CC BY
57
УДК 551.35. 621.039.7
СОВРЕМЕННЫЕ СКОРОСТИ СЕДИМЕНТАЦИИ В АЗОВСКОМ МОРЕ В СВЕТЕ ИЗУЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ ПО РАЗРЕЗУ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
© 2008 г. Ю.А. Федоров, М.Е. Трофимов
Южный Федеральный университет, Southern Federal University,
344090, Ростов н/Д, ул. Зорге, 40 344090, Rostov-on-Don, Sorge St., 40,
MaxTrofimov@gmail.com MaxTrofimov@gmail.com
Проводится оценка скоростей осадконакопления в различных частях Азовского моря на основе радиоэкологических исследований. Впервые для Азовского моря с этой целью использованы данные о распределении в донных отложениях двух техногенных радионуклидов: цезия-137 и америция-241, поступивших в донные отложения вследствие глобальных атмосферных выпадений при испытаниях ядерного оружия и во время чернобыльской аварии. Сделан вывод о снижении темпов седиментогенеза в течение последних 20 лет, обусловленном рядом причин природного и антропогенного характера.
Ключевые слова: эколого-геохимическая экспедиция, устьевая область р. Северная Двина, талый снег, донные отложения, Ph (водородный показатель), Eh (окислительно-восстановительный потенциал), кислород, восстановленные газы, органическое вещество, аэрозоли, гранулометрический состав.
The paper is devoted to the study of sedimentation velocity in the different part of Sea of Azov based on use of radioecological data. According to the results of the research sedimentation rates in Sea of Azov significantly reduced during the last 20 years.
Keywords: ecological and geochemical expedition, Nortern Dvina River estuary, melted snow, bottom sediment, hydrogen ion exponent, oxidation-reduction potential, oxygen, reducing gas, organic matter, particulate pollutant, grain-size classification.
Определение скорости седиментации на определенном участке исследуемого водоёма 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.
Для Азовского моря характерны высокие скорости осадконакопления, обусловленные относительно небольшими размерами данного водоёма на фоне большой площади водосбора, интенсивной абразии берегов и высокой биопродуктивности. В условиях малых глубин, типичных для Азовского моря, происходит интенсивное ветровое перемешивание водной толщи, вызывающее периодическое взмучивание верхнего слоя донных отложений с последующим горизонтальным переносом и переотложением, что приводит к существенной пространственной неравномерности распределения процессов седиментогенеза. Таким образом, оценка скоростей осадконакопления на конкретных участках Азовского моря представляет значительный научный интерес.
До сих пор оценки скорости осадконакопления в Азовском море проводились двумя основными методами: сравнением батиметрических карт разных лет и балансовым расчётом массы седиментационного материала, поступающего на единицу площади акватории. Оба этих метода позволяют определить лишь значения, усреднённые для всей акватории.
Оценка темпов осадконакопления методом сравнения батиметрических карт осуществима в условиях мелководного водоёма с высокой скоростью осадкона-копления и заметными изменениями глубин, каковым
и является Азовское море. Применение данного метода позволило Д.Г. Панову и В.А. Мамыкиной на основании сравнения батиметрических карт, составленных в период с 1803 по 1956 г., получить среднюю скорость осадконакопления для всей акватории Азовского моря в 2,4 мм/г., а в крайней части восточного района Таганрогского залива - до 3,3 мм/г. [1].
Балансовые оценки скорости седиментогенеза в условиях Азовского моря достаточно эффективны, так как из-за его замкнутости практически все осадочное вещество, поступающее извне или образующееся в самой водной толще, остаётся в пределах акватории данного водоёма, а объёмы выноса взвешенного вещества в Чёрное море относительно невелики. Однако учёт и оценка всех действующих источников седимен-тационного материала, как и определение массы донных отложений, принимающих участие в формировании отмелей и кос, представляет собой сложную задачу и позволяет получить лишь усреднённые показатели для всей акватории Азовского моря.
Первое определение скорости осадконакопления для Азовского моря по методу баланса было выполнено в 1952 г. М.В. Федосовым, оценившим максимально возможное среднее для всей акватории значение этого показателя в 0,9 мм/г. [2]. Следует отметить, что он рассматривал вопрос химического осаждения карбонатов в толще моря, не придавая большого значения абразии побережья, эоловой аккумуляции, равно как и накоплению карбонатов в виде раковин моллюсков. В 1956 г. А.А. Аксёнов, пользуясь аналогичным методом, получил несколько меньшее значение в 0,5 мм/г. [3]. Позднее, в 1961 г., Д.Г. Панов и М.К Спичак, уделив большее внимание биогенным факторам осадкона-копления, оценили среднюю скорость этого процесса в 2,5 мм/г., при общей массе ежегодно отлагающегося материала в 41,1 млн т [4].
