Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по земле САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УСЕНКОВ Святослав Михайлович

ГЕОЭКОЛОГИЯ И СЕДИМЕНТОЛОГИЯ БОЛЬШИХ ОЗЕР (на примере Ладожского озера и других озер Северной Европы и Северной Америки)

Специальность 25.00.36 Цгеоэкология А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2007

Работа выполнена на геологическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета

Официальные оппоненты:

Доктор геолого-минералогических наук, профессор Куриленко Виталий Владимирович (СПбГУ, Санкт-Петербург) Доктор геолого-минералогических наук, профессор Рудник Вячеслав Александрович (ИГГД РАН, Санкт-Петербург) Доктор геолого-минералогических наук, профессор Рыбалко Александр Евменьевич (ФГУНПП СЕВМОРГЕО, Санкт-Петербург) Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана им. И. С.

Грамберга (ФГУП ВНИИОкеангеология), Санкт-Петербург

Защита состоится 4 октября 2007 г. в 15.00 в ауд. 52 на заседании диссертационного совета Д 212.232.47 по защите докторских диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб. 7/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан___________2007 г.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять в диссертационный совет по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб. 7/9, геологический факультет, диссертационный совет Д 212.232.47, ученому секретарю.

Ученый секретарь диссертационного совета к. г.-м. н., доцент Н. А. Калмыкова

Актуальность темы. Все более усиливающееся влияние потоков антропогенного вещества на процессы природного осадконакопления и экологическое состояние аквальных систем ставит вопрос о поисках наиболее приемлемых индикаторов техногенного прессинга. В этой связи донные отложения рассматриваются как носители информации об изменениях, имеющих место в бассейнах седиментации, как своеобразный архив данных состояния окружающей среды, т.к. они отражают интегрированную во времени сумму антропогенного воздействия на аквальные системы.

В связи с проблемой дефицита чистой пресной воды в последнее время особое внимание привлечено к большим озерам мира - естественным хранилищам пресных вод. Повышенный интерес вызывают озера, которые издавна осваивались человеком и сейчас оказались составной частью развитых в хозяйственном отношении регионов. Это, в первую очередь, две известные озерные системы: озера Верхнее, Мичиган, Гурон, Эри, Онтарио - в Северной Америке, а также Ладожское, Онежское и оз. Венерн - в Европе.

Европейские озера, хоть и уступают в размерах американским, тем не менее, являются крупнейшими на континенте, намного превосходя практически все остальные по площади и объему. Их по праву можно назвать Великими озерами Европы.

Интенсивное антропогенное воздействия на природу экосистем больших озер в последние десятилетия привело к серьезным нарушениям естественного хода развития и функционирования природной среды, флоры, фауны и даже к их частичной деградации. Это, несомненно, ставит как одну из важнейших задачу охраны природы озерных бассейнов, максимально возможного сохранения экологического равновесия и, в конечном счете, восстановления окружающей природной среды. Постановка такой задачи и ее решение обусловливает необходимость разработки и осуществления комплексной программы экологоседименологических исследований крупных озер.

Цель исследования состоит в выявлении основных закономерностей современного озерного седиментогенеза с участием техногенной составляющей, а также в сравнительном анализе геоэкологического состояния геосистем больших озер Северной Европы и Северной Америки. В ходе исследования были поставлены и решены следующие основные задачи:

Х на системной картографической основе с использованием ГИС-технологий создана концептуальная экологоЦседиментологическая информационная база данных по большим озерам Европы и Северной Америки;

Х выполнен всесторонний анализ литогенной основы озерных геосистем, включая геологогеоморфологическое строение, историю геологического развития, гидродинамические и гидрографические особенности, седиментологические и литолого-геохимические параметры;

Х выявлены основные источники антропогенного воздействия, а также пути поступления загрязняющих веществ и особенности их распределения в озерах, разработаны представления о динамике потоков природного и техногенного осадочного материала в озерных бассейнах;

Х дана оценка роли донных отложений как индикаторов загрязнения аквальных систем, выявлены связи между динамическими условиями на дне и поведением седиментационного материала (в том числе токсичного) в различных обстановках;

Х выявлены зоны устойчивого проявления процессов техногенного седиментогенеза, где признаки, характеризующие тип и уровень техногенной седиментации, становятся заметными и доминирующими;

Х разработаны подходы и выполнена сравнительная оценка интенсивности и общей степени загрязнения донных отложений больших озер Северной Европы и Северной Америки.

Подход и методы исследования. Основной подход к решению поставленных задач заключается в следующем. Физические и химические параметры донных отложений достаточно точно отражают как природные процессы и антропогенную нагрузку в пределах областей питания, так и изменения, имеющие место в пределах бассейна. С помощью информации о донных осадках можно выявить направленность и интенсивность техногенного воздействия.

Исследования сочетали как традиционный комплекс седиментологических методов, так специальные геоэкологически ориентированные приемы и методы. Для отдельных видов исследований были разработаны свои собственные подходы и методики. Материалы наблюдений в виде формализованных параметров и другая фактографическая информация были сведены в базы данных. Анализ, обработка, представление данных в значительной степени осуществлялись с использованием ГИС-технологий, которые позволяют эффективно работать с пространственно - распределенной информацией. Они являются закономерным расширением концепции баз данных, дополняя их наглядностью представления и возможностью решать задачи пространственного анализа.

Фактический материал. В основу работы легли данные, полученные в ходе эколого-геохимических исследований, проведенных при участии и под руководством автора в 1981-2004 гг. в Ладожском озере, Невской губе, Финском заливе и на других акваториях. Материал непосредственно по Ладожскому озеру основан, в том числе, на результатах наблюдений по более чем 400 станциям опробования, расположенным в пределах озерной акватории. Полевые материалы были получены в период проведения собственных экспедиций и совместных с научными организациями С.-Петербурга - ВНИИ Океангеология, Института Озероведения РАН, ГНПП Севморгео и Всероссийского геологического института (ВСЕГЕИ).

Автор собрал и проанализировал комплексную базу данных по седиментологии и геоэкологии больших озер Европы и Северной Америки, что позволило создать платформу для всестороннего сравнительного исследования, ориентированного, прежде всего, на процесс.

Научная новизна и теоретическая значимость заключается в следующем:

Х Впервые выполнено теоретическое обобщение по седиментологии и геоэкологии больших озер Европы и Северной Америки и на этой основе выявлена принципиально новая информация о закономерностях и механизмах трансформации и взаимодействия потоков природного и антропогенного осадочного вещества в аквальных геосистемах;

Х установлено, что геосистемы Великих озер Европы и Северной Америки характеризуются близкими по своим значениям морфометрическими, гидрологическими и гидрохимическими параметрами, т. е.

обладают одинаковым лимнологическим статусом;

Х Обоснована роль донных отложений как важнейших индикаторов загрязнения водных систем. Выявлена ведущая роль седиментологических факторов в формировании геоэкологического состояния аквальных бассейнов и показано, что осадки являются носителями информации о состоянии окружающей среды.

Х Разработаны принципы выделения динамических типов дна, качественно описаны и охарактеризованы связи между динамическими условиями осадконакопления и загрязняющими компонентами, установлены параметры, наиболее адекватно отражающие техногенную нагрузку;

Х Предложен метод дисперсного районирования, позволяющий выявить нагрузку отдельных токсичных компонентов в конкретных точках с учетом природных процессов, что дает возможность непосредственно проследить пути перемещения загрязнителей от места поступления в бассейн до области окончательного захоронения.

Х Разработан подход к оценке качества донных отложений и на этой основе рассчитаны степень и интенсивность загрязнения донных отложений больших озерных систем Мира и проведен сравнительный анализ их геоэкологического состояния.

Практическая значимость и реализация работы. Разработанный комплекс исследований аквальных геосистем, основанный на изучении седиментологических процессов, апробирован:

Х при оценке состояния водных объектов и выработке природоохранных рекомендаций (Ладожское озеро);

Х при оценке исходного состояния среды и выполнении процедуры ОВОС на участках добычи Fe-Mn конкреций (Финский залив) и создания намывных территорий (Лужская губа);

Х при подготовке Природоохранного атласа Российской части Финского залива.

Результаты исследований внедрены в качестве научных отчетов, и авторских публикаций. В администрациях Санкт-Петербурга и Ленинградской области материалы были использованы для улучшения экологической ситуации.

Созданная в ходе исследований база данных по различным аспектам седиментологии и геоэкологии крупнейших озерных систем мира, а также комплект построенных геоэкологических карт служат основой для разработки экологических сценариев, оценки качества вод и проведения системного мониторинга состояния аквасистем. Предложенный подход к расчету степени и интенсивности загрязнения донных отложений послужит вкладом в разработку национальных критериев оценки качества аквальных систем с использованием седиментологических индикаторов. Разработанные принципы динамического районирования дна дают возможность более обосновано выявить точки для мониторинга, места для разработки подводных карьеров и организации подводных свалок грунта. Теоретические положения работы и представленный фактический материал используются в учебном процессе в ВУЗах при подготовке специалистов по седиментологии и геоэкологии.

ичный вклад автора. Основные результаты были получены при осуществлении плановых НИР во НИИ Земной Коры СПбГУ, где автор являлся ответственным исполнителем или входил в авторский коллектив. Автор руководил седиментологическими исследованиями и лично участвовал в работах всех этапов, начиная с постановки задачи, планирования работ, выбора точек пробоотбора, собственно опробования и анализа материалов. Обоснование главных выводов работы выполнено лично автором.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной конференции Экологическая геология и природопользование (СПб, 2000), Новые идеи в науках о Земле (Москва, 2001), Экологическая геология и рациональное недропользование (СПб., 2003), Биокостные соединения (СПб., 2004), 8-я международная специализированная выставка и конференция AQUATERRA-20(СПб., 2005), Международный экологический форум День Балтийского моря (СПб., 2005, 2006, 2007), Second International Conference on Remediation of Contaminated Sediments (Venice, Italy, 2003), World Water Week in Stockholm (Stockholm. 2006) и многих других (более 20). Результаты исследований неоднократно обсуждались на литологических семинарах кафедры литологии и морской геологии СПбГУ и кафедры седиментологии университета Упсалы (Швеция).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 работ, в том числе 4 монографий (в соавторстве), атлас и более 20 статей в сборниках трудов и реферируемых журналах. Основные результаты работ изложены в 12 научных и производственных отчетах.

Структура и объем работы. Работа состоит из пяти глав, введения и заключения общим объемом 2страниц, включая 87 рисунка, 49 таблиц и список литературы из 293 наименований.

В первой главе описываются главные принципы изучения геоэкологии аквальных систем на основе седиментологического подхода. Приводится типизация озер и дается характеристика больших озер Северной Европы и Северной Америки как природных геосистем.

Во второй главе на примере Ладожского озера и других больших озер рассмотрены геологогеоморфологические, гидрографические, гидродинамические и литодинамические особенности озерных геосистем. Делается вывод о схожем характере лимнологического статуса описанных озерных бассейнов.

В третьей главе дается детальная характеристика литологических и физико-химических особенностей донных отложений больших озер. Показано, что структурная и минералогоЦпетрографическая трансформация осадков происходит главным образом под действием волновых и связанных с термобаром циркуляционных течений.

В главе четвертой приводится подробная характеристика основных источников воздействия, рассматриваются пути поступления загрязняющих веществ, и дается оценка антропогенной нагрузки на геосистемы больших озер.

Пятая глава содержит сведения о распределении загрязняющих вещества в поверхностных и придонных водах, взвеси, донных отложениях и биотическом комплексе больших озер. Дана характеристика уровня загрязненности вод. Приводится оценка бентосные организмы как показателей геоэкологического состояния Ладожского озера.

Глава шестая посвящена сравнительной оценке донных отложений как индикаторов загрязнения водных объектов. Сформулированы принципы выделения динамических обстановок осадконакопления.

Охарактеризованы связи между динамическими условиями на дне, физическими и химическими особенностями осадков и их загрязнением в больших озерах.

В седьмой главе даются представления о техногенном седиментогенезе. Описываются зоны, где на ход природного процесса активно влияет антропогенный прессинг. Дается характеристика ассимиляционной емкости осадков и процессов вторичного загрязнения аквасистем в связи с ресузпензией.

