Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическая оценка распределения тяжелых металлов и нефтепродуктов в донных осадках восточной части Финского залива Балтийского моря

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая оценка распределения тяжелых металлов и нефтепродуктов в донных осадках восточной части Финского залива Балтийского моря"

На правах рукописи

ФОКИН ДЕНИС ПЕТРОВИЧ

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И НЕФТЕПРОДУКТОВ В ДОННЫХ ОСАДКАХ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ФИНСКОГО ЗАЛИВА БАЛТИЙСКОГО МОРЯ

Специальность 25.00.36 - геоэкология (Науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

2 2 грм 2011

Санкт-Петербург 2011

4853223

Работа выполнена на кафедре экологии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет»

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Фрумин Григорий Тевелевич

Научный консультант:

доктор геолого-минералогических наук Рыбалко Александр Евменьевич

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Субетто Дмитрий Александрович

кандидат географических наук Степанова Елена Владимировна

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится «Ь» октября 2011 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212.197.03 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, Санкт-Петербург, пр. Металлистов, д.З, аудитория 102

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан «7 » сентября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Бескид П.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационного исследования. К основным проблемам загрязнения Балтийского моря, в частности восточной части Финского залива, относятся поступление загрязняющих веществ со стоками впадающих рек, развитие судоходства и строительство новых, в том числе, нефтяных терминалов на берегах залива, строительство намывных территорий. Это ведет к увеличению рисков возникновения аварийных ситуаций, связанных с разливами нефтепродуктов, поступлению в акваторию больших масс взвешенных веществ. Кроме того, загрязняющие компоненты могут поступать в залив через атмосферу с осадками (аэрогенное загрязнение), из донных осадков - путем «вторичного» загрязнения придонных вод. Негативные последствия загрязнения воды и донных отложений могут заключаться в нарушении экологического равновесия, приводящего к поражению внутренних органов и гибели живых организмов.

К приоритетным загрязняющим веществам относятся тяжелые металлы и нефтепродукты. Тяжелые металлы в природной среде, особенно в донных отложениях, находятся в непрерывном процессе миграции, которая может осуществляться как в механической форме (вместе со слагающими частями осадка), так и в растворенной и коллоидальной формах, причем при этом происходит непрерывный обмен между гидросферой и литосферой через одну из основных геохимических барьерных зон «дно-вода». Наибольший интерес представляют металлы, обладающие высокой биологической активностью и токсическими свойствами.

Донные отложения являются депонирующей средой и их химический состав отражает долгопериодные закономерности. В связи с этим исследование особенностей распределения тяжелых металлов и нефтепродуктов в донных осадках и придонных водах Финского залива является актуальной задачей, тем более в условиях увеличения антропогенной нагрузки на исследуемый объект.

Объект исследования - тяжелые металлы и нефтепродукты в донных отложениях восточной части Финского залива.

Предметом исследования является оценка загрязненности тяжелыми металлами и нефтепродуктами донных осадков, как депонирующей среды.

Цель диссертационного исследования - выявление особенностей распределения содержаний валовых форм тяжелых металлов, нефтепродуктов в донных отложениях и придонных водах восточной части Финского залива.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- собрать, обобщить и проанализировать литературные данные о геоэкологической ситуации в восточной части Финского залива;

- провести полевые работы на акватории залива для получения рядов данных;

- выявить общие закономерности распределения металлов и нефтепродуктов в донных отложениях, а также в придонных и иловых водах;

- определить степень загрязненности исследуемых оболочек природной среды, в том числе и с помощью статистических методов обработки;

- определить факторы, влияющие на направленность геохимических процессов, происходящих на границе «дно - вода».

Защищаемые положения:

- Особенности распределения металлов и нефтепродуктов в донных отложениях восточной части Финского залива под влиянием различных абиотических факторов.

- Алгоритм статистической оценки содержания металлов в донных отложениях.

- Оценка степени изменения геоэкологической ситуации с помощью выявленных зависимостей и использования разработанных алгоритмов.

Научная новизна работы:

- разработан алгоритм статистической оценки содержания тяжелых металлов в донных отложениях восточной части Финского залива, который позволяет выявлять статистически значимые зависимости между содержанием металлов в донных осадках и кларками металлов в почве;

- установлено, что содержание четных химических элементов в донных отложениях исследованной территории выше, чем содержание нечетных химических элементов;

- создана база данных в виде комплекта цифровых карт для периода 2001-2009гг., что позволило выявить закономерности в распределении тяжелых металлов и нефтепродуктов в донных отложениях седиментационных бассейнов Финского залива при усилении влияния антропогенных факторов.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в разработке алгоритма статистической оценки содержания металлов в донных осадках. Выявленные аналитические зависимости между содержанием тяжелых металлов в почвах и их кларками могут быть использованы для прогнозирования содержания в донных осадках тех металлов, для которых определения не проводились.

Практическая значимость. Выявленные особенности распределения и содержания тяжелых металлов в донных отложениях восточной части Финского залива важны для оценки степени изменения геоэкологической ситуации рассматриваемого региона. Данные исследования позволяют судить о состоянии донных отложений восточной части Финского залива. Материалы исследования могут быть использованы для последующего мониторинга донных отложений. Полученные данные важны для более точной интерпретации результатов мониторинга, а также для составления балансовых уравнений обмена веществ между гидросферой и литосферой.

Достоверность научных положений и выводов обусловлена критическим анализом большого количества литературных источников, аналитическими материалами, полученными на современном сертифицированном оборудовании и применением современных методов математико-статистической обработки данных.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались: на итоговой сессии Ученого совета РГГМУ (г. Санкт-Петербург, 27 января 2009 г.), на VII и X Международных экологических форумах «День Балтийского моря» (г. Санкт-Петербург, 20-22 марта 2007 г., 17-19 марта 2009 г.), на XVIII Международной Научной Конференции по морской геологии «Геология морей и океанов» (г. Санкт-Петербург, 16-20 ноября 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 - в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, включает 26 таблиц, 63 рисунка, 11 приложений. Список цитируемой литературы содержит 82 публикации, в том числе 3 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость проведенного исследования.

В первой главе «Физико-географическое описание Финского залива» приводится физико-географическое описание и экологические особенности региона исследования.

Финский залив располагается в северо-восточной части Балтийского моря. На берегах залива находятся такие страны, как Россия, Финляндия и Эстония. Рельеф дна осложнен многочисленными островами и банками, а также глинтовым уступом вендского возраста высотой до 60м, разделяющим зоны развития кристаллических пород и плитного чехла. Особенно неровный рельеф дна отмечается вблизи северного берега залива в районе Финских шхер. В южной части Финского залива дно залива осложнено формами ледникового рельефа. Здесь встречаются моренные гряды и холмы высотой до 20м. Минеральный состав коренных пород и четвертичных отложений оказывает существенное влияние на содержание различных тяжелых металлов в донных отложениях исследуемой территории.

Климат данного района относится к типу умеренного с избыточным увлажнением и является промежуточным между морским и континентальным. Общий характер циркуляционных процессов в атмосфере над северовосточными районами Балтийского моря определяется влиянием переноса воздушных масс с Атлантического океана. Режим течений обусловлен водообменом Финского залива с Балтийским морем. Значительное влияние на течения оказывает сток воды с суши.

Освоение и развитие прилегающих территорий предполагает усиление нагрузки на окружающую среду, в частности на Финский залив. Наиболее развитыми отраслями экономики для Ленинградской области являются: промышленность, транспорт, сельское хозяйство, строительство. Влияние города Санкт-Петербурга на акваторию Финского залива заключается в

изменении очертания берегов залива и губ в него входящих, нарушении естественного водного режима водотоков, увеличении объема сточных вод.

Площадь залива составляет 29600 км2, объем воды около 1100 км3. Наибольшие глубины отмечаются в западной и южной части залива (рисунок 1).

