Холодные просачивания: среда обитания и геологические особенности морского дна

Введение

Область океанского дна, где происходит просачивание флюидов, богатых сероводородом, метаном и другими углеводородами.

Холодное просачивание (иногда называемое холодным источником) – это область океанского дна, где происходит просачивание флюидов, богатых сероводородом, метаном и другими углеводородами, часто в форме солевого бассейна. Термин "холодный" не означает, что температура просачивания ниже температуры окружающей морской воды; напротив, она часто немного выше. "Холодный" противопоставляется очень высоким (не менее 60 °C (140 °F)) температурам гидротермальных источников. Холодные просачивания формируют биом, поддерживающий несколько эндемичных видов. Со временем холодные просачивания развивают уникальный рельеф, где реакции между метаном и морской водой создают карбонатные горные образования и рифы. Эти реакции также могут зависеть от бактериальной активности. Икаит, гидратированный карбонат кальция, может быть связан с окислением метана в зонах холодных просачиваний.

Типы

Типы холодных просачиваний можно различать по глубине, выделяя мелководные и глубоководные холодные просачивания. Поглощение метана аэробными и анаэробными организмами, обитающими на морском дне, называется «бентосным фильтром». Первая часть этого фильтра – анаэробные бактерии и археи, находящиеся под морским дном и осуществляющие потребление метана посредством анаэробного окисления метана (AOM).

Распространение

Холодные просачивания были обнаружены в 1983 году Чарльзом Паулом и его коллегами на Флоридском склоне в Мексиканском заливе. С тех пор просачивания были обнаружены во многих других частях мирового океана. Большинство из них сгруппированы в пять биогеографических провинций: Мексиканский залив, Атлантический, Средиземноморский, Восточный и Западный Тихий океан, Арктический океан, Северное море, Скагеррак, Каттегат, Калифорнийский залив, Красное море, Индийский океан, у южного побережья Австралии и во внутренней части Каспийского моря. В северо-западной части Тихого океана в 2015 году было обнаружено холодное просачивание, названное Оазисом Пифии. С недавним открытием метанового просачивания в Южном океане, холодные просачивания теперь известны во всех основных океанах. В Каттегате метановые просачивания известны как "пузырьковые рифы" и обычно находятся на глубине, а у северного побережья Калифорнии их можно встретить на такой же небольшой глубине. Помимо существующих сегодня холодных просачиваний, в различных частях мира были найдены ископаемые остатки древних систем просачивания. Некоторые из них расположены далеко вглубь континента, в местах, которые ранее были покрыты доисторическими океанами.

