Современная геоэкологическая обстановка зал. Петра Великого (Японское море)

2002

Известия Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра

Том 131

О.В.Дударев, А.И.Боцул, А.Н.Чаркин; М.Г.Бирюлина, Г.С.Гаврилова

СОВРЕМЕННАЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА ЗАЛ. ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Залив Петра Великого является важной структурно-функциональной единицей прибрежной экосистемы Японского моря, что обусловлено обширной площадью его акватории, включающей разнопорядковые бухты и заливы, и значительной протяженностью побережья с развитой промышленной инфраструктурой. Развитие этого весьма динамичного природного объекта сопряжено с антропогенным воздействием, что и предопределило повышенный интерес к изучению донных осадков не только как коллекторов загрязняющих веществ, но и как субстрата для гидробионтов.

Благодаря интенсивным биогеохимическим процессам в барьерных зонах "суша-шельф" и "вода - донные осадки" фауна и флора залива характеризуются богатым видовым разнообразием, высокими значениями биопродуктивности и плотности развития гидробионтов на единицу площади (Аникиев и др., 1993, 1996; Белан, 1999; и др.). Гидробион-ты, в отличие от других форм биоты, относительно стабильны во времени (Кузнецов, 1980), сильно зависят от влияния факторов внешней среды и играют немаловажную роль в изменении структурно-текстурных и физико-химических свойств осадков (Кузнецов, 1980; Израэль, Цы-бань, 1989; Лисицын, 1994).

Цель данной работы заключается в оценке современной геоэкологической обстановки на основе анализа литологического и химического состава донных осадков как основной геологической компоненты при-брежно-шельфовой экосистемы.

В основу исследований положены данные Ю.Д.Маркова (Марков, 1983; Лихт и др., 1983), а также результаты наблюдений авторов, выполненных в рамках договорных тем и проектов ФЦП "Мировой океан" и позволивших не только внести ряд корректив в распределение полей донных осадков, но и получить новые сведения для геоэкологического картирования.

Виды пробоотбора и аналитических исследований приведены в табл. 1 и подробно рассмотрены в публикациях (Лихт и др., 1983; Аникиев и др., 1993, 1996, 2000).

Пространственная структура распределения донных осадков

Континентальное обрамление района исследований представляет собой южную оконечность сихотэ-алинского участка мезозойского тихо-

132

океанского вулканического пояса (Лихт и др., 1983). Здесь широко представлены породы верхнепалеозойского возраста (осадочно-вулканоген-ные толщи и граниты) и позднепалеозойские терригенные толщи с по-зднемеловыми гранитоидами. В районе зал. Восток на побережье обнажаются метаморфические породы и интрузии гранитоидов различного возраста. Палеозойские терригенные, реже вулканогенные, образования и интрузивы среднего состава отмечены в зал. Посьета.

Таблица 1

Виды и методы исследований

Table 1

Methods of investigation Виды работ Средства пробоотбора и методы исследований

Пробоотбор донных осадков Дночерпатель, прямоточная трубка Размерный состав донных Водно-механический анализ; лазерный анализа-осадков и взвеси тор размера частиц "Analysette 22"

Дискретный отбор и выде- Батометры Niskin; поликарбонатные фильтры ление взвеси NUCLEOPORE PC с диаметром пор 0,4 цМ

Кумулятивный отбор взвеси Малые седиментационные ловушки Определение микроэлемен- Инструментальный нейтронно-активационный

тов анализ INAA

Определение органического

углерода_CHN-анализатор "PERKIN ELMER-240"_

Береговая линия ориентирована по нормали к простиранию основных структур Сихотэ-Алиня, что предопределило сильную изрезанность и сложную конфигурацию побережья абразионно-ингрессионного типа. К выходящим к морю структурно-эрозионным понижениям приурочены обширные долины рек и аллювиально-морские низменности, выполненные четвертичными отложениями (Марков, 1983). Среди многочисленных разнопорядковых заливов и бухт выделяются наиболее крупные акватории Амурского и Уссурийского заливов, вдающихся в сушу на 50-70 км и более, низкопорядковые заливы Посьета, Находка, Восток и Стрелок.

Обнажающиеся на мысах породы различаются устойчивостью к абразии. Примером сравнительно легко разрушающихся образований могут служить глинистые сланцы побережья зал. Восток. Здесь волновые процессы формируют активные клифы с развитыми перед ними поднятыми бенчами шириной от 100 до 150-200 м. На отдельных участках побережья (бухта Новгородская зал. Посьета, бухты Нарва и Суходол и др.) встречаются отмершие бенчи, свидетельствующие о затухании абразионного воздействия.

