Device of registration the lateral flow of sedimentary matter

Abstract

A new sedimentation device was developed and tested. "Device of registration the lateral flow of sedimentary matter" is intended for sampling a sedimentary particulate matter moving in the water column in the lateral directions. The device can be successfully used to solve sedimentological, biological, ecological problems, including the monitoring of solid pollutants transfer.

Full Text

Исследования потоков рассеянного осадочного вещества в глубинах Мирового океана в последние десятилетия становятся приоритетной задачей, которая напрямую связана с проблемой глобальных климатических изменений. Вертикальные потоки вещества изучаются седиментационными ловушками различных моделей [5, 8–10, 17, 18]. Латеральные потоки рассеянного вещества в толще воды исследуются методами, основанными на скоростях течений воды и концентраций взвеси на заданных горизонтах [4, 6]. Прибор учета латерального потока осадочного вещества (ПУЛПОВ [7]) позволяет во времени изучать процессы прохождения и преобразования взвешенных частиц в водной толще, измерять количество и состав вещества, поступающего в бассейны седиментации. Учет латерального перемещения тонкого осадочного вещества важен еще и потому, что это определяющий процесс, поддерживающий энергетический баланс как в водной толще, так и на морском дне. Латеральные потоки вещества (в том числе поллютантов) являются важной частью мониторинга антропогенных загрязнений морской среды.

Изучение потоков рассеянного осадочного вещества в морях (мг через м ² в сутки (год, приливо-отливный цикл или др. временной интервал) — это новое направление в науках о процессах в океане, возможность получения прямых in situ количественных и качественных характеристик этих процессов во времени. Таким образом реализуется возможность развития четырехмерной седиментологии. Прибор найдет применение не только в море, но также и при исследовании озер, водохранилищ и крупных речных систем.

СХЕМА ПРИБОРА, МЕТОД ПОСТАНОВКИ И ИЗМЕРЕНИЯ

ПУЛПОВ представляет собой два сквозных цилиндра с диаметром входного отверстия 4 см и внутренней приемной камерой диаметром 6 см (рисунок). На входе в цилиндр устанавливалось мельничное сито с диаметром ячеи 500 мкм (для исключения заплыва живых организмов, способных исказить результаты). На выходе из цилиндра устанавливалось мельничное сито с диаметром ячеи 26 мкм. Прибор уравновешивался грузом весом 2.6 кг вдоль нижней плоскости и пенопластовым поплавком (подъемной силы 2.2 кг) вдоль верхней плоскости прибора. ПУЛПОВ устанавливается на растяжке. Растяжка представляет собой два вертикальных линя с якорями в 30 кг и двумя буями (рисунок). Первый буй подъемной силы 13 кг для поддержания вертикальности линя, второй буй подъемной силы 0.2 кг маркерный. ПУЛПОВ на веревках с тяжелыми такелажными скобами вдоль маркерных линей опускается до подъемных буев с закрытыми крышками. После установки такелажных скоб на подъемные буи прибор за маркерный фал поднимается на судно, где заполняется дистиллированной водой и с закрытыми крышками погружается на глубину 0.5 м. В подводных условиях крышки снимаются, и прибор опускается на исследуемый горизонт. Подъем прибора осуществляется за маркерный фал до глубины 0.5 м, где устанавливаются крышки. В лабораторных условиях вода из цилиндров сливается через сливные отверстия, а прибор промывается дистиллированной водой.

Рис. Схема прибора учета латерального потока вещества и способа его установки. Цифры на схеме: 1 — якорь; 2 — маркерный фал; 3 — линь; 4 — подъ-емный буй; 5 — маркерный буй; 6 — прибор ПУЛПОВ; 7 — крышки; 8 — концевой груз; 9 — пенопластовый поплавок; 10 — мельничное сито Ø ячеи 500 мкм; 11 — мельничное сито Ø ячеи 26 мкм; 12 — приемная камера; 13 — сливное отверстие.

