关于俄罗斯北极地区诺里洛-皮亚辛斯卡亚水系湖泊沉积物地球化学的新数据

《Journal of Great Lakes Research》：New data on the geochemistry of lake sediments of the Norilo-Pyasinskaya water system in the Russian Arctic

本研究分析了俄罗斯北极地区Pyasino和Melkoye湖底沉积物的地球化学特征，发现人为活动导致Ni、Cu等元素富集，孔隙水中NO3?和PO4^3?的生物地球化学过程源于有机质分解，形成硫化物等矿物，但硫还原作用较弱。

　　

安东·E·马尔采夫（Anton E. Maltsev）|谢尔盖·K·克里沃诺戈夫（Sergey K. Krivonogov）|瓦列里·A·比钦斯基（Valery A. Bychinsky）|伊万·S·基里琴科（Ivan S. Kirichenko）|列昂尼德·V·米罗什尼琴科（Leonid V. Miroshnichenko）|加琳娜·A·列奥诺娃（Galina A. Leonova）

俄罗斯科学院西伯利亚分院索博列夫地质与矿物学研究所，新西伯利亚 630090

摘要

本研究考察了位于俄罗斯北极古冰川区的皮亚西诺湖（Pyasino Lake）和梅尔科耶湖（Melkoye Lake）底部沉积物的地球化学特征。这有助于更好地理解这些特定北极湖泊系统中的地球化学过程及其生态意义。研究数据表明，沉积物中富含诺里尔斯克矿区（Norilsk ore province）特有的元素，尤其是镍（Ni）和铜（Cu）。皮亚西诺湖表层10厘米沉积物中镍、铜、锌（Zn）、钴（Co）、铬（Cr）和钼（Mo）浓度的增加是人类活动对湖泊生态系统影响的的结果。该地区首次对沉积物孔隙水进行了研究，发现其中含有高浓度的硝酸根离子（NO₃^–）和磷酸根离子（PO₄^3–）以及溶解有机碳（DOC），这是由于微生物分解有机物质所致。这一过程导致易分解的有机物质成分迁移到孔隙水中，并形成了还原环境。与湖水相比，孔隙水中铁（Fe）、锰（Mn）、铝（Al）、砷（As）、硼（B）、钡（Ba）、钴（Co）、钼（Mo）、镍（Ni）、硅（Si）、锶（Sr）、钒（V）和钇（Y）的浓度升高，这是由于底部沉积物的成岩作用所致。我们的数据证明了有机物质在沉积物矿物组成变化及自生矿物（如黄铁矿和方解石）形成中的作用。此外，硫的低还原态含量表明沉积物中细菌硫酸盐还原作用较为微弱。

引言

了解成岩过程是沉积物研究的重要组成部分；然而，在大陆环境下，关于成岩作用的地球化学研究仍然有限。虽然海洋沉积物的成岩过程已得到广泛研究（Deflandre等人，2002年；Emerson和Hedges，2003年；Ingalls等人，2004年），但湖泊中的成岩过程仍大多未被探索（Granina，2008年；Kokryatkaya等人，2020年；Leonova等人，2018年；Leonova等人，2019年；Meyers和Ishiwatari，1993年；Pogodaeva等人，2007年；Sabrouti和Sokkary，1982年）。北极湖泊的成岩过程更加复杂，因为它们的盐度较低、硫酸盐和有机物质含量较少，沉积物的化学组成也具有特殊性（Gursky，1998年；Gursky，2013年；Rumyantseva，2012年；Starichkov，2002年）。大多数关于北极湖泊的研究集中在古气候、自然水体的环境监测或单个元素的地球化学上（Bazova和Koshevoi，2017年；Frank等人，2002年；Gursky，1998年；Gursky，2013年；Harwart等人，1999年；Ivanov和Rumyantseva，2011年；Rumyantseva，2012年）。因此，对俄罗斯北极水域成岩过程的理解不足，在理论和实践上都具有重要意义。 北极湖泊是研究大陆成岩过程的理想对象，因为它们的沉积物成分均匀，全新世时期的沉积速率较低（Kokryatkaya等人，2020年）。这类湖泊深度足够大，水体化学成分随时间变化很小（Frank等人，2002年；Harwart等人，1999年），这使得孔隙水中的成岩作用更加明显，尤其是自生矿物的沉积。这与温带湖泊的情况不同——温带湖泊通常矿物化程度高，底部沉积物成分不均匀，自生矿物（如碳酸盐、岩盐、Mirabilite等）含量较高，沉积物厚度相对较薄（Leonova等人，2018年；Leonova等人，2019年）。在温带湖泊中，由于湖内条件变化（如湖水盐度升高导致方解石形成），很难区分成岩矿物和沉积过程中形成的矿物。此外，孔隙水成分也会因湖水位波动而大幅变化。因此，位于西伯利亚北部的皮亚西诺湖和梅尔科耶湖是研究沉积过程及沉积后早期成岩转变（包括底部沉积物和孔隙水中的变化）以及有机物质在这些过程中的作用的理想模型系统。

