ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2014, № 2, с. 178-185
УДК 546.36.02.137
137Cs В ОСАДКАХ ГЛУБОКИХ ОЗЕР © 2014 г. Д. Ю. Большиянов, Н. А. Бакунов, А. С. Макаров
ФГБУАрктический и Антарктический научно-исследовательский институт 199397Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38; E-mail: Bolshiyanov@aari.ru Поступила в редакцию 22.11.2011 г.
Определена скорость седиментации взвесей (0.3—18.2 мм/год), по данным послойного распределения концентраций 137Cs (глобальный, "чернобыльский") в колонках донных отложений (ДО) 16 озер, расположенных в высоких и средних широтах северного полушария. Проанализированы профили концентраций 137Cs в колонках ДО. Скорости накопления осадков в лимнических зонах глубоководных озер определяются с помощью 137Cs, аккумулированного тонкодисперсной компонентой минеральной взвеси.
DOI: 10.7868/S0024497X14020025
Долгоживущие радиоактивные продукты масштабных испытаний ядерных боеприпасов в атмосфере 1961-1963 г. 908г, 137С8, 239'240Ри после отложения на поверхности земли включились в разнообразные циклы биогеохимической миграции, став, таким образом, временным маркером этих процессов в лито- и гидросфере.
Накоплен опыт использования таких маркеров для оценки массопереноса морских вод [Ва-куловский и др., 1985; Матишов и др., 1994], поступлений радионуклидов с водосборов в речную сеть и определений скоростей седиментации взвесей [Бакунов и др., 1999, 2007, 2008; Гавшин и др., 2000; Кузнецов и др., 2001].
Повсеместное загрязнение 137С8 поверхности земли и регионально-локальное — "чернобыльским" 137Сб послужило предпосылкой для использования этих радионуклидов при изучении седиментации веществ нерадиационной природы в глубоководных озерах [Бакунов и др., 2007, 2008; Её§1п§1оп, ЯоЪЪшз, 1976; Циболд и др., 2000; Б^Ъе^ег й а1., 2010].
Несмотря на возрастающую роль в лимнологических исследованиях 137С8, используемого в качестве метки особенностей современного седи-ментогенеза [Гавшин и др., 2000; Орлов и др., 1994; Бе8опеп е! а1., 2008; Кузнецов и др., 2001; 11ш, 8ахеп, 2005], круг вопросов, решаемых с его помощью, четко не обозначен.
137Сб из пресных вод сорбируется минеральной компонентой из сред (вода-взвесь, вода-грунт) с высокими его концентрациями — 103—104 л/кг [Христианинова и др. 1973; 11ш, 8ахеп, 2005]. С фиксацией 137С8 в кристаллитах глинистых минералов взвесей связана консервативность поведения метки, поскольку 137С8 не участвует в реакциях ионного обмена. Дальнейшая миграция 137С8
зависит от перемещения в водной среде тонкодисперсных частиц — носителей 137С8.
Актуальность проводимых нами исследований связана, с одной стороны, с необходимостью прогнозов поведения 137С8 в водоемах, куда сбрасываются радионуклиды от работающих АЭС, а с другой — с изучением переноса веществ между литосферой и гидросферой с использованием долгоживущих искусственных радионуклидов 908г, 137СБ, 239, 240Ри, 241Ат.
В задачу исследования входило использование 137Сб в качестве метки современного накопления осадков в глубоких озерах для количественной характеристики этого процесса, установления связей его с природными особенностями водоемов и выявления возможностей применения этой метки в лимнологических исследованиях.
Присутствие в донных отложениях большинства водоемов Северного полушария глобального и "чернобыльского" 137С8 расширяет методические возможности изучения современного седи-ментогенеза в проточных и бессточных водоемах. В европейской части страны глубоководные озера (Нср > 20 м) расположены в Карелии и на Полярном Урале, но в основном на Алтае, в Восточной Сибири и на Камчатке. Учитывая плохую изученность процессов седиментации в глубоководных озерах, привлечение 137С8 к их исследованию представляется целесообразным.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Материалом для исследования послужили данные экспериментальных работ, содержащих результаты наблюдений распределения радионуклидов 137Сб глобального и "чернобыльского" в донных отложениях озер с глубинами >5 и >20 м.
Предполагалось, что в таких водоемах четкое разграничение котловин на лимнические зоны позволит корректно оценивать седиментацию по данным распределения в колонках донных грунтов 137Сб. Исследовались водоемы с содержанием на водосборах радионуклидов 137С8 от ~2.0 до 60 кБк/м2.
Метод послойного разделения колонок донных осадков с последующей регистрацией в слоях 137Сб позволяет получить профиль концентраций радионуклида, подлежащий дальнейшему анализу и процедуре идентификации его генезиса по принадлежности к 137С8 глобальных выпадений (1962—1964 гг.) или аварийного выброса с ЧАЭС.
Нижняя граница современного периода (1961—2011 гг.) накопления осадков устанавливается в колонках донных грунтов по слою с максимальным накоплением 137С8 в 1962—1964 гг., он же является временным маркером отложения глобального 137Сб [Бакунов и др., 2007; Бё§1п§1оп, ЯоЪЪшз, 1976].
В донных отложениях озер максимальное содержание глобального 137С8 приходится на период 1962—1964 гг., а "чернобыльского" — 1986 г. Разница между датами поступления в водоемы радионуклидов 137Сб равна ~22 годам. Этот временной интервал используется при определении генезиса радионуклидов 137С8, присутствующих в колонках донных отложений.