Восьмая глава посвящена сравнительному анализу загрязнения донных отложений больших озер Ев ропы и Северной Америки. Охарактеризованы эмпирические соотношения между седиментологическими параметрами и загрязняющими веществам. Описан принципиально новый подход к определению уровня загрязнения донных осадков. Рассчитаны интенсивность и степень загрязнения донных отложений ряда больших озер и на этой основе дана оценка их геоэкологического состояния.

В заключении приведены выводы, вытекающие из результатов исследования.

Благодарности. Настоящая работа не могла быть выполнена без помощи и поддержки. Прежде всего, автор считает своим долгом вспомнить своих учителей, проф. д.г.-м.н. Н.В. Логвиненко и проф. д.г.-м.н.

В.Н. Шванова, в общении с которыми формировалось его научное мировоззрение. Автор искренне благодарен А. Г. Свешникову, В. А. Щербакову, Т. А. Ситникову, В. Н. Беликову, А. Д. Краснюку за оказание неоценимой помощи в проведении полевых работ.

Автор признателен за постоянную поддержку и внимание к работе проф. д.г.-м.н. О.И. Супруненко, проф. д.г.-м.н. Г.Б. Свешникову, В. И. Гуревичу. При написании работы автор пользовался консультациями и советами д.б.н. В. Б. Погребова, д.г.-м.н Г. И. Иванова, О. А. Кийко, А. А. Намятова, за что им очень благодарен. Автор считает своим долгом выразить благодарность и признательность своим зарубежным друзьям и коллегам: Л. Хокансену и М. Линдстрему (Университет Упсалы), Т. Флодену и С.

Хагенфельду (Стокгольмский университет) за совместные научные исследования, предоставление данных, обсуждение материалов и плодотворные дискуссии, а также дружескую поддержку и финансовую помощь. Большую роль в изучении проблемы сыграли лабораторные исследования и эксперименты, за что соискатель признателен проф. д.г.-м.н. Э. А. Гойло, М. А. Яговкиной и другим. Автор глубоко благодарен коллегам по кафедре литологии М. В. Платонову, М. А. Тугаровой, Н. Г. Гончаровой, общение с которыми способствовало развитию идей, изложенных в настоящей работе.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ Положение 1. Геосистемы больших озер Северной Европы и Северной Америки обладают одинаковым лимнологическим статусом. Литогенная основа выступает как каркас геосистемы, а ее связи с другими составляющими проявляются посредством потоков осадочного вещества, а также организующего и регламентирующего воздействия на гидрологический режим.

Подход к изучению. Задачи, решаемые в рамках одной дисциплины (экологические, седиментологические, геоэкологические и др.), в последнее время все больше вытесняются мультидисциплинарными проблемами, т. к. причины и реальные формы проявления природных процессов чаще многофакторны и их изучение требует комплексного подхода. В связи с этим назрела необходимость пересмотреть в целом проблематику научного направления аквальной седиментологии в тесном взаимодействии с геоэкологией, т.е. переходить от покомпонентного изучения природной среды к изучению геосистем в условиях возрастающего антропогенного стресса. При этом какие бы осложнения в природный процесс не вносилось в ходе антропогенного воздействия естественным регулятором динамики всех этих явлений и его конечным результатом является природный седиментогенез. Седиментологический анализ, таким образом, заявляет о себе не только как метод изучения минерального вещества, но и как важнейший инструмент экологического анализа. При таком подходе системы больших озер, имеющие стратегическое значение, привлекают особое внимание. Озера содержат более 50% поверхностных пресных вод, пригодных для питья. На озерах широко развито рыбное хозяйство и рыбные промыслы, по ним проходят транспортные пути, во многих случаях они являются основными источниками водоснабжения. Озера аккумулируют большинство гидрофобных органических контаминантов, металлов и эвтрофных компонентов, так как не обладают механизмом самоочищения. Поэтому, исходя из их экономической, эстетической и социальной ценности и их склонности к деградации, озера требуют более концентрированного изучения.

В классических работах по осадконакоплению и лимногеоэкологии седиментологическим процессам в озерах, если и уделяется внимание, то весьма скромное. Одна из главных целей предлагаемого исследования дать относительно полное описание базовых седиметологических принципов для больших озер, фокусируя внимание на геоэкологических аспектах и субстанциях, имеющих отношение к озерному менеджменту - более на проблемах седиментогенеза и окружающей среды, чем на обще геологических аспектах. Причем, в работе предпринята попытка достичь данной цели с междисциплинарных позиций. Этот подход показан на рис. 1.

Рис. 1. Геоэкоседиментология озер как мультидисциплинарная наука. Место в системе смежных наук.

Многие факторы определяют количественные и качественные характеристики процесса осадконакопления. В предлагаемой работе внимание сфокусировано главным образом на экоседиментологических аспектах озерного осадконакопления. Это детальное исследование динамки техногенного осадочного материала, загрязнения вод и донных отложений и оценка состояния природной среды. В большей степени акцент делается на анализе седиментогенеза и геоэкологического состояния Ладожского озера. Это естественно, поскольку, во-первых, именно материалы по Ладоге получены при непосредственном участии автора, во вторых, в ходе исследований озера была выявлена качественно новая информация, которая и послужили основой для сравнительного изучения больших озер. Поэтому в первых главах работы внимание концентрируется на особенностях Ладожского озера, но при этом постоянно для сравнения приводится информация по другим большим озерам Мира.

Представляемая работа завершает этап исследований, где Ладожское озеро и другие большие озера Европы и Северной Америки рассматриваются как единые геосистемы, единые седиментационные бассейны со специфической схемой саморазвития. При этом техногенный седиментогенез впервые рассматривается в общей системе с природным процессом осадконакопления. Ранее эта проблема не ставилась, поскольку в ней не было необходимости.

Сбор основного фактического материала, положенного в основу работы, приходился на самый конец эпохи социалистического хозяйствования (1989-1995). И, хотя к этому времени уже были приняты некоторые меры по охране озер, можно считать, что время исследования совпало с пиком хозяйственной деятельности, а следовательно, с пиком техногенной нагрузки на озера. В этом отношении фактологическая часть работы весьма важна как определенный репер для ретроспективного сравнения изменения состояния геосистемы.

Гляциальные озера. Практически все озера в Северной Европе и Северной Америке подвергались воздействию аномальных по своей силе рельефообразующих процессов в последнюю гляциальную эпоху.

Эти озера и являются основными объектами предлагаемого исследования. Ни один из факторов, обусловливающих возникновение озер, не может сравниться по своей значимости с воздействием плейстоценовой гляциации (Хатчинсон, 1957). Особенно ярко это проявляется в пределах Балтийского и Канадского кристаллических щитов. В этих регионах весь ландшафт создан за счет ледниковой активности и изостатического поднятия территории. История развития в период с 8000 л д. н. эры до наших дней в значительной степени определила лимнологический и седиментологический статус озер этих районов. Именно по этой причине в работе внимание фокусируется на больших озерах бореальной зоны: они широко распространены, они доминируют в ландшафтах, кроме того, обладают крайне высокой экологической и практической ценностью.

Озера как природные геосистемы. Одна из важнейших задач исследований водных бассейнов - изучение круговорота вещества литосферы в толще вод и непосредственно на дне. В последнее время техногенное воздействие оказывает все более усиливающееся влияние на процессы осадкообразования, формирования геоэкологических особенностей больших озер Европы и Северной Америки. Поэтому оценка потоков загрязняющих веществ и выявление источников их поступления, аккумуляции и влияния на природные осадки весьма актуальны для сохранения данных озер.

Большие озера, несомненно, можно отнести к природным геосистемам, при выделении и описании которых наиболее важны и разнообразны абиотические характеристики (Солнцев, 1973; Глазовская, 1983). Геолого-геоморфологическая основа, наряду с гидрологическим режимом, играет решающую роль в формировании озерной геосистемы (Зубов, 1985; Усенков, 2003). Это инертное начало выступает как скелет экосистемы. Связи геолого-геоморфологической основы с другими составляющими геосистемы проявляются посредством потоков осадочного вещества, а также организующего и регламентирующего воздействия на гидрологический режим и свойства воздушных масс.

Озерные системы Северной Америки и Европы сформировались на стыке кристаллических щитов (Канадского и Балтийского) с платформами Северо-Американской и Русской, сложенными осадочными породами. Главный рельефообразующий процесс, сформировавший озерные котловины рассматриваемых озер средних широт северного полушария (4060 с. ш.) - аккумулятивно-эрозионная деятельность ледника (Saarnisto, 2003). Ледники отступили с территории рассматриваемых озер около 12 000 лет назад.

Окончательное становление современного рельефа началось с голоцена. Крутые изрезанные глубокими заливами берега и впадины в зоне кристаллических пород сменяются пологими участками дна с меньшими глубинами и плавной береговой линией в зоне распространения осадочных образований. Озера сходны по характеру и типу побережий, рельефу дна и по контрасту между северной и южной частями бассейна.

Подобие, обусловленное причинами геологического и географического характера, отмечается и для гидродинамики озер. Прежде всего, это проявляется в существовании в озерах систем плотностных циклонических циркуляционных течений, имеющих очень устойчивый характер (Филатов, 1991).

До некоторой степени морфометрические параметры Европейских озер уступают Великим Американским, но вместе с тем, физико-химические особенности вод и ряд гидрологических параметров у них очень близки по своим значениям. В качестве доказательства приведены сведения для озера Гурон - одного из важнейших в системе ВАО и для озер Ладожское и Венерн, которые по размерам занимают соответственно первое в четвертое место в Европе (табл. 1).

Таблица 1. Морфометрические, гидрологические и гидрохимические параметры озер Озера Параметры Ладожское Венерн Гурон Площадь озера, км2 18135 5650 596Площадь водосбора, км2 70120 46830 1284Максимальная глубина, м 230 106 2Средняя глубина, м 51 27 Объем воды, км3 908 153 3 5Длина береговой линии, км 1570 (без островов) 1940 (с островами) 5088 (с островами) Средний приток воды в озеро (сток 80,1 17,1 1и атмосферные осадки), км3год-Период гидрологического цикла 12,3 8,8 (водообмена), лет Прозрачность, м 2,3Ц3,9 4,4Ц5,2 12ЦpH 6,4Ц7,1 7,1 8,3Ц8,Поступления N в озеро, тгод-1 71497 17380 247Поступления P в озеро, тгод-1 5241 880 48Содержание N в воде, мгл-1 0,77 0,70 0,Содержание P в воде, мгл-1 0,018-0,026 0,008-0,011 0,004-0,0Электропроводность, мм Смсм-1 7,5Ц8,8 8,0 7,Содержание хлорофилла, мгм-3 2 2 Аквагеосистемы больших озер Европы и Северной Америки имеют гораздо больше сходства, чем различий. Их объединяют:

Х общий тип климата и, соответственно, атмосферной циркуляции;

Х большое сходство геолого-геоморфологической основы, которая определяет и регламентирует во многом гидрологический режим бассейнов и управляет перемещением потоков вещества;

Х сходный характер гидрофизических, гидрохимических и седиментологических процессов;

Х схожая история освоения и развития территорий, одинаковая структура и интенсивность хозяйственной деятельности в областях питания, проблемы ухудшения качества воды.

Таким образом, большие озера Европы и Северной Америки - природные геосистемы, имеющие одинаковый лимнологический статус.

Положение 2. Ведущая роль в формировании характера литодинамических процессов и состава донных отложений принадлежит гидродинамическому режиму, морфометрии озерных котловин и особенностям петрофонда областей питания. Структурная и вещественная трансформация донных отложений происходит главным образом под действием ветровых волн и индуцированных ими градиентно-конвективных течений, а также течений связанных с существованием термического бара.

итологический состав и физико-химические особенности донных отложений больших озер.

