CC BY
173
В. В. Мотычко, А. Ю. Опекунов, В. М. Константинов, Л. Ф. Андрианова
ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ МОРФОЛИТОГЕНЕЗА В СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ ОБСКОЙ ГУБЫ
Введение. Изучение процессов формирования рельефа и распределения донных осадков, особенно в акваториях перспективного промышленного освоения, имеет не только научное, но и прикладное значение. Именно к таким районам относится северная часть Обской губы.
На п-овах Гыдан и Ямал открыты и уже разрабатываются крупные месторождения углеводородного сырья, а в самой акватории выявлен ряд перспективных площадей. Полученные результаты исследований могут быть использованы при определении исходного фонового состояния геологической среды Обской губы и организации мониторинга в период ее активного хозяйственного освоения.
Методика работ. В основу исследований легли данные 130 станций донного пробоотбора (рис. 1), а также материалы гидроакустического профилирования, выполненного в рейсах на НИС «Иван Киреев» (2005 г.) и «Иван Петров» (2006 г.) за счет средств федерального бюджета. Сеть пробоотбора в акватории составляла 10 х 20 км. Лабораторные исследования включали гранулометрический анализ донных осадков, определение микроэлементов, органических веществ, радионуклидов, глинистых и тяжелых минералов. Анализ микроэлементного состава проводился методом атомно-абсорбционной спектроскопии (ОАО «Архангельск-геолдобыча»), определение хлорорганических соединений, фенолов и углеводородов выполнено газожидкостной хроматографией (ВНИИМ им. Менделеева,
ВНИИОкеангеология), активность радионуклидов фиксировалась гамма-спектрометрией (ВНИИОкеангеоло-гия). Минералогический состав осадков определялся иммерсионным методом (ВНИИОкеангеология) и рентгеноструктурным анализом (ВНИИМ им. Менделеева).
Методика экспериментов по определению сорбционных свойств донных осадков состояла в следующем. В полиэтиленовый стакан, емкостью 200 мл, помещалась навеска в 1,5 г (на воздушно-сухую массу) донного осадка, которая заливалась 150 мл воды из Обской губы с концентрацией 11 мг/л каждого из определяемых элементов (Си, Zn и Pb). Раствор перемешивался 3 раза в день. Аликвоты отбирались через 1, 5, 9, 21 и 30 суток и
Станции донного пробоотбора
Изобаты в метрах
Рис. 1. Схема района работ.
В. В. Мотычко, А. Ю. Опекунов, В. М. Константинов, Л. Ф. Андрианова, 2011
определялись методом инверсионной вольтамперометрии на содержание металлов. До начала и по окончании эксперимента в донных осадках были определены содержания изучаемых металлов атомно-абсорбционным методом.
Результаты и их обсуждение. Литодинамика и морфогенез. Исследуемый район находится в пределах крупного эстуарного бассейна площадью около 25 000 км2 (при длине 450 и ширине от 30 до 90 км). Гидрологический режим определяется стоком рек Оби и Таза, водообменом с Карским морем, приливными и сгонно-нагонными явлениями. Высота последних возрастает с севера на юг от 0,25-0,30 до 0,50-0,70 м. Приливы — правильные полусуточные; амплитуда приливно-отливных уровней может достигать 0,6-0,8 м. Скорость суммарного течения, совпадающего с течением реки, обычно не превышает 1 м/сек [1]. Максимальные скорости придонных течений составляют 0,30,5 м/сек, и лишь на выходе в Карское море и при впадении Тазовской губы они могут достигать 0,5—1,0 м/сек [2]. Направление поверхностных течений вдоль гыданского берега соответствует стоковому течению р. Обь, в то же время поверхностные течения вдоль ямальского берега направлены на юг (рис. 2). Суммарный речной сток в губу достигает 530 км3/год, а общий твердый сток наносов рек в Обскую губу оценивается в 15 млн т/год [3]. Расход воды в устье губы составляет 80 тыс. м3/с.
Берега описываемого района сложены многолетнемерзлыми, льдистыми, песчаноглинистыми отложениями. Около 75% длины береговой линии занимают термоабразионные и абразионно-аккумулятивные берега. Термоабразионные выровненные берега обычно приглубые, имеют четко выраженный береговой уступ высотой до 30-60 м со следами свежих обрушений и волноприбойной нишей в основании. Пляж узкий, односклонный, с поверхности выполнен песчаным и гравийно-песчаным материалом, слагающим подводный береговой склон до глубин 8-10 м. Аккумулятивные и абразионно-аккумулятивные берега обычно отмелые, сложены песчаным материалом. Морфологические элементы представлены надводными террасами высотой до 2-5 м, широкими песчаными пляжами, подводным береговым склоном, осложненным и 56 м вдольбереговыми валами, волноприбойными косами и аккумулятивными стрелками. Нижняя граница береговой зоны морфологически выражена линией перегиба подводного берегового склона, переходящего в относительно ровное дно губы на глубинах от 10 до 12 м. Граница уверенно фиксируется изменением гранулометрического состава осадков.
