Geochemistry of suspended matter in the Volga river marginal filter

Cover Page

Abstract


The first data on the long-term study of marginal filter (MF) of the Volga River is presented. The concentrations of suspended particulate matter, suspendforming chemical elements and microelements are considered. Ratios of enrichment suspension by chemical elements relative to the upper lithosphere are calculated. as well as their interrelations at different stages of the MF. It is shown that the sedimentary substance supplied by the sea with river flow, changes radically, both quantitatively and qualitatively.


Крупнейшая в Европе р. Волга приносит в Каспийское озеро-море ежегодно 233 км 3 воды — это более 80% всего поступающего речного стока [14]. Здесь самая большая (более 200 км) зона смешения речных и морских вод, или маргинальный фильтр (МФ), где происходит преобразование речной воды и взвеси в морскую воду и взвесь. Исследование МФ реки важно для понимания взаимодействия компонент системы Каспийского озера-моря и процессов, в нем происходящих. Изучением этих процессов в зонах смешения речных вод с морскими в разных морях занимались многие исследователи [5–14, 16–18, 20–21 и др.]. Термин «маргинальный фильтр» введен А. П. Лисицыным при исследовании устьевых зон великих северных рек в 1993 г. в 49-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев». Он предложил модель МФ, представлявшую последовательность процессов, происходящих в зоне смешения речных и морских вод по мере увеличения солености [8, 9]. С увеличением солености в процессе смешения речной и морской вод происходит трансформация вещества, обусловленная взаимодействием механических, физико-химических и биологических процессов, что характерно для всех рек, впадающих в моря и океаны.

Следует отметить, что схема работы МФ р. Волги отличается от принципиальной модели [8], созданной на основе данных изучения зоны смешения в устьях крупных рек российской Арктики. Кроме того, соленость вод Северного Каспия невысока (менее 13 епс), что определяет главные особенности работы МФ р. Волги. МФ — это достаточно сложная природная система, и ее граница может смещаться во времени (по сезонам) как в сторону моря (в половодье), так и в сторону реки (в межень).

Исследование МФ р. Волги было начато нами в 2008 г. в рейсах НИС «Рифт (2008–2012 гг.) [1–4, 11] и «Никифор Шуреков» (2013–2015 гг.) и продолжается по настоящее время. Использованы материалы девяти экспедиций. Работы в области МФ проводились по единой программе и единой методике. В настоящей работе приводятся первые обобщенные данные по МФ Волги, полученные в 9 рейсах в разные сезоны года в течение 7 лет на акватории в пределах 42°45’–45°31’с. ш. и 45°19’–49°31’в. д. (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема маршрутов судов при исследовании маргинального фильтра р. Волги.

1 — 27-й рейс НИС «Рифт» (июль 2008 г.); 2 — 29-й рейс НИС «Рифт» (ноябрь 2008 г.); 3 — 30-й рейс НИС «Рифт» (апрель 2009 г.); 4 — 32-й рейс НИС «Рифт» (сентябрь 2009 г.); 5 — 35-й рейс НИС «Рифт» (июнь 2010 г.); 6 — 39-й рейс НИС «Рифт» (апрель 2012 г.); 7 — 41-й рейс НИС «Рифт» (сентябрь 2012 г.), ст. Якорь-1 и Якорь-2; 8 — 41-й рейс НИС«Рифт»; 9 — НИС «Никифор Шуреков» (август 2013 г.); 10 — НИС «Никифор Шуреков» (ноябрь 2015 г.).

 

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Вода для исследования взвеси отбиралась на ходу судна чистым пластиковым ведром или через систему проточной лаборатории при постоянном контроле солености CTD-зондом. Взвесь выделялась мембранной ультрафильтрацией воды на фильтрационных воронках фирмы Sartorius через ядерные фильтры с размером пор 0.45 мкм и диаметром 47 мм. Химический состав взвеси определялся под руководством В. В. Гордеева разными методами: спектрофотометрическим — Si, Al, P (точность 2–5%), кулонометрическим — Сорг и Скарб (точность 5–10%), атомно-абсорбционным (точность до 10%). Для контроля правильности анализов использовались международные стандарты СДО-1, СДО-3 (CCCP), GSD-2, GSD-6 (КНР), BCR-414 (Канада). Аморфный кремнезем рассчитывался методом терригенной матрицы, за терригенную матрицу принимался состав глин и глинистых сланцев Русской платформы [15].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Все данные по солености (S), концентрациям взвеси и химических элементов приведены в табл. 1. В исследуемой акватории соленость увеличивается с удалением от речного устья (дельты) в море от 0 до 11.4 епс. Полученные нами данные по концентрациям и химическому составу взвеси были сгруппированы по градациям солености 0–2, 2–7 и >7 епс, характеризующим гравитационный, коагуляционно-сорбционный и биологический этапы МФ (табл. 2, рис. 2), а в градациях солености — усреднены по сезонам (весна, лето, осень).