Гранулометрические особенности. Осадки Ладожского озера и других больших озер Европы и Северной Америки представлены исключительно терригенными разностями, которые охватывают практически весь гранулометрический спектр: от глыб и валунов до алевропелитов включительно. Столь широкая гамма размерности терригенного материала поверхностных донных осадков определяется структурной неоднородностью ледниковых и позднеледниковых отложений, являющихся одним из основных источников питания озерных седиментационных бассейнов (Усенков, 1993; Усенков, 2003).

Существуют достаточно четкие закономерности пространственного распределения отдельных типов осадков в озерах. Важную роль в управлении распределением типов осадков играет морфометрия бассейнов. Распространение отдельных гранулометрических типов отложений контролируется рельефом дна.

В Ладожском озере на глубинах 12Ц20 м распространены реликтовые гравийно-галечные осадки с песком, представляющие собой продукты перемыва разнообразных ледниковых отложений при более низком уровне озера. Они возникли как результат взаимодействия трансгрессирующего озера с затапливаемой поверхностью суши. В зоне распространения реликтовых осадков в период гидрологического лета проходит граница термобара и возникающие при этом течения могут достигать скорости 10Ц13 смс-1. Указанные обстоятельства приводят к транзиту тонкого материала в более глубоководные части бассейна.

Минуя границу термобара, взвешенный материал уже не испытывает столь детерминированного динамического воздействия и часть его, наиболее гидравлически крупная, осаждается. Результаты этого процесса отражаются в изменении структурных особенностей залегающих на дне отложений. Здесь фиксируются смешанные глинисто-песчано-алевритовые осадки. Менее гидравлически крупный осадочный материал под воздействием циклонической циркуляции выносится в более глубоководные части бассейна. Здесь в результате спокойного гравитационного осаждения взвеси малой плотности формируются гранулометрически однородные хорошо отсортированные тонкие глинисто-алевритовые отложения, образующие значительные по площади распространения поля. Дефицит пелитового материала в осадках, возможно, связан с уменьшением общего объема поступления тонкого обломочного материала вследствие сокращения площади участков размыва на дне и берегах, а также устойчивого изъятия его из осадочного цикла рекой Невой.

Подобные особенности гранулометрического состава поверхностных донных отложений свойственны и другим большим озерам, например, озерам Гурон и Венерн. Отличие заключается лишь в отсутствие реликтовых отложений, поскольку уровень указанных озер существенно не менялся в голоцене. Общим для рассматриваемых больших озер является то, что донные отложения представлены исключительно терригенными разностями, где в прибрежной зоне превалируют песчаные осадки, а в более глубоководной алевропелитовые.

Петрография и минералогия. Установлено, что приоритетное влияние на формирование минералогопетрографического спектра осадков Ладоги оказывают: в южной части озера отложения осадочной толщи кембрияЦордовика, в восточной и северо-восточной моренные и постледниковые отложения Приладожья, в северной и западной породы кристаллического фундамента и их ледниковые производные. Кроме того, в западной части достаточно отчетливо сказывается влияние осадочных пород верхнего протерозоя, а в центральной - пород вулканогенного комплекса рифея. Минералого-петрографическая трансформация песчаной составляющей происходит под действием волн и циркуляционных течений, связанных с термобаром (Усенков и др., 1994). Первые приводят в основном к формированию относительно зрелых осадков (например, южное мелководье). Вторые - к интеграции материала, поступающего из разных источников, и образованию смешанных в петрографическом отношении отложений (восточное и, в меньшей степени, западное побережья).

Состав глинистых компонентов тонких поверхностных осадков Ладоги консервативен: превалируют иллит и хлорит. Это обусловлено тем, что основным источником поступления тонкого материала в Ладожское озеро служат четвертичные отложения, где глинистая фракция представлена в основном гидрослюдами, которые в основном попали в глинистую составляющую четвертичных отложений в результате разрушения и переотложения ледником нивальной коры выветривания.

Физико-химические особенности. Большая часть поверхностных осадков озера характеризуется значениями Еh более +200 мВ, что соответствует олиготрофной обстановке. Однако в зонах с высокими темпами осадконакопления в юго-восточной части Ладоги, на акваториях, примыкающих к Валаамскому архипелагу, а также в пределах шхер редокс-потенциал характеризуется отрицательными значениями (до -200 мВ). Аномально низкие величины Еh (до -280 мВ), зафиксированы в донных отложениях, формирующихся в местах аккумуляции промышленных и коммунально-бытовых стоков вблизи городов Приозерска, Питкяранты и Сортавалы. Большая часть осадков прибрежной полосы Ладожского озера характеризуется величинами рН 6,5Ц7,0, что соответствует олиготрофным условиям. По соотношениям физикохимических параметров в поверхностном слое донных осадков Ладожского озера объективно диагностируются зоны техногенного осадконакопления и участки дна, характеризующиеся процессами эвтрофиро вания. Для эвтрофных зон значения составляют: Еh +10 -250 мB и рН 6,6Ц7,8. Процессы эвтрофирования наиболее заметны в северной части озера. Это шхерные проливы, ведущие к городам Сортавала и Питкяранта, поселкам Лахденпохья и Куркийоки, и примыкающие к ним глубоководные участки дна.

Учитывая высокую антропогенную нагрузку северного побережья Ладоги и пассивный гидродинамический режим глубоководных зон, можно предположить, что процессы стагнации и эвтрофирования будут постоянно усиливаться (Усенков и др., 1999).

По значениям величин рН и Еh в осадках устанавливаются участки, характеризующиеся высокими содержаниями биогенных веществ, при разложении которых используется значительное количество кислорода. Дефицит кислорода обусловливает замедленное развитие бентосных форм организмов и приводит к нарушению структуры биоценозов. Суммарная площадь участков, где отмечаются неблагоприятные геохимические обстановки составляет 16 тыс. км2 или около 9 процентов от общей площади озера (Щербаков, Свешников, 1993).

Положение 3. Превалирующий вклад в поступление контаминантов в озерные геосистемы вносит речной сток, затем следуют атмосферные поступления и локализованные поставки из точечных источников. Высокая контрастность величин потоков загрязняющих веществ обусловлена разной степенью влияния факторов антропогенеза на акватории. Интенсификация антропогенного воздействия ведет к формированию территорий с комплексом угроз всему биологическому разнообразию.

Антропогенное воздействие на большие озера: нагрузка, источники воздействия и пути поступления загрязняющих веществ. Поток загрязняющих компонентов в водные объекты весьма разнообразен по составу и механизмам поступления. В соответствии с характером транспортировки и составом техногенных компонентов выделяют аэрогенные, гидро-, лито-, петроле-, дендро-, био-, радио-, ксено-, техногенные и смешанные политехногенные продукты (Гуревич, 1990; ГеоэкологияЕ, 1995). Загрязняющие вещества поступают в озеро: (1) с речным и прямым стоком с суши, (2) непосредственно со стоками предприятий, (3) в результате атмосферного переноса.

адожское озеро - крупнейший пресноводный водоем Европы - выполняет несколько противоречивых функций. С одной стороны, оно служит единственным безальтернативным источником питьевой воды пяти миллионов жителей г. С.-Петербурга. С другой - Ладога, по данным государственного учета использования вод, исполняет роль приемником 1,4 км3 сточных вод за год, в том числе 280 млн. мнеочищенных или недостаточно очищенных стоков. Изменения в экосистеме Ладожского озера отмечаются с начала 1960-х гг., в конце 1970-х гг. и 1980-х гг. они приобрели угрожающий характер. Деструкция озерной системы была обусловлена действием двух основных факторов - антропогенного загрязнения и эвтрофирования (ЛадожскоеЕ, 2002; Филатов и Поздняков, 2000).

Основными источниками загрязнения Ладоги выступают расположенные непосредственно на побережье предприятия целлюлозно-бумажной, лесохимической и деревообрабатывающей промышленности (более 600 предприятий). Суммарный вклад сточных вод от этих предприятий превышает 60 % всех промышленных стоков. В регионе разрабатываются бокситы, известняки, строительные пески, песчаногравийные материалы, глины, изверженные и метаморфические породы.

Специфика сельскохозяйственного производства в бассейне озера состоит в применении высоко интенсивных агротехнологий, связанных с использованием больших количеств минеральных удобрений и пестицидов. Пестицидная нагрузка в целом составляла в среднем 4,3 кгга-1, в том числе 1,6 кгга-1 пестицидов первого и второго классов опасности. На поля ежегодно в 80-х гг. вносилось 93 тыс. т фосфорных, минеральных удобрений, 155 тыс. т азотных минеральных удобрений и 3746,7 тыс. т органических удобрений. Со стоками животноводческих комплексов в озеро поступает 700Ц2300 т фосфора в год.

Общий объем перевозок по Волго-Балтийскому водному пути составляет около 8 млн. тонн различных грузов. По озеру ежегодно перевозится около 77 000 пассажиров. Водный транспорт, сбрасывающий до тыс. т нефтесодержащих вод, служит источником загрязнения нефтепродуктами отдельных участков озера (бухта Владимирская, Сортавала, Новая Ладога, Петрокрепость, Свирица).

Заметен вклад предприятий Министерства обороны и Военно-промышленного комплекса в загрязнение озера. Так, установлено десятикратное превышение фона по цинку и меди вблизи пос. им. Морозова, где расположено оборонное предприятие. Трехкратное по отношению к фону увеличение содержания неорганического фосфора выявлено в предустьевой части р. Авлога, дренирующей территорию ракетноартиллерийского полигона. Максимальная для Ладоги радиоактивность цезия Ц137 выявлена в осадках Черемухинской бухты, на берегах которой расположены лаборатории НИИ Министерства обороны. В 1990 г. в Якимваарском заливе был обнаружен и выведен за пределы Ладоги корабль Кит, представляющий мощный источник радиационного загрязнения.

Анализ данных (табл. 2) показывает, что превалирующий вклад в поставку ЗВ вносит речной сток, затем следует локализованные поставки из точечных источников и атмосферные поступления. Приведенные материалы свидетельствуют о высокой контрастности величин потоков, различающихся на 1-2 порядка, что обусловлено разной степенью влияния факторов антропогенеза на акваторию.

Таблица 2. Ежегодное поступление эвтрофных компонентов и тяжелых металлов в Ладожское озеро, тХгод-1 (Кондратьев и Поздняков, 1993) Компоненты Точечные источники Речной сток Диффузия Атмосферное Общая нагрузка Pобщ 89,2 5052 71,9 28 5241,Nобщ 533 64240 1086 5632 714Pb 0,65 172,8 - 69,7 243,Cr - 114,1 - 27,4 141,Cu 0,5 566,9 - 36,0 6Zn 4,0 1081,1 - 193 1278,Большие озера Северной Америки и Европы. Несмотря на значительные размеры Великие озера Америки и Европы весьма восприимчивы к воздействию загрязнения. Концентрация промышленности на водосборах оказывает на них существенную нагрузку. ЗВ поступают из разных источников (табл. 3).

Таблица 3. Общая оценка поступления ряда контаминантов в Великие озера, кггод-1 (Kukal et al., 1971; Rippey et al., 1982; Nriagu et al., 1983) Загрязни- Источник поступ- Озера тели ления Верхнее Мичиган Гурон Эри Онтарио Притоки 28-110 650 236 741 6ПХБ Атмосфера 157 114 114 53 Притоки 124 - - 2584 - Hg Атмосфера 2181 1568 1584 723 5Pb Атмосфера 67055 25920 10488 96574 476Высокую антропогенную нагрузку испытывают и другие большие озера. Так, объем техногенных стоков в бассейне Онежского озера - второго по величине озера в Европе - составляет порядка 315 млн. м3 в год. Из общего объема массы загрязнителей 25-26% поступает аэрогенным путем.

Загрязняющие вещества в воде, донных отложениях и биоте. Ладожское озеро. Поверхностные воды. Оценка уровня загрязненности вод по гидрохимическим показателям показала высокую степень загрязнение медью (превышение ПДК до 16,8 раза). Уровень загрязненности вод по остальным показателям, превышающим установленные нормативы (фенол, хром, марганец, цинк, НУ и ГХЦГ) для Ладожского озера колебался от низкого до среднего (превышение ПДК от 2 до 10 раз).

