Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Распределение металлов во взвешенном веществе и донных отложениях эстуария реки Северная Двина

ВАК РФ 04.00.03, Биогеохимия

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата биологических наук, Кукина, Софья Евгеньевна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. Ломоносова

Факультет почвоведения

На правах рукописи

КУКИНА Софья Евгеньевна

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ВО ВЗВЕШЕННОМ ВЕЩЕСТВЕ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ЭСТУАРИЯ РЕКИ СЕВЕРНАЯ ДВИНА

Специальность 04.00.03 - биогеохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -кандидат биологических наук старший научный сотрудник Л.К. Садовникова

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ....................................'...........3

ГЛАВА 1. ГЕОХИМИЧЕСКИЙ БАРЬЕР РЕКА-МОРЕ

(литературный обзор) ...................................7

1.1. Эстуарии...........................................8

1.2. Физико-химические процессы в эстуариях ...........14

1.3. Поведение химических элементов на геохимическом барьере река-море......................................20

1.4. Современные подходы к исследованиям поведения химических элементов в эстуариях.......................24

1.5. История геохимических исследований в эстуарии

р. Северная Двина......................................28

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.................31

2.1. Характеристика объектов исследования. Устьевая область р. Северная Двина .............................31

2.1.1. Географическое положение.....................31

2.1.2. Климат.......................................33

2.1.3. Гидрология....................................34

2.1.4. Гидродинамика................................37

2.1.5. Почвенный покров и растительность............40

2.1.6. Антропогенная нагрузка.......................44

2.2. Характеристика методов исследования...............46

2.2.1. Методы отбора проб воды, взвеси и донных отложений...........................................4 6

2.2.2. Методы анализа проб воды, взвеси и донных

отложений...........................................52

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ........................64

3.1. Общая характеристика эстуария р. Северная Двина .... 64

3.1.1. Особенности гидрологического строения.........64

3.1.2. Распределение концентрации взвеси .............67

3.1.3. Распределение концентраций хлорофилла А.......71

3.1.4. Распределение биомассы зообентоса .............73

3.1.5. Распределение органического углерода

во взвешенном веществе................................75

3.2. Распределение металлов во взвешенном веществе эстуария р. Северная Двина...............................77

3.2.1. Распределение металлов во взвешенном веществе..77

3.2.2. Распределение элементов между взвешенной фазой

и фазой донных отложений..............................87

3.3. Распределение металлов в донных отложениях

эстуария р. Северная Двина...............................93

3.3.1. Формы металлов в донных отложениях эстуария.... 93

3.3.2. Распределение металлов в донных отложениях по градиенту солености вдоль трансекты река-море.........98

3.3.3. Пространственное распределение металлов

в донных отложениях..................................106

3.3.4. Профильное распределение металлов в донных отложениях...........................................126

ГЛАВА 4. Оценка экологического состояния эстуария

р. Северная Двина..............................'.........132

ВЫВОДЫ.................................................141

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................144

ПРИЛОЖЕНИЯ .............................................162

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВ - взвешенное вещество ДО - донные отложения ОВ - органическое вещество Сорг - органический углерод

Св - органический углерод взвешенного вещества Б - соленость

Эпов - соленость поверхностного слоя воды Эдно _ соленость придонного слоя воды ppt - промилле

ВВЕДЕНИЕ

Функционирование биосферы, как целостной динамической открытой неравновесной системы, обеспечивается циклическим массообменом между всеми ее компонентами. Сложная иерархия циклов поддерживает динамическое существование природно-территориальных комплексов разных уровней - от элементарных биогеосистем, являющихся пространственными единицами биосферы, до глобальной системы всей биосферы (Вернадский, 1910) . Характерной особенностью биосферных циклов массообмена является их незамкнутость, проявляющаяся в

несбалансированности масс на «входе» и «выходе» из цикла. Выведение избыточной части мигрирующих масс из миграционного цикла с аккумулированием их в каком-либо компоненте природной среды (в осадках, почве, крупном водном массиве и т.п.) или с передислокацией их в другой миграционной поток поддерживает стационарное состояние открытых неравновесных природных систем и направленность их развития (Добровольский, 1999) .

