1.4. Маргинальный фильтр
В результате взаимодействия речных и морских вод в эстуарии возникает сложная система химических и биологических процессов, которая носит название «маргинального фильтра». Принципиальная cхема строения маргинального фильтра, выраженная для удобства восприятия через один параметр − соленость, показана на рис. 7.
Распределение солености в реальных эстуариях и дельтах сложнее, чем показано на схеме. Обычно в пределах зоны смешения речных и морских вод выделяют три главные части: пресноводную (соленость до 1 ‰), солоноватоводную (от 1 до 20−30 ‰) и соленую (более 30 ‰). Поверхностный слой пресных вод имеет толщину до 10−15 м, который в условиях спокойной погоды протягивается на десятки и сотни километров от устья реки, ниже его располагается клин соленых морских вод.
Главные процессы в маргинальном фильтре идут в солоноватоводной части эстуария, особенно в ее начале, в интервале солености 1−5 ‰. Здесь формируются участки, в пределах которых концентрация взвеси выше, чем в речных и морских водах. Это связано с процессами коагуляции и флоккуляции, когда под влиянием электролита растворенная органика, железо, алюминий и ряд других элементов переходят из раствора во взвесь.
При солености около 2 ‰ в эстуариях обычно возникает так называемая «иловая пробка» − участки с аномально высоким содержанием взвеси, когда коагуляция глинистых минералов совпадает в пространстве с флоккуляцией органических кислот и железа. Мористее иловой пробки располагается «элементорганическая пробка», где идет флоккуляция органики и оксигидратов Fe (Al), захват при осаждении и сорбции из воды зна
Рис. 7. Схема строения маргинального фильтра. Разрез через эстуарий:
I − пресные воды; II − солоноватые воды; III − соленые воды. Области высоких концентраций абиогенных сорбентов и биогенного материала на границе река-море («пробки»): 1 − иловая (коагуляция глинистых материалов); 2 − органоминеральная (флоккуляция растворенного органического вещества, оксигидратов Fe − область массового перехода из растворов во взвесь; 3 − биологическая (массовое развитие фитопланктона, переводящего растворы во взвесь (а) и организмовфильтраторов зоопланктона (б); массовое развитие бентоса и макрофитов). Типичные концентрации взвеси (в мг/л) даны в рамках. Рисунок взят из работы А. П. Лисицына [1994]
чительного количества растворенных металлов, перевод их из раствора в донные осадки [Лисицын, 1994].
Развитие планктона на этом участке эстуария ослаблено в связи с тем, что высокие концентрации взвеси в воде затрудняют проникновение света и тормозят развитие фитопланктона. За пределами первых двух пробок (иловой и элементорганической), по мере осаждения взвеси и просветления поверхностного слоя воды, начинается участок зоны смешения, где достаточно света, много биогенных элементов. Здесь возникает участок с максимальным развитием планктона − «биологическая пробка». Развитие солоноватоводного фитопланктона обеспечивает питание зоопланктона. Расцвет жизни в этой части фильтра выявляется не только по высоким показателям биомассы планктона, но и бентоса [Лисицын, 1994]. Факторы, контролирующие работу биологической части маргинального фильтра, показаны на рис. 8.
В области маргинального фильтра (на границе река-море) установлены также следующие важные закономерности в изменении геохимического облика взвеси и растворов.
1. В речных водах главная форма существования химических элементов − взвешенная. Для большой группы элементов гидролизатов она составляет 97–99.9 %. Только небольшая группа щелочных элементов мигрирует в речных водах в основном в форме растворов.
2. На границе рекаморе происходит коренное изменение структуры стока для большинства элементов. Основная часть их, находящихся во взвешенной форме, на 90–95 % выпадает в осадок в маргинальном фильтре. С этим веществом уходит из воды также и до 20–40 % растворенных форм элементов.
Рис. 8. Факторы, контролирующие работу биологической части маргинального фильтра (разрез через поверхностные слои эстуария): 1 − биомасса фитопланктона − показатель интенсивности биоассимиляции, перевода растворенных форм элементов во взвесь; 2 − облученность (контролируется высокими содержаниями взвеси); 3 − содержание биогенных элементов; 4 − биомасса зоопланктона − показатель интенсивности биофильтрации; 5 − рост расстояния от устья реки. Рисунок взят из работы А. П. Лисицына [1994]
Главную роль в этом играют процессы коагуляции и флоккуляции, а также механическое подпруживание речных вод морскими. Под воздействием электролита − морской воды – происходит выпадение в виде флоккул также растворенного органического вещества и железа, возникают сильные сорбенты. Чаще всего это сорбенты смешанного, глинистожелезистого, состава с органическим веществом.