 

Таблица 1. Концентрации взвеси и химических элементов в пробах маргинального фильтра Волги, Сулака и Терека: Si–Fe в %, остальные в 10-4%

Станция

Координаты

S,

епс

Концент-рация взвеси, мг/л

Si

Al

P

Сорг

Скарб

Fe

Mn

Cu

Zn

Ni

Pb

с.ш.

в.д.

              

27-й рейс НИС «Рифт», июль-август 2008 г.

R-9

44° 20.389’

49° 42.592’

8.9

1.13

           

R-11

44° 43.667’

49° 01.066’

7.5

5.87

           

R-12

44° 46.170’

47° 45.632’

6

12.0

           

R-13

44° 55.283’

47° 44.479’

5

11.3

           

R-14

44° 58.307’

47 °43.529’

3.5

9.56

           

R-15

44° 59.734’

47° 43.066’

2.2

10.0

           

R-16

45° 01.070’

47 °42.626’

1.1

6.33

           

R-17

45° 03.591’

47° 41.783’

0.3

10.7

           

R-18

45° 07.935’

47° 41.914’

0

13.0

           

29-й рейс НИС «Рифт», ноябрь 2008 г.

8-1

43° 14.424’

49° 18.372’

11.1

0.41

17.75

2.24

0.49

23.9

1.7

      

24

43° 52.547’

49° 10.651’

10.5

0.46

15.58

2.88

0.44

22.1

2.2

      

25

44° 27.569’

48° 49.640’

9.0

1.43

18.07

1.89

0.52

22.8

2.0

      

26

44° 37.987’

48° 03.393’

8.0

12.1

21.77

2.71

0.23

16.4

2.2

      

27

44° 43.907’

47° 47.493’

7.0

12.4

15.22

3.76

0.22

15.4

1.9

      

28

44° 48.943’

47° 45.831’

5.8

6.89

15.58

4.43

0.25

24.7

1.5

      

29

44° 50.096’

47° 45.679’

5.1

4.30

15.24

2.56

0.26

28.6

1.1

      

30

44° 54.497’

47° 44.668’

4.1

4.59

19.13

2.75

0.26

26.0

1.4

      

31

45° 02.423’

47° 42.190’

0.3

2.15

20.45

4.82

0.32

4.9

1.7

      

32

45° 11.245’

47° 42.998’

0.2

6.87

22.05

4.45

0.17

3.4

1.4

      

30-й рейс НИС «Рифт», апрель-май 2009 г.

R-10

43° 51.832’

49° 01.982’

11.3

0.62

17.75

2.24

0.25

19.3

1.2

8.03

1500

49

135

7800

 

П-2

43° 51.841’

49° 01.983’

10.1

0.67

     

2.32

560

170

660

2600

 

R-11

44° 16.715’

48° 26.228’

9.8

0.6

15.58

2.88

0.35

22.8

0.9

4

1000

155

680

3800

 

П-3

44° 34.269’

48° 01.181’

8.7

1.08

18.07

1.89

0.29

19.4

1.5

1.67

495

52

220

1000

 

П-4

44° 36.035’

47° 58.552’

8

1.5

21.77

2.71

0.28

20.1

1.0

0.92

495

56

380

20

 

П-5

44° 37.631’

47° 55.866’

7

0.93

15.22

3.76

0.44

21.0

1.2

2.1

1330

37

110

55

 

П-6

44 °39.144’

47° 52.400’

6

1.53

15.58

4.43

0.38

16.2

1.8

1.12

420

15

<30

62

 

П-7

44° 45.734’

47° 47.139’

5

2.4

15.24

2.56

0.22

16.2

1.8

0.61

340

28

40

10

 

П-8

44° 55.178’

47° 44.592’

4

3.17

19.13

2.75

0.02

13.3

1.8

3.8

890

118

118

2500

 

П-9

44° 58.407’

47° 43.503’

3

2.5

     

1.15

1080

17

17

68

 

П-10

44° 59.646’

47° 43.096’

2

1.8

20.45

4.82

0.25

2.6

1.8

1.43

1330

28

28

150

 

П-11

45° 02.815’

47° 42.041’

1

3.67

     

1.5

980

18

18

58

 

П-12

45° 10.292’

47° 42.688’

0.21

6.08

22.05

4.45

0.12

2.6

1.8

4.37

1080

40

40

93

 

32-й рейс НИС «Рифт», сентябрь 2009 г.

