Распределение растворенных веществ в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории Карского моря и его межгодовая изменчивость
- Авторы: Савенко А.В.1, Покровский О.С.2,3
-
Учреждения:
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
- Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики РАН
- Национальный исследовательский Томский государственный университет
- Выпуск: Том 64, № 11 (2019)
- Страницы: 1175-1186
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.eco-vector.com/0016-7525/article/view/18430
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0016-752564111175-1186
- ID: 18430
Цитировать
Полный текст
Аннотация
По данным натурных наблюдений 2009–2016 гг. изучено распределение растворенных веществ (главные ионы, биогенные и другие микроэлементы) в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории. Полученные результаты сопоставлены с имеющимися в литературе данными гидрохимических исследований этого района. Показано, что миграция ионов основного солевого состава (Na, K, Mg, Ca, SO4) и ряда микроэлементов (Li, Rb, Cs, Sr, B, F, Cr, Ge, As, Mo, U) описывается устойчивыми в многолетнем плане уравнениями консервативного смешения речной и морской водных масс. Щелочность также относится к консервативным компонентам, однако для нее характерна значительная пространственно-временная изменчивость распределения, обусловленная сложной гидрологической структурой Енисейского залива и прилегающей части Карского моря. В вегетационный период концентрации Pмин, Si и V в распресненных водах эвфотического слоя снижаются с ростом содержания хлоридов в результате извлечения фитопланктоном. Потери этих элементов достигают соответственно 30–57, 30 и 9% от их поступления с речным стоком. Содержание растворенных Pмин и V в промежуточном и придонном слоях эстуария Енисея существенно увеличивается с ростом солености вследствие разложения осаждающегося органического вещества, тогда как реминерализация кремния происходит намного менее интенсивно. Барий на протяжении всего эстуария интенсивно десорбируется с речных взвесей в количестве, достигающем 20–100% поступления его растворенных форм с речным стоком в зависимости от сезонных вариаций химического состава последнего. Миграция в зоне смешения речных и морских вод растворенных форм тяжелых металлов (Mn, Fe, Pb) и элементов-гидролизатов (Al, Ti, Y, La, Ce, Pr) контролируется, по-видимому, процессом коагуляции и флоккуляции органических и органо-минеральных коллоидов, о чем свидетельствует резкое снижение концентраций этих элементов на начальном этапе осолонения (на 20–61%) с последующим приближением к характеристикам морской водной массы.
Полный текст
Гидрохимические исследования устьевых областей рек Российской Арктики, начавшиеся почти полтора столетия назад, в настоящее время резко активизировались в связи с предполагаемым потеплением климата, которое, по прогнозным оценкам, должно в наибольшей степени проявиться в арктической зоне. Поступление в Северный Ледовитый океан химических элементов в растворенном состоянии, в форме взвесей и в составе влекомых наносов на порядок интенсивнее по сравнению с другими океанами: несмотря на то, что на долю Северного Ледовитого океана приходится чуть более 1% объема вод Мирового океана, он принимает около 10% глобального речного стока. Основная химическая трансформация материкового стока растворенных и взвешенных веществ осуществляется в пределах устьевых областей рек, исследование которых в арктическом регионе сопряжено с большими трудностями в силу особенностей климата, осложняющих проведение полевых работ в холодный период года. Тем не менее для многих крупных рек (Кеми, Онеги, Северной Двины, Мезени, Оби, Енисея, Лены) получены данные о закономерностях миграции взвешенных и в меньшей степени растворенных форм химических элементов в зоне смешения речных и морских вод (Мискевич, 1988; Martin et al., 1993; Dai, Martin, 1995; Галимов и др., 1996; Cauwet, Sidorov, 1996; Савенко, 2003; Савенко, Ефимова, 2007; Gordeev et al., 2007; Овсепян, Федоров, 2011; Гордеев, 2012; Савенко и др., 2016 и др.). Однако в число анализируемых компонентов входили главным образом биогенные элементы, определяющие биологическую продуктивность акваторий, и тяжелые металлы как наиболее распространенные неорганические загрязнители. В связи с этим представляет несомненный интерес расширение круга исследуемых элементов и выявление степени сезонной и межгодовой изменчивости распределения наиболее изученных компонентов.
В настоящей работе по данным за 2009, 2010 и 2016 гг. получена количественная характеристика трансформации макро- и микроэлементного состава вод в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории Карского моря с учетом межгодовой изменчивости распределения растворенных компонентов.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Материалом для исследований послужили пробы воды, отобранные в ходе комплексных экспедиций на судне “Советская Арктика” 29 августа – 11 сентября 2009 г. и 10–25 сентября 2010 г. и любезно предоставленные И.Д. Стрелецкой (Географический факультет МГУ), а также во время гидролого-гидрохимической съемки Енисейского залива 30 марта – 6 апреля 2016 г., выполненной сотрудниками ИО РАН П.Н. Маккавеевым и П.В. Хлебопашевым на судне “Норникель”.
Исследования охватывали всю устьевую область Енисея, а также примыкающую к ней акваторию Гыданской губы. В 2009 г. работы выполнялись на 17 станциях, на 10 из которых были опробованы как поверхностные, так и глубинные горизонты. В 2010 и 2016 гг. пробоотбор производился соответственно на 14 и 12 станциях в поверхностном слое. Расположение станций показано на рис. 1 за исключением двух наиболее удаленных: ст. I-1 на речном участке около с. Потапово (68°40' с.ш., 86°16' в.д.) и ст. II-10, находящейся в открытом море (76°10' с.ш., 75°15' в.д.).
Рис. 1. Расположение станций отбора проб в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории в 2009 (I-№), 2010 (II-№) и 2016 (III-№) гг.