Результаты исследований показывают, что размыв термоабразионных берегов происходит со скоростью 1-4 м/год, достигая на некоторых участках (п-ов Явай) 10 м/год и более [4], что обусловлено высокой льдистостью (70-80%) и составом четвертичных отложений. Берег п-ова Явай образует крупную абразионную дугу длиной более 130 км.
Термоабразия берегов Обской губы, несмотря на короткий летний период, происходит с заметной скоростью. При постоянном волнении 1-3 баллов за этот период с низменных берегов п-ова Ямал (в пределах района работ) на подводный береговой склон и в центральную часть губы поступает около 1270 тыс. м3 песка, супеси и суглинков. Более высокие (до 60 м) берега Гыданского п-ова поставляют за тот же период более 17 222 тыс. м3 твердого материала.
Обская губа представляет собой мелководную (до 30 м) абразионно-аккумулятивную дельту эстуарного типа с небольшими уклонами и невысокой скоростью течения воды. Рельеф дна осложнен вытянутыми по оси губы впадинами, которые, по-видимому, являются прадолинами р. Оби. Практически у всех крупных мысов, где выражены вдольбереговые потоки наносов, формируются крупные песчаные косы, валы и гряды высотой до 5-7 м и длиной до 15 км. Перенос осадочного материала в центральной части
Донные отложения:
Пески
мелкозернистые
Алевриты
крупные
Алевриты
пелитовые
Пелиты
алевритовые
Локальные участки размыва и транзита:
Плотные глины
Железистые корки
Границы полей донных отложений: а - установленные, б - предполагаемые
* Железистые конкреции и корки У Обломки древесины
Элементы гидро- и литодинамики:
Обское стоковое течение
Направления поверхностных течений
Направления вдольбереговых потоков наносов
Прочие обозначения:
Преобладающее направление ветров в безлёдный период
Изотермы донных отложений, °С
Условная граница проникновения морских вод (изогалина 1%о)
Изобаты в метрах
Рис. 2. Карта-схема донных отложений с элементами лито- и гидродинамики северной части Обской губы.
губы происходит стоковым течением реки. В пределах подводного берегового склона (до глубин 8-10 м) в зоне волнового воздействия перемещение материала вдольбере-говыми потоками наносов идет преимущественно в обратном — южном направлении, что обусловлено преобладающими в безлёдный период северными ветрами. В то же время подветренные участки берегов характеризуются переносом материала на север. На участках конвергенции вдольбереговых потоков наносов происходит их разгрузка с формированием разнообразных аккумулятивных форм. Накопление материала наблюдается также в устьях крупных рек, впадающих в Обскую губу.
Литология донных отложений. Донные осадки представлены терригенными эс-туарными и аллювиально-морскими, как правило, тонкозернистыми отложениями. Основными источниками являются твердый речной сток и термоабразия берегов, при значительном преобладании первого. Большую часть площади дна губы (глубины 10-20 м) слагают пелитовые алевриты вязкой консистенции с примесью крупноалевритового и песчаного материала (см. рис. 2).
Алевритовые пелиты приурочены к зонам устойчивой аккумуляции. В южной части они выделяются узкой полосой, в северной — широкой областью в наиболее глубоководной части Обской губы (глубины 15-25 м). В прибрежных районах преобладают плохо сортированные мелкозернистые пески с примесью пелитового материала. В верхней части подводного берегового склона (глубины до 2-5 м), особенно у абразионных берегов, встречаются мелко- и среднезернистые пески с примесью галечно-гравийного материала до 5-10%. В центральной части губы с относительно высокими скоростями придонных течений наблюдаются отдельные участки мелкозернистых песков. Они слагают поверхности вытянутых по течению останцовых гряд неогенового (?) возраста высотой от 2 до 10 м. Пески хорошо сортированы, содержание пелитовой фракции варьирует от 1 до 15%. В зонах перехода от пелитовых алевритов и алевритовых пелитов к песчаным осадкам иногда наблюдаются крупные алевриты.
Все типы осадков (кроме песков) содержат большое количество (до 6-8%) органического вещества (ОВ). В некоторых случаях зафиксированы прослои растительного детрита мощностью до 2-3 см, образовавшиеся, вероятно, в периоды крупных паводков. В южной части района в алевритовых пелитах встречены тонкие железистые (марганцево-железистые) корочки размером до 2-3 см и мелкие конкреции. Там же установлены локальные зоны размыва с выходом на поверхность дна плотных палеогеновых (?) глин. Выявлены участки транзита осадков, характеризующиеся развитием полей железистых корок, мощностью до 3-5 мм, которые бронируют от размыва подстилающие глины.
