Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Закономерности образования взвешенного материала на шельфе Черного моря

ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Денисов, Валерий Иванович, Ростов-на-Дону

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правах рукописи

ДЕНИСОВ ВАЛЕРИЙ ИВАНОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ВЗВЕШЕННОГО МАТЕРИАЛА НА ШЕЛЬФЕ ЧЕРНОГО МОРЯ

11.00.01. - ФИЗИЧЕСКАЯ ГЕОГРАФИЯ, ГЕОФИЗИКА И ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТОВ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидита географических наук

Научный руководитель

доктор геолого-минералогических наук,

профессор Ю.П. ХРУСТАЛЕВ

РОСТОВ-НА-ДОНУ 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................4

ГЛАВА 1. Краткая физико-географическая характеристика

района исследований ..............................................................13

1.1. Морфометрические особенности исследуемой части шельфа ...................................................13

1.2. Краткая морфологическая характеристика черноморских берегов ............................................................................21

1.3. Геологическое строение ..............................................25

1.4. Орогидрография района ................................................30

1.5. Климат ..............................................................................38

ГЛАВА 2. Основные источники поступления седиментацион-

ного материала ........................................................................46

2.1. Поступление седиментационных веществ с речным стоком ........................................................................................46

2.2. Абразионная поставка ...............................51

2.3. Эоловый материал ..........................................................57

2.4. Биогенный материал ......................................................59

2.5. Антропогенный фактор ....................................................63

ГЛАВА 3. Вещественный состав взвеси ..............................65

3.1. Терригенная составляющая взвеси ..............................65

3.2. Глинистые минералы ......................................................72

3.3. Биогенные компоненты взвеси ....................................74

3.4. Хемогенные минералы ....................................................79

3.5. Техногенный материал ..................................................80

3.6. Основные вещественно-генетические типы взвеси.. 81

3.7. Вещественно-генетические провинции ........................91

ГЛАВА 4. Количественные характеристики взвешенного

материала ..................................................................................104

4.1. Закономерности распределения взвешенного материала ......................................................................104

4.2. Интенсивность вертикального поступления осадочного материала и скорости седиментации... 167

4.3. Гранулометрический состав ........................................207

4.4. Потоки аэрозольного материала на шельф моря________208

4.5. Потоки биоседиментационного материала....................222

ГЛАВА 5. Химический состав взвешенного материала ... 233

5.1. Макрокомпоненты ( - Si02, - А1203, - СаС03,

- Сорг, Fe) ....................................................................233

5.2. Микрокомпоненты взвеси ..............................................244

5.3. Химический состав эоловой взвеси ............................261

5.4. Биологическая трансформация взвеси культивируемыми моллюсками ......................................267

ВЫВОДЫ......................................................275

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................280

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Черное море является одним из наиболее важных в экономическом отношении водоемов юга Российской Федерации, особенно в настоящий период. Потеря практически всех портов в северо-западной и юго-восточной частях водоема, привела к острой необходимости строительства дополнительных терминалов в районе от Керченского пролива до Адлера, а также расширения и модернизации действующих сооружений. Существующая антропогенная нагрузка на природную среду, выражающаяся в различных видах загрязнения шельфовой зоны (нефтяное, химическое, радиоактивное, бытовые стоки, и пр.) уже сейчас существенна. Дальнейшее активное строительство портовых и промышленных объектов на относительно небольшом участке берега будет носить необратимо негативный характер. Как эксплуатация, так, тем более, и строительство новых объектов связаны с перемещением огромных количеств донных осадков и грунта берегов, что ведет к росту содержания взвешенных веществ в воде, транспортировке его на шельфе, заиливанию ряда участков, перемещению и переотложению тонкодисперсных веществ. Итогом этого становится угнетение донных биоценозов, заиливание и при высоком содержании органического вещества - сероводородное заражение. Как показывает изучение дампинга грунта в Керченском предпроливье, это приводит к разносу мелких фракций грунта на дне, полной деградации мидийно-устрично-гребешковых банок, смене окислительных процессов в донных отложениях на восстановительные, сульфатре-дуцирующие и превращению аквальных ландшафтов в техногенные, безжизненные.