Среди аккумулятивных образований выделяется 2 типа подводного берегового склона:

- отмелый, где в результате поступления осадочного материала со дна к берегу формируются пересыпи реликтовых лагун (восточное побережье зал. Находка);

- приглубый, где источником терригенного материала являются абразия и речной сток.

Открытый шельф характеризуется незначительными уклонами поверхности и четко выраженным переходом к континентальному склону на глубинах около 100 м.

Гидродинамический режим акватории контролирует процессы адвективного переноса и горизонтальной диффузии, в результате чего в пределах шельфа зал. Петра Великого формируются зоны транзита или

133

седиментации осадочного материала. Ч исленными расчетами (Савельева, 1989) показано, что около 80 % изменчивости этого режима определяется ветровым воздействием. В зависимости от направления и силы ветра возникают циклонические или антициклонические типы циркуляции, с относительно стабильно расположенными областями минимальных скоростей в центре (1-3 см/с). Скорости до 5-10 см/с наблюдаются в районах устьев и во вдольбереговых потоках. У силение или ослабление водообмена с прилегающей открытой акваторией залива регулируется приливными движениями.

В основу выделения литологических типов осадков положена классификация, учитывающая соотношение вклада частиц псаммитовой (более 0,1 мм), алевритовой (0,1-0,01 мм) и пелитовой (менее 0,01 мм) фракций, наиболее отвечающих физической природе осадочного процесса (Лихт и др., 1983).

По условиям седиментации, литологическому и химическому составу осадков поверхностного слоя выделены зоны современной и реликтовой (голоценовые и верхнеплейстоценовые осадки, сформированные более 1000 лет назад) седиментации (рис. 1).

Рис. 1. Карта поверхностного слоя донных осадков

Fig. 1. Simplified map of the sea bottom sediments (fragments - Posiet Bay and Vostok Bay): 1 - rock outcrops; 2 - pebbles; 3 - pebbles and gravels; 4 -coarse-grained psammites; 5 - middle-grained psammites; 6 - fine-grained psam-mites; 7 - aleuritic psammites; 8 - pelitic psammites; 9 - aleurites; 10 - psam-mitic aleurites; 11 - pelitic aleurites; 12 - pelites; 13 - aleuritic pelites; 14 -mixtites; 15 - psammitic mixtites; 16 - aleuritic mixtites; 17 - pelitic mixtites

Источником терригенного материала наиболее тонких современных осадков является речная взвесь, аномальное по объемам осаждение которой происходит в градиентных барьерных зонах эстуариев - в

вершинах заливов и бухт. Такие осадки, от полужидких до мягких по консистенции, представлены пелитами, пелитами алевритовыми и алевритами пелитовыми.

Для высокодинамичной придонной обстановки открытого шельфа до глубин 50-60 м и прибрежной полосы характерно широкое развитие псаммитов (преимущественно средне- и мелкозернистых), а также алевритов, алевритов псаммитовых и псаммитов алевритовых. Образование последних также может быть приурочено к зонам конвергенции и вихревым циклоническим структурам, как, например, изометричное поле алевритов псаммитовых в средней части шельфа (ВугиНпа е! а1., 1999).

Терригенные по вещественному составу современные осадки характеризуются относительно повышенным содержанием органического углерода, гидроокислов железа и марганца придающих им бурый цвет. Содержание этих компонентов коррелирует с вкладом глинистых частиц (табл. 2), обладающих высокой сорбционной емкостью и поэтому являющихся коллекторами элементов-загрязнителей.

Таблица 2

Содержание фракций и основных химических компонентов в различных типах современных донных осадков, %

Table 2

Grain-size fraction and chemical element contents in different types of bottom sediments, %

Фракция Типы донных осадков

и компонент Пелит Пелит Алеврит Алеврит Алеврит Псаммит Псаммит

осадков алеври- пелито- псам- алеври- мелкозер-

товый вый митовый товый нистый

Псаммит (более

0,1 мм) 1 3 1 7 27 53 76

Алеврит

(0,1-0,01 мм) 17 38 58 78 62 29 14

Пелит (менее

0,01 мм), 82 59 41 15 10 11 6

в том числе

вклад глинис-

той фракции

(более

0,005 мм) 67 38 25 8 10 7 4

ре2°з 6,2 6 6 4,2 - 2,4 1,9

МпО 0,07 0,05 0,04 0,05 - 0,04 0,03

Органический

углерод 2,6 2,1 2,0 1,5 1,2 0,8 0,6

Мористее глубин 50-60 м обширная поверхность шельфа покрыта реликтовыми псаммитами (рис. 1).