Наиболее полная оценка массы седиментационного материала, ежегодно поступающего в Азовское море, приводится в работе Ю.П. Хрусталёва и Ф.А. Щербакова [5], датируемой 1973 г. Она составляет 52,38 млн т в год и учитывает твёрдый сток рек, береговую и донную абразию, выпадение на акваторию эолового материала, биогенные и хемогенные факторы осадконакоп-ления. Исходя из этого значения и принимая плотность донных осадков, равной 1,43 г/см3 при влажности в 70 %, как это было сделано в работе [4], мы получили скорость осадконакопления в среднем по морю, которая составила 3,3 мм/г. С учетом суммарной площади зон донной абразии в Азовском море, составляющей, согласно [6], 7750 км2, нами была рассчитана средняя скорость седиментогенеза в зонах аккумуляции. Она оказалась равной 4,1 мм/г.
Говоря о балансовых оценках скорости осадкона-копления в Азовском море, следует остановиться на периодически действующем факторе, существенно влияющем на данный показатель, - пыльных бурях. Этот фактор седиментогенеза трудно учитывать из-за неравномерности его проявления во времени, но имеющиеся данные позволяют судить о его масштабах. В работах [7-9] приводятся оценки эоловых выпадений во время катастрофических пыльных бурь 1960, 1969 и 1984 гг., составляющие 82, 50 и 13 млн т соответственно. Для сравнения: суммарный твёрдый сток Кубани до её зарегулирования составлял 7,7 млн т в год [6]. Вклад пыльных бурь в процессы осадконакопления в Азовском море, а также его сравнение с оценками скоростей седиментогенеза, выполненными методом баланса, приведен в табл. 1.
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что скорости седиментации материала, поступившего в море через атмосферный канал во время пыльных бурь, не только вполне сопоставимы со скоростями осадко-накопления, рассчитанными с помощью различных методов, но и порой превышают их.
Таблица 1
Осадконакопление в Азовском море при обычном режиме седиментогенеза и катастрофических пыльных бурях на основании различных балансовых оценок
Осадконакопление Время осадконакопления; годы, для которых справедлива оценка Мощность образовавшегося слоя донных осадков, мм Источник данных
Нормальный режим Один год, конец 1940-х. гг. 0,9 [2]
Один год, начало 1950-х. гг. 0,5 [3]
Один год, конец 1950-х. гг. 2,5 [4]
Один год, 1960-е. гг. 3,3 (4,1) Расчёт авторов по данным [5]
Дополнительное -в Азовском море в результате катастро фических пыльных бурь Март-апрель1960 г. 5,1 (6,4) То же по [7]
Зима-весна 1969 г 3,1 (3,9) » [8]
Март 1984 г. 0,8 (1,0) » [9]
Итоговое -в годы катастро фических пыльных бурь 1960 г. 8,4 (10,5) » [5, 7]
1969 г 6,4 (8) » [5, 8]
Примечание. В скобках показана мощность донных отложений, образовавшихся в зонах аккумуляции, понимаемых как акватория Азовского моря за вычетом площади зон абразии, взятой согласно [6].
Ещё один метод определения скорости образования донных отложений основан на оценке мощности и времени формирования того или иного горизонта донных отложений. В отличие от двух предыдущих, данный метод позволяет оценить темпы седиментации на конкретном участке акватории. До сих пор в отношении Азовского моря такого рода оценки выполнялись лишь на примере мощных, тысячелетиями формировавшихся толщ донных отложений, возраст отдельных горизонтов которых определялся радиоуглеродным методом. В середине 1970-х гг. авторы работы [9], пользуясь данной методикой, оценили среднюю за новоазовское время скорость осадконакопления для центральных областей Азовского моря в 2,3 мм/г.
Таким образом, большая часть оценок скорости осадконакопления в Азовском море относится к 19601970 гг. и выполнена расчётными методами, не позволяющими определить пространственное распределение скоростей седиментации. Между тем природные и антропогенные изменения в бассейнах р. Дон и Кубань, произошедшие с 1970-х гг., повлекли перестройку структуры и динамики водных масс, солености и потоков взвешенного вещества. Так, после зарегулирования стока р. Кубань в 1973 г. резко сократился твёрдый сток, под влиянием антропогенной нагрузки снизилась биопродуктивность Азовского моря, а создание системы защитных лесополос повлекло сокращение повторяемости и масштабов пыльных бурь в прилегающем к нему регионе.