9

42º 43.668’

49º 17.202’

10.2

1

10.14

2.13

0.38

20.4

2.9

0.60

380

70

340

5

30

10

44º 32.479’

48º 03.643’

8.4

2.1

11.10

2.47

0.43

20.5

2.4

0.62

970

70

430

30

310

11

44º 41.408’

47º 49.632’

5.6

5.9

14.73

2.19

0.35

21.7

1.8

0.42

470

55

240

60

20

12

44º 49.986’

47º 45.869’

4.07

7.6

14.59

1.96

0.38

21.5

1.7

0.42

630

40

160

50

30

13

44º 54.499’

47º 44.714’

3.03

4.9

14.48

2.53

0.45

19.0

1.6

2.10

1700

65

210

40

15

14

44º 57.534’

47º 43.763’

2.08

9.9

18.20

3.16

0.59

13.9

1.8

1.50

1300

40

110

18

20

15

45º 01.083’

47º 42.632’

1.08

18.7

20.86

4.55

0.32

9.3

1.4

2.30

1800

43

90

30

30

16

45º 15.280’

47º 44.292’

0.19

52.1

27.67

6.84

0.11

5.7

0.1

4.10

1250

34

65

40

28

35-й рейс НИС «Рифт», июнь 2010 г.

44

42° 44.337’

47° 58.230’

10.23

1.03

9.49

2.15

0.33

24.6

2.0

0.69

1200

70

135

45

 

45

43° 06.668’

48° 00.076’

8.96

1.21

11.50

2.55

0.37

21.2

2.2

0.43

1100

110

160

52

 

46

43° 13.136’

48° 00.836’

8.75

1.15

9.32

1.86

0.33

23.0

2.8

0.52

1900

150

720

105

 

47

43° 31.835’

48° 02.793’

8.05

1.26

11.25

2.12

0.31

22.2

2.5

0.45

1300

80

370

130

 

48

43° 33.265’

48° 02.942’

8.03

1.22

10.31

1.98

0.35

21.2

2.9

0.52

2000

80

520

<10

 

49

43° 41.383’

48° 03.395’

6.85

1.69

10.89

2.35

0.49

19.6

2.9

0.63

2000

130

1400

200

 

50

43° 47.245’

48° 03.847’

6.06

2.08

11.32

2.35

0.31

21.3

2.5

1.36

1700

85

550

150

 

51

43° 58.534’

48° 02.274’

4.95

1.83

11.78

2.38

0.3

27.4

0.9

0.44

1800

35

115

40

 

52

44° 37.401’

47° 50.982’

2.35

1.91

13.37

2.14

0.29

24.2

1.4

0.58

1300

<10

120

57

 

53

44° 42.727’

47° 47.818’

2.02

1.63

12.21

2.38

0.3

25.4

1.2

0.58

2270

20

340

<10

 

54

44° 44.757’

47° 47.211’

1.04

1.54

14.21

4.12

0.57

20.6

0.7

1.35

4240

25

440

<10

 

55

44° 46.236’

47° 46.724’

0.77

2.13

15.52

4.14

0.29

17.8

1.2

1.65

3820

50

220

<10

 

56

45° 06.526’

47° 41.449’

0.01

8.2

19.88

5.28

0.43

13.7

0.4

0.6

2000

55

460

<10

 

39-й рейс НИС «Рифт», май 2012 г.

МФ-1

45º 05.520’

47º 41.140’

0.23

20.7

26.88

7.32

0.35

5.7

0.9

0.92

1100

18

130

12

6.6

МФ-2

44º 45.460’

47º 46.920’

1.2

12.9

18.05

4.75

0.28

6.2

2.7

0.45

1100

<10

620

18

11.4

МФ-3

44º 44.980’

47º 47.500’

2

11.6

18.61

3.63

0.20

6.9

3.1

0.49

1200

10

1100

93

24

МФ-4

44º 44.260’

47º 48.330’

3.38

10.3

20.51

4.14

0.26

9.9

1.6

0.69

930

13

160

24

19

МФ-5

44º 40.170’

47º 53.060’

4.96

6.3

18.64

3.98

0.23

13.9

1.3

0.79

890

50

610

270

57

МФ-6

44º 35.700’

47º 58.460’

7.57

3.41

15.31

3.13

0.29

17.6

2.1

0.66

910

35

610

130

<2

МФ-7

44º 31.930’

48º 03.030’

9.15

1.05

16.11

2.93

0.37

18.2

2.5

0.66

1100

25

860

110

24

41-й рейс НИС «Рифт», октябрь 2012 г.

Якорь 1

45° 31.747’

 

0

12.6

22.7

7.13

0.11

2.12

0.84

      

Якорь 2

45° 22.557’

 

0

11.7

23.9

6.46

0.11

2.12

1.5

      

МФ1

45° 04.344’

 

0.22

30. 2

           

МФ2

44° 54.440’

 

1

29.4

           

МФ3

44° 49.470’

 

2

14.0

           

МФ4

44° 46.890’

 

3

10.6

           

МФ5

44° 45.620’

 

4.2

6.44

           

МФ6

44° 45.330’

 

5.2

7.78

           

МФ7

44° 44.850’

 

6

10.5

           

МФ8

44° 40.000’

 

7.2

14.1

           

МФ9

44° 39.140’

 

8

16.0

           

МФ10

44° 31.090’

 

9.6

7.41

           

МФ11

43° 55.620’

 

10.6

0.83

           

НИС «Никифор Шуреков», август 2013 г.

