CC BY
14
УДК 631.412:631.74:551
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ р. СИММИ (ЗАПОВЕДНИК «БОЛОНЬСКИЙ»)
Г.В.Харитонова, А.В. Остроухов, З.Тюгай, В.О. Крутикова
Методами лазерной дифрактометрии, седиментационного и электронно-микроскопического анализов изучен состав донных отложений р. Симми, малого притока Амура (заповедник «Болоньский», Хабаровский край, Россия). Установлено, что их гранулометрический состав на исследуемом участке представлен главным образом мелкоземом и характеризуется накоплением мелкого песка, что соответствует озерно-аллювиально-му генезису территории. В приустьевой части реки отложения формируются преимущественно взвешенными наносами с преобладанием илистой фракции. На их состав определяющее влияние оказывает гидрологический режим принимающего воды реки оз. Болонь, колебания уровня которого соответствуют изменению уровня воды в Амуре. Показано, что коагуляция и осаждение взвешенных наносов при низком содержании органического вещества (до 1%) приводит к образованию объемно-агрегированных, плотных и вязких отложений. При высоком содержании органического вещества (> 6% — р. Кирпу, приток р. Симми) происходит «узловая» дифференциация объемно-агрегированных пространственных структур с образованием пористых микроагрегатов.
Ключевые слова: эдафические компоненты экосистем, донные отложения, р. Симми, Дальний Восток России.
Введение
Заповедник «Болоньский» (Хабаровский край, Россия) — это особо охраняемые водно-болотные угодья международного значения. Его территория охватывает нижнюю часть бассейна р. Симми и примыкающее побережье оз. Болонь. Для оценки экологического состояния природных территорий большое значение имеют исследования их эдафических компонентов, таких как речные донные отложения, и в первую очередь их гранулометрического состава. Процессы формирования вещественного состава речных отложений представляют интерес для решения фундаментальных проблем не только экологии, но и почвоведения, геохимии и палеогеографии [7,22]. Гранулометрический состав речных донных отложений характеризует как условия аккумуляции речных наносов, так и реальные и возможные процессы накопления тех или иных загрязняющих веществ, поступающих с территории водосбора [26]. Генетически разнородные компоненты речных отложений, неоднократно переотлагаясь при переносе водным потоком, дифференцируются по плотности и размеру частиц и вовлекаются в процессы почвообразования на пойме [17].
Цель работы — изучение особенностей распределения частиц по размерам в донных отложениях р. Симми и ее притоков. Это продолжение наших исследований р.Амур и его основных притоков [15, 21, 24]. В данной работе рассмотрены речные донные отложения одного из малых притоков Амура в пределах Среднеамурской низменности.
Объекты и методы исследования
Работы проводились в нижнем течении р. Симми. Это северо-восточная часть Среднеамурской низменности с преобладающими абсолютными высотами 22—26 м. Территория сильно обводнена и заболочена (почти 80% площади занято болотами и заболоченными лугами). Для нее характерно сочетание низкой поймы, межпойменных выположенных пространств и релок. Прирусловые валы и релки сложены глинистыми и песчаными отложениями, остальная часть низменности — плотными и водонепроницаемыми глинами.
Климат района прохладный, умеренно влажный, переходный от северного варианта муссонно-го к континентальному. В холодное время года господствуют континентальные полярные воздушные массы. Годовая амплитуда температур — 48—50°. Средняя температура января составляет —28°. В зимние периоды, отличающиеся низкими температурами и небольшим снежным покровом (около 50 мм осадков за холодный сезон), происходит сильное промерзание почв — до 2 м и глубже. Оттаивание продолжается до середины июня, а на болотах — до начала августа. На отдельных участках мерзлота может сохраняться весь теплый период. Лето влажное, теплое, со средней температурой воздуха 20—21°. На июль—сентябрь приходится 50—55% годовой суммы осадков (400—500 мм) [12].
Почвенный покров территории представлен почвами болотного, лугового и пойменного рядов, в значительно меньшей степени (в пределах высоких береговых валов) — почвами буроземного ряда [16]. Основные типы растительности — болот-
ный, преимущественно с эвтрофными травяными и мезотрофными травяно-сфагновыми болотами; луговой с вейниковыми, вейниково-осоковыми, вейниково-разнотравными и разнотравными ценозами; лесной с березовыми и лиственнично-ду-бовыми ценозами; водный и водно-прибрежный [3,4, 13].