Придонные воды и взвесь. Уровни содержания нефтяных углеводородов колебались в пределах от 0 до 0.04 мгл-1. Фоновые концентрации для таких загрязняющих веществ, как фенолы и детергенты в придонном слое вод не превышают уровень ПДК.

Анализ латерального распределения значений концентрации металлов в воде и взвеси показал следующее:

Х Содержания металлов в растворенной форме, как правило, значительно выше, чем во взвешенной.

Прежде всего, это относится к никелю, меди и цинку, для которых разница в содержаниях составляет 1530 раз.

Х На границе смешения речных и озерных вод (барьер рекаЦозеро) происходит значительное уменьшение концентрации большинства элементов. Содержания металлов во взвешенной форме падают в 10300 раз, в растворенной форме в 2-20 раз.

Х Установлены две области с аномально высокими для бассейна Ладоги содержаниями тяжелых металлов в растворенной форме: первая - устьевая зона реки Морье, вторая - западная часть бухты Петрокрепость.

Донные отложения. Загрязняющие вещества, выявленные в осадках озера, можно разделить на две группы. В первую входят контаминанты искусственного происхождения: это цезий-137 и пестициды ДДТ и ГХЦГ; во вторую: фенолы и тяжелые металлы, накапливающиеся в осадках как в результате техногенеза, так и естественного процесса (табл. 4).

Таблица 4. Средние значения содержания загрязняющих веществ в донных осадках Ладожского озера Загрязняющие вещества Типы донных Пестициды, нгг-1 Тяжелые металлы, мгкг-Фенолы, 1отложений Cs, Бккг-ДДТ ГХЦГ мкгг-1 Zn Cr Ni, Co Pb Cu Среднее 1266 0,3 0,1 12,4 108,5 6,2 13,7 1,4 25,1 27,Стандарт 1419 0,3 0,2 8,2 36,8 3,5 2,3 0,7 12,3 10,Минимум 0 0,01 0,01 0,04 10,0 0,0 5,0 0,5 5,0 5,Максимум 6808 1,74 0,47 36,02 200,0 20,0 20,0 5,0 110,0 60,Анализ закономерностей распределения загрязнителей, поступление которых в озеро обусловлено как природными и техногенными процессами, вполне определенно свидетельствует о локализации контаминантов в основном в донных отложениях северной, наиболее глубоководной, и центральной частей Ладоги. В то же время в южной части озера, несмотря на высокую антропогенную нагрузку южного Приладожья вследствие специфического гидродинамического режима происходит главным образом вынос техногенных продуктов, которые отсюда перемещаются к северу, по направлению к главным зонам седиментации. Последним, а также участкам с периодическим проявлением процессов аккумуляции в пределах береговой зоны должно быть уделено особое внимание при проведении геоэкологического мониторинга.

Биотический комплекс. Процессы биоаккумуляции чрезвычайно важны для распространения токсичных веществ в пресноводных бассейнах. В тканях организмов аккумулируются радиоизотопы, хлорированные углеводороды, тяжелые металлы и другие микроэлементы. Для характеристики экологического состояния аквальных систем группа бентосных организмов признана приоритетной, поскольку имеет важные преимущества перед другими: бентос стабилен во времени, характеризует локальную ситуацию в пространстве, способен представить изменения экосистемы в ретроспективе (Pogrebov, 1993). Господствующими группами бентоса в озере являются амфиподы, олигохеты и хирономиды. Сравнительный анализ на основе статистики Фоулкса-Меллоуза (В) показал, что индикаторная способность различных групп бентосных организмов в отношении загрязнения осадков Ладожского озера ранжируется следующим образом: биомасса олигохет (В=0.30); биомасса хирономид (В=0.25); биомасса амфипод (В=0.23);

общая биомасса макробентоса (0.23).

Содержание ЗВ в бентосе соответствует таковому в придонной взвеси и поверхностных донных осадках озера, и незначительно превышает концентрацию в придонных водах. Более интенсивное заражение бентоса тяжелыми металлами в восточной и юго-западной частях Ладожского озера обусловлено, вероятно, активным поступлением контаминантов с выносами крупных рек южной части озера.

Большие озера Европы и Северной Америки. В Великих Американских озерах присутствие химических загрязнителей хорошо известно (PollutionЕ, 1980; Allen et al., 1983; Jeremiason et al., 1994 и др.). В 1980 г.

Международная совместная комиссия установила, что около 2500 химических компонентов применяются в экосистеме ВАО. Исследования датированных колонок из областей аккумуляции в отношении динамики поступления ЗВ в донные отложения в озерах Мичиган и Онтарио показывают, что концентрации ПХБ и ДДТ уменьшаются в результате мер предпринятых по регулированию производства и использования этих контаминантов. В Северной Америке скорость аккумуляции Pb в донных отложениях озер увеличивалась последовательно с 1850-1875 гг. до 1975 г., а затем к настоящему времени уменьшалась.

Великие Европейские озера. Повышенные содержания и скорости аккумуляции халькофильных элементов (Cu, Zn, As, Cd, Sn, Hg, Pb) в донных отложениях, датированных последним столетием, обнаружены при исследовании озер Фенноскандии (Nriagu, 1989). Установлено увеличение концентраций глобальных загрязняющих элементов (Hg, Cd, Pb и As) в донных отложениях озер водосбора Белого моря в пределах Кольского полуострова (Даувальтер, 2002).

Одним из наиболее интересных с геоэкологических позиций Великих Европейских озер является озеро Венерн - самое большое озеро Швеции и четвертое по величине в Европе. В 1970-х гг. озеро было загрязнено ртутью и органикой, поступавшими со сбросами ЦБК. Северо-западная часть озера (Вармлендсьон) рассматривается как область специфического за12грязнения одним контаминантом - ртутью. Заливы 1000 Амальсвикен, Бивикен, Киннкин и другие определяются как области, где преобладает диффузное 7внешнее загрязнение. В настоящий момент загряз5нение озера оценивается как существенное 2(SwedishЕ, 1998). При этом максимальную опасность несет загрязнение ванадием и цинком (рис.

Hg Cu Ni Pb V Zn Cd 10,37 50 50 250 500 1000 5,5 2).

Максимум 0,006 10 10 20 50 10 Минимум Рис. 2. Содержание металлов в донных отложе1,135 27,4 28 90,1 134,7 339,3 1,4Среднее ниях зон аккумуляции в оз. Венерн.

Положение 4. Донные отложения - важнейший индикатор загрязнения аквасистем. Контаминанты локализуются в зонах устойчивой аккумуляции осадочного материала, расположение и характер которых определяются общей схемой седиментогенеза. Наибольшее воздействие на формирование качества вод больших озер оказывают эпизодические динамические явления - течения, индуцированные экстремальными по силе штормами. Зоны техногенного осадконакопления, где признаки загрязнения осадков становятся заметными и доминирующими, являются потенциальными очагами вторичного загрязнения вод.

Донные отложения как индикаторы загрязнения аквальных систем. Чем более индустриализованным становится общество, тем более необходима адекватная система или модель для контроля загрязнения. Существующие системы контроля берут свой отсчет с 60-х годов прошлого века, когда существовал существенный временной пробел между открытием и его практически использованием. Эти традицион -Содержание, мкг г ные системы часто базировались только исключительно на отборе и соответствующих исследованиях проб воды или гидробиологических исследованиях. Контроль осуществлялся в экстенсивной манере, при этом не всегда принимались в расчет природные флуктуации и экономические показатели.

Роль донных отложений. Исследования последних лет выявили ведущую роль седиментологических факторов в формировании геоэкологического состояния крупных аквальных бассейнов (Гуревич, 1990;

Усенков и др., 1999; Опекунов и др., 2000; Даувальтер, 2001; Borg, 1996 и др.). Современные донные осадки являются важнейшим компонентом геоэкологического пространства водных бассейнов, что обусловлено, прежде всего, следующими их свойствами: (1) это среда обитания бентосных форм организмов, (2) в них происходит аккумуляция загрязняющих веществ, (3) они являются потенциальными источниками вторичного загрязнения.

Пробы осадков предоставляют интегрированные во времени, высокоинформативные данные высокой локальной информативности. Химические и биологические параметры обычно не обладают высокой представительностью в точках наблюдения в силу значительной временной и пространственной изменчивости водных масс, а также низкой концентрации контаминантов, что может вызвать аналитические проблемы. Биологические пробы часто имеют низкую локальную представительность, характеризуются существенной мозаичностью и часто их трудно интерпретировать. К тому же, концентрации в биоте часто меньше, чем в осадках (рис. 3).

а б 5 0 Pb Cr Ni Zn Cu Co Cr Co Ni V Pb а 1,в 1,г 1,0,0,0,0,Cu Cr Co Ni Pb As Cd Cu Cr Ni Pb Zn Рис. 3. Диапазоны изменения содержания металлов в Ладожском озере: а- в донных отложениях (мгкг-1), б - в биоте (мкгг-1), в - придонные воды (мгл-1) и г - взвесь (мгл-1) Более высокие содержания в осадках подразумевают более простые методы исследования и более высокую надежность результатов по сравнению с пробами воды и биологическими образцами. Пробы осадков сравнительно легче отбирать, анализировать и интерпретировать по сравнению с альтернативными. Изучая количество, качество и характеристики осадков, можно выявить источники и оценить воздействие полютантов на аквальную среду, в итоге - принять обоснованные меры по сокращению поступления загрязнителей.

Геоэкологические аспекты седиментогенеза в больших озерах. Транспорт и отложение осадочного материала определяются характером циркуляции воды в озере, на которую в свою очередь сильно влияют течения впадающих в озеро рек и геострофические эффекты. На основании исследований последних лет установлено, что в больших озерах действуют эпизодические динамические явления, вызывающие вихревые потоки или течения. Суть их в том, что массовый перенос твердого вещества осуществляется во время сильных штормов весной и осенью. Указанные динамические факторы приводят к возникновению плюмов взвеси в прибрежных частях озер. Причины возникновения плюма: (1) активный размыв и абразия подводного берегового склона и берега; (2) ресуспензия поверхностных отложений под воздействием волнений; (3) конвергенция течений в береговой области. Процессы ресуспензии донных отложений вызывают озерный метаболизм. В период существования плюма значения физических и биологических характеристик существенным образом изменяются в вертикальном разрезе. При этом вектор транспортировки планктона и ЗВ, ассоциирующих с взвешенным материалом плюма, направлен в сторону центральных частей озер. В Ладожском озере время транспортировки материала в результате действия описанного механизма по оценке составляет около 5 суток. Такое же время занимает осаждение тонких осадочных частиц на дно в период, когда водная толща озера не стратифицирована. Таким образом, можно предложить концептуальную модель, согласно которой медленный циклонический перенос осадочного материала вдоль восточного берегов Ладоги периодически прерывается транспортировкой и осаждением вещества под воздействием течений, индуцированных сильными ветрами определенных направлений. Подобная модель транспортировки осадочного материала свойственна, вероятно, всем большим озерам бореальной зоны.

Динамика и морфометрия бассейна. Зоны аккумуляции, транзита и размыва формируются по комплексу морфолитодинамических условий, т.е. сочетания морфометрии бассейна, морфологии рельефа дна, гидродинамических и литодинамических процессов (Hkanson, 2004). Превалирующие динамические типы дна в открытых частях водных бассейнов выявляются с использованием следующих критериев:

Х Энергетический фактор, определяемый влиянием ветра (волн) и положением волновой базы.

Х Морфологический фактор, определяющий характер гипсографической кривой.

Х Фактор крутизны склона, свидетельствующий о том, что тонкие осадки редко стабильны на склонах с уклоном более 4-5%.

Динамика и распределение тонкого осадочного материала. Для бассейновых осадков, где доминирует тонкий (<0,05 мм) алевро-пелитовый материал, представляется возможным использовать размер зерен неорганических частиц как единственный точный параметр, отражающий связь гидродинамического силового поля с условиями осадконакопления на дне: он наиболее подвижен и достаточно легко переходят во взвешенное состояние (Hkanson, 1989; Усенков и Ситников, 1997). Распределение тонкого осадочного материала не только высвечивает особенности седиментации, но позволяет в определенной мере выяснить и геоэкологические особенности состояния аквальной системы, так как большинство загрязнителей ассоциируются с различными тонкими частицами.