НШ-1301

45° 01.653’

 

2.6

10.1

19.90

3.22

0.44

12.6

1.8

1.40

4800

17

240

50

35

НШ-1303

44° 59.166’

 

4.5

14.8

19.92

3.41

0.39

13.4

1.3

1.00

4000

12

120

47

14

НШ-1304

44° 55.814’

 

5.9

12.0

19.58

2.76

0.42

13.1

1.8

1.06

3500

22

770

48

25

НШ-1305

44° 47.745’

 

7.6

7.68

12.28

2.35

0.39

16.3

3.3

0.75

3200

15

250

45

40

НШ-1306

44° 44.290’

 

9.5

4.09

15.91

2.46

0.56

15.1

2.5

0.40

890

47

180

14

22

НШ-1307

44° 35.641’

 

10.9

0.96

14.43

3.48

-

15.6

2.4

1.22

2900

80

3500

67

380

НИС «Никифор Шуреков», октябрь 2015 г., МФ Волга

НШ-1501

45° 31.253’

 

0.2

14.2

           

НШ-1502

44° 57.349’

 

1.2

20.1

           

НШ-1537

44° 45.194’

 

4.4

9.43

           

НШ-1536

44° 34.223’

 

7.3

5.52

           

НШ-1530

44° 14.109’

 

8.8

1.99

           

НШ-1512

43° 50.544’

 

11.1

0.70

           

НИС «Никифор Шуреков», октябрь 2015 г., МФ Сулак

НШ-1516

43° 15.159’

 

9.5

15.4

           

НШ-1515

43° 15.879’

 

10

3.67

           

НШ-1517

43° 14.151’

 

10.5

2.30

           

НШ-1518

43° 11.920’

 

11.1

0.68

           

НИС «Никифор Шуреков», октябрь 2015 г., МФ Терек

НШ-1527

44° 05.224’

 

4.5

15.0

           

НШ-1528

44° 05.210’

 

2.9

15.0

           

НШ-1529

44° 04.151’

 

4.8

8.02

           

НШ-1530

44° 14.109’

 

8.8

1.99

           

 

Таблица 2. Средние концентрации взвеси и содержания взвесеобразующих компонентов: Fe, Mn (%) и микроэлементов (10-4 %)

Сезон

Концентрация взвеси. мг/л

SiO2ам

OB

CaCO3

Литоген.

Fe

Mn

P

Ni

Co

Cr

Cu

Zn

Pb

0–2 епс

Весна

11

11.6

9.6

17.4

61.4

1.4

0.23

0.22

34

<0.005

<0.005

40

270

н.о.

Лето

8.1

6.4

34.7

6.3

52.6

1.4

0.31

0.43

<0.005

<0.005

<0.005

43

370

н.о.

Осень

17

10.7

9.1

9.5

7.7

2.9

0.10

0.20

51

15

104

37

99

28

2–7 епс

Весна

4.11

16.9

30.0

13.4

39.7

1.3

0.08

0.26

64

11

24

25

140

38

Лето

5.77

14.5

39.6

14.6

31.4

0.79

0.27

0.34

85

5.8

32

52

270

25

Осень

7.06

15.5

43.0

13.5

18.0

0.86

0.10

0.31

42

<0.005

<0.005

42

200

н.о.

>7 епс

Весна

1.38

22.5

39.2

12.8

25.58

0.92

0.09

0.32

87

6.5

42

43

240

н.о.

Лето

2.33

9.2

39.9

21.6

29.3

0.76

0.12

0.33

65

5.4

49

79

330

31

Осень

2.9

12.8

42.8

19.0

25.4

0.60

0.07

0.40

18

<0.005

<0.005

70

380

170

Примечание. н.о. — не определялось.

 

Рис. 2. Распределение концентраций взвеси в зависимости от солености в маргинальном фильтре р. Волги весной, летом и осенью в разные годы (вертикальные линии — деление МФ по этапам).

 

На гравитационном этапе происходит резкое уменьшение концентраций взвеси от 20 мг/л при нулевой солености до 1.5–2 мг/л при солености около 2 епс. Отмечаются сезонные вариации: весной средние концентрации взвеси составляют 11, летом — 4, а осенью — 10 мг/л. Незначительные сезонные изменения связаны с зарегулированием водного стока каскадом водохранилищ на реке, созданным в 50–70-е гг. прошлого столетия.