Исследование процессов поступления и трансформации ве-

щества и энергии в современных условиях в шельфовой зоне морей и океанов является важной задачей морских наук. Оно имеет как фундаментальные, так и прикладные аспекты. К числу важных проблем первого уровня относится проблема познания закономерностей глобального круговорота вещества литосферы в шельфовой зоне моря, являющаяся одним из направлений работ по международной программе ^ОЕБ. Прикладные аспекты исследований имеют отношение к экологическим и хозяйственным проблемам побережья. Активное хозяйственное освоение шельфа для целей марикультуры вызвало необходимость изучения вещественного и химического состава взвешенного материала в прибрежной зоне. Шельф, как граничная часть, активно взаимодействующая с континентом, представляет собой систему механических, гидрохимических, геохимических и биологических барьеров. Изучение различных аспектов трансформации вещества при прохождении этих барьеров является еще одним важным направлением данной области исследований. В последнее время, в связи с активизацией промышленной и рекреационной деятельности в прибрежных районах морей, возрастают потоки загрязняющих веществ на шельфе. Изучение твердой фазы поллютантов (продуктов техногенеза), оценка потоков загрязняющих веществ на шельфе и определение количества их поставки в донные осадки (аккумуляцию) также представляется актуальным для морских наук.

Перечисленные проблемы в различной степени рассмотрены в научной литературе. Однако многие вопросы и в настоящее время остаются слабо изученными. В частности, процесс выноса осадочного материала с береговой зоны на большие глубины, по мнению многих литодинамиков, по-прежнему остается туманным, неясным;

практически отсутствует информация о реальных потоках (прежде всего вертикальных) свободно оседающего вещества в пределах шельфа. Отсутствует целостная картина степени геохимической трансформации вещества при прохождении его от устьев рек (берега) до больших глубин. Невыявлена в полном объеме роль бентоса в биоседиментации и трансформации химического состава взвешенного вещества шельфа. Парадоксальность ситуации состоит в том, что при доступности объекта исследования (близость расстояния от берега, малые глубины и пр.) и необходимости практически-хозяйственного освоения шельфа, степень его изученности остается явно недостаточной. Фундаментальные и прикладные аспекты поставленных проблем определяют актуальность избранной темы исследования.

Цель и задачи работы. Целью работы является выявление основных закономерностей и особенностей формирования и трансформации взвешенного вещества и интенсивности осаждения седимен-тационного материала шельфовой зоны Черного моря.

В задачи работы входило:

1. Изучить вещественный состав взвеси.

2. Выявить роль основных источников поступления взвешенного материала и оценить их вклад для отдельных регионов шельфа.

3. Рассмотреть временную и пространственную изменчивость концентраций взвешенных веществ в водной толще.

4. Определить вертикальные потоки вещества и интенсивность осаждения седиментационного материала; выявить зависимость интенсивности поступления осадочного материала от глубины и удаления от берега.

5. Произвести оценку химического состава взвеси.

6. Определить степень биогенной трансформации вещественного состава взвеси, потребляемой в пищу культивируемыми моллюсками в районах марихозяйств.

7. Изучить антропогенную составляющую взвешенного материала, поступающую на шельф моря.

Исходные материалы и методы исследования. В основу диссертации положены материалы комплексных биогеохимических исследований шельфовой зоны Черного моря от устья Дуная до Батуми (шельф бывшего СССР) в диапазоне глубин от уреза воды до 100м. В период 1985-1992 гг было проведено 18 морских экспедиций в исследуемой части шельфа, а также 16 экспедиций берегового базирования для работ на малых глубинах в береговой зоне, лиманах, устьях рек и на объектах марихозяйств, в которых участвовал автор. Экспедиционные работы проводились ежегодно по сезонам в следующих районах: северо-западная часть (1980-1993 гг.), устье р. Дунай (1987-1989 гг.), устье р. Днепр (1987-1989 гг), Днепровско-Бугский лиман (1981, 1987гг.), устье р. Южный Буг (1987-1989 гг.), гирло Днестровского лимана (1981, 1987 гг.), районы банок мыса Тарханкут (Межводное, Те-тис-1, Тетис-2) (1986-1990 гг.), Керченский пролив и предпро-ливье (1986-1990 гг.), бухта Судакская (Крым) (1987-1991 гг.), а также на 11 полигонах восточного шельфа от Тамани до устья р. Ингури (с.Анаклиа): Тамань, Утриш, Южная Озереевка, Мысха-ко, Геленджикская бухта, Пшада, Новомихайловка, Хоста-Адлер, Пицунда, Гудаута, устье Ингури в период 1986-1991 гг.