Легкие минералы в донных осадках губы представлены полевыми шпатами и кварцем. Анализ содержания тяжелых минералов в крупноалевритовой фракции осадков показал относительную выдержанность их ассоциаций по площади. Среди тяжелых
Таблица 1. Содержание тяжелых минералов (в %) в крупноалевритовой фракции осадков
Статистический показатель Минералы
Черные РУДные Г идро-окислы железа Моно- клинные пироксены Роговая обманка Группа эпидот- цоизита Гранат Циркон Т итанистые минералы
Среднее 34,3 4,02 14,6 11,1 10,2 6,5 7,2 3,0
Минимум 20,6 0,8 8,7 7,8 7,4 4,8 5,0 1,9
Максимум 44,8 6,4 24,7 16,0 18,5 10,5 10,5 4,9
минералов преобладают черные рудные, представленные ильменитом и магнетитом, с содержаниями от 20,6 до 45,0% (табл. 1). Лишь в одной пробе (в районе м. Штормовой у Гыданского п-ова) содержание черных рудных снижается до 17% за счет повышения концентрации гидроокислов железа до 30% (при среднем содержании — около 4,0%). Вторыми по содержанию в осадках тяжелых минералов являются моноклинные пи-роксены (10-24%). Далее следуют роговая обманка и группа эпидот-цоизита (7-16%), гранаты и циркон (4-11%). На долю остальных минералов (ромбические пироксены, апатит, турмалин, сфен, рутил, ставролит, кианит и др.) приходится менее 11%.
По минералогическому составу пески района исследований очень близки к осадкам Ямальской зоны Байдарацкой губы, исследованной нами ранее. В целом содержание тяжелых минералов в мелкозернистых песках невысокое. Это, наряду с их плохой сортированностью, свидетельствует о слабо выраженных процессах минералогической сепарации в условиях непостоянной и низкой гидродинамической активности среды осадконакопления, включая и мелководье в зоне волнового воздействия.
Изменчивость содержаний глини- Таблица 2. Содержание глинистых минералов стых минералов во фракции < 0, 001 мм в донных осадках (% от фракции < 0,001 мм) незначительна (табл. 2). Осадки имеют преимущественно хлорит-каолинит-гидрослюдистый состав. Каких-либо пространственных закономерностей, а также зависимости распределения минералов от глубины воды не наблюдается. Исключение составляет каолинит.
Его повышенные содержания приурочены к прибрежным участкам восточного берега губы — п-овам Явай и Гыдан. По сравнению с осадками арктических морей отмечаются относительно высокие содержания каолинита (что типично для устьев северных рек) и тонкодисперсного кварца, а также пониженное количество гидрослюды.
Геохимия. Донные отложения проанализированы на широкий спектр элементов и соединений: металлы (Со, Сг, Си, Fe, Мп, №, РЬ, V, Zn, Ма, Са), Лб, Сорг, загрязняющие органические соединения и радионуклиды (табл. 3). Рассчитаны статистические параметры их содержаний. По двум выборкам проб (118 проб и 30 проб) выполнен факторный анализ методом главных компонент.
Анализ статистических показателей содержания микроэлементов в осадках выявил сравнительно низкие коэффициенты вариации, что указывает на однородность полученной выборки и отсутствие выраженных аномалий как природного, так и техногенного происхождения. Исключение составляют Лб и Мп (коэффициенты вариации 92 и 73% соответственно). Неоднородное распределение и повышенные содержания Мп обусловлены его активным поступлением с прилегающих к губе заболоченных тундровых территорий, а также различиями в формах нахождения в восстановительных и окислительных условиях.