Отобранные пластиковым батометром пробы воды сразу после подъема на борт судна подвергались фильтрации и консервации. Для анализа содержания компонентов основного солевого состава и фтора пробы отфильтровывали через плотный бумажный фильтр; для анализа содержания биогенных элементов после фильтрации через плотный бумажный фильтр в полипропиленовые флаконы добавляли небольшое количество хлороформа (1 мл на 100 мл пробы); для анализа микроэлементного состава пробы воды фильтровали через мембранный фильтр 0.45 мкм в полипропиленовые флаконы с предварительно внесенными туда аликвотами 5 N азотной кислоты марки ос.ч. (0.2 мл на 8 мл пробы). Определения выполняли с использованием комплекса аналитических методов: объемного титрования (Cl, Alk), капиллярного электрофореза (SO4), спектрофотометрии (P, Si), ионометрии (F) и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (Na, K, Mg, Ca, микроэлементы). Погрешность измерений не превышала ±3%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Консервативные растворенные компоненты. Обработка результатов проведенных исследований, представленных в табл. 1 и 2, показала, что распределение ионов основного солевого состава (Na, K, Mg, Ca, SO4) и растворенных форм ряда изученных микроэлементов (Li, Rb, Cs, Sr, B, F, Cr, Ge, As, Mo, U) в эстуарии Енисея соответствует консервативному типу поведения, описываясь линейными уравнениями связи их концентраций с содержанием хлоридов
[i, мг/л] = a + b [Cl, мг/л] , (1)
где a – параметр, близко соответствующий концентрации элемента i в речных водах, выраженной в мг/л; b – угловой коэффициент. Численные значения параметров a и b для этих элементов, приведенные в табл. 3, в разные годы наблюдений близки между собой, что свидетельствует об отсутствии существенного влияния изменчивости химического состава речного стока на закономерности их миграции в зоне смешения речных и морских вод.
Щелочность также относится к консервативным компонентам, однако этому показателю свойственна пространственная неоднородность, обусловленная сложной гидрологической структурой Енисейского залива и прилегающей части Карского моря, сформированной под влиянием нескольких источников опреснения и затока соленых вод (Стунжас, 1995; Маккавеев и др., 2010б; Полухин, Маккавеев, 2017 и др.).
Как видно на рис. 2, для летне-осеннего паводочного периода 2009–2010 гг. большинство проб, отобранных из промежуточного и придонного слоев, а также частично из поверхностного слоя, образуют общую линейную зависимость между величиной щелочности и содержанием хлоридов:
[Alk, мг-экв/л] = 0.77 + 8.77 × 10–5[Cl, мг/л], r = 0.994 , (2)
граничными значениями которой служат Alk = 0.77 мг-экв/л в пресных водах и 2.35 мг-экв/л в при хлорности 18 г/л. Первая величина попадает в диапазон оценок Alk-0 для приустьевого района Енисейского залива в аналогичный период 1993, 2011 и 2014 гг.: 0.58–1.11 мг-экв/л (Стунжас, 1995; Полухин, Маккавеев, 2017); последняя – близка к среднему значению для морской водной массы: 2.30–2.32 мг-экв/л (Маккавеев и др., 2010б, 2015). Вместе с тем основная часть распресненных поверхностных проб образует отдельные зависимости: в 2009 г. с пониженной щелочностью (за исключением станции I-1):
[Alk, мг-экв/л] = 0.36 + 1.98 × 10–4[Cl, мг/л] , r = 0.863,
а в 2010 г. – с повышенной щелочностью:
[Alk] = const = 1.11 мг-экв/л,
которые сходятся с основным уравнением (2) в одной точке при содержании хлоридов 3.3 г/л и щелочности 1.1 мг-экв/л. Пониженная щелочность также свойственна опресненным водам Гыданского залива. Еще одна линза вод с более низкой щелочностью обнаружена в 2009 г. около побережья Таймыра севернее о. Сибирякова (промежуточные слои станций I-11, I-10, I-7 и поверхностный слой станции I-8), а также отмечен локальный минимум щелочности в придонном горизонте станции I-3 в средней части Енисейского залива.
Рис. 2. Распределение щелочности в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории. 1 – эстуарий Енисея, 2009 г., поверхностный слой; 2 – то же, промежуточный и придонный горизонты; 3 – Гыданская губа, 2009 г., поверхностный слой; 4 – эстуарий Енисея, 2010 г., поверхностный слой; 5 – Гыданская губа, 2010 г., поверхностный слой; 6 – эстуарий Енисея, 2016 г., поверхностный слой.
