1.3. Эстуарий
Термин «эстуарий» происходит от латинского слова aestuarium, что означает затопляемое устье реки, лагуна, лиман, залив. Это латинское понятие, в свою очередь, происходит от aestus − кипение, волнение, прилив или aesiuo − кипеть, бурлить. Термин «эстуарий», повидимому, впервые стали применять римляне, видевшие бурное течение во время приливов в устьях рек Галлии и Британских островов [Михайлов, 1997].
В настоящее время термин «эстуарий» применяется в географии в нескольких значениях. Вопервых, как затопляемое морскими водами и расширяющееся к морю устье реки. Вовторых, как воронкообразное устье, подверженное влиянию приливов. Втретьих, как полузакрытый, сообщающийся с морем прибрежный водоем, где речные воды смешиваются с морскими. Вчетвертых, как любое устье реки (такое толкование широко распространено в американской и китайской литературе). В современной англоязычной научной литературе к эстуариям относят совершенно разные объекты: затопленные речные долины, лагуны, фиорды, приливные реки и даже дельты, приливные проливы между лагунами и морем, а также морские заливы некоторых типов. Наиболее часто упоминаемые в публикациях признаки эстуариев − это полузакрытый характер водоема в устье реки, смешение речных и морских вод, действие приливов. По мнению проф. В. Н. Михайлова [1997], для упрощения толкования термина «эстуарий» из перечисленных признаков необходимо оставить лишь первый − полузакрытый характер устьевого взморья при обязательном наличии втекающей реки. Условие смешения речных и морских вод в этом случае выполняется автоматически. Приливы же не должны быть обязательным признаком эстуария в таком широком понимании этого термина. Важно отметить и то, что эстуарий − это не тип устьевой области, так как часть устья реки находится за пределами эстуария (в виде дельты и нижнего отрезка реки).
По совокупности характеристик эстуарии являются уникальными природными системами. Гидродинамика эстуарных зон слагается из таких активных факторов, как морское волнение, приливные колебания уровня и вызванные ими течения, речной сток, плотностная стратификация вод, сгонные и нагонные ветровые течения, внутренние волны, действие силы Кориолиса. Действие этих факторов происходит в условиях мелководья, существенной изменчивости рельефа дна, что усиливает все гидродинамические процессы, а также, что примечательно с геохимической точки зрения, в условиях низких температур воды (в высоких широтах Земли). Взвешенный и влекомый речными водами материал активно осаждается на границе пресные − морские воды. Осаждение крупных (алевритовых и песчаных) зерен взвеси происходит главным образом в связи с резким снижением скорости несущего потока, что приводит к уменьшению вертикальной составляющей турбулентности и осаждению частиц. Для более мелких частиц пелитовой размерности, обладающих свойствами природных коллоидов, главное значение имеет процесс смешения пресной воды с морской − электролитом. Это приводит к коагуляции и массовому выпадению в осадок тонкой части взвеси.
Скорость осадконакопления в пределах акваторий эстуариев в среднем в 1000−10000 раз выше скорости осадконакопления в океане. Процесс быстрого (более 100 мм / 1000 лет против средних значений для морской пелагиали 1−3 мм / 1000 лет) и сверхбыстрого (более 1000 мм / 1000 лет) накопления осадочного вещества предложено называть лавинной седиментацией [Лисицын, 1980; 1988]. Изучение взвеси в реках и в океанах показало, что на границе рекаморе содержание взвеси падает от средних значений 460 мг/л для речных вод до 0.1−0.2 мг/л в среднем для океанских вод, т. е. здесь происходит скачкообразная разгрузка осадочного вещества со снижением его концентрации в тысячи раз. Наблюдениями в устьях рек бассейнов Черного, Каспийского, Балтийского, Белого и Баренцева морей, а также морей Дальнего востока было установлено, что в среднем около 90 % взвеси, поставляемой реками в моря, осаждается в зоне смешения вод и в пелагиаль не проникает. Наглядным количественным показателем активности (напряженности) седиментационных процессов в маргинальном фильтре служат величины потоков осадочного вещества. Например, для открытых частей Карского моря, находящихся за пределами ОбьЕнисейского маргинального фильтра, летние значения потоков взвеси составляют в верхних слоях воды от 1 до 20 мг/м2/сут, а в маргинальном фильтре Оби − 1321, Енисея − 22156 мг/м2/сут. [Лисицын, Виноградов, 1994]. Таким образом, значения потоков осадочного вещества в маргинальных фильтрах в сотни и тысячи раз выше, чем за их пределами. По расчетам А. П. Лисицына [1977] и А. П. Лисицына с соавт. [1994], в пелагиаль Мирового океана проникает только 7 % от осадочного вещества, поставляемого реками, а 93 % осаждается по периферии океана и не выходит за пределы небольших участков шельфа прилегающих к устьям рек.