Рисунок 1. Физико-географическая карта восточной части Финского залива

Во второй главе «Материалы и методы исследования» рассмотрен комплекс методов полевых и аналитических исследований, использованных в работе для определения содержания и распределения тяжелых металлов в донных отложениях и придонных водах. Основу исследования составили данные государственного мониторинга ФГУНПП «Севморгео», полученные в результате отбора проб донных отложений, придонных вод и химико-аналитического определения содержаний в них химических элементов (ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, мышьяк, барий, свинец) и нефтепродуктов. Пробы отбирались в различных участках Финского залива, приуроченных к «седиментационным бассейнам», как особым зонам накопления голоценовых, в том числе и современных пелитовых осадков. На основе имеющейся информации расположения станций мониторинга на акватории залива были выделены три седиментационных бассейна: Шепелевский аккумулятивный район, Сескарский аккумулятивный район и Глубоководный аккумулятивный район, различающихся своими специфическими чертами гидролого-гидрохимического и гидробиологического

режимов. Всего было отобрано и проанализировано около 800 проб донных осадков и придонной воды. Содержание тяжелых металлов в пробах донных отложений было определено рентгеноспектральным методом с применением рентгеновского спектрометра СПАРК-1М, в придонной воде - с помощью полярографа ABC-1.1. Для измерения массовой концентрации нефтепродуктов в пробах придонной воды, а также нефтепродуктов в донных отложениях использовался анализатор жидкости «Флюорат-02-ЗМ».

Для математико-статистической обработки данных были использованы пакет статистических программ Statistica 8, табличный процессор Microsoft Excel. Применение программного пакета ArcGIS 9.3 позволило решить задачи по графической визуализации пространственных данных, дальнейшего анализа и решения расчетных задач с использованием цифровой картографической информации.

В третьей главе «Содержание тяжелых металлов в донных осадках восточной части Финского залива» рассматривается вопрос распределения содержания тяжелых металлов в донных отложениях, приуроченных к зонам осадконакопления, в которых происходит аккумуляция взвешенных веществ, химических элементов, биогенного материала.

На выделенных станциях мониторинга за период 2001-2009гг. в донных отложениях при определении гранулометрических типов осадка выявлено преобладание алеврито-пелитовой составляющей. Для этих станций, располагающихся, в основном, в открытой части залива, характерен одинаковый ход изменения тонкодисперсной фракции (<0,005мм) по годам. С 2001 года наблюдается постепенное увеличение данного показателя. В 20052006 гг. для большинства станций отмечены максимальные содержания. Далее происходит незначительное уменьшение пелитовой составляющей в пробах донных осадков.

Для выделенных трех аккумулятивных районов (Шепелевский, Сескарский, Глубоководный) были построены схемы и графики распределения тяжелых металлов (Pb, Zn, Си) в донных отложениях. Распределение содержаний меди в донных осадках сходно с распределением свинца. Повышенные значения относительно других станций наблюдений зафиксированы в донных отложениях Шепелевского плеса. Распределение цинка в донных отложениях по площади равномерное без выделения зон с отличающимися содержаниями металла. Это связано с геохимической подвижностью данного микроэлемента.

На основе вышеприведенных данных были определены количественные соотношения между среднемировыми кларками в почвах и содержанием металлов в донных отложениях восточной части Финского залива.

Математико-статистическая обработка результатов анализов включала вычисление статистических параметров содержания металлов в донных отложениях (среднее арифметическое, среднеквадратичное отклонение, доверительный интервал, коэффициент вариации CV, стандартная ошибка, критерий Фишера) [Фокин и др., 2010]. Кларки концентрации (КК) рассчитывались как отношение среднего содержания металла в донных

отложениях к условному мировому кларку почв [Фокин и др., 2010] (таблица 1). Кларки концентрации характеризуют местные геохимические особенности донных отложений. Аналогичный анализ был проведен для каждого из вышеуказанных аккумулятивных районов.

Таблица 1. Среднее содержание химических элементов в донных отложениях восточной части Финского залива и кларки металлов в почве (для всей обследованной территории)

Металл г„ N [Ме], мг/кг [кларк], мг/кг СУ КК

Ванадий 23 229 90(86+94) 100 0,38 0,90

Хром 24 229 99(95+103) 150 0,36 0,66

Марганец 25 171 741(659+823) 850 0,73 0,87

Железо 26 210 35034(32514+37554) 38000 0,52 0,92

Кобальт 27 221 25(23+27) 8 0,72 3,13

Никель 28 217 39(37+41) 40 0,41 0,98

Медь 29 222 114(106+122) 20 0,53 5,70

Цинк 30 227 162(152+172) 50 0,50 3,24

Мышьяк 33 220 43(41+45) 5,5 0,28 7,82

Стронций 38 183 180(168+192) 300 0,44 0,60

Барий 56 120 769(703+835) 500 0,46 1,54

Свинец 82 187 43(39+47) 10 0,60 4,30

Примечание: Хп - порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева; N - количество анализов; [Ме] -содержание химического элемента.

Результаты проведенных анализов позволили выявить статистически значимые зависимости между содержанием металлов в донных отложениях восточной части Финского залива и кларками металлов в почве (таблица 2 и рисунок 2).

Таблица 2. Количественные соотношения между содержанием металлов в донных отложениях восточной части Финского залива и кларками металлов в почве

Район Модель г Ер/Тт

Шепелевский аккумулятивный район (модель I) ^[Ме] = 0,770 + 0,756-^[кларк] 0,940 15,6

Сескарский аккумулятивный район (модель II) 1ц[Ме] = 0,727 + 0,790-^[кларк] 0,944 16,8

Глубоководный аккумулятивный район (модель III) ^[Ме] = 0,686 + 0,831-1е[кларк] 0,916 10,8

Все районы (модель IV) 1ё[Ме] = 0,739 + 0,753-1§[кларк] 0,943 16,5

1д[Ме] 5 4 3 2 1 О

0 1 2 3 4 5

1д[кпарк]

Рисунок 2. Зависимость содержания химических элементов в донных отложениях восточной части Финского залива от их кларков в почвах

Согласно шкале Чеддока, теснота связи между переменными [Ме] и [кларк] весьма высокая, так как во всех рассмотренных случаях коэффициент корреляции г > 0,9. Более того, все модели адекватны (Ер > Ет) и могут быть использованы для предсказания содержания в донных отложениях тех металлов, данные для которых не были использованы при построении моделей, так как Ер > 4Ет. Так, в работах [Дрейпер, Смит, 1973; Ландау, 1981] отмечено, что статистически значимое уравнение может быть использовано для прогнозирования лишь в том случае, если величина его Е-критерия будет

не менее чем в 4 раза превосходить табличное значение для уровня значимости 95%.

Для оценки точности прогнозирования была использована модель IV. В эту модель были подставлены кларки в почвах магния [Свидетельство.., 1975 ], кальция [Свидетельство.., 1975], рубидия [Свидетельство.., 1975], титана [Bowen, 1966], лития [Свидетельство..., 1975], ртути [Виноградов, 1957; Bowen, 1966], кадмия [Виноградов, 1957; Bowen, 1966], а также фосфора [Свидетельство..., 1975]. В результате были рассчитаны прогнозируемые величины содержания перечисленных химических элементов в донных отложениях восточной части Финского залива (таблица 3).

Таблица 3. Прогнозируемое и фактическое содержание валовых форм химических элементов в донных отложениях восточной части Финского залива

Химический элемент Кларк, мг/кг Содержание, мг/кг

Фактическое максимальное [Емельянов, 1997] Прогнозируемое

Магний 11700 13800 6344

Кальций 20400 10800 9642

Титан 5000 4800 3344

Рубидий 85 308 156

Литий 20 54 52

Кадмий* 0,5 1,65 3,25

0,06 1,65 0,66

Ртуть* 0,01 0,290 0,171

0,03 0,290 0,391

Фосфор 746 800 798

Примечание: * среднее содержание в Невской губе [Опекунов и др., 1999].

Как следует из приведенных расчетов, прогнозируемые содержания магния, кальция, титана, рубидия, лития и фосфора не превышают максимальные величины, приводимые в работе [Емельянов, 1997].