Таблица 1. Величины хлорности, щелочности и содержание растворенных фосфатов, кремния и фтора в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории в 2009, 2010 и 2016 гг.*
№ станции | Горизонт, м | [Cl], мг/л | [Alk], мг-экв/л | [Pмин], мкг/л | [Si], мг/л | [F], мг/л |
2009 г. | ||||||
I-1 | 0.2 | 12.1 | 1.25 | 12.7 | 2.38 | 0.19 |
I-2 | 0.2 | 23.8 | 0.34 | 20.4 | 2.31 | 0.12 |
I-3 | 0.2 | 596 | 0.88 | 12.4 | 2.02 | 0.15 |
« | 27.0 | 15700 | 1.25 | 28.1 | 1.12 | 1.05 |
I-4 | 0.2 | 2050 | 0.85 | 14.4 | 1.65 | 0.19 |
« | 10.0 | 2160 | 0.80 | 12.8 | 1.56 | 0.21 |
I-5 | 0.2 | 2460 | 0.99 | 11.0 | 1.50 | 0.22 |
« | 10.0 | 3710 | 1.07 | 11.4 | 1.33 | 0.29 |
I-6 | 0.2 | 2070 | 0.78 | 9.4 | 1.50 | 0.20 |
I-7 | 0.2 | 2670 | 0.81 | 9.6 | 1.36 | 0.23 |
« | 10.0 | 11370 | 1.43 | 23.9 | 1.08 | 0.80 |
I-8 | 0.2 | 3910 | 0.25 | 14.5 | 1.23 | 0.29 |
« | 10.0 | 10550 | 1.71 | 15.5 | 0.97 | 0.74 |
« | 24.0 | 17970 | 2.33 | 8.1 | 0.69 | 1.24 |
I-9 | 0.2 | 2350 | 0.72 | 15.4 | 1.52 | 0.22 |
« | 10.0 | 3160 | 1.06 | 9.8 | 1.50 | 0.25 |
« | 22.0 | 17310 | 2.32 | 33.3 | 0.71 | 1.18 |
I-10 | 0.2 | 2490 | 0.73 | 14.4 | 1.47 | 0.21 |
« | 10.0 | 7050 | 0.93 | 10.5 | 1.24 | 0.52 |
I-11 | 0.2 | 2350 | 0.91 | 9.5 | 1.50 | 0.22 |
« | 10.0 | 5610 | 0.62 | 11.0 | 1.28 | 0.42 |
I-12 | 0.2 | 3840 | 1.09 | 10.0 | 1.42 | 0.30 |
« | 16.0 | 16840 | 2.28 | 31.6 | 0.76 | 1.16 |
I-13 | 0.2 | 3520 | 0.74 | 6.7 | 0.40 | 0.27 |
I-14 | 0.2 | 4050 | 0.53 | 7.3 | 0.50 | 0.30 |
I-15 | 0.2 | 4500 | 1.07 | 6.2 | 0.73 | 0.30 |
I-16 | 0.2 | 173 | 0.33 | 12.9 | 0.17 | 0.06 |
I-17 | 0.2 | 5860 | 1.11 | 10.5 | 1.24 | 0.44 |
« | 10.0 | 6700 | 1.32 | 10.2 | 1.19 | 0.49 |
2010 г. | ||||||
II-1 | 0.2 | 11.1 | 1.09 | 7.1 | 2.46 | 0.13 |
II-2 | « | 18.4 | 1.12 | 2.7 | 2.18 | 0.14 |
II-3 | « | 459 | 1.11 | 1.5 | – | 0.11 |
II-4 | « | 559 | 1.12 | 3.2 | 2.25 | 0.11 |
II-5 | « | 375 | 1.10 | 2.9 | 2.12 | 0.11 |
II-6 | « | 4350 | 1.20 | 1.9 | – | 0.35 |
II-7 | « | 6740 | 1.40 | 1.8 | – | 0.50 |
II-8 | « | 9570 | 1.61 | 1.5 | – | 0.66 |
II-9 | « | 1930 | 1.12 | – | 1.75 | 0.20 |
II-10 | « | 3350 | 1.09 | – | 1.61 | 0.28 |
II-11 | « | 4940 | 1.39 | 1.9 | 1.42 | 0.39 |
II-12 | « | 142 | 0.26 | 8.9 | 1.83 | 0.11 |
II-13 | « | 3310 | 1.12 | 1.9 | 1.23 | 0.29 |
II-14 | « | 881 | 1.11 | 2.0 | – | 0.14 |
2016 г. | ||||||
III-1 | 0.2 | 14780 | 2.19 | 21.7 | 1.28 | 1.01 |
III-2 | « | 4020 | 1.74 | 12.7 | 3.24 | 0.33 |
III-3 | « | 1550 | 1.63 | 14.5 | 3.55 | 0.19 |
III-4 | « | 4020 | 1.73 | 13.7 | 3.17 | 0.33 |
III-5 | « | 21.6 | 1.61 | 18.9 | 3.66 | 0.15 |
III-6 | « | 363 | 1.59 | 18.3 | 3.80 | 0.13 |
III-7 | « | 963 | 1.63 | 15.8 | 3.76 | 0.16 |
III-8 | « | 1290 | 1.63 | 17.4 | 3.51 | 0.18 |
III-9 | « | 9310 | 1.96 | 15.3 | 2.21 | 0.65 |
III-10 | « | 11720 | 2.07 | 18.1 | 1.76 | 0.81 |
III-11 | « | 13070 | 2.12 | 18.6 | 1.62 | 0.90 |
III-12 | « | 14240 | 2.15 | 20.2 | 1.45 | 1.00 |
* – Здесь и в табл. 2 прочерк означает отсутствие данных.
Таблица 2. Содержание растворенных форм микроэлементов в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории в 2009 и 2016 гг.