Анализ моноэлементных карт показывает четко выраженную тенденцию накопления микроэлементов в наиболее тонкодисперсных осадках акватории. Эта закономерность, а также однородность всей геохимической выборки подтверждаются результатами факторного анализа (рис. 3). В значительной мере все элементы тесно связаны друг с другом и с Сорг, накапливаясь в тонкодисперсных осадках. Их распределение контролируется первым фактором (вес фактора 73,5%), который можно интерпретировать как фактор «кварцевого разбавления» (литофациальный). Максимальные содержания металлов приурочены к алеврито-пелитовым осадкам северной части губы, что
Минералы Среднее Минимальное Максимальное
Г идрослюда 26,0 17,0 42,0
Каолинит 22,5 7,0 36,0
Хлорит 18,7 3,0 31,0
Кварц 17,2 5,0 34,0
Смектит 15,0 8,0 23,0
Таблица 3. Статистические показатели содержания микроэлементов, органических веществ и активности радионуклидов в донных осадках северной части Обской губы
Химический ингредиент Среднее Минимум— максимум Коэффициент вариации (%)
Ав, мг/кг 11,5 1,1-51,5 92
Са, мг/кг 8158 2750-17850 27
Сг, мг/кг 53 16-106 38
Со, мг/кг 15 2-26 38
Си, мг/кг 17 2-30 44
Ре, мг/кг 36705 5450-74230 48
Мп, мг/кг 1115 256-4320 73
Ка, мг/кг 12604 3150-54370 48
N1, мг/кг 37 6-63 38
РЬ, мг/кг 12 5-20 25
V, мг/кг 116 13-235 43
Zn, мг/кг 60 8-133 46
Сорг, % 0,86 0,04-1,91 53
АУВ, мг/кг 1,43 0,01-4,61 66
ПАУ, мкг/кг 44,5 8,1-141,1 78
ПХБ, мкг/кг 9,1 0,02-71,1 136
137 Се (Бк/кг) 2,9 0,0-14,1 90
4иК (Бк/кг) 302 55-542 24
(Бк/кг) 26 6-48 71
^ьЯа (Бк/кг) 3 0,0-14 73
обусловлено физико-химическими взаимодействиями (сорбцией, коагуляцией, флокуляцией) на барьере река—море, вызывающими их аккумуляцию. Первый фактор отражает практически три четверти всей дисперсии содержания химических элементов в осадках. Второй фактор, имеющий незначительный вес (7%), «отвечает» за различия в химической структуре осадков, обусловленные составом пород питающих провинций и гидродинамическими условиями осадконакопления.
Результаты анализа показали относительно однородное распределение микроэлементов в донных осадках с преимущественным накоплением в тонкодисперсных фракциях, высокую корреляцию содержаний металлов между собой и с органическим углеродом, отсутствие аномалий и аномальных содержаний. Резко доминирующая роль первой компоненты подчеркивает ведущее значение природных факторов дифференциации осадочного материала в настоящее время и отсутствие видимого загрязнения тяжелыми металлами в районе работ.
Содержание органического углерода в осадках достигает 1,9% при среднем значении 0,86%, что является небольшой величиной для внутренних водоемов и эстуарных областей. В основном ОВ представлены растительным детритом и планктонным веществом. Его распределение по площади контролируется наличием двух барьерных зон — южной и северной. Как уже отмечалось, содержание Сорг тесно коррелирует со всей группой изученных металлов и с пелитовой фракцией. То есть в качестве одного из ведущих механизмов осаждения металлов можно рассматривать их адсорбцию на ОВ и глинистых минералах.
В 30 пробах донных осадков проанализированы фенолы (2-хлорфенолы, о-кре-золы, т + п-крезолы, 2,4-дихлорфенолы, 2,6-дихлорфенолы, 2,4,6-трихлорфенолы, 2,4,5-трихлорфенолы и пентахлорфенолы), хлорорганические соединения (ДДТ, ГХЦГ и ПХБ), низкомолекулярные ароматические (АУВ) и высокомолекулярные полиа-
(7%)
,6%)
роматические углеводороды (ПАУ). Все эти группы, за исключением хлороргани-ческих соединений, могут иметь как природное, так и техногенное происхождение.
Суммарное содержание фенолов только в 18 пробах оказалось выше порога обнаружения метода (0,01 мг/кг), а диапазон концентраций составил от 0,01 до 0,08 мг/кг. Это существенно меньше, чем в осадках Западно-Арктического шельфа и Байдарацкой губы. В пробах индивидуальный состав фенолов представлен различными соединениями фенольной группы при преобладании ди- и трихлорфенолов. Присутствие фенолов в осадках может быть вызвано разложением остатков растительности, которые фиксируются во всех тонкодисперсных отложениях.
Хлорорганические соединения относятся к одним из наиболее токсичных веществ, поступающих в окружающую среду. Источниками их являются промышленные и сельскохозяйственные производства. Как гидрофобные соединения они адсорбируются на взвешенных частицах, накапливаясь в твердой фазе на дне. Содержание пестицидов в донных осадках северной части Обской губы ниже порога чувствительности метода (0,001 мкг/кг). Концентрации ПХБ характеризуются относительно высокими значениями с широким разбросом величин (см. табл. 3). Их содержания выше, чем в прилегающих акваториях арктических морей. Поступление поллютантов в Обскую губу, возможно, вызвано подъемом производства в Западносибирском регионе в последнее десятилетие. Среднее содержание ПХБ в осадках (9,1 мкг/кг) соответствует низкому уровню загрязнения городских водоемов или фоновому загрязнению районов, прилегающих к промышленным центрам [5]. Таким образом, ПХБ следует рассматривать в числе приоритетных загрязняющих Обскую губу веществ.
