CC BY
69
УДК 551.35. 621.039.7
ОЦЕНКА СКОРОСТИ ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ В СУЛЬФИДНОМ ОЗЕРЕ БОЛЬШОЙ ТАМБУКАН
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ 137Cs И 210Pb
210,
© 2013 г. Ю.А. Федоров, А.Н. Кузнецов, И.В. Доценко, К.А. Афанасьев
Федоров Юрий Александрович - доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой физической географии, экологии и охраны природы, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, е-mail: fedorov@sfedu. т.
Кузнецов Андрей Николаевич - кандидат географических наук, доцент, кафедра физической географии, экологии и охраны природы, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, е-mail: andreikuz@mail.ru.
Доценко Ирина Владимировна - кандидат географических наук, доцент, кафедра физической географии, экологии и охраны природы, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, е-mail: irinageo@mail.ru.
Афанасьев Константин Александрович - аспирант, кафедра физической географии, экологии и охраны природы, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, е-mail: geopod@rambler.ru.
Fedorov Yury Aleksandrovich - Doctor of Geographical Science, Professor, Head of Department of Physical Geography, Ecology and Environment Protection, Faculty of Geology and Geography, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, Russia, 344090, e-mail: fedorov@sfedu.ru.
Kuznetsov Andrey Nikolaevitch - Candidate of Geographical Science, Associate Professor, Department of Physical Geography, Ecology and Environment Protection, Faculty of Geology and Geography, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, Russia, 344090, e-mail: andreikuz@mail. ru.
Dotsenko Irina Vladimirovna - Candidate of Geographical Science, Associate Professor, Department of Physical Geography, Ecology and Conservancy, Faculty of Geology and Geography, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, Russia, 344090, e-mail: irinageo@mail.ru.
Afanasjev Konstantin Aleksandrovich - Post-Graduate Student, Department of Physical Geography, Ecology and Conservancy, Faculty of Geology and Geography, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, Russia, 344090, e-mail: geopod@rambler.ru.
Ä
*Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (грант Президента РФ НШ-5658.2012.5) и РФФИ (проект 12-05-00420-а).
Проведена комплексная научно-исследовательская экспедиция, в ходе которой отобраны пробы воды и донных отложений в котловине озера Большой Тамбукан. В отобранных пробах определялись удельные активности естественных и техногенных радиоизотопов, в том числе свинца-210 и цезия-137. На основе результатов анализа вертикального распределения активности це-зия-137 и свинца-210 в колонках донных отложений установлено, что скорость осадконакопления в озере Большой Тамбукан колеблется в пределах от 2,1 до 4 мм/год. По данным об избыточной активности свинца-210 отслежены колебания скорости осадконакопления во времени. Из анализа сведений, представленных в отчете режимных наблюдений за уровнем воды в озере, выяснено, что эти колебания объясняются скачкообразными изменениями уровня воды в озере.
Ключевые слова: озеро Большой Тамбукан, донные осадки, радиоизотопы, активность, цезий-137, свинец-210, седиментация, скорость.
A complex scientific expedition is carried out. The samples of water and bottom sediments of the Big Tambukan Lake were taken. In these samples the specific activities of natural and anthropogenic radio-isotopes including Cesiun-137 and Lead-210 were mesured. Due to the results of analysis of Cesiun-137 and Lead-210 vertical distribution in the sediment cores the sedimentation rate in the Big Tambukan Lake is estimated at 2,1 to 4 mm per year. The data on the Lead-210 excessive activity is used to study the sedimentation rates temporal fluctuations. The data present in the report of regular observations of the lake water level show that these fluctuations of sedimentation rates are explained by acute changes of the lake water level.
Keywords: Big Tambukan Lake, bottom sediments, radio-isotopes, activity, Cesiun-137, Lead-210, sedimentation, rates.
Озеро Большой Тамбукан является уникальным природным объектом, расположенным на юге России, в недрах водоема в естественных условиях зарождается сульфидная лечебная грязь. В течение большого отрезка времени (около 200 лет) минерализация воды озера варьировала в широких пределах. В настоящее время минерализация изменяется в пределах 27-30 г/л и достигла исторического минимума [1].
