Composition of Sedimentary Organic Matter across the Laptev Sea Shelf: Evidences from Rock-Eval Parameters and Molecular Indicators

Global warming in high latitudes causes destabilization of vulnerable permafrost deposits followed by massive thaw-release of organic carbon. Permafrost-derived carbon may be buried in the nearshore sediments, transported towards the deeper basins or degraded into the greenhouse gases, potentially initiating a positive feedback to climate change. In the present study, we aim to identify the sources, distribution and degradation state of organic matter (OM) stored in the surface sediments of the Laptev Sea (LS), which receives a large input of terrestrial carbon from both Lena River discharge and intense coastal erosion. We applied a suite of geochemical indicators including the Rock Eval parameters, traditionally used for the matured OM characterization, and terrestrial lipid biomarkers. In addition, we analyzed a comprehensive grain size data in order to assess hydrodynamic sedimentation regime across the LS shelf. Rock-Eval (RE) data characterize LS sedimentary OM with generally low hydrogen index (100–200 mg HC/g TOC) and oxygen index (200 and 300 CO2/g TOC) both increasing off to the continental slope. According to Tpeak values, there is a clear regional distinction between two groups (369–401 °C for the inner and mid shelf; 451–464 °C for the outer shelf). We suggest that permafrost-derived OM is traced across the shallow and mid depths with high Tpeak and slightly elevated HI values if compared to other Arctic continental margins. Molecular-based degradation indicators show a trend to more degraded terrestrial OC with increasing distance from the coast corroborating with RE results. However, we observed much less variation of the degradation markers down to the deeper sampling horizons, which supports the notion that the most active OM degradation in LS land-shelf system takes part during the cross-shelf transport, not while getting buried deeper

Organic carbon in surface sediments of Laptev Sea and East Siberian Sea: observation of pyrolysis data

Актуальность исследования обусловлена необходимостью изучения механизмов трансформации и накопления терригенного органического углерода, высвобождаемого из мерзлотных толщ, на шельфе арктических морей. При переносе в системе «суша-море» он может в дальнейшем накапливаться в донных осадках в шельфовой или глубоководной зоне и подвергаться деградации и реминерализации, что приводит к критическим экологическим последствиям. Цель: установление источников и степени диагенетической преобразованности терригенного органического вещества в поверхностных осадках морей Восточной Арктики. Объектом исследования послужили пробы донных осадков, взятые с поверхностного горизонта (0-10 см). Отбор проб проводился в морских исследовательских экспедициях 2011-2019 гг. Результаты. Латеральная выдержанность значений водородного индекса в современных осадках в море Лаптевых связана с вкладом гетерогенного наземного органического вещества, характеризующегося относительной биогеохимической доступностью: водородонасыщенное наземное органическое вещество сменяется морским с сохранением величины водородного индекса. Это отличает море Лаптевых от других арктических акваторий, где по мере удаления от берега отмечался устойчивый рост значения водородного индекса в связи с усилением вклада автохтонного органического вещества. В соотношении параметров δ13C и HI/OI наблюдаются значительные отклонения от линейной зависимости, характерной для консервативного геохимического режима морских акваторий: терригенный материал в осадках губы Буор-Хая характеризуется легким изотопным составом δ13C и повышенными отношением HI/OI, нетипичным для наземного генезиса. Для органического вещества, накопленного в глубоководных осадках континентального склона, напротив, отмечается низкое содержание водорода и высокая доля кислородсодержащих соединений, свидетельствующих о значительной степени диагенетической преобразованности органического вещества.Ongoing global warming accelerates release of relict terrigenous organic carbon from permafrost onto the Arctic shelf waters. When transported in the land-sea system, it can further be accumulated in bottom sediments in the shelf or deep-sea zone and undergo degradation and remineralization, which leads to critical environmental consequences. This study aims at assessing the sources and degradation degree of terrigenous organic matter in the surface sediments of the Eastern Arctic seas. Within this study, marine bottom sediments taken from the surface horizon (0-10 cm) were investigated. Sampling was carried out during the 2011-2019 marine research expeditions. Lateral consistency of hydrogen index values in modern marine sediments on the Eastern Arctic shelf (mainly in the Laptev Sea) is associated with the great contribution of heterogeneous biolabile terrestrial organic matter, in contrast to other Arctic waters, where growing hydrogen index values are associated with the consistently growing contribution of autochthonous organic matter with increasing distance from the coast. While considering the δ13C and HI/OI correlation, there are also significant deviations from the linear dependence which usually indicates a conservative marine geochemical regime. Sediments of the Buor-Khaya Bay are characterized by an increased HI/OI values in contrast to the deep-water sediments of the continental slope which shows lower hydrogen content and a higher proportion of oxygencontaining compounds, indicating a strong transformation of organic matter. These findings confirm a key role of terrigenous supply in specific biogeochemical conditions in the studied area and reveal that geochemical indicators of immature organic matter sources in the Eastern Arctic seas should be interpreted differently from other Arctic continental margins