При рассмотрении закономерностей распределения в осадках АУВ и ПАУ необходимо отметить достаточно сильную связь Сорг с низкомолекулярными и слабую корреляцию с высокомолекулярными ароматическими углеводородами. Это находит отражение в распределении АУВ и ПАУ. Если участки аккумуляции первого приурочены к северной барьерной зоне, то накопление ПАУ отмечается в основном у гыданского берега южной части района работ, а их содержания выше, чем в осадках Баренцева и Карского морей. Повышенные концентрации ПАУ в алевритовых пелитах Обской губы отмечали и другие исследователи [6]. Относительно высокий коэффициент вариации их содержания свидетельствует о неоднородности выборки и может отражать существенное влияние техногенного фактора в накоплении углеводородов в осадках губы.
Рис. 3. График факторных нагрузок и положительных корреляционных связей (п = 118) (С — органический углерод, р — пелитовая фракция, Н — глубина воды).
Интерпретация результатов факторного анализа, выполненного для общей выборки металлов и органических компонентов (рис. 4), приводит к следующим выводам. Как и в первом случае (см. рис. 3), ведущим фактором является литофациаль-ный (вес фактора 55,3%), отвечающий естественным условиям дифференциации осадочного материала. Второй фактор (вес 15%) может быть интерпретирован как фактор техногенного загрязнения, поскольку максимальная нагрузка фактора ложится на ассоциацию органических пол-лютантов (ПХБ—ПАУ). Она противопоставляется ассоциации химических элементов, отражающих дифференциацию природного материала. Распределение значений второй компоненты в пробах донных осадков Обской губы показывает, что выявленная техногенная ассоциация и основные концентрации ПХБ и ПАУ приурочены в основном к южной части акватории
Рис- 4- График факт°рных нагруз°к и п°л°жительных и связаны с литолого-геохимиче-корреляционных связей (п = 30). -
ским барьером в месте впадения
р. Таза в Обскую губу (рис. 5).
Данный вывод дает основание предположить, что сток из Тазовской губы является одним из главных путей поставки поллютантов органического происхождения в акваторию северной части Обской губы, что объясняется активным освоением территории Пуровско-Тазовского междуречья в связи с разработкой месторождений нефти и газа. Это подтверждается, в частности, имеющимися у нас данными о загрязнении воды р. Таз, его притоков, а также донных осадков Тазовской губы нефтяными углеводородами. Так, в двух пробах донных осадков Тазовской губы, отобранных в районе Юрхаровского газоконденсатного месторождения, содержания нефтяных углеводородов составили соответственно 165 и 233 мг/кг. В четырех пробах отложений из Обской губы, взятых южнее впадения Тазовской губы, содержания изменялись от 52 до 159 мг/кг, т. е. были примерно в 1,5 раза ниже. При этом важно отметить, что загрязняющие вещества, поступающие в губу из р. Обь, вероятно, осаждаются в основном в южной части, не достигая изучаемой акватории.
Удельную активность техногенного изотопа 137Св в донных отложениях района работ можно оценить как низкую. Ее среднее значение составляет 2,9 Бк/кг (см. табл.3), что уступает осадкам Байдарацкой губы (3,6 Бк/кг) и особенно Енисейского залива (более 50 Бк/кг) [7]. Максимальная активность 137Ся (более 10 Бк/кг) отмечается
II (14,8%)
72°00'
74°00’
в пелитовых осадках северной части губы у п-ова Явай.
В сторону моря активность цезия снижается. В структуре главных факторов (см. рис. 4) 137Ся занимает обособленную позицию при отсутствии корреляционных связей с другими химическими компонентами. Вероятно, это вызвано поставкой цезия в Обскую губу в основном аэротехногенным путем и осаждением металла на дно в адсорбированном виде в гидродинамически благоприятных обстановках. Об этом свидетельствует его положительная корреляция с Сорг и Fe.
Максимальная активность природных радионуклидов (40К, 232ТЬ) фиксируется в северной части губы, что отмечалось и другими исследователями [8]. Их средняя активность (302 Бк/кг для 40 К и 26 Бк/кг для 232ТЬ) ниже, чем в донных осадках Байдарацкой губы.
Повышенная активность 226 И,а (до 17 Бк/кг) характерна для песчаных фракций мелководья средней части Гыданского п-ова и Ямала. Это, вероятно, вызвано повышенным содержанием в песках минералов редкоземельной группы. Однако средняя активность 226И,а в 3 раза ниже, чем в осадках Байдарацкой губы. Таким образом, по сравнению с соседними акваториями активность радионуклидов в северной части Обской губы низка, с максимумом в северной части участка работ.