В свете вышеизложенного назрела необходимость изучения пространственного распределения и динамики скорости осадконакопления с помощью современных радиологических методов [10]. Эти методы заключаются в использовании искусственных радионуклидов в качестве маркеров, по пикам активности которых производится датирование донных отложений. Наибольший прогресс в этом вопросе был достигнут при использовании сведений о распределении активности цезия-137 по разрезу донных отложений. По-видимому, первая работа подобной направленности относится к 70-м гг. XX в. [11]. Для Азовского моря применение данных по 137Сб с целью определения скоростей осадконакоп-ления является пионерским, как и их комплексирование с результатами определения другого техногенного изотопа 241Лш. Эти техногенные радионуклиды попали в донные осадки Азовского моря в результате глобальных атмосферных выпадений от ядерных испытаний 1950-1960-х гг. и аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г., обусловив повышенную радиоактивность сформировавшихся в эти годы отложений.
Для достижения поставленной цели в ходе серии экспедиций в 2006-2007 гг. на 10 станциях (рис. 1), расположенных в российском секторе Азовского моря и устьевых
областях Дона и Кубани, с помощью грунтовой трубки конструкции ГОИН были отобраны и послойно опробованы колонки донных отложений мощностью до 100 см.
Распределение средних значений удельной активности 137Сб и 241Лш по разрезу донных отложений Таганрогского залива и глубоководной части Азовского моря показано на рис. 2.
Удельная активность цезия-13577, Бк/кг 0 50 100
Рис. 1. Схема распределения средних значений современных (за последние 20 лет) скоростей осадконакопления в Азовском море по результатам анализа активности цезия-137 в толще донных отложений
Всего для определения активности радионуклидов 137Cs и 241Am было извлечено более 60 проб. Отбор грунтовых колонок такой мощности с целью определения распределения радионуклидов по толще донных отложений для данной акватории произведён впервые, что позволило получить уникальные результаты, в частности, вскрыть горизонты донных отложений, образовавшиеся во время глобальных радиоактивных выпадений 1960-х гг. Следует подчеркнуть, что определение активности америция-241 в пробах донных отложений Азовского моря ранее не проводилось. Методика отбора, подготовки проб и определения ряда техногенных радионуклидов приведена в работе [12]. Обзор предшествующих исследований распределения 137Cs, а также экологическая сторона проблемы были предметом нашей более ранней статьи [13].
Второй рассматриваемый нами радионуклид -америций-241 (Т1/2 = 432,2 года), - как и 137Cs, является одним из долгоживущих продуктов искусственных ядерных реакций. В природных средах, подвергшихся
241
радиоактивному загрязнению, основная часть Am образуется in situ вследствие распада 241Pu, имеющего в 30 раз меньший период полураспада. Америций-241 также имеет существенно больший период полураспада, чем 137Cs. В течение первых десятилетий после
241
загрязнения активность Am в донных отложениях постепенно увеличивается, а 137Cs - снижается. Это и даёт в руки исследователей инструмент, с помощью которого можно восстановить хронологию современного осадконакопления, даже после практически полного распада цезия-137.
10 ■
20 ■
30 ■
40 ■
Ли 1963
50 ■
Ю
ЁЛ
[—1
60 ■
70 ■
-Ä-4...... " ..... —"""1986 • ч 1986
80 ■
Удельная активность америция-241, Бк/кг 0 10 20
ю £
80
—•—восточный район Таганрогского залива; - - - л- - - глубоководная часть Азовского моря;
— пределы погрешностей определения значений удельной активности
Рис. 2. Распределение средних значений удельной активности цезия-137 и америция-241 по разрезу колонок Таганрогского залива и глубоководной части Азовского моря
Четкие пики по 137Сб регистрируются до глубины 20 см, а затем имеет место постепенное снижение значений его удельной активности. Располагающийся на больших глубинах пик «глобальных» выпадений
0
ной локализации
241 к
пада Am.
