ГЕОХИМИЯ, 2007, № 4, с. 439-449
ЛИТОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ДОЙНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВОДОХРАНИЛИЩ АНГАРСКОГО КАСКАДА
© 2007 г. Г. А. Карнаухова
Институт земной коры СО РАН 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 128, e-mail: karnauh@crust.irk.ru Поступила в редакцию 02.06.2005 г.
В работе приведены результаты многолетних комплексных исследований автора на крупнейших искусственных водоемах - каскаде Ангарских водохранилищ, которые позволили установить, что формирование донных отложений водохранилищ происходит в обстановке, характеризующейся преобладанием поступления терригенного материала. Рассмотрены вещественно-структурные и геохимические характеристики различных литодинамических типов донных отложений водохранилищ на обобщенных поперечных профилях, представляющих довольно сложную систему с меняющимися соотношениями песчаных, алевритовых, пелитовых частиц и ассоциаций химических элементов. Анализ состава абрадируемых пород, обстановок седиментации и характера литолого-геохимической дифференциации донных отложений показал, что процессы разноса и дифференциации веществ, поступающих в водохранилища в результате абразии, а также образование новых типов донных отложений протекают синхронно, а вещественная структура осадков не утратила связь с исходным материалом. Установлено, что смена литодинамических обстановок в водохранилищах Ангарского каскада и направленность литолого-геохимической дифференциации донных отложений развиваются по тем же законам, что и в природных водоемах.
В настоящее время к числу актуальных проблем относится изучение современных донных отложений водоемов с позиции миграции и распределения в них химических элементов, поступающих с суши. Начало исследованиям факторов и общих характеристик миграции элементов было положено В.М. Гольдшмидтом [1] и А.Е. Ферсманом [2, 3], что позволило установить роль физико-химических свойств элементов в их распределении. Задача исследования значимости геологической среды в геохимической дифференциации в процессе седиментогенеза впервые была рассмотрена Л.В. Пустоваловым [4-6]. Основы современного представления о поведении и распределении химических элементов в зависимости от совокупного действия вышеназванных факторов в процессе осадконакопления были сформулированы Н.М. Страховым [7-10]. Дальнейшие исследования других авторов внесли весомый вклад и позволили расширить представления о механической дифференциации химических элементов в морях и океанах [11-16].
Создание огромных искусственных водоемов, в которых большинство процессов протекает в сотни раз быстрее, чем в природных водоемах, вызвало интерес к изучению химического состава воды и донных отложений, степени миграции элементов в водохранилищах. Наиболее детально подобные исследования были выполнены на водохранилищах Днепровского каскада [17]. Недостаточно изученными в этом отношении оказались водохранилища
Ангарского каскада, головным среди которых является Иркутское, срединным - Братское, замыкающим - Усть-Илимское (рис. 1). Поэтому, чтобы подойти к исследованию геохимического механизма осадконакопления в искусственных водоемах нами были поставлены следующие задачи: 1) определить численные показатели структурных и геохимических характеристик различных литодинамических типов донных отложений; 2) уточнить характер взаимодействия элементного состава формирующихся донных отложений со структурно-вещественным составом материала питающего источника и гидродинамикой среды осадконакопления; 3) построить схему литолого-геохимической дифференциации донных отложений водохранилищ Ангарского каскада на основе авторских материалов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В период с 1972 по 2002 годы в Институте земной коры СО РАН проводились комплексные исследования водохранилищ Ангарского каскада, включающие изучение литологических, геохимических, гидрохимических и гидрологических параметров среды осадконакопления, что позволило автору собрать большой фактический материал по гидродинамическим условиям, составу и свойствам донных отложений и пород береговой зоны водохранилищ, миграции и накоплению химических элементов в этих водоемах. Ежегодные
96° 108°
96° 108°
Рис. 1. Схема расположения водохранилищ Ангарского каскада. 1 - Иркутское водохранилище; 2 - Братское водохранилище; 3 - Усть-Илимское водохранилище.
исследования литолого-геохимического состава включали отбор образцов донных отложений грунтоотборной трубкой ПИ-27 - II, а также отбор образцов пород береговых уступов. Образцы и пробы отбирались по опорным профилям, проходящим от берега через водохранилище. Такой метод дает возможность включить в систему опробования большинство фациальных обстано-вок осадконакопления и форм подводного рельефа. Для большей информативности получаемых результатов одновременного с грунтовой съемкой производился отбор проб воды батометром Молчанова, измерение скоростей течения морской вертушкой ВММ, что в дальнейшем позволило выполнить анализ литолого-геохимической дифференциации донных отложений по комплексу признаков.