В настоящее время показано, что около половины осадочного материала, поступающего с суши, осаждается в прибрежной зоне моря, прежде всего в приустьевых областях (Биогеохимия океана, 1983; Лисицын, 1982, 1988, 1991, 1994). На границе река-море осаждается основная масса взвешенного и значительная часть растворенного материала речного потока, образуя огромные осадочные тела, захватывая содержащиеся в речном стоке микроэлементы (Добровольский, 1998; Артемьев, 1993) . Следовательно, устьевые области рек (эстуарии) исполняют роль

- з -

очень важного геохимического барьера, на котором происходит трансформация переносимых с континента в океан химических элементов (Емельянов, 1998; Гордеев, 1983; Корж, 1991). Вследствие возрастающего масштаба деятельности человека требуется детальное изучение биогеохимических процессов в эстуариях рек для прогноза и минимизации вредных воздействий, так как вокруг устьев рек обычно концентрируется промышленная деятельность человека, происходит разгрузка отходов, в том числе и различных токсичных веществ.

Районы, находящиеся под непосредственным влиянием стока крупных рек, представляют исключительный интерес в аспекте комплексных многодисциплинарных исследований, включающих изучение как биогенных, так и абиотических компонентов экосистемы (Биогеохимия пограничных зон Атлантического океана, 1994; Biogeochemistry of Major World Rivers, 1991) .

Биогеохимическая активность барьерных зон река-море в значительной мере связана со скоплением в них живого и неживого органического вещества, минеральных компонентов и связанных с ними микроэлементов. При этом природные и антропогенные металлы могут служить своеобразными индикаторами уровня антропогенного загрязнения, а также удобными маркерами природных биогеохимических процессов при исследовании таких активных пограничных зон, как эстуарии.

Данная работа является частью комплексного исследования по программе международного проекта INTAS 94-391 "Biodiversity and Adaptation Strategies of Arctic Coastal Marine Benthos"

- A -

("Биоразнообразие и адаптационные стратегии арктического морского- бентоса"), и посвящена изучению' распределения металлов в эстуарии реки Северная Двина бассейна Белого моря.

В устьевой области реки Северная Двина располагается мощный транспортно-промышленный узел на базе городов Северодвинска, Архангельска и Новодвинска. Здесь пересекаются важнейшие речные и морские пути, концентрируется лесообрабатывающая, целлюлозно-бумажная, судоремонтная и судостроительная промышленность, рыбный промысел (Михайлов, 1997). Такая концентрация производственных объектов определяет высокий уровень техногенного загрязнения в эстуарии Северной Двины (Артемьев, 1993; Мискевич, 1995; Михайлов, 1997; Наумов, Федяков, 1993). С другой стороны, данный район является геохимически и экологически недостаточно изученным, т.к. комплексных геохимических исследований в устьевой области р. Северная Двина ранее не проводилось. В связи с этим изучение закономерностей, определяющих состояние и поведение химических элементов на геохимическом барьере река-море в эстуарии р. Северная Двина является важным для выявления уровня антропогенного загрязнения в районе исследования, прогнозирования экологических последствий воздействия на окружающую среду, а также для выяснения путей миграции металлов в таких биогеохимически активных зонах, как эстуарии.

Цель работы заключалась в изучении закономерностей распределения содержания металлов А1, Ее, Мп, 'гп, РЬ, Сг, Со, Си, N1 во взвешенном веществе и в донных отложениях эстуария р. Северная Двина.

Основные Задачи:

а) исследовать распределение содержания металлов во взвешенном веществе эстуария р. Северная Двина;

б) исследовать распределение содержания металлов в донных отложениях эстуария р. Северная Двина;

в) выявить закономерности распределения металлов в барьерной зоне река-море в эстуарии р. Северная Двина;

г) выявить наличие и уровень антропогенного загрязнения аквасистемы эстуария р. Северная Двина с использованием в качестве показателя содержание тяжелых, металлов в различных средах.

Автор искренне благодарит научного руководителя к.б.н. Л.К. Садовникову за постоянную помощь в работе, ценные советы и замечания.

