Пространственно-временная изменчивость трансформации стока растворенных веществ в эстуарии Мезени
- Авторы: Савенко А.В.1, Демиденко Н.А.2, Покровский О.С.3,4
-
Учреждения:
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
- Государственный океанографический институт им. Н.Н. Зубова
- Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики РАН
- Национальный исследовательский Томский государственный университет
- Выпуск: Том 59, № 2 (2019)
- Страницы: 216-226
- Раздел: Химия моря
- URL: https://journals.eco-vector.com/0030-1574/article/view/13318
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0030-1574592216-226
- ID: 13318
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Изучена пространственно-временная изменчивость трансформации стока растворенных веществ в эстуарии Мезени по данным комплексных гидролого-гидрохимических исследований 2009 и 2015 гг. Установлено консервативное поведение ионов основного солевого состава и растворенных форм Li, Rb, Cs, Sr, B, F, As, Sb и Mo. Для фосфатов и кремния характерно дополнительное поступление в раствор, достигающее 93 и 32–38% их содержания в речной водной массе, которое связано, по-видимому, с выносом биогенных элементов из поровых вод донных отложений, регулярно взмучивающихся под действием приливов, и вертикальным перемешиванием водной толщи. Десорбционный поток бария и урана из продолжительно контактирующего с осолоненными водами терригенного материала превышает их поступление в составе материкового стока, достигая 180–380 и 90–150% содержания этих элементов в речных водах. До 50, 43, 29, 32, 44, 50 и 45% поступающих с речным стоком Fe, Pb, Y, La, Ce, Pr и Nd, находящихся в форме прочных органических комплексов, при проникновении в морскую среду извлекается из раствора в результате коагуляции коллоидов. Сделан вывод о пространственном единстве и многолетней устойчивости закономерностей трансформации стока растворенных веществ в эстуарии Мезени при сохранении специфических черт миграции растворенных фосфатов, кремния, бария и урана, обусловленных гидрологическими особенностями эстуария.
Полный текст
В ходе предыдущих исследований [8] нами были выявлены отличительные черты трансформации стока растворенных веществ в эстуарии Мезени по сравнению с устьевыми областями других рек водосбора Белого моря (Онеги, Северной Двины, малых рек), в частности десорбция с речных взвесей урана и бария в количествах, превышающих их вынос с материковым стоком, и дополнительное поступление из поровых растворов фосфатов и кремния. Было показано, что специфика миграции растворенных компонентов в подверженном сильному воздействию приливных явлений эстуарии Мезени определяется формированием продольно перемещающейся зоны литоклина с высоким содержанием взвеси (до 1–13 кг/м3 [1, 3–5]), значительно превосходящим мутность вод на речном участке и устьевом взморье, а также регулярным взмучиванием донных отложений и вертикальным перемешиванием водной толщи, вызывающим усиление обменных процессов в поглощенном комплексе взвесей и на границе раздела вода–дно.
Вместе с тем остается неясным, насколько сильной пространственно-временной изменчивостью обладают установленные закономерности и можно ли считать полученные количественные характеристики консервативного или неконсервативного поведения растворенных компонентов устойчивыми в многолетнем плане. Целью настоящей работы стало выяснение этого вопроса по данным комплексных гидролого-гидрохимических исследований эстуария Мезени 2009 и 2015 гг.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В дополнение к проведенной в июле 2009 г. съемке эстуария Мезени (рис. 1а), результаты которой подробно изложены в [8], в августе 2015 г. были выполнены аналогичные экспедиционные исследования на 14 станциях, расположенных по разрезу от речной границы зоны смешения до выхода в открытую часть Мезенского залива, а также на рейдовой станции 15 (рис. 1б). Работы проводили с борта плоскодонного судна “Путеец”, за исключением мелководных участков и приливных осушек, где использовали спасательный вельбот или надувной катер типа “Зодиак”. Пробы воды отбирали из поверхностного слоя (0.5 м) пластиковым батометром: на продольном разрезе — в фазу, близкую к полной воде (на станциях 1–11 — в сизигию, на станциях 12–14 — в квадратуру); на рейдовой станции — каждый час в течение полусуточного приливно-отливного цикла.
Рис. 1. Расположение станций отбора проб воды в эстуарии Мезени в 2009 (а) и 2015 (б) гг.