В пределах второго, коагуляционно-сорбционного, этапа с соленостью 2–7 епс концентрации взвеси продолжают уменьшаться, а при солености около 2.5 епс начинают увеличиваться за счет физико-химических процессов (коагуляции и флокуляции органических и металлорганических коллоидов) [5, 16–18, 20, 21 и др.]. Максимальные концентрации взвеси наблюдаются при солености 5.5–6 епс, а при увеличении солености они вновь уменьшаются. Здесь происходят основные процессы трансформации состава взвешенного вещества. Сезонные вариации концентраций на этом этапе менее выражены, чем на гравитационном.

При солености более 7 епс концентрации взвеси убывают во все сезоны, вода просветляется, что обусловливает более интенсивный фотосинтез и развитие планктона (биологический этап). Внешней (морской) границей МФ р. Волги можно считать изохалину 11 епс, где взвесь становится собственно морской.

Взвешенное вещество состоит в основном из биогенных и литогенных частиц. Биогенный материал взвеси представлен аморфным кремнеземом (SiO2ам), преимущественно скелетами диатомовых водорослей, и органическим веществом (ОВ), индикатором которого служит Сорг. Концентрация этого элемента составляет примерно половину ОВ. Третья биогенная компонента — карбонатный материал — представлен карбонатами осадочных пород, дренируемых Волгой, продуктами истирания раковинного материала на верхнем шельфе, образующимися в зоне волнения.

Литогенная компонента — это разнообразные минералы, обломочные и глинистые. Состав их изменяется уже на первом этапе смешения. Это показали исследования в западном (Дамчикском) и восточном (Обжоровском) участках дельты [7], а также на двух якорных стоянках в море (см. рис. 1). Во взвеси дельты преобладает кварц, обломочных и глинистых минералов значительно меньше, а во взвеси якорных стоянок в море (41-й рейс НИС «Рифт») соотношение резко меняется: содержание кварца вдвое уменьшается, а обломочных и глинистых минералов — возрастает, что обусловлено механическим фракционированием вещества при уменьшении скорости водного потока.

Основными индикаторами литогенного материала являются Si и Al. В среднем концентрация Al составляет 1/10 часть всего литогенного материала.

Расчет процентных содержаний во взвеси основных взвесеобразующих компонент показал (рис. 3), что река выносит весной и осенью в основном литогенный материал. Состав взвеси на первом этапе (S 0–2 епс) маргинального фильтра характеризуется преобладанием литогенного вещества во все сезоны, причем максимальные его содержания отмечены осенью, а минимальные — летом. Следует отметить, что в этой зоне содержания SiO2ам составляют около 10% весной и осенью (весеннее и осеннее цветение планктона) и вдвое меньше — летом. Содержания органического вещества весной и осенью составляют около 10%, а летом — более 30%. Содержание карбонатов варьирует примерно от 5% летом и осенью до 15% весной. Состав биогенной триады изменяется в зависимости от сезона.

 

Рис. 3. Распределение концентраций взвеси (мг/л), состава взвешенного вещества (%) в весенний (а), летний (б) и осенний (в) сезоны.

1 — SiO2ам; 2 — органическое вещество (ОВ); 3 — СаСО3; 4 — литогенное вещество.

 

С удалением от устья реки (с увеличением солености) концентрации взвеси резко уменьшаются, а затем несколько увеличиваются (в коагуляционно-сорбционной зоне МФ) за счет увеличения содержаний органического вещества, что обусловлено прежде всего коагуляцией, флокуляцией и переходом во взвесь высокомолекулярной органики, такой как гуминовые кислоты [5, 8, 17, 20 и др.]. Изменяется и состав взвеси: увеличиваются относительные доли биогенных компонент и значительно уменьшается содержание литогенных. Мористее (при солености более 7 епс) после осаждения взвеси на 1-м и 2-м этапах МФ происходит просветление вод, начинает работать фотосинтез органического вещества, увеличивая его содержание и содержание аморфного кремнезема. Начинается биологический этап МФ, преобладают биогенные компоненты, особенно органическое вещество. Содержание SiO2ам увеличивается незначительно, так как здесь преобладают цианобактерии, а не диатомовые водоросли. Содержание карбонатов в этих зонах маргинального фильтра невелико, не превышает 20%.

Таким образом, речная вода, поступающая в море, проходит маргинальный фильтр, в результате чего уменьшается общая концентрация взвеси и изменяется соотношение ее компонентов.

Во взвешенном веществе области МФ был изучен ряд микроэлементов (см. табл. 2). По средним значениям элементов для каждой ступени МФ рассчитаны коэффициенты обогащения (КО) взвеси относительно земной коры. Они рассчитывались как отношение нормализованных по Al элементов во взвеси и в земной коре [19]. КО показали (рис. 4), что на первой гравитационной ступени существенного обогащения микроэлементов практически не происходит: значения КО для большинства элементов не превышают 2. Только Р и Pb обогащают взвесь по сравнению с земной корой в 4 раза, что обусловлено для Р обогащением в составе ОВ, а для Pb, вероятней всего, — техногенным загрязнением.