1963 г. проявляется не очень четко. Распределение по разрезу 241Am выглядит несколько иначе. Хорошо выраженный пик 241Am, как и 137Cs, фиксируется на глубинах около 5 см и идентифицирован нами как чернобыльский след. После этого сначала наблюдается некоторое снижение значения удельной активности 241Am, а затем его возрастание до глубины чуть более 30 см. Этот пик, вероятнее всего, имеет отношение к глобальным радиоактивным выпадениям. Далее по разрезу значение его удельной активности плавно уменьшается. Не исключено, что на характер распределения этого радионуклида оказала влияние более высокая (по сравнению с 137Cs) подвижность, которая способствовала миграции по разрезу из слоя первич-Pu и его дочернего продукта рас-
На основании данных о распределении удельной активности 137Cs и 241Am по разрезу донных отложений были выполнены расчёты скоростей осадконако-пления. Первоначально было получено две скорости осадконакопления: за 1986-2006 (по первому, чернобыльскому пику) и за 1963-1985 (по второму, «глобальному» пику), на основании которых была определена средняя скорость седиментогенеза, характерная для периода с 1963 по 2006 г. Полученные результаты представлены в табл. 2 и хорошо согласуются с предшествующими оценками (табл. 1).
Анализ схемы распределения скоростей осадкона-копления за последние 20 лет по акватории российского сектора Азовского моря (рис. 1) указывает на тенденцию их возрастания с северо-востока на юго-запад, в то время как до зарегулирования стока р. Дон и в период активизации пыльных бурь наблюдалась обратная картина.
Высокие значения скорости осадконакопления, отмеченные в Азовском море, позволяют утверждать, что седиментация в данном водоёме носит, в соответствии с воззрениями [14], лавинный характер. Она придаёт донным отложениям и самому процессу седи-ментогенеза особые свойства. При таких скоростях накопления донных осадков на их поверхности формируется мощный разжиженный слой, представленный в основном глинистыми частицами, легко увлекаемыми придонными течениями. Под влиянием гидродинамических процессов этот слой практически постоянно взмучивается и перемещается с места на место до тех пор, пока не окажется в условиях, благоприятствующих его осаждению в глубоководных частях Азовского моря, где и отлагается основная часть поступающего
седиментационного материала. Следовательно, скорость осадконакопления в этих областях может быть значительно больше скоростей седиментогенеза, усредненных по всей акватории.
Из сравнения данных, приведённых в табл. 1, 2, следует, что в последние 40-50 лет скорость осадко-накопления в Азовском море существенно снизилась. Этот вывод хорошо согласуются с изменениями, произошедшими с экосистемой моря под влиянием природных и антропогенных факторов. В этот период был зарегулирован сток р. Кубань, являвшейся крупным поставщиком взвешенного вещества в Азовское море. Кроме того, агромелиоративные мероприятия, такие как высадка лесополос, предпринятые для предотвращения пыльных бурь в 60-е гг., к концу 80-х гг. прошлого века способствовали резкому снижению эоловых поступлений.
Интенсивные пыльные бури наблюдались до 1985 г. Они повторялись через каждые 10-11 лет, средние по интенсивности - через 3-5 лет, а слабые - почти ежегодно [9]. При этом объемы эоловых поступлений уменьшались с востока на запад, что было обусловлено направлением ветров и расположением территорий, затронутых выдуванием. В отдельные годы привнос в экосистему моря эолового материала вследствие эпизодически повторяющихся пыльных бурь был столь значительным, что превышал объёмы вещества, поступающего из других источников. Как следует из табл. 1, на дне Азовского моря в течение короткого периода времени мог образовываться значительный слой разжиженных осадков эолового происхождения, который быстро размывался и выносился в глубоководные части водоёма. Это подтверждается данными [8], согласно которым после пыльной бури 1969 г. площадь глинистых илов в Азовском море возросла вдвое (с 35-45 до 74,6 %), вернувшись
Таблица 2
Скорость осадконакопления, мм/г. на акватории Азовского моря по результатам анализа активности техногенных радионуклидов в колонках донных отложений
Участок акватории По первому пику, датированному 1986 г. По второму пику, датированному 1963 г.
137Cs 241Am 137Cs 241Am
Восточный район Таганрогского залива 1,8 1,8 12,6 8,8
(1,3-2,5) (1,3-2,5) (9,9-14,0) (4,1-13,1)
Западный район Таганрогского залива 2,5 Не определялся Пик не зафиксирован Не определялся
(1,3-5,0)
Центральный район российского сектора Азовского моря 3,8 1,8 То же 8,8
(2,5-8,8) (1,3-2,5) (4,1-13,1)
Южный район российского сектора Азовского моря 3,8 1,8 14,0 8,8
(2,5-8,8) (1,3-2,5) (8,7-15,6) (4,1-13,1)
Устьевая область р. Дон 1,8 Не определялся 8,5 Не определялся
(1,3-2,5) (8,1-9,1)
Устьевая область р. Кубань 1,8 » » Пик не зафиксирован » »
(1,3-2,5)
Примечание. В числителе - средние значения, в знаменателе - пределы изменения оценок; первый пик - чернобыльские радиоактивные выпадения 1986 г.; второй пик - глобальные радиоактивные выпадения в 1960-х гг.