Сразу после отбора проб проводили их фильтрацию и консервацию. Содержание хлоридов, карбонатную щелочность (Alkкарб ≈ HCO3) и концентрацию сульфатов измеряли соответственно объемными меркуриметрическим, ацидиметрическим методами и методом капиллярного электрофореза в пробах, предварительно отфильтрованных через плотный бумажный фильтр. Определение концентраций биогенных элементов (Pмин, Si) выполняли колориметрическими методами с молибдатом аммония и аскорбиновой кислотой и с молибдатом аммония и солью Мора в отфильтрованных через плотный бумажный фильтр пробах, законсервированных небольшим количеством хлороформа (1 мл на 100 мл пробы). Содержание главных катионов и микроэлементов определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе Agilent 7500ce в растворах, отфильтрованных 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). Мутность воды измеряли весовым методом после вакуумной фильтрации 0.55 л пробы через плотный бумажный фильтр. Относительная погрешность определений не превышала ±5% с учетом разбавления высокоминерализованных проб.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты определений содержания взвешенного вещества, а также концентраций главных ионов и растворенных микроэлементов представлены в табл. 1, 2.
Таблица 1. Гидрологические условия во время съемки и содержание ионов основного солевого состава в эстуарии Мезени в 2015 г.
№ станции | Дата | Время | Мутность s, г/м3 | Cl | SO4 | HCO3 | Na | K | Mg | Ca |
мг/л | ||||||||||
Продольный разрез в зоне смешения речных и морских вод | ||||||||||
1 | 04.08 | 1800 | 737 | 140 | 31.9 | 109.8 | 82.5 | 5.01 | 15.9 | 19.0 |
2 | То же | 1745 | 1060 | 317 | 56.0 | 109.8 | 186 | 9.29 | 26.5 | 22.5 |
3 | « | 1730 | 1071 | 594 | 99.5 | 107.4 | 320 | 14.3 | 40.5 | 28.5 |
4 | « | 1715 | 1053 | 776 | 136 | 107.4 | 441 | 18.3 | 54.5 | 33.9 |
5 | « | 1700 | 907 | 1900 | 307 | 108.0 | 1080 | 41.3 | 132 | 61.6 |
6 | « | 1640 | 679 | 2930 | 462 | 107.4 | 1710 | 62.8 | 202 | 84.9 |
7 | « | 1630 | 420 | 3760 | 587 | 105.5 | 2200 | 81.0 | 261 | 104 |
8 | « | 1620 | 811 | 5240 | 786 | 106.1 | 3010 | 109 | 358 | 134 |
9 | « | 1610 | 832 | 5480 | 826 | 104.9 | 3100 | 112 | 365 | 135 |
10 | « | 1550 | 328 | 7470 | 1070 | 104.9 | 4430 | 161 | 530 | 182 |
11 | « | 1530 | 154 | 6600 | 987 | 104.9 | 3690 | 134 | 436 | 157 |
12 | 11.08 | 925 | 39.1 | 12160 | 1790 | 114.7 | 6890 | 250 | 817 | 276 |
13 | То же | 945 | 37.2 | 11050 | 1610 | 112.9 | 6480 | 232 | 765 | 257 |
14 | « | 1015 | 23.6 | 15590 | 2250 | 119.6 | 8730 | 320 | 1040 | 345 |
Полусуточная рейдовая станция | ||||||||||
15 | 08.08 | 800 | 72.4 | 11020 | 1620 | 109.8 | 6190 | 226 | 733 | 248 |
« | То же | 900 | 102 | 11550 | 1640 | 110.4 | 6420 | 232 | 749 | 252 |
« | « | 1000 | 185 | 7710 | 1090 | 108.6 | 4070 | 150 | 480 | 169 |
« | « | 1100 | 361 | 9200 | 1280 | 109.2 | 5160 | 187 | 617 | 208 |
« | « | 1200 | 438 | 6740 | 982 | 106.1 | 3810 | 140 | 457 | 161 |
« | « | 1300 | 510 | 5820 | 836 | 104.9 | 3250 | 120 | 385 | 141 |
« | « | 1400 | 989 | 2740 | 397 | 105.5 | 1470 | 58.2 | 169 | 76.7 |
« | « | 1500 | 1278 | 1780 | 252 | 109.2 | 928 | 38.0 | 106 | 57.6 |
« | « | 1600 | 1080 | 1740 | 240 | 108.6 | 924 | 37.9 | 106 | 55.1 |
« | « | 1700 | 546 | 3260 | 472 | 106.8 | 1690 | 64.4 | 194 | 84.5 |
« | « | 1800 | 250 | 9850 | 1390 | 108.0 | 5780 | 211 | 680 | 229 |
« | « | 1900 | 152 | 10350 | 1520 | 109.8 | 6010 | 219 | 712 | 240 |
« | « | 2000 | 58.5 | 11850 | 1660 | 111.0 | 6840 | 252 | 820 | 264 |
Примечание. Здесь и в табл. 2 прочерк означает отсутствие данных.
