CC BY
46
УДК 550.84 (571.53)
СРЕДНЕМНОГОЛЕТНЕЕ СОДЕРЖАНИЕ КОМПОНЕНТОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ЮЖНОГО, СЕЛЕНГИНСКОГО, СРЕДНЕГО, УШКАНЬЕОСТРОВСКОГО, СЕВЕРНОГО РЕЗЕРВУАРОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ
© О.Ю. Астраханцева1
Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а.
Представлены среднемноголетние характеристики содержания компонентов (№+, Ca2+, Mg2+, Si, Mn2+, Feо6щ , SO42-, HCO3-, а-, NO3-, PO43-, H+, O2, As, B, Cu, Cd, Hg, Pb, Sr, Zn, Co, U, V, Br, Rb, Mo, Cорr, Nорr, Pорr, Sорr, CO2, Ti) в донных отложениях пяти резервуаров оз. Байкал (Южном, Селенгинском, Среднем, Ушканьеостров-ском, Северном), рассчитанные в %, моль/100 г по разработанной схеме с использованием аналитических данных по химическому составу иловых вод и донных отложений, полученных учеными в период c 1961 по 1998 гг., апробированных в научной практике и опубликованных в научной литературе по оз. Байкал. Установлено, что донные отложения во всех резервуарах на три четверти состоят из биогенных элементов, а точнее кремния и железа. Катионы макроэлементов (№+, Ca2+, Mg2+) составляют около 10%. Доля микроэлементов в общем содержании компонентов больше, чем основных компонентов, при этом основное их количество составляет алюминий. Органических веществ в донных отложениях резервуаров мало, и основное их количество составляет Сорг.. Показано, что химический состав донных отложений резервуаров обусловлен избирательной утилизацией вещества в донные осадки оз. Байкал: с внутриводоемными потоками в донные отложения поступают элементы-комплексообразователи: биогенные элементы Feо6щ, NO3-, PO43-), Рорг, часть остального органического вещества, часть катионов макрокомпонентов и группа микроэлементов. Ил. 2. Табл. 2. Библиогр. 31 назв.
Ключевые слова: оз. Байкал; донные отложения; иловые воды; резервуары; химическое взаимодействие; вещество окружающей среды.
MEAN ANNUAL CONTENTS OF COMPONENTS IN BOTTOM SEDIMENTS OF SOUTH, SELENGINSKY, MIDDLE, USHKANIEOSTROVSKY AND NORTHERN RESERVOIRS OF LAKE BAIKAL O.Yu. Astrakhantseva
Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS, 1a Favorsky St., Irkutsk, 664033, Russia.
Mn2+, Fe,
gen i
CO,
The article shows mean annual characteristics of the contents of components (Na+, K+, Ca +, Mg +, Al, Si SO42-, HCO3-, Cl-, NO3-, PO43-, H+, O2, As, B, Cr, Cu, Cd, Hg, Pb, Sr, Zn, Co, U, V, Br, Rb, Mo, Corg, Norg, Porg, Sorg, co2, Ti) in the bottom sediments of the five reservoirs of the Lake Baikal (South, Selenginsky, Middle, Ushkanieostrovsky, North) that were calculated in %, mol/100 g according to the developed scheme with the use of analytical data on chemical composition of silt waters and bottom sediments obtained by the scientists in the period from 1961 to 1998, which were tested in scientific practice and published in the scientific literature on the lake Baikal. It was determined that three-quarters of bottom sediments in all the reservoirs consist of biogenic elements, in silicon and iron specifically. Macronu-trient cations (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) constitute about 10%. The share of microelements in the total content of components is more than the one of major components, whereas aluminum constitutes their basic quantity. Organic matter in reservoir bottom sediments is scarce and mostly represented by Corg. It is shown that chemical composition of reservoir bottom deposits is determined by the selective disposal of substance in the bottom sediments of the lake Baikal: interlake flows bring complexing elements in bottom deposits. They are biogenic elements (Si, Fegen, NO3-, PO43-), Porg, part of the remaining organic matter, part of macronutrient cations and a group of microelements. 2 fugures. 8 tables. 31 sources.
Key words: lake Baikal; bottom sediments; silt waters; reservoirs; chemical interaction; environmental substance.
Разработка научно обоснованных, современных теорий и методов управления и защиты оз. Байкал невозможна без тщательного изучения всех характеристик этой сложной системы. Согласно Л. Больцману (1939), поведение динамической системы можно описывать статистическими осредненными параметрами, которые могут формировать новое фазовое простран-
ство и в его пределах подчиняться другим динамическим законам. При наличии огромного множества частиц (макросистема) возможно делать важнейшие выводы о поведении всех частиц в среднем. В макросистемах проявляются закономерности особого рода, усредненные по совокупности частиц, называемые статистическими. По донным отложениям оз. Байкал
1Астраханцева Ольга Юрьевна, младший научный сотрудник лаборатории физико-химического моделирования, тел.: (3952) 427079, е-mail: astra@igc.irk.ru
Astrakhantseva Olga, Junior Researcher of the Laboratory of Physico-Chemical Modeling, tel.: (3952) 427079, e-mail: as-tra@igc.irk.ru
собран большой эмпирический материал, но нет сведенных среднемноголетних характеристик содержания компонентов в донных отложениях каждого из пяти резервуаров озера.
Цель данной статьи - показать разработанную нами на основе большого накопленного эмпирического материала по оз. Байкал схему расчета среднемноголетних содержаний макро- (№+, К+, Ca2+, Mg2+, SO42", HCO3", а), микро- (Л), Mn2+, Лб, B, Cr, Cu, Cd, Hg, Pb, Sr, 2п, Со, и, V, Вг, РЬ, Мо, И), биогенных элементов (Si, Рео6щ , N0^, Р043-) и органического вещества (Сорг, Nорг, Рорг, Sорг) в мг/л и моль/кг в иловых водах Южного резервуара оз. Байкал и в %, моль/100 г - в донных отложениях каждого из пяти резервуаров озера, которые могут быть использованы для разработки физико-химических моделей взаимодействия вещества вод резервуаров озера с веществом потоков окружающей среды. Кроме того, знать среднемноголетние содержания этих компонентов в донных отложениях резервуаров необходимо для расчета их среднемноголетних содержаний в потоках «потоки в донные отложения», «потоки из донных отложений» в резервуарах озера. В представленной работе использованы аналитические данные по химическому составу иловых вод [8; 14; 16; 20-22; 24; 28] и донных отложений [12; 1417; 19; 24; 26; 31], полученные учеными в период с 1961 по 1998 гг., апробированные в научной практике и опубликованные в научной литературе по оз. Бай-
кал.
