CC BY
271
УДК 556.53 в 671 (470.11)
ЛУКЬЯНОВ Сергей Александрович, аспирант кафедры географии и геоэкологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова, младший научный сотрудник Северо-Западного отделения Института океанологии имени П.П. Ширшова Российской академии наук. Автор 7 научных публикаций
ЛЕБЕДЕВ Андрей Анатольевич, младший научный сотрудник лаборатории пресноводных и морских экосистем Института экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук. Автор 15 научных публикаций
ШВАРЦМАН Юрий Григорьевич, доктор гео-лого-минералогических наук, профессор кафедры географии и геоэкологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова, заведующий лабораторией комплексного анализа наземной и космической информации для экологических целей Института экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук. Автор 220 научных публикаций
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И ЕГО РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В УСТЬЕВОЙ ЗОНЕ р. СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ*
Проведены исследования гранулометрического состава поверхностного слоя донных отложений в устьевой области р. Северной Двины летом (июль-август) 2009 года. Приведены результаты сравнения гранулометрического состава донных осадков разных районов устьевого участка реки и устьевого взморья. Рассмотрены локальные особенности донных отложений с учетом особенностей морфологии русла и гидрологических условий.
Гранулометрический состав, донные отложения, устьевая зона, фракции грунта
Введение. Изучение гранулометрического состава донных отложений морей и рек имеет большое значение в выполнении целого ряда практических задач, прежде всего при освоении природных ресурсов арктического региона.
Кроме того, на современном этапе промышленного освоения Арктики первостепенное значение имеет экологическое состояние рек, т.к. от гранулометрического состава грунтов зави-
сит характер накопления в них загрязняющих веществ (тяжелые металлы, радиоактивные элементы, углеводороды). Верхний 10-сантиметровый слой донных осадков - основной объект геоэкологических исследований. Его физические и геохимические свойства во многом определяют величину и интенсивность накопления загрязняющих веществ в донных отложениях, а также характер донных биоцено-
© Лукьянов С.А., Лебедев А.А., Шварцман Ю.Г, 2011
* Работа выполнена в рамках проекта № 09-П-5-1021 «Оценка влияния естественных и антропогенных факторов на активизацию геодинамических процессов и связанная с ними сейсмичность на структуру функционирования и биологическую продуктивность устьев рек и морей Европейского Севера России». Программа Президиума РАН № 20 «Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология».
зов, являющихся отражением состояния придонной экосистемы. Кроме этого по физическим характеристикам верхнего слоя осадков можно судить о современных условиях седиментации.
На поверхности дна осаждается значительная часть поллютантов, приносимых в морскую среду воздушными потоками, речным стоком или вносимых человеком в результате дам-пинга, сброса сточных вод и при аварийных ситуациях [1]. При строительных или дноуглубительных работах происходит взмучивание донных осадков поверхностного слоя, после чего происходит вторичное загрязнение.
Устьевая зона р. Северной Двины во многих аспектах изучена лучше, чем другие реки бассейна Белого моря. Исследование гранулометрического состава донных отложений устьевой зоны р. Северной Двины производилось различными организациями, такими как Институт океанологии РАН имени П.П. Ширшова совместно с Московским государственным университетом [2], Институтом экологических проблем Севера [3], Севгидрометом и др. Но в большинстве экспедиционных работ гранулометрический анализ в устьевой зоне р. Северной Двины производился как дополнение к проведению других анализов (химических, радиологических и др.). В основной массе работ не ставилась задача создания базы данных пространственного распределения донных осадков по гранулометрическому составу и причин образования их структуры.
Устьевой участок длиной около 150 км включает в себя придельтовый участок и многорукавную дельту реки (длина по основному руслу 45 км, площадь 900 км2) [4]. Придельто-вый участок Северной Двины имеет хорошо выраженную долину, широкую пойму и сложно разветвленное русло.
Многорукавная дельта реки имеет классическую форму равнобедренного треугольника с основанием, равным 45 км, на долю суши приходится около 55% общей площади дельты [5].
Генетические типы отложений - морские и аллювиально-морские, литологический состав четвертичных отложений - пески, торф [6].
В узкой полосе морского побережья, а также по дну прибрежья распространены пески, иногда с примесью гальки и валунов. Почти повсюду берега окаймлены песчаной или песчано-каменистой полосой осушки. Ее длина меняется от 50 до 2000 м. Глубина вблизи берега составляет 1-2 м. За пределами взморья находится глубоководная часть Двинского залива [6].
Материалы и методы. В 2009 году в дельте р. Северной Двины была проведена экспедиция, организованная Институтом экологических проблем Севера (ИЭПС). Работы проводились с 15 июля по 12 августа. За этот период выполнено 16 станций (из них 15 полусуточных и 1 суточная). На 12 станциях произведен отбор проб грунта.