Таблица 2. Содержание растворенных форм микроэлементов в эстуарии Мезени в 2015 г.
№ станции | Sr | B | Si | Pмин | Li | Rb | Cs | Ba | As | Sb | Mo | U | Fe | Pb | Y | La | Ce | Pr | Nd |
мг/л | мкг/л | ||||||||||||||||||
Продольный разрез в зоне смешения речных и морских вод | |||||||||||||||||||
1 | 0.24 | 0.090 | 3.86 | 25.3 | 3.75 | 2.00 | 0.010 | 6.0 | 1.47 | 0.058 | 0.41 | 0.16 | 157 | 0.116 | 0.143 | 0.136 | 0.253 | 0.038 | 0.165 |
2 | 0.31 | 0.12 | 4.35 | 31.0 | 5.18 | 3.14 | 0.012 | 6.8 | 1.60 | 0.073 | 0.50 | 0.26 | 141 | 0.118 | 0.121 | 0.116 | 0.224 | 0.035 | 0.140 |
3 | 0.41 | 0.14 | 5.14 | 34.2 | 6.58 | 4.43 | 0.014 | 8.7 | 1.63 | 0.061 | 0.58 | 0.27 | 112 | 0.143 | 0.115 | 0.106 | 0.187 | 0.027 | 0.124 |
4 | 0.55 | 0.18 | 5.16 | 47.4 | 8.23 | 5.43 | 0.016 | 10.5 | 1.51 | 0.076 | 0.74 | 0.31 | 90.7 | 0.135 | 0.105 | 0.094 | 0.153 | 0.021 | 0.083 |
5 | 1.00 | 0.42 | 4.46 | 43.5 | 17.7 | 12.1 | 0.035 | 20.8 | 1.53 | 0.070 | 1.27 | 0.45 | 75.3 | 0.086 | 0.097 | 0.091 | 0.114 | 0.015 | 0.070 |
6 | 1.44 | 0.77 | 4.03 | 39.2 | 27.9 | 18.2 | 0.035 | 25.2 | 1.53 | 0.084 | 1.75 | 0.62 | 57.8 | 0.058 | 0.086 | 0.075 | 0.082 | 0.013 | 0.066 |
7 | 1.80 | 0.82 | 3.77 | 34.5 | 34.7 | 24.2 | 0.058 | 29.4 | 1.67 | 0.089 | 2.17 | 0.77 | 57.9 | 0.047 | 0.077 | 0.065 | 0.091 | 0.011 | 0.056 |
8 | 2.38 | 1.11 | 2.86 | 30.4 | 46.7 | 33.3 | 0.091 | 33.8 | 1.66 | 0.099 | 2.97 | 1.03 | 54.9 | 0.037 | 0.077 | 0.060 | 0.057 | 0.012 | 0.038 |
9 | 2.38 | 1.12 | 3.04 | 27.9 | 48.7 | 33.7 | 0.074 | 33.7 | 1.52 | 0.098 | 3.04 | 1.06 | 52.9 | 0.040 | 0.071 | 0.042 | 0.056 | 0.010 | 0.049 |
10 | 3.31 | 1.89 | 1.97 | 20.8 | 70.1 | 48.0 | 0.095 | 30.2 | 1.61 | 0.107 | 4.19 | 1.42 | 50.2 | 0.023 | 0.062 | 0.033 | 0.053 | 0.007 | 0.037 |
11 | 2.81 | 1.45 | 2.44 | 22.2 | 58.2 | 40.8 | 0.094 | 32.3 | 1.55 | 0.106 | 3.45 | 1.27 | 53.0 | 0.028 | 0.065 | 0.042 | 0.056 | 0.009 | 0.040 |
12 | 5.07 | 2.76 | 0.45 | 6.0 | 107 | 76.1 | 0.182 | 24.3 | 1.61 | 0.139 | 6.28 | 1.92 | 47.5 | 0.007 | 0.053 | 0.016 | 0.030 | 0.005 | 0.029 |
13 | 4.72 | 2.51 | 0.54 | 6.0 | 103 | 68.2 | 0.168 | 26.2 | 1.72 | 0.122 | 5.85 | 1.85 | 53.3 | 0.009 | 0.057 | 0.023 | 0.035 | 0.006 | 0.029 |
14 | 6.41 | 3.52 | 0.27 | 3.8 | 134 | 95.5 | 0.223 | 19.5 | 1.68 | 0.174 | 8.32 | 2.36 | 50.9 | 0.002 | 0.050 | 0.012 | 0.016 | 0.002 | 0.028 |
Полусуточная рейдовая станция | |||||||||||||||||||
15 (800) | 4.66 | 2.63 | 1.24 | 9.8 | 100 | 66.9 | 0.180 | 27.4 | 1.69 | 0.143 | 6.30 | 1.77 | 49.8 | 0.012 | 0.056 | – | – | 0.006 | 0.028 |
