ОКЕАНОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 178-188
= ХИМИЯ МОРЯ
УДК 551.465
МЕТАН В ВОДЕ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ УСТЬЕВОЙ ОБЛАСТИ СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД
© 2014 г. Д. Н. Гарькуша12, Ю. А. Фёдоров1
1Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону 2Гидрохимический институт, Ростов-на-Дону e-mail: gardim1@yandex.ru; fizgeo@sfedu.ru Поступила в редакцию 05.09.2012 г., после доработки 21.02.2013 г.
Характер пространственного распределения метана в воде и донных отложениях устьевой области Северной Двины в подледный и летний периоды в целом сходен, и характеризуется увеличением содержания газа по направлению от вершины устьевой области к дельте, с максимальными значениями на участках, подверженных перманентному антропогенному воздействию. Отличием является более высокий уровень его содержания в донных отложениях в зимний сезон, в то время как в воде превышение зимних его концентраций над летними отмечено только на станциях, расположенных в зоне влияния источников антропогенного загрязнения. Как и летом, доминирующая роль в формировании уровня содержания метана в воде устьевой области принадлежит донным отложениям. Прямолинейная зависимость между содержаниями суммарного сероводорода и метана в поверхностном слое отложений реки, вероятно, обусловлена параллельным и неконкурентным протеканием процессов генерации этих газов, контролируемых не ингибирующими друг друга бактериальными консорциумами.
DOI: 10.7868/S0030157414020099
Северная Двина — одна из крупнейших рек Европейской территории России, впадает в Двинскую губу Белого моря, принадлежащего к бассейну Северного Ледовитого океана. Устьевая область данной реки в глобальном плане является частью так называемого "арктического маргинального фильтра" [13], куда с одной стороны с поверхности водосбора и вышележащих участков поступает основная масса загрязняющих веществ, а с другой — на каскаде гравитационных и биогеохимических барьеров в зоне смешения речных и морских вод имеет место их трансформация и соосаждение со взвешенным веществом. Уровни содержания и распределение метана в воде и донных отложениях устьевой области реки являются отражением и интегральным показателем протекания сложных сопряженных во времени и пространстве природных гидрологических и биогеохимических процессов, на которые накладывается антропогенное влияние [5, 6, 24].
Несмотря на систематическое изучение Северной Двины в течение нескольких десятилетий [2, 7 и др.], сведения о биогеохимических процессах цикла метана в устьевой области Северной Двины [6, 19] и в целом бассейна Белого моря [12, 18] для летнего периода единичны, а для подледного периода отсутствуют. Помимо этого следует отметить крайнюю ограниченность данных о процессах цикла метана в покрытых льдом водоемах и водотоках [4, 8, 16, 17, 24]. В связи с выше-
изложенным большой научный и прикладной интерес представляет изучение закономерностей формирования уровней содержания и распределения метана в реке в подледный период, то есть в условиях наиболее неблагоприятных для кислородного режима [2], а также во льду и снеге. Впервые для данного района наряду с метаном в донных отложениях изучалось распределение концентраций другого восстановленного газа — сероводорода, что открывает новые перспективы в познании их сопряженных биогеохимических циклов в обстановке низких температур зимнего периода.
РАЙОН РАБОТ, МАТЕРИАЛЫ
И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Район исследования охватывал низовье Северной Двины от с. Усть-Пинега до порта "Экономия" по протоке Маймакса и до с. Рикасиха по Никольскому рукаву (рис. 1). В этих границах он представляет современную устьевую область реки, включающую в себя придельтовый участок с вершиной в месте впадения р. Пинеги и дельту реки, где под влиянием приливно-отливной деятельности происходит перманентная смена физико-химических условий, солевого и газового режимов [6, 19, 23].
Дневная температура воздуха в период проведения исследований (2—14 марта 2008 г.) изменя-
Рис. 1. Карта-схема отбора проб в устьевой области Северной Двины в подледный период. 1 — станции отбора проб, 2 — крупные промышленные объекты.
лась от —9.0 до +2.6°С. Мощность снежного покрова на акватории реки, как правило, варьировала в пределах 20—35 см; толщина льда составляла в среднем 25 см, на отдельных участках достигая 45 см. Во льду ручным ледовым буром (диаметр 180 мм) пробуривались лунки, после чего батометром "Hydro-bios" объемом 1.7 л, приспособленным для подледной съемки, и пробоотборником конструкции ГОИНа соответ-
ственно отбирались вода и донные отложения. Отбор проб в поверхностном и придонном слоях воды на метан (на отдельных станциях и в промежуточном слое) сопровождался измерением глубины и содержания растворенного кислорода [22]. Концентрацию метана в донных отложениях измеряли в горизонтах 0—2, 2—5, 5—10 и 10—15 см; на станции 13 — также в 15—20 и 25—30 см слое. В этих же горизонтах отложений определены вели-
чины ЕЙ, рН и общее содержание сульфидной серы. На некоторых участках опробование выполнено по поперечному профилю русла реки (табл. 1). Помимо проб воды и донных отложений на большинстве станций отобраны пробы снега и льда (интегральная проба по всей толщине льда) для определения содержания метана в них. Отбор проб, распределение по флаконам, измерение величин ЕЙ и рН, введение субстратов и фиксацию образцов проводили в специально оборудованной палатке, устанавливаемой на поверхности льда непосредственно над лункой. Для перемещения между станциями наблюдения использовались аэросани.