3. Для осаждения элементов из растворенной части главное значение имеет сродство этих элементов с главными сорбентами: органическими кислотами (гуминовые и фульвокислоты), а также с железом и глинистыми минералами.
4. В маргинальном фильтре большое значение имеют биологические процессы − биоассимиляция (извлечение элементов из растворов и концентрация их в тысячи раз для построения клеток и панцирей организмов) и биофильтрация. Количественной характеристикой процессов биоассимиляции являются первичная продукция и биомасса фитопланктона. Количественной характеристикой мощности биологической фильтрационной системы служит биомасса зоопланктона. Флоккулысорбенты захватывают из воды также и биогенные элементы, в результате образуются как бы питательные гранулы, на которых развивается в большом числе бактериигетеротрофы. Часто такие гранулы слипаются в крупные хлопья «морского снега», которые представляют большую пищевую ценность для многих солоноватоводных и морских организмовфильтраторов. Деятельность организмов по переводу растворенных форм элементов во взвесь и далее в поток пеллетного материала и «морского снега» носит название биологического насоса. Известно, что весь объем Мирового океана профильтровывается живыми организмами с удалением тонкой взвеси за полгода, а объем вод верхнего 500метрового слоя − за 18−20 суток [Биогеохимия океана, 1983]. Большая часть объема (101 тыс. км3) Карского моря, об эстуарных системах которого речь пойдет ниже, профильтровывается организмами в течение года 10−20 раз [Виноградов и др., 1994].
5. Совместная работа процессов механического осаждения взвеси, коагуляции под влиянием электролита, флоккуляции растворенного органического вещества, а также работы бионасоса приводит к тому, что после прохождения маргинального фильтра происходит коренное изменение как количества, так и форм существования химических элементов: в речных водах преобладают взвешенные формы, в морских (за пределами фильтра) − растворенные [Гордеев, Лисицын, 1978].
6. Таким образом, в маргинальном фильтре сочетаются: 1) механическое выпадение взвеси с удалением элементов, заключенных в кристаллические решетки минералов; 2) сорбция из растворов на взвешенной органике и на флоккулах органического вещества, возникших при смешении вод; 3) осаждение взвеси со свежеобразованными оксигидратами железа; 4) биоассимиляция и биофильтрация. Все эти процессы избирательные, что приводит к разделению элементов в фильтре.
7. Большую роль играет маргинальный фильтр в процессе удаления из воды и перевода в донные осадки взвешенных в воде и растворенных загрязнений, в том числе тяжелых металлов и радионуклидов.
Быстрые процессы перемешивания речных и морских вод существуют в тех частях эстуариев и дельт, где сохраняется турбулентность, которая зависит от скорости течения реки. За пределами этой границы речные воды разливаются по поверхности более тяжелых морских вод и скорость их перемешивания резко снижается. На поверхности моря образуются линзы пресных вод. Это явление весьма характерно для Арктики, где такие линзы распространяются на большое расстояние от границ маргинального фильтра. Однако во время штормов происходит перемешивание поверхностного слоя с подлежащими, отрыв отдельных его частей и другие нарушения. Обычно границы основного участка маргинального фильтра не выходят за пределы шельфа, но иногда протягиваются и до глубин 1− 2 км, захватывая верхнюю часть материкового склона.
Таким образом, маргинальные фильтры контролируют распределение и баланс химических элементов в океане: в конечном счете только около 5−7 % массы элементов, поставляемой реками с континентов, достигает открытого океана, а 93−95 % осаждается по периферии маргинальных фильтров. Маргинальные фильтры поглощают также и часть элементов, приносимых из открытых частей океанов (из клина соленых вод). В результате время пребывания химических элементов в океане сокращается благодаря фильтрам на 1−4 порядка.