Сорбционная емкость осадков. В водной среде при переводе растворенных форм химических элементов в дисперсную фазу большое значение имеют процессы адсорбции, которая отражает концентрирование вещества (адсорбата) из объема фаз (газа или раствора) на поверхности раздела между ними (твердого вещества — адсорбента). Различают физическую адсорбцию как результат проявления сил электростатического притяжения и хемосорбцию, которая сопровождается химической реакцией адсорбата с адсорбентом. Активными природными сорбентами выступают глинистые минералы, что объясняется их кристаллохимической структурой, обладающей высокими ионообменными возможностями. Увеличение интенсивности адсорбции металлов глинистыми минералами отмечается в ряду гидрослюда < каолинит, хлорит < монтмориллонит < вермикулит. Высокий адсорбционный потенциал имеют гели свежеобразованных гидроксидов Fe и Мп. Существенную роль в осаждении металлов играет ОВ, особенно его гумусовая составляющая. Оно выступает в качестве сорбента или участвует в образовании органоминеральных комплексов [9].
Сорбционная способность донных осадков водных объектов относится к одному из ведущих механизмов ассимиляционной емкости аквальных геосистем. Экспериментальные исследования сорбционных свойств отложений позволяют количественно оценить
Рис. 5. Распределение значений II фактора в донных осадках северной части Обской губы (п = 30).
их ассимиляционный потенциал, а следовательно, устойчивость к химическому загрязнению.
Выбор Си, Сф Zn и РЬ для проведения экспериментов обусловлен высокой техно-фильностью этих металлов [10] и активной миграцией в окружающей среде. В эксперименте использовано 15 проб осадков (табл. 4). Пробы представлены четырьмя основными гранулометрическими типами отложений: алевритовым пелитом, пелитовым алевритом, крупным алевритом и мелкозернистым песком. Содержание Сорг в изучаемых осадках составило от 0,04 до 1,63% (среднее 0,74%), а количество пелитовой фракции менялось в диапазоне от 1,2 до 64,3% (среднее 28,2%). Коэффициент корреляции между содержаниями Сорг и глинистой фракции (<0,01 мм) достигает г = 0,68.
Таблица 4- Статистические показатели содержания тяжелых металлов (мг/кг) в донных осадках до начала (слева от дроби) и после завершения эксперимента (справа от дроби)
Основные статистики Си РЬ Ъп са
Среднее 15,1/147 11,4/170 58,5/134 < 1/163
Стандартное отклонение 7,3/49,5 3,1/43,0 31,5/58,9 -/39,9
Коэффициент вариации 48/34 27/25 54/44 -/24
Минимальное значение < 5/73 5/94 12/39 -/40
Максимальное значение 27/224 15/248 133/235 -/205
Кларк концентрации 9,7 14,9 2,3 > 163
Оценка сорбционной способности осадков выполнялась по разности содержания металлов в осадке до начала эксперимента и после его проведения. Учет убыли металлов в растворе по отбираемым аликвотам проводился для контроля кинетики процесса. Анализ результатов экспериментальных исследований осадков Обской губы проведен на основе сравнения с другими районами арктического шельфа (Белое и Баренцево моря), Балтийским морем и озером Сестрорецкий Разлив [5]. По всем изученным металлам Обская губа занимает промежуточное положение между шельфовыми акваториями и озером. Причиной относительно высокого ассимиляционного потенциала являются эстуарные условия, которые по активности физико-химических процессов занимают промежуточное положение между морским и пресноводным седиментогенезом.
В кинетике процессов обнаружены следующие особенности. Устойчивость ассимиляции у Си, Cd и РЬ крайне низкая. В опытах наблюдалась постоянная смена направленности потока металлов в системе вода—осадок, особенно для Си. Интенсивность и уровень убыли в растворе не зависели от гранулометрического состава осадков и слабо коррелировали с содержанием в них Сорг. Отсутствие этих зависимостей, возможно, объясняется важной ролью в процессах ассимиляции комплексообразования, на что указывают существенные различия в величинах убыли металлов по раствору и по содержанию в осадке в пользу первой. За время эксперимента процесс сорбции в системе вода—осадок уверенно стабилизировался только для Zn на 10-й день опытов.
Величина сорбционной емкости донных отложений, определяемая по разнице содержания металлов до и после эксперимента, приведена в табл. 5. Максимальная емкость осадков установлена для Си, минимальная — для РЬ. При этом изменчивость значений емкости невелика, за исключением Zn (коэффициент вариации 55%). Минимальные значения отмечаются для проб, сложенных мелкозернистыми песками. Ряд снижения активности адсорбции представлен последовательностью Си> Cd> Zn> РЬ.