Продолжая радиологические исследования водоемов и водотоков Азово-Черноморского бассейна, сотрудниками кафедры физической географии, экологии и охраны природы в результате ряда комплексных научно-исследовательских экспедиций был осуществлен отбор проб воды и донных отложений в котловине озера Большой Тамбукан. В них определялись удельные активности естественных и искусственных радиоизотопов, в том числе свинца-210 и цезия-137. Последний считается одним из наиболее опасных техногенных радионуклидов. Источники поступления
и закономерности распределения радиоцезия подробно описаны в работах [1-4].
Целью исследований являлось определение величин удельных активностей искусственных и естественных радионуклидов, остаточного уровня загрязнения акватории оз. Большой Тамбукан цезием-137 после аварии на Чернобыльской АЭС. Так как последовательность осадконакопления и сопровождавших его явлений зафиксирована во временном срезе донных отложений, то определение скорости осадконакопле-ния водоема и, как следствие, их датировка - одна из первостепенных задач исследования.
Результаты исследований показали, что в воде оз. Большой Тамбукан обнаружена очень низкая активность цезия-137, близкая к пределу чувствительности метода, что подтверждает отсутствие значимых современных источников загрязнения в бассейне.
Вертикальное распределение удельной активности цезия-137 в донных отложениях озера крайне неравномерно (рис. 1).
Удельная активность Cs-137, Бк/кг 0 100 200 300 400
Удельная активность Pb-210, Бк/кг 0 100 200 300
ю £
10
20
30
40
50
60
ю £
10
20
30
40
50
60
Рис. 1. Графики вертикального распределения цезия-137 и свинца-210 в донных отложениях оз. Большой Тамбукан
0
0
Практически весь цезий-137 сосредоточен в верхнем слое мощностью 15 см. В поверхностном горизонте удельная активность цезия-137 составляет более 100 Бк/кг. В подповерхностном горизонте (5-10 см) четко выделяется пик активности радионуклида (более 350 Бк/кг), связанный с атмосферными выпадениями, поступившими на акваторию озера в результате чернобыльской аварии. Глобальный пик активности радионуклида обнаружен не был. Удельная активность цезия-137 в донных отложениях оз. Большой Тамбукан в слое, относящемся к чернобыльским выпадениям, намного выше, чем аналогичные величины в озерах Абрау, Малый Утриш и Малый Лиман, Пе-ленкино. Этот факт можно объяснить повышенной соленостью водоема (как следует из работы [5], цезий-137 быстро переходит в донные отложения в соленых водах), геоморфологическими условиями озера (расположено в котловине), гранулометрическим составом донных отложений и относительно большой, по сравнению с поверхностью водоема, площадью водосборного бассейна. Кроме того, быстрому выведению цезия-137 из водной толщи озера в донные отложения способствует процесс соосаждения радионуклида с гидроокислами марганца и железа.
На основе данных о вертикальном распределении активности цезия-137 можно оценить скорость осад-конакопления в озере. Определение скорости седиментации в том или ином водоёме имеет большое значение для понимания условий формирования осадочного чехла и особенностей процессов, происходящих в его толще в раннем диагенезе. Этот показатель важен и при оценке масштабов и хронологии антропогенного прессинга, поскольку концентрация техногенных загрязняющих веществ в донных отложениях определяется не только их потоками, но и степенью разбавления природным седиментационным материалом [2].
По глубине залегания чернобыльского пика активности радионуклида можно судить о том, что скорость осадконакопления в оз. Большой Тамбукан колеблется в пределах от 2,1 до 4 мм/год. Разброс величин скорости седиментации объясняется погрешностями на этапе опробования, толщиной отобранных слоев керна и точностью измерения величин удельных активностей радионуклидов.
В.И. Денисов и другие оценивали темпы осаждения вещества в озере при помощи седиментационных ловушек [6]. В первом приближении этот оседающий на дно материал можно считать вертикальным потоком, формирующим современные осадки. Полученная средняя величина интенсивности поступления осадков на дно озера составила 2,35 мм/год, что хорошо согласуется с приведенными результатами вычислений.