Кроме того, в модель IV были подставлены величины кларков ртути в почве (0,01 мг/кг и 0,03 мг/кг) и были рассчитаны прогнозируемые содержания, оказавшиеся равными 0,171 мг/кг и 0,391 мг/кг. Среднее из этих величин 0,281 мг/кг не выходит за рамки доверительного интервала, рассчитанного нами по данным, приведенным в работе [Спиридонов, Рыбалко, 1999] - 0,368 (0,225+0,527) мг/кг.

По данным работ [Виноградов, 1957; Кист, 1987] кларк кадмия в почвах 0,5 мг/кг. Подставляя эту величину в модель IV, прогнозируемое значение содержания кадмия в восточной части Финского залива, будет равно 3,25 мг/кг. По данным вышеприведенной работы [Спиридонов, Рыбалко, 1999] -1,8(1,2+2,4) мг/кг. По данным другой работы [Bowen, 1966] кларк кадмия в почвах 0,06 мг/кг. Подставляя эту величину в модель IV, прогнозируемое

значение содержания кадмия в восточной части Финского залива, будет равно 0,66 мг/кг. Среднее значение из двух прогнозируемых величин (3,3 мг/кг и 0,7 мг/кг) равно 1,66 мг/кг. Эта величина также не выходит за границы доверительного интервала, рассчитанного нами по данным работы [Спиридонов, Рыбалко, 1999] -1,8(1,2+2,4) мг/кг.

Таким образом, можно считать корректным использование математических моделей, связывающих содержание металлов в донных отложениях с кларками металлов в почве.

Для оценки уровня загрязненности донных отложений использовали суммарный показатель загрязненности Ъ^, рассчитываемый по следующей формуле

гс = Е([Меуодк0-1), (1)

где [Ме] - средняя концентрация химического элемента, мг/кг; ОДКо -ориентировочно допустимая концентрация, ниже которой донные отложения рассматриваются как чистые, мг/кг [Нормы и критерии..., 1996].

Результаты расчетов по вышеприведенной формуле представлены в таблице 4.

Таблица 4. Среднее содержание металлов и сравнительная оценка уровней загрязненности донных отложений восточной части Финского залива

Металл ОДК0. мг/кг Шепелевский аккумулятивный район, мг/кг Сескарский аккумулятивный район, мг/кг Глубоководный аккумулятивный район, мг/кг

Медь 35 125 101 109

Никель 35 46 42 42

Свинец 85 55 48 40

Цинк 140 184 196 180

Мышьяк 29 43 44 44

Хром 140 131 107 94

Кадмий 1,2 3,5* 3,1* 2,7*

Zc 5,2 3,9 3,5

Примечание. * Данные прогноза.

Как следует из данных, приведенных в таблице 4, по уровням содержания тяжелых металлов донные отложения восточной части Финского залива ранжируются следующим образом:

Шепелевский аккумулятивнный район (2с = 5,2) > Сескарский аккумулятивный район (Хс = 3,9) > Глубоководный аккумулятивнный район (Ъс = 3,5).

Таким образом, по мере удаления от Невской губы концентрации тяжелых металлов в донных отложениях уменьшаются.

Для выявления приоритетных металлов, в наибольшей степени загрязняющих донные отложения восточной части Финского залива, были рассчитаны отношения содержания металлов [Ме] к соответствующим

величинам их ОДК0. К приоритетным были отнесены металлы, для которых [Ме]/ОДК0 > 1. Результаты проведенных расчетов иллюстрируются рисунками 3-5.

Си

№

РЬ

гп

Аэ

Сг

Сс1

Рисунок 3. Относительное содержание металлов (в долях ОДК0) в донных отложениях Шепелевского аккумулятивного района

I 4

9 з

о

Ё. 2 1 о

2,9

Си

2,6

1,2

Г7Г

Г~1

N1'

РЬ

гп

Аб

Сг

Сс1

Рисунок 4. Относительное содержание металлов (в долях ОДКо) в донных отложениях Сескарского аккумулятивного района

£ 3,5 § 3

2,5

Е 2

1.5 1

0,5 0

3,1

Си

_2*2_

-4т2-

"ТЯГ

-Б—

1.3

1,5

0,7

№

РЬ

гп

Ав

Сг

С<1

Рисунок 5. Относительное содержание металлов (в долях ОДК0) в донных отложениях Глубоководного аккумулятивного района

Как следует из приведенных диаграмм, по уровням загрязненности донных отложений рассмотренные металлы ранжируются следующим образом.

Шепелевский аккумулятивный район:

медь > кадмий > мышьяк > цинк, никель > хром > свинец

Сескарский аккумулятивный район:

медь > кадмий > мышьяк > цинк > никель > хром > свинец Глубоководный аккумулятивный район: медь > кадмий > мышьяк > цинк, никель > хром > свинец Таким образом, можно считать установленным, что в наибольшей степени донные отложения всех исследованных районов загрязнены медью, кадмием, мышьяком, цинком и никелем.

Дополнительный анализ первичных данных мониторинга показал отсутствие трендов повышения или понижения содержания вышерассмотренных металлов в донных отложениях за период 2001-2009 гг. для всех трех аккумулятивных районов. Только для меди зафиксирована незначительная динамика повышения содержания в донных отложениях Шепелевского, Сескарского и Глубоководного аккумулятивных районов.

Чтобы составить мнение о реальном распределении тяжелых металлов в донных отложениях Финского залива была предпринята попытка собрать воедино результаты анализов содержания тяжелых металлов в осадках исследованных районов. Результаты анализа представлены в таблице 5 и на рисунке 6.

Таблица 5. Содержание металлов в донных отложениях различных аккумулятивных районов восточной части Финского залива

Металл Аккумулятивный район

Шепелевский Сескарский Глубоководный

Ванадий 23 95(89,4-100,6) 100,3(90,9+109,7) 99,8(91,5+108,1)

Хром 24 131,3(119,6+143,0) 107,0(98,4+115,6) 94,1(85,9+102,3)

Марганец 25 765,6(618+913,2) 2057(1222+2892) 7741,5(1543+13940

Железо 26 43807 (38599+49015) 39376 (31260+47493) 41886 (34220+49552)

Кобальт 27 25,6(21,9+29,3) 27,1(21,7+32,5) 33,3(25,8+40,8)

Никель 28 46,2(42,6+49,8) 41,8(38,6+45,0) 41,7(37,5+45,9)

Медь 29 125,3(105,2+145,4) 100,8(75,4+126,2) 108,9(85,1+132,7)

Цинк 30 183,6(177+190,2) 195,6(173,2+218,0) 180,4(168,0+192,8)

23 24 25 26 27 28 29 30

гп

Рисунок 6. Распределение среднего валового содержания тяжелых металлов в донных отложениях восточной части Финского залива (для всей исследованной территории) в зависимости от порядкового номера в периодической системе Д.И. Менделеева

Как следует из приведенных данных (таблица 5 и рисунок 6), среднее по обследованной территории содержание валовых форм тяжелых металлов, имеющих четное значение порядкового номера, больше, чем содержание валовых форм тяжелых металлов у рядом стоящих в периодической системе элементов Д.И. Менделеева нечетных химических элементов. Аналогичный результат зафиксирован и для отдельных районов вне зависимости от уровней их загрязненности тяжелыми металлами. Таким образом, впервые установлено, что распределение тяжелых металлов в осадках различных районов Финского залива соответствует правилу Одцо-Гаркинса.

Также в этой главе проведена оценка влияния геоэкологической обстановки в восточной части Финского залива на состояние нерестилищ промысловых видов рыб. Это подробно рассмотрено на примере Лужской губы, которая является естественным местом обитания промысловых видов рыб и где активно ведется строительство морского порта. Анализ данных по содержанию загрязняющих веществ в донных отложениях показывает, что на станциях наблюдений, расположенных ближе к открытой части залива, выделяется четкая тенденция к увеличению содержания тяжелых металлов и нефтепродуктов. В частности, содержание цинка, свинца и никеля в донных осадках неуклонно растет из года в год и превышает ориентировочно-допустимые концентрации по региональному нормативу (рисунок 7). Вероятно, что в ближайшие годы загрязнение донных осадков в более открытой части продолжится вследствие характера течений, за счет которых загрязняющие вещества выносятся в более глубоководные зоны.