Основу гидрографической сети составляют реки Симми и Сельгон с притоками и пойменное оз. Болонь — остаточный элемент древнего русла р.Амур [1]. С современным руслом Амура озеро соединено протокой Сий. Река Симми почти на всем протяжении (94 км) имеет равнинный характер, общая площадь ее водосбора составляет 5450 км2 [10]. Пойма Симми довольно широкая — 2—3 км, изобилует протоками и озерами (рис. 1). Ежегодно она затапливается дождевыми паводками, обусловленными как выпадением осадков в пределах ее водосбора, так и притоком паводоч-ных вод из Амура через протоку Сий. Прирусловые валы и пойменные релки увеличивают длительность затопления, препятствуя обратному стоку воды [8, 13].
Объект изучения — донные отложения р. Симми, ее больших и малых притоков в нижнем течении (рис. 1). Отбор проб проведен в конце мая
2018 г. в период аномально низкого уровня воды (по опросным данным, отсутствуют гидрологические посты). Всего отобрано пять образцов, поскольку даже в этот период территория сильно обводнена.
Точки 1—3 расположены в нижнем течении Симми на разном расстоянии от устья. Точка 1 (49°30'21" С, 136°01'34" В) — 47 км, правый берег. Тип поймы меандровый, русло реки очень извилистое с протоками, старицами и старичными озерами. Точка 2 (49°36'55" С, 136°10'17" В) — 25 км, озе-ровидное расширение Симми — русловое оз. Хал-та-Хывэн, левый северный берег в 7,5 км ниже устья р. Сельгон. Тип поймы фуркационный (многорукавный) с большим числом проток и озеро-видных расширений русла. Точка 3 (49°42'23" С, 136°16'53" В) — 5 км, правый берег протоки Ерсуын, соединяющей оз. Килтасин (озеровидное расширение русла р. Симми) и оз. Болонь. Тип поймы многорукавный. Килтасин в период среднего и высокого уровня воды имеет водное зеркало, при низком уровне вода занимает лишь русловую часть. При спаде уровня через протоку осуществляется вынос накопленных в озере осадков, поэтому донные отложения в этой точке можно считать пе-
Рис. 1. Карта-схема расположения точек отбора образцов: 1 — граница заповедника «Болоньский», 2 — станции отбора
Таблица 1
Физико-химическая характеристика донных отложений р. Симми и ее притоков
Место отбора образцов РНвод рНсол р, г/см3 5, м2/г С, %
Река Симми
Точка 1, 47 км от устья 5,8 3,7 2,77 3,6 0,11
Точка 2, 25 км от устья 5,6 4,6 2,82 3,7 0,86
Точка 3, 5 км от устья 5,3 3,7 2,86 35,7 0,11
Притоки р. Симми
Приток 1 — р. Сельгон, 50 км от устья 5,6 3,9 2,75 10,4 1,05
Приток 2 — р. Кирпу, 3 км от устья 5,3 4,3 2,33 3,1 6,20
центре ИТИГ ДВО РАН, Хабаровск. Удельную поверхность определяли методом низкотемпературной адсорбции азота на анализаторе удельной поверхности серии СОРБТОМЕТР-М [25], Сорг -методом кулонометрического титрования в токе кислорода на экспресс-анализаторе углерода АН-7529 (Гомель, Беларусь) [9]. Краткая физико-химическая характеристика образцов представлена в табл. 1.
Результаты и их обсуждение
Примечание. р — плотность твердой фазы, 5 — удельная поверхность по N2, С — содержание углерода во фракции < 0,25 мм.
реходными от озерных к речным (или озерно-речными).
Приток 1 (49°333'30" С, 136°43'51" В) — среднее течение р. Сельгон, 50 км от устья, правый берег, тип поймы меандровый. Это крупный (180 км) приток р.Симми. Приток 2(49°30'34"С, 136°03'11" В) — р. Кирпу, правый берег, 3 км от устья, тип поймы меандровый. Типичный малый (12,5 км) приток р. Симми. Бассейн реки полностью занимают болотные и лугово-болотные угодья.