№ стан-ции | Гори-зонт, м | Li | Rb | Cs | Sr | Ba | B | V | Cr | Ge | As | Mo | U | Mn | Fe | Pb | Al | Ti | Y | La | Ce | Pr |
мкг/л | мг/л | мкг/л | мг/л | мкг/л | нг/л | |||||||||||||||||
2009 г. | ||||||||||||||||||||||
I-1 | 0.2 | – | 0.70 | – | 0.22 | 4.39 | 0.011 | 0.98 | 0.17 | 0.006 | 0.39 | 0.61 | 0.31 | 7.78 | 90.4 | – | 16.0 | – | – | – | – | – |
I-2 | 0.2 | – | 0.59 | – | 0.20 | 5.22 | 0.011 | 1.04 | 0.16 | 0.006 | 0.40 | 0.61 | 0.29 | 4.30 | 81.2 | – | 14.7 | – | – | – | – | – |
I-3 | 0.2 | – | 3.87 | – | 0.38 | 5.87 | 0.13 | 1.10 | 0.43 | 0.022 | 0.41 | 0.76 | 0.23 | 2.95 | 78.7 | – | 12.7 | – | – | – | – | – |
« | 27.0 | – | 94.8 | – | 6.39 | 11.7 | 3.50 | 0.96 | 2.31 | 0.396 | 1.35 | 8.57 | 2.41 | 1.65 | 16.9 | – | 5.6 | – | – | – | – | – |
I-4 | 0.2 | – | 12.7 | – | 0.99 | 7.75 | 0.47 | 0.94 | 0.55 | 0.059 | 0.43 | 1.27 | 0.38 | 4.91 | 62.5 | – | 14.4 | – | – | – | – | – |
« | 10.0 | – | 13.2 | – | 0.98 | 7.23 | 0.50 | 0.97 | 0.48 | 0.063 | 0.44 | 1.33 | 0.40 | 1.73 | 63.1 | – | 8.04 | – | – | – | – | – |
I-5 | 0.2 | – | 17.3 | – | 1.10 | 7.55 | 0.57 | 0.96 | 0.45 | 0.061 | 0.55 | 1.79 | 0.48 | 3.88 | 56.1 | – | 11.3 | – | – | – | – | – |
« | 10.0 | – | 23.4 | – | 1.56 | 7.93 | 0.85 | 0.86 | 0.79 | 0.076 | 0.66 | 2.35 | 0.66 | 1.40 | 51.9 | – | 8.35 | – | – | – | – | – |
I-6 | 0.2 | – | 13.3 | – | 0.92 | 6.96 | 0.48 | 0.81 | 0.50 | 0.056 | 0.50 | 1.36 | 0.37 | 2.43 | 70.7 | – | 10.2 | – | – | – | – | – |
I-7 | 0.2 | – | 16.6 | – | 1.15 | 7.24 | 0.62 | 0.87 | 0.59 | 0.048 | 0.56 | 1.61 | 0.47 | 1.96 | 67.4 | – | 8.41 | – | – | – | – | – |
« | 10.0 | – | 68.4 | – | 4.71 | 12.4 | 2.58 | 1.04 | 1.57 | 0.232 | 1.06 | 5.93 | 1.78 | 1.93 | 24.8 | – | 4.59 | – | – | – | – | – |
I-8 | 0.2 | – | 23.3 | – | 1.67 | 8.27 | 0.89 | 0.77 | 0.72 | 0.106 | 0.52 | 2.28 | 0.66 | 1.88 | 53.3 | – | 7.76 | – | – | – | – | – |
« | 10.0 | – | 63.7 | – | 4.43 | 11.2 | 2.43 | 0.81 | 1.62 | 0.272 | 0.99 | 5.70 | 1.68 | 2.13 | 20.1 | – | 5.80 | – | – | – | – | – |
« | 24.0 | – | 109 | – | 7.32 | 8.05 | 4.04 | 1.22 | 2.61 | 0.379 | 1.60 | 9.25 | 2.71 | 1.67 | 18.6 | – | 4.27 | – | – | – | – | – |
I-9 | 0.2 | – | 14.2 | – | 1.06 | 8.03 | 0.54 | 0.91 | 0.56 | 0.053 | 0.42 | 1.87 | 0.44 | 1.52 | 67.2 | – | 12.3 | – | – | – | – | – |
« | 10.0 | – | 19.4 | – | 1.42 | 8.36 | 0.75 | 0.91 | 0.80 | 0.060 | 0.50 | 2.01 | 0.55 | 1.65 | 64.9 | – | 9.04 | – | – | – | – | – |
« | 22.0 | – | 105 | – | 7.13 | 9.22 | 3.91 | 1.26 | 2.46 | 0.430 | 1.58 | 8.98 | 2.65 | 1.52 | 16.9 | – | 5.45 | – | – | – | – | – |
I-10 | 0.2 | – | 16.1 | – | 1.10 | 7.55 | 0.58 | 0.88 | 0.57 | 0.059 | 0.52 | 1.77 | 0.47 | 4.24 | 53.6 | – | 9.71 | – | – | – | – | – |
« | 10.0 | – | 43.9 | – | 2.97 | 10.8 | 1.63 | 0.88 | 1.30 | 0.172 | 0.85 | 4.21 | 1.18 | 2.78 | 34.0 | – | 10.3 | – | – | – | – | – |
I-11 | 0.2 | – | 14.6 | – | 1.04 | 7.58 | 0.54 | 0.90 | 0.69 | 0.060 | 0.49 | 1.46 | 0.44 | 1.65 | 61.7 | – | 8.65 | – | – | – | – | – |
« | 10.0 | – | 33.4 | – | 2.32 | 9.87 | 1.28 | 0.78 | 1.00 | 0.133 | 0.70 | 2.94 | 0.95 | 1.87 | 39.2 | – | 8.59 | – | – | – | – | – |
I-12 | 16.0 | – | 102 | – | 6.94 | 10.0 | 3.85 | 1.15 | 2.53 | 0.360 | 1.46 | 8.21 | 2.58 | 1.37 | 17.2 | – | 4.23 | – | – | – | – | – |
I-13 | 0.2 | – | 20.9 | – | 1.47 | 6.31 | 0.82 | 0.77 | 0.89 | 0.092 | 0.50 | 2.27 | 0.62 | 2.73 | 38.7 | – | 14.1 | – | – | – | – | – |
I-14 | 0.2 | – | 23.1 | – | 1.66 | 6.35 | 0.93 | 0.88 | 0.82 | 0.087 | 0.61 | 2.19 | 0.68 | 2.12 | 41.8 | – | 12.6 | – | – | – | – | – |
I-15 | 0.2 | – | 29.3 | – | 1.84 | 7.74 | 0.99 | 0.91 | 0.80 | 0.126 | 0.74 | 2.88 | 0.72 | 2.74 | 46.3 | – | 12.5 | – | – | – | – | – |
I-16 | 0.2 | – | 1.57 | – | 0.07 | 2.54 | 0.045 | 0.90 | 0.34 | 0.007 | 0.35 | 0.31 | 0.09 | 3.38 | 38.1 | – | 19.7 | – | – | – | – | – |
I-17 | 0.2 | – | 35.2 | – | 2.43 | 9.26 | 1.31 | 0.84 | 1.16 | 0.126 | 0.78 | 3.63 | 0.95 | 1.22 | 36.5 | – | 12.1 | – | – | – | – | – |