28'15*СГЕ

I

28'25'0"Ё _1_

га'зо'о'Е _1_

Рисунок 7. Размещение станций наблюдений в Лужской губе и распределение содержаний свинца и цинка в донных осадках на станции ОР-5

В четвертой главе «Содержание тяжелых металлов в придонной и иловой воде восточной части Финского залива» рассматриваются особенности распределения таких тяжелых металлов, как кадмий, свинец, цинк, медь в придонных и иловых водах исследуемого объекта.

Для оценки уровней загрязненности придонных вод были рассчитаны отношения средних величин содержания металлов в различных аккумулятивных районах восточной части Финского залива к величинам предельно допустимых концентраций металлов (ПДК) в морских водах [Владимиров и др., 1991; Опекунов, 2001; Дмитриев, Фрумин, 2004]. Исходные данные для расчетов приведены в таблице 6.

Таблица 6. Среднее содержание металлов в придонной воде различных

Металл Кадмий Свинец Цинк Медь

ПДК, мкг/л для рыбохоз. вод. 1,0 10 50 5

Шепелевский аккумулятивный район

0,21(0,13-Ю,35) 4,5(4,3-6,8) 16,6(9,7-26,9) 5,5(2,4-6,4)

Сескарский аккумулятивный район

0,20(0,07-0,35)1 7,0(5,3-10,2) 17,6(9,2-27,7) 3,1(2,2-4,9)

Глубоководный аккумулятивный район

0,17(0,07-0,33) 8,7(6,4-12,7) 19,4(9,2-25,6) 3,6(2,7-6,3)

Анализ приведенных данных показывает, что содержания рассматриваемых тяжелых металлов в придонной воде практически не меняются по площади, а содержания свинца и цинка возрастают при движении в мористую часть, где возрастает общая минерализованность. Это свидетельствует о несущественном влиянии геохимической барьерной зоны «река-море»; с другой стороны требуются более детальные исследования по всей толще воды, включая поверхностные и срединные горизонты, и исследования содержаний металлов в воде, находящихся как во взвешенной, так и растворенной формах.

Выявлено, что в более глубоководных районах Финского залива на микроэлементный состав придонных вод решающее влияние оказывает изменение окислительно-восстановительных условий в барьерной зоне «дно-вода». Ухудшение условий, которое частично может быть связано с затоком минерализованных вод из открытой Балтики, приводит к увеличению содержаний тяжелых металлов путем «вторичного» загрязнения, миграции металлов из донных осадков в придонные воды. Для мелководных районов выявленная связь ослабевает, что свидетельствует об усилении влияния других факторов, влияющих на обменные процессы вблизи дна.

Содержание тяжелых металлов в иловых водах для Шепелевского и Сескарского аккумулятивных районов ранжируется следующим образом:

цинк > медь > свинец > кадмий

Для Глубоководного аккумулятивного района содержание тяжелых металлов ранжируется следующим образом:

цинк > свинец > медь > кадмий

Пятая глава «Нефтеуглеводородное загрязнение восточной части Финского залива» посвящена рассмотрению особенностей распределения содержания нефтепродуктов в донных отложениях. При статистической обработке результатов наблюдений были рассчитаны параметры описательной статистики для содержания нефтепродуктов в донных отложениях по трем выделенным районам (таблица 7).

Таблица 7. Содержание нефтепродуктов в донных отложениях восточной части Финского залива

Район Среднее содержание, мг/г Стандартное отклонение, о Коэффициент вариации, %, СУ

Шепелевский аккумулятивный 0,576(0,480-0,672) 0,279(0,226+0,366) 48,5

Сескарский аккумулятивный 0,229(0,186+0,272) 0,105(0,082+0,146) 45,9

Глубоководный аккумулятивный 0,145(0,094+0,196) 0,136(0,108+0,183) 94,0

Как следует из данных, приведенных в таблице 7, по уровням загрязненности нефтяными углеводородами донные отложения восточной части Финского залива ранжируются следующим образом:

Шепелевский аккумулятивный район > Сескарский аккумулятивный район > Глубоководный аккумулятивный район

Средние значения, рассчитанные для каждого из районов, уменьшаются по направлению к западной более мористой части. Это говорит об антропогенном влиянии на восточную часть Финского залива, в особенности на акваторию Шепелевского плеса. Среднее значение нефтепродуктов в донных осадках Шепелевского плеса в 3 раза превышает С>ДК=0,18 мг/г (ориентировочно-допустимая концентрация, согласно Региональному нормативу по Санкт-Петербургу и Ленинградской области), ниже которого отложения относятся к чистым [Нормы и критерии..., 1996].

В заключении сформулированы основные выводы, полученные в результате исследования.

1. По величине суммарного показателя загрязненности металлами донных отложений восточной части Финского залива исследованные аккумулятивные бассейны ранжируются следующим образом: Шепелевский аккумулятивный район ^с=5,2) > Сескарский аккумулятивный район (2с=3,9) > Глубоководный аккумулятивный район (7с=3,5). Высокий уровень содержаний говорит о том, что большая часть донных отложений находится под влиянием антропогенных факторов. При этом наиболее подверженными оказываются донные отложения Шепелевского района, непосредственно граничащего с Невской губой и в пределах которого находятся по крайней мере два геохимических барьера сложно построенной барьерной зоны «устье р. Нева - открытая часть Финского залива».

2. Для донных отложений всех исследованных аккумулятивных районов приоритетные загрязняющие металлы ранжируются следующим образом. Шепелевский аккумулятивный район: медь > кадмий > мышьяк > цинк, никель

> хром > свинец, Сескарский аккумулятивный район: медь > кадмий > мышьяк

> цинк > никель > хром > свинец, Глубоководный аккумулятивный район: медь

> кадмий > мышьяк > цинк > никель > хром > свинец. При этом уровни концентраций меди, кадмия и мышьяка превышают нижний предел ориентировочно-допустимых концентраций, что позволяет отнести грунты, содержащие подобные металлы, к слабо загрязненным. Остальные микроэлементы в среднем находятся ниже уровня слабого загрязнения и поэтому не оказывают отрицательного воздействия как на геологическую среду, так и на экологическое состояние морского бассейна, в целом.

3. Содержание тяжелых металлов в донных отложениях обследованных аккумулятивных районов связано тесной корреляционной зависимостью с кларками металлов в почвах (объяснимая доля разброса г2 варьирует от 0,95 до 0,97). Выявленные аналитические зависимости могут быть использованы для прогнозирования содержания в донных отложениях восточной части Финского залива тех металлов, для которых такие определения не проводились.

4. Распределение металлов в донных отложениях восточной части Финского залива подчиняется правилу Отто-Гаркинса, то есть содержание четных химических элементов выше, чем содержание нечетных элементов.

5. Среднее содержание кадмия, свинца и цинка в придонной воде всех аккумулятивных районов за период с 2001г. по 2009г. не превышает ПДК. В тоже время средняя концентрация меди несколько (в 1,1 раза) превысило ПДК в придонной воде Шепелевского аккумулятивного района. Среднее содержание свинца и цинка в придонной воде за период с 2001г. по 2009г. увеличивается от Шепелевского аккумулятивного района к Глубоководному аккумулятивному району. С одной стороны они связаны прямой корреляцией с уровнем минерализации природных вод, с другой находятся в связи с окислительно-восстановительным потенциалом на границе «дно-вода» и его изменением год от года, а также конкретным наличием или отсутствием слоя окисленных осадков на поверхности дна. Отсутствие слоя окисленных осадков может способствовать вторичному загрязнению придонных вод.

6. Для Шепелевского и Сескарского аккумулятивных районов содержание тяжелых металлов в иловых водах ранжируется следующим образом: цинк > медь > свинец > кадмий, для Глубоководного аккумулятивного района содержание тяжелых металлов ранжируется следующим образом: цинк > свинец > медь > кадмий.

7. Для всех аккумулятивных районов восточной части Финского залива и для всех четырех рассматриваемых металлов (кадмия, свинца, цинка и меди) характерен следующий ряд по убыванию концентраций металлов: донные отложения > иловые воды > придонные воды.