Взгляд на оз. Байкал как на макроскопическую систему и применение к ней термодинамических законов, метода равновесия выявляет иерархичность исследуемого объекта - вещества вод озера, состоящего из локально-равновесных участков подсистем. С точки зрения термодинамики вещество вод оз. Байкал, согласно нулевому закону, в целом неравновесная система, состоящая из пяти систем-резервуаров с индивидуальными стабильными среднемноголетними состояниями, равновесными со среднемноголетними состояниями окружающей среды. Вещество вод оз. Байкал испытывает химическое, физическое и тепловое взаимодействие с веществом окружающей среды, то есть является частью мегасистемы «вещество вод оз. Байкал - вещество окружающей среды». В веществе вод оз. Байкал выделены зоны с различающимися физико-химическими условиями формирования вещества, обладающие индивидуальными постоянными тепловыми, химическими и силовыми балансовыми характеристиками по обмену массовым и безмассовым веществом с веществом окружающей среды и, соответственно, сохраняющие в масштабе исторического времени свои физико-химические характеристики постоянными - резервуары Южный, Селен-гинский, Средний, Ушканьеостровский, Северный (рис. 1) [1; 2].
-прибрежные воды | | -открытый Байкал
0 50 100 km
1_I_I
Рис. 1. Схема зональности геохимических состояний вещества вод оз. Байкал (схема пространственно локализованных зон-резервуаров в веществе вод оз. Байкал естественных физико-химических равновесий с веществом окружающей среды, со стабильными физико-химическими параметрами в масштабе исторического времени): 1 - Южный; 2 - Селенгинский; 3 - Средний; 4 - Ушканьеостровский; 5 - Северный; 6 - Малое Море; 7 - Баргузинский залив; 8 - Чивыркуйский залив (резервуары 1-5 разделены на прибрежные воды
и открытый Байкал)
Следовательно, мегасистема «вещество вод оз. Байкал - вещество окружающей среды» структурно состоит из вещества пяти резервуаров озера с индивидуальными физико-химическими параметрами и состоянием геохимической среды и вещества потоков, впадающих в резервуары и вытекающих из них: реки, взвесь рек, дождь + снег, аэрозоль, подземные воды, минеральные воды, приток озерных вод из других резервуаров озера, поток из донных отложений, поток в донные отложения, сток озерных вод в другие резервуары озера и в р. Ангару (см. рис. 1) [1; 2]. Вещество систем-резервуаров характеризуется индивидуальными структурно-функциональными характеристиками и в пределах каждого резервуара может рассматриваться как система, обладающая целостностью своих функций по отношению к веществу потоков окружающей среды и определяемая в своих границах по физико-химическим параметрам [3-7].
Если вещество объекта исследования находится в термодинамическом равновесии при обмене массовым и безмассовым веществом с веществом внешней среды, то есть когда условия взаимодействия однородны и постоянны и, следовательно, физико-химическое состояние системы однородно и стабильно, в этих условиях система обладает наиболее вероятным набором физических и химических свойств, с помощью которых ее полностью можно описать и применить статистические методы, позволяющие получить средние значения параметров. Стационарных систем (параметры которых не менялись бы со временем) в природе не бывает, но можно выбрать интервал времени, в течение которого система может считаться стационарной, то есть обладать временной стационарностью. C точки зрения исторического времени, в интервале нескольких десятков лет 1 год -время периодически повторяющихся процессов, и среднегодовые характеристики состояния вещества в исследуемой мегасистеме стабильны и могут являться физико-химическими характеристиками вещества систем и потоков как равновесные со среднегодовыми физико-химическими характеристиками окружающей среды. Во взаимодействии веществ вод оз. Байкал и вещества окружающей среды присутствует ярко выраженная годовая цикличность природных процессов, в результате чего единичные измерения становятся несравнимыми, если они не приведены к единой фазе годового цикла. Для процессов, происходящих в гидросфере и атмосфере, годовой цикл является важнейшим. Следовательно, сравнивать данные, относящиеся к разным сезонам, некорректно.
Наша структурная модель описывает физико-химическое состояние вещества мегасистемы в интервал времени 1950-90-х годов, тот период, когда учеными были сделаны и опубликованы химические анализы вещества вод озера, донных отложений и потоков. Эти данные, обработанные статистическими методами, представляют собой наш выбор начальных условий (химический состав) мегасистемы «вещество вод оз. Байкал - вещество окружающей среды (потоков)». При данном выборе начальных условий законы природы определяют, как подсистемы будет разви-
ваться во времени. Для получения общей характеристики, то есть среднемноголетних общих количеств компонентов в веществе систем, донных отложений и потоков оз. Байкал, разработана схема методики расчета химического состава независимых компонентов для физико-химической модели «вещество вод озера Байкал - вещество окружающей среды (потоки)», представленная на рис. 2.
При физико-химическом моделировании водных систем принято использовать мольные количества независимых компонентов в исследуемой системе.
Поскольку данные по содержанию компонентов в водах резервуаров, реках, минеральных, подземных, иловых водах рассчитываются в мг/л, а твердых веществ (взвесь рек, атмосферный аэрозоль, донные отложения) - в процентах, то необходимо привести их к общему значению, а именно перевести содержание компонентов в моль/кг как наиболее приемлемой единице, характеризующей количество компонента в одном килограмме исследуемого вещества.
В данной работе показаны источники эмпирических данных, использованных нами для расчета среднемноголетних содержаний химических компонентов, дан анализ научной литературы в области существующих исследований химического состава иловых вод и донных отложений оз. Байкал, и рассчитаны по показанной ниже схеме среднемноголетние содержания макро-, микро-, биогенных элементов и органического вещества в мг/л и моль/кг в иловых водах Южного резервуара и в процентах, моль/100 г - донных отложениях Южного, Селенгинского, Среднего, Ушканье-островского, Среднего, Северного резервуаров озера (табл. 1-6).