« (900) | 4.84 | 2.45 | 1.30 | 11.0 | 98.6 | 71.5 | 0.172 | 29.0 | 1.62 | 0.145 | 5.56 | 1.84 | 47.6 | 0.010 | 0.056 | 0.025 | 0.038 | 0.005 | 0.027 |
« (1000) | 3.23 | 1.66 | 2.44 | 19.8 | 65.6 | 47.1 | 0.110 | 27.6 | 1.58 | 0.101 | 4.04 | 1.34 | 45.9 | 0.024 | 0.061 | 0.038 | 0.048 | 0.007 | 0.027 |
« (1100) | 4.04 | 2.21 | 1.91 | 16.5 | 81.0 | 58.5 | 0.153 | 29.7 | 1.70 | 0.112 | 5.22 | 1.57 | 45.9 | 0.016 | 0.061 | 0.038 | 0.039 | 0.005 | 0.024 |
« (1200) | 3.01 | 1.52 | 2.91 | 25.5 | 61.3 | 43.7 | 0.110 | 26.0 | 1.63 | 0.107 | 3.37 | 1.23 | 49.4 | 0.029 | 0.065 | 0.050 | 0.058 | 0.006 | 0.034 |
« (1300) | 2.60 | 1.35 | 3.19 | 27.2 | 52.9 | 37.1 | 0.090 | 24.5 | 1.65 | 0.107 | 3.16 | 1.10 | 55.1 | 0.028 | 0.069 | 0.042 | 0.060 | 0.008 | 0.046 |
« (1400) | 1.29 | 0.51 | 4.40 | 39.2 | 25.4 | 17.7 | 0.046 | 12.0 | 1.64 | 0.084 | 1.60 | 0.61 | 60.5 | 0.060 | 0.089 | 0.070 | 0.112 | 0.014 | 0.080 |
« (1500) | 0.93 | 0.43 | 4.70 | 42.3 | 21.8 | 12.6 | 0.033 | 9.6 | 1.62 | 0.077 | 1.24 | 0.46 | 102 | 0.063 | 0.128 | 0.111 | 0.180 | 0.038 | 0.133 |
« (1600) | 0.88 | 0.34 | 4.39 | 41.9 | 18.8 | 12.4 | 0.029 | 8.9 | 1.66 | 0.073 | 1.25 | 0.42 | 134 | 0.082 | 0.126 | 0.124 | 0.223 | 0.033 | 0.107 |
« (1700) | 1.46 | 0.70 | 4.25 | 38.3 | 30.3 | 20.9 | 0.051 | 15.9 | 1.57 | 0.074 | 1.66 | 0.67 | – | – | – | – | – | – | – |
« (1800) | 4.20 | 2.22 | 1.51 | 16.0 | 93.0 | 59.5 | 0.157 | 28.3 | 1.68 | 0.134 | 5.52 | 1.64 | 47.9 | 0.015 | 0.059 | 0.029 | 0.039 | 0.007 | 0.035 |
« (1900) | 4.45 | 2.53 | 1.33 | 11.8 | 95.4 | 64.3 | 0.146 | 30.1 | 1.57 | 0.122 | 5.23 | 1.69 | 47.5 | 0.011 | 0.053 | 0.026 | 0.036 | 0.005 | 0.027 |
« (2000) | 4.90 | 2.76 | 0.94 | 9.6 | 105 | 71.3 | 0.153 | 27.6 | 1.63 | 0.133 | 6.16 | 1.86 | 50.3 | 0.005 | 0.054 | 0.021 | 0.036 | 0.006 | 0.022 |
Содержание взвешенного вещества. Распределение содержания взвешенного вещества в поверхностных водах эстуария Мезени в 2015 г. было аналогичным таковому в 2009 г. (рис. 2а). Воды эстуария обладали аномально высокой мутностью, которая увеличивалась от 400–700 г/м3 на его речной границе до 1000–1300 г/м3 в зоне литоклина, располагавшейся в 2009 и 2015 гг. в интервале хлорности соответственно 3.5–5.0 и 0.5–2.0 г/л. При дальнейшем осолонении вод содержание взвеси плавно снижалось до значений порядка десятков г/м3 на морской границе эстуария. Примечательно, что данные полусуточной рейдовой станции 2015 г. хорошо согласуются с распределением мутности на продольном разрезе во время этой съемки. Это указывает на отсутствие значимых кратковременных вариаций формы зависимости между содержанием взвешенного вещества и хлоридов.