На основе всестороннего анализа данных по морфологии дна и характеру динамических процессов, а также детального изучения литологических особенностей для ряда больших озер проведено динамическое районирование дна и оконтурены зоны эрозии, транспортировки и аккумуляции (рис. 4). Эти три категории динамических типов дна отражают преобладающее воздействие долговременных процессов размыва, седиментации и осадочной переработки.

Области эрозии располагаются там, где нет явного осаждения тонкого осадочного материала, а напротив, идет его направленный вынос. Это высокоэнергетические области бассейна. Они обычны в береговой зоне на глубинах до 10-15 м, но встречаются и в пределах подводных поднятий. Для областей эрозии характерны плотные или консолидированные осадки: от выходов коренных пород до плотных ледниковых глин. Это зоны развития так называемого твердого дна.

Области транспортировки (транзита) отмечаются там, где идет прерывистое осаждение тонких осадочных частиц, т. е. там, где периоды аккумуляции прерываются интервалами ресуспензии и транспортировки в связи с достаточно короткими периодами водообмена и штормов. Этот тип дна преобладает в области относительного мелководья на глубинах от 10 до 55 м. Осадки в областях транзита очень изменчивы: от песков до глинистых алевритов. Они суть результат интерференции процессов эрозии и аккумуляции. В силу частого изменения направленности (знака) седиментологических процессов, здесь широко распространены смешанные осадки. Тонкий материал может осаждаться в течение длительного времени существования условий стагнации. Вследствие сильных штормов или возможных массовых перемещений на крутых склонах этот материал может вновь перейти во взвешенное состояние и выноситься в направлении зон аккумуляции глубоководных частей бассейна.

Рис. 4. Картосхема динамических типов дна озер: 1 - аккумуляция, 2 - транзит, 3 - эрозия.

Области аккумуляции существуют там, где тонкий материал алевроглинистой размерности отлагается непрерывно, образуя так называемое мягкое дно. Это области окончательного осаждения наиболее тонкого материала природного и техногенного происхождения - конечные станции Здесь в пределах равнин, депрессий и впадин глубоководной зоны, на глубинах свыше 55 м, широко развиты разнообразные хорошо дифференцированные алевритовые и глинисто-алевритовые осадки. Формированию зон аккумуляции способствуют локальные сезонные циркуляционные течения, связанные с термобаром. За счет них осуществляются закачивание и аккумуляция тонкодисперсного седиментационного материала.

В больших озерах площадь, занимаемая зонами аккумуляции, составляет приблизительно 35% от площади дна.

Анализ придонных динамических условий дает возможность создавать обобщенные схемы озерной литодинамики, где в интегрированном виде отражаются пути поступления и транспортировки осадочного вещества, обстановки осадконакопления и области накопления осадочного материала (рис. 5).

Весь осадочный материал, поступающий из разных источников, распределяется в озерах под действием разнообразных седиментологических факторов при ведущей роли придонных динамических процессов. В береговой зоне ведущими агентами транспортировки осадочного материала являются волны и индуцированные ими течения. В открытой части озер сложный характер транспорта и аккумуляция осадочного вещества определяет взаимодействие циркуляционных течений, вихревых и волновых движения, апвеллинга и других явлений. Также достаточно существенно влияние речных стоковых течений и геострофический эффект, благодаря которому тонкий материал перемещается в озерах в основном против часовой стрелки.

Рис.5. Литодинамическая схема Ладожского озера: пути поступления и транспортировки осадочного материала и обстановки. 1Ц2 - потоки осадочного вещества: 1 - основные, 2 - дополнительные; 3 - вдольбереговые потоки наносов;

4 - мощность вдольбереговых потоков наносов в 1000 м3 в год; 5Ц7 - обстановки осадконакопления: 5 - эрозия (накопление осадков отсутствует), 6 - транзит, 7 - аккумуляция; 8 - средние скорости седиментации по разрезу (ммгод-1).

Обстановки осадконакопления и распределение загрязняющих веществ в донных осадках. При изучении особенностей седиментогенеза в аквальной системе, тем более, если отмечена техногенная составляющая, очень важно установить связь между динамическими условиями на дне и поведением седиментационного материала (в частности токсичного) в различных обстановках. Знать тип образующегося осадка и потенциальные возможности донной динамики в определенной области бассейна крайне важно для решения теоретических и, что особенно ценно, прикладных вопросов. Среди последних отметим следующие: экотоксикологические исследования; контроль за загрязнителями в водных бассейнах (мониторинг); водное планирование; драгирование и дампинг загрязненных грунтов.

Задачи геоэкологического описания аквальных систем решаются разными способами (Иванов и др., 1996; Петров, 1989; Петров, 1999; Куриленко, 2006 и др.). Представляется, что для решения общих вопросов о поступлении, распределении и накоплении загрязняющих веществ, можно ограничиться изучением динамических типов дна и обстановок осадконакопления (природных и техногенных). Большинство загрязняющих веществ распространяется в природных водах совместно с осадочным материалом. Таким образом, седиментологичские особенности должны рассматриваться как наиболее важные в аквальной геэкоологии. Состояние осадков отражает динамические условия на дне, а последние играют ключевую роль в распространении, аккумуляции и переотложении загрязняющих веществ.

Существуют четкие связи между динамическими условиями на дне, физическими и химическими особенностями осадков и их загрязнением в больших озерах (табл. 5). Контаминанты гораздо более заметно проявляются в рыхлых, тонких и богатых органикой отложениях, характерных для областей аккумуляции.

Это закономерно, так как большинство загрязняющих веществ, в том числе и токсичные, распространяются в природных водах не в свободной форме, а присоединившись за счет адсорбции и катионного обмена к различным частицам и агрегатам, взвешенным и перемещающимся другим способом, которые могут быть названы несущими частицами (Frstner and Wittman, 1981; Salomons and Forstner, 19Hkanson 1998, 2004). В некоторых случаях они камуфлируют токсичные свойства загрязнителей, вместе с тем они определяют распространение контаминантов и до какой-то степени регулируют их потенциальное экологическое действие. В больших озерах Северного полушария в той или иной степени несущей оказывается вся тонкодисперсная фракция независимо от ее состава.

Отложения в пределах зон эрозии и транспортировки характеризуются низким содержанием органического материала, эвтрофных компонентов и разнообразных загрязнителей. Вместе с тем условия седиментации в зонах транзита в силу их природных особенностей часто меняются, и порой достаточно интенсивно для наиболее подвижных геохимических субстанций, например для марганца, фосфора и железа, которые быстро реагируют на изменения химического климата, обусловленные колебаниями значений окислительно-восстановительного потенциала осадков.

Зоны устойчивого проявления процессов техногенного седиментогенеза в озерах. Исследования на водных объектах, испытывающих антропогенное воздействие, показали, что когда количество твердого и растворенного материала, поступающего со сточными водами и диффузным загрязнением, сопоставимо с естественным твердым и растворенным стоком, на отдельных участках аквасистемы процессы естественного осадконакопления уступают место процессам техноседиментогенеза (Усенков и др., 1999; Опекунов и др., 2000; Опекунов, 2000; Усенков, 2005). В качестве примера различных типов техногенной седиментации в больших озерах в диссертации приводятся результаты изучения донных отложений ряда районов Ладожского озера, подвергающихся существенному антропогенному влиянию. Выявлены на дне и описаны:

зоны накопления отходов целлюлозно-бумажного комбината и загрязнителей из муниципальных стоков, области радиоактивного загрязнения донных отложений, районы свалок перемещенного грунта, зоны загрязнения сбросами предприятий промышленности (металлообрабатывающая, деревоперерабатывающая и горнодобывающая) и отходами агропромышленного комплекса.

Таблица 5. Средние значения литолого-геохимических параметров донных осадков различных динамических типов дна озер Венерн, Гурон и Ладожского Функциональные типы дна Ладожское озеро Озеро Венерн Озеро Гурон Параметры Зона Зона Зона акку- Зона Зона Зона аккуму- Зона Зона Зона эрозии транзита муляции эрозии транзита ляции эрозии транзита аккумуляции Физические параметры Содержание фракции 1,2 46,4 94,3 - - - 3,4 32,6 86,менее 0,05 мм, % Содержание фракции 0 10,3 26,4 - - - 2,7 22,5 29,менее 0,005 мм, % Потери при 0,85 3,77 10,15 1.2 3,5 10.0 - - - прокаливании, % Содержание воды, % 6 17 55 24 56 76 - - - Эвтрофные компоненты P, % 0,05 0,09 0,19 0,30 1,07 1,5 0,08 0,09 0,Cорг, % 0,28 1,16 2,56 1,5 4,5 9,7 - 1,56 3,Металлы, мкгг-1 сухой осадок Pb 30 34 52 34 64 104 43 53 - - - Cr 30 56 83 38 39 Ni 24 32 48 22 31 28 27 35 Zn 43 89 142 110 240 430 66 77 1Cu 10 19 38 13 23 30 20 24 - - - Cd <1 0,7 1,4 3 2,9 2,Co <1 1,1 1,4 - - - 4 7,7 11,Hg - 0,22 0,48 0,026 0,27 2,7 - - 1,Радионуклиды 1Сs, Бк 15 118 213 - - - 12 46 1 В зонах техногенного седиментогенеза донные отложения в определенных обстоятельствах способны к десорбции загрязняющих веществ или другим механизмам перевода контаминантов в растворенную фазу.

Значительная часть ряда тяжелых металлов в осадках озера находится в миграционноспособных формах:

водорстворимые, сорбированные и связанные с битумной и гумусовой частями органической составляющей осадков (Панова, Болотова. 2000; Петрова, 2006). В этой связи, выделенные в озерах зоны постоянной аккумуляции тонкого алевропелитового материала хлорит-гидрослюдистого состава, концентрируя загрязнители, являются потенциальными очагами вторичного загрязнения озерных вод, в силу чего несут в себе максимальную экологическую опасность.

Положение 5. Характер донных отложений в заметной степени определяется структурой и активностью антропогенного фактора. Оценка интенсивности и степени загрязнения на основе сравнения с реперными значениями - природными фоновыми уровнями в зонах аккумуляции - дает возможность охарактеризовать качество осадков и создать единую основу для контроля и сравнения разных бассейнов. Большие озера Севера Европы и Америки вследствие существенной инерционности лимнических процессов восприимчивы к воздействию устойчивых загрязняющих веществ.

Седиментологические параметры и факторы: анализ и корреляция в различных обстановках.

Одна из важных задач многих научных исследований - попытка выявить взаимные зависимости и типичные особенности поведения тех или иных характеристик в разных аквальных системах (Smith and Moore, 1972; Hkanson,1981; Allan and Ball, 1989; Frstner and Mller, 1974). Для решения проблемы были охарактеризованы: (1) физические параметры, распределение значений которых определяется седиментологическими особенностями водоема; (2) незагрязняющие элементы, распределение которых также во многом определяется процессами седиментогенеза; (3) загрязняющие химические параметры, распределение которых в осадках имеет собственные характерные особенности.

Среди многообразных факторов, определяющих формирование состава осадочного материала в аквальных системах, ведущими являются среда седиментации и источники осадочного материала. Детальный анализ факторных нагрузок, выполненный для Ладожского озера, изучение генетических группировок исследуемых элементов и параметров (рис. 6) показал следующее. Наибольший вес имеет фактор 1, который, вероятно, отражает основополагающее влияние седиментологических факторов, и, прежде всего, циркумконтинентальной зональности на распределение компонентов в донных отложениях. Наиболее сильные корреляционные связи выявлены для таких основных параметров как глубина, содержание тонких фракций, влажность, ППП, Сорг и Fe. При этом такой важный биотический фактор как общая биомасса обособляется, что видимо, обусловлено вертикальной зональностью распределения донных организмов по глубине.

Сумма весов нагрузок 2-го фактора четко определяет особенности концентрации наиболее явных из 1числа неметаллов элементов техногенных компонентов, как ПХБ, ДДТ и Cs и противоположность их поведения по отношению к ТМ.