Расположение маргинальных фильтров на шельфах делает их исключительно чувствительной системой, связанной с глобальными изменениями климата Земли. По этой причине во время позднекайнозойского оледенения они вызывали колебания уровня океана, смещения фильтра то ближе к континенту, то к верхней части континентального склона (при снижении уровня во время оледенений на 120−140 м). Сброс вещества фильтра в глубокие части океана, а не накопление его на шельфе мог иметь «курковый эффект». При повышении уровня океана на 1 м площадь шельфа возрастает приблизительно на 1 млн км2, при понижении, соответственно, сокращается. При подъеме уровня коэффициент полезного действия работы фильтра возрастает, поскольку возрастает его площадь и расстояние от устьев рек до края материкового склона.
Следует отметить тот важный факт, что функционирование маргинальных фильтров эстуариев рек Арктики имеет ряд особенностей, связанных с малым количеством солнечной радиации, поступающей в эти широты, низкими температурами воды, наличием на протяжении большей части года ледяного и снежного покровов на поверхности моря и впадающих рек, «вечной» мерзлоты на водосборе. В зимний период (до 7 – 9 месяцев в году) резко снижается поступление в область эстуариев биогенов, растворенной и взвешенной органики, падает биологическая активность авто и гетеротрофов, продуктивность гидробиоценозов в целом. Медленное разложение отмершей наземной растительности при низких температурах в условиях тундрового ландшафта приводит к снижению активности микроорганизмов, накоплению гумуса на поверхности почвы, к его смыву весной. Воды тундры имеют низкую минерализацию и близки по этому показателю к водам атмосферных осадков. Наиболее распространены в этих ландшафтах отрицательно заряженные коллоиды (гумусовые вещества, глинистые минералы, гель кремнекислоты, гидроксиды марганца) и гораздо реже встречаются положительно заряженные, среди которых особенно важны оксигидраты железа, в меньшей степени − алюминия [Лисицын, 1994].
Для водосборных бассейнов рек Арктики типичны исключительно низкие значения величин жидкого и твердого стока, что связано с малым поступлением атмосферных осадков, низкими температурами воздуха и широким распространением вечной мерзлотой. Так, в р. Обь ежегодный жидкий сток в устьевом створе (г. Салехард) составляет в среднем 530,5 км3, сток взвешенных наносов − около 16 млн т; для Енисея (створ у г. Игарка) эти показатели равняются 639 км3 и около 11 млн т, для Лены (створ у пос. Кюсюр) − 520 км3 и 18 млн т. Для сравнения: жидкий годовой сток р. Хуанхе («Желтая река») − 81030 км3, твердый сток − 1300 млн т.
Вторая особенность функционирования экосистем устьевых областей Арктической зоны − ярко выраженная неравномерность жидкого и твердого стока к устьям рек на протяжении года. Почти половину времени года (160−180 дней) низовья арктических рек покрыты льдом, когда твердый сток резко снижается.
Еще одна особенность функционирования маргинальных фильтров Арктики связана с тем, что при замерзании морской воды происходит отжим рассольной части, что приводит к образованию тяжелых соленых вод, которые стекают во внешние части шельфа по понижениям и, далее, распространяются по материковому склону в глубоководные части океана. По этим каналам происходит дальнее распространение части осадочного вещества маргинального фильтра в ледоставный период. Другая часть фильтра − поверхностная (пресная) − захватывается при образовании льдов и под влиянием течений и ветров уносится на значительные расстояния. Например, льды морей Лаптевых и Карского пересекают Арктику и попадают в северную часть Атлантики, где происходит их разгрузка от осадочного материала, в том числе от вещества маргинальных фильтров.
На рис. 9 показана схема работы маргинального фильтра Карского моря и основные источники его загрязнения.
Рис. 9. Схема работы маргинального фильтра Карского моря и основные источники его загрязнения. Дальность распространения речных вод (в среднем по многолетнему распространению кремния в поверхностных водах, в мкгмоль Si/л): 1 − больше 50; 2 − от 40 до 50; 3 − от 20 до 40; 4 − менее 20; 5 − главные направления переноса морских и речных вод; 6 − крупнейшие районы захоронения твердых радиоактивных отходов и возможных загрязнений глубинных вод, цифры − активность; 7 − поступление растворенных и взвешенных нуклидов из рек; 8 − главные направления переноса аэрозольного материала ядерных взрывов на Новой Земле (средние летние направления ветров). Показан маршрут станции 49го рейса НИС «Дмитрий Менделеев». Рисунок взят из работы А. П. Лисицына [1994]