ОКЕАНОЛОГИЯ, 2010, том 50, № 3, с. 396-416
МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК 551.463.8
ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ВОДНОЙ ВЗВЕСИ УСТЬЯ РЕКИ СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ (БЕЛОЕ МОРЕ) В ПЕРИОД ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ
© 2010 г. М. Д. Кравчишина1, В. П. Шевченко1, А. С. Филиппов1, А. Н. Новигатский1,
О. М. Дара1, Т. Н. Алексеева1, В. А. Бобров2
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Новосибирск e-mail: kravchishina@ocean. ru Поступила в редакцию 01.10.2008 г., после доработки 14.11.2008 г.
Изучен гранулометрический и минеральный состав водной взвеси устья р. Северной Двины, а также содержание в ней некоторых литогенных элементов во время весеннего половодья в мае 2004 г. В литературе крайне мало данных по составу речной взвеси бассейна Белого моря. Особенно слабо изучен период весеннего половодья, когда за короткое время сбрасывается из реки в море более половины годового стока. В статье обсуждаются результаты сравнения гранулометрического состава взвеси и донных осадков. Проводится сопоставление данных лазерного и гидравлического методов дисперсионного анализа. Исследованы короткопериодные вариации концентрации и состава взвеси, отражающие два суточных пика приливного уровня. Выявлено, что во время половодья взвешенное вещество переносится речными водами преимущественно в виде минеральных агрегатов диаметром до 40 мкм. Песчано-алевритовая часть речной взвеси откладывается в рукавах и протоках дельты, а основная часть тонкого пелитового материала поступает в море. Минеральный и химический состав взвеси р. Северной Двины является результатом поставки материала с водосборного бассейна и подвергается интенсивной механической сепарации по пути поступления в море. Выявлены основные закономерности формирования минерального состава взвешенного вещества во время половодья. Оценено влияние гранулометрического состава взвеси на распределение изученных минералов и химических элементов в динамической системе устья реки.
ВВЕДЕНИЕ
Белое море изучено лучше, чем другие моря бассейна Северного Ледовитого океана [34]. Его научное изучение ведется со второй половины XIX столетия [4]. Исследования взвешенного вещества в Белом море начаты Медведевым и Кривоносовой в 60-х годах XX века [39, 42]. Были получены важные количественные характеристики по распределению массовых концентраций взвеси (в мг/л) и питанию моря терригенным материалом. Многие вопросы морской геологии до некоторых пор оставались без внимания. К таким проблемам, в частности, относится исследование взвеси устьевой области р. Северной Двины и ее гранулометрического состава. В литературе есть данные по гранулометрии речной взвеси бассейна Белого моря [20, 41], но их крайне мало. Особенно слабо изучен период весеннего половодья, когда примерно за месяц в море сбрасывается 45—65% взвеси и растворов [10, 11, 55]. Начиная с 2001 г. мы проводим комплексные работы в устье Северной Двины по программе "Исследование системы Белого моря" [34, 25-27, 56, 57, 65, 66].
В 70-х годах XX века под руководством А.П. Лисицына разработаны новые принципы изучения речной воды и взвеси, имевшие элементы системного подхода [11]. Были изучены основные процессы поступления и трансформации осадочного мате-
риала в районе смешения речных и морских вод [11, 15, 29-31, 60-62, 67]. Исследование динамики взвешенных наносов в устье реки важно для понимания переноса загрязнений и морфологических изменений дельты. Химический состав взвеси и донных осадков в значительной мере связан с гранулометрическим составом. Для донных осадков эта связь была обобщена в виде так называемых "правил фракций" [14].
Согласно теории "маргинального фильтра" в устьевых областях рек (областях маргинальных фильтров) исходная речная вода подвергается сложному воздействию разнообразных сорбентов, организмов, биофильтрации и ряду других характерных только для этой области процессов [29]. Выделяются три ступени маргинального фильтра:
1) гравитационная, которая играет главную роль в осаждении песчано-алевритовых частиц взвеси на ранних стадиях смешения пресных и соленых вод;
2) сорбционная — главное значение имеет для частиц пелитовой размерности и 3) биологическая.
Основная часть терригенного материала поступает в Двинский залив Белого моря с речным стоком [42]. Для всесторонней оценки процессов формирования донных осадков необходимы детальные данные о составе исходного терригенного матери-
50 г -I 500
40
30
о £ ю
о
20
10
10
- 400
- 300
- 200
■о-
2
- - 1
ъ-
Месяц --2 3
<г 9
-ст 10
о 12
•<! тз о ба о Я № в О
д №
- 100 2
100
0
0
Рис. 1. Внутригодовое распределение уровней и стока в устьевой области р. Северной Двины по [55]. 1 — уровень у пос. Усть-Пинега, среднемноголетние данные, 2 — уровень у пос. Усть-Пинега, 2004 г., 3 — объем стока у пос. Усть-Пинега, 1881—1980 гг., 4 — объем стока у пос. Усть-Пинега, 2004 г.
200 180 160 140
о 120
§ 100
<ч
£ 80 60 40 20 0
174
164 156 154
Н О
ю
св &
ц е
Я
о
а
Период работы экспедиции с 15 по 30 мая
]_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 1213 1415 161718 19 20 2122 23 24 25 26 27 28 29 30
Дата, май 2004 г.
Рис. 2. Среднесуточные уровни р. Северной Двины на гидрологическом посту Соломбала (см) относительно их нулевых среднемноголетних значений по данным Северного ЦГМС-Р, май 2004 г.