Иловые воды
По химическому составу иловых вод (жидкой части донных отложений) известны следующие работы: [8; 14; 20- 22; 24; 28].
Донные отложения Байкала следует рассматривать как полидисперсную пористую среду, состоящую из минерального скелета и поровой воды, сосуществующих в неразрывном единстве [21]. Величина пористости верхнего слоя глубоководных байкальских осадков колеблется от 84 до 90%, составляя в среднем 87%. Исследование пористости верхней трехметровой толщи байкальских осадков показало, что в среднем она последовательно уменьшается сверху вниз. Величина коэффициента сжимаемости глубоководных илов составляет 2,6. Уплотнение осадков сопровождается увеличением объемных весов и некоторым снижением значений максимальной гигроскопичности [25].
В ходе раннего диагенеза исходная поровая вода, захваченная осадками при их формировании, обогащается различными компонентами и преобразуется в грунтовый раствор. Важным фактором формирования состава грунтовых растворов является распад органических остатков. В растворе постепенно накапливаются промежуточные и конечные его продукты, такие как растворенное органическое вещество, углекислота, аммонийный азот, гидрокарбонат-ион и др. Показательно, что на участках с высокими темпами осадко-накопления их содержание также повышено [20].
Сбор информации (сбор анализов химического состава компонентов по каждому потоку п подсистеме)
Обобщение информации
Расчет среднегодового химического состава компонентов в каждом потоке и в каждой подсистеме
Согласование данных по химическому составу источников вещества: водных масс, атмосферных осадков (твердых, жидких), аэрозолей, всех видов водного стока
Расчет среднемноголетнего состава
Пересчет компонентов в г/л
независимых компонентов в каждом
потоке и в каждой подсистеме
Для аэрозолей, донных осадков, взвесей
Для водных подсистем
Приведение минерального вещества химических анализов к 100%
Расчет молярности компонентов в потоках и подсистемах метасистемы «вещество вод оз. Байкал - вещество потоков окружающей среды»
Расчет мольного количества окислов (М.К.О.)
Перевод М.К.О. в мольные количества элементов
Количественная характеристика основных геохимических потоков и подсистем: определение мольных количеств независимых компонентов систем и потоков метасистемы «вещество вод оз. Байкал - вещество потоков окружающей среды»
Построение структурной модели состояния вещества вод оз. Байкал и балансовой модели метасистемы «вещество вод оз. Байкал— вещество потоков окружающей среды»
Рис. 2. Схема методики расчета химического состава независимых компонентов для физико-химических и балансовой моделей мегасистемы «вещество вод озера Байкал - вещество потоков окружающей среды»
Ранее предполагалось, что в Байкале основной ионный состав грунтовых растворов в целом остается таким же, как и озерной воды, лишь незначительно увеличивается общая минерализация за счет: гидрокарбонатов - на 2-3 мг/л; кальция - на 0,5-1 мг/л [14]. Исследования показали, что грунтовые растворы как по величине общей минерализации, так и по содержанию отдельных ионов значительно превосходят исходную байкальскую воду [21]. В ходе различных диа-генетических процессов соотношения между ионами, характерные для гидрокарбонатно-кальциевых озерных вод, изменяются существенным образом, в связи с чем формируются грунтовые растворы гидрокарбонатного, сульфатного, хлоридного и смешанного классов, различных типов и групп [21]. Химический состав грунтовых растворов формируется в длительном тесном взаимодействии с твердой фазой осадков и является отражением геохимических и биологических процессов, протекающих в донных отложениях. Придонные же воды более подвижны и в значительно меньшей степени связаны с донными отложениями в целом и с грунтовыми растворами в частности. Существование разности концентраций растворенных компонентов по обе стороны границы раздела «вода -дно» должно привести к обмену веществом между грунтовыми растворами и придонными водами. По отношению к байкальским осадкам этот вопрос до настоящего времени остается практически неизучен-
ным, хотя важность его исследования для познания внутреннего круговорота вещества в водоеме очевидна. В ряде случаев выявлены необычно высокие концентрации сульфатов и хлор-иона в грунтовых растворах, на два порядка и более превышающих их содержание в байкальских водах. Установлено, что станции, на которых содержание хлоридов заметно повышено, расположены в непосредственной близости к зоне тектонических разломов на дне озера, ориентированных вдоль западного берега его северной котловины [21].
В грунтовых растворах осадков, расположенных в периферической зоне озера с глубинами до 250-300 м, наблюдаются сезонные изменения химического состава грунтовых растворов [14; 20]. Амплитуда этих изменений заметно уменьшается с ростом глубин. Механизм сезонной динамики состава грунтовых растворов остается недостаточно ясным.
Начало изучению грунтовых растворов было положено в 1948 г. К.К. Вотинцевым, который выполнил ряд химических анализов (на содержание HCOз", N NH4+, N-NO3", P-PO43", Si, Fe) жидкой фазы поверхностного слоя осадков в районе пос. Большие Коты (Южный Байкал) и описал сезонные изменения ее химического состава [13; 14]. Пробы грунтов для исследования отбирали либо стратометром системы Б.П. Перфильева, либо дночерпателем Петерсона (песчаные грунты). Грунтовые растворы отделяли от
грунта отсасыванием на воронке Бюхнера под слабым вакуумом. Исследование грунтовых растворов проводили тотчас же после отбора проб по методике, разработанной В. Бруевичем [10]. Некоторые данные о содержании и вертикальном распределении Р043- в грунтовых растворах Южного Байкала приведены в работе Г.И. Патрикеевой [28].
В 1961-63 гг. И.Б. Мизандронцевым было проведено изучение химического состава грунтовых растворов на содержание И003", ЫН4+, 1М03-, Р043-, Б1 Селен-гинского мелководья и примыкающих к нему участков открытого Байкала - района, заключенного между разрезами мыс Облом - бухта Анга на северо-востоке и пос. Посольск - устье р. Голоустной на юго-западе [20]. Песчаные грунты собирались дночерпателем Петерсона с площадью захвата 0,1 м, илы - ударной
трубкой ТГ-1. Монолит грунта делился на фракции, см: 0-5; 5-10; 10-20; 20-40; 40-60; 60-80. Химический анализ грунтовых растворов проводился по методике, описанной С.В. Бруевичем [10]. Всего было исследовано 426 проб придонного слоя и грунтовых растворов и произведено около 4000 определений химических компонентов.
