/л) на горизонте 20 м в заливе Петра Великого (а – март, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

Затем содержание кремния в слое 20-50 м начинает увеличиваться и достигает своего максимума (700-800, 800-900 и 1000-1100 мкг/л соответственно на горизонтах 20, 30 и 50 м) в октябре. Наиболее вероятно, что этот рост содержания кремния в слое 20-50 м, в первую очередь связан с регенераций кремния при разложении остатков биологических объектов, перемещающихся из поверхностного слоя вод. Сказывается здесь (хоть и в меньшей мере) также и передача кремния на нижележащие горизонты из поверхностного слоя вод, в котором содержание силикатов существенно зависит от стока рек. Однако уже в декабре (за счет конвективного обмена в толще вод залива Петра Великого) содержание кремния на горизонтах 20, 30 и 50 м вновь начинает уменьшаться (Рисунок 33 - 35).

Рисунок 34 - Распределение силикатов (мкг/л) на горизонте 30 м в заливе Петра Великого (а – март, б – апрель, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – декабрь)

Рисунок 35. Распределение силикатов (мкг/л) на горизонте 50 м в заливе Петра Великого (а – апрель, б – май, в – июнь, г – август, д – октябрь, е – ноябрь)