Отбор, транспортировка, хранение проб и последующее определение в них концентрации метана парофазным газохроматографическим методом осуществлялись по методике, описанной в работах [6, 24]. Пробы снега и льда при отборе во флаконы не растапливали. Величины ЕЙ и рН в донных осадках измерены с помощью электродов портативного рН метра иономера — "Экотест 2000". Определения содержаний растворенного кислорода в воде и сульфидной серы в донных отложениях выполнены соответственно сотрудниками СевероДвинской устьевой станции (СДУС, г. Архангельск) и Гидрохимического института (ФГБУ "ГХИ") по общепринятым в системе Росгидромета стандартным методикам: кислород — йодометрическим методом [14], сульфидной серы — фотометрическим методом с диметилпарафенилендиамином [15]. Определение общего содержания сульфидной серы основано на переводе сульфидов донных отложений в сероводород действием соляной кислоты и последующей отдувке сероводорода азотом особой чистоты в раствор гидроксида натрия. При этом в общее содержание сульфидов, входят как растворенные в поровой воде сероводород и сульфиды щелочных металлов, так и сульфиды, содержащиеся в твердой фракции, которые представляют собой сульфиды железа и тяжелых металлов, нерастворимые в воде, но растворимые в кислоте.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Содержание растворенного кислорода на при-дельтовом участке реки от ст. 18 (с. Усть-Пинега) до ст. 15 (вершина дельты) варьировало в пределах 4.55—6.32 мг/л (31—43% насыщения, в среднем 38%) (табл. 1). Несколько больший диапазон изменения его концентраций наблюдался в дельте реки и составлял от 4.50 до 8.87 мг/л (31—61%, в среднем 40%). Поверхностный слой воды, как правило, содержал меньше растворенного кислорода, чем придонный (соответственно 37% и 43%), в то время как в период летней межени, чаще наблюдалась обратная картина [6, 21]. В целом
в зимний период содержание кислорода было ниже, чем в летний, когда его концентрации варьировали в пределах от 4.68 до 8.26 (46—83%, в среднем 71%), что согласуется с данными [2]. В оба периода максимальные содержания кислорода отмечались в дельте реки в зоне проникновения морских вод в придонных горизонтах воды.
Донные осадки устьевой области Северной Двины представлены слабо уплотненным песчаным и песчано-глинистым материалом. В вершине устьевой области Северной Двины (с. Усть-Пи-нега) преобладают отложения грубого (0.5—1.0 мм) и среднего (0.1—0.5 мм) песка. По направлению от вершины устьевой области к устьевому взморью диаметр частиц, слагающих донные отложения, уменьшается, то же происходит и в направлении от середины русла к берегам. Отложения рукавов дельты представлены, как правило, средними и тонкими (0.05—0.1 мм) песками. На участках с низкой скоростью течения вод увеличивается содержание алевритопелитового материала (<0.05 мм), а в локальных районах формируются алевритовые и глинистые илы.
Во всех опробованных донных отложениях наблюдаются восстановительные условия (ЕЙ от —290 до +25 мВ) и преимущественно нейтральная реакция среды (рН от 6.35 до 7.74) [21]. В целом фиксируется снижение значений ЕЙ вниз по разрезу осадков. В подледный период в верхнем слое отмечены более низкие значения ЕЙ, чем летом, когда они варьировали в пределах от —176 до +73 мВ [6], что коррелирует с сезонной динамикой растворенного кислорода в придонном слое воды. Величины рН в зимний и летний периоды отличаются незначительно.
Общее содержание сульфидов в донных отложениях изменялось от <0.001 мг/г (предел обнаружения) до 1.28 мг/г влажного осадка (в среднем 0.281 мг/г). Максимальные концентрации определены в отложениях проток Соломбалка, Юрас и Кузнечиха, подверженных сильному антропогенному загрязнению хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами, что согласуется с работой [10]. Распределение сульфидной серы по вертикали отложений в большинстве случаев увеличивается от поверхностного 0—2 см слоя к нижним горизонтам.
Распределение метана в воде исследованного участка устьевой области Северной Двины в подледный период характеризуется значительной вариабельностью — от 1.3 до 385.3 мкл/л (в среднем — 26.7 мкл/л). Минимальные его содержания (1.3—19.4 мкл/л, в среднем — 7.7 мкл/л) характерны для верхнего отрезка придельтового участка реки (от с. Усть-Пинега до г. Новодвинск), расположенного вне зоны сильного антропогенного загрязнения. Под влиянием хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод г. Ново-
Таблица 1. Концентрации метана в воде, снежном и ледовом покрове устьевой области р. Северная Двина в подледный период
№
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.