Composition of organic matter in bottom sediments of the Chaunskaya Bay (East Siberian Sea)

Актуальность исследования определяется необходимостью оценки региональных особенностей транспорта и преобразования органического вещества в различных седиментационных и биогеохимических обстановках, действующих на ВосточноСибирском арктическом шельфе, в том числе в Восточно-Сибирском море - наиболее ледовитом и наименее изученном море Российской Арктики. Цель исследования заключается в определении состава и источников органического вещества донных осадков Чаунской губы (Восточно-Сибирское море). Объекты: 25 проб поверхностных донных осадков, отобранных по профилю от прибрежной зоны Чаунской губы до внутренней части шельфа Восточно-Сибирского моря в ходе комплексной научно-исследовательской морской экспедиции на борту НИС «Академик Опарин» в сентябре-октябре 2020 г. Методы. Для анализа групп углеводородных соединений ОВ донных осадков был применен пиролитический анализ по методу Rock-Eval; оценка распределения н-алканов проводилась на основе результатов газовой хромато-масс-спектрометрии. Гранулометрический анализ осадков выполнялся на лазерном анализаторе частиц. Результаты. Состав осадочного материала в Чаунской губе преимущественно определяется особенностями подводного рельефа и гравитационными потоками поступающего терригенного материала - продуктов локальной термоабразии береговой зоны (о. Айон) и речного аллювия в юго-восточной части губы. Определенную роль в формировании седиментационного облика губы, предположительно, играют процессы вытаивания криозоля в результате разрушения областей припайного льда. Данные пиролиза и анализ распределения н-алканов для поверхностных осадков указывают на смешанный генезис органического вещества в поверхностных осадках с доминирующим вкладом наземного органического вещества высокой степени преобразованности и высокое содержание трудноразлагаемых гуминовых веществ и фульвокислот. Присутствие автохтонного органического вещества отражает высокую продуктивность вод Чаунской губы.The relevance of the study is determined by the need to assess the regional characteristics of transport and transformation of organic matter in various sedimentation and biogeochemical environments on the East Siberian Arctic Shelf, in particular in the less studied and remoted East Siberian Sea. The main aim of the study is to determine the composition and sources of organic matter of bottom sediments of the Chaunskaya Bay (East Siberian Sea). Objects: 25 surface bottom sediments sampled along the transect from the coastal zone of the Chaunskaya Bay to the inner part of the East Siberian Sea shelf during the marine expedition on the R/V «Academician Oparin» in September-October 2020. Methods. Rock-Eval pyrolytic analysis was used to analyze groups of hydrocarbon compounds in organic matter from bottom sediments; the n-alkanes distribution was estimated based on the results of gas chromatography-mass-spectrometry. Grain size analysis was performed on a laser particle analyzer. Results. The composition of sedimentary material in the Chaunskaya Bay is mainly determined by the features of the underwater relief and gravity flows of the incoming terrigenous material - products of local thermal abrasion of the coastal zone (Ayon Island) and river alluvium in the southeastern part of the bay. A certain role in the formation of the sedimentary appearance of the bay is presumably played by the processes of cryosol thawing as a result of the destruction of fast ice areas. Pyrolysis data and analysis of the distribution of n-alkanes for surface sediments indicate a mixed genesis of organic matter in surface sediments with a dominant contribution of terrestrial organic matter of a high degree of transformation and a high content of hardly decomposable humic substances and fulvic acids. The presence of autochthonous organic matter reflects the high productivity of the Chaunskaya Bay waters