Здесь же, в области смешения морских и пресных вод, существует и геохимический барьер. Устьевые области, занимающие менее 10 % поверхности океана и менее 0.5 % по объему, накапливают более 90 % осадочного вещества, металлов и солей, поступающих с суши. Здесь в течение одного года аккумулируется около 360 млн т взвешенного Сорг (из 392 млн т Сорг речного стока) и 80−90 млн т растворенного Сорг (около 40 % Сорг речного стока). Накопление больших количеств органического вещества в устьях рек в течение десятков и сотен миллионов лет привело к формирования здесь крупнейших месторождений нефти, газа и каменного угля. На область эстуариев приходится более 30 % первичной продукции Мирового океана [Лисицын, 1994]. В районе эстуариев наблюдается резкое увеличение лабильных форм тяжелых металлов (ТМ), поступивших сюда с речным стоком, и постепенное снижение их концентрации до фоновой по направлению в открытые части моря. В частности, такие данные получены при изучении распределения лабильных растворенных форм ТМ (Zn, Co, Cu, Pb) в Карском море и в эстуариях Оби и Енисея. Примечательно, что в водах Енисейской губы обнаружены более высокие концентрации лабильных форм указанных элементов, чем в Обской губе. Это связано с высоким содержанием фульво и гуминовых кислот, выносимых в большом количестве в эстуарий Оби с водосбора реки, что приводит к связыванию значительной части ТМ в металлоорганические комплексы. Средние концентрации лабильных форм ТМ в поверхностных и, особенно, придонных водах эстуариев Оби и Енисея оказались заметно выше, чем в поверхностных водах дельты Лены и моря Лаптевых [Кравцов и др., 1994].
Одно из условий существования эстуариев − наличие границ относительно замкнутой акватории. Чаще всего эстуарии используют уже существующие долинообразные понижения в устьях речных систем. Нередко относительная замкнутость создается выступающими мысами, между которыми и образуется эстуарий. Наконец, эстуарии могут располагаться в ледниковых долинах − фиордах. Однако в большинстве случаев замкнутость акватории эстуария обеспечивается наличием у его внешнего края прибрежноморских аккумулятивных форм, через проливы в которых осуществляется водообмен с открытым морем. Сравнительно реже замкнутость акватории эстуария определяется наличием порога глубин на внешнем взморье. Такие пороги глубин существуют в фиордах, но они могут отделять и относительно большие заливы. Так, залив Батабано на Кубе представляет собой эстуарий (внутришельфовую лагуну), поскольку на внешней части шельфа он отделен от открытого океана системой островов и мелководий коралловых рифов [Сафьянов, 1987].