В 1971-72 гг. И.Б. Мизандронцевым и Е.Н. Тарасовой было исследовано содержание и вертикальное распределение растворенного органического вещества в байкальских осадках на 20 станциях. Пробы донных отложений отбирались во всех трех котловинах озера во время рейсов на научно-исследовательском судне «Верещагин» дночерпателем «Океан», ударной и поршневой трубками [24].
Таблица 1
Среднемноголетние содержания компонентов в иловых водах Южного резервуара оз. Байкал
Компонент Иловые воды, мг/л
K+ 11,5 Cr -
Na+ 19,4 Cu -
Ca2+ 23,2 Cd -
Mg2+ 11,8 Hg -
Al - Pb -
Si 14,47 Sr -
Mn2+ 0,31 Zn -
Fe общ 0,125 Co -
SO42- 51,5 U -
нсоз- 73,53 V -
Cl- 20,6 Br -
NO3- 0,077 Rb -
NO2 0,01 Mo -
NH4+ 0,7 ^рг 11,9
PO43- 0,1295 ^рг 0,684
Н - Рорг 0,031
O2 - ^рг 0,163
As - CO2 17,3
B - минерализация 257,5
Примечание. Здесь и далее прочерки в графах означают отсутствие данных.
Таблица 2
Среднемноголетние содержания компонентов в иловых водах Южного резервуара оз. Байкал
Независимый компонент Иловые воды, моль/кг Независимый компонент Иловые воды, моль/кг
K 2,8710-4 Cu -
Na 8,2310-4 Cd -
Ca 5,6410-4 Hg -
Mg 4,7310-4 Pb -
Al - Sr -
Si 4,41 10-4 Zn -
Mn 5,5010-6 Co -
Fe 2,1810-6 U -
S 5,2310-4 V -
C 1,5310-3 Br -
Cl 5,6610-4 Rb -
N 3,9310-5 Mo -
P 1,33 10-6 ^рг 9,66 10-4
H 1,48 10-3 ^рг 4,76 10-5
O 6,51 10-3 ^рг 9,7910-7
As - ^рг 4,96 10-6
B - минерализация 1,4910-2
Cr - Т°С 3,4
В Атласе Байкала [8] представлены средние химические составы грунтовых растворов: O2, С02, HCOз", SO42", а", Mg2+, Ca2+, Na+, К+, NH4+, NO2", PО43", SiO2, Сорг, Fe, Мп2+. По разработанной нами методике (см. рис. 2) нами рассчитаны, среднемноголетние содержания компонентов в иловых водах Южного резервуара оз. Байкал в мг/л (см. табл. 1), моль/кг (см. табл. 2). В расчетах использованы данные по содержанию химических компонентов в грунтовых растворах, представленные в работах: [8; 14; 20-22; 24; 28].
Донные отложения
Среди работ по донным отложениям к исследованию главным образом твердой фазы осадков относятся работы [9; 11; 12; 14-16; 19; 26-29].
По классификации донных отложений современных водоемов Н.М. Страхова (1954) в Байкале в разной мере проявлены все типы осадков, начиная с гру-бообломочных образований и заканчивая пелитовыми илами. Литологический состав, закономерности формирования донных осадков наиболее полно освещены в работе [18], где выделено шесть основных типов донных отложений: 1) грубообломочные отложения; 2) пески; 3) крупноалевритовые илы; 4) мелкоалевритовые илы; 5) пелитовые и 6) диатомовые илы. При этом крупноалевритовые и мелкоалевритовые илы сходны по минералогическому составу, а по площади распространения крупноалевритовые илы значительно уступают мелкоалевритовым. Следовательно, крупноалевритовые и мелкоалевритовые илы можно рассматривать как единый тип.
По данным Г.С. Голдырева [18], грубообломочные отложения представлены галькой, щебнем, гравием, распространены главным образом в прибрежной мелководной зоне. Их петрографический и химический состав соответствует составу пород прибрежного участка водосборного бассейна.
Песчаные донные осадки главным образом формируются на узкой полосе, примыкающей к прибрежной части озера, в некоторых случаях опускаясь до глубины 1200 м. Образование песчаных отложений происходит как за счет береговой абразии, так и при оседании наиболее крупнозернистой компоненты влекомых наносов в конусах выноса. Химический состав песков в значительной мере определяется составом пород, слагающих обрамление и малый водосборный бассейн озера. Основные породообразующие минералы песков - кварц, полевые шпаты, слюды, роговая обманка. В глубоководных песках присутствуют акцессорные минералы: рутил, апатит, гранат, циркон [18] (в табл. 5, 6 приводятся среднемноголетние содержания компонентов в процентах, моль/100 г, рассчитанные нами для основных типов донных отложений).
Алевритовые илы занимают склоны всех котловин, основную часть днища южной и большую часть днища северной котловины. Наряду с песками они играют большую роль в осадках Малого Моря, Чивыр-куйского и Баргузинского заливов. Основные породообразующие минералы алевритовых илов - кварц, полевые шпаты, роговая обманка, минералы группы эпидота [18]. Важную роль в составе алевритовых илов играет биогенный опал. Его содержание состав-
ляет 15-16%, достигая в некоторых частях озера 50%, что объясняется большим количеством панцирей диа-томей, имеющих алевритовую размерность. По химическому составу алевритовые илы занимают промежуточное положение между отложениями песчаной размерности и пелитовыми донными осадками.
Распространение пелитовых илов в котловине озера контролируется гидродинамическим режимом и характером питания седиментационным материалом [22; 23]. В южной и центральной котловинах они занимают большую площадь на участках, прилегающих к устьям Селенги, Турки, Баргузина. Главную роль в составе пелитовых илов играют гидрослюды и монтмориллонит [29]. Алевритовая фракция илов содержит кварц, плагиоклазы, ортоклаз, роговую обманку, эпи-дот, биотит и диатомовый опал (до 30%) [18].