 

Рис. 4. Распределение коэффициентов обогащения химических элементов на разных этапах маргинального фильтра: 1 — гравитационный этап; 2 — коагуляционно-сорбционный этап; 3 — биологический этап.

 

КО значительно возрастают для взвеси на коагуляционно-сорбционной ступени МФ: от 3 для Ni и Cu до 14 для Р. Такие элементы, как Pb, Mn и Zn, обогащаются здесь в 5–8 раз.

На третьей биологической ступени КО для этих элементов еще выше — для Mn, Ni и Cu он составляет 5–8, а для Р, Zn и Pb — 16–20. Такое обогащение обусловлено, во-первых, выведением из взвеси большой доли литогенного вещества, принесенного в море рекой. Концентрации взвеси становятся меньше, из-за чего концентрации микроэлементов, не связанных с литогенным материалом, относительно увеличиваются. Во-вторых, происходит обогащение рядом микроэлементов на второй ступени МФ за счет физико-химических процессов — коагуляции коллоидов и адсорбции микроэлементов [6, 17]. Этот процесс обогащения наблюдается и на третьей ступени МФ. Таким образом, в области МФ происходит существенная перестройка элементного состава взвеси.

Для установления связей между химическими элементами во взвеси на разных этапах маргинального фильтра были построены корреляционные матрицы (табл. 3) для проб, отобранных при S = 0–2, 2–7 и >7 епс. На первой гравитационной ступени МФ наиболее тесная корреляция у Si и Al, что естественно, так как они являются главными породообразующими элементами алюмосиликатов, составляющих континентальную земную кору, а также продукты ее деградации — обломочные и глинистые минералы. С этими элементами хорошо коррелируют Fe, Ni и Сr, а с Fe — Ni, Cr и Со, что обусловлено их совместным вхождением в состав литогенного обломочного вещества. С Сорг коррелируют Р и Zn, что свидетельствует о совместном выносе их с органической частью речной взвеси в биогенной триаде. Хорошая корреляция между Pb и Ni, Co, Cr, Cu указывает на вынос этих элементов, вероятно, антропогенным компонентом взвеси.

На втором, коагуляционно-сорбционном, этапе МФ (2–7 епс) корреляционные связи для литофильных элементов остаются. Однако здесь исчезает корреляция между Сорг и Р, что может быть обусловлено коагуляцией, флокуляцией и переходом во взвесь высокомолекулярной органики, имеющей иные отношения с фосфором, чем планктонное органическое вещество. На значительный вклад в состав взвеси флокулирующей органики указывает не только относительное, но и абсолютное увеличение концентраций Сорг при понижении здесь концентраций самой взвеси (табл. 2).

 

Таблица 3. Корреляционные соотношения между химическими элементами на разных этапах МФ. Полужирным выделены значения коэффициента корреляции выше 0.5.

0–2 епс (n = 15)

 

Si

Al

P

Сорг

Fe

Mn

Ni

Co

Cr

Cu

Zn

Pb

Si

1

           

Al

0.86

1

          

P

-0.66

-0.53

1

         

Сорг

-0.85

-0.69

0.82

1

        

Fe

0.54

0.78

-0.46

-0.46

1

       

Mn

-0.45

-0.40

0.43

0.57

-0.26

1

      

Ni

0.55

0.68

-0.70

-0.64

0.95

-0.61

1

     

Co

0.01

0.05

-0.97

-0.60

0.54

-0.95

0.74

1

    

Cr

0.61

0.69

-0.86

-0.98

0.96

-0.75

1.00

0.73

1

   

Cu

-0.12

-0.20

-0.09

0.23

0.11

0.51

0.45

0.80

0.54

1

  

Zn

-0.73

-0.62

0.86

0.78

-0.36

0.49

-0.03

-0.99

-0.98

0.23

1

 

Pb

0.25

0.08

-0.83

-0.03

0.36

-0.46

0.54

0.97

0.72

0.92

-0.61

1

2–7 епс (n = 22)

 

Si

Al

P

Сорг

Fe

Mn

Ni

Co

Cr

Cu

Zn

Pb

Si

1

           

Al

0.86

1

          

P

0.17

-0.08

1

         

Сорг

-0.97

-0.84

-0.08

1

        

Fe

0.76

0.85

-0.20

-0.81

1

       

Mn

0.32

0.19

0.61

-0.20

0.14

1

      

Ni

0.47

0.69

-0.47

-0.50

0.57

-0.12

1

     

Co

0.22

0.73

-0.92

-0.76

0.72

-0.80

0.95

1

    