Рис. 2. Распределение содержания взвешенного вещества в поверхностных водах эстуария Мезени (а) и изменение его во времени на рейдовой станции (б).
1 — продольный разрез в зоне смешения речных и морских вод, 2009 г. [8]; 2 — то же, 2015 г.; 3 — полусуточная рейдовая станция, 2015 г.
Изменение мутности на рейдовой станции в эстуарии Мезени во времени (рис. 2б), несмотря на высокие абсолютные концентрации взвешенного вещества, имеет типичный для полусуточного приливно-отливного цикла вид, характерный для многих подверженных сильному воздействию приливов устьевых областей рек, например для эстуария р. Тай в Шотландии [10]: в фазу отлива содержание взвеси возрастает и достигает максимума при низкой воде, превышая мутность речного стока, а затем по мере распространения приливной волны снижается до прежнего уровня.
Консервативные растворенные компоненты. К консервативным компонентам, распределение которых контролируется процессами гидродинамического смешения речных вод с морской водной массой и описывается линейными зависимостями их концентраций от содержания хлоридов
[i, мг/л] = a + b[Cl, мг/л], (1)
где a — постоянный параметр, близко соответствующий концентрации компонента i в речных водах; b — угловой коэффициент, в эстуарии Мезени относятся все главные ионы (Na, K, Mg, Ca, SO4, HCO3) и ряд микроэлементов (Li, Rb, Cs, Sr, B, F, As, Sb, Mo). В табл. 3 приведены параметры зависимостей (1) для этих компонентов, которые являются общими для 2009 и 2015 гг., что свидетельствует об их многолетней устойчивости и слабом влиянии изменчивости химического состава речного стока.
Таблица 3. Распределение ионов основного солевого состава и растворенных форм биогенных элементов и микроэлементов в эстуарии Мезени
Компонент i | Годы наблюдений* | Поведение | Параметры зависимостей (1) или величины дополнительного поступления (удаления)** | Число проб (n) | ||
a | b | r | ||||
Главные ионы | ||||||
Na | 2009, 2015 | Конс. | 19.3 | 0.568 | 0.998 | 38 |
K | То же | Конс. | 1.92 | 0.0206 | 0.999 | 38 |
Mg | « | Конс. | 5.46 | 0.0677 | 0.997 | 38 |
Ca | « | Конс. | 19.4 | 0.0209 | 0.997 | 38 |
SO4 | « | Конс. | 19.1 | 0.143 | 0.999 | 38 |
HCO3 | « | Конс. | 103.8 | 7.51×10–4 | 0.656 | 38 |
Биогенные элементы | ||||||
Pмин | 2009, 2015 | Неконс. | Избыток, максимум 93% при Cl = 0.4–0.8 г/л | 38 | ||
Si | То же | Неконс. | Избыток, максимум 32–38% при Cl = 0.4–0.8 г/л | 38 | ||
Микроэлементы | ||||||
Li | 2009, 2015 | Конс. | 2.6×10–3 | 8.76×10–6 | 0.996 | 38 |
Rb | То же | Конс. | 1.3×10–3 | 6.06×10–6 | 0.999 | 38 |
Cs | « | Конс. | 4.5×10–6 | 1.45×10–8 | 0.962 | 38 |
Sr | « | Конс. | 0.21 | 4.04×10–4 | 0.999 | 38 |
Ba | « | Неконс. | Избыток, максимум 180–380% при Cl = 4.5–9 г/л | 38 | ||
B | « | Конс. | 0.018 | 2.27×10–4 | 0.993 | 38 |
F | 2009 | Конс. | 0.13 | 5.93×10–5 | 0.999 | 11 |
As | 2009, 2015 | Конс. | 1.5×10–3 | 8.05×10–9 | 0.514 | 38 |
Sb | 2015 | Конс. | 6.2×10–5 | 6.49×10–9 | 0.973 | 27 |
Mo | 2009, 2015 | Конс. | 2.9×10–4 | 5.05×10–7 | 0.996 | 38 |
U | То же | Неконс. | Избыток, максимум 90–150% при Cl = 9 г/л | 38 | ||