Открытия

Химосинтетические сообщества Мексиканского залива широко изучались с 1990-х годов, и сообщества, впервые обнаруженные на верхнем склоне, вероятно, являются наиболее изученными сообществами просачивания в мире. История открытия этих замечательных животных началась в 1980-х годах. Каждое крупное открытие было неожиданным – от первых гидротермальных источников в мире до первых холодных просачиваний в Мексиканском заливе. Участки с очень медленным просачиванием не поддерживают сложные химосинтетические сообщества, а обычно поддерживают только простые микробные маты (Beggiatoa sp.). В настоящее время известно более 50 сообществ, существующих в 43 блоках внешнего континентального шельфа (ОКС). Результаты подтвердили обширные естественные утечки нефти в Мексиканском заливе, особенно на глубинах более 1000 м. Предполагается (MacDonald, 1998b), что динамика изменения гидратов может играть важную роль в регулировании выброса углеводородных газов, поддерживающих биогеохимические процессы, а также оказывать существенное влияние на стабильность сообщества. Зафиксированные колебания температуры придонных вод в несколько градусов в некоторых районах, таких как участок Буш-Хилл (4–5 °C на глубине 500 м), предположительно приводят к диссоциации гидратов и увеличению потоков газа (MacDonald et al., 1994). Хотя и не такие разрушительные, как вулканизм в районах гидротермальных источников срединно-океанических хребтов, динамика формирования и перемещения мелководных гидратов, безусловно, повлияет на сидячих животных, формирующих часть просачивающегося барьера. Существует потенциал катастрофического события, при котором целый слой мелководных гидратов может оторваться от дна и существенно повлиять на местные сообщества хемосинтезирующей фауны. Химосимбиотические двустворчатые моллюски, собранные из грязевых вулканов Кадисского залива, были рассмотрены в 2011 году. Необходимо дальнейшее изучение новых районов, таких как потенциальные места просачивания у восточного побережья США и Лаврентийского веера, где известны химосинтетические сообщества на больших глубинах, а также более мелких участков в Гвинейском заливе. Кроме того, изучение симбиозов выявило ассоциации с хемоавтотрофными бактериями, окислителями серы у двустворчатых моллюсков Vesicomyidae и Lucinidae, а также трубчатых червей Siboglinidae, и подчеркнуло исключительное разнообразие бактерий, живущих в симбиозе с мелкими Mytilidae. Средиземноморские просачивания, по-видимому, представляют собой богатую среду обитания, характеризующуюся богатством видов мегафауны (например, гастроподов) или исключительными размерами некоторых видов, таких как губки (Rhizaxinella pyrifera) и крабы (Chaceon mediterraneus), по сравнению с их обычными аналогами. Это контрастирует с низкой численностью и разнообразием макро- и мегафауны в глубоких водах восточного Средиземноморья. Сообщества просачивания в Средиземном море, включающие эндемичные хемосинтетические виды и сопутствующую фауну, отличаются от других известных сообществ просачивания в мире не только на уровне видов, но и отсутствием крупных родов двустворчатых моллюсков Calyptogena или Bathymodiolus. Изоляция Средиземноморских просачиваний от Атлантического океана после мессинийского кризиса привела к развитию уникальных сообществ, которые, вероятно, отличаются по составу и структуре от атлантических. Дальнейшие экспедиции, включавшие количественный отбор проб мест обитания в различных районах, от Средиземноморского хребта до восточного глубоководного веера Нила, также выявили сообщества, основанные на хемосинтезе, которые показали значительное сходство с фауной, несущей симбионтов, в холодных просачиваниях восточного Средиземноморья.

The chemosynthetic communities of the Gulf of Mexico have been studied extensively since the 1990s, and communities first discovered on the upper slope are likely the best understood seep communities in the world. The history of the discovery of these remarkable animals has all occurred since the 1980s. Each major discovery was unexpected―from the first hydrothermal vent communities anywhere in the world to the first cold seep communities in the Gulf of Mexico. Very slow seepage sites do not support complex chemosynthetic communities; rather, they usually only support simple microbial mats (Beggiatoa sp.). More than 50 communities are now known to exist in 43 Outer Continental Shelf (OCS) blocks. Results confirmed extensive natural oil seepage in the Gulf of Mexico, especially in water depths greater than 1,000 m (3,281 ft). It is hypothesized (MacDonald, 1998b) that the dynamics of hydrate alteration could play a major role as a mechanism for regulation of the release of hydrocarbon gases to fuel biogeochemical processes and could also play a substantial role in community stability. Recorded bottom water temperature excursions of several degrees in some areas such as the Bush Hill site (4–5 °C at 500 m (1,640 ft) depth) are believed to result in dissociation of hydrates, resulting in an increase in gas fluxes (MacDonald et al., 1994). Although not as destructive as the volcanism at vent sites of the mid ocean ridges, the dynamics of shallow hydrate formation and movement will clearly affect sessile animals that form part of the seepage barrier. There is potential of a catastrophic event where an entire layer of shallow hydrate could break free of the bottom and considerably affect local communities of chemosynthetic fauna. The chemosymbiotic bivalves collected from the mud volcanoes of the Gulf of Cadiz were reviewed in 2011. Exploration of new areas, such as potential seep sites off of the east coast of the U. S. and the Laurentian fan where chemosynthetic communities are known deeper than , and shallower sites in the Gulf of Guinea are need to study in the future. Moreover, the study of symbioses revealed associations with chemoautotrophic bacteria, sulfur oxidizers in Vesicomyidae and Lucinidae bivalves and Siboglinidae tubeworms, and highlighted the exceptional diversity of bacteria living in symbiosis with small Mytilidae. The Mediterranean seeps appear to represent a rich habitat characterized by megafauna species richness (e. g., gastropods) or the exceptional size of some species such as sponges (Rhizaxinella pyrifera) and crabs (Chaceon mediterraneus), compared with their background counterparts. This contrasts with the low macro and mega faunal abundance and diversity of the deep eastern Mediterranean. Seep communities in the Mediterranean that include endemic chemosynthetic species and associated fauna differ from the other known seep communities in the world at the species level but also by the absence of the large size bivalve genera Calyptogena or Bathymodiolus. The isolation of the Mediterranean seeps from the Atlantic Ocean after the Messinian crisis led to the development of unique communities, which are likely to differ in composition and structure from those in the Atlantic Ocean. Further expeditions involved quantitative sampling of habitats in different areas, from the Mediterranean Ridge to the eastern Nile deep sea fan. have also revealed chemosynthesis based communities that showed a considerable similarity to the symbiont bearing fauna of eastern Mediterranean cold seeps.