При отборе использовали стандартное оборудование и методики [11, 14]. Основные методы исследования — гранулометрический и валовой химический анализы, растровая электронная микроскопия (РЭМ анализ) — дополнены стандартными физико-химическими методами [18]. Гранулометрический состав определяли методом седиментации (распределение по массе) по Качинскому, микроагрегатный — методом лазерной дифракции (распределе-ниепо объему) [5, 27]. Лазерную дифрактометрию образцов проводили на анализаторе размера частиц SALD-2300 (проточная ячейка) (SHIMADZU, Япония). Для этого водную суспензию образца (навеска зависит от абсорбции полученной суспензии и в среднем составляет от 0,5 до 1 г) перед анализом в течение 10 с обрабатывали ультразвуком (встроенный ультразвуковой диспергатор для гомогенизации проб). РЭМ анализ проведен с использованием VEGA 3 LMH (TESCAN, Чешская республика). РЭМ и РФА анализы выполнялись в аналитическом
Анализ данных гранулометрического состава отложений предварим некоторыми определениями. Речные отложения (наносы) по механизму транспортировки и размеру частиц принято подразделять на взвешенные и влекомые. Последние, преимущественно наиболее крупные по размеру частиц (крупный песок, галька, гравий), перемещаются потоком в придонном слое на относительно короткие расстояния путем перекатывания и/или сальтации. Взвешенные наносы (продукты водной и ветровой эрозии водосборов и русел, а также абразии берегов водоемов) формируются в основном более мелкими частицами — тонкий песок, пыль, ил. Они переносятся водным потоком во взвешенном состоянии на большие расстояния. За границу размеров частиц между транзитной и русловой составляющими наносов (взвешенные и влекомые наносы соответственно) обычно принимают таковые < 100 мкм [2, 17, 23].
Как показал гранулометрический анализ, отложения р. Симми и ее притоков в нижнем тече-
Таблица 2
Распределение частиц в донных отложениях р. Симми и ее притоков, %
Точки Размер фракций, мкм
отбора <100 <1 1—5 5—10 10—50 50—250 250—500 500—1000
Река Симми
Точка 1 20,0 0 0,7 19 4,8 69,1 18,9 4,7
— 10,8 3,1 0,7 14,2 67,2 4,0
Точка 2 67,1 0 0,4 19,8 77,2 11 0
— 10,0 2,6 4,3 26,0 56,7 0,4 0
Точка 3 95,8 15 19,0 15,0 46,7 17,9 0 0
— 39,6 15,9 12,8 23,9 7,5 0,3 0
Притоки р. Симми
Приток 1 39,4 01 2,3 30 16,7 60,9 15,9 12
— 15,0 4,1 7,2 12,1 53,6 8,0 0
Приток 2 59,8 01 0,8 0,6 20,7 75,5 2,3 0
— 24,7 7,9 7,2 47,7 11,9 0,6 0
Примечание. Над чертой — микроагрегатный состав (метод лазерной дифрактометрии), под чертой — гранулометрический состав (метод седиментации по Качинскому); прочерк — данные отсутствуют.
Рис. 2. Распределение частиц в отложениях р. Симми и их микрофотографии: а — точка 1, б — точка 2, в — точка 3; распределение по объему: дифференциальные (1) и интегральные (2) кривые
нии представлены главным образом мелкоземом (размер частиц < 2 мм) с высокой долей взвешенных наносов. Последнее связано с озерно-аллюви-альным генезисом отложений исследуемой территории: прирусловые валы и релки сложены глинистыми и песчаными отложениями, остальная часть низменности — плотными и водонепроницаемыми глинами [6]. Согласно полученным данным
Рис. 3. Зависимость прочности дисперсных структур (т^) от концентрации частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде (ф) [19]
(табл. 2, рис. 2), вниз по течению Симми в донных отложениях содержание частиц транзитной составляющей увеличивается с 20 (точка 1) до 67—96% (точки 2 и 3). Содержание взвешенных наносов в рассматриваемых притоках имеет промежуточное значение. Аномально высокое содержание взвешенных наносов (96%) в приустьевой части Симми (точка 3, протока Ерсуын) связано с их поступлением из оз. Килтасин при низком уровне воды,
когда через протоку осуществляется вынос накопленных в озере осадков. Аккумуляция наносов происходит и при ежегодных паводках на Амуре, когда затапливается пойма по всему нижнему течению Симми.