Рельеф дна и берегов эстуариев, с одной стороны, представляет собой унаследованный рельеф суши (чаще всего) или морского дна, но, с другой стороны, он непрерывно формируется действием рельефообразующих процессов, специфичных для эстуариев. Среди них основную роль играют сток речных наносов, действие временных водотоков или склоновых процессов. Другим источником поступления осадков в эстуарии, а вместе с тем и рельефообразующим процессом, является размыв берегов самого эстуария. Этот процесс характерен прежде всего для эстуариев и лагун больших размеров, где местные волнения способны производить существенную работу по размыву и транспорту наносов. При наличии достаточно широких проливов, соединяющих эстуарий с морем, значительную роль в формировании рельефа может играть и волнение моря, в особенности для тех берегов, которые открыты к направлениям штормовых волн [Сафьянов, 1987]. В эстуариях арктической зоны океана, наряду с поступлением обломочного материала со стоком рек, происходит значительное поступление материала ледникового происхождения в результате разгрузки морен. Однако наиболее общие черты рельефа эстуариев формируются при действии приливов и отливов, волн и речного стока. Изза трансформации приливных волн на мелководье, а также действия процессов седиментации в пределах устьев большая часть терригенного материала улавливается в эстуариях, что определяет широкое развитие здесь аккумулятивных форм рельефа. В полосе квадратурного прилива развиты широкие поверхности приливных осушек, которые имеют малые уклоны и земноводный режим. При полусуточных приливах она дважды в сутки затапливается и дважды освобождается от воды. Такой режим приводит к формированию здесь специфического рельефа: наличия на поверхности осушки множества замкнутых западин и разветвленной сети мелких и крупных эрозионных промоин. Слияние мелких эрозионных промоин дает начало более крупным эрозионным формам − желобам стока приливных вод, которые врезаны в поверхность осушки на метр и более. В нижней части осушки формируются уже относительно постоянные каналы стока приливных вод, глубина вреза которых зависит от величины приливов и составляет несколько метров. Эти формы рельефа имеют дно ниже уровня сизигийного прилива и представляют собой своеобразные убежища для гидробионтов, не переносящих даже кратковременного осушения. В англоязычной литературе эти образования получили название «tidal creeks» − «приливные реки». Существенную роль в фиксировании поверхностей осушек играет растительность, которая располагается прежде всего на относительно возвышенных участках. Растительность способствует закреплению прирусловых валов и ускоряет седиментацию в их пределах. Верхнюю часть приливных осушек, обычно освоенную растительностью, принято называть маршами или лайдами. Однако в англоязычной литературе солеными маршами называется практически вся поверхность осушек.
Поверхности осушек, лишенные растительного покрова, подвергаются большей эрозионной работе приливных вод. Если осушка находится в надводном состоянии, то к стоку приливных вод по гидрографической сети осушки добавляется и дождевой сток. В эстуариях арктической зоны и умеренных широт во время положительных температур прослеживается дополнительный сток по системе ложбин осушки при сезонном таянии снега или многолетнемерзлых пород.
Наряду с поверхностным стоком вод в формировании рельефа осушек большую роль играют замкнутые западины, не имеющие стока. Однако такие западины связаны друг с другом системой каналов грунтовых вод, располагающихся на глубине нескольких дециметров. Эта система каналов способствует расширению сети приливных желобов и образованию линейных западин, которые формируются при обрушении и оседании поверхности маршей над каналом стока грунтовых вод.
Рельефообразующие процессы служат регулирующим механизмом самых разнообразных процессов в эстуариях − от водообмена и связи с морем до биологических. Основное направление развития рельефа эстуариев − усложнение контура и обмеление. Усложнение контура проявляется не только в удлинении эстуария, но и в формировании разновысотных уровенных поверхностей − подводных и земноводных, а также элементов и форм рельефа, объединяющих эти уровни и обеспечивающих передачу веществ и энергии с одного уровня на другой.
Циркуляция вод в эстуариях играет важнейшую роль в перемещении биогенов (азот, фосфор, кремний, железо), растворенной и взвешенной органики, многих растительных и животных организмов.
В условиях относительной изоляции эстуария от моря на направление и интенсивность переноса воды на отдельных его участках влияют климатические условия и морфометрические характеристики эстуария − объем, глубина котловины, площадь акватории, сечение проливов, соединяющих его с морем. При плотностной стратификации вод в эстуариях направление движения растворов, взвесей и донных наносов, как и объектов живой природы, определяется не столько суммарным переносом, сколько распределением перемещения жидкости по горизонтам потоков. Дифференциацию переноса вод с различными свойствами по горизонтам потока следует считать важнейшей особенностью гидродинамики эстуариев [Сафьянов, 1987].
Движение вол в пределах эстуариев определяется как типично морскими, так и континентальными факторами. Среди морских факторов наиболее важны приливоотливные течения и волнения. Из континентальных факторов − величина и режим речного стока. При взаимодействии морских и пресных вод на пространственно ограниченных акваториях формируются значительные градиенты солености и температур, которые сами по себе способны вызвать движения вод. Вторичные движения вод могут возникать и вследствие градиентов в содержании взвесей. В приливных эстуариях из всех движений воды наиболее заметны приливоотливные течения. На эти течения накладывается неприливная, двухслойная циркуляция, возникающая вследствие пространственной неоднородности поля плотности. Соленая придонная вода во время приливов движется в сторону суши, на поверхности ее поток направлен к морю. Количество соленой воды, переносимой придонным и поверхностным течениями, уменьшается в сторону вершины эстуария. Горизонтальные движения дополняются вертикальными, направленными вверх в верхней части и вниз – в нижней части эстуария (рис. 5).