Таблица 5. Статистические показатели сорбционной емкости осадков (мг-экв/100 г)
Основные статистики Си РЬ Ъп са
Среднее 0,41 0,15 0,22 0,30
Стандартное отклонение 0,125 0,03 0,11 0,04
Коэффициент вариации 30 22 50 13
Минимальное значение 0,21 0,09 0,08 0,22
Максимальное значение 0,61 0,20 0,45 0,37
В целом суммарная сорбционная емкость осадков (А), полученная путем сложения адсорбционных активностей изученных металлов: А = Аси + Агп + Арь+ Аса (мг-экв/100 г в-ва), в наибольшей степени зависит от содержаний глинистой фракции (р), органического углерода (Сорг) и Ее, которые традиционно рассматриваются как основные природные сорбенты металлов. Корреляционный анализ показал (табл. 6), что все металлы имеют положительную статистически достоверную связь между собой, с Сорг, количеством пелитовой фракции, содержаниями в осадках железа и марганца. Ведущее значение (по величине коэффициента корреляции) в сорбции Си, РЬ, Cd и Zn имеют Сорг и Ее, роль Мп и пелитовой фракции (р) проявлена меньше. Последнее обстоятельство объясняется минералогическим составом глинистой фракции, в которой представлены в основном минералы с низкой сорбционной способностью (гидрослюда, каолинит, хлорит).
Таблица 6. Корреляционная матрица основных показателей сорбционной емкости донных осадков (уровень значимости р=0,05)
Сорг р Ре Си РЬ Ъа са А Мп
1,00 0,68 0,97 0,94 0,90 0,67 0,72 0,88 0,80 Сорг
1,00 0,70 0,75 0,72 0,46 0,67 0,69 0,50 р
1,00 0,93 0,88 0,76 0,75 0,91 0,86 Ре
1,00 0,96 0,75 0,82 0,96 0,74 Си
1,00 0,65 0,84 0,91 0,70 РЬ
1,00 0,72 0,89 0,62 Ъа
1,00 0,88 0,59 са
1,00 0,73 А
1,00 Мп
Установленные положительные корреляционные зависимости позволили провести регрессионный анализ полученных в ходе экспериментов данных. Учитывая, что объектом исследований являются процессы сорбции осадочного материала, был использован метод с точкой разрыва. Устанавливались регрессионные соотношения между суммарной сорбционной активностью (А) и содержаниями в осадке Сорг, Fe (гидроксида железа) и пелитовой фракции (р), имеющих наиболее высокую положительную корреляцию с сорбционной активностью изученных металлов.
По результатам анализа построены уравнения регрессии, удовлетворительно описывающие указанную зависимость (Б=0,97):
А = 0,74+2,01 • Сорг-0,16 • Fe-0,01 • р (при А < 1,085),
А = 0,92-0,40 • Сорг-0,20 • Fe-0,001 • р (при А > 1,085).
72°00'
74°00'
Полученные с применением уравнений регрессии количественные характеристики показывают, что среднее значение адсорбционной активности по 119 пробам донных осадков равно 1,22 мг-экв/100 г с коэффициентом вариации 19,7%. Разброс крайних значений для изученных проб составляет 0,461,69 мг-экв/100 г, т. е. более чем в 3,5 раза. Максимальные величины сорбционной емкости типичны для северной части изученной акватории Обской губы, где они превышают 1,55 мг-экв./100 г вещества (рис. 6). В южной части акватории суммарная сорбционная активность осадков снижается до 1,20-1,50 мг-экв/100 г вещества. В средней части изученной акватории установлены минимальные значения А, в основном не превышающие 1,15 мг-экв/100 г вещества. В целом уровень ассимиляционной способности системы вода—осадок и сорбционной емкости донных отложений представляется весьма высоким, что указывает на относительную экологическую устойчивость этой части Обской губы к химическому загрязнению тяжелыми металлами за счет механизмов их связывания и перевода в осадок.
Заключение. Особенности распределения разных типов донных отложений и их вещественный состав позволили в пределах изученной акватории проследить участки с различным режимом осадконакопления (абразия, размыв, транзит и аккумуляция) и выявить геохимические барьеры, на которых происходят снижение миграционной способности химических веществ и их аккумуляция. Абразионные участки мелководья распространены в верхней части подводного берегового склона до глубин 5-7 м и приурочены к абразионным и термоабразионным берегам. Тонкая фракция размываемых многолетнемерзлых пород выносится в центральные районы губы и далее на шельф Карского моря, а крупные алевриты, песок и гравий с вдольбереговыми потоками наносов мигрируют в пределах мелководья. В зонах конвергенции вдольбереговых потоков происходит аккумуляция песчаного материала. Из-за низкого содержания в осадках динамичного мелководья тонких фракций загрязняющие вещества здесь практически не накапливаются. Участки размыва выявлены в южной части исследуемого района губы, где на
0,95-1,25
Рис. 6. Карта-схема сорбционной емкости донных осадков северной части Обской губы.