Третий фактор, хотя имеет и небольшой вес, но вместе с тем анализ нагрузок данного фактора дополнительно указывает на уникальный азональный характер поступление полихлорированных бифенилов и пестицидов в озеро. Причем, он свидетельствует, что данные ЗВ поступают из точечных источников (высокие отрицательные нагрузки фактора) - стоки крупных агропромышленных комплексов, расположенных в западном секторе озера. Кроме того, именно по нагрузкам третьего фактора уверенно отмечается, что Zn и 137Cs в седиментологическом отношении ведут себя схожим образом (высокие положительные нагрузки) и при этом их поведение достаточно заметно соответствует поведению группы компонентов, которую условно можно назвать группой органического вещества (ППП, Сорг, P, белок).

Для озер Гурон и Венерн, как и в случае с Ладогой наиболее значимый первый фактор - суть отражения влияния общеседиментологических процессов (рис. 7). Второй фактор в той или иной степени связан с автохтонным органическим веществом (эвтрофными компонентами) в осадках и, вероятно, отражает биогеохимические процессы. Третий фактор, где одна из главных ролей отводится таким высоко токсичным металлам как Cd, V и Hg, возможно, отражает влияние процессов техногенеза - процессов поступления ЗВ из точечных источников.

1,1, Общая биомасса Zn Cs-10,0, Влажность Сорг P Общая бомасса Скар Фенол ППП Fe 0,05 мм Белок Mn 0,0 Ni 0, Co Co Cu Pb Cr Белок ПХБ Глубина ДДТ ДДТ Ni -0,-0,5 Cs-1 Pb Mn ПХБ Глубина Cr Zn Влажность P 0,05 мм Сорг Cu Fe ППП -1,0 -1,-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,Фактор 2 : 11,49% Фактор 2 : 11,49% Рис. 6. Факторная структура седиментологических параметров. Ладожское озеро, все динамические области Озеро Гурон 1,1,0 C кар 0,0, N Cd Sr 0,0, P P Глубина V Cd Ni Hg -0,5 -0, ППП Глубина Zn Pb Влажность Cu Mn Cs- Fe 1 Cr Cорг Ni Pb Zn Co Cu -1,-1,-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,Фактор 3 : 10.39% Фактор 2 : 12,68% Рис. 7. Факторная структура содержания ТМ и других параметров донных отложения озер Гурон и Венерн Тяжелые металлы. Для Ладожского озера по результатам анализа в корреляционной матрице выделяются две ковариантные группы: Cu-Pb-Cr, Zn-Ni-и Co. Наиболее сильные корреляционные связи отмеча Фактор 3 : 8,38% Фактор 1 : 49,10% Фактор 1 : 32.75% Фактор 1 : 73,22% ются для пар металлов Cu-Zn, Cu-Cr и Zn-Ni, которые могут отражать как естественные геохимические процессы, так и антропогенное загрязнение. Медь, свинец, хром и цинк транспортируются в ассоциации вместе с органическим веществом, но по крайне мере медь и цинк могут высвобождаться при разложении органического вещества современных осадков в окислительных условиях. Цинк и свинец к тому же способны соосаждаться с оксидами марганца и железа, которые в значительной степени влияют на распределения этих элементов.

В структуре ведущих факторов первая компонента (F1) является фактором кварцевого разбавления и отражает природные закономерности дифференциации ТМ. Фактор F2 отражает дифференциацию природного парагенезиса элементов на две типоморфные ассоциации Pb-Cr-Co и Ni-Zn-Cu, вызванные разной геохимической специализацией реликтовых отложений и современных алевропелитовых осадков зон аккумуляции. В третьем факторе, который интерпретируется как фактор антропогенного загрязнения, происходит генетически обусловленная дифференциация двух групп металлов: Pb-Cr-Cu и Ni-Co. Таким образом, в структуре главных факторов образуются две парагенетические ассоциации металлов: Cu-Zn-CrPb и Ni-Co, отражающие соответственно природные и тexнoгeннo обусловленные закономерности формирования химического состава озерных отложений.

Обоснование интерпретации первых двух факторов базируется на следующих данных. Природная ассоциация типична для осадков озера, имеющих более песчанистый состав. Низкие коэффициенты вариации могут свидетельствовать о наличии одного естественного - источника поступления этих металлов.

При этом Zn, Cu и Cr имеют устойчивые корреляционные связи с органическим веществом и переносятся главным образом во взвеси в составе, вероятно, органоминеральных комплексов. Свинец переносится во взвеси и отчасти в растворенном виде, по крайней мере, его часть, поступающая с атмосферными осадками. Металлы техногенной ассоциации (Ni, Co) характеризуются повышенными содержаниями в донных осадках озера и высокими значениями коэффициентов вариации. Переносятся они, вероятно, во взвеси.

Изучение ассоциативности растворенных металлов в Ладожских водах позволяет дополнить перечень техногенных элементов озера также As и Cd.

Детальный статистический анализ позволил наряду с компонентами, несомненно, имеющими антропогенное происхождение (ПХБ, пестициды, радиоцезий), выявить в осадках исследованных озер и ТМ, поступающие в бассейн в результате техногенеза, в том числе и из точечных источников. В Ладожском озере к таковым относятся Ni, Co, Cd, Hg и As, в озерах Гурон и Венерн Cd и Co, и Hg и Cd, соответственно.

Таким образом, существуют определенные эмпирические соотношения между седиментологическими и химическими параметрами донных отложений. При том корреляционные связи и отношения между различными параметрами осадков в основном указывают, что каждый рассмотренный озерный бассейн уникален в седиментологическом отношении, т. е. обладает своей собственной спецификой осадконакопления. Каждый бассейн и озеро имеют свой собственный характер в отношении геологического строения, морфометрии, гидрологии, что придает образующимся осадкам свой определенный характер, который, тем не менее, в заметной степени определяется структурой и интенсивностью антропогенного фактора.

Природный фоновый уровень, интенсивность и степень загрязнения донных отложений. При анализе негативного влияния на аквальные системы озер наиболее существенным является химическое воздействие - изменение естественных химических свойств среды, превышающее природные колебания количеств тех или иных химических ингредиентов. Весьма важной задачей литолого-геохимических исследований аквальных систем является установление интенсивности и общей степени загрязнения донных отложений.

Для донных отложений отсутствуют нормативы загрязнения (ПДК, ОДК и др.). Поэтому при геоэкологическом картировании с использованием геохимических показателей выделяют районы антропогенного загрязнения и определяют влияние природных геологических процессов на состояние окружающей среды, посредством определения характеристик регионального геохимического фона.

При этом интенсивность загрязнения или фактор загрязнения отражает связь между концентрацией загрязняющего компонента в современных отложениях и природной фоновой концентрацией.

i C0-x Сi =, f i Kn i i где C - интенсивность загрязнения (фактор загрязнения) для элемента или соединения i; C0-x - эмпиf i рически установленная концентрация субстанции в поверхностном слое осадка (0-х см); Kn - природная фоновая концентрация элемента.

Природное фоновое содержание элемента соответствует наинизшему (асимптотическому) значению, полученному в колонке осадка (Hkanson,1981) (рис. 8). Природное распределение (кривая 2), зависящее от степени уплотнения осадка, процессов диффузии и биотурбации, достаточно трудно в ряде случаев установить корректно. Поэтому при упрощенном Содержание компонента подходе загрязнение осадка соответствует общей Загрязнение площади (интегралу) между эмпирически установ2 ленной кривой (3) и природным фоновым уровнем (линия 1). Такое упрощение допустимо, поскольку 1. Природный фоновый уровень при существенном загрязнении осадков различие 2. Природное фоновое распределение 3. Наблюдаемое распределение между линией (1) и кривой (2) вероятно будет не столь существенным по сравнению с различиями между линией (1) и кривой (3).

Рис. 8. Иллюстрация природного фонового уровня (1), природного фонового распределения 2), эмпирически установленного распределения (3) и загрязнение по разрезу донных отложений.

Природный фоновый уровень может быть определен несколькими способами, в данном контексте отметим лишь две альтернативы. Первая состоит в том, чтобы установить общий геологически выверенный уровень оценки с тем, что бы использовать этот стандартный уровень для сравнения (Turekian and Wedepohl, 1961; Mller, 1971). В этом случае геохимическая фоновая концентрация элемента определяется по Мощность отложений данным специальных региональных исследований. Этот показатель является основанием для подразделения донных отложений на различные классы качества.

Суть второй в установлении доиндустриального уровня для каждой грунтовой колонки на основе, например, споро-пыльцевого анализа (Kemp et al., 1976). Оба альтернативных метода определения природного фонового содержания, стандартизированный и обладающий локальной представительностью, имеют свои преимущества и недостатки с точки зрения перспективы использования для контроля аквального загрязнения. Первый достаточно приблизительный, но простой, поскольку не требует дополнительного анализа. Второй предполагает отбор колонок грунта и лабораторный анализ, но дает более точные данные.

В первом случае все локальные вариации игнорируются, во втором, все местные различия учитываются. С принципиальной точки зрения второй подход более предпочтителен и полезен, поскольку локальные вариации могут весьма значительны даже в пределах одного и того же озера. Следует также напомнить, что в больших озерах, каковыми являются озера Ладожское, Гурон и Венерн, существуют несколько литологических типов доиндустриальных осадков, обладающих и разными естественными концентрациями элементов. В этом случае расчет фонового содержания следует вести с учетом статистических законоi мерностей. Согласно этому природная фоновая концентрация ( Kn ) должна быть установлена как среднее значение ( X ) плюс стандартное отклонение S, т. е.

i Kn = X + S В соответствии с этой методикой были определены фоновые содержания ряда токсичных тяжелых металлов для описываемых озер (табл. 6).

Следует отметить, что такой подход и такое сравнение можно применять, только имея данные анализа проб из областей аккумуляции. Материал из областей эрозии и транспортировки в основном показывает одномоментные содержания загрязнителей и, если данные по этим двум динамическим обстановкам учитывать, они только снизят представительность результатов.

Таблица 6. Интенсивность загрязнения донных отложений озер тяжелыми металлами Интенсивность загрязнения Озеро Pb Cr Ni Zn Cu Co Cd Hg Гурон 1,1 1,9 1,1 1,1 1,4 1,2 1,1 8,Венерн 0,8 1 2,3 3,1 1,2 - 2,6 Ладожское 1,5 1,7 1 1,3 1,4 0,8 - 3,i i Интенсивность (фактор) загрязнения подсчитывается для отдельных элементов. Если С Kn, конf i i кретная субстанция определяется как загрязняющая; если С < Kn - как незагрязняющая или консерваf i тивная. Л. Хокансон предлагает следующие градации для оценки степени загрязнения: если С < 1 - f низкая, свидетельствующая о незначительном загрязнении аквальной системы изучаемым элементом или i i i соединением; 1 С < 3 - умеренная; 3 С < 6 - значительная, С 6 - высокая интенсивность f f f загрязнения (Hkanson,1988).

Общая степень загрязнения (Cd) может быть определена как сумма всех загрязняющих факторов больших, чем 1 для данного озера, области, района и т. д.:

n n i i i Cd = = 0-C f C / Kn.

i=1 i=При таком подходе в качестве параметров для оценки имеется интенсивность загрязнения для отдельных субстанций и степень загрязнения, учитывающая тотальное содержание контаминантов в осадках.

При этом, если Cd

Для того чтобы получить более точное представление о характере загрязнения донных отложений тяжелыми металлами на основе данных по отдельным компонентам для каждого бассейна была рассчитана общая степень загрязнения (табл. 7). Наибольшими значениями суммарного загрязнения (Cd 4n) на период наблюдения характеризуются осадки оз. Венерн, наименьшими (n Cd<2n) - Ладожского оз., отложения оз. Гурон загрязнены в значительной степени (2n Cd<4n). При этом по отдельным компоненi там наиболее серьезную опасность во всех озерах представляет ртуть (для оз. Венерн и Гурон C 6, в f i Ладожском оз. - 3 С < 6 ). Осадки оз. Венерн заражены достаточно существенно также Zn f i ( 3 С < 6 ). Интенсивность загрязнения озерных отложений другими тяжелыми металлами умеренная f или низкая.