Геоэкологическое районирование акватории

Районирование по характеру современного осадочного процесса. Экологическое состояние акватории может характеризоваться двумя взаимосвязанными критериями геологической среды - типом осадка и скоростью седиментации, распределение которых пространственно сопряжено (Кузнецов, 1980; Дунаев, 2001). Определенные с помощью седиментационных ловушек значения потоков осадочного материала в придонном слое эстуариев залива колебались от 0,7 до 5,5-21,0 г/м2/сут,

а скорости седиментации достигали 2-11 мм/год. Более чем на порядок эти показатели снижаются вне областей смешения (Дударев, 1997).

По указанным критериям с достаточной степенью достоверности в пределах акватории зал. Петра Великого можно выделить три геоэкологические зоны (рис. 2):

1) устойчивого (благополучного в экологическом отношении) состояния:

- участки транзита осадочного материала с псаммитовыми осадками (рис. 2, в);

- участки донной абразии в пределах открытого шельфа и прибрежной полосы с псаммитовыми и более грубыми осадками, как, например, в районе банки Зубр (рис. 2, г);

Рис. 2. Современное геоэкологическое состояние акватории зал. Петра Великого: 1 - неустойчивое; 2 - относительно устойчивое; 3 - устойчивое

Fig. 2. Recent geoecological conditions in Peter the Great Bay: 1 - unstable; 2 - similar stable; 3 - stable

2) относительно устойчивого состояния (слабонаиряженные в экологическож отношенииии) - участки знакопеременных процессов аккумуляции и размыва с относительно невысокими скоростями седиментации (рис. 2, б). В таких условиях короткопериодные осадочные процессы компенсируются последующим восстановлением сообществ гидробионтов до нормального. Характерные осадки - алевриты крупнозернистые, алевриты псаммитовые, псаммиты алевритовые;

3) неустойчивого состояния (напряженные):

- участки устойчивой лавинной аккумуляции с илистыми осадками (рис. 2, а);

- отрицательные изометричные и линейные морфоструктурные элементы дна, поперечные к горизонтальным потокам осадочного материала. Типичные осадки - пелиты, пелиты алевритовые, алевриты пели-товые, алевриты мелкозернистые.

Районирование по распределению некоторых токсичных микроэлементов. Состояние морской экосистемы также зависит от уровня содержания загрязняющих веществ - нефтяных углеводородов, пестицидов и тяжелых металлов (ТМ). Обзор распределения первых двух приведен ранее (Геоэкология ..., 2001). Ниже рассматриваются особенности распределения ТМ.

Группа ТМ включает большое количество химических элементов, объединяемых удельной плотностью более 5 г/см3 и общим свойством аккумулироваться в живых организмах до различных уровней концентрации, вплоть до токсичной. На примере изучения черноморской мидии показано, что микроэлементы в их мягких тканях и створках накапливаются с возрастом неравномерно, в зависимости от физиологических потребностей, условий питания и состояния окружающей среды. Обращает внимание избирательность накопления ТМ телами и створками мидий со временем. Так, содержание одних металлов с возрастом увеличивается, других, наоборот, снижается (Рамад, 1981).

Наиболее напряженными в экологическом плане являются эстуарии рек, где на биогеохимических барьерах из дальнейшего переноса выводится более 90 % осадочного материала, включая и загрязняющие вещества. Лавинная седиментация этих веществ определяется воздействием гидродинамических, физико-химических (флоккуляция растворенных химических элементов и органического вещества, коагуляция тонких частиц взвеси, сорбция и десорбция) и гидробиологических (избирательная аккумуляция планктоном) процессов (Лисицын, 1994; Аникиев и др., 1996; Дударев, 1997).

На основе изучения концентраций наиболее токсичных для гидро-бионтов ТМ - марганца, цинка, свинца, меди, кадмия, никеля, кобальта и серебра - в поверхностном слое осадков Амурского и Уссурийского заливов выполнен анализ распределения плотности вероятности значений этих элементов (Аникиев и др., 1993, 2000). Выделенные по значениям концентраций кластеры позволили оценить три типа состояния поверхностных осадков (рис. 3).