В западной части Тихого океана

Сообщалось также о встречаемости самородного алюминия в холодных просачиваниях на северо-восточном континентальном склоне Южно-Китайского моря (Chen et al., 2011).

Обнаружение

С учетом накопленного опыта, особенно на верхнем континентальном склоне в Мексиканском заливе, успешность прогнозирования присутствия сообществ трубчатых червей продолжает расти; однако, химиосинтетические сообщества нельзя надежно обнаружить напрямую с помощью геофизических методов. Углеводородные просачивания, обеспечивающие существование химиосинтетических сообществ (например, в бассейне Гуаймас), изменяют геологические характеристики, что позволяет выявлять их дистанционно, но временная связь между активным просачиванием и наличием живых сообществ всегда остается неопределенной. Эти известные изменения в осадочных породах включают (1) осаждение аутигенного карбоната в виде микронодулей, конкреций или крупных скоплений; (2) образование газовых гидратов; (3) изменение состава осадка за счет концентрации твердых остатков химиосинтезирующих организмов (таких как фрагменты раковин и слои); (4) формирование межзеренных газовых пузырьков или углеводородов; и (5) образование провалов или покмарков в результате выброса газа. Эти особенности вызывают акустические эффекты, такие как зоны отсутствия отражения (без эхосигнала), твердые днища (с сильным отражением), яркие пятна (слои с усиленным отражением) или реверберационные слои (Behrens, 1988; Roberts и Neurauter, 1990). Потенциальные местоположения большинства типов сообществ можно определить путем тщательной интерпретации этих геофизических изменений, но на сегодняшний день этот процесс остается несовершенным, и для подтверждения наличия живых сообществ требуются прямые визуальные методы. Примеры ископаемых холодных просачиваний встречаются в меловых отложениях Хоккайдо, палеогеновых отложениях Хонсю, неогеновых отложениях Северной Италии и плейстоценовых отложениях Калифорнии. Эти ископаемые холодные просачивания характеризуются холмовидным рельефом (где он сохранился), грубокристаллическими карбонатами и обилием моллюсков и брахиопод.