8. Коэффициенты концентрации металлов между донными отложениями и придонными водами и между донными отложениями и иловыми водами возрастают в ряду: медь > кадмий > цинк > свинец, что, возможно, отражает конкретный уровень их геохимической подвижности.

9. По уровням загрязненности углеводородами донные отложения восточной части Финского залива ранжируются следующим образом: Шепелевский аккумулятивный район (0,58 мг/г - среднее содержание нефтепродуктов для данного района) > Сескарский аккумулятивный район (0,23 мг/г) > Глубоководный аккумулятивный район (0,15 мг/г). Это достаточно четко совпадает и с другими ранее установленными закономерностями, а высокий уровень концентраций последних в первом районе во многом связан с прямым влиянием Санкт-Петербургского промышленного района и, в частности, с выносом загрязненной взвеси из Невской губы.

Публикации по теме диссертации

1. Фокин Д.П., Фрумин Г.Т. Тяжелые металлы в донных отложениях восточной части Финского залива (по данным федерального мониторинга 2001-2009 гг.) // Общество. Среда. Развитие. №1,2011. - С.210-214.

2. Фокин Д.П. Оценка влияния геоэкологической обстановки в восточной части Финского залива на состояние нерестилищ промысловых видов рыб (по данным федерального мониторинга) // Медико-биологические и социально-психологические проблемы безопасности в чрезвычайных ситуациях. Научно-рецензируемый журнал. № 4, часть2, 2010. - С.70.

3. Рыбалко А.Е., Федорова Н.К., Фокин Д.Л., Зайцев В.М., Марковец И.М. Влияние крупных гидротехнических проектов на геоэкологическую ситуацию в Невской губе и восточной части Финского залива // Сб. День Балтийского моря: Тезисы докладов X Международного экологического форума (СПб, 17-19 марта 2009г.). Спб.: Изд-во «Макси-Принт», 2009. - С. 196-198.

4. Федорова Н.К., Корнеев О.Ю., Фокин Д.П., Корнеева Е.В., Рыбалко А.Е. Геоэкологическая ситуация в Российской части Балтийского моря (по данным Государственного мониторинга 2008-2009 гг.) // Материалы XVIII Международной Научной Конференции (Школы) по морской геологии «Геология морей и океанов» (16-20 ноября 2009 г.). М.: Изд-во «Геос», 2009. -С.312-314.

5. Фокин Д.П. Геохимические процессы на границе «дно - вода» в Невской губе Финского залива. // Геология, География и Экология океана. Материалы международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Д.Г. Панова (8-11 июня 2009 г ., г. Ростов-на-Дону). - С.341.

6. Фокин Д.П., Фрумин Г.Т., Рыбалко А.Е. Нефтеуглеводородное загрязнение Финского залива (по результатам мониторинга 2001-2005 гг.) // Сб. День Балтийского моря: Тезисы докладов VIII Международного экологического форума (СПб, 20-22 марта 2007г.). - С.343-345.

7. Рыбалко А.Е., Федорова Н.К., Фокин Д.П., Басова СЛ., Зайцев В.М., Марковец И.М., Чичкова Е.Ф. Оценка состояния Финского залива в условиях увеличивающейся нагрузки в 2007 году // Сб. День Балтийского моря: Тезисы докладов IX Международного экологического форума (СПб, 11-13 марта 2008г.). Спб.: Изд-во «Диалог», 2008. - С.94-95.

8. Фокин Д.П., Фрумин Г.Т., Рыбалко А.Е. Содержание и распределение химических элементов в донных отложениях восточной части Финского залива // Экологическая химия. Том 19, выпуск 4, 2010г. - С.236-242.

9. Фокин Д.П. Задачи, методика и результаты мониторинга состояния геологической среды при освоении шельфовых нефтегазовых месторождений // Трофимуковские чтения - 2007. Труды научной конференции молодых ученых, аспирантов, студентов. Новосибирск: НГУ, 2007. - 287с.

Подписано в печать 19.08.11 Формат 60х84'/16 Цифровая Печ. л. 1.25 Уч.-изд.л. 1.25 Тираж 100 Заказ 06/08 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 8)

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Фокин, Денис Петрович

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ФИНСКОГО

ЗАЛИВА.

1.1. Рельеф.

1.2. Геология Финского залива.

1.3. Гидрометеорологический режим.

I 1.4. Экологические особенности восточной части Финского залива и прилегающих территорий.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЬГИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Районы исследований.

2.2. Отбор проб.

2.3. Анализ проб.

2.3.1. Методика выполнения вольтамперометрических измерений массовой концентраций ионов никеля, меди, свинца, кадмия и цинка в воде на полярографе АВС-1.1.

2.3.2. Определение компонентного состава природных вод методом электрофореза.

2.3.3. Определение нефтепродуктов.

2.3.4. Определение относительного содержания металлов.

2.4. Математико-статистический анализ данных.

2.5. Использование ГИС-технологии.

ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ

ОСАДКАХ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ФИНСКОГО ЗАЛИВА.

3.1. Седиментационные бассейны.

3.2. Динамика литологической обстановки (2001-2009 гг.).

3.3. Химический состав донных отложений восточной части Финского залива.

I 3.3.1. Шепелевский аккумулятивный район.

3.3.2. Сескарский аккумулятивный район.

3.3.3. Глубоководный аккумулятивный район.

I 3.4. Количественные соотношения между кларками и содержанием металлов в донных отложениях.

I 3.5. Алгоритм статистической оценки содержания металлов

I в донных отложениях восточной части Финского залива.

3.6. Сравнительная оценка уровней загрязненности донных отложений.

3.7. Содержание металлов в донных отложениях восточной-части

Финского залива и правило Оддо-Гаркинса.

3.8. Оценка влияния геоэкологической обстановки в восточной части

Финского залива на состояние нерестилищ промысловых видов рыб. г

ГЛАВА 4. СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРИДОННОЙ 1 И ИЛОВОЙ ВОДЕ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ФИНСКОГО ЗАЛИВА.

4.1. Содержание тяжелых металлов в придонной воде.

4.2. Содержание тяжелых металлов в иловой воде.

4.3. Особенности распределения металлов в трехфазной системе донные отложения - иловые воды - придонные воды.

ГЛАВА 5. НЕФТЕУГЛЕВОДОРОДНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ФИНСКОГО ЗАЛИВА.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геоэкологическая оценка распределения тяжелых металлов и нефтепродуктов в донных осадках восточной части Финского залива Балтийского моря"

Актуальность диссертационного исследования. 15 ноября 2007 г. в г. Краков странами-членами Хельсинкской Комиссии по защите морской среды Балтийского моря (ХЕЛКОМ) был принят План действий по Балтийскому морю (ПДБМ), который является долгосрочным стратегическим документом, направленным на сокращение загрязнения морской' среды и восстановление благополучного экологического состояния Балтики, к- 2021 г. ПДБМ содержит четыре основных раздела, таких как «эвтрофикация», «вредные вещества», «биоразнообразие» и «морская деятельность».

Согласованная цель ХЕЛКОМ относительно вредных веществ - достичь состояния Балтийского моря, при котором живая природа в Балтийском море не будет повреждена вредными веществами [План., 2007]. Эта цель включает решение четырех экологических задач:

- концентрации вредных веществ, близкие к естественным уровням;

- вся рыба безопасна для потребления в пищу;

- здоровая дикая природа;

- радиоактивность на уровне, характерном для периода до аварии на' Чернобыльской АЭС.

К основным проблемам загрязнения Балтийского моря, в частности восточной части Финского залива, относятся поступление загрязняющих веществ со стоком впадающих рек, развитие судоходства* и строительство новых, в том числе, нефтяных терминалов на берегах залива, создание намывных территорий. Это ведет к увеличению рисков возникновения аварийных ситуаций, связанных с разливами нефтепродуктов, поступлению в акваторию большой массы взвешенных веществ. Кроме того, загрязняющие компоненты могут поступать в залив через атмосферу с осадками (аэрогенное загрязнение), из донных осадков - путем «вторичного» загрязнения придонных вод. Негативные последствия загрязнения воды и донных отложений могут заключаться в нарушении экологического равновесия, приводящего к поражению внутренних органов и гибели живых организмов.