Рис. 5. Схема приливной циркуляции на устьевом участке реки в эстуарии с полным перемешиванием (А) и с сильной стратификацией (Б):
А− фаза повышения уровня воды при приливе, Б − фаза понижения уровня воды при отливе; 1 − речная вода, 2 − морская вода, 3 − граница раздела речной и морской вод различной плотности, 4 − мгновенное положение «нулевой точки», 5 − результирующее (среднее) положение «нулевой точки». Стрелками показано направление течения. Рисунок взят из работы В. Н. Михайлова [1998]
Такая картина вертикальных движений воды подтверждается уменьшением ее солености в придонном течении по мере приближения к вершине эстуария, возобновлением здесь запасов питательных веществ и поступлением осадков внешнего взморья.
Интенсивность двухслойной циркуляции воды в эстуариях зависит в основном от величины речного стока. При малом речном стоке двухслойная циркуляция отсутствует. С увеличением стока она развивается, достигая максимальной интенсивности при некотором критическом значении. Дальнейшее увеличение речного стока приводит к возрастающему переносу воды к морю на всех глубинах, при этом верхняя граница распространения придонного потока, направленного к берегу, смещается в сторону моря. При сравнительно большом отношении объема речного стока к величине приливной призмы (объем приливных вод в границах эстуария) может возникать ярко выраженный эффект подъема вод − апвеллинг. В эстуариях апвеллинг проявляется в виде локальных областей понижений поверхностных температур в приустьевых частях проток в северной части эстуария. При этом максимальные градиенты температур на совершенно незначительном расстоянии достигают 3−7 0С. Столь же эффектно проявляется апвеллинг высокими значениями солености поверхностных вол в окружении солоноватых вод. Эти концентрической формы соленые интрузии тяготеют, так же как и температурный эффект, к устьевым участкам проток. Градиенты солености достигают здесь 33 ‰.
Эффективной формой переноса и обмена водных масс эстуария и связанных с ними разнообразных веществ (кислорода, взвесей, питательных веществ и т. п.) и свойств представляют собой вихревые движения вод в горизонтальной плоскости. Формы такого движения дополняются и видоизменяются планетарным вихрем − воздействием силы Кориолиса, которая вызывает отклонение движения жидкости от динамической оси потока вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии. Еще один вид эстуарных течений вызывается действием живущих в них гидробионтовфильтраторов, особенно ряда бентосных беспозвоночных животных.
Циркуляцией воды в эстуариях определяется не только движение водной массы, но и движение донных и взвешенных наносов. Сложное перемещение осадков включает как транспорт их от источников поступления, прежде всего из устьев рек, так и обратный перенос от моря к эстуарию. В верхнем этаже течения при существовании плотностной стратификации происходит устойчивое удаление взвесей из эстуария. Во время квадратурных приливов придонные скорости оказываются недостаточными для широкого вовлечения осадков во взвесь, и она образует устойчивый локализованный максимум мутности. При сизигийных приливах большие скорости создают высокую турбулентность и вовлекают во взвесь значительные объемы осадков, которые могут выноситься в море. Этот процесс хорошо виден из космоса (рис. 6).
Следует обратить внимание на тот факт, что в результате горизонтального, вертикального и вихревого движения воды формируется система удержания части осадков внутри эстуария, со стороны реки ограниченная пределом проникновения соленых вод, а со стороны моря − резким снижением транспортирующей способности речной воды вследствие уменьшения скорости ее движения. Вместе с растворенной органикой и минеральноорганической взвесью в пределах эстуария удерживаются многие формы фито и зоопланктона, микроорганизмов. Последние могут не выноситься из эстуария речными водами благодаря и тому, что прикрепляются к частицам циркулирующей в эстуарии взвеси.
Рис. 6. Вынос взвешенного материала и осадков в Желтое море водами р. Хуанхе. Снимок NASA