Применение цифровой модели донных отложений Баренцева моря для анализа загрязнения

DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.3.204-208 УДК 551.462: 681.3

ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ БАРЕНЦЕВА МОРЯ ДЛЯ АНАЛИЗА ЗАГРЯЗНЕНИЯ

М. А. Новиков

ФГБНУ «Полярный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н. М. Книповича» (ПИНРО), г. Мурманск

Аннотация

На основе фондовых данных ПИНРО выполнена цифровая модель рельефа и гранулометрического состава донных отложений Баренцева моря. Модель включает распределение пяти основных типов грунта — песка, илистого песка, песчанистого ила, ила и глинистого ила по узлам регулярной координатной сетки. Выполнена трехмерная цифровая карта распределения донных отложений (ДО) моря, отражающая зависимость их состава от глубины. С использованием цифровой модели показано распределение Pb, Cu, Hg, Cr в донных отложениях в количествах, превышающих фоновые значения. Ключевые слова:

Баренцево море, донные отложения, рельеф дна, загрязнение.

APPLICATION OF THE DIGITAL MODEL OF THE BARENTS

SEA BOTTOM DEPOSITS FOR ANALYSIS OF THE CONTAMINATION

Mikhail А. Novikov

Knipovich Polar Research Institute of Fisheries and Oceanography, Murmansk

Abstract

Based on the PINRO's data, a digital grid model of bottom relief and granulometric composition of the Barents Sea bottom sediments, was made. The digital database on metals contains the results of a chemical analysis of samples taken by PINRO's specialists at 559 stations in the Barents Sea in 1998-2015. The model includes the distribution of the five main types of sediments — sand, silty sand, sandy silt, silt and clay silt, along the regular grid nodes. Developed a 3D digital map of distribution of the Barents Sea bottom sediments, reflecting the dependence of their composition on the depth. It was noted that the character of the bottom topography of the Barents Sea, the presence of sedimentation traps on the seabed, and also the bottom currents basically influenced the granulometric composition of the deposits of a given area. Using the digital model, the distribution of Pb, Cu, Hg, Cr in bottom sediments in quantities exceeding the background values, was shown.

Keywords:

Barents Sea, bottom sediments, bottom relief, contamination. Введение

Картографирование глубины моря и типа донных отложений имеет особое значение при изучении их связи со структурой сообществ и биомассой распределения донных организмов, а также с целью выявления возможных районов аккумуляции антропогенного загрязнения. Кроме того, причинно-следственные связи, существующие между гидродинамической активностью и распределением осадочного материала, позволяют на основе карт ДО лучше представлять себе характер распространения наиболее устойчивых водных потоков в гидродинамической системе Баренцева моря. Тип ДО обычно определяется их гранулометрическим составом. Распространение грунтов различного гранулометрического состава в море в значительной степени отражает характеристики придонных течений и рельефа дна. В понижениях рельефа, как правило, скапливаются мелкодисперсные илы (пелит), а на мелководьях с активной гидродинамикой преобладает песок.

Наиболее известная карта ДО Баренцева моря (БМ) была опубликована М. В. Кленовой [1], разумеется, она является аналоговой и, в определенной степени, устаревшей. Карты ДО, представленные в работе [2], также аналоговые, и, кроме того, в них применена иная, чем у Кленовой, методика оценки гранулометрического состава отложений, что делает указанные материалы трудно сопоставимыми.

С целью анализа распространения техногенного загрязнения по дну Баренцева моря мы предприняли попытку создать цифровую карту ДО, совмещенную с цифровой трехмерной (3D) батиметрической картой. Очевидным преимуществом 3D цифровой карты — блок-диаграммы — является наглядное представление о распространении донных осадков, в том числе загрязненных, в связи с рельефом дна.

Материалы и методы исследования

Для составления цифровой модели авторы обращались к фондовым базам данных Полярного научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н. М. Книповича.

