ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 2, с. 186-193
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК. 551.464.3
ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОИ И ГИДРОХИМИЧЕСКОИ СТРУКТУРЫ ВОД КАСПИЙСКОГО моря в период максимального ПОДЪЕМА УРОВНЯ (1994-1996 гг.) ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗОТОПНО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
© 2015 г. В. С. Брезгунов
Институт водных проблем РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: brez@aqua.laser.ru Поступила в редакцию 22.05.2013 г.
Обобщены опубликованные в отечественной и зарубежной печати результаты исследования гидрологического и гидрохимического состояния Каспийского моря в период максимального подъема его уровня, полученные по материалам международных экспедиций в 1994—1996 гг. по отбору проб воды, донных отложений и поровых вод моря. Интерпретация полученных океанографических, гидрохимических и изотопных данных рассматривается в связи с различными представлениями о причинах колебаний уровня Каспийского моря. Критически оцениваются выводы зарубежных авторов о разгрузке подземных вод в качестве основной причины повышения уровня Каспийского моря, сделанных на основе анализа гидрохимической структуры вод моря.
Ключевые слова: Каспийское море, изотопный состав, поровые воды, микроэлементы.
DOI: 10.7868/S0321059615020029
Начавшийся в середине 1970-х гг. подъем уровня Каспийского моря привлек внимание отечественных и зарубежных ученых самых разных специальностей. В 1994—1996 гг. были проведены три международных экспедиции по отбору проб воды, донных отложений и поровых вод из глубинных областей Среднего Каспия (СК) и Южного Каспия (ЮК). Целью комплексных изотопно-геохимических исследований была оценка современного состояния моря и его изменений в прошлом. Аналитические работы проводились в ряде отечественных и западноевропейских лабораторий, и результаты их интерпретации опубликованы в материалах международных конференций и в журналах [1—4, 9, 11, 15—19, 23].
Пробы воды отбирались 1995 и 1996 гг. на станциях, расположенных вдоль субмеридианального профиля 50°—51° в.д., проходящего через центральную часть моря. По три станции располагались в СК, ЮК и одна — на Апшеронском поднятии. Пробы отбирались с горизонтов 0, 10, 20, 30, 50, 75, 100 м и глубже с интервалом 100 м до дна. Кроме того, были отобраны пробы воды на четырех станциях Северного Каспия. Наиболее представительный анализ отобранных проб прово-
дился в 1995 г.: на всех станциях и со всех горизонтов определялись температура, соленость и концентрации стабильных изотопов водорода (2Н) и кислорода (18О), на нечетных станциях профиля — концентрации радиоактивного изотопа водорода — трития (3Н), солеобразующих ионов и ряда микроэлементов (81, 8г, Ва, Мп, Мо, ЯЪ, и). На отдельных станциях в пробах воды измерялись концентрации антропогенных радионуклидов (908г,137С8) и изотопный состав растворенного гелия. В 1996 г. была повторена программа отбора проб воды на изотопный анализ водорода и кислорода. В 1994 г. на двух глубоководных станциях, расположенных на исследуемом профиле в СК и ЮК, также определялась концентрация трития и стабильных изотопов а также были отобраны по-ровые воды из четырех колонок осадочных отложений в глубинных областях СК и ЮК. В поро-вых водах определялись концентрации тех же макро- и микроэлементов, что и в свободных водах моря.
Анализы вещественного и изотопного состава отобранных проб воды и керна, проведенные в зарубежных и отечественных лабораториях, выявили закономерности распределения океаногра-
фических, гидрохимических и изотопных показателей, связанные с особенностями гидрологического режима моря, палеогидрологией бассейна, геохимического и экологического состояния водоема. Настоящая работа — попытка обобщения этих данных, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе, с целью оценки гидрологического, геохимического и экологического состояния Каспийского моря в 1994—1996 гг. в период максимального подъема его уровня, начавшегося в середине 1970-х гг.
Исследуя причины колебаний уровня Каспия, необходимо иметь в виду противостояние в этой области двух концепций — геологической и климатической.
Согласно геологической концепции, к причинам изменения уровня Каспия относят процессы двух групп. Процессы первой группы, по мнению геологов, ведут к изменению объема каспийской впадины и, как следствие, — к изменениям уровня моря. Во вторую группу входят процессы, воздействующие на подземный сток в море, то увеличивая его, то уменьшая. Такими процессами называют периодическое выдавливание или поглощение вод, которые насыщают донные отложения под воздействием изменяющихся тектонических напряжений (смены периодов сжатия и растяжения), а также техногенную дестабилизацию недр, обусловленную добычей нефти и газа или подземными ядерными взрывами. Вне зависимости от механизмов, вызывающих развитие процессов второй группы, их результатом должно быть формирование гидрохимических и гидрофизических аномалий в водной толще и осадочных отложениях моря в период максимального подъема его уровня.