В наших работах [Бакунов и др., 2007, 2008] при определении 137С8 в пробах грунтов с помощью метода сцинтилляционной гамма-спектрометрии относительная ошибка регистрации концентраций 137С8 не превышала 40%.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В глубоководном арктическом озере Левин-сон-Лессинга (Центральный Таймыр) объемом 1.42 км3, средней глубиной 60 м и условным временем обмена вод 8—10 лет проводилось изучение накопления 137С8 в донных отложениях. Наблюдения проводились от устья р. Красной — источника привноса терригенного материала в водоем, до его центральной части, удаленной от устья реки на 4.0 км. На глубинах 20—40 м отбор проб ДО дублировался (станции 4, 5 и 8, 9 соответственно). В таблице 1 приведены результаты определений 137Сб в донных осадках.
В глубоководных озерах наиболее тонкодисперсные компоненты взвесей откладываются и накапливаются в профундали водоемов. В литорали озер при волнениях донный материал взмучивается и переотлагается, что приводит к накоплению в профундали тонкодисперсных минеральных частиц, обогащенных 137С8.
Таблица 1. Распределение 137С8 и 40К в осадках оз. Ле-винсон-Лессинга (слой 0—10 см)
№ станции Расстояние от устья реки, км Глубина, м Радионуклиды, Бк/кг сухой массы
137С8 40к
1 0.14 4 8 455
2 0.36 17 11 219
3 0.36 17 9 534
4 0.29 18 10 540
5 0.29 18 14 544
6 0.43 22 - 412
7 1.10 35 4 399
8 0.86 36 - 458
9 0.86 36 5 518
10 1.6 52 17 419
11 1.9 60 12 463
12 3.3 75 14 537
13 4.0 100 16 544
137
Примечание. Прочерк — С8 ниже предела обнаружения.
Имеются отступления от этой общей схемы переноса взвесей в глубоководных озерах, обусловленные особенностями строения дна озерных котловин и внутриводных процессов. В оз. Левинсон-Лессинга (рис. 1) в районе резкого перепада глубин (20—40 м) 137С8 в осадках станций 6 и 8 (слой 0—10 см) не обнаруживался или же его концентрации (табл. 2) были очень низкими. Здесь происходил как перенос осадков по склону, так и осаждение их в локальных понижениях. В обоих случаях содержание 137С8 в слое (0—10 см) уменьшалось, но по разным причинам.
В первом случае имеет место потеря части осадков в условиях максимального загрязнения вод (1962—1965 гг.), а во втором — перекрытие их более поздними отложениями с низким содержанием 137Сб. На уменьшение отложения тонкодисперсных частиц на участках резкого изменения глубин (станции 6—9) указывает устойчивое понижение содержания в ДО 40К (см. табл. 1). На этих участках часть тонкодисперсных взвесей не достигала дна из-за переноса течениями на сопряженные участки озерной котловины. В связи с преимущественным расположением станций наблюдений (см. табл. 1) в глубоководной части водоема (Н > 20 м), где аккумулируется тонкодисперсная взвесь, вариабельность концентраций 40К в донных осадках невысокая.
По данным послойного определения содержания 137Сб в колонках ДО вычислялась седиментация (см. табл. 2). Для этого в профиле концентраций 137Сб выделялся слой (Ь, мм) с максимальным содержанием, который рассматривался как слой,
Рис. 1. Батиметрия озера Левинсон-Лессинга (м) и расположение станций наблюдений (цифра — глубина, м)
сформировавшийся в период наибольшего загрязнения гидросферы (1964 г.). Седиментация рассчитывалась из выражения: и = Ь/?2 — , где и — скорость седиментации, мм/год ; Ь — расстоя-
ние (мм) по высоте керна от поверхности до средины слоя с максимальной концентрацией 137С8; ?2 — дата наблюдений, год; — дата максимального загрязнения гидросферы 137С8 (1964 г.).
Для примера расчета скорости седиментации и используем данные по керну станции 7, отобранном в 1996 г. с глубины 35 м и разделенном на слои с шагом 1 см. Максимум концентрации 137С8 пришелся на слой 90—100 мм, принимаемый за слой Ь. От поверхности керна средина этого слоя находится на расстоянии 95 мм. Расчетная скорость седиментации и оценивается в 3.0 мм/год. Керны станций с глубин 35 и 75 м разделялись на слои 0—1 см, 52 и 60 м — 0—3 см, а керн станции 100 м - 0-2 см.
Скорость накопления осадков (см. табл. 2) снижалась с 3.0 до 0.8 мм/год по мере удаленности станций наблюдений от устья реки и увеличения глубины озера. Чем ближе расположена станция к устью реки, тем глубже в профиле ДО находится слой с максимальной концентрацией 137С8. В прибрежную часть озера поступали наиболее грубые фракции взвешенных веществ, а тонкие частицы переносились в глубоководную область. Переход от сублиторали озера к профундали сопровождался стабилизацией седиментации на уровне 0.8-0.9 мм/год. На литораль, сублитораль и профундаль озера пришлось 12.2, 1.0 и 86.8% 137Сб от общего его содержания на дне водоема (0.0393 ТБк ).
Использование 137С8 в качестве метки позволило выявить особенности переноса взвесей в отдельные зоны глубоководного озера, определить скорость седиментации и установить связь осадков с источником сноса терригенного материала. В Ладожском озере (табл. 3) наб
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.