При выполнении цифровой батиметрической карты Баренцева моря были использованы результаты более 7 тыс. промеров глубин на основной части его акватории в границах трапеции (по диагонали с юга-запада на северо-восток) 67°50' с. ш. 20° в. д. — 76° с. ш. 57° в. д. Информацию о составе ДО брали из характеристик промысловых квадратов — трапеций регулярной сетки координат в меркаторской проекции 10'*30' по широте и долготе соответственно, содержащихся в фондовых данных ПИНРО. Данные о гранулометрическом составе ДО кодировали, шкалировали и привязывали к узлам регулярной сетки в среде цифровой базы данных. В качестве последней использовали электронные таблицы приложения MS Excel. Цифровая модель поля глубин представлена массивом данных, в котором записаны геодезические координаты отметок глубин: широта и долгота (градусы), глубины (метры). Аналогично записаны данные по составу ДО, где атрибутивной характеристикой являются значения 5 -ступенчатой шкалы градации их гранулометрического состава. На основе данных промеров глубин и состава ДО в среде GS Surfer методом кригинга (Kriging) выполнялся расчетный грид (grid) заданного размера. Количество точек — узлов регулярной сетки на итоговой цифровой карте, содержащее сведения о глубинах и составе ДО, соответствовало количеству промысловых квадратов на проанализированной акватории Баренцева моря и составляло 2830 значений для каждого тематического слоя. Достоинства метода Д. Крига общеизвестны. Кригинг является геостатистическим методом, который строит скорее статистическую модель реальности, чем модель интерполяции. Такой подход позволяет учитывать пространственную корреляцию данных.

Классификация грунтов приводилась на основе подходов, предложенных в работе [3] и в дальнейшем принятых и использованных рыболовными организациями Северного бассейна (включая ПИНРО) при проведении траловых съемок. Основным признаком для характеристики осадка в этой классификации принято считать содержание фракции размерностью меньше 0,01 мм. От количества этой фракции, по мнению М. В. Кленовой, зависит сыпучесть, пластичность осадка, и оно является решающим в его механической характеристике [3]. При количестве мелкой фракции менее 5 % по весу осадок называется песком, при 5-10 % — илистым песком, при 1030 % — песчанистым илом, при 30-50 % — илом, при количестве мелкой фракции более 50 % — глинистым илом и глиной.

Трехмерная карта рельефа дна Баренцева моря была визуализирована в среде GS Surfer 11. Она совмещена с цифровой картой гранулометрического состава ДО. Для наглядности изображения выполнена аналитическая отмывка рельефа. Дополнительно на трехмерное изображение наложены данные по содержанию тяжелых металлов (ТМ), таких как Cu, Pb, Hg, Cr, в верхнем слое ДО (в мкг/г сух. мас.). Сведения о последних содержатся в отдельной цифровой

базе данных ПИНРО и являются результатом химического анализа ДО в лаборатории прикладной экологии и токсикологии. В этой базе обобщены результаты химического анализа проб, отобранных на 574 станциях в Баренцевом море в период с 1998 по 2016 гг.

Результаты исследования и их обсуждение

Особенности распределения осадков в море тесно связаны с характеристиками рельефа дна и гидродинамическим режимом придонных вод. В связи с высокой гидродинамической активностью вод Баренцева моря механическая дифференциация осадочного материала протекает интенсивно и является важнейшим фактором седиментогенеза. Анализ распределения осадков Баренцева моря подтверждает положение о том, что изменение их гранулометрического состава связано с изменением глубины расположения морского дна. Это объясняется тем, что гидродинамическая обстановка осадконакопления в первую очередь определяется рельефом. Поэтому обширные районы юго-восточной части Баренцева моря, подводные береговые склоны арх. Новая Земля и Медвежинская равнина, расположенные на глубине 50-100 м, покрыты песками и илистыми песками (рис.). К этим же районам приурочены и максимальные концентрации обломочного материала — гальки, валунов, глыб. Более тонкозернистые отложения (песчанистый ил, ил и глина) выстилают дно желобов, ложбин и отдельных впадин. Максимальная глубина моря на представленной карте находится в Медвежинском желобе в северо-западной части моря и соответствует 488 м.