Таблица 7. Степень загрязнение донных отложений озер металлами Степень загрязнения отдельными компонентами Общая степень загрязнения Высокая Значительная Умеренная Низкая Озеро i i i i С 6 3 С < 6 1 С < 3 С < Cd f f f f Венерн Hg Zn Cd>Ni>Cu>Cr Pb Гурон Hg - Cr>Cu>Co>Pb=Ni=Zn=Cd - 17,Ладожское - Hg Cr>Pb>Cu>Zn>Ni Co 10,В приведенных расчетах по загрязнению осадков нет данных по токсичным искусственным контаминантам, поскольку существуют сложности методического характера для определения реперных (фоновых) значений. Вместе с тем установлено, что такие опасные компоненты, как ПХБ, хлорорганические пести1циды, радионуклид Cs и др. в осадках крупных озер Европы и Америки содержатся в существенных количествах. Так, в поверхностном слое донных отложений оз. Венерн концентрация хлорированных бифенилов в 2, а в оз. Гурон и Ладожское в 4 раза превышает фоновое содержание для европейских и американских озер. Существенным по-прежнему остается содержание пестицидов в озерных осадках.

1Серьезную опасность для Ладожского озера представляет радионуклид Cs (лчернобыльский след), активность которого в зонах устойчивой аккумуляции превышает 200 Бк. Эти загрязнители имеют тенденцию накапливаться в водных организмах и донных отложениях озер. Ряд контаминантов, например, хлорированные углеводороды, не подаются биологическому разложению и сохраняют токсическую эффективность в течение многих лет.

Тенденции и прогноз изменения современного геоэкологичекого состояния больших озер. Достаточно угрожающее экологическое состояние рассматриваемых озер побудило предпринять ряд мер по борьбе с загрязнением. Сегодня существенный прогресс в очистке этих аквасистем очевиден. Улучшилось экологическое состояние оз. Гурон. Уменьшился уровень содержания эвтрофных веществ. Начиная с 1970-х гг., когда были запрещены многие стойкие биологически накапливаемые токсичные вещества, такие как ПХБ и ДДТ, уровни их концентрации в озере снизились. В последние несколько лет выявлено снижение поступления в осадки Pb and Hg в озерах Верхнее, Мичиган и Онтарио (рис. 9). Содержания ПХБ и ДДТ В водах Великих озер достаточно низкие и также имеют тенденцию к снижению в последние годы.

Рис. 9. Распределение Pb и Hg по разрезу датированных колонок в озерах Верхнее, Мичиган и Онтарио (Norton et al, 1990).

Значительно снизились содержания полихлорированного бифенила и ртути в биоте, а также в пробах воды (Protection.., 2005). Мониторинговые наблюдения качества вод в больших озерах Швеции показали, что антропогенное влияние снизилось в отношении количества поступления биогенных компонентов, ТМ и устойчивых органических соединений (Willen, 2001). Начиная с конца 60-х годов, все муниципальные сбросы на водосборе подвергаются интенсивной высокотехнологичной очистке. Количество фосфора, поступающего в озера, уменьшилось на 90-95 %. Оз. Венерн возвращается к олиготрофному состоянию. Уровень содержания ртути в осадках и в биоте снизился, прозрачность воды увеличилась вдвое. Сброс загрязнителей из большинства точечных источников резко сокращен. В Ладожском озере в настоящее время также отмечается снижение антропогенного пресса, причины которого: (1) сокращение сбросов загрязненных вод, и модернизация производства, а также улучшением качества очистки стоков в Финляндии, (2) снижение антропогенной нагрузки на озеро в связи с общим спадом промышленности и сельского хозяйства в России (ЛадожскоеЕ, 2002). Так, анализ реабилитации природных условий седиментогенеза в местах захоронения отходов ранее действующего ЦБК свидетельствует, что в целом, наметилась тенденция возврата к естественным седиментационным условиям: вверх по разрезу отмечается снижение концентраций тяжелых металлов (рис. 10).

Рис. 10. Распределение содержания тяжелых металлов по разрезу донных отложений вблизи о. Бурнев, мкг г-1.

Вместе с тем, в связи с существенной инерционностью лимнических процессов современное экологическое состояние озер далеко от идеального. Несмотря на улучшение экологических показателей проблема сохранения высокого качества воды, особенно в отдельных заливах и береговой зоне, по-прежнему актуальна. Результаты показывают, что восстановление озер идет чрезвычайно медленно. Так, например, для Ладожского озера отмечается, что после снижения антропогенной нагрузки почти вдвое только по истечению 9-11 лет начали проявляться признаки восстановления озера (ЛадожскоеЕ, 2002). Ожидаемая в ближайшие годы активизация хозяйственной деятельности на водосборе озера может привести к ухудшению экологического состояния акватории.

В бассейне Великих озер по-прежнему существуют проблемы, связанные с такими стойкими биологически накапливаемыми токсичными веществами, как ПХБ, ртуть и диоксины. Стандарты качества воды в отношении ПХБ в водах Великих озер не выполняются. В последние несколько лет замедлился темп снижения концентрации токсичных веществ в осадках и биоте. В настоящее время считается, что загрязнение стойкими биологически накапливаемыми токсичными веществами обусловлено, прежде всего, местными загрязнителями, образовавшимися вследствие прежних сбросов и атмосферного осаждения.

Есть основания для тревоги, обусловленные тем, что тенденция к снижению концентрации многих химикатов возможно ослабевает.

Одной из основных проблем в области водоохранной деятельности является ограничение антропогенных воздействий рамками экологических возможностей озер. Оценка экологического потенциала озер необходима для характеристики прогноза функционирования озерной системы (Куриленко, 2000). Подробный анализ больших озер еще не завершен. Геоэкологический потенциал озерных систем целесообразно рассматривать вкупе с таким важным понятием, как ассимиляционная емкость. Приведение данного показателя к единому знаменателю и реальное использование в практике прогнозирования экологического состояния водоемов позволяют провести подобные исследования с описательного на количественный уровень.

Одним из инструментов подобных прогнозных оценок является моделирование. Долгосрочный экологический прогноз является наиболее наукоемкой процедурой из всех видов природоохранной деятельности. Как показывает опыт, прогнозируемые экологические последствия часто оказываются далекими от действительности, потому что оправдываемость экологических прогнозов достаточна низка.

В отношении моделирования для больших озер накоплен значительный опыт. Полученные модели, безусловно, пригодны для оценок процессов различной природы, имеющих место в озерах. Однако существующее общее состояние моделирования аквальных систем не позволяет считать достигнутый уровень моделирования удовлетворительным для использования разработанных моделей с целью надежного прогноза изменений, происходящих в водных экосистемах под воздействием разных факторов, в том числе и антропогенных.

Рассматриваемые озера имеют достаточно длительный период водообмена (около 20 лет) и поэтому загрязнители не выносятся из озер быстро. Значительная часть их попадает в донные отложения. До окончательного захоронения контаминанты могут быть активными (подвижными) в осадках в связи с различными процессами - волновое воздействие (особенно штормы в осенний период), биотурбации, драгирование грунта, судоходство. Многие загрязнители являются устойчивыми, что может привести к высокому уровню загрязнения экосистемы. Ряд факторов делают озера достаточно восприимчивыми к воздействию устойчивых загрязняющих веществ: их значительная изолированность; длительный период водообмена; низкие темпы седиментации; умеренная биологическая продуктивность; значительная концентрация промышленности и высокая плотность населения; очень большая площадь поверхности и соответственно значительные поступления техногенных продуктов с атмосферными осадками.

Существует два основных сценария развития геосистем Великих озер Европы и Северной Америки.

Сценарий 1. Сохраняется существующая практика управления территориями и взаимоотношения управленческих структур и общественных и научных организаций; экономическое положение остается прежним или улучшается.

Средне- и долгосрочные перспективы. Продолжается или повышается нагрузка на большинство природных ресурсов. Усиливаются процессы эвтрофикации и накопления техногенных загрязнителей. При таком развитии ситуации в целом можно ожидать постепенное снижение ценности территории и акватории, но через несколько лет процесс деградации будет уже не остановить в силу большой инертности процессов в Великих озерах.

Если развитие пойдет по данному сценарию вне зависимости от изменений экономической ситуации, через определенный временной период озеро утратит уникальные объекты природной среды, в водоеме произойдет резкое снижение качества воды, что в свою очередь будет представлять угрозу для нескольких миллионов человек в регионе.

Сценарий 2. Усилия научных и общественных организаций встречают понимание и поддержку со стороны администраций; появляющиеся ресурсы направляются на решение приоритетных природоохранных задач.

Средне- и долгосрочные перспективы. Процессы эвтрофикации и накопления техногенных загрязнителей в озерах какое-то время продолжаются по природным причинам. Однако снижается нагрузка на большинство природных ресурсов.

При развитии ситуации по данному сценарию следует ожидать действительного достижения задачи так называемого лустойчивого развития, когда сохранение и развитие природной среды ставится на один уровень с социальной и экономической сферами. В таком случае природные комплексы и природные ресурсы озера и его водосборного бассейна будут сохранены и восстановлены. Одновременно будет подготовлена база для успешного экономического развития региона.

Первый из предложенных сценариев является пессимистическим, так как в нем при решении сиюминутных задач развития общества не принимаются во внимание проблемы окружающей среды. В России, к сожалению, решения в ряде случаев принимаются именно по такому сценарию. Однако изменения, происходящие в нашей стране, вряд ли позволят полностью игнорировать природоохранные вопросы при планировании и осуществлении региональных программ развития.

Второй сценарий можно считать близким к идеальному, поскольку здесь предполагается, что вопросы сохранения природной среды занимают ключевое место в экономическом и социальном развитии территории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В итоге исследований процессов осадконакопления автором впервые выполнено теоретическое обобщение по седиментологии и геоэкологии больших озер бореальной зоны и на этой основе выработаны принципиально новые представления о закономерностях и механизмах трансформации и взаимодействия потоков природного и антропогенного осадочного вещества в аквальных геосистемах. Основные результаты настоящих исследований формулируются следующим образом:

1. Большие озера Северной Европы и Северной Америки - многокомпонентные природные геосистемы - имеют близкие по своим значениям морфометрические и гидрологические параметры, а также и физико-химические особенности вод, т. е. обладают одинаковым лимнологическим статусом.

2. Аквальные части озерных геосистем - конечные звенья масштабных превращений потоков загрязняющих веществ, где контаминанты природного и техногенного происхождения распределяется под действием разнообразных седиментологических факторов при ведущей роли придонных динамических процессов.

3. Донные отложений - важнейший индикатор загрязнения водных систем. Они отражают интегрированную во времени сумму антропогенного воздействия на аквальную систему. Химические и биологические параметры не обладают высокой представительностью в силу значительной временной и пространственной изменчивости водных масс, а также низкой концентрации контаминантов.

4. Загрязняющие вещества локализуются в осадках зон устойчивой аккумуляции, расположение и характер которых определяются общей схемой седиментогенеза. Наибольшее воздействие на формирование качества вод больших озер оказывают эпизодические динамические явления - течения, индуцированные в осеннее время экстремальными по силе штормами. Зоны техногенного осадконакопления, где признаки загрязнения осадков становятся заметными и доминирующими, являясь потенциальными очагами вторичного загрязнения вод, несут в себе максимальную экологическую опасность.

5. Каждый озерный бассейн обладает своей собственной спецификой осадконакопления, что подтверждают корреляционные связи и отношения между седиментологическими параметрами осадков.

Вместе с тем, характер образующихся донных отложений в заметной степени определяется структурой и интенсивностью действия антропогенного фактора.

6. Наряду с компонентами, несомненно, имеющими антропогенное происхождение (ПХБ, пестициды, радиоцезий), в исследованные озера в результате техногенеза поступают (в том числе и из точечных источников) тяжелые металлы. В Ладожском озере к таковым относятся Ni, Co, Cd, Hg и As, в озерах Гурон и Венерн Cd и Co, и Hg и Cd, соответственно.

7. Оценка интенсивности загрязнения на основе соотнесения содержания загрязняющего компонента в современных отложениях с природной фоновой концентрацией, установленной по разрезу донных отложений в зонах аккумуляции, дает возможность охарактеризовать качество донных отложений и создать единую основу для контроля и сравнения разных бассейнов.