« | 10.0 | – | 40.8 | – | 2.84 | 10.0 | 1.55 | 0.76 | 1.26 | 0.158 | 0.89 | 4.04 | 1.11 | 2.24 | 41.7 | – | 10.5 | – | – | – | – | – |
2016 г. | ||||||||||||||||||||||
III-1 | 0.2 | 131 | 89.1 | 0.223 | 6.07 | 11.2 | – | – | 2.09 | 0.350 | 1.40 | 7.65 | 2.26 | 0.97 | 19.4 | 0.030 | – | 0.02 | 18.2 | 5.4 | 6.1 | 1.0 |
III-2 | « | 38.1 | 23.8 | 0.056 | 1.89 | 18.8 | – | – | 0.61 | 0.096 | 0.61 | 2.75 | 0.81 | 2.42 | 62.5 | 0.038 | – | 0.23 | 29.2 | 11.9 | 12.7 | 3.1 |
III-3 | « | 15.6 | 9.56 | 0.024 | 0.89 | 19.5 | – | – | 0.48 | 0.040 | 0.41 | 1.40 | 0.49 | 4.30 | 96.8 | 0.048 | – | 0.37 | 43.2 | 17.2 | 20.1 | 4.8 |
III-4 | « | 36.6 | 25.1 | 0.064 | 1.87 | 18.1 | – | – | 0.79 | 0.088 | 0.62 | 2.69 | 0.88 | 2.05 | 64.9 | 0.040 | – | 0.25 | 30.4 | 12.3 | 13.8 | 3.4 |
III-5 | « | 2.23 | 0.62 | 0.002 | 0.26 | 16.8 | – | – | 0.24 | 0.006 | 0.37 | 0.78 | 0.29 | 10.7 | 107 | 0.115 | – | 0.39 | 51.3 | 22.5 | 24.2 | 6.5 |
III-6 | « | 4.98 | 2.53 | 0.006 | 0.43 | 17.9 | – | – | 0.31 | 0.017 | 0.34 | 0.89 | 0.34 | 6.22 | 103 | 0.059 | – | 0.43 | 46.8 | 20.4 | 22.4 | 5.4 |
III-7 | « | 10.2 | 6.09 | 0.014 | 0.67 | 19.0 | – | – | 0.37 | 0.025 | 0.38 | 1.15 | 0.42 | 5.01 | 96.1 | 0.050 | – | 0.39 | 46.8 | 18.8 | 18.8 | 4.7 |
III-8 | « | 13.1 | 7.86 | 0.019 | 0.82 | 19.6 | – | – | 0.45 | 0.036 | 0.41 | 1.33 | 0.45 | 4.72 | 102 | 0.048 | – | 0.36 | 43.9 | 18.5 | 19.1 | 5.2 |
III-9 | « | 82.9 | 55.6 | 0.136 | 3.84 | 15.1 | – | – | 1.58 | 0.218 | 1.02 | 5.08 | 1.58 | 1.29 | 24.0 | 0.035 | – | 0.07 | 20.2 | 7.8 | 8.4 | 2.1 |
III-10 | « | 105 | 70.5 | 0.169 | 4.73 | 12.8 | – | – | 1.82 | 0.254 | 1.17 | 6.22 | 1.89 | 1.26 | 21.5 | 0.031 | – | 0.03 | 19.6 | 6.3 | 6.9 | 1.4 |
III-11 | « | 116 | 78.4 | 0.194 | 5.25 | 12.4 | – | – | 1.95 | 0.305 | 1.31 | 7.20 | 2.05 | 1.17 | 19.8 | 0.032 | – | 0.03 | 18.6 | 6.5 | 7.3 | 1.2 |
III-12 | « | 127 | 85.2 | 0.208 | 5.71 | 11.7 | – | – | 2.08 | 0.347 | 1.31 | 7.10 | 2.24 | 0.93 | 20.7 | 0.030 | – | 0.02 | 19.4 | 5.9 | 5.8 | 1.2 |
Таблица 3. Распределение ионов основного солевого состава и растворенных форм биогенных элементов и микроэлементов в эстуарии Енисея
Компо-нент i | Годы наблюдений* | Поведение | Параметры зависимостей (1) или величины дополнительного поступления (удаления) | Число проб (n) | ||
a | b | r | ||||
Главные ионы | ||||||
Na | 2009, 2016 | Конс. | 10.9 | 0.552 | 0.998 | 40 |
K | То же | Конс. | 1.08 | 0.0202 | 0.999 | 40 |
Mg | « | Конс. | 3.87 | 0.0665 | 0.999 | 40 |
Ca | 1993 | Конс. | 22.6 | 0.0252 | 0.992 | 22 |
2009, 2016 | « | 9.26 | 0.0206 | 0.999 | 40 | |
SO4 | То же | Конс. | 15.7 | 0.141 | 0.999 | 40 |
Биогенные и биологически активные элементы | ||||||
Pмин | 2009, 2010, 2016 | Неконс. | Потери**, максимум 30–57% при [Cl] = 1.0–2.5 г/л | 53 | ||
Si | То же | Неконс. | Потери**, максимум 30% при [Cl] = 2.0–3.0 г/л | 50 | ||
V | 2009 | Неконс. | Потери**, максимум 9% при [Cl] = 3.0–3.5 г/л | 28 | ||
Микроэлементы | ||||||
Li | 2016 | Конс. | 1.9´10–3 | 8.75´10–6 | 0.999 | 12 |
Rb | 2009, 2016 | Конс. | 4.6´10–4 | 6.00´10–6 | 0.999 | 40 |
Cs | 2016 | Конс. | 5.1´10–7 | 1.47´10–8 | 0.999 | 12 |
Sr | 1993 | Конс. | 0.14 | 3.84´10–4 | 0.995 | 22 |
2009, 2016 | « | 0.16 | 3.97´10–4 | 0.999 | 40 | |
Ba | « | Неконс. | Избыток, максимум 20–106% при [Cl] = 1.3–13 г/л | 40 | ||
B | 1993 | Конс. | 0.082 | 1.95´10–4 | 0.989 | 18 |
2009 | « | 0.012 | 2.26´10–4 | 0.999 | 28 | |
F | 1993 | Конс. | 0.010 | 6.68´10–5 | 0.977 | 22 |
2009, 2010, 2016 | « | 0.084 | 6.22´10–5 | 0.996 | 55 | |
Cr | 2009, 2016 | Конс. | 2.7´10–4 | 1.30´10–7 | 0.993 | 40 |
Ge | То же | Конс. | 4.4´10–6 | 2.28´10–8 | 0.993 | 40 |
As | « | Конс. | 3.4´10–4 | 6.92´10–8 | 0.992 | 40 |
Mo | « | Конс. | 5.5´10–4 | 4.84´10–7 | 0.997 | 40 |
U | « | Конс. | 1.7´10–4 | 1.42´10–7 | 0.996 | 40 |
Mn | 2009, 2016 | Неконс. | Потери, максимум 54–61% при [Cl] = 3.0–4.0 г/л | 40 | ||
Fe | То же | Неконс. | Потери, максимум 28–34% при [Cl] = 6.5–8.5 г/л | 40 | ||