Cr

0.56

-0.18

0.62

0.22

0.11

0.65

-0.46

-0.36

1

   

Cu

-0.70

-0.70

-0.07

0.71

-0.47

-0.35

-0.65

-0.63

0.40

1

  

Zn

-0.41

-0.26

0.27

0.46

-0.28

0.26

-0.33

0.06

0.86

0.37

1

 

Pb

0.24

0.37

-0.23

-0.12

0.37

-0.10

0.47

0.13

0.29

-0.28

-0.05

1

>7 епс (n = 20)

 

Si

Al

P

Сорг

Fe

Mn

Ni

Co

Cr

Cu

Zn

Pb

Si

1

           

Al

0.25

1

          

P

-0.44

-0.38

1

         

Сорг

-0.44

-0.59

0.72

1

        

Fe

0.59

0.63

-0.23

-0.36

1

       

Mn

-0.47

-0.42

0.07

0.35

-0.37

1

      

Ni

-0.17

-0.15

-0.39

0.15

0.58

-0.15

1

     

Co

-0.04

0.25

0.85

0.50

0.72

-0.80

0.95

1

    

Cr

0.20

0.75

0.52

-0.06

0.96

-0.55

-0.46

-0.36

1

   

Cu

-0.62

-0.26

0.15

0.53

0.99

-0.29

-0.65

-0.63

0.94

1

  

Zn

-0.48

-0.52

-0.05

0.33

-0.28

0.26

-0.32

0.06

0.86

0.64

1

 

Pb

0.24

0.37

-0.23

-0.12

0.37

-0.10

0.47

0.13

0.29

-0.28

-0.05

1

 

На третьем биогенном (S >7 епс) этапе отсутствует корреляция между обломочными Si и Al, что связано со значительной долей планктонного (диатомового) кремнезема во взвеси. Вместе с тем здесь вновь появляется корреляция между Сорг и Р, что связано с преобладанием в веществе взвеси нового морского, а не речного органического вещества фитопланктона. Литофильные элементы так же, как на других ступенях МФ, коррелируют между собой, т. е. влияние тонкого обломочного вещества сохраняется.

Корреляционные соотношения между химическими элементами также показывают закономерные изменения в химическом составе вещества взвеси на разных этапах маргинального фильтра р. Волги, что обусловлено разными процессами, проходящими на разных этапах МФ.

Таким образом, рассеянное осадочное вещество, сформированное в маргинальном фильтре, коренным образом отличается от осадочного материала, выносимого р. Волгой. Оно изменяется как в количественном, так и в качественном отношении. Резкое уменьшение общего количества осадочного вещества, выносимого рекой в море, происходит на первой ступени смешения за счет механической дифференциации вещества из-за значительного снижения скорости потока, выносящего терригенный материал. Качественные изменения в составе вещества происходят на второй и третьей ступенях маргинального фильтра за счет физико-химических процессов, образующих новое взвешенное вещество (коагуляция высокомолекулярных органических и металлорганических соединений и флокуляция образованных коллоидов), а далее в море при хорошем освещении и подтоке питательных веществ увеличивается первичная продукция органического вещества и развивается фитои зоопланктон. На внешнем краю маргинального фильтра концентрации рассеянного осадочного вещества становятся на порядок величины меньше, а приносимая рекой взвесь превращается в морскую.

Источник финансирования. Обработка материала, полученного ранее, выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 14-27-00114-П). Интерпретация результатов частично выполнена в рамках Госзадания ИО РАН (тема № 0149-2018-0016).