дне фиксируются выходы плотных (палеогеновых (?)) глин. Здесь же обнаружены поля сплошных марганцево-железистых корок, бронирующих подстилающие глины. Размыву также подвержены отдельные поверхности останцовых гряд в центральной части губы.
Большая часть площади дна губы относится к зоне транзита и аккумуляции тонкодисперсных осадков (первый процесс является, по-видимому, преобладающим). Ведущим гидродинамическим фактором транзита осадков служит стоковое течение реки. Относительно широкое развитие на дне зон размыва и транзита осадков, установленных на основе донного пробоотбора и гидроакустического профилирования, позволяет усомниться во мнении о значительном развитии по площади в Обской губе процессов лавинной седиментации и мощности голоценовых отложений, составляющей 4 и более метров [11, 12]. Подобный режим осадконакопления имеет место только в самой северной части губы — у выхода в Карское море.
На двух барьерных зонах (южной и северной) выявлены участки аккумуляции осадочного материала. Осадки этих зон сложены преимущественно алеврито-пелитами и пелитовыми алевритами. Самая крупная площадь аккумуляции алевритовых пелитов находится в северной части исследуемого района с соленостью вод 8-300/оо. Она приурочена к геохимическому барьеру река-море. Здесь в результате процессов адсорбции и коагуляции концентрируются изученные металлы, а также радионуклиды (137 Cs, 40K и 226Ra). Процессы на геохимическом барьере контролируются природными факторами дифференциации осадочного материала.
В южной части вблизи впадения вод Тазовской губы установлен участок аккумуляции алевритовых пелитов. В нескольких пробах осадков обнаружены повышенные содержания АУВ и ПАУ, что можно расценивать как накопление компонентов пиро-генного (техногенного) происхождения, вызванного поступлением этих поллютантов из районов нефтегазодобычи Пуровско-Тазовского междуречья. В тонкодисперсных осадках южной и центральной частей района в нескольких пробах обнаружены повышенные содержания полихлорбифенилов. Остальные исследованные органические соединения, а также микроэлементы и радионуклиды находятся в фоновых или близких к ним концентрациях, типичных для всего Западно-Арктического шельфа.
Литература
1. Цвецинский А. С. и др. Изучение природных условий газо- и нефтеносных шельфовых районов Обской и Тазовской губ // Освоение шельфа арктических морей России. Тр. III меж-дунар. конф. СПб.: ЦНИИ им. А. Н. Крылова, 1998. С. 555-561.
2. Гуревич В. И. Современный седиментогенез и геоэкология Западно-Арктического шельфа Евразии // ВНИИОкеангеология. М.: Научный мир, 2002. 135 с.
3. Михайлов В. Н. Устья рек России и сопредельных стран: прошлое, настоящее и будущее. М.: ГЕОС, 1997. 413с.
4. Экзогеодинамика Западно-Сибирской плиты (пространственно-временные закономерности). М.: Изд-во МГУ, 1986. 246 с.
5. Опекунов А. Ю. Аквальный техноседиментогенез // Тр. ВНИИОкеангеология. Т. 208. СПб.: Наука, 2005. 278 с.
6. Атлас загрязнения природной среды акваторий и побережья морей Российской Арктики / Под ред. С. А. Мельникова, А. Н. Горшкова. СПб.: Региональный центр «Мониторинг Арктики» (Росгидромет); Arctic Monitoring and Assessment Programme (АМАР), 1999.
7. Геоэкология шельфа и берегов морей России / Под ред. Н. А. Айбулатова. М.: Ноосфера, 2001. 428 с.
8. Кошелева В. А., Колчина Н. Л., Петухов С. И. Фоновое состояние экосистемы Обской и Тазовской губ // Изв. РГО. 2007. Т. 7. Вып. 3. С. 53-63.
9. Лисицын А. П. Маргинальный фильтр океанов// Океанология. 1994. Т. 34, №5. С. 735747.
10. Методические основы комплексного экологического мониторинга океана. М.: Гидроме-теоиздат, 1988. 286 с.
11. Перельман А. И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1989. 527 с.
12. Купцов В. М., Лисицын А. П. Голоценовое осадконакопление в Обской губе и прилегающем шельфе // Океанология. 2003. Т. 43. С. 254-261.
13. Лисицын А. П., Шевченко В. П., Виноградов М. Е. и др. Потоки осадочного вещества в Карском море и эстуариях Оби и Енисея // Океанология, 1994. Т. 34. С. 748-758.
Статья поступила в редакцию 1 июня 2010 г.