Pb | 2016 | Неконс. | Потери, максимум 20% при [Cl] = 3.0–4.5 г/л | 12 | ||
Al | 2009 | Неконс. | Потери, максимум 32% при [Cl] = 4.0–6.0 г/л | 28 | ||
Ti | 2016 | Неконс. | Потери, максимум 25% при [Cl] = 6.5–8.5 г/л | 12 | ||
Y | То же | Неконс. | Потери, максимум 26% при [Cl] = 4.0–6.0 г/л | 12 | ||
La | « | Неконс. | Потери, максимум 26% при [Cl] = 4.0–6.0 г/л | 12 | ||
Ce | « | Неконс. | Потери, максимум 26% при [Cl] = 4.0–5.0 г/л | 12 | ||
Pr | « | Неконс. | Потери, максимум 26% при [Cl] = 4.0–5.0 г/л | 12 |
* – Результаты измерений, проведенных в 1993 г., опубликованы в работе А.В. Савенко (2003);
** – данные относятся к вегетационному периоду. В период зимней межени степень неконсервативности распределения незначительна.
Съемка 2016 г. характеризует меженный период, когда в питании реки преобладает поступление обогащенных гидрокарбонатами подземных вод, что отражается на параметрах распределения щелочности:
[Alk, мг-экв/л] = 1.58 + 4.08 × 10–5[Cl, мг/л], r = 0.999 , (3)
которая в области наибольшей солености также достигает типичной для морской водной массы величины (рис. 2).
Неконсервативные растворенные компоненты. Неконсервативное поведение в эстуарии Енисея установлено для фосфатов (Рмин), кремния, ванадия, бария, алюминия, титана, циркония, марганца, железа, свинца, иттрия, лантана, церия и празеодима. Максимальные величины их дополнительного поступления (удаления) в зоне смешения речных и морских вод приведены в табл. 3.
В поверхностном распресненном слое во время съемок 2009–2010 гг. происходило снижение концентрации растворенных фосфатов с ростом содержания хлоридов (рис. 3), обусловленное, по-видимому, процессами биологической ассимиляции. При этом в 2010 г. концентрация Рмин на речной границе зоны смешения (0.007–0.009 мг/л) была примерно в 2 раза ниже соответствующих значений 2009 г. (0.013–0.020 мг/л), что вызывало практически полное удаление фосфатов из раствора при содержании хлоридов свыше 0.5 г/л. Подобные вариации распределения фосфатов в поверхностных водах при сохранении общей тенденции к снижению концентрации с ростом солености наблюдались и в ходе предшествующих гидрохимических исследований эстуария Енисея, проводившихся в летне-осенний период 1993, 1999, 2003 и 2007 гг. (Gordeev et al., 2007; Маккавеев и др., 2010а).
Рис. 3. Распределение растворенных фосфатов, кремния и ванадия в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории. 1 – эстуарий Енисея, 2009 г., поверхностный слой; 2 – то же, промежуточный и придонный горизонты; 3 – Гыданская губа, 2009 г., поверхностный слой; 4 – эстуарий Енисея, 2010 г., поверхностный слой; 5 – Гыданская губа, 2010 г., поверхностный слой; 6 – эстуарий Енисея, 2016 г., поверхностный слой.
В промежуточном слое (10 м) и придонных водах эстуария Енисея в 2009 г. отмечалось существенное увеличение концентрации растворенных фосфатов с ростом солености до величин, в 2 раза превышающих их среднее содержание на речной границе зоны смешения (0.033 мг Р/л при содержании хлоридов 17.3 г/л, или солености 31.3‰), что было установлено также в 1993, 1999, 2003 и 2007 гг. (Gordeev et al., 2007; Маккавеев и др., 2010а) и возникает вследствие разложения осаждающегося органического вещества детрита и отмерших организмов. Исключение из общей зависимости составляют лишь 2 пробы из придонных горизонтов на станциях I-7 и I-8 с повышенным и пониженным содержанием растворенных фосфатов, что связано, вероятно, с локальными особенностями обменных процессов на границе раздела вода–дно.
В период зимней межени наблюдается минимум биологической активности, следствием чего стало уменьшение удаления фосфатов из раствора на начальных стадиях осолонения во время съемки 2016 г. до 6% их содержания в речных водах по сравнению с 30–57% в 2009–2010 гг. и последующее плавное увеличение концентрации при смешении с обогащенной фосфатами водной массой Енисейского залива (рис. 3).