Помимо расчетных методов и методов, основанных на пиках активности цезия-137, скорость потока осаждающегося материала на дно замкнутого бессточного водоема, каким является озеро Большой Тамбукан, можно оценить, используя данные о вертикальном распределении активности свинца-210 в толще донных отложений.
01 П ООО
РЬ образуется из газа Яи через цепочку из семи короткоживущих промежуточных продуктов распада. 222Яи, в свою очередь, образуется из 226Яа и не-
прерывно поступает в атмосферу из земной коры.
ООО О1п
Уже в атмосфере Яи превращается в РЬ. Среднегодовое количество 210РЬ, выпадающее на тот или иной участок земной поверхности, относительно постоянно, что позволяет использовать данные о содержании этого изотопа для датировки. Вниз по разрезу донных отложений активность 210РЬ экспоненциально снижается, пока не достигает значения, равновесного с 226Яа. Так как период полураспада 210РЬ составляет 22,26 года, то данная методика датировки применима лишь для относительно молодых отложений с высокой скоростью формирования, составляющей порядка нескольких миллиметров в год. Озеро Большой Там-букан эксплуатируется более 100 лет, поэтому слой осадочных отложений, сформированный в это время, является наиболее информативным в разрезе бурно развивающейся хозяйственной деятельности в непосредственной близости от озера.
При датировке донных отложений различных водоёмов необходимо учитывать, что часть содержащегося в них 210РЬ не была привнесена из атмосферы, а поступила со взвешенным веществом, являющимся продуктом абразии, эоловых выпадений или речного стока, либо образовалась непосредственно в донных отложениях из входящего в их состав 226Яа. Кроме того, в ряде случаев возможно обогащение слоя донных отложений 210РЬ за счёт поступления в него радона из нижележащих горизонтов. Необходимо подчеркнуть, что поступление 210РЬ из этих отличных от атмосферных выпадений источников также относительно постоянно, ввиду чего датировка хоть и затруднена, но возможна. Некоторые сложности вызывает определение активности 210РЬ, не связанной с радиоактивным распадом в самих донных отложениях и возможным подтоком радона. Ее принято называть избыточной и обозначать как 210РЬизб (210РЬХЗ). Для выявления доли 210РЬизб проводится параллельное определение активности 226Яа. Избыточную удельную активность свинца и, следовательно, величину скорости осадконакопления в толще донных отложений можно определить двумя способами: 1) по упрощенной модели - только с учетом активности 226Яа (полагается, что 226Яа и 210РЬ находятся в радиоактивном равновесии); 2) учитывая, помимо удельной активности 226Яа, эмиссию 222Яи [5]. Формулы расчета и недостатки обеих моделей описаны в работе [3].
Вследствие повышенной доли органического вещества (растительных остатков) и разжиженности верхних двух горизонтов отобранной колонки донных отложений озера Большой Тамбукан удельная активность свинца-210 здесь значительно ниже, чем в нижележащих слоях. Эффект разбавления в верхних 10 см донных отложений справедлив и в случае ура-на-238, что позволяет внести поправки и оценить величину начальной удельной активности радионуклида на уровне 250±20 Бк/кг.
Осредненные темпы осаждения терригенного материала на дно озера, рассчитанные по упрощенной модели и по модели, учитывающей активность свинца, образовавшегося в результате распада 222Яи, составили 4 и 2,3 мм/год соответственно. Полученные скорости сопоставимы с аналогичными величинами, рассчитанными при помощи радиоизотопа цезия-137
и седиментационных ловушек. Хорошая сходимость результатов подтверждает правильность определения темпов накопления осадков в водоеме, что позволяет сделать вывод о корректности применимых методик. Используя данные о вертикальном распределении избыточной активности свинца-210 в колонке донных отложений, можно оценить скорость осад-конакопления в каждом отдельном горизонте и проследить ее изменения. Из анализа сведений, представленных в отчете режимных наблюдений за уровнем воды в озере, выясняется, что колебания скорости осадконакопления во времени объясняются скачкообразным изменением уровня воды в озере.