Диатомовые илы широко распространены среди донных осадков озера. По гранулометрическому и минеральному составу терригенной компоненты они сходны с алевритовыми илами [18]. Этот факт определяет в основном и химизм диатомовых илов. Снижение в их составе всех породообразующих элементов при возрастании доли общего кремнезема обусловлено разбавлением терригенной составляющей биогенным опалом. Наряду с этим по химизму диатомовые илы очень сходны с алевритовыми.
В работе [19] исследовались донные отложения оз. Байкал (донные осадки + иловые воды, то есть иловые воды не отжимались) на предмет содержания в них следующих химических компонентов: K, Ca, Mg, Al, Si, Fe, S, B, Cu, Cd, Pb, Sr, Zn, Co, U, V, Rb, Mo. В период с 1988 по 1993 гг. на 149 станциях в оз. Байкал А.Н. Гвоздковым были отобраны образцы поверхностных донных осадков (по плотности опробования удовлетворяют геохимическому картированию масштаба 1:2500000). Для отбора образцов использовались различные инструменты, позволяющие получать ненарушенные колонки и монолиты донных осадков (кастен-грейфер, грунтовые трубки Bentos и др.) На всех точках опробовался, как правило, первый верхний сантиметр донного осадка, что главным образом определялось количеством материала, необходимого для анализов. Для определения содержания рассматриваемых компонентов А.Н. Гвоздковым использовался рентгено-флюорисцентный (породообразующие элементы Sr, Zn) и атомно-абсорбционный анализ (другие микроэлементы). Предварительная подготовка аналитических данных предусматривала сглаживание не-равномерностей в распределении компонентов, обусловленное их переменным содержанием в составе отдельных проб. Величина потерь при прокаливании, зависящая от минерального состава осадка, заметно перераспределяющаяся в процессе раннего диагенеза, содержания MnO и Р205, исключались из решения. Затем макрокомпоненты переводились из окисной формы в элементарную с последним пересчетом суммы породообразующих элементов к 100% [17]. Главным фактором, определяющим изменения химических параметров донных осадков оз. Байкал как по площади, так и в вертикальных профилях, является изменение их гранулометрического состава. Это отражается
не только на смене минерального состава донных осадков, но и на характере и интенсивности протекания процессов раннего диагенеза. Поэтому при расчете среднего состава донных осадков оз. Байкал учитывалось количественное распределение их гранулометрических типов. Для оценки количественного распределения основных гранулометрических типов донных осадков использовали карту донных осадков [18]. Площадь распределения песков в поверхностном слое донных осадков составила 11,4%, алевритовых и пелитовых илов - 63,1 и 25,5% соответственно. На основе этих данных было рассчитано содержание химических компонентов (К Ca, Mg, Si, Fe, S, B, Cd, Pb, Sr, Zn, Ц V, Rb, Mo) в современных донных осадках оз. Байкал [17]. Средние содержания химических компонентов осадочных образований были пересчитаны оригинальным переводом из породооб-
разующих элементов в окислы с последующим приведением суммы к 100%.
Содержание органического вещества в донных отложениях составило в среднем 1,9% [16]. Распределение его по площади дна в целом отражает общие для внутренних водоемов черты: от песков к крупным, затем мелким алевритам и глинистым илам происходит нарастание содержания Сорг.
По разрозненным анализам компонентов в донных отложениях, представленных в работах [12; 14-17; 19; 24; 26; 31], по методике (см. рис. 2) приведены в систему, рассчитаны среднемноголетние содержания компонентов в донных отложениях Южного, Селенгин-ского, Среднего, Ушканьеостровского, Северного резервуаров оз. Байкал и представлены в процентах, моль/100 г (см. табл. 3-6).
Среднемноголетние содержания компонентов в донных отложениях оз. Байкал, %
Таблица 3
Компонент Резервуар
Южный Селенгинский Средний Ушканьеостровский Северный
K 3,70 3,89 3,35 2,94 2,89
Na 3,42 3,15 2,55 2,55 2,71
Ca 3,49 3,13 2,93 2,56 3,37
Mg 2,68 2,54 2,31 1,89 2,27
Л! 15,51 15,0 13,10 10,69 11,21
Si 59,74 60,12 69,14 69,03 65,96
Mn 0,14 0,19 0,25 0,24 0,26
Fе 10,48 11,13 5,87 9,72 10,96
^ 0,98 0,94 0,74 0,61 0,63
S 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08
HCO3 - - - - -
а 5,710-3 5,710-3 5,710-3 5,7-10-3 5,710-3
N 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17
P 0,09 0,11 0,13 0,14 0,14
H - - - - -
O - - - - -
As 3,410-3 3,410-3 3,410-3 3Д10-3 3,410-3
B 2,610-3 2,6 10-3 2,6 10-3 2,610-3 2,610-3
^ 0,012 8,910-3 8,210-3 7,3^ 10-3 7,310-3
^ 0,004 3,610-3 5,810-3 5,8^ 10-3 5,410-3