Для выполнения поставленных задач в лаборатории экологии моря ИЭПС была разработана принципиальная схема комплексного мониторинга устьевой области и авандельты р. Северной Двины. Схема расположения станций приведена на рис. 1.
Необходимость разработки такой схемы заключалась в том, что в многорукавной дельте, подверженной явно выраженным приливоотливным и сгонно-нагонным явлениям, мониторинговые работы и исследования производятся на разовых гидрологических станциях, распределенных по акватории устьевой области, без учета особенностей гидрологического режима, что приводило к получению не связанных между собой сведений разновременного характера. В разработанной схеме учтены эти недостатки. Комплексные станции расположены в авандельте, в зоне морской границы смешения речных и морских вод; в многорукавной дельте - на входах и выходах основных рукавов, а также в верхней границе зоны смешения вод.
Исследования проводились с борта катамарана «Элеганс». Отбор проб грунта проводился с помощью ручной драги, изготовленной из нержавеющей стали. Драга опускалась на синтетическом фале диаметром 8 мм и длиной 80 м. Драгирование проводилось как в дрейфе, так и с судна, стоящего на якоре. Наибольшую
с.ш.
65°06’
65°00'
64°54’
64°48’
64°42’
64°36’
64°30’
039°24’ 039°36’ 039°48’ 040°00’ 040°12’ 040°24’ 040°36’в.д.
Рис. 1. Расположение станций отбора проб грунта в июле-августе 2009 года в устьевой области
'А1 - 4, • - 5; 1, 2, 3 - границы участков устьевой
Работы с пробами по определению гранулометрического состава производились согласно ГОСТ 12536-79 «Методы определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава». Настоящий стандарт распространяется на песчаные и глинистые грунты и устанавливает методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагре-гатного состава, применяемого при исследованиях грунтов для строительства.
При проведении анализа проб на гранулометрический состав применялся ситовой и аре-ометрический метод.
При ситовом методе образцы грунта, высушенные до воздушно-сухого состояния, растирались в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником. Разделение грунта на фракции ситовым методом без промывки водой осуществлялось ситами с размером отверстий 10; 5,0; 2,0; 1,0 мм. Среднюю пробу для анализа брали методом квартования. Вес средней пробы составил 200 г. Взвешенную пробу грунта просеивали через колонку сит с поддоном ручным способом. Потеря грунта при про-
р. Северной Двины: — — - 1, — ■ — - 2, — ■■ — - 3 зоны; 4 - светящие знаки, 5 - комплексные станции
сложность при отборе грунта представляло наличие сильных приливо-отливных течений, а также на некоторых станциях высокая плотность поверхностного слоя донных отложений. Так, на станции St 20 находящейся в районе д. Лапоминка верхний слой грунта оказался очень плотным, вследствие чего приходилось повторять пробоотбор несколько раз. На остальных станциях основную сложность при отборе проб создавали течения.
Анализ гранулометрического состава. Для определения гранулометрического состава пород выполняется гранулометрический, или механический анализ. Гранулометрический анализ состоял в расчленении грунта на группы с близкими по величине частицами. Размер частиц обычно определяют по диаметру и выражают в миллиметрах.
В настоящее время разработано много способов гранулометрического анализа грунтов. В России наибольшее распространение в инженерно-геологической практике получили ситовой анализ, метод двойного отмачивания, пипеточ-ный метод и ареометрический анализ [7].
сеивании была разнесена по всем фракциям пропорционально их весу. Ситовым методом было определено процентное содержание фракций более 10; 10-5; 5-2; 2-1 мм.
Ареометрическим методом проводилось определение гранулометрического (зернового) состава глинистых грунтов путем измерения плотности суспензии ареометром в процессе ее отстаивания. Отбиралась методом квартования средняя проба из грунта, прошедшего сквозь сито с размером отверстий 1 мм. Производилось опробирование суспензии на коагуляцию, чтобы определить реагент для промывания.
Навеска средней пробы 25 г помещалась в колбу, к ней добавлялось 225 мл воды для доведения общего количества до десятикратного по отношению к исходному. После чего производилось кипячение в песочной бане для песков в течение 30 мин, для глин и суглинков -
1 ч. Суспензия комнатной температуры переносилась в литровый цилиндр через сито 0,1 мм. Оставшиеся в сите фракции высушивали в песочной бане и пропускали через колонку из сит
0,5; 0,25; 0,1 мм. Таким образом были определены массы фракций: 1,0-0,5; 0,5-0,25; 0,25-0,1 мм. При проведении испытаний осуществлялся контроль за температурой суспензии и введение температурной поправки.
Процентное содержание каждой фракции (0,05-0,01; 0,01-0,005; 0,005-0,002) грунта вычисляли последовательными вычитаниями из большой величины меньшей.