Минимальные значения величины скорости осадконакопления в озере (рис. 2) наблюдались в 1930 - 1940-х гг.
Известно, что именно в 1930-х гг. оз. Б. Тамбукан пересыхало [1, 7]. Для предотвращения гибели водоема в 1930-1932 гг. произошло обводнение озера более пресными водами из р. Этока. В результате в первые несколько лет после распресне-ния воды в озере скорость осадконакопления значительно уменьшилась. Впоследствии водный режим временно нормализовался, и скорость осадконакопле-ния постепенно возрастала. С середины 1950-х гг. до 1971 г. для сохранения грязевой залежи вокруг водоема высажены влагоудерживающие породы деревьев. Как следствие, уменьшился твердый сток в озеро (снизилось количество терригенного материала, поступающего в водоем за счет абразии берегов) и сократилась величина скорости накопления донных осадков. Значительное увеличение интенсивности процесса седиментогенеза наблюдалось в 1980 -1990-х гг.
Скорость осадконакопления в озере Большой Тамбукан сопоставима с величиной поступления на дно Азовского моря, где, по разным оценкам и с использованием разных методов [7, 8], эта величина колебалась от 1,6 до 2,5 мм/год. Расчеты с использованием радинуклидного метода показали [2], что скорость осадконакопления в Таганрогском заливе и российской части Азовского моря колеблется от 2 до 4 мм/год. Применение радиоизотопных методов позволило определить мощность слоя донных отложений, сформировавшегося в период интенсивного использования озера. Эта величина колеблется в пределах 20-30 см. Вычленение «антропогенного» горизонта дает возможность анализировать динамику поступления загрязняющих веществ в озеро и идентифицировать их источники.
Рис. 2. Временные изменения скорости седиментогенеза в оз. Большой Тамбукан
Литература
1. Федоров Ю.А. Гидролого-гидрохимические исследования сульфидного озера Большой Тамбукан // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2013. № 2. C. 81 - 88.
2. Федоров Ю.А., Кузнецов А.Н., Трофимов М.Е. Скорость осадконакопления в Азовском море по результатам определения активности 137Cs и 241 Am // Докл. АН. 2008. Т. 423, № 2. С. 262 - 263.
3. Кузнецов А.Н., Федоров Ю.А. Изучение хронологии аккумуляции нефтяных компонентов в донных отложениях Азовского моря и Нижнего Дона с использованием радиоизотопов как трассеров // Геология морей и океанов : материалы XIX Междунар. науч. конф. (школы) по морской геологии. Т. 4. М., 2011. С. 250 - 254.
4. Федоров Ю.А., Трофимов М.Е. Современные скорости седиментации в Азовском море в свете изучения распределения искусственных радионуклидов по разрезу донных отложений // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2008. № 5. С. 108 - 115.
5. Купцов В.М. Абсолютная геохронология донных осадков океанов и морей. М., 1986. 271 с.
6. Денисов В.И., Черноусов С.Я., Шевченко В.П., Федоров Ю.А., Потапов Е.Г. Первые результаты инструментальных исследований потоков аэрозолей и осаждающейся взвеси в озере Большой Тамбукан методом взвесенакопителей // Экологические проблемы. Взгляд в будущее : сб. тр. 5-й междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 2008. С. 167 - 170.
7. Федоров Ю.А., Потапов Е.Г., Данилов С.Р., Салов Г.В. Особенности динамики гидрологических параметров, гидрохимических, биогеохимических показателей и компонентов рапы и сульфидной грязи оз. Большой Тамбукан // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. Юбилейный выпуск. 2002. С. 72 - 76.
8. Панов Д.Г., СпичакМ.К. Скорость осадконакопления в Азовском море // Докл. АН СССР. 1961. Т. 137, № 5. С. 1212 - 1213.
Поступила в редакцию
17 октября 2013 г.