Известно, что концентрированные дисперсные системы, каковыми являются и речные донные отложения с размером частиц < 100 мкм, способны образовывать пространственные структуры.
Рис. 4. Микрофотографии донных отложений р. Симми: а, б — точка 1; в, г — точка 2; д, е — точка 3
(РЭМ, В8Е-детектор)
Возникновение таких структур — переход от сво-боднодисперсных к связанодисперсным (агрегированным) системам — кардинально меняет коллоидно-химические и структурно-механические свойства дисперсных систем [19]. Структурированные дисперсные системы характеризуются появлением предела прочности (т), который, помимо силы и энергии сцепления частиц, зависит от числа контактов между ними в единице объема, т.е. от их размера и концентрации. Так, прочность при сдвиге (т^) начинает медленно расти при первой критической концентрации (Фс1)> когда инициируется процесс формирования структурной сетки во всем объеме дисперсной системы; вторая (Фс2) соответствует началу резкого роста вязкости и упрочения дисперсной системы (рис. 3). Плотные вязкие отложения протоки Ерсуын (точка 3) с аномально высоким содержанием частиц <100 мкм в отличие от остальных образцов проявляют свойства связанодисперсной (агрегированной) системы уже при их отборе. После высыхания твердость (прочность) образца резко возрастает, и требуется немало времени, чтобы его растереть и подготовить к анализу. Последнее с большой долей вероятности
может быть связано с высоким содержанием в образце тонкодисперсных частиц, а именно — илистой фракции.
Действительно, согласно данным гранулометрического анализа, в составе отложений р. Симми и ее притока Сельгон (точка 1 и приток 1) преобладает, достигая содержания в 54—67%, тонкий песок (фракция 50—250 мкм) из обломочных и слабо-окатанных зерен первичных минералов (рис. 4, а, б и рис. 5, а, б). Вниз по течению, к устью (точки 2и 3), в отложениях возрастает вклад более тонких фракций. Так, с 14 до 24—26% увеличивается содержание крупной пыли (фракция 10—50 мкм) (рис. 4, г). Содержание илистой фракции достигает максимальных значений (40%) в протоке Ерсуын (точка 3), где вследствие небольшого перепада высот (уровня впадающей реки и принимающего ее оз. Болонь) происходит аккумуляция наиболее тонкодисперсных частиц взвешенных наносов. Изменение размеров основной фракции приводит к существенному росту (практически на порядок) удельной поверхности отложений — с 4 до 36 м2/г (точки 1 и 3 соответственно). В результате контактного взаимодействия илистых частиц происходит образование прочных плотноупакованных микро-
Рис. 5. Микрофотографии донных отложений притоков р. Симми: а, б — приток 1, в, г — приток 2 (РЭМ, В8Е-детектор)
агрегатов (рис. 4, д, е). Плотность твердой фазы отложений при этом возрастает с 2,77 до 2,86 г/см3. Отметим, что содержание органического вещества в отложениях Симми не высокое — 0,1—0,9%).
Подобное увеличение плотности твердой фазы и, соответственно, образование в них плотноупако-ванных микроагрегатов можно было бы ожидать и для отложений р. Кирпу (приток 2). Они, как и отложения протоки Ерсуын, отличаются высоким (25%) содержанием илистой фракции (основная фракция — крупная пыль). Однако плотность твердой фазы отложений этого притока Симми существенно меньше, чем в других образцах(2,3 и ~2,8 г/см3 соответственно). Последнее связано с образованием пористых микроагрегатов с участием не только органического вещества (6,2%), но и микробиоты — диатомовых и золотистых водорослей (рис. 5, в, г).