Фракция 0,10-0,05 мм была найдена по разности вычитанием из 100% суммы всех фракций, определяемых с помощью ареометра и ситовым методом.
Результаты и обсуждение. На данном этапе проводились работы в основных руслах дельты и на устьевом взморье. Исследования показали, что для большинства станций характерной чертой является преобладание песчаных фракций. Так, образцы со станций St 8, St 19, St 20, St 24, St 21 и St 23 являются однокомпонентными песчаными грунтами с содержанием песка более 70%. Эти точки, кроме станции St 8, находящейся на устьевом взморье в районе выхода Мурманского рукава, относятся
к речной (дельтовой) части района проводившихся исследований.
Образцы станций St 1, St 0 и St 7 являются двухкомпонентными песчано-алевритовыми грунтами с содержанием каждой группы более 30%. Образцы станций St 18 и St 2 являются двухкомпонентными песчано-пелитовыми. Отдельно выделяется станция St 22 содержанием каменисто-гравийной фракции, которая составляет около 47% всей пробы. Результаты гранулометрического анализа и описание точек отбора проб приведены в таблице.
В устьевой зоне под влиянием сильных стоковых течений происходит сортировка осадочного материала вдоль рукавов реки. Перераспределение донных отложений вдоль речного русла происходит по их крупности. Крупнозернистые осадки располагаются выше по течению. С удалением от вершины дельты в пробах донных отложений увеличивается содержание алевритовых и пелитовых фракций и уменьшается содержание крупнозернистых осадков. На примере Никольского рукава можно проследить, что от станции St 24 (ж/д мост), расположенной в вершине дельты, к станции St 18, находящейся на выходе из рукава у о. Ягры, содержание песчаной фракции снижается почти вдвое, гравийная составляющая практически исчезает, при этом содержание алеврита и пелита увеличивается в несколько раз. Станция St 23, размещенная в этом рукаве имеет свою особенность, состоящую в большом содержании в донных отложениях древесных остатков. Одной из возможных причин такой особенности, по нашему мнению, может быть прошлый длительный период деятельности Цигломенского и Кегостровского лесозаводов. Гранулометрический состав образцов грунта, полученных в июле-августе 2009 года в устьевой области р. Северной Двины, представлен на рис. 2.
Точки с двухкомпонентными песчано-алевритовыми грунтами имеют между собой некоторые различия. Станции St 7 и St 1 имеют преобладание алеврита и меньшее количество песчаной фракции, тогда как точка St 0, расположенная у южной оконечности о. Мудьюгский, отличается преобладанием песчаной фракции
%
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
тп— — —
1
'Л л _ mu 0, г-
St 23 St 18 St 7 St 24 St22 St21 St20 StO St2 Stl9 St8 St 1
Рис. 2. Гранулометрический состав образцов грунта, % (классификация по шкале Качинского), полученных в июле-августе 2009 года в устьевой области реки Северная Двина: И - 1, И - 2, СИ - 3, СИ - 4; 1- каменистогравийная часть; 2 - песок; 3 - алеврит; 4 - пелит
около 61%. На станциях St 1 и St 7 преобладает пыль: 58% и 65% соответственно. Станция St 1 расположена в проливе Сухое море, отличающемся особым гидрологическим режимом, обусловленным ее мелководностью и некоторой изолированностью. На гидрологический режим и характер осадконакопления в Сухом море оказывает влияние также р. Мудьюга, впадающая в этот пролив и обладающая дельтой выдвижения. Поступление осадочного материала может быть связано и с ее стоком.
На станции St 7 отмечается аналогичная ситуация. С мысом Толстик и о. Ягры образован, в сравнении с лагуной Сухого моря, более открытый залив. Расположенный в стороне от основного направления речного стока Северной Двины, он концентрирует (аккумулирует) в себе фракции песка и пыли.
Обособленно выделяется группа станций, на которых присутствует каменистогравийная фракция. На станции St 24, находящейся в верхней части дельты, каменисто-гравийные фракции составляют около 7% от всей пробы, на станции St 22 - около 47% всей пробы. Возможно, это обусловлено расположением данной станции в месте разделения основного русла. Место отбора пробы находится на отмели, раз-
деляющей начало протоки Кузнечиха и основное русло Северной Двины. Это открытое место в период весеннего ледохода и паводка подвергается механическому воздействию со стороны выносимого льда. Нередко в этом месте отмечаются стамухи. При вспахивании мелководья в этом месте происходит интенсивное взмучивание и при сильных течениях в период паводка мелкие фракции вымываются потоком воды. При этом на месте остаются гравий и крупный песок. Обломочный материал в это место может также приноситься со льдом, образовавшимся в период ледостава на мелководьях у берега в верховье реки и содержащим в себе эти частицы, которые освобождаются при трении льдин о дно и в процессе вытаивания изо льда. Схожие условия существуют на станции St 21, находящейся на разделении Мурманского и Корабельного рукавов. Здесь также присутствует гравийная фракция 2,21%. Значительно меньшее ее количество может объясняться тем, что Корабельный рукав Северной Двины, наиболее прямой и широкий, и мыс о. Никольский находится несколько в стороне от генерального движения льда.