8. Наибольшими значениями суммарного загрязнения на период наблюдения характеризуются осадки оз. Венерн, наименьшими - Ладожского оз., отложения оз. Гурон загрязнены в значительной степени.

При этом по отдельным компонентам наиболее серьезную опасность во всех озерах представляет ртуть.

Интенсивность загрязнения озерных отложений другими загрязняющими компонентами умеренная или низкая.

9. Значительная изолированность, длительный период водообмена, низкие темпы седиментации, умеренная биологическая продуктивность, значительная концентрация промышленности и высокая плотность населения делают большие озера севера Европы и Америки достаточно восприимчивыми к воздействию устойчивых загрязняющих веществ.

Полученные результаты имеют важное прикладное значение. Созданная в ходе исследований база данных по различным аспектам седиментологии и экогеологии крупнейших озерных систем мира, а также комплект построенных экогеологических карт является основой для проведения системного мониторинга состояния аквасистем и оценки качества донных отложений. Предложенный подход к расчету степени и интенсивности загрязнения донных отложений послужит вкладом в разработку национальных критериев оценки качества аквальных систем с использованием седиментологических индикаторов. Разработанные принципы динамического районирования дна дают возможность более обосновано выявить точки для мониторинга, места для разработки подводных карьеров и организации подводных свалок грунта.

Выполненные исследования вместе с тем выявили и ряд проблем, без решения которых нельзя точно оценить состояние природной среды аквальных систем и дать прогноз, как долго они смогут противостоять возрастающему уровню загрязнения. Это касается, прежде всего, оценки качества состояния водоемов.

Используя понятия загрязняющий фактор и общая степень загрязнения, загрязнение осадков может быть описано единым стандартизированным и количественным способом. Единая основа - обязательное условие при контроле загрязнения аквальных, которая позволит сравнивать разные бассейны и свести к минимуму субъективные предположения. При этом существуют два главных ограничения при использовании данных по осадкам в программах по контролю над аквальными системами. Это, прежде всего тот факт, что осадки дают только косвенные указания, тогда как биологические методы могут свидетельствовать о прямом экологическом воздействии. И второе - осадки поставляют информацию только об инъекции загрязнителей за длительный период времени (лза год), тогда как седиментационные ловушки и биологические методы могут дать разрешение за месяц, а пробы воды за час.

Настоящая работа не претендует на всеобъемлющий охват геоэкологических особенностей больших озер; предпринята лишь первая попытка выполнить такое исследование сравнительного характера. Полученные результаты способствуют пониманию процессов формирования экологического состояния крупных озерных систем и дальнейшему развитию экоседиментологии как самостоятельного научного направления.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии 1. Литология и литодинамика современных осадков восточной части Финского залива. Соавторы Логвиненко Н. В., Барков Л. К. Л., Изд-во С.-Петербургского университета, 1988. 148 с.

2. Геоэкология Ладожского озера. Коллектив авторов. Коллектив авторов / Под ред. В. И. Иванова, В.

И. Гуревича. СПб., Изд-во ВНИИОкеангеология. 1995. 209 с.

3. Морфоседиментогенез прибрежной зоны северо-востока Сахалина. Соавтор Барков Л. К. СПб., Изд-во СПбГУ. 1995. 136 с.

4. Природный седиментогенез и техногенез в Ладожском озере. Соавторы Свешников А. Г., Щербаков В. А. СПб. Изд-во СПбГУ. 1999. 151 с.

5. Природоохранный атлас Российской части Финского залива. Коллектив авторов / Под ред. В. Б.

Погребова и Р. А. Сагитова. СПб.: Изд-во Тускарора, 2006, 60 с.

Статьи в ведущих научных изданиях 6. О реконструкции особенностей прибрежно-морской среды седиментации с использование динамических диаграмм // Океанология. 1992. Т. 32. Вып. 1. С. 159-165.

7. Петрографическое изучение песчаных осадков Ладожского озера с применением шлифов и окрашивания полевых шпатов. Соавторы Шванов В. Н., Засименко Л. И. // Бюлл. МОИП. 1994. Т. 69. Вып. 5.

С.59Ц71.

8. Геэкологические аспекты изучения донных осадков Ладожского озера. Соавтор Ситников Т. А. // Литология и полезные ископаемые. 1997. №6. С. 649-660.

9. Особенности современного седиментогенеза в Ладожском озере / Литология и полезные ископаемые. 2003. №1. С. 15-26.

10. Сравнительный анализ загрязнения донных отложений озер Европы и Северной Америки (на примере озер Гурон, Венерн и Ладожского) / Геоэкология. 2003. №1. С. 36-44.

Прочие публикации 11. Состав и динамика современных донных осадков южной части Ладожского озера. Соавторы Барков Л. К., Щербаков Е. М. // Вестн. Ленингр. ун-та 1983, Серия Геология. № 6. С. 32Ц40.

12. Современные донные осадки восточной части Финского залива от о. Гогланд до м. Шепелево. Соавторы Логвиненко Н. В., Барков Л. К., Щербаков Е. М. // Вестник ЛГУ. №28, 1987. С. 34-40.

13. Геоэкологические исследования современных отложений Ладожского озера. Соавторы Егиазаров Б. Х, Щербаков В. А. И др. // Тезисы докл. межд. симпозиума Геомониторинг и проблемы геоэкологии.

., 1989. С. 24.

14. Литология прибрежно-морских осадков северо-западной части Чукотского п-ова. Соавторы Огородников В. И., Сукач В. С. // Вестн. Киевского ун-та, №9, 1990. С. 32-42.

15. Особенности процессов дифференциации обл. материала в прибрежной зоне северо-востока Сахалина / Литология и литодинамика. Л., 1991. С. 63-73.

16. Оценка геоэкологической обстановки в субаквальной части парка Монрепо. Соавторы Кадочников А. Н., Кондратьев А. В. // Сб. научных трудов ин-та Гипроникель. 1992. C. 12-21.

17. Гранулометрия поверхностных донных отложений Ладожского озера // Вестник С.-Петербург. Унта. 1993. Сер. 7. Вып. 3 (№21). C. 48Ц57.

18. Гранулометрия прибрежно-морских осадков северо-востока Сахалина // Литология и полезные ископаемы. 1993. №1. С. 45-51.

19. Структурно-петрографические особенности поверхностных песчаных отложений Ладожского озера как отражение петрофонда и гидродинамики бассейна. Соавтор Шванов В. Н. // Геология. В 2 ч. Ч. 1. М.

Изд-во МГУ. 1993. С. 77Ц82.

20. Динамические типы дна и загрязнение донных отложений Ладожского озера. Соавтор Свешников А. Г. // Геология. Ч. 2. М. Изд-во МГУ. 1995. С. 153Ц158.

21. Sediments, functional bottom types and contamination: investigation in Lake Ladoga // Book of abstract of the IV Int. Conference Ass. EGS. Hamburg. 1995. P. 233.

22. Осадки, функциональные типы дна и загрязнители - исследования в Ладожском озере. Соавтор Ситников Т. А. // Тезисы докл. I Всесоюзн. конференции Поиски нефти и охрана окр. среды. СПб. 1996.

С. 230-233.

23. Седиментологические аспекты аквальной геоэкологии // Тезисы докл. Всероссийск. конференции Закономерности эволюции литосферы. СПб., 1996. С.139-141.

24. Петрографический состав поверхностных песчаных отложений и терригенно-минералогические провинции восточной части Финского залива. Соавторы Шванов В.Н., Платонов М. В., Сулима С. С. / Литология и палеогеография. Вып. 5, СПб. Изд-во СПбГУ. 1997. C. 43-52.

25. Contamination of harbor sediments in the eastern Gulf of Finland (Neva Bay) // Environmental Geology.

1997. V.32, №4. P. 274-281.

26. Загрязнение донных отложений в портовых гаванях Невской губы (восточная часть Финского залива). Соавторы Свешников А. Г., Гончарова Н.Г. // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. №2, 1998. С. 22-29.

27. Седиментационный процесс как ведущий фактор формирования геоэкологического состояния Ладожского озера. Соавторы Шванов В. Н. / Разведка и охрана недр. 1998, № 7-8. С.47-59.

28. Динамические типы дна и загрязнение донных отложений Ладожского озера и озера Венерн / Экологическая геология и рациональное природопользование. СПб. Изд-во СПбГУ. 1999. С. 219-228.

29. Сравнительный анализ современного геоэкологического состояния больших озер Европы и Северной Америки // Тезисы докладов Международной конференции Экологическая геология и природопользование. СПб., 2000. С. 46-47.

30. Оценка состояния экосистем Ладожcкого бассейна. Коллектив авторов / Под ред. В. Б. Погребова и Р. А. Сагитова. Копенгаген - Санкт-Петербург. 2000. 240 c. (URL / www.bfp.ladoga).

31. A sedimentological approach to environmental problems of aquatic systems / Book of abstract of the Second Conf. On environmental sedimentology. Venice. 2000. P. 324-325.

32. Седиментологический подход при решении задач аквальной экогеологии // Тезисы докладов V Межд. Конференции Новые идеи в науках о Земле. М., 2001, С. 65.

33. Питание Ладожского озера осадочным материалом / Вестн. С.-П. Ун-та. 2001. Сер. 7, вып. 2 (№15).

С. 95-100.

34. Донные отложения и литодинамика верхней части шельфа северо-востока Сахалина Навигация и гидрография. №13. 2002. С. 124-136.

35. Геоэкология крупных озер Европы и Северной Америки (на примере озер Гурон, Венерн и Ладожское) / Тезисы докладов межд. конференции Экологическая геология и рациональное недропользование.

СПб. 2003. С. 80.

36. Некоторые особенности морфоседиментогенеза в береговой зоне юго-восточного сектора Печорского моря (район Варандей) // Навигация и гидрография. 2004. № 4. C. 30-38.

37. Бентосные организмы как индикаторы загрязнения Ладожского озера. Соавтор Гончарова Н. Г. // Материалы конференции Биокостные соединения. СПб., 2004 г. С. 56-59.

38. Интегральная оценка экологической чувствительности биоресурсов прибрежной зоны Калининградской области к аварийным разливам нефти. Соавторы Погребов В.Б., Дмитриев Н.В. и др. // Международный экологический форум День Балтийского моря, посвященный 30-летию подписания Хельсинкской Конвенции. Санкт-Петербург, 2004. С. 115-116.

39. Роль устойчивого появления процессов техногенного седиментогенеза в формировании экологических условий Ладожского озера / Теоретические и методические вопросы экологической геологии // Под ред. В. Т. Трофимова и В. В. Куриленко. СПб., 2005. С. 213-230.

40. Донные отложения как индикаторы загрязнения восточной части Финского залива. Соавторы Намятов А.А., Погребов В.Б. // Материалы Международного экологического форума День Балтийского моря. СПб: Издательский дом Герда, 2005. С. 182-185.

41. Донные отложения как индикаторы загрязнения восточной части Финского залива. Навигация и океанология. 2005. №2. С. 25-32.

42. Оценка воздействия на окружающую среду добычи железомарганцевых конкреций в восточной части Финского залива. Соавторы Намятов А. А., Погребов В. Б. // Материалы 8-й международной специализированной выставки и конференции AQUATERRA-2005. Санкт-Петербург, 2005. С. 230-236.

43. Оценка воздействия на морское дно и донные отложения в ходе добычи железо-марганцевых конкреций в восточной части Финского залива. Соавторы Намятов А. А., Погребов В. Б., Позднышев С. П. // Материалы Международного экологического форума День Балтийского моря. Санкт-Петербург: Издательский дом Герда, 2006. С. 194-196.

44. Bottom sediments in the pollution control program for Lake Ladoga / Workshop Proceedings of 20World Water Week in Stockholm. Stockholm. 2006. P. 120-123.

45. Седиментологический подход в программах по контролю загрязнения аквальных систем. Соавторы Намятов А. А., Погребов В. Б. // Современные проблемы прикладной экологии. Алматы. 2007. С. 51-58.

   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по земле