Донные осадки с экологической точки зрения давно привлекают внимание исследователей, так как они являются в отличие от природных вод и, тем более, атмосферы, депонирующей средой [Лисицын, 1988; Израэль, Цыбань, 1989; Савенко, 2006; Гурский, 2003; Рыбалко и др., 2005]. Это, кроме эффекта накопления, приводит к возможности протекания, медленных реакций по образованию новых химических соединений, токсичные свойства, которых иногда могут быть более высокими, чем у первичных природных соединений. Металлы в природной4 среде, особенно в донных отложениях, находятся в непрерывном процессе миграции, которая может осуществляться, как в механической форме (вместе со слагающими частями осадка); так и в растворенной и коллоидальной форме, причем при этом происходит непрерывный обмен между гидросферой-и литосферой через одну из основных геохимических барьерных зон «дно-вода». Далее они, являясь составной частью донных грунтов; попадают в организмы г бентосных организмов, рыб и по трофическим цепям в пищу человека, где могут накапливаться в его костях и тканях. В тоже время* для донных осадков отсутствует само понятие ГГДК (предельные допустимые концентрации), что связано с санитарно-токсикологической сущностью данного показателя: Это существенно затрудняет понимание смысла термина «загрязнение», так как реальные концентрации тяжелых металлов (ТМ), во-первых, существенно зависят от гранулометрического состава донных отложений, а во-вторых, от металлогенической специализации региона. Долгое время тяжелые металлы в донных отложениях не являлись предметом изучения организаций, осуществлявших мониторинг водных объектов, в частности Росгидромета, хотя в природных водах они определялись длительный период. Положение изменилось с развитием одного из направлений экологических исследований -геоэкологического мониторинга, в составе которых изучение геохимии донных отложений играет ведущую роль. Эти работы сосредоточились преимущественно в, организациях геологической отрасли, которые уже располагали-сформировавшимися методическими подходами к решению этой проблемы. Конкретно в российской части Финского залива изучение ТМ началось с постановкой здесь морских геолого-съемочных работ, в состав которых в начале 90-х годов начал входить блок геоэкологических исследований. В конце 90-х годов практически все виды; морских геологоразведочных работ включали требование составления геоэкологических карт соответствующего масштаба. Морские геологосъемочные работы на Финском? заливе закончились к 2000* году. Выявленные в ходе этих: работ аномальные концентраци№тяжелых металлов^ а также осознание экологических проблем, связанных с влиянием на; экосистему Финского залива; мегаполиса4 Санкт-Петербурга и хозяйственным освоением дна акватории; привели к организации здесь одного из подвидов Государственного мониторинга природной среды - Государственного мониторинга геологической; среды, одной из задач которого' являлось, изучение распределения« металлов, в донных отложениях и= оценка их временно-пространственных трендов?

Мнения о степени; загрязнения донных осадков в регионе характеризуются; широким разбросом: от утверждения- об их полном техногенном^ преобразовании! до уверенности в их нормальном; состоянии

Спиридонов, Рыбалко, 1999]. Первой, наиболее полной работой, посвященной проблеме осадкообразования; в восточной-; части Финского залива; является монография; [Логвиненко и др;, 1988], в которой, однако; вопросы геохимии практически, не рассматривались. Более конкретно геохимия донных осадков стала изучаться при. проведении? регулярных среднемасштабных морских геологосъемочных работ.

Как было установлено; Н.М. Страховым: [Страхов, 1976], а в последнее время интенсивно» поддерживается^ Е.М. Емельяновым [Емельянов; 1986; Емельянов, 1987] распределение химических компонентов; и элементов в донных осадках существенно; зависит от их гранулометрического? типа;. Для большинства химических компонентов и элементов характерно возрастание концентраций в алевро-пелитовой* фракции (<0,01мм, 0,005мм), как; из-за дисперсности обломочного» материала и увеличения его общей поверхности, так и состава глинистых минералов. Наиболее четко этому правилу подчиняется группа элементов Т1, К, 1л, М^, Бе, Ъп, Си, №, в меньшей степени — Ш), Иа, Со, Р. Следствием этого является расположение станций мониторинга исключительно в зонах накопления пелитовых осадков, что позволяет избежать влияния зернистости осадков на статистические процедуры.

Проведение геоэкологических исследований на акватории Финского залива призвано своевременно выявлять очаги загрязнения, прогнозировать дальнейшее развитие процессов, определять антропогенную составляющую при« развитии тех или иных природных процессов, находящихся под влиянием человеческих факторов. Особое внимание данного типа работ должно уделяться исследованию геохимических процессов, протекающих на границе «дно-вода».

Объект исследования — тяжелые металлы и нефтепродукты в донных отложениях восточной части Финского залива.

Предметом исследования является оценка загрязненности тяжелыми металлами и нефтепродуктами донных осадков, как депонирующей среды.

Цель диссертационного исследования заключалась в выявлении особенностей распределения содержаний тяжелых металлов, нефтепродуктов в донных отложениях и придонных водах восточной части Финского залива.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1) собрать, обобщить и проанализировать литературные данные о геоэкологической ситуации в восточной части Финского залива;

2) провести полевые работы на акватории залива для получения рядов данных;

3) выявить общие закономерности распределения металлов в донных отложениях, а также в придонных и иловых водах;

4) определить степень загрязненности исследуемых оболочек природной среды, в том числе и с помощью статистических методов обработки;

5) определить факторы, влияющие на направленность геохимических процессов, происходящих на границе «дно - вода».

Защищаемые положения.

1. Особенности распределения металлов и нефтепродуктов в донных отложениях восточной части Финского залива под влиянием различных абиотических факторов.

2. Алгоритм статистической оценки содержания металлов в донных отложениях.

3. Оценка степени изменения геоэкологической ситуации с помощью выявленных зависимостей и использованияфазработанных алгоритмов.

Научная новизна работы:

- разработан алгоритм статистической оценки содержания тяжелых металлов в донных отложениях восточной части Финского залива, который позволяет выявлять статистически значимые зависимости между содержанием металлов в донных осадках и кларками металлов в почве;

- установлено, что содержание четных химических элементов в, донных отложениях исследованной территории выше, чем содержание нечетных химических элементов;

- создана база данных в виде комплекта цифровых карт для периода 20012009гг., что позволило выявить закономерности в распределении тяжелых металлов и нефтепродуктов в донных отложениях седиментационных бассейнов Финского залива при усилении влияния антропогенных факторов.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в разработке алгоритма статистической оценки содержания металлов в донных осадках. Выявленные аналитические зависимости между содержанием тяжелых металлов в почвах и их кларками могут быть использованы для прогнозирования содержания в донных осадках тех металлов, для которых определения не проводились.

Практическая значимость. Выявленные особенности распределения и содержания тяжелых металлов в донных отложениях восточной части

Финского залива важны для оценки степени изменения геоэкологической ситуации рассматриваемого региона. Данные исследования позволяют судить о состоянии донных отложений восточной части Финского залива. Материалы исследования могут быть использованы для последующего мониторинга донных отложений. Полученные данные важны для более точной интерпретации результатов мониторинга, а также для составления балансовых уравнений обмена веществ между гидросферой и литосферой.

Достоверность научных положений и выводов обусловлена критическим анализом« большого количества литературных источников, аналитическими, материалами, полученными на современном сертифицированном оборудовании и применением1 методов математико-статистической обработки данных.

Личный вклад> автора заключается в постановке проблемы, методическом обеспечении ее решения, участии в полевых работах в период с 2006 по 2010 гг. и анализе полученных результатов.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались: на итоговой сессии Ученого совета РГГМУ (г. Санкт-Петербург, 27 января 2009г.), на VII и X Международных экологических форумах «День Балтийского моря» (г. Санкт-Петербург, 20-22 марта 2007г., 17-19 марта 2009г.), на XVIII Международной Научной Конференции по морской геологии «Геология морей и океанов» (г. Санкт-Петербург, 16—20 ноября 2009г.).