Снижение концентрации растворенного кремния в эстуарии Енисея с ростом содержания хлоридов описывалось общей для 2009 и 2010 гг. зависимостью, состоящей из двух линейных участков: с градиентом dSi/dCl, равным –3×10–4 на начальных стадиях смешения речных и морских вод и –5×10–5 при хлорности >2.5 г/л (рис. 3). Более высокий градиент изменения концентрации кремния в распресненных водах фотического слоя обусловлен, по-видимому, его потреблением диатомовыми водорослями, тогда как в нижележащих горизонтах продуцирование органического вещества прекращается, а реминерализация кремния происходит намного менее интенсивно, чем фосфатов. Существенное повышение концентрации кремния в придонных водах в результате его диффузии из донных отложений наблюдалось только на станции I-3. Обращают на себя внимание пробы, отобранные в 2009 г. со станций I-13–I-16 в Гыданской губе, которые отличались пониженным содержанием кремния и образовывали отдельную зависимость, хотя в 2010 г. концентрации кремния в этом районе были близки к таковым в эстуарии Енисея. В меженном стоке Енисея 2016 г. содержание растворенного кремния в 1.5 раза превышало таковое в вегетационный период 2009–2010 гг., а замедление внутриводоемых биологических процессов привело к практически полному отсутствию неконсервативности его поведения в пределах эстуария. Факт сильной межгодовой изменчивости распределения растворенного кремния ранее был отмечен В.В. Гордеевым с соавторами (Gordeev et al., 2007): в 1993 и 2001 гг. в Енисейском заливе происходило уменьшение содержания кремния в процессе смешения речных вод с морскими, а в 1999 г., напротив, было зафиксировано его увеличение при солености <10‰.
Распределение ванадия практически идентично распределению фосфатов: в эвфотическом слое наблюдается снижение его концентрации, а в промежуточном и глубинном горизонтах – увеличение до значений, превышающих его среднее содержание на речной границе зоны смешения (рис. 3). Ванадий относится к биологически активным элементам, поэтому наиболее вероятной причиной такого неконсервативного поведения может служить биологический захват в зоне интенсивного продуцирования органического вещества и переход в раствор в нижележащих горизонтах в результате реминерализации органического вещества, на что указывал также В.В. Гордеев (2012).
Таким образом, отличительной чертой миграции фосфатов, кремния и ванадия в эстуарии Енисея является неконсервативное поведение, обусловленное их участием в продукционно-деструкционных процессах. Потери этих элементов в вегетационный период достигают соответственно 30–57, 30 и 9% их поступления с речным стоком при содержании хлоридов 1.0–2.5, 2.0–3.0 и 3.0–3.5 г/л, тогда как в период зимней межени влияние биологических процессов на распределение элементов этой группы незначительно.
Миграция бария, тяжелых металлов и элементов-гидролизатов в эстуарии Енисея осуществляется под влиянием химических процессов.
Так, для бария на протяжении всей зоны смешения речных и морских вод характерно дополнительное поступление в раствор за счет реакций ионного обмена в поглощенном комплексе речных взвесей (рис. 4). Десорбция бария происходит как при более низком, так и при более высоком его содержании в енисейских водах по сравнению с таковым в морской водной массе, что, однако, отражается на абсолютной величине максимального избытка растворенных форм и соответствующей ему солености. В летне-осенний паводочный период 2009 г. количество десорбируемого бария (5.1 мкг/л) было сопоставимо с его концентрацией в речных водах (4.8 мкг/л) и достигало максимума при содержании хлоридов 10–13 г/л, тогда как при повышенной концентрации бария в меженном стоке 2016 г. (16.8 мкг/л) вклад десорбции в его суммарный вынос в океан был менее значим: наибольшее поступление бария составило 3.3 мкг/л, или 20% содержания в речных водах, и было зафиксировано при хлорности 1.3 г/л.
Рис. 4. Распределение растворенного бария в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории. 1 – эстуарий Енисея, 2009 г., поверхностный слой; 2 – то же, промежуточный и придонный горизонты; 3 – Гыданская губа, 2009 г., поверхностный слой; 4 – эстуарий Енисея, 2016 г., поверхностный слой.
Рис. 5. Распределение растворенных форм марганца, железа и свинца в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории. 1 – эстуарий Енисея, 2009 г., поверхностный слой; 2 – то же, промежуточный и придонный горизонты; 3 – Гыданская губа, 2009 г., поверхностный слой; 4 – эстуарий Енисея, 2016 г., поверхностный слой.
Рис. 6. Распределение растворенных форм алюминия и титана в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории. 1 – эстуарий Енисея, 2009 г., поверхностный слой; 2 – то же, промежуточный и придонный горизонты; 3 – Гыданская губа, 2009 г., поверхностный слой; 4 – эстуарий Енисея, 2016 г., поверхностный слой.
Рис. 7. Распределение растворенных форм иттрия, лантана, церия и празеодима в эстуарии Енисея в 2016 г.
Концентрации растворенных форм тяжелых металлов (Mn, Fe, Pb) и элементов-гидролизатов (Al, Ti, Y, La, Ce, Pr), которые присутствуют в природных водах, помимо истинно растворенного состояния, в виде органических и органо-минеральных коллоидов, резко снижались в области низкой и средней солености (рис. 5–7), главным образом в результате коагуляции и флоккуляции коллоидной фракции, контролирующей миграцию этих элементов в большинстве устьевых областей рек мира (Гордеев, 2012). При дальнейшем возрастании солености происходило замедление снижения концентраций и асимптотическое приближение к характеристикам морской водной массы. Максимальные потери марганца, железа и алюминия составили 4.2–6.5, 24–35 и 5.1 мкг/л (54–61, 28–34 и 32% их концентраций в енисейских водах) при содержании хлоридов от 3.0 до 8.5 г/л, тогда как удаление из раствора свинца, титана, иттрия, лантана, церия и празеодима было несколько меньше и достигало соответственно 11.8, 106, 13.5, 5.8, 6.2 и 1.7 нг/л (20–26% содержания в речном стоке) в том же диапазоне хлорности. Можно предположить, что изменчивость химического состава речного стока играет в распределении элементов этой группы подчиненную роль, о чем свидетельствует близость формы зависимостей концентраций растворенных железа и марганца от содержания хлоридов в 2009 и 2016 гг.