Cd 3,310-5 2,810-5 5 ■ 10-5 5Д10-5 4,610-5
Hg 6,610-6 6,6 10-6 6,6 10-6 6,610-6 6,610-6
Pb 1,910-3 1,810-3 1,710-3 1,410-3 1,610-3
Sr 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015
Zn 8,210-3 8,810-3 9,610-3 8,7-10-3 7,610-3
Co 1,810-3 1,710-3 1,710-3 1,710-3 1,610-3
U 1, 08-10-3 1, 08-10-3 1,0810-3 1,0810-3 1,08^ 10-3
V 0,015 1, 15x10-2 1,11x10-2 1,0710-2 1,1610-2
Br 8,2x10-4 8,2x10^ 8,2x10^ 8,2^ 10-4 8,210-4
Rb 7,3x10-3 8,3x10-3 0,007 5,4^ 10-3 0,006
Mo 3,310-4 2,910-3 2,2 10-4 2,9^ 10-3 3,310-4
Cорг 1,97 1,88 2,52 2 1,09
Nорг 0,19 0,18 0,21 0,2 0,17
P горг 5,0310-2 4,81 10-2 6,4510-2 5,1210-2 2,7910-2
Sорг 0,027 2,58-10-2 3,4610-2 2,7410-2 0,015
CO2 0,113 0,113 0,113 0,113 0,113
Таблица 4
Среднемноголетние содержания компонентов в донных отложениях оз. Байкал, моль/100 г_
Независимый компонент Резервуар
Южный Селенгинский Средний Ушканьеостровский Северный
К 0,05 5,1210"2 4,26 10"2 3,76 10"2 0,04
N8 0,08 7,0410"2 5,5210"2 5,56 10"2 5,99 10"2
Са 0,04 4,02 10"2 3,6310"2 3,1910"2 4,2710"2
Мд 0,06 5,3710"2 4,73 10"2 3,91 10"2 4,7310"2
А1 0,30 0,29 0,24 0,20 0,21
Б1 1,09 1,10 1,22 1,23 1,19
Мп 1,30 10"3 1,7410"3 2,2210"3 2,20 10"3 2,36 10"3
Ре 9,65 10-2 0,10 5,2210"2 8,71 10"2 9,97 10"2
Б 1,30 10"3 1,3010"3 1,26 10"3 1,2610"3 1,28 10"3
С - - - - -
С1 8,27 10-5 8,2610"5 7,9910"5 8,05 10"5 8,1710"5
N 6,35 10-3 6,34 10"3 6,1310"3 6,1810"3 6,27 10"3
Р 1,54 10-3 1,85 10"3 2,0410"3 2,30 10"3 2,33 10"3
Н - - - - -
0 1,88 2,97 3,05 3,04 3,03
Аб 2,33 10-5 2,3310"5 2,2510"5 2,27 10"5 2,30 10"5
В 1,24 10-4 1,2410"4 1,20 10"4 1,2010"4 1,22 10"4
Сг 1,19 10-4 8,8010"5 7,84 10"5 7,03 10"5 7,1310"5
Си 3,2410-5 2,91 10"5 4,53 10"5 4,5710"5 4,3210"5
СЬ 1,51-10"' 1,2810"' 2,21 10"' 2,4010"' 2,0810"'
Нд 1,6910-8 1,69 10"8 1,6310"8 1,6510"8 1,67 10"8
РЬ 4,72 10"6 4,47 10"6 4,08 10"6 3,38 10"6 3,92 10"6
Бг 8,80 10"5 8,8010"5 8,51 10"5 8,57 10"5 8,69 10"5
гп 6,45 10"5 6,9210"5 7,3010"5 6,6610"5 5,90 10"5
Со 1,5710"5 1,48 10"5 1,43 10"5 1,44 10"5 1,38 10"5
и 2,33 10"6 2,3310"6 2,2510"6 2,27 10"6 2,30 10"6
V 1,51 10"4 1,1610"4 1,08 10"4 1,0510"4 1,1610"4
Вг 5,28 10"6 5,2810"6 5,1010"6 5,1410"6 5,21 10"6
РЬ 4,39 10"5 4,99 10"5 4,07 10"5 3,1610"5 3,57 10"5
Мо 1,7710"6 1,55 10"5 1,1410"6 1,51 10"5 1,75 10"6
Сорг 8,42 10"2 8,0410"2 0,10 8,3410"2 4,61 10"2
^рг 6,98 0"3 6,61 10"3 7,45 10"3 7,1510"3 6,1610"3
Рорг 8,35 10"4 7,9710"4 1,0310"3 8,27 10"4 4,5710"4
Борг 4,33 10"4 4,1310"4 5,3610"4 4,2810"4 2,37 10"4
Таблица 5
Среднемноголетние содержания компонентов в основных типах донных отложений оз. Байкал
Компонент Донные отложения открытого Байкала, %
пески алевритовые илы пелитовые илы диатомовые илы
К 2,63 4,2 3,99 2,69
N8 3,28 378 273 271
Са 3,25 4,05 3,09 3,14
Мд 1,61 3,16 2,'5 2,18
А1 10 1',3 1' 117
Б1 '3,5 52,8 56,6 66,1
Мп 0,126 0,3'3 0,536 0,68'
Ре 5Л 13,5 12,9 10,9
Б 6,61 10"2 8,9410"2 6,71 10"2 5,47 10"2
НСО3 - - - -
С1 3,410"3 5,710"3 5,7 10"3 5,110"3
N 0,15 0,2 0,1' 0,19
Р ',94x10"2 0,146 0,162 0,168
Н - - - -
02 - - - -
АБ 3,5-10"3 5,310"3 1,4 10"3 1,410"3
В 2,110"3 2,910"3 2,1 10"3 2,6-10"3
Сг 7,6-10"3 0,011 1,03 10"2 1,0410"2
Си 2,6-10"3 4,710"3 5,1 10"3 4,6-10"3
СЬ 2,5-10"5 4,410"5 410"5 4,110"5
Нд 2,7-10"6 6,4-10"° 7,5 10"6 6,3-10"6
Таблица 6
Среднемноголетние содержания компонентов в основных типах донных отложений оз. Байкал:
Pb 1,510-3 1,810-3 2,1 -10"3 1,810-3
Sr 4,41 10-2 2,8210-2 2,51 -10"2 2,9210-2
Zn 6,1 10-3 8,6-10-3 9,6 10-3 8,6-10-3
Со 1,1-10-3 1,710-3 1,8 10-3 1,710-3
U 1,1-10-3 0,001 1,1-10-3 1,1-10-3
V 9,3-10-3 1,41-10-2 1,71-10-2 1,43 10-2
Br - - - -
Rb 7,7-10-3 6,8-10-3 6,310"3 6,8-10-3
Mo 1,210"4 2,8-10-4 410-4 2,9-10-4
Сорг 0,65 1,73 2,49 2,15
^рг 0,06 0,215 0,3 0,275
Рорг 1,66 10"2 4,43 10"2 6,37 10-2 0,055
^рг 8,92 10-3 2,3710-2 3,42 10-2 2,9510-2
СО2 0,08 0,12 0,09 0,11
Независимый компонент Донные отложения открытого Байкала, моль/100 г
пески алевритовые илы пелитовые илы диатомовые илы
K 3,3610"2 5,64 10"2 5,25 10"2 3,45 10"2
Na 0,07 8,63 10"2 6,11 -10"2 5,91 10"2
Ca 4,0410-2 5,30 10"2 3,97 10"2 3,9310"2
Mg 0,03 6,83 10"2 5,82 10"2 4,5010"2
Al 0,19 0,34 0,32 0,22
Si 1,30 0,99 1,04 1,18
Mn 1,14-10-3 3,56 10"3 5,03 10"3 6,2910"3
Fe 4,61 -10"2 0,13 0,12 9,7910"2
S 1,03 10"3 1,46 10"3 1,08 10"3 8,5710"4
C - - - -
С1 4,78 10-5 8,44 10"5 8,28 10"5 7,2310"5
N 5,3410-3 7,49 10"3 6,25 10"3 6,8210"3
Р 1,2810-3 2,47 10"3 2,69 10"3 2,7210"3
Н - - - -
О 3,11 2,99 3,05 1,93
аб 2,33 10-5 3,71 10"5 9,62 10"6 9,3910"6
В 9,68 10-5 1,41 10"4 1,0010"4 1,21-10"4
Сг 7,29 10-5 1,11 -10"4 1,02 10"4 1,01-10"4
Си 2,0410-5 3,88 10"5 4,1310"5 3,6410"5