Таким образом, абсолютное преобладание в отложениях протоки Ерсуын (точка 3) частиц < 100 мкм при низком содержании органического вещества приводит к резкому скачку числа контактов между частицами в единице объема (по сравнению с точками 1 и 2), к переходу от свободнодисперсного к связанодисперсному состоянию системы и образованию прочных объемно-агрегированных пространственных структур. При высоком содержание органического вещества (6%, отложения р. Кирпу), по-видимому, происходит «узловая» дифференциация объемно-агрегированных пространственных структур с образованием отдельных, в данном случае пористых, микроагрегатов [20]. Прочность системы при этом существенно меньше. Оценка структурно-механических и реологических свойств отложений выходит за рамки данной статьи и может послужить предметом дальнейших исследований.
Заключение
Донные отложения р. Симми (малый приток р. Амур) в нижнем течении представлен главным образом мелкоземом. Их гранулометрический состав характеризуется накоплением мелкого песка,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аваряскин Л.П. Рельеф. Вопросы географии Приамурья. Нижнее Приамурье. Природа. Хабаровск, 1970.
2. Алексеевский Н.И. Формирование и движение речных наносов. М., 1998.
3. Анисимов В.М. Типология болот северо-восточной части Среднеамурской низменности // Биотические компоненты экосистем южной части Дальнего Востока. Хабаровск, 1973.
4. Антонова Л.А. Растительный покров ГПЗХ «Бо-лоньский» как объект мониторинга биоразнообразия // Научные исследования природных комплексов Сред-неамурской низменности. Хабаровск, 2006.
5.Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973.
что соответствует озерно-аллювиальному генезису отложений исследуемой территории.
В приустьевой части реки (протока Ерсуын) донные отложения формируются преимущественно взвешенными наносами (размер частиц <100 мкм). Коагуляция и осаждение последних приводит к образованию плотных вязких отложений, переходных от речных к озерным. Содержание илистой фракции в них достигает 40%.
На состав отложений приустьевой части р. Симми определяющее влияние оказывает гидрологический режим оз. Болонь, колебания уровня которого соответствуют изменению уровня воды в р. Амур. При низких уровнях воды в Амуре и, соответственно, оз. Болонь через протоку Ерсуын происходит вынос накопленных осадков из озеровидного расширения р. Симми (оз. Килтасин). Периодические паводки на Амуре (высокие уровни) вызывают резкое повышение уровня оз. Болонь, в результате чего скорость р. Симми падает вплоть до полной остановки. В период затопления происходит дополнительная аккумуляция взвешенных наносов с высоким содержанием илистых частиц.
Коагуляция и осаждение взвешенных наносов на приустьевом участке р. Симми при низком содержании органического вещества (протока Ерсуын) приводит к образованию объемно-агрегированных плотных и вязких отложений. При высоком содержании органического вещества (6%, р. Кирпу, приток Симми) происходит «узловая» дифференциация объемно-агрегированных пространственных структур с образованием отдельных пористых микроагрегатов.
Авторы выражают глубокую признательность ФГБУ «Заповедное Приамурье» и администрации Государственного природного заповедника «Болонь-ский» за техническую поддержку экспедиционных работ на его территории.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
6. Геоморфологическая карта СССР масштаба 1:2 500 000. М., 1985.
7. Деркачёв А.Н., Николаева А.Н., Горбаренко С.А. Особенности поставки и распределения кластогенно-го материала в Охотском море в позднечетвертичное время // Тихоокеан. геол. 2004. Т. 23, № 1.
8. Махинов А.Н. Современное рельефообразование в условиях аллювиальной аккумуляции. Владивосток, 2006.
9. Милановский Е.Ю., Хайдапова Д.Д., Поздняков А.И. и др. Практикум по физике твердой фазы почв. Тула, 2011.
10. Мордовии А.М. Годовой и сезонный сток рек бассейна Амура: Препринт. Хабаровск, 1996.
11. Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 2. Ч. II. Л., 1975.
12. Никонов И.И., Анисимова Л.Н. Амурский район. Нижнее Приамурье. Экономика. Вып. 2. Хабаровск, 1974.
13. Прозоров Ю.С. Динамика и особенности заболачивания низменности в бассейне оз. Болонь // Особенности болотообразования в некоторых лесных и предгорных районах Сибири и Дальнего Востока. Хабаровск, 1965.