Материалы^ изложены в. 9 публикациях, в том числе в журналах «Общество. Среда. Развитие» и «Медико-биологические и социально-психологические проблемы безопасности* в чрезвычайных ситуациях», рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы. Работа изложена, на 160 страницах машинописного текста, включает 26 таблиц, 63 рисунка, 11 приложений. Список цитируемой литературы содержит 82 публикации, в том числе 3 иностранных.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Фокин, Денис Петрович

ВЫВОДЫ

1. По величине суммарного показателя загрязненности металлами донных отложений восточной части Финского залива исследованные аккумулятивные бассейны ранжируются' следующим образом: Шепелевский аккумулятивный район» (5,2) > Сескарский аккумулятивный район (3,9) > Глубоководный аккумулятивный район (3,5). Высокий уровень содержаний говорит о том, что большая, часть донных отложений находится- под влиянием' антропогенных факторов. При« этом наиболее подверженными-оказываются донные отложения- Шепелевского* района, непосредственно граничащего с Невской губой и в пределах которого находятся по1 крайней мере 2 геохимических барьера сложено построенной барьерной зоньь «устье р. Нева — открытая'часть Финского залива.

2. Для донных отложений* всех исследованных аккумулятивных районов приоритетные загрязняющие металлы ранжируются'следующим образом. Шепелевский. аккумулятивный район: медь > кадмий, > мышьяк > цинк, никель > хром > свинец, Сескарский аккумулятивный район: медь > кадмий > мышьяк > цинк > никель > хром > свинец, Глубоководный аккумулятивный район: медь > кадмий > мышьяк > цинк > никель > хром > свинец. При этом уровень концентраций, меди, кадмия и* мышьяка превышают нижний предел ориентировочно-допустимых концентраций, что позволяет отнести грунты, содержащие подобные содержания« к слабо загрязненным. При этом остальные микроэлементы в среднем находятся ниже уровня" слабого загрязнения' и поэтому не оказывают отрицательного воздействия как на- геологическую среду, так и на экологическое состояние морского бассейна, в целом.

3. Содержание тяжелых металлов в донных отложениях обследованных аккумулятивных районов связано тесной корреляционной зависимостью с л кларками металлов в почвах (объяснимая доля разброса г варьирует от 0,95 до-0,97); Выявленные аналитические зависимости могут быть использованы для прогнозирования содержания в донных отложениях восточной части

Финского залива тех химических соединений, для которых такие определения не проводились.

4. Распределение металлов в донных отложениях восточной части Финского залива подчиняется, правилу Отто-Гаркинса, то есть содержание четных химических элементов выше, чем содержание нечетных элементов.

5. Среднее содержание кадмия, свинца и цинка в придонной воде всех аккумулятивных районов за период с 200Г по 2009гг. не превышает ШДК. тоже время- средняя концентрация меди несколько* (в. 1,1 раза) превысило? ПДК в. придонной4 воде Шепелевского аккумулятивного района. Среднее содержание свинца и цинка в- придонной воде за период с 2001 по 2009гг. увеличивается' от Шепелевского аккумулятивного района к Глубоководному аккумулятивному району. С одной стороны они-связаны прямой корреляцией с уровнем1 минерализации4 природных вод, с другою находятся в связи с окислительно-восстановительным» потенциалом на границе «дно-вода» шего изменением год от года, а также конкретным* наличием или отсутствием слоя окисленных осадков на поверхности? дна1. Отсутствие слоя окисленных осадков может способствовать вторичному загрязнению придонных вод.

6. Для Шепелевского и Сескарского аккумулятивных районов содержание тяжелых металлов1 в-иловых водах ранжируется следующим образом: цинк > медь > свинец > кадмий, для Глубоководного аккумулятивного* района содержание- тяжелых металлов, ранжируется* следующим образом: цинк > свинец > медь > кадмий.

7. Для всех аккумулятивных районов восточной части Финского залива и для всех четырех рассматриваемых металлов (кадмия; свинца, цинка, и, меди)' характерен следующий- ряд по убыванию концентраций металлов:^ донные отложения > иловые воды > придонные воды.

8. Коэффициенты концентрации металлов между донными отложениями и придонными водами и между донными отложениями и иловыми водами возрастают в ряду: медь > кадмий > цинк > свинец, что, возможно, отражает конкретный уровень их геохимической* подвижности

9. По уровням загрязненности углеводородами донные отложения восточной части Финского залива ранжируются следующим образом: Шепелевский аккумулятивный район (0.58 мг/г - среднее содержание нефтепродуктов для данного района) > Сескарский аккумулятивный район (0.23) > Глубоководный аккумулятивный район (0.15). Это достаточно четко совпадает и с другими ранее установленными закономерностями, а высокий уровень концентраций последних в первом районе во многом связан с прямым влиянием Санкт-Петербургского промышленного района и, в частности, с выносом загрязненной взвеси из Невской губы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Фокин, Денис Петрович, Санкт-Петербург

1. Айбулатова H.A. Геоэкология шельфов и берегов морей Россиц .у • Ноосфера, 2001. 428 с.

2. Алексеенко В.А., Алексеенко Л.П. Геохимические барьеры. М.: Логос 2003.- 144 с.

3. Андреев С.И., Кулындышев В.А., Ковалева С.Б., и др., Генезис железо-марганцевых конкреций внутренних морей Северо-Запада России // Разведка и охрана недр, 2001, №10. с.61-73.

4. Антонов А.Е. Крупномасштабная изменчивость гидрометеорологического режима Балтийского моря и ее влияцце на промысел. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 248 с.

5. Бал оде М.Я. Пространственное распределение планктонных водорослей открытой части Балтийского моря и> Финского залива в сентябре-октябре 1980г. // Планктон Балтийского моря. Рига: Зинатне, 1990. с.77-91.

6. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2010

7. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Изд. «Наука», 1983.

8. Виноградов А. П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. 2 изд., М.: 1957.

9. Владимиров A.M., Ляхин Ю.И., Матвеев Л.Т., Орлов В.Г. Охрана окружающей среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 424с.

10. Воронцов А.Н., Вивенцова Е.А. Характеристика подземного стока в Финский залив. Водные ресурсы. 2004. Т.31 №6 с.651-660.

11. Геология Финского залива. Под ред. А. Раукаса, X. Хюваринена. Таллинн: Юхисэлу, 1992. — 422с.

12. Геоэкологический атлас восточной части Финского залива./ Под ред. М.А. Спиридонова, В.М. Анохина, И.С. Грамберга, В.К. Донченко, В.М. Питулько. Спб.: Изд-во НИЦЭБ РАН, 2002. 50с.

13. Голубев Д.А., Сорокин Н.Д. Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности* в Санкт-Петербурге в 2005 году. Спб.: Сезам, 2006.С. 86-91

14. Гурский Ю.Н. Геохимия литогидросферы внутренних* морей; Том 1. Методьъ изучения* и1 процессы формирования химического состава иловых вод в! отложениях Черного, Азовского, Каспийского, Белого, Балтийского морей. М.?: ГЕОС, 2003. 332с.

15. Дмитриев В.В., Фру мин Г.Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем. СПб.: Наука, 2004. 294с.

16. ДрейперН., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Статистика, 1973. 392с.

17. Дроздов В.В., Смирнов Н.П. Колебания- климата и донные рыбы Балтийского моря. СПб.: изд. РГГМУ, 2008 250с.19/ Ежегодник качества морских вод по гидрохимическим показателям за 2002г. Спб;: Гидрометеоиздат, 2004. 135с.

18. Емельянов Е.М., Лукашин В.Н. Геохимия осадочного процесса в Балтийском море. М.: Наука, 1986.

19. Емельянов Е.М. Процессы седиментогенеза в Финском заливе, связанные с антропогенными нагрузками. 1995.- Т.35, №5-с.770-779

20. Емельянов Е.М. Седиментогенез в бассейне Атлантического океана. М.'Наука, 1982. 198с.

21. Зейлер М. Моделирование нашего мира. М.: Дата+, 2001. 254с.

22. Лисицын А.Л. Лавинная седиментация и перерывы в осадконакоплении в морях и океанах. М.: Наука, 1988. — 309с.

23. Израэль Ю.А., Цыбань A.B. Антропогенная экология океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. — 528с.