Пробы воды из ПУЛПОВ лучше фильтровать через фильтры (лавсановые, стекловолокнистые и т. п.) и обрабатывать в зависимости от задач исследований, так как количество осадочного вещества в цилиндрах не превышает первых миллиграмм.

Вещество, накопившееся в приборе, служило основой для оценки латерального потока вещества. Латеральный поток вначале оценивался через один квадратный метр вертикальной плоскости в конкретной точке бухты за единицу времени (час), а затем пересчитывался на вертикальное сечение шириной в один метр от поверхности до дна (далее 1 м сечения бухты) в той же конкретной точке бухты за сутки. При этом мы вносим допущение, что при небольшой глубине моря с однородной толщей воды существенных различий в движении воды внутри водного столба нет, за исключением самого верхнего (пленочного) и нижнего (илового) слоев воды.

ЭКСПЕРИМЕНТ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ПРИБОР

Экспериментальные исследования были выполнены 4–5 июля 2016 г. в южном борту бухты Оскара. Станция располагалась на 69°07.141’ с. ш., 36°04.084’ в. д., глубина моря 12 м, прибор устанавливался в 5 м от дна, температура воды на горизонте 8.8°С, соленость 30.2‰. Эксперимент проводился на гипсовых шарах. Использование гипсовых структур для регистрации движения водной массы были впервые предложены Моусом [16] и апробированы в 70–80-х гг. прошлого века отечественными и зарубежными исследователями [1–3, 11–15].

Гипсовые шары диаметром 3.5 см и весом 35–38 г изготовлялись из строительного алебастра. Пригодность использования гипсовых шаров диаметром 3–4 см и весом 30–40 г для регистрации «фоновой» подвижности воды в масштабе десятков метров были обоснованы многими исследователями [2, 3, 11, 15]. В работе Хайлова с соавторами [12] было показано, что внутри пластиковых труб скорость вымывания-растворения гипсовых структур достоверно не отличается от скорости вымывания-растворения этих же структур за пределами пластиковых труб, даже при условии искусственного уменьшения внутреннего диаметра труб.

Всего было изготовлено 4 шара, два помещались в цилиндры и подвешивались в приемной камере на капроновой нити, один шар помещался в чистую закрытую емкость с морской водой (для определения растворимости гипса в морской воде), которая закреплялась над прибором. Последний шар закреплялся в 15 см от боковой поверхности прибора. Эксперимент длился 24 часа, после подъема прибора все шары извлекались и помещались в термостат при температуре 26–28°С, где высушивались до постоянного веса.

Контрольный шарик № 4, помещенный в закрытую емкость с морской водой, потерял в весе около 1.5% (таблица), растворение составило 14 мг/сут с 1 г гипса. Контрольный шарик № 3, расположенный рядом с прибором, в целом потерял в весе около 12.5%, с учетом растворения гипса вымывание составило около 11% (таблица). Потеря веса у двух гипсовых шариков, помещенных внутрь прибора, не имеет достоверных отличий, несмотря на то, что шарик № 1 помещался в цилиндр, где ток воды осуществлялся с востока на запад, а шарик № 2 — с запада на восток. Оба шарика потеряли в весе около 4%, с учетом растворения гипса вымывание составило чуть более 2.5% (таблица).

Таблица. Изменение веса гипсовых шаров за 24 часа

№	Вес, грамм		Потеря веса
	Начальный	Конечный	Общая		Растворение		Вымывание
			мг	%	мг	%	мг	%
1	37.73	36.21	1520	4.1	535	1.4	985	2.7
2	36.90	35.46	1440	4.0	520		920	2.6
3	38.57	33.73	4840	12.5	550		4290	11.1
4	34.92	34.43	490	1.4	490		0	0

Таким образом, в приборе ПУЛПОВ движение воды происходит медленней, чем в толще воды. При этом изначально и предполагалось, что в приемной камере движение воды замедлится и частицы ВВ осядут, а тонкое мельничное сито не позволит увеличиться скорости течения воды при уменьшении диаметра выходного отверстия. При этом приемные камеры имеют разное направление входного отверстия: первая ориентировалась с запада на восток, вторая — с востока на запад. Следовательно, можно предположить, что в одну приемную камеру вода заходит только с приливным течением, а в другую с отливным, так как тонкое мельничное сито является препятствием для вхождения воды снаружи и не препятствует выходу из приемной камеры в результате дополнительного давления за счет сужения выходного отверстия. Тогда, вероятно, скорость прохождения воды через прибор не более чем в два раза медленнее, чем за пределами прибора.

НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ПРИБОРА

Исследования латерального потока вещества в толще воды проводили в июле–сентябре 2016 г. в южном (69°07.114’ с. ш., 36°04.202’ в. д., глубина моря 12 м) и северном (69°07.152’ с. ш., 36°04.753’ в. д., глубина моря 12 м) борту бухты Оскара губы Дальнезеленецкая Баренцева моря. В губе Чупа в июне 2016 г. в бухте Круглая (66°20.193’ с. ш., 33°38.313’ в. д., глубина моря 20 м) и в октябре 2016 г. в проливе о-ва Феттах (66°20.126’ с. ш., 33°38.940’ в. д., глубина моря 12 м). Приборы устанавливали в 5 м от морского дна и ориентировали вдоль береговой линии в бухте Оскара и проливе о-ва Феттах, а в бухте Круглая — вдоль длинной оси. Всего получено 12 проб из ПУЛПОВ.

При объеме приемной камеры прибора 0.7 л и площади входного отверстия прибора 0.00126 м ² получены следующие фактические данные.

В бухте Круглая за 4 ч приливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 1.9–2.7 мг взвешенного вещества (ВВ) при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.5 мг/л. Если пересчитать латеральный поток через 1 м ², то он составит 99–140 мг ВВ в час. За 5 ч отливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 2.1–3.5 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.62 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составит 99–186 мг ВВ в час. Таким образом, через 1 м сечения бухты в сутки в латеральном направлении перемещается около 32 г вещества, а это в 60 раз больше, чем масштаб вертикального потока в данной точке [6].

В проливе о-ва Феттах за 7 ч приливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 1.6 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.64 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 55 мг ВВ в час. За 6 ч отливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 3.0 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.78 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 99 мг ВВ в час. Через 1 м сечения пролива в сутки в латеральном направлении перемещается 22 г ВВ, а это в 50 раз больше, чем масштаб вертикального потока [6].

В северном борту бухты Оскара за 12 ч приливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 5.5 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.70 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 163 мг ВВ в час. За 11 ч отливной стадии в ПУЛПОВ задержалось 6.8 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.83 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 205 мг ВВ в час. Таким образом, через 1 м сечения вдоль северного борта губы в сутки в латеральном направлении перемещается 53 г ВВ, а это в 100 раз больше, чем масштаб вертикального потока в данной точке [6].

В 3 экспериментах в южном борту бухты Оскара за 10–13 ч приливной стадии в ПУЛПОВ задерживалось от 3.1 до 8.3 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.83–0.87 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 113–222 мг ВВ в час. За 11–12 ч отливной стадии задерживалось от 3.7 до 6.7 мг ВВ при концентрации ВВ на горизонте исследования 0.86–1.0 мг/л, пересчет на 1 м ² латерального потока составляет 93–275 мг ВВ в час. За сутки вдоль южного борта бухты через метр сечения в латеральном направлении перемещалось от 24 до 70.5 г ВВ, а это в 60–210 раз больше, чем масштаб вертикального потока в данной точке [6].

Таким образом, прибор работает при разных периодах экспозиции и при разных содержаниях ВВ в толще воды, а первые рекогносцировочные данные позволяют уверенно говорить о том, что масштаб латерального потока вещества в десятки раз больше (50–210), чем вертикальный поток ВВ.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках темы НИР ММБИ КНЦ РАН: 9-18-03 (№ госрегистрации АААА-А18-118030690060-6).