ВЫВОДЫ
- По материалам экспедиционных исследований 2009–2016 гг. с привлечением литературных данных в устьевой области Енисея установлено устойчивое в многолетнем плане консервативное поведение главных ионов (Na, K, Mg, Ca, SO4) и ряда микроэлементов (Li, Rb, Cs, Sr, B, F, Cr, Ge, As, Mo, U) с близкими для разных лет параметрами зависимостей их концентраций от содержания хлоридов.
- Для щелочности, которая также относится к консервативным компонентам, отмечается значительная пространственно-временная изменчивость распределения вследствие сложной гидрологической структуры Енисейского залива и прилегающей части Карского моря, сформированной под влиянием нескольких источников опреснения, сезонных вариаций химического состава речного стока и затока соленых вод.
- Поведение биогенных и биологических активных элементов (Pмин, Si и V) в вегетационный период контролируется участием в продукционно-деструкционных процессах. В распресненных водах эвфотического слоя наблюдается их извлечение из раствора водными организмами, тогда как в промежуточном и придонном слоях содержание растворенных форм фосфатов и ванадия увеличивается с ростом солености вследствие разложения осаждающегося органического вещества, а реминерализация кремния происходит намного менее интенсивно. В период зимней межени влияние биологических процессов на распределение элементов этой группы незначительно.
- Барий в зоне смешения речных и морских вод интенсивно десорбируется с речных взвесей в количестве, достигающем 20–100% поступления его растворенных форм с речным стоком в зависимости от сезонных вариаций химического состава последнего: чем ниже концентрация бария в енисейских водах, тем больше эффективность его десорбции.
- Миграционная способность тяжелых металлов (Mn, Fe, Pb) и элементов-гидролизатов (Al, Ti, Y, La, Ce, Pr) в эстуарии Енисея, подобно устьевым областям других рек мира, снижается в результате иммобилизации их коллоидной фракции: в области низкой и средней солености удаляется до 20–61% содержания их растворенных форм.
Источник финансирования
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 16–05–00369).
Об авторах
А. В. Савенко
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Автор, ответственный за переписку.
Email: Alla_Savenko@rambler.ru
Геологический факультет
Россия, МоскваО. С. Покровский
Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университет
Email: Alla_Savenko@rambler.ru
Россия, Архангельск; Томск
Список литературы
- Галимов Э.М., Кодина Л.А., Степанец О.В., Коробейник Г.С. (2006) Биогеохимия российской Арктики. Карское море. Результаты исследований по проекту SIRRO 1995-2003 годы. Геохимия (11), 1138-1191.
- E. M. Galimov, L. A. Kodina, O. V. Stepanets, and G. S. Korobeinik (2006) Biogeochemistry of the Russian Arctic. Kara Sea: Research Resultsunder the SIRRO Project, 1995-2003. Geochem. Int. 44 (11) 1053-1104.
- Гордеев В.В. (2012) Геохимия системы река-море. М., 452 с.
- Маккавеев П.Н., Мельникова З.Г., Полухин А.А., Степанова С.В., Хлебопашев П.В., Чульцова А.Л. (2015) Гидрохимическая характеристика вод западной части Карского моря (по материалам 59-го рейса НИС “Академик Мстислав Келдыш”). Океанология 55(4), 540-551.
- Маккавеев П.Н., Стунжас П.А., Мельникова З.Г., Хлебопашев П.В., Якубов Ш.Х. (2010а) Гидрохимическая характеристика вод западной части Карского моря. Океанология 50(5), 730-739.
- Маккавеев П.Н., Стунжас П.А., Хлебопашев П.В. (2010б) О выделении вод Оби и Енисея в распресненных линзах Карского моря в 1993 и 2007 гг. Океанология 50(5), 740-747.
- Мискевич И.В. (1988) Гидрохимия устьевой области Онеги. Водные ресурсы (4), 74-84.
- Овсепян А.Э., Федоров Ю.А. (2011) Ртуть в устьевой области реки Северная Двина. Ростов-на-Дону: Росиздат, 198 с.
- Полухин А.А., Маккавеев П.Н. (2017) Особенности распространения материкового стока по акватории Карского моря. Океанология 57(1), 25-37.
- Савенко А.В. (2003) Геохимия стронция, фтора и бора в зоне смешения речных и морских вод. М.: ГЕОС, 170 с.
- Савенко А.В., Демиденко Н.А., Покровский О.С. (2016) Химическая трансформация стока растворенных веществ в устьевых областях Онеги и Мезени. Геохимия (5), 447-456.
- Савенко А.В., Ефимова Л.Е. (2007) Трансформация стока растворенных веществ в зоне смешения речных и морских вод. Геоэкологическое состояние Арктического побережья России и безопасность природопользования (Под ред. Алексеевского Н.И.). М.: ГЕОС, 285-299.
- Стунжас П.А. (1995) Разделение вод Енисея и Оби в Карском море по щелочности и кремнию. Океанология 35(2), 215-219.
- Cauwet G., Sidorov I. (1996) The biogeochemistry of Lena River: Organic carbon and nutrients distribution. Marine Chem. 53(3-4), 211-227.
- Dai M.H., Martin J.M. (1995) First data on trace metal level and behaviour in two major Arctic river-estuarine systems (Ob and Yenisey) and in the adjacent Kara Sea, Russia. Earth and Planet. Sci. Lett. 131(3-4), 127-141.
- Gordeev V.V., Beeskow B., Rachold V. (2007) Geochemistry of the Ob and Yenisey estuaries: A comparative study. Berichte zur Polar- und Meeresforschung 565, 235 p.
- Martin, J.M., Guan, D.M., Elbaz-Poulichet, F. et al. (1993) Preliminary assessment of the distributions of some trace elements (As, Cd, Cu, Fe, Ni, Pb and Zn) in a pristine aquatic environment: The Lena River estuary (Russia). Marine Chem. 43(1-4), 185-199.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)