24. Исследование экосистемы Балтийского моря. — Под ред. Ю.А. Израэля, A.B. Цыбаня. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2005. 324с.

25. Капралов Е.Г. Геоинформатика. М.:Издательский центр «Академия», 2005. 480с.29.' Киселев И.И., Проскуряков В.В., Саванин В.В. Геология и полезные ископаемые Ленинградской области. Спб. ¡ТЕКСТ, 2002. 236с.

26. Кист A.A. Феноменология- биогеохимии и бионеорганической химии. — Ташкент: Фан; 1987. с. 1-100.

27. Корнеев О.Ю., Матвеев Ю.И., Рыбалко А.Е и др. Экологический мониторинг и его роль в решении проблем новых транспортных коридоров // КИПСинфо №2, 2004. с. 38-42

28. Корнеев О.Ю., Рыбалко М.А., Рыбалко А.Е и др: Результаты государственного мониторинга состояния недр Балтийского моря в 2006 году // VIII Международный; экологический-форум «День Балтийского моря». Сб. тезисов докладов. СПб:, 2007. с. 95-97.

29. Корнеев О.Ю. и др. Результаты мониторинга природной среды Финского залива: уровень антропогенного загрязнения природных вод и донных отложений / День Балтийского моря. VI-ой международный экологический форум. Сб. тезисов. СПб.: 2005, с.116-117

30. Корнеев О.Ю:, Матвеев Ю:И., Рыбалко А.Е. Государственный мониторинг геологической среды шельфа задачи, регламентация и перспективы развития // Разведка и охрана недр, 2001. №10. с.24-30.

31. Кудерский Л.А., Шурухин A.C., Попов А.Н., Богданов Д.В., Яковлев A.C. Рыбное население эстуария реки Невы / Экосистема эстуария реки Невы: биологическое разнообразие и экологические проблемы. Ред. А.Ф.

32. Алимова, С.М. Голубкова. М.: Изд-во "Товарищество научных изданий КМК", 2008. с.223 240.

33. Ландау М. А. Молекулярные механизмы действия физиологически активных соединений. М.: Наука, 1981. 262с.

34. Лисицын А.П. Осадкообразование в океанах. Количественное распределение осадочного материала. М.: Наука; 1974. 438с. 381 Логвиненко НШІ Морскаяжеология' —Л!: Недра; 1980: -343с.

35. Лоция; Балтийского? моря. Часть. V. Восточная« часть моря с: Финским и; Рижским ¡заливами:— Нодіред:Е.Н: Быкова; 19791— 407с:.

36. Макарова Н. В., Трофимец< В: Я. Статистика: в< Ехсеї. МІ:: Издат. "Финансы и статистика", 2002. 368с.

37. Малинин ВІН. Статистические методы анализа гидрометеорологической информации. СПб.: РГГМУ, 2008.

38. Нежиховский Р.А. Река Нева. — Лі: Гидрометеорологическое изд-во, 1957.-192с.

39. Никаноров А. М. Правило Оддо-Гаркинса и распространенность химических элементов в пресноводных экосистемах // ДАН, 2009, 426, 1. — с.110-114.

40. Опекунов А.Ю., Рыбалко А.Е., Барт М.Е., Фрумин Г.Т., Крыленкова Н.'Л. Геохимическая характеристика донных осадков. В кн.: Финский залив в условиях антропогенного воздействия. СПб.: ИНОЗ.РАН, Северо-Балтийский морской фонд, 1999. с. 83-101.

41. Опекунов А.Ю. Экологическое нормирование. СПб.: ВНИИОкеангеология, 2001. 216 с.

42. Орвику К. Морские берега Эстонии. Таллинн: Изд-во АН Эстонской ССР, 1974.-112с.

43. Патин С.А. Нефть и экология континентального шельфа. М.: Изд. ВНИРО, 2001. 247с.

44. Патин С.А. Экологические проблемы освоения нефтегазовых ресурсов морского шельфа. М.: Изд. ВНИРО, 1997. 350с.

45. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высш.шк., 1989.-528с.

46. Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. М.: Недра, 1972. 288с.

47. План действий ХЕЛКОМ по Балтийскому морю / Министерское заседание ХЕЛКОМ. Краков, 2007.

48. Прокофьев А.К. Химические формы ртути, кадмия и цинка в природных водных средах// Успехи химии. Вып.1. 1981, с.54-84.

49. Растоскуев В.В. Информационные технологии экологической безопасности, 2000.

50. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 2. Карелия и Северо-Запад. Часть 1. Под ред. В.Е. Водогрецкого Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

51. Романовский С. И. Физическая седиментология. — Л.: Недра, 1988. — 240с.

52. Рыбалко А.Е., Позднечетвертичный седиментогенез внутренних морей гляциальных шельфов Северо-Запада России. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра геол.-минерал. наук, СПб, 1998. 48с.

53. Рыбалко А.Е., Фрумин Г.Т. Тяжелые металлы. Финский залив 2001-2004 гг. http://esimo.oceanography.ru, 2005.

54. Савенко B.C. Химический состав« взвешенных наносов рек мира. М.: ГЕОС, 2006. 174с.

55. Свидетельство на стандартный образец СП-2 (Московская дерново-подзолистая почва). НИИПФ ИГУ. Институт почвоведения ВАСХНИЛ. Иркутск, 1975.

56. Спиридонов! М:А., Рыбалко А.Е., Опекунов А.Ю. и др. Литолого-геохимическая характеристика донных осадков // Финский залив в условиях антропогенного воздействия СПб.: Изд-во РАН, ИНОЗ, 1999: с. 67-77

57. Спиридонов М.А., Рябчук Д.В., Орвику К.К. и др. Изменение береговой, зоны восточной части? финского* залива- под воздействием природных и антропогенных факторов // Региональная металлогения и геология, 2008, №1. с.107-118.

58. Страхов Н.М. Основы теории литогенеза, т. 1, М., Наука, 1960, 178с.

59. Страхов Н.М. Проблемы геохимии современного океанского литогенеза. М.:Наука, 1976.-300с.

60. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Статистический анализ данных на компьютере. М.: Финансы и статистика, Инфра-М, 1998; 528с.

61. Фокин Д.П., Фрумин Г.Т., Рыбалко А.Е. Содержание и распределение химических элементов в донных отложениях восточной части Финского залива. // Экологическая химия. Спб.: ООО «Теза», 2010. с.236.

62. Хупфер П. Балтика — маленькое море, большие проблемы. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 136с.

63. Цветков В.Ю., Сорокин И.Н. Финский залив — природный и морехозяйственный комплекс России. Спб.: Прикладная, экология, 2009. — 223с.

64. Шелутко В. А. Методы обработки, и анализа гидрологической информации. СПб., 2007.

65. Широков JI.B., Аршаница Н.М., Мельникова М.Н., Ружин C.B., Федорова Г.В1. Предварительные итоги ихтиологических исследований в Ладожском озере, р. Неве и Невской губе // Труды ГТИ, 1988. вып.32Г. с.97-101.

66. Экосистема эстуария р. Невы: биологическое разнообразие и экологические проблемы. Под' ред. А.Ф. Алимова, С.М. Голубкова. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2008, 477с.

67. Bowen H.J.M. Trace elements in biochemistry. London, Academic Press, 274 p., 1966.

68. Etkin D. S. at al. Estimates of oil entering the marine environment in the past decade: GESAMP Working Group 32 Project^/ Proceeding of the 1999 International Oil Spill Conf. Washington, D.C.: API, 1999, p.25-30.

69. Häkanson, L. Sediment sampling in different aquatic environments: Statistical aspects/ L. Häkanson// Water Resour.Res.- 1984.- V.20, №1. P.41-46.

70. Matveev Ju., Korneev O., Rybalko A. at.al. History of Geoenvironmental Monitoring Development in the Baltic Sea // History of Oceanography. VII International Congress on the History of Oceanography. Kaliningrad, 2003. p.p. 442-444.

71. Сес каре кий кумулятивный район1. Мужская губа27*0 0"Е27'30-СГЕ1. Условные обозначения:станции мониторингазоны аккумуляции нефелоидных глинистых осадков шкала глубин, мшшшт/ **м-зои-Еи)