Геохижический фон пространственно сопряжен с зоной устойчивого состояния. Характеризуется минимальными концентрациями элементов и приурочен к псаммитовым и алевритовым осадкам с 20-50 %-ным содержанием фракции < 0,01 мм. Класс таких концентраций отличается высокой степенью положительной корреляции между элементами (корреляционные матрицы таксонов здесь не приводятся), в 2-3 раза пре-

вышающей критический уровень. Х арактер такой взаимосвязи между Мп, Со, N (элементы 1-й группы) и 2п, Си, РЬ (2-й группы) может указывать на единый источник поступления и формирования сходных концентраций под влиянием природных процессов.

Рис. 3. Пространственное распределение кластеров концентраций тяжелых металлов в донных осадках, характеризующих геохимический фон

Fig. 3. Clasters of heavy metals distribution in bottom sediments: 1 - bach-ground , 2 - dissipation , 3 - anomalous content

Геохижический ореол рассеяния. Его пространственное положение соответствует зоне относительно устойчивого состояния. Выделяется отсутствием значимых статистических связей между элементами 1-й группы, но высокой корреляционной зависимостью между Pb, Zn и Cu. Поступление данных элементов определяется одновременным влиянием природного и антропогенного источника и приурочено к осадкам аллювиального фена с суммарным содержанием тонких осадков от 40 до 90 %. Типичны высокие концентрации и их дисперсии. Существенным механизмом накопления осадков данного таксона являются процессы сорбции планктоном и биофильтрации, при которой тонкая взвесь связывается в пеллеты, обладающие повышенной скоростью осаждения (Лисицын, 1994).

Геохижическая аножалия. Э тот класс объединяет алевритовые осадки (содержание фракции < 0,01 мм от 20 до 40 %) с высокими средними концентрациями и большими дисперсиями. Максимальные значения отмечены для Ni и Zn, в меньшей степени - для Pb и Cu. Пространственная приуроченность таксона совпадает с зоной напряженного экологического состояния. Значимая корреляционная связь между элементами 1 и 2-й групп отсутствует или меняет знак на противоположный. Вероятно, формирование осадков геохимической аномалии обусловлено другим, по сравнению с геохимическим фоном, механизмом и наличием источника обогащения ТМ.

Сравнивая пространственное распределение выделенных кластеров, можно сделать несколько выводов.

Аномальные концентрации ТМ, с достаточно однородными величинами и невысокими дисперсиями, указывают на источник обогащения:

- речной сток;

- участки гидродинамической сепарации на мелководье;

- антропогенные сбросы.

Подобные концентрации не всегда приурочены к определенному типу осадков, но чаще всего характерны для аллювиальных осадков эстуариев, что объясняется стабильностью во времени поступления ТМ в осадки.

Установлено, что районы Амурского и Уссурийского заливов с высокими концентрациями ТМ в настоящее время характеризуются прогрессирующей эвтрофикацией (Белан, 1999).

Фоновые концентрации ТМ соответствуют осадкам, слабо затронутым антропогенными процессами. В Уссурийском заливе осадками с таким уровнем содержания занято около 70 % площади дна. Это в несколько раз выше, чем в Амурском заливе, где они распространены только в его южной части.

Неблагополучное состояние экосистем вследствие интенсивного антропогенного воздействия идентифицировано для внутренних частей зал. Находка, о чем свидетельствуют результаты изучения бентосной фауны (Белан, 1999), а также зал. Стрелок. В последнем антропогенный прессинг привел к увеличению запаса не имеющих природных аналогов искусственных радионуклидов, таких как, например, 137Cs, 9^г, 60Со, и формированию техногенной геохимической провинции (Сойфер и др., 1997, 1999). С учетом их биологической доступности, высокой миграционной и сорбционной способности становится очевидной опасность такого вида загрязнения окружающей среды. Стронций, например, вследствие своего сходства с кальцием легко проникает в скелеты морских позвоночных, а цезий способен накапливаться в мягких тканях, замещая калий (Пе-рельман, 1979; Рамад, 1981; Кузнецов и др., 1990).

Заключение

На основании изучения компонентов осадочного процесса (донных осадков, скорости и условий седиментогенеза) и распределения наиболее токсичных микроэлементов обоснованно установлены границы полей различных геоэкологических зон акватории зал. Петра Великого.