方法

在皮亚西诺湖、梅尔科耶湖及诺里尔斯克周边地区采集沉积物样本是俄罗斯科学院西伯利亚分院开展的多学科研究的一部分，旨在探讨2021年5月29日柴油泄漏事件的后果。我们从这两座湖泊中采集了8个短芯和2个长芯（见图1和表1）。短芯用于分析天然和人工碳氢化合物的分布（Taran等人，2021年）。

湖水化学

研究湖泊水的化学成分见表2。皮亚西诺湖的水质总体矿化程度较低，但硫酸盐（SO₄^2–）浓度较高，这通常与人为污染有关（Bazova和Koshevoi，2017年；Gursky，1998年；Gursky，2013年）。人类活动对皮亚西诺湖生态系统的影响还体现在溶解有机碳（DOC）、重碳酸盐（DIC）和硝酸根离子（NO₃^–）浓度升高上，分别为4.5 mg/L、8.6 mg/L和0.18 mg/L，同时铝（Al）含量也较高。

诺里尔斯克-皮亚西诺湖水系沉积物的地球化学特征 研究数据显示，这些湖泊沉积物中镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）和钴（Co）的浓度相对较高（见图5和图6），这反映了诺里尔斯克地区作为大型铜镍硫化物矿区的地质特性。已知矿床主要位于地表附近（Likhachev，2020年），这使得这些元素容易通过自然作用浸出。过去100年的采矿活动导致该地区严重污染，进一步增加了这些元素的浓度。

结论

1. 研究表明，这些湖泊沉积物中富含诺里尔斯克矿区特有的元素（尤其是镍和铜）；然而，皮亚西诺湖表层沉积物中这些元素浓度的增加是人类活动对湖泊生态系统影响的后果。 2. 沉积物孔隙水中生物来源成分（如硅（Si）、硝酸根离子（NO₃^–）、磷酸根离子（PO₄^3–）和溶解有机碳（DOC）的浓度升高是由于有机物质分解所致。

作者贡献声明 - 安东·E·马尔采夫（Anton E. Maltsev）：负责撰写初稿、研究设计及概念构思。 - 谢尔盖·K·克里沃诺戈夫（Sergey K. Krivonogov）：负责审稿、编辑及撰写初稿。 - 瓦列里·A·比钦斯基（Valery A. Bychinsky）：负责方法论设计及研究工作。 - 伊万·S·基里琴科（Ivan S. Kirichenko）：负责方法论设计及研究工作。 - 列昂尼德·V·米罗什尼琴科（Leonid V. Miroshnichenko）：负责方法论设计及研究工作。 - 加琳娜·A·列奥诺娃（Galina A. Leonova）：负责审稿、编辑及监督工作。

利益冲突声明 作者声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢 本研究由俄罗斯科学院西伯利亚分院组织的“2020年大诺里尔斯克考察”项目资助。考察工作得到了JSC“诺里尔斯克-泰米尔能源公司”的支持。研究工作属于俄罗斯科学院西伯利亚分院的科研任务（项目编号：FWZN-2026-0004、FWZN-2026-0008），并得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部在多元素和同位素研究分析中心的支持。