Экспедиционные работы включали отбор проб взвеси (фильтрацией на нитроцеллюлозных мембранных и ядерных ультрафиль-

трах), вертикально оседающего материала методом седиментацион-ных ловушек (СЛ), пеллетного материала культивируемых мидий, эоловой взвеси, планктона (тотального),, бентоса (основных видов), донных осадков.

В результате проведенных полевых работ было отобрано и подвергнуто различным видам анализов около 2500 проб взвеси на фильтрах, 153 пробы взвешенного материала (методом седимента-ционных ловушек), 36 проб аэрозолей (вертикально оседающей пыли и методом фильтрации), более 500 проб донных осадков, около 80 - планктона, 800 - мидий (тел и створок), около 150 - основных видов бентоса шельфа.

В лабораторных условиях выполнены следующие виды работ:

- определены концентрации морской взвеси и аэрозолей;

- рассчитаны вертикальные потоки вещества, полученные методом СЛ и интенсивость осаждения седиментационного материала на шельфе;

- проведено микроскопическое изучение вещественного состава морской взвеси в иммерсионных препаратах, а также на сканирующем электронном микроскопе;

- морская взвесь исследовалась химическим силикатным методом, определено содержание органического углерода методом сжигания образцов, микрокомпонентный состав определялся рент-гено-спектральным флюоресцентным и спектрально-эмиссионным методами;

- микроэлементы аэрозолей определялись методами атом-но-абсорбционного и спектрально-эмиссионного анализов;

Автор принимал непосредственное участие в проектировании и изготовлении научного оборудования, в экспедиционных и экс-

периментальных работах, в сборе и обработке фактического материала и написании отчетов по НИР. В работе использованы данные фотосъемок прибрежных акваторий кавказского шельфа с ИСЗ "К-1939".

Научная новизна работы.

1. Исследован вещественный состав взвеси шельфа.

. 2. На основании сочетания главных компонентов взвешенного материала определены вещественно-генетические типы взвеси и выделены основные провинции исследуемой части шельфа: Северо-Западная, Крымская, Керченско-Таманская, Северо-Восточная (включающая Утришскую и Новороссийско-Сочинскую субпровинции) и Восточно-Черноморская.

3. Изучены особенности пространственного распределения взвешенного материала в исследуемых регионах шельфа и их взаимосвязь с источниками поставки вещества.

4. Произведена попытка натурных измерений вертикальных потоков аэрозолей на поверхность моря; рассчитано количество эолового материала, поступающего с суши на акваторию шельфа при различных ветровых ситуациях.

5. Получены количественные характеристики вертикальных потоков оседающего материала в диапазоне глубин 4 - 50 м прямыми измерениями методом седиментационных ловушек, рассчитана интенсивность осаждения седиментационного вещества в различных природных зонах изучаемой части шельфа моря и определены зависимости этих величин от глубины и удаления от берега.

6. Исследован макро- и микрокомпонентный состав осадочного материала и выявлен нелинейный характер изменения концентраций химических элементов взвеси по мере увеличения глубин и

прохождения седиментационного материала через серию барьерных зон шельфа.

7. Произведена оценка степени биологической трансформации вещественного состава взвеси, потребляемой в пищу культивируемыми мидиями в районах марихозяйств.