СЬ 1,11-10"' 2,0510"' 1,8310"' 1,8310"'
Нд 6,71 -10"9 1,67-10"° 1,93-10"° 1,58-10"°
РЬ 3,61 10"6 4,56 10"6 5,22 10"6 4,37 10"6
Sr 2,51 10"4 1,69 10"4 1,47 10"4 1,6710"4
Zn 4,65 10"5 6,90 10"5 7,56 10"5 6,61 10"5
Со 9,30 10"6 1,51 10"5 1,57 10"5 1,45 10"5
и 2,30 10"6 2,20 10"6 2,38 10"6 2,3210"6
V 9,1010"5 1,45 10"4 1,73 10"4 1,41-10"4
Вг - - - -
Rb 4,49 10"5 4,1710"5 1,90 10"5 3,9910"5
Мо 6,2310"' 1,53 10"6 2,1510"6 1,5210"6
Сорг 2,70 10"2 7,56 10"2 0,11 8,9910"2
Иорг 2,1310"3 8,05 10"3 1,1010"2 9,8610"3
Рорг 2,68 10"4 7,50 10"4 1,0610"3 8,9210"4
Sорг 1,3910"4 3,88 10"4 5,4910"4 4,62-10"4
Из данных, представленных в табл. 3-6, можно сделать следующие выводы:
Среднемноголетние химические составы донных отложений резервуаров оз. Байкал достаточно близки. При этом характеристики приходных и расходных статей содержаний компонентов в химических балансах резервуаров озера, показанные в работах [3-7], отличаются как по основным источникам прихода макро-, микрокомпонентов, биогенных элементов и органического вещества, так и по количеству поступления этих
компонентов в резервуары. Данное положение можно объяснить сходством функций вещества вод резервуаров озера в отношении их пропускной и аккумулирующей способностей относительно поступающих с внутренними и внешними потоками основных элементов, микроэлементов, биогенных элементов и органического вещества, заключающейся в открытости -способности частично или полностью пропускать (транзит) и обмениваться между резервуарами следующими компонентами: HCO3", SO42", С1", К+, Na+,
Са2+, Мд2+, В, Мо, Нд, Бг, Сорг, 1Морг, Борг и закрытости в отношении остальных компонентов (части катионов основных компонентов, биогенных элементов, части органического вещества, микроэлементов), которые связываются (вступают в комплексообразование) и остаются в резервуарах (захораниваются или вступают в химический круговорот). По этим компонентам вещество вод резервуаров полуавтономно, закрыто и не обменивается с веществом вод других резервуаров. Различие функций вещества вод резервуаров заключается в том, как расходуются аккумулированные компоненты: в Селенгинском резервуаре они за-
хораниваются, в остальных небольшая их часть захоранивается, а большая часть вступает в химический круговорот.
С потоком в донные отложения в виде взвеси поступают только активные элементы - элементы-комплексообразователи, а их набор в каждом резервуаре примерно одинаков [3-7], поэтому химический состав донных отложений резервуаров озера близок. Качественные характеристики осадконакопления в резервуарах близки, различием же является скорость осадконакопления: высокая по сравнению с другими в Селенгинском резервуаре и низкая в остальных резервуарах.
Сравнение процентного содержания основных, микро-, биогенных элементов и органического вещества в донных отложениях по резервуарам показало, что донные отложения во всех резервуарах на три четвертых состоят из биогенных элементов, а точнее из кремния и железа (табл. 7). Катионы основных ком-
понентов, поступившие с потоком в донные отложения резервуаров, составляют значительный процент. Доля микроэлементов в общем содержании компонентов больше, чем основных компонентов, при этом основное их количество составляет алюминий. Органических веществ в донных отложениях резервуаров мало, и основное их количество составляет Сорг (см. табл. 3).
Сравнение химических составов донных отложений и седиментационных потоков (потоков в донные отложения) в резервуарах показало, что они близки: более чем на 70% состоят из биогенных элементов, микроэлементов и органического вещества (табл. 8).
Таблица 7
Таблица 8
Следовательно, химический состав донных отложений резервуаров обусловлен избирательной утилизацией вещества в донные осадки оз. Байкал: с внут-риводоемными потоками в донные отложения поступают элементы-комплексообразователи: биогенные элементы, Рорг, часть остального органического вещества, часть основных компонентов - катионов - и группа микроэлементов. Установлено, что во всех резервуарах оз. Байкал кроме Селенгинского процент утилизации (захоронения) поступающего вещества очень низок вследствие того, что вещество, поступившее с потоком в донные отложения за отсутствием малой части возвращается с потоком из донных отложений [3-7]. В четырех резервуарах озера утилизация вещества ничтожна (около 10%), при этом существуют мощные химические круговороты компонентов. В Селенгинском резервуаре захоранивается 85% вещества, поступившего с потоком в донные отложения.
Статья поступила 24.07.2014 г.