к исходным значениям в последующие годы. С учётом перераспределения верхнего разжиженного слоя ила, осадконакопление на отдельных участках исчислялось несколькими десятками миллиметров, что в разы выше обычных скоростей осадконакопления. Две крупнейшие пыльные бури, произошедшие за последние 50 лет, приходятся на 60-е гг. прошлого века, поэтому неудивительно, что скорости осадконакопления в период с 1963 по 1985 г. в 3-4 раза превышают среднюю скорость седиментации за последние два десятилетия. Наряду с этим одной из причин увеличения скоростей осадконакопления в отдельные промежутки этого периода времени может являться трансформация пространственного распределения седиментационного материала, вызванная сменой направленности ветровых течений. Например, с 19701980 гг. наблюдалось возрастание доли наиболее на-носодвижущих ветров западных румбов по отношению к восточным [15].
Из вышеизложенного следует, что величина скорости осадконакопления в Азовском море не является константой и изменяется во времени и пространстве. Метод радиоактивных изотопов не только хорошо согласуется с другими методами оценки скорости осадконакопления, но и дает более точные и репрезентативные результаты. Благодаря его использованию удалось установить два периода современного осадконакопления (до и после 1986 г.). До 1986 г. скорость осадконакопления в различных районах акватории была выше, чем в более позднее время, и имела тенденцию к увеличению с запада на восток. После этого скорость образования донных осадков снизилась, а вектор её направления изменился с востока на запад. Такое различие может объясняться реальным снижением объемов поступления терригенно-го материала на акваторию Азовского моря не только из-за уменьшения повторяемости и масштабов пыльных бурь, изменения розы ветров (смена преобладания ветров восточных румбов на западные), но и сокращения твердого стока р. Кубань после создания Краснодарского водохранилища.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ «Ведущие научные школы России»
НШ-4983.2008.5. и грантов РФФИ (проекты 06-0522001, 06-05-64504). Авторы благодарят начальника «Центра радиационной экологии и технологии» ЮФУ, д.ф.-м.н. М.Г. Давыдова за руководство проведением определений содержания 137Cs и 241Am и полезную дискуссию.
Литература
1. Панов Д.Г., Мамыкина В.А. Реферат научных работ Ростовского университета за 1959 г. Ростов н/Д, 1960. С. 120121.
2. Федосов М.В. Интенсивность осадкообразования в Азовском море // Докл. АН СССР. 1952. Т. 84. № 3. С. 551553
3. Аксенов А.А. // Тр. Государственного океанографического института. 1956. Вып. 31.
4. Панов Д.Г., СпичакМ.К. // Докл. АН СССР. 1961. Т. 137. №5. С. 1212-1213.
5. Хрусталёв Ю.П., Щербаков Ф.А. Познечетвертичные отложения Азовского моря и условия их накопления. Ростов н/Д, 1974.
6. Хрусталёв Ю.П., Щербаков Ф.А. // Океанология. 1968. Т. 8. Вып. 3. С. 453-460.
7. Панов Д.Г., Малик С.А., Спичак М.К. Реферат научно-исследовательских работ Ростовского университета за 1960 год. Ростов н/Д, 1961. С. 139-140.
8. Хрусталёв Ю.П., Федюнина В.И. // Докл. АН СССР. 1975. Т. 224. № 2. С. 434-436.
9. Хрусталев Ю.П. Основные проблемы геохимии седи-ментогенеза в Азовском море. Апатиты, 1999.
10. Едигарян З.П., Алексина И.А. // Палеогеография и отложения плейстоцена южных морей СССР. М., 1977. С. 112117.
11. Pennington W., Cambray R.S., Fisher E.M. // Nature. 1973. Vol. 242. P. 324-326.
12. Бураева В.А., Давыдов М.Г., Зорина Л.В., Малышевский В.С. // Атомная энергия. 2007. Т. 103. Вып. 4. С. 260-263.
13. Федоров Ю.А. и др. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. Спецвыпуск. Науки о Земле. 2007. С. 26-31.
14. Лисицын А.П. // Лавинная седиментация в океане. Ростов н/Д, 1982. С. 3-59
15. Латун В.В. и др. // Экологические проблемы. Взгляд в будущее: Сб. тр. IV-й науч.-практ. конф. с междунар. участием. 5-8 сентября 2007 г. Ростов н/Д, 2007. С. 213-215.
Поступила в редакцию_26 марта 2008 г.