Fe | 2015 | Неконс. | Потери, максимум 50% при Cl = 2.0–3.0 г/л | 26 | ||
Pb | То же | Неконс. | Потери, максимум 43% при Cl = 3.0–5.0 г/л | 26 | ||
Y | 2009, 2015 | Неконс. | Потери, максимум 29% при Cl = 3.0–5.0 г/л | 36 | ||
La | То же | Неконс. | Потери, максимум 32% при Cl = 3.0–5.0 г/л | 36 | ||
Ce | « | Неконс. | Потери, максимум 44% при Cl = 3.0–5.0 г/л | 36 | ||
Pr | 2015 | Неконс. | Потери, максимум 50% при Cl = 3.0–4.0 г/л | 26 | ||
Nd | « | Неконс. | Потери, максимум 45% при Cl = 3.0–4.0 г/л | 26 |
* Результаты измерений, проведенных в 2009 г., за исключением Y, La и Ce, опубликованы в [8].
** В % относительно содержания в речной водной массе.
Неконсервативные растворенные компоненты. Неконсервативное поведение, которое может быть вызвано внутриводоемными химическими или биологическими процессами, а также обменными процессами на границе раздела вода–дно, приводящими к отклонению фактических концентраций компонентов от расчетных значений по уравнению консервативного смешения (1), в эстуарии Мезени характерно для биогенных элементов (Pмин, Si), бария, урана, железа, свинца, иттрия и редкоземельных элементов (La, Ce, Pr, Nd).
Распределение растворенных форм минерального фосфора и кремния в 2015 г. имело те же специфические черты, что и в 2009 г.: на первом этапе осолонения концентрации обоих биогенных элементов резко возрастали, после чего начиналось их линейное снижение с ростом содержания хлоридов, замедляющееся только вблизиморской границы эстуария (рис. 3). Максимальные величины дополнительного поступления минерального фосфора и кремния в раствор в 2009 и 2015 гг. на продольных разрезах и рейдовой станции были близки между собой и составили 0.023–0.025 мг P/л (93% содержания в речной водной массе) и 0.9–1.5 мг Si/л (32–38% содержания в речной водной массе) при хлорности 0.4–0.8 г/л (табл. 3).
Рис. 3. Зависимости концентраций растворенных форм минерального фосфора и кремния в эстуарии Мезени от содержания хлоридов.
1 — продольный разрез в зоне смешения речных и морских вод, 2009 г. [8]; 2 — то же, 2015 г.; 3 — полусуточная рейдовая станция, 2015 г. Здесь и на рис. 4–6 пунктиром обозначены расчетные линии консервативного смешения.
Как отмечалось в [8], наблюдаемое распределение растворенных фосфатов и кремния не-типично для побережий Белого моря, где в вегетационный период происходит удаление значительной части этих элементов в результате биологической ассимиляции, и контролируется, по-видимому, процессом реминерализации органического вещества в донных отложениях, которые в силу гидрологических особенностей эстуария регулярно взмучиваются и контактируют с вертикально перемешивающейся водной толщей. Поэтому дополнительное поступление биогенных элементов находится в прямой зависимости от количества осаждающихся в разных частях эстуария взвешенных наносов (и соответственно подвергающегося деструкции органического вещества), которые наиболее интенсивно аккумулируются вскоре после выхода смешивающихся вод в эстуарий, а затем седиментационный поток уменьшается пропорционально степени разбавления речных вод морской водой.