Распространение загрязнения Pb (кружки), Hg (треугольники), Cu (квадраты) и Cr (стрелки) на блок-диаграмме рельефа дна Баренцева моря, совмещенной с картой ДО. Типы грунтов на шкале: 0 — песок; 1 — илистый песок; 2 — песчанистый ил; 3 — ил; 4 — глинистый ил и глина

The spread of contamination by Pb (circles), Hg (triangles), Cu (squares) and Cr (arrowhead) on the block-diagram of the relief of the Barents Sea bottom, combined with a map of the bottom sediments. Types of sediments on the scale: 0 — sand, 1 — silty sand, 2 — sandy silt, 3 — silt, 4 — clayey silt and clay

При анализе трехмерной карты рельефа дна и ДО следует отметить, что большая часть дна моря покрыта песчанистым илом. Значительные участки дна, особенно в северной половине и центральной части моря, заняты илом (дно Медвежинского желоба, желоба Персея, Центральной

впадины, участки Новоземельских желобов и др.). Наличие здесь системы замкнутых понижений способствует образованию ловушек, затишных зон и отложению илистого материала и глины. В южной части моря илом покрыто дно Норвежского желоба восточнее 26-го меридиана и большие участки дна у южной оконечности Новой Земли. Распределение песка связано с активными гидродинамическими процессами, происходящими в море, и в значительной степени приурочено к мелководьям. Песок располагается вдоль прибрежных склонов и на поверхности Медвежинской и Шпицбергенской банок, на Канино-Колгуевском мелководье, Северо-Канинской банке, в Западно-Центральном районе, Печорском море и у побережья Новой Земли. Илистый песок то узкой, то широкой полосой окаймляет прибрежные склоны и покрывает гребни Мурманской и Рыбачьей банок, Центральной возвышенности. В юго-восточной части Баренцева моря в связи с ослабленной подвижностью вод илистые грунты залегают на меньших глубинах, чем в западных районах. К востоку острова Колгуев можно встретить ил на глубине меньше 100 м. Осадки здесь более рыхлые, чем в западных районах.

В ряде мест отмечены выходы древней серой глины, размываемой Нордкапским и Мурманским течениями. Из-за неровного и резко изменяющегося рельефа в этом районе имеются зоны интенсивного размыва дна, образующиеся вследствие современного поднятия шельфа Баренцева моря.

Загрязнение ДО ТМ представляет значительный экологический интерес, так как оказывает влияние на интегральную токсичность среды обитания для гидробионтов в результате накопления по пищевым цепям, а также потому что может быть источником вторичного загрязнения воды.

На рисунке показано распространение высокотоксичных металлов РЬ и Н^, а также Си и Сг в ДО Баренцева моря в количествах, превышающих фоновые значения, то есть загрязнения (геохимические аномалии). Фоновые значения для РЬ, Н§, Си и Сг, составляющие 31,0, 0,15, 28 и 116 мкг/г соответственно, были выведены нами ранее специально для Баренцева моря [4]. Высокие уровни содержания РЬ отмечены преимущественно на склонах Медвежинского желоба в северозападной части Баренцева моря на таких грунтах, как ил и глинистый ил (тонкозернистые осадки). В научной литературе для РЬ указана относительно высокая склонность к адсорбции на глинистых минералах, в отличие, например, от Си [5].

Высокие уровни Н§ отмечены на северо-западной границе юго-восточной части Баренцева моря, в Центральной впадине (желобе) вдоль склонов Северо-Канинской и Гусиной банок в основном на тонкозернистых осадках — разных типах илов. Загрязнение остальными изученными ТМ также характерно для Центральной впадины и склонов указанных выше банок. В случае с Сг отмечено загрязнение илов Западно-Новоземельского желоба вдоль побережья Северного острова арх. Новая Земля. Согласно нашим предшествующим исследованиям, присутствие повышенных содержаний Н§ и РЬ в ДО Баренцева моря является следствием устойчивого техногенного загрязнения [4, 6].