Особую признательность за постоянную поддержку и помощь в работе автор выражает к.б.н. Т.А. Бек. Искреннюю благодарность автор приносит д.б.н. Д.С. Орлову, д.г.-м.н. Е.А. Романкевичу, д.г.н. В.Е. Артемьеву, к.г.н А.Н. Пантюлину, к.б.н. Н.Е. Лихачевой за внимание к работе и ценные консультации. Автор благодарен коллегам по проекту ШТАБ 94-391, а также коллективу кафедры химии почв за помощь в выполнении работы.

- £ -

ГЛАВА 1. ГЕОХИМИЧЕСКИЙ БАРЬЕР РЕКА-МОРЕ Литературный обзор

Одна из основополагающих концепций биогеохимии океана -концепция о наличии в океане чрезвычайно активных пограничных зон и границ раздела, где имеют место интенсивные биогеохимические взаимодействия (Артемьев, 1993; Биогеохимия океана, 1983; Романкевич, 1994; Добровольский, 1983). Участки этих зон, на которых происходит резкое уменьшение интенсивности миграции элементов и следовательно, их концентраций, получили название геохимических барьеров (Перельман, 1961, 1972). Основной количественной

характеристикой геохимических барьеров обычно является градиент С = (т.! - тг)/!, где шг - содержание данного элемента (или показателя) «перед» барьером, ш2 - «после» барьера, 1 -ширина барьера (Биогеохимия океана, 1983).

Наиболее сложным среди многообразия природных границ раздела является геохимический барьер река-море, где особенно активны и сложны биогеохимические процессы (Монин, Романкевич, 1979; Гордеев, 1987; Емельянов, 1998). На геохимическом барьере река-море осаждается подавляющая часть речных взвесей (7 0-90%), здесь формируются огромные осадочные тела, захватывающие содержащиеся в речных взвесях элементы (Лисицын, 1982, 1994).

Эстуарии, которые в широком плане определяются как области, где располагается геохимический барьер река-море,

- Г -

относятся к первому глобальному уровню лавинной седиментации в морях и океанах (Лисицын, 1988).

1.1. Эстуарии

Эстуарием (эстуарий - от латинского aestuarium -затопляемое устье реки, лагуна, лиман) называется область смешения речных и морских вод, представляющая собой полузамкнутый прибрежный водоем, свободно сообщающийся с морем и подверженный действию приливов (Pritchard, 1967). Эстуарии объединяются одним важным свойством - градиентом солености (Одум, 1975). Соленость в эстуариях меняется от пресноводной (<1 ppt) до морской (>30 ppt) . В зоне контакта пресных и соленых вод существуют градиенты не только солености, но и температуры, мутности, содержания кислорода, рН, давления и скорости течения речной воды, причем выделяются как горизонтальные, так и вертикальные градиенты (Симонов, 1964) . По Одуму (1975), в понятие '"эстуарий", помимо устьев рек, входят все акватории, где морская вода смешивается с пресной водой материкового стока - прибрежные бухты, приливные болота (марши), водоемы берегового бара.

Здесь необходимо отметить, что в современной англоязычной научной литературе к эстуариям (термин «estuary») относят очень широкий круг объектов: затопленные речные долины, лагуны, фьорды, приливные реки, приливные проливы между лагунами и морем, а также морские заливы некоторых типов (Михайлов, 1997).

Часто используемое понятие «дельта» определяется геологами как область аккумуляции аллювиальных- наносов (Дедю, 1990). При гидролого-геоморфологическом подходе дельту рассматривают как низменность в устье реки, сложенную речными наносами и расчлененную сетью рукавов и протоков (Михайлов, 1997) . Дельта формируется при условии поступления большого количества осадочного материала, а также в условиях, благоприятных для его отложения (Лисицын, 1988) .