Барий в зоне смешения речных и морских вод интенсивно вовлекается в сорбционно-десорбционные процессы, причем в большинстве изученных устьев рек установлено его дополнительное поступление в раствор [2, 7–9]. Для эстуария Мезени также характерна десорбция бария, однако вследствие продолжительного контакта терригенного материала с осолоненными водами его поток в 5–8 раз больше такового в устьевых областях других крупнейших рек водосбора Белого моря — Онеги и Северной Двины — и превышает вынос этого элемента в составе материкового стока (рис. 4, табл. 3). Дополнительное поступление растворенного бария в 2009 и 2015 гг. достигало соответственно 22 и 23 мкг/л (180 и 380% содержания в речных водах, равного 12 и 6 мкг/л) при хлорности 4.5–5.5 г/л на трансэстуарных разрезах и 16 мкг/л (270% содержания в речной водной массе) при хлорности 9 г/л на полусуточной рейдовой станции. Отклонение области максимального поступления бария от зоны литоклина (пика содержания взвешенного вещества) в сторону большей солености может возникать в силу конечной скорости протекания обменных процессов в поглощенном комплексе речных взвесей. Особенно заметно это для рейдовой станции, где максимум десорбции приходится на содержание хлоридов 9 г/л, тогда как на продольных разрезах наибольшая интенсивность десорбции отмечается в диапазоне хлорности 4.5–5.5 г/л. Вместе с тем данные 2009 и 2015 гг. хорошо согласуются между собой, что подтверждает сделанные в [7] выводы о многолетней устойчивости распределения бария и указывает на его непосредственную связь с распределением взвешенного вещества.
Многократное возрастание результирующего эффекта обменных процессов в поглощенном комплексе речных взвесей также послужило причиной десорбции в эстуарии Мезени растворенного урана, для которого в большинстве изученных устьев рек мира отмечалось формально консервативное поведение [2, 7, 8], а экспериментальные исследования [6] показали его незначительное сорбционное поглощение, составляющее 4–6% поступления с глобальным материковым стоком. Как в 2009, так и в 2015 г. дополнительное поступление урана в раствор происходило на протяжении всего эстуария, достигая максимальных величин при содержании хлоридов ~9 г/л: 0.22 и 0.13 мкг/л (соответственно 150 и 90% содержания в речных водах, равного 0.15 мкг/л) для продольных разрезов и полусуточной рейдовой станции (рис. 4, табл. 3). Поэтому даже в условиях неполного достижения сорбционного равновесия, что, скорее всего, имело место на рейдовой станции, возникающий избыток урана по порядку величины сравним с его выносом речным стоком, и данная закономерность остается неизменной для разных лет.
Рис. 4. Зависимости концентраций растворенных форм бария и урана в эстуарии Мезени от содержания хлоридов.
1 — продольный разрез в зоне смешения речных и морских вод, 2009 г. [8]; 2 — то же, 2015 г.; 3 — полусуточная рейдовая станция, 2015 г.
Распределение в эстуарии Мезени железа, свинца, иттрия и редкоземельных элементов (La, Ce, Pr, Nd), которые образуют прочные комплексы с растворенным органическим веществом и находятся как в истинно растворенном, так и в коллоидном состоянии, тоже было идентичным для продольных разрезов 2009 и 2015 гг. (для Y, La и Ce) и несколько отличалось только на рейдовой станции в области низкой солености: на начальном этапе смешения речных и морских вод наблюдалось резкое снижение концентраций указанных элементов, замедляющееся при содержании хлоридов >2–3 г/л (рис. 5, 6). Наибольшее количество железа (78 мкг/л, или 50% содержания в речной водной массе) удалялось при содержании хлоридов 2–3 г/л; максимальные потери свинца, иттрия, лантана, церия, празеодима и неодима отмечались при хлорности 3–5 г/л и составили соответственно 62, 42, 44, 112, 19 и 74 нг/л, или 43, 29, 32, 44, 50 и 45% их поступления с речным стоком (табл. 3). Такое поведение элементов, связанных в органические комплексы, типично для устьевых областей рек мира [2, 7, 8] и обусловлено их извлечением из раствора в составе коллоидной фракции, переходящей во взвешенное состояние в процессе коагуляции и флоккуляции органических и органо-минеральных коллоидов, что было подробно рассмотрено в [2].
Рис. 5. Зависимости концентраций растворенных форм железа и свинца в эстуарии Мезени от содержания хлоридов в 2015 г.
1 — продольный разрез в зоне смешения речных и морских вод; 2 — полусуточная рейдовая станция.
Рис. 6. Зависимости концентраций растворенных форм иттрия и редкоземельных элементов в эстуарии Мезени от содержания хлоридов.