V. N. Lukashin

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: klyuvitkin@ocean.ru

Russian Federation, Moscow

M. D. Kravchishina

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: klyuvitkin@ocean.ru

Russian Federation, Moscow

A. A. Klyuvitkin

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: klyuvitkin@ocean.ru

Russian Federation, Moscow

A. N. Novigatsky

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: klyuvitkin@ocean.ru

Russian Federation, Moscow

N. V. Politova

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: klyuvitkin@ocean.ru

Russian Federation, Moscow

  1. Амбросимов А. К., Клювиткин А. А., Артамонова К. В. и др. Комплексные исследования системы Каспийского моря в 41-м рейсе научно-исследовательского судна “Рифт” // Океанология. 2014. Т. 54. № 5. С. 715–720.
  2. Амбросимов А. К., Клювиткин А. А., Гольдин Ю. А. и др. Комплексные исследования системы Каспийского моря в 39-м рейсе научно-исследовательского судна «Рифт» // Океанология. 2014. Т. 54. № 3. С. 428–432.
  3. Амбросимов А. К., Лукашин В. Н., Буренков В. И. и др. Комплексные исследования системы Каспийского моря в 32-м рейсе научно-исследовательского судна “Рифт” // Океанология. 2011. Т. 51. № 4. С. 751–757.
  4. Амбросимов А. К., Лукашин В. Н., Либина Н. В. и др. Комплексные исследования системы Каспийского моря в 35-м рейсе научно-исследовательского судна “Рифт” // Океанология. 2012. Т. 52. № 1. С. 150–155.
  5. Гордеев В. В. Геохимия системы река–море. М.: ИП Матушкина И. И., 2012. 452 с.
  6. Гордеев В. В., Лисицын А. П. Геохимическое взаимодействие пресноводной и морской гидросфер // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 5–6. С. 721–744.
  7. Кравчишина М. Д., Новигатский А. Н., Политова Н. В. и др. Исследование биогенной и абиогенной частей взвеси дельты реки Волги в период весеннего половодья (май 2008 г.) // Водные ресурсы. 2013. Т. 40. № 2. С. 151–164.
  8. Лисицын А. П. Маргинальный фильтр океанов // Океанология. 1994. Т. 34. № 5. С. 735–747.
  9. Лисицын А. П. Современные представления об осадкообразовании в океанах и морях. Океан как природный самописец взаимодействия геосфер Земли // Мировой океан. Т. 2. / Ред. Лобковский Л. И., Нигматулин Р. И. М.: Научный мир, 2014. С. 331–571.
  10. Лисицын А. П., Демина Л. Л., Гордеев В. В. Геохимический барьер река-море и его роль в осадочном процессе // Биогеохимия океана. М.: Наука, 1983. С. 32–48.
  11. Лукашин В. Н., Амбросимов А. К., Либина Н. В. и др. Комплексные исследования в северной части Каспийского моря в 30-м рейсе НИС «Рифт (17–28 апреля 2009 г.) // Океанология. 2010. Т. 50. № 3. С. 472–476.
  12. Лукашин В. Н., Люцарев С. В., Краснюк А. Д. и др. Взвешенное вещество в эстуариях Оби и Енисея (по материалам 28 рейса НИС “Академик Борис Петров”) // Геохимия. 2000. № 12. С. 1329–1345.
  13. Лукашин В. Н., Стрюк В. Л., Гурвич Е. Г. Микроэлементы в зонах смешения вод Куршского залива, рек Даугавы и Венты, Балтийского моря // Геохимия осадочного процесса в Балтийском море. М.: Наука, 1986. С. 25–45.
  14. Михайлов В. Н. Устья рек России и сопредельных стран: прошлое, настоящее и будущее. М.: ГЕОС, 1997. 413 с.
  15. Ронов А. Б., Ярошевский А. А. Химическое строение земной коры // Геохимия. 1967. № 11. С. 1285–1309.
  16. Min-Han Dai, Martin J.-M. First data on trace metal level and behaviour in two major Arctic river-esruarine systems (Ob and Yenisei) and in the adjacent Kara Sea, Russia // Earth and Planet. Sci. Lett. 1995. V. 131. P. 127–141.
  17. Pokrovsky O. S., Shirokova L. S., Viers1 J. et al. Fate of colloids during estuarine mixing in the Arctic // Ocean Sci. 2014. V. 10. P. 107–125.
  18. Pokrovsky O. S., Viers J., Shirokova L. S. et al. Dissolved, suspended, and colloidal fluxes of organic carbon, major and trace elements in Severnaya Dvina River and its tributary // Chem. Geol. 2010. V. 273. P. 136–149.
  19. Rudnic R. L., Gao S. Tretise on Geochemistry / Eds. Holland H. D., Turekian K. K. V. 3. The Crust. Amsterdam, Boston et oth.: Elsevier Pergamon, 2004. P. 1–64.
  20. Sholkovitz E. R. Flocculation of dissolved organic and inorganic matter during the mixing of river water and seawater // Geochim. et Cosmochim. Acta. 1976. V. 40. P. 831–845.
  21. Turner A. Trace metal partitioning in estuaries: importance of salinity and particle concentration // Marine Chemistry. 1996. V. 54. P. 27–39.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1. Fig. 1. Scheme of the routes of ships in the study of the marginal filter p. Volga. View (1MB) Indexing metadata
2. Fig. 2. Distribution of suspended matter concentrations depending on salinity in the marginal filter p. Volga in spring, summer and autumn in different years (vertical lines - division of the MF into stages). View (922KB) Indexing metadata
3. Fig. 3. The distribution of concentrations of suspension (mg / l), the composition of the suspended matter (%) in the spring (a), summer (b) and autumn (c) seasons. View (1MB) Indexing metadata
4. Fig. 4. The distribution of the enrichment factors of chemical elements at different stages of the marginal filter: 1 - the gravity stage; 2 - coagulation-sorption stage; 3 - biological stage. View (709KB) Indexing metadata

Views

Abstract - 46

PDF (Russian) - 31

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Russian academy of sciences