Влияние на окружающую среду

Основными угрозами для экосистем холодных просачиваний и их сообществ сегодня являются мусор на морском дне, химические загрязнители и изменение климата. Мусор на морском дне изменяет среду обитания, создавая твердый субстрат там, где его раньше не было, или покрывая осадок, тем самым подавляя газообмен и нарушая жизнь организмов на дне моря. Исследования морского мусора в Средиземном море включают обследования мусора на морском дне на континентальном шельфе, склоне и абиссальной равнине. В большинстве исследований пластиковые изделия составляли основную часть мусора, иногда до 90% или более от общего объема, из-за их широкого использования и плохой разлагаемости. В море также выбрасывают оружие и боеприпасы, и их сброс в открытые воды способствует загрязнению морского дна. Еще одной серьезной угрозой для бентосной фауны является потеря рыболовных снастей, таких как сети и длинные тралы, которые приводят к "призрачному" вылову и могут нанести ущерб хрупким экосистемам, таким как холодные кораллы. Химические загрязнители, такие как стойкие органические загрязнители, токсичные металлы (например, Hg, Cd, Pb, Ni), радиоактивные соединения, пестициды, гербициды и фармацевтические препараты, также накапливаются в глубоководных отложениях. Топография (например, каньоны) и гидрография (например, каскадные потоки) играют важную роль в транспортировке и накоплении этих химических веществ от побережья и шельфа к глубоководным бассейнам, влияя на местную фауну. Недавние исследования выявили значительные уровни диоксинов в коммерческих креветках *Aristeus antennatus* и значительные уровни стойких органических загрязнителей в мезопелагических и батипелагических головоногих моллюсках. Климатические процессы и изменение климата повлияют на частоту и интенсивность каскадных потоков, с непредсказуемыми последствиями для бентосной фауны. Другой потенциальный эффект изменения климата связан с переносом энергии из поверхностных вод к морскому дну. Первичное производство будет меняться в поверхностных слоях в зависимости от солнечного освещения, температуры воды, сильной стратификации водных масс и других факторов, что повлияет на пищевую цепь до глубокого морского дна, которое будет подвержено изменениям в количестве, качестве и сроках поступления органического вещества. По мере того, как коммерческий промысел перемещается в более глубокие воды, все эти факторы будут влиять на сообщества и популяции организмов в экосистемах холодных просачиваний и в глубоком море в целом.

Major threats that cold seep ecosystems and their communities face today are seafloor litter, chemical contaminants, and climate change. Seafloor litter alters the habitat by providing hard substrate where none was available before or by overlying the sediment, thereby inhibiting gas exchange and interfering with organisms on the bottom of the sea. Studies of marine litter in the Mediterranean include surveys of seabed debris on the continental shelf, slope, and bathyal plain. In most studies, plastic items accounted for much of the debris, sometimes as much as 90% or more of the total, owing to their ubiquitous use and poor degradability. Weapons and bombs have also been discarded at sea, and their dumping in open waters contributes to seafloor contamination. Another major threat to the benthic fauna is the presence of lost fishing gear, such as nets and longlines, which contribute to ghost fishing and can damage fragile ecosystems such as cold water corals. Chemical contaminants such as persistent organic pollutants, toxic metals (e. g., Hg, Cd, Pb, Ni), radioactive compounds, pesticides, herbicides, and pharmaceuticals are also accumulating in deep sea sediments. Topography (such as canyons) and hydrography (such as cascading events) play a major role in the transportation and accumulation of these chemicals from the coast and shelf to the deep basins, affecting the local fauna. Recent studies have detected the presence of significant levels of dioxins in the commercial shrimp Aristeus antennatus and significant levels of persistent organic pollutants in mesopelagic and bathypelagic cephalopods. Climate driven processes and climate change will affect the frequency and intensity of cascading, with unknown effects on the benthic fauna. Another potential effect of climate change is related to energy transport from surface waters to the seafloor. Primary production will change in the surface layers according to sun exposure, water temperature, major stratification of water masses, and other effects, and this will affect the food chain down to the deep seafloor, which will be subject to differences in quantity, quality, and timing of organic matter input. As commercial fisheries move into deeper waters, all of these effects will affect the communities and populations of organisms in cold seeps and the deep sea in general.