В пилотной публикации, содержащей интерпретации исключительно изотопных данных [19], авторы делают акцент на значимом различии содержания 18О в поверхностных и глубинных водах основной акватории Каспийского моря. Вертикальное распределение этого изотопа на станциях СК и ЮК в 1994—1996 гг. показывает, что водные массы с глубин от 200 до 800 м обогащены тяжелым изотопом кислорода относительно поверхностного слоя. Отмеченное увеличение концентраций 180 в глубинных водах Каспийского моря позволило сделать вывод, что отношение притока пресных вод к величине испарения в Каспийском море в период низкого стояния уровня было на 10% меньше, чем в период высокого уровня, когда проводился отбор проб [19]. По данным о вертикальном распределении трития на двух глубоководных станциях СК и ЮК и соответствующего
распределения концентрации 3Не, являющегося продуктом радиоактивного распада трития, был оценен возраст глубинных вод [19]. Ниже горизонта 400 м он составляет ~20 лет на обеих станциях.
Более детальное рассмотрение результатов [2, 11] позволило получить дополнительную информацию об особенностях гидрологической структуры и о генезисе водных масс Каспийского моря. Анализ соотношений изотопного состава кислорода (8180) и солености в разных водных массах моря, опробованных в 1995 г., с учетом изотопных эффектов при фазовых переходах воды и опреснении речными водами дали возможность сделать вывод, что на S глубинных водных масс СК (ниже горизонта 100 м) заметно влияли процессы ледообразования. [11]. Возможность возникновения вертикальной циркуляции вод на границе кромки льда в особо суровые зимы за счет дополнительного осолонения поверхностных вод, охватывающей всю глубинную водную массу СК, отмечается во многих работах по гидрологии Каспийского моря. Получить экспериментальное подтверждение этой физически обоснованной гипотезы довольно трудно, поэтому приведенные в [11] результаты представляются особенно ценными. Характер линейной связи 8180—^ для поверхностных вод Каспийского моря показывает, что сток волжских вод и испарение — основные процессы, контролирующие изменение S в этом слое. По результатам анализа связи 8180—формирование солености глубинных вод ЮК имеет более сложный характер, что отражает процесс смешения глубинных средне-каспийских и южнокаспийских поверхностных вод, причем доля последних более существенна [11].
В обстоятельной публикации [23] на основе результатов экспедиционных исследований 1995— 1996 гг. анализируются процессы глубоководного обмена вод Каспийского моря. При расчетах S и плотности морских вод использовались результаты определения электропроводности, температуры и глубины отбора проб (CTD-анализ). С учетом различия ионного состава каспийских вод и стандартной морской воды выводилось уравнение состояния вод Каспийского моря. Полученные результаты позволили оценить вертикальную структуру водных масс СК и ЮК в районе максимальных глубин как устойчивую, причем водная толща в области максимальных глубин в СК более стабильна, чем в ЮК. Проведенная в [23] оценка возраста вод, помимо используемого ранее 3Н-3Не-метода, включала в себя определение возраста глубинных вод по распределению хлорфторуглеродов (CF-11 и CF-12) на двух станциях в районе макси-
H, м
X ст. 1 1995 г. Ж ст. 3 1996 г.
Рис. 1. Распределение концентраций трития ТЕ (одна ТЕ соответствует одному атому 3Н на 1018 атомов 1Н) с учетом радиоактивного распада на глубоководных станциях ЮК в 1994-1996 гг.
мальных глубин СК и ЮК по результатам исследования в 1996 г. Эти оценки дают возраст глубинных вод, совпадающий с ранее определенным (~20 лет). Сопоставляя результаты распределения 3H и 3He в пробах вод, отобранных в районе максимальных глубин СК и ЮК в 1995 и 1996 гг., авторы [23] отмечают отсутствие заметных изменений в вертикальной структуре этих природных трассеров, что свидетельствует о том, что водообмен в этих районах в этот период был незначителен. На основе полученных в [23] результатов был сделан вывод, что глубоководный обмен в Каспийском море может иметь скачкообразный (intermittent) характер в отдельные периоды, когда происходит крупномасштабное конвективное перемешивание водных масс в СК и ЮК. Приведенные в [23] оценки возраста вод позволили авторам предположить, что последнее такое событие произошло в 1976 г. — незадолго до того, как начался подъем уровня Каспийского моря. После этого наступил период стабилизации вертикальной структуры водных масс Каспийского моря, продолжавшийся вплоть до времени проведения экспедиционных исследований, что обусловлено, по мнению авторов, уменьшением S поверхностного слоя воды в море в период подъема его уровня. Причины крупномасштабного конвективного перемешивания авторами [23] не выявлены.
Выводы в [23] основаны на анализе вертикального распределения концентраций природных трассеров (3H, 3He, хлорфторуглеродов) в пробах
воды, отобранных в районе максимальных глубин СК (ст. 7) и ЮК (ст. 3). При этом не использовались данные о распределении 3Н во второй глубоководной ст. 1 в ЮК в самой южной точке субме-ридианаль
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.