Распределение растворенных веществ в эстуарии Енисея и на прилегающей акватории Карского моря и его межгодовая изменчивость

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 (Р_мин), 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 Р_мин 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

1. 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.
2. 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.
3. Поведение биогенных и биологических активных элементов (P_мин, 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.
4. 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.
5. 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, Москва

О. С. Покровский

Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университет

Email: Alla_Savenko@rambler.ru
Россия, Архангельск; Томск

Список литературы

Дополнительные файлы