В свежеотобранных колонках с помощью потенциометра со стеклянным и платиновым электродами выполнялось определение величин рН и ЕЬ донных отложений. По существующим методикам [18] определялись объемная масса, природная влажность в весовых и объемных единицах, рассчитыва-
лись степень влажности, пористость, коэффициент пористости. В стационарных лабораторных условиях определялся гранулометрический состав донных отложений по методике, описанной в работе [19]. При изучении химического состава донных отложений использовались как химические, так и инструментальные методы (рентгенофлуоресцентный, эмиссионный спектральный, атомно-абсорбцион-ный). Определялись основной химический состав, главные ионы, биогенные элементы, суммарное ОВ и органический углерод, микроэлементы, а также емкость поглощения осадков. Изучение химического состава донных отложений с помощью химических и некоторых инструментальных методов проводилось в Аналитическом центре ИЗК СО РАН. Аналитические работы с помощью эмиссионного спектрального и ICP методов были выполнены в аналитических лабораториях ЛИНа и Института геохимии СО РАН.
Статистическая обработка данных проведена с использованием стандартного приложения Stat-graphics Plus. За показатель уровня аномальности содержания элементов в донных отложениях при-
нят коэффициент концентрации, который был рассчитан, согласно рекомендациям [20], как отношение содержания элемента в осадке к среднему фоновому его содержанию. На основе полученных материалов были составлены серии лито-логических, фациальных, геохимических карт, основой для которых послужили батиметрические карты Иркутского, Братского, Усть-Илим-ского водохранилищ масштаба 1 : 50000.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Формирование донных отложений водохранилищ Ангарского каскада происходит в обстановке, характеризующейся преобладанием поступления терригенного материала, активной волновой деятельностью в период открытой воды и региональными морфологическими особенностями строения дна водохранилищ.
Одним из ведущих источников поступления терригенного материала в водохранилища являются абразионные береговые уступы. Протяженность абразионных берегов составляет более 2 тыс. км, основная их часть представлена разновозрастными, неоднородными по составу, песчаниками, аргиллитами и суглинками. Самый большой размыв отмечается на склонах с уклонами поверхностей размываемых склонов выше 4°, сложенных четвертичными отложениями, особенно делювиальными суглинками. Наиболее активно абразионные процессы проявляются в расширениях Братского водохранилища, где отмечается наибольшая протяженность берегов, сложенных рыхлыми четвертичными отложениями.
Породы имеют различные физико-химические свойства что, наравне с объемами размыва, определяет количество элементов, поступающих в водохранилища. Среди размываемых пород аргиллиты отличаются повышенным содержанием всех рассматриваемых элементов. Лидирующие позиции по содержанию большинства элементов занимают аргиллиты верхоленской свиты кембрия. В песчаниках выше только количество Со, остальные элементы имеют меньшее содержание, чем в аргиллитах и суглинках.
Перемещение и дифференциацию донных отложений, а также формирование связанных с ними концентраций химических элементов, производят волновые процессы, имеющие неоднозначный характер в каждом из водохранилищ. В периоды вет-роволновой активности в водной толще водохранилищ Ангарского каскада возникает механическая стратификация течений и формирование слоев, отвечающих определенным динамическим состояниям частиц осадочного материала, - слой взмучивания, слой переноса, слой седиментации. Слой взмучивания соответствует глубине проник-
новения волн, перемещение взвешенного материала в большей части слоя происходит по направлению действия волн. Толщина этих слоев находится в зависимости от длины разгона волн, имеющих различное направление [21]. Ветры, направленные в соответствии со стоком водной массы, непродолжительны по времени, их скорость невелика. Однако при их действии на водную поверхность происходит наложение ветровых течений на стоковые и движение всей толщи воды в сторону плотины. Скорость дрейфового течения в слое взмучивания, имеющем толщину до 13 м, может достигать 32 см/с, что достаточно для перемещения во взвешенном состоянии даже мелкопесчаных частиц.
Наибольшую же повторяемость имеют ветры, направленные против естественного стока воды в водохранилищах. Волнение, вызываемое ветрами этого направления, взмучивает верхний слой воды до глубины 5-11 м. На поверхности раздела слоев взмучивания и переноса образуются турбулентные вихри, которые создают "облака" повышенной мутности (280 г/м3). Глубже слоя взмучивания формируется слой переноса, толщина которого доходит до 22 м, слой разбивается на две части. В верхней части слоя направление дрейфовых течений совпадает с направлением волн, в нижней - компенсационными противотечениями вода перемещается в сторону плотины со скоростью 7-14 см/с, при которой возможна миграция частиц алевритово-глинистой размернос
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.