1 — продольный разрез в зоне смешения речных и морских вод, 2009 г. [8]; 2 — то же, 2015 г.; 3 — полусуточная рейдовая станция, 2015 г.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о пространственном единстве и многолетней устойчивости закономерностей трансформации стока растворенных веществ в эстуарии Мезени, включая главные ионы, биогенные элементы и микроэлементы, при сохранении специфических черт миграции растворенных форм минерального фосфора, кремния, бария и урана, обусловленных гидрологическими особенностями эстуария.
ВЫВОДЫ
- В результате комплексных гидролого-гидрохимических исследований эстуария Мезени установлено консервативное поведение ионов основного солевого состава (Na, K, Mg, Ca, SO4, HCO3) и растворенных форм ряда микроэлементов (Li, Rb, Cs, Sr, B, F, As, Sb, Mo) с общими для 2009 и 2015 гг. параметрами зависимостей их концентраций от содержания хлоридов, что свидетельствует о многолетней устойчивости распределения указанных компонентов.
- Для минерального фосфора и кремния характерно нетипичное для побережий Белого моря дополнительное поступление в раствор примерно в одинаковом количестве по данным 2009 и 2015 гг. (соответственно до 93 и до 32–38% содержания Pмин в Si речной водной массе), что, вероятнее всего, связано с их выносом из поровых вод донных отложений, регулярно взмучивающихся под действием приливов, и вертикальным перемешиванием водной толщи в эстуарии.
- Закономерности миграции растворенных форм бария и урана также практически неизменны для разных лет и определяются влиянием обменных процессов в поглощенном комплексе речных взвесей, результирующий эффект которых вследствие продолжительного контакта терригенного материала с осолоненными водами многократно возрастает, и десорбционный поток этих элементов превышает их вынос в составе материкового стока, достигая соответственно 180–380 и 90–150% содержания бария и урана в речных водах.
- Поведение железа и других микроэлементов, образующих прочные органические комплексы, соответствует обычно наблюдаемому распределению в устьях рек мира: из раствора удаляется до 50, 43, 29, 32, 44, 50 и 45% поступающих с речным стоком железа, свинца, иттрия, лантана, церия, празеодима и неодима в результате коагуляции и флоккуляции органических и органо-минеральных коллоидов.
Источник финансирования. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 16-05-00369 и № 16-05-01018) и РНФ (проект № 14-37-00038).
Об авторах
А. В. Савенко
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Автор, ответственный за переписку.
Email: Alla_Savenko@rambler.ru
геологический факультет
Россия, МоскваН. А. Демиденко
Государственный океанографический институт им. Н.Н. Зубова
Email: Alla_Savenko@rambler.ru
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
- Альтшулер В. М., Парванян А. Я. Особенности динамики приливов в устье р. Мезени // Информационный сборник. Гидропроект, Ленинградское отд. 1962. № 24. С. 44–50.
- Гордеев В. В. Геохимия системы река–море. М.: И. П. Матушкина И. И., 2012. 452 с.
- Демиденко Н. А., Землянов И. В., Горелиц О. В., Михайлов В. Н. Исследование гидролого-морфологических процессов в устьевой области реки Мезень для целей проектирования Мезенской приливной электростанции // Тр. ГОИН. 2008. Вып. 211. С. 273–288.
- Полонский В. Ф., Лупачев Ю. В., Скриптунов Н. А. Гид-ролого-морфологические процессы в устьях рек и методы их расчета (прогноза). СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 383 с.
- Протопопов И. Д. Несколько данных о гидрологическом режиме р. Мезени // Исследования морей СССР. Вып. 16. Л.: Изд-во ГГИ, 1932. С. 87–102.
- Савенко А. В. Факторы, контролирующие геохимию урана в зоне смешения речных и морских вод // Геохимия. 2007. № 9. С. 1030–1037.
- Савенко А. В., Бреховских В. Ф., Покровский О. С. Миграция растворенных микроэлементов в зоне смешения вод Волги и Каспийского моря (по многолетним данным) // Геохимия. 2014. № 7. С. 590–604.
- Савенко А. В., Демиденко Н. А., Покровский О. С. Химическая трансформация стока растворенных веществ в устьевых областях Онеги и Мезени // Геохимия. 2016. № 5. С. 447–456.
- Coffey M., Dehairs F., Collette O. et al. The behaviour of dissolved barium in estuaries // Estuar. Coast. Shelf Sci. 1997. V. 45. № 1. P. 113–121.
- Sholkovitz E. R. Chemical and physical processes controlling the chemical composition of suspended material in the River Tay Estuary // Estuar. Coast. Marine Sci. 1979. V. 8. № 6. P. 523–545.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)