По данным И.В. Самойлова (1952), в любой устьевой области реки как переходной зоне между рекой и морем можно выделить несколько участков: 1) приустьевой, 2) устьевой, 3) предустьевое взморье (рис. 1.1). Приустьевой участок реки начинается со створа нижнего течения реки, на котором перестает сказываться влияние моря. Устьевой участок, который обычно отождествляется с понятием «эстуарий», начинается от верхней границы створа, ниже которого в дельтах начинается деление основного потока на рукава, в однорукавных устьях начинается образование подводной (иногда надводной) дельты, а нижней границей является морской край, т.е. условная линия, оконтуривающая подводную дельту, мористее которой поток речных вод начинает резко замедляться. Предустьевое взморье, начинаясь от морского края устьевого участка, распространяется до зоны текущего обмеления прибрежной полосы за счет выносов реки, оканчивающейся нередко свалом (резким нарастанием) глубин. За пределами устьевой области выделяется предустьевое пространство моря, под которым понимается зона значительного

- д -

Рис.-М. Районирование устьевой области (А - предустьевое пространство моря; I - устьевая область, 1 - приморский участок реки; Б - предустьевое взморье; В - устьевой участок, дельта реки; Г - приустьевой участок реки)

опреснения в период половодья. Для каждой из зон характерны только - ей присущие гидрологические, гидрохимические и гидробиологические режимы. Различные подходы к районированию устьевых областей приведены также в работах Хрусталева (1982) и Лисицына (1988).

Существуют различные классификации эстуариев и дельт, основанные на принципах геологии, геоморфологии,

гидродинамики, интенсивности поступления осадочного материала, энергии волн и энергии приливов (Лисицын, 1988, 1991; Полонский и др., 1992; Михайлов, 1997). Для целей геохимии и биогеохимии наиболее важной представляется классификация эстуариев по признаку стратифицированности вод, приведенная в работах D.W.Pritchard (1967) и H.Postma (1980), которые выделяют следующие типы эстуариев:

1 - сильно стратифицированный эстуарий с клином соленых вод (salt wedge estuary), простирающимся над дном на значительное расстояние вверх по течению, пресные речные воды распространяются в тонком поверхностном слое; разница между соленостью на поверхности и у дна может составлять более 20 ppt, при этом основная часть речной взвеси выносится в море с поверхностным клином распресненных вод;

2 - частично перемешанный или умеренно стратифицированный эстуарий: пресноводный и приливный потоки относительно уравновешены, перемешивание осуществляется за счет турбулентности, вызванной периодичностью действия приливов, соленость постепенно увеличивается по направлению к морю и от

Рис. 4.2. Схематическое изображение типов эстуариев

(точками показано концентрирование взвешенного вещества;

стрелками показано движение поверхностных и придонных водных масс)

- 1 г -

поверхности ко дну; взвесь концентрируется в зоне турбидитного максимум-а ;

3 - полностью перемешанный, или вертикально гомогенный эстуарий: в результате действия прилива происходит почти полное перемешивание речных и морских вод, соленость относительно высока и почти постоянна по вертикали; взвесь концентрируется у берега вблизи устья реки;

4 - сверхсоленый эстуарий: характеризуется нарастанием солености к верховьям эстуария, что может происходить лишь в условиях постоянного испарения морской воды по мере ее движения внутрь эстуария.

Схематическое изображение указанных типов эстуариев согласно данной классификации представлено на рисунке 1.2.

Для поведения взвешенных частиц в эстуариях разного типа характерны следующие общие черты (Гордеев, 1983). В сильно стратифицированном эстуарии наиболее тонкие частицы, оставаясь в верхнем распресненном слое, выносятся в океан. Более грубые и тяжелые частицы будут осаждаться в нижние соленые слои и оседать на дно или снова заноситься в эстуарий. В целом, в эстуарии этого типа приносится незначительное количество материала из океана, поскольку приливные течения обычно слабы. В умеренно стратифицированном эстуарии придонные течения достаточно мощны, они способны нести взвешенные частицы флювиального или морского происхождения против течения реки. В полностью перемешанном эстуарии концентрации взвеси часто

высоки и во многих случаях образуются турбидитные максимумы в областях- резких градиентов солености.

K.R.Dyer (1991) выделяет следующие самостоятельные типы в группе стратифицированных эстуариев: 1) эстуарии солевого клина; 2) частично перемешанные эстуарии; 3) фьорды (по строению фьорды сходны с эстуариями солевого клина, но отличаются очень большими глубинами). В работе подробно рассматрены физические процессы смешения и циркуляции вод в высокостратифицированных эстуариях, выделяя как основную особенность наличие значительных горизонтальных градиентов (фронтов) со