В мелководной юго-восточной части Баренцева моря на песчаных (крупнозернистых) осадках повышенное содержание изученных металлов отмечено единично — только для Сг. Отметим, что высокие концентрации Сг встречались, как правило, только в прибрежной зоне (см. рис.). Для Белого моря аналогично указывалось, что кластофильные элементы (например, Сг и 2п) локализованы ближе к берегам [7], Сг — относительно слабо растворим в воде и вследствие этого почти без потерь перемещается из областей сноса в бассейны осадконакопления [8].

Выводы

Характер рельефа дна Баренцева моря, наличие на морском дне седиментационных ловушек, затишных зон в значительной степени способствуют накоплению металлов, поступающих сюда со взвесью, приносимой в основном течениями и атмосферными осадками. Этот же фактор в основном определяет и преобладающий гранулометрический состав отложений того или иного участка морского дна. Преобладающий тип осадков в Баренцевом море — песчанистый ил.

Наиболее загрязненными тяжелыми металлами являются тонкозернистые осадки морских желобов и впадин — все виды илов и глина. В Центральном желобе Баренцева моря наблюдается комплексное загрязнение ТМ. Загрязнение песчаных грунтов — песка и илистого песка, за редким исключением, отсутствует. Основной причиной этого явления, очевидно, является активная гидродинамика мелководных морских зон.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кленова М. В. Отчет о работе комиссии по механическому анализу при Государственном океанографическом институте // Бюлл. ГОИН. 1931. Вып. 1. 8 с. 2. Gurevich V. I. Recent sedimentogenesis and environment on the Arctic shelf of Western Eurasia. Oslo: Norsk Polarinstitutt Meddelelser, 1995. No. 131. 92 p. 3. Кленова М. В. Геология Баренцева моря. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 367 с. 4. Новиков М. А. К вопросу о фоновых значениях уровней содержания тяжелых металлов в донных отложениях Баренцева моря // Вестник МГТУ. 2017. Т. 20, № 1/2. С. 280-288. 5. Формы нахождения тяжелых металлов в современных ДО Белого и Баренцева морей / Д. Ф. Будько [и др.] // ДАН. 2017. Т. 474, № 1. С. 93-98. 6. Новиков М. А., Жилин А. Ю. Характер распределения тяжелых металлов в донных отложениях Баренцева моря (по результатам статистического анализа) // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2016. Вып. 29, № 1. С. 78-88. 7. Specific features of the distribution of trace and rare earth elements in recent bottom sediments in the lower course of the Severnaya Dvina River and White Sea / A. V. Maslov [et al.] // Lithology and Mineral Resources. 2014. Vol. 49, No. 6. P. 433-460. 8. Condie K. C. Chemical composition and evolution of the upper continental crust: contrasting results from surface samples and shales // Chem. Geol. 1993. Vol. 104. P. 1-7.

Сведения об авторе

Новиков Михаил Аркадьевич — кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Полярного научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н. М. Книповича E-mail: mnovik@pinro.ru

Author Affiliation

Mikhail A. Novikov — PhD (Biology), Leading Researcher of Knipovich Polar Research Institute of Marine Fisheries and Oceanography E-mail: mnovik@pinro.ru

Библиографическое описание статьи

Новиков, М. А. Применение цифровой модели донных отложений Баренцева моря для анализа загрязнения /М. А. Новиков // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2018. — № 3 (10). — С. 204-208.

Reference

Novikov IWikhail А. Application of the Digital Model of the Barents Sea Bottom Deposits for Analysis of the Contamination. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2018, vol. 3 (10), pp. 204-208 (In Russ.).