ала. В связи с этим выполнены исследования взвеси в устье Северной Двины в мае 2004 г.
РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ
Основной сток взвешенных наносов в Белом море приходится на половодье (рис. 1), превышая меженный в 1.5—2 и более раз [10]. Максимальный среднесуточный уровень воды! в устье Северной Дви-
ны был зафиксирован 17 мая на гидрологическом посту Соломбала у здания Северного ЦГМС-Р в пределах г. Архангельска и составил +179 см относительно их нулевых среднемноголетних значений (рис. 2). Максимум половодья пришелся на период с 14 по 18 мая. С 19 мая начался медленный спад уровня, который сопровождался небольшими флуктуациями. Работы по отбору проб взвеси проводились как раз в пик половодья. Минерализа-
65.00 °с.ш.
64.95
64.90
64.85
64.80
64.75
64.70
64.65
64.60
64.55
64°15' с.ш.
64.50
• 1
□ 2
36 3
* 4
39.8 39.9 40.0 40.1 40.2 40.3 40.4 40.5 40.6 °в.д.
Рис. 3. Карта изученности взвеси и донных осадков устья Северной Двины в мае 2004 г.
1 — станции отбора проб взвеси, 2 — станции отбора проб донных осадков, 3 — номера станций, 4 — железнодорожный мост в центре г. Архангельска.
ция воды у поверхности составляла 200—300 мг/л, что характерно для речных вод. Во время прилива соленость у поверхности достигала 0.9 епс. Фитопланктон состоял в основном из пресноводных форм.
Весеннее половодье 2004 г. на р. Северной Двине можно считать показательным, так как объем стока и уровень воды, измеренные в мае на гидрологическом посту у поселка Усть-Пинега, приближаются к среднемноголетним значениям (рис. 1). Картина распределения взвеси в устье реки осложняется ярко выраженными приливами, имеющими неправильный полусуточный характер. Дальность проникновения приливной волны на устьевом участке зависит от расходов речной воды. Поэтому в период половодья дальность ее проникновения в рукава сокращается до 45 км, в период летней и зимней межени — увеличивается до 150 км [47].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Изучение взвешенного вещества во время половодья проводилось в прибрежной экспедиции с 15 по 30 мая 2004 г. с борта катера "Айсберг" Северного ЦГМС-Р (рис. 3). Пробы воды из водной толщи отбирали с помощью батометра Нискина, а с поверхности пластиковым ведром. Горизонты пробо-отбора намечали по результатам гидрофизического зондирования.
Взвешенное вещество было собрано двумя способами: методом отстаивания и с помощью вакуумной фильтрации. Методом отстаивания отобрано 12 проб взвеси (табл. 1). В этих пробах гранулометрический анализ выполнен гидравлическим методом: комбинированный водно-механический ана-
Таблица 1. Станции отбора проб взвеси с поверхностного горизонта (0 м) методом отстаивания в устье р. Северной Двины
Дата Станция Координаты Глубина, м Примечание
с.ш. в.д.
15.05.04 10 64°35.09' 40°29.92' 14.0 Максимальный сток реки
17.05.04 11 64°44.83' 40°23.08' 3.9
17.05.04 16 64°38.75' 40°24.56' 6.0
18.05.04 17 64°09.25' 41°54.85' 10.0
18.05.04 18 64°07.93' 41°51.40' 9.0
19.05.04 26 64°07.61' 41°53.95' 4.9 Начало спада стока
20.05.04 33 64°07.61' 41°53.95' 5.0
21.05.04 36 64°45.37' 39°59.46' 10.0 Вновь увеличение стока
22.05.04 51 64°37.44' 40°22.60' 6.0
23.05.04 58 64°33.04' 40°29.31' 7.8
24.05.04 72 64°42.10' 40°32.16' 6.9 Спад стока
25.05.04 89 64°51.04' 40°16.08' 9.0
лиз по Петелину [46] с дополнениями Алексеевой [52]. Выделено 6 фракций от 0.25 мм до субколлоидной размерности. Этим же методом изучен гранулометрический состав проб донных осадков, отобранных в устье реки (6 проб).
В 25 пробах воды гранулометрический состав взвеси изучен с помощью лазерного дифракционного анализатора частиц Malvern 3600Ес в ГОИНе (аналитик И.М. Лебедев). По способу реализации метод относится к интегрально-оптическим. С его помощью определяли объемное содержание (%) и площадь поверхности (мм2/см3) взвеси. Метод позволяет изучать частицы диаметром от 1.22 до 118 мкм (15 фракций).
Массовые концентрации взвеси (мг/л) определяли методом фильтрации воды через предварительно взвешенные ядерные фильтры (диаметр 47 мм, размер пор 0.45 мкм) под вакуумом 0.4 атм. После фильтрации их промывали дистиллятом тройной очистки, помещали в пластиковые чашки Петри и высушивали при температуре около 50°С. Концентрацию взвеси определяли взвешиванием с точностью до 0.1 мг.
Минеральный состав в отстоянных пробах взвеси изучен с помощью рентгенографического полуколичественного фазового анализа. Фотометрическое определение Si, A1, Р (валовых) проводилось по методике, разработанной в ГЕОХИ РАН [9], с дополнениями А.Б. Исаевой. При определении этих элементов применялись стандарты, представляющие различные типы осадков, глин и т.п. Точность метода составляет ±15%. Содержание Собщ и Сорг опре
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.