В целом современное состояние экосистемы залива благоприятное. На этом фоне выделяются участки прибрежной зоны с напряженными или потенциально напряженными условиями.

Предлагаемые варианты геоэкологического картирования акватории могут быть использованы при оценке пространственного распределения и планирования искусственного расселения сообществ гидробионтов.

Литература

Аникиев В.В., Перепелица С.А., Шумилин Е.Н. Оценка влияния антропогенных и природных источников на пространственное распределение тяжелых металлов в донных отложениях залива Петра Великого (Японское море) // Геохимия. - 1993. - № 9. - С. 1328-1340.

Аникиев В.В., Дударев О.В., Касаткина А.П., Колесов Г.М. Влияние терригенных и биогенных факторов на формирование седиментационных потоков химических элементов в прибрежной зоне Японского моря // Геохимия. - 1996. - №1. - С. 59-72.

Аникиев В.В., Косенкова С.Т., Савельева Н.И. и др. Статистическое районирование пространственного распределения микроэлементов в донных осадках залива Петра Великого (Японское море) // Геохимия. - 2000. -№ 6. - С. 664-675.

Белан Т.А. О состоянии придонной макрофауны залива Находка в 1995 г. // Гидрометеорологические и экологические условия дальневосточных морей: оценка воздействия на морскую среду: Темат. вып. ДВНИГМИ, № 2. - Владивосток: Дальнаука, 1999. - С. 167-175.

139

Геоэкология шельфа и берегов морей Росии / Под ред. Н.А.Айбу-латова. - М.: Ноосфера, 2001. - 428 с.

Дударев О.В. Пространственно-временная изменчивость характеристик взвеси в приустьевых зонах рек различных климатических обстановок // Современное осадкообразование в окраинных морях (статистические модели).

- Владивосток: Дальнаука, 1997. - С. 45-89.

Дунаев H.H. Геоэкологическая характеристика юго-восточной части Баренцева моря // Человечество и береговая зона Мирового океана в XXI веке.

- М.: ГЕОС, 2001. - С. 386-395.

Израэль Ю.А., Цыбань A.B. Антропогенная экология океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 528 с.

Кузнецов А.П. Экология донных сообществ Мирового океана (трофическая структура морской донной фауны). - М.: Наука, 1980. - 244 с.

Кузнецов В.А., Кольненков В.П., Генералова В.А. К характеристике поведения Sr-90 и Cr-137 в ландшафтах // Докл. БССР. - 1990. - Т. 34, № 12. - С. 11-23.

Лисицын А.П. Маргинальный фильтр океанов // Океанол. - 1994. -Т. 34, № 5. - С. 735-747.

Лихт Ф.Р., Астахов А.С., Боцул А.И. и др. Структура и фации осадков Японского моря. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1983. - 283 с.

Марков Ю.Д. Южноприморский шельф Японского моря в позднем плейстоцене и голоцене. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1983. - 126 с.

Перельман А.И. Геохимия. - М.: Высш. шк., 1979. - 423 с.

Рамад Ф. Основы прикладной экологии. Воздействие человека на биосферу. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

Савельева Н.И. Общая циркуляция вод Амурского и Уссурийского заливов по результатам численного моделирования / ТОЙ ДВО АН СССР. -Владивосток, 1989. - 28 с. Деп. ВИНИТИ, №2268-В89.

Сойфер В.Н., Даниэлян В.А., Малкин С.Д., Чайковская Э.Л. Современный взгляд на радиационное состояние водной среды северной части Японского моря // Вестн. ДВО РАН. - 1997. - № 4. - С. 86-104.

Сойфер В.Н., Горячев В.А., Сергеев А.Ф. и др. Эволюция радиоактивного загрязнения донных отложений в зоне аварии на атомной подводной лодке в 1985 г. в бухте Чажма Японского моря // Метеорол. и гидрол. -1999. - № 1. - С. 48-63.

Byrulina M.G., Dudarev O.V., Mokretcova N.D. et al. Ecological aspects of the vital of the cathering of Sclerocrangon salebrosa (Owen) shrims within the Ussuri Bay of the Japan Sea // Proc. of the 10th PAMS/JECSS Workshop. The 5th Inter. Marine Science Symp. on the Physical, Biological, Chemical and Geological Processes in the Pacific Ocean and Asian Marginal Seas. -Japan, 1999. - P. Е-9-12.

Поступила в редакцию 6.08.02 г.