14. Руководство по гидрологической практике. Л., 1975.
15. Сиротский С.Е., Харитонова Г.В., Ким В.И. и др. Гранулометрический и микроэлементный состав донных отложений реки Амур в среднем и нижнем течении // Тихоокеан. геол. 2014. № 3.
16. Соловьев В.С. К почвенному покрову и особенностям почвообразования Болоньского заповедника // Научные исследования природных комплексов Сред-неамурской низменности. Хабаровск, 2006.
17. Страхов Н.М. Основы теории литогенеза. Т. II. М., 1962.
18. Теория и практика химического анализа почв. Чебоксары, 2006.
19. УрьевН.Б. Структурированные дисперсные системы // Сорос. общеобр. журн. 1998. № 6.
20.Харитонова Г.В., Манучаров А.С., Васикова Э.Г. Влияние лигнино-пометного компоста на реологические свойства глинистых дифференцированных почв Сред-неамурской низменности // Почвоведение. 1992. № 7.
21. Харитонова Г.В., Шеин Е.В., Шестеркин В.П. и др. Гранулометрический состав донных отложений р. Буреи района Нижне-Бурейской ГЭС // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2017. № 1.
22. Хокс Х.Е., Уэбб Дж. Геохимические методы поиска минеральных месторождений. М., 1964.
23. Чалов Р.С. Русловедение: теория, география и практика. Т. 1. Русловые процессы: факторы, механизмы, формы проявления и условия формирования речных русел. М., 2008.
24. Чижикова Н.П., Сиротский С.Е., Харитонова Г.В. и др. Минералогический и микроэлементный состав тонкодисперсной части донных отложений р. Амур // Почвоведение. 2011. № 7.
25. Шеин Е.В., Милановский Е.Ю.. Хайдапова Д.Д. и др. Практикум по физике твердой фазы почв. М., 2017.
26.Forstner U., Wittmann G.T.W. Metal Pollution in the Aquatic Environment. Berlin, 1983.
27. Rawl A. Basic principles of particle size analysis. Malvern Instruments Technical Paper MRK034.
Поступила в редакцию 16.02.2019 После доработки 05.04.2019 Принята к публикации 20.05.2019
THE TEXTURE OF THE SIMMY BOTTOM SEDIMENTS
("BOLON'SKY" RESERVE)
G.V. Kharitonova, A.V. Ostrouhov, Z. Tjugaj, V.O. Krutikova
The texture of bottom sediments of the Simmy River and its tributaries in the area of the "Bolon'sky" reserve (Khabarovskiy region, Far East) was studied with methods of laser diffractometry, sedimentation and electron microscopic analysis. It was found out that the texture of Simmy sediments in downstream is characterized by the accumulation of fine sand, which corresponds to alluvial-lake genesis of the studied area. In the wellhead part of river sediments are formed mainly by suspended sediments with a predominance of the clay fraction. This is due to the impact of the floodplain Bolon Lake, which level fluctuations correspond to changes in the level of water in the Amur River. It is shown that coagulation and deposition of suspended particles with low content of organic matter (< 1%) leads to the formation of volumetric aggregated, dense and viscous sediments. The high content of organic matter in sediments (>6%, the Kirpy River, the tributary of the Simmy River) leads to the "nodal" differentiation of spatial structures and to the formation of porous microaggregates.
Key words: edaphic components of ecosystems, bottom sediments, Simmy R., Russian Far East.
Сведения об авторах
Харитонова Галина Владимировна,докт. биол. наук, и.о. зав.лабораторией экологии почв Ин-та водных и экологических проблем ДВО РАН. E-mail: gkharitonova@mail.ru. Тюгай Земфира, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: zemfira53@yandex.ru. Остроухов Андрей Вячеславович, канд. геогр. наук, ст. науч. сотр. лаборатории оптимизации регионального природопользования Ин-та водных и экологических проблем ДВО РАН. E-mail: lorp@ivep.as.khb.ru. Крутикова Валерия Олеговна, мл. науч. сотр. аналитического центра Ин-та тектоники и геофизики ДВО РАН. E-mail: nm32697@gmail.com.