На станциях, расположенных на устьевом взморье, процентное содержание как пылевых
фракций, так и песка значительно. Это связано с расположением станций в зоне морской границы смешения речных и морских вод. Район устьевого взморья отличается сложными гидрологическими процессами. Сильные приливоотливные течения, штормовое воздействие, дноуглубительные работы оказывают большое воздействие на сложный и разнообразный характер перераспределения донных отложений в районе устьевого взморья. Так, на станциях St 8 и St 19, расположенных на выходе из Мурманского рукава, содержание фракций песка превышает 70%, что позволяет их характеризовать как однокомпонентные. При этом грунты станций St 7 и St 2 имеют другой и при этом отличный друг от друга гранулометрический состав.
Выводы
1. На основании полученных данных можно сделать следующие выводы о гранулометрическом составе образцов:
- образцы со станций St 8, St 19, St 20, St 24, St 21 и St 23 являются однокомпонентыми песчаными грунтами с содержанием песка более 70%;
- образцы станций St 1, St 0, St 7 являются двухкомпонентными песчано-алевритовыми грунтами с содержанием каждой группы более 30%;
- образцы станций St 18 и St 2 являются двухкомпонентными песчано-пелитовыми;
2. В устьевой зоне под влиянием сильных стоковых течений происходит сортировка осадочного материала вдоль рукавов реки. Перераспределение донных отложений вдоль речного русла происходит по их крупности. Крупно-
Рис. 3. Зоны донных отложений по преобладающей фракции:
ИЗ - 1, ¡Ш -2, ® - 3, 51 - 4, ® - 5, ' ' - 6; 1 - пелит, 2 - алеврит, 3 - песок, каменисто-гравийная часть,
5 - станция, 6 - граница фракций
зернистые осадки располагаются выше по течению. С удалением от вершины дельты к морю в пробах донных отложений увеличивается содержание алевритовых и пелитовых фракций и уменьшается содержание крупнозернистых осадков.
3. На гранулометрический состав грунта влияют особенности морфологии русла и сезонные гидрологические явления (станции St 24, St 22, St 21, их расположение на мысах в районах разделения рукавов и в вершине дельты, действие ледохода).
Список литературы
1. ИвановГ.И. Геоэкология Западно-Арктического шельфа России: литолого-экогеохимические аспекты. СПб., 2006. С. 173.
2. Кравчишина М.Д. Гранулометрический состав взвешенных веществ в маргинальном фильтре р. Северная Двина. Геология морей и океанов // Материалы XVIII междунар. науч. конф. по морской геологии. М., 2009. Т. 3. С. 184-189.
3. Экологические проблемы Европейского Севера: сб. науч. тр. Екатеринбург, 1996.
4. Гидрология устьевой области Северной Двины. М., 1965.
5. Кузнецов В.С., Мискевич И.В., Зайцева ГБ. Гидрохимическая характеристика крупных рек бассейна Северной Двины. Л., 1991.
6. Брызгалов В.В., Скибинский Л.Э., БогуновА.Ю. Исследования устьевой области реки Северной Двины хронокартографическим способом. Архангельск, 2008. С. 7-12.
7. СвальновВ.Н., Алексеева Т.Н. Гранулометрический состав осадков Мирового океана. М., 2005.
Lukyanov Sergey, Lebedev Andrey, Shvartsman Yury
GRANULOMETRIC COMPOSITION OF THE GROUND SEDIMENTS AND ITS DISTRIBUTION IN THE ESTUARINE ZONE OF THE NORTHERN DVINA RIVER
Granulometric composition of the bottom sediment surface layer was studied in the estuarine zone of the Northern Dvina River in the summer (July-August) of 2009. The results of comparison of the granulometric composition of bottom sediments found in different areas of the estuarine portion of the river and the estuarine coastal area are adduced. Local characteristics of bottom sediments are considered with account of the streambed morphology and hydrological conditions.
Контактная информация: Лукьянов Сергей Александрович e-mail: sergeiuk@yandex.ru Лебедев Андрей Анатольевич e-mail: LAAWS@yandex.ru Шварцман Юрий Григорьевич e-mail: shvartsman@pomorsu.ru
Рецензент - Коробов В.Б., доктор географических наук, директор Северо-Западного института океанологии имени П.П. Ширшова Российского академии наук