8. Изучена антропогенная составляющая взвешенного материала в районе шельфа.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Вещественный состав взвешенного материала черноморского шельфа характеризуется чрезвычайным разнообразием. По доминирующим в его составе компонентам взвесь, относится к терри-генному или переходному типам. Терригенный тип взвеси характерен для мелководных районов шельфа и устьевых областей рек. Переходный тип взвеси (при преобладании терригенной составляющей) встречается в районах с повышенной биопродуктивностью.

2. По условиям седиментогенеза и вещественно-генетическим признакам взвешенного материала, шельф Черного моря можно подразделить на регионы с влиянием гумидного климата - Северо-Западная провинция, семиаридного климата - Крымская, Керченско-Таманская и Северо-Восточная провинции, и влажного субтропического климата - Восточно-Черноморская провинция.

3. Черноморский шельф по интенсивности аккумуляции и содержанию взвеси в водной толще относится к лавинному типу седиментации. Причем максимальные значения тяготеют к предусть-евым областям рек северо-западного участка шельфа. Наиболее интенсивный вертикальный поток осадочного материала осуществляется в Северо-Западной и Восточно-Черноморской провинциях.

4. Периодические изменения условий седиментогенеза на

черноморском шельфе, обусловленные неравномерным поступлением осадочного вещества, колебаниями биопродуктивности и рядом других природных факторов, предопределяют изменение как вещественного состава взвеси, так и количественных ее показателей.

5. Черноморский шельф, особенно его северо-западная часть, характеризуется активным участием биоса в осаждении и распределении взвешенного материала, прямым влиянием биогенного фактора на концентрацию и рассеяние химических элементов, внося определенные коррективы в ход механической седиментации.

6. Осадочный материал, поступающий в глубоководную часть, проходит серию биогеохимических барьеров шельфовой зоны. При этом изменение химического состава седиментационного вещества происходит нелинейно в зависимости от глубины.

Практическая значимость. Результаты исследований использованы в отчетах по научно-исследовательским работам в период 1985-1994 гг. такими организациями как ВНИРО, ЮгНИРО (Керчь), АзНИИРХ, КрасНИИРХ, ВНТК "Мидия" и "Марипоиск" для рационального размещения мидийных носителей, при. создании марихозяйств.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 29-м Всесоюзном гидрохимическом совещании (Ростов-на-Дону, 1987г.), на Втором Всесоюзном совещании "Современные методы морских геологических исследований" (Москва, 1987г.), на Всесоюзной конференции "Искусственные рифы для рыбного хозяйства" (Москва, 1987г.), на 3-й Всесоюзной конференции по географии и картографированию океана (Ленинград, 1987г.), на Всесоюзном совещании "Геоморфо" (Казань, 1988г.), на Всесоюзном совещании по ландшафтам (Львов, 1990г.), на Все-

союзной конференции по рыбохозяйственной токсикологии (Юрмала, 1988г.), на 8,9,10 и 12 Всесоюзных и Международных школах по морской геологии (Геленджик,1988,1990,1992 гг., Москва 1997г).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 299 страницах машинописного текста. Содержит 160 рисунков, 39 таблиц, список литературы включает 175 наименований. Основные положения диссертации опубликованы в 12 работах.

ГЛАВА 1. КРАТКАЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Район исследований включает шельф Черного моря от дельты Дуная до устья Ингури в диапазоне глубин от уреза воды до 100 метров (рис. 1.1.1.). На изучаемой акватории выделены конкретные полигоны, схема расположения станций на которых показана на рис.1.1.2. - 1.1.9. Это северо-западная часть Черного моря (рис. 1.1.2.), район Керченского пролива и предпроливья (рис. 1.1.3.), Судакская бухта в Крыму (рис. 1.1.9.) и полигоны Кавказского шельфа: Утриш, Южная Озереевка, Мысхако, Геленджикс-кая бухта, Пшада, Новомихайловка, Хоста-Адлер, Пицунда, Гудау-та, Анаклиа (устье Ингури) (рис. 1.1.4. - 1.1.8.). Кроме этого проводились исследования в устьевых областях рек Дунай, Днепр, Южный Буг, Днепровско-Бугском