Содержание основных, микро-, биогенных элементов и органического вещества _в донных отложениях резервуаров оз. Байкал, %_
Компонент Резервуар
Южный Селенгинский Средний Ушканьеостровский Северный
Донные отложения 100 100 100 100 100
Основные компоненты 10 10 8 8 9
Микроэлементы 18 17 15 12 13
Биогенные элементы 70 71 75 78 77
Органические вещества 2 2 2 2 1
Содержание основных, микро-, биогенных компонентов и органического вещества _в веществе потоков в донные отложения в резервуарах оз. Байкал, %_
Компонент Резервуар Всего по оз. Байкал
Южный Селенгинский Средний Ушканьеостровский Северный
Поток в донные отложения 100 100 100 100 100 100
основные компоненты 20,3 19 20,8 15,8 21,3 19,5
микроэлементы 5,8 11 4,9 5,7 3,3 6
биогенные элементы 70,6 66 69,1 74,9 73 70,8
органические вещества 3,3 4 5,2 3,6 2,4 3,7
1. Астраханцева О.Ю. Создание физико-химической модели «Метасистема "Озеро Байкал"». Выделение полуавтономных подсистем в озере Байкал // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. 2003. № 7. С. 124-129.
2. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Выделение полуавтономных систем в озере Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета.
2010. № 4 (44). С. 27-37.
3. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Южного резервуара оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета.
2011. № 8 (55). С. 16-28.
4. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Селенгинского резервуара оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2012. № 1 (60). С. 20-32.
5. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Среднего резервуара оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета.
2012. № 3 (62). С. 28-42.
6. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Ушканьеостровского резервуара оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2012. № 5 (64). С. 36-50.
7. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Северного резервуара оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета.
2013. № 3 (74). С. 35-47.
8. Байкал. Атлас / гл. ред. Г.И. Галазий. М., 1993. 169 с.
9. Богданов Ю.А., Купцов В.М., Шевченко В.П. [и др.]. Современные потоки химических элементов из водной толщи в донные осадки озера Байкал // Доклады РАН. 1997. Т. 352. № 1. С. 100-104.
10. Бруевич С.В. Некоторые методы химического исследования грунтов и грунтовых растворов моря: труды Науч.-исслед. учреждения Главн. упр. гидрометслужбы СССР. Серия 5, вып. 7, 1944.
11. Буров В.С., Кожов М.М., Талызин М.Ф., Тимофеев С.И. Материалы к распределению грунтов и фауны прибрежной полосы Северного Байкала // Известия Биолого-географического института при Иркутском университете. 1934. Т. 6. Вып. 1. С. 154-168.
12. Ветров В.А., Кузнецова А.И. Микроэлементы в природных средах региона озера Байкал. Новосибирск: Изд-во СО РАН НИЦ ОИ ГГМ, 1997. 236 с.
13. Вотинцев К.К. Биогенные элементы в грунтовых растворах озера Байкал // Доклады АН СССР. 1950. Т. 75. № 1. С. 63-66.
14. Вотинцев К.К. Гидрохимия озера Байкал. М.: Изд-во АН СССР, 1961. 311 с.
15. Выхристюк Л.А. Поступление основных химических элементов в донные отложения Байкала, особенности их рас-
ский список
пределения и преобразования // Круговорот вещества и энергии в водоемах. Морфология, литодинамика, седиментация. Лиственичное на Байкале: тезисы докл. 1977. С. 7073.
16. Выхристюк Л.А. Органическое вещество донных осадков Байкала. Новосибирск: Наука, 1980. 80 с.
17. Гвоздков А.Н. Геохимия современных донных осадков озера Байкал: дис. ... канд. геолог.-минералог. наук. Иркутск, 1998. 209 с.
18. Голдырев Г.С. Осадкообразование и четвертичная история котловины Байкала. Новосибирск: Наука, 1982. 181 с.
19. Ломоносов И.С., Пампура В.Д., Гапон А.Е. [и др.]. Металлы в воде и донных отложениях Южного Байкала и его притоков. В кн.: Мониторинг состояния озера Байкал. Л.: Гидро-метеоиздат. 1991. С. 76-94.
20. Мизандронцев И.Б. Химический состав грунтовых растворов и вод придонного слоя // Лимнология придельтовых пространств Байкала. Л.: Наука, 1971. С. 64-81.
21. Мизандронцев И.Б. Осадкообразование. В кн.: Проблемы Байкала. Новосибирск: Наука, 1978. С. 33-46.
22. Мизандронцев И.Б. Геохимия поровых вод донных отложений Байкала: тезисы докл. 11-го Междунар. симпозиума по геохимии природных вод. Ростов-н/Д., 1982. С. 157-158.
23. Мизандронцев И.Б. Процессы осадкообразования. В кн.: Литодинамика и осадкообразование Северного Байкала. Новосибирск: Наука, 1984. С. 163-198.
24. Мизандронцев И.Б., Тарасова Е.Н. Органический углерод в грунтовых растворах Байкала. В кн.: Природа Байкала. Л.: Наука, 1974. С. 156-167.
25. Мизандронцев И.Б., Шимараева М.К. Донные отложения Байкала как естественная пористая среда // Геологические и гидрологические исследования озер Средней Сибири. Листвянка-на-Байкале. 1973. С. 3-14.
26. Пампура В.Д., Кузьмин М.И., Гвоздков А.Н. [и др.]. Геохимия современной седиментации оз. Байкал // Геология и геофизика. 1993. Т. 34. № 10-11. С. 52-67.
27. Патрикеева Г.И. Донные отложения Малого Моря // Труды Байкальской лимнологической станции. Иркутск, 1959. Т. 17.
28. Патрикеева Г.И. К геохимии фосфора в южной части озера Байкал. Труды Байкальской лимнол. станции АН СССР. Т. 3 (23). Иркутск, 1963. С. 120-143.
29. Ратеев М.А. Глинистые минералы в донных осадках Южного Байкала // Доклады АН СССР. 1952. Т. 82. № 6. С. 981 -983.
30. Страхов Н.М. Общая схема осадкообразования в современных морях и озерах малой минерализации. В кн.: Образование осадков в современных водоемах. М.: Изд-во АН СССР, 1954. С. 275-377.
31. Тарасова Е.Н., Мещерякова А.И. Современное состояние гидрохимического режима озера Байкал. Новосибирск: Наука, 1992. 142 с.
