ВВЕДЕНИЕ 3
1 ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 6
1.1 Физико-географическое описание 6
1.2 Геологическое строение 8
1.3 Геоморфология 10
1.4 Поверхностные отложения 13
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 14
2.1 Методика создания карты подводных ландшафтов для участка «Гогланд» 14
2.2 Методика отбора проб донных осадков 15
2.3 Методика проведения рентгенофлуоресцентного анализа 18
2.4 Нормирование содержания загрязняющих веществ в донных осадках 20
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 26
3.1 Донные ландшафты исследуемого участка 26
3.2 Результаты определения валовых форм тяжелых металлов в донных осадках и их математико-статистическая обработка 27
3.2 Распределение тяжелых металлов в донных осадках подводных ландшафтов участка
«Гогланд» 31
3.3 Особенности загрязнения подводных ландшафтов с донной гипоксией 37
3.4 Геоэкологическое районирование дна участка «Гогланд» 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ 39
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 42
ПРИЛОЖЕНИЯ 45
Приложение 1 45
Приложение 2 48
Приложение 3 49
Финский залив, являющийся частью Балтийского моря, представляет собой одну из главных водных магистралей и акваторий северо -западной Европы. С экономической точки зрения Финский залив - акватория, по которой проходит важный торговый путь и на берегах которой находятся крупные порты - Санкт-Петербург, Хельсинки и Таллинн. Существование промышленно развитых территорий по берегам данного водного бассейна привело к развитию определенных экологических проблем. Одной из важнейших проблем в настоящее время является эвтрофикация, вызванная сбросами биогенных элементов объектами сельскохозяйственной отрасли. Тепловое воздействие оказывают сброшенные воды ЛАЭС (Ленинградской атомной электростанции) (Шахвердов и др., 2015). Интенсивное судоходство загрязняет поверхностные воды. Рельеф дна на ряде участков претерпел значительные изменения в результате добычи песчано-гравийного материала, дноуглубления и дампинга. Дно местами испещрено бороздами, оставшимися после активной добычи железомарганцевых конкреций, а в донных сообществах доминирующим видом стала Marenzelleria arctia - вид-вселенец, появившийся в Финском заливе вместе с грузовыми судами (Максимов, 2010). Наиболее распространенными загрязняющими веществами являются тяжелые металлы и нефтепродукты, а основной депонирующей средой являются донные осадки. Всё вышеперечисленное негативно влияет на состояние экосистем Финского залива, уменьшает их биоразнообразие и косвенно влияет на здоровье самого человека; делает актуальным комплексные исследования морских экосистем данной акватории.
Таким образом, Финский залив, характеризующийся относительной мелководностью и уникальностью биоты, обитающей в слабосоленых водах, становится весьма уязвимой акваторией ввиду высокой антропогенной нагрузки, для контроля за загрязнением и изменением которой необходимо использовать новейшие и в то же время эффективные методы.
Одним из таких методов является эколого-геологическая оценка подводных ландшафтов, представленная в данной исследовательской работе. Исследование донных ландшафтов - относительно новое направление в экологии. Одним из фундаментальных трудов, объединивших многолетние исследования в этой области, стала монография «Основы подводного ландшафтоведения» (Преображенский и др., 2000). Авторы рассматривают теоретическую и методологическую стороны исследования подводных донных ландшафтов. Также в данном труде затрагивается важная проблема трактовки ключевого термина «донный ландшафт», которая при современном развитии науки не остаётся единой. В данной работе под донным ландшафтом понимается относительно однородный участок дна, для которого характерно единство взаимосвязанных компонентов: литогенной основы (донных осадков в пределах активного слоя или поверхности коренной породы), придонной водной массы и населяющих их морских организмов (Мануйлов, 1982). Из этого определения следует, что исследование подводных ландшафтов включает себя экологические, геологические, геофизические и гидрографические методы.
Выбранный объект исследования - Финский залив - изучается в рамках экологии и экологической геологии на протяжении многих лет. Большинство исследований можно классифицировать по цели работы на две группы: оценка загрязнения тяжелыми металлами и их распределение по дну акватории; влияние различных факторов (загрязнения, физических факторов среды) на живые организмы и их жизнедеятельность.
Донные осадки являются неотъемлемым компонентом водной среды. Они образовываются в результате совокупности разнообразных климатических, гидрологических, механических, физических, химических, биологических и других процессов, протекающих во времени как на водосборной площади, так и в самом водном объекте (Зиганшин, 2005). Для донных осадков характерна аккумуляция загрязняющих веществ, концентрация которых в донных осадках может значительно отличаться от концентрации в воде. В последствии донные осадки могут являться вторичными загрязнителями воды, именно поэтому так важно их изучение. В классической работе «Arsenic and heavy metal distribution in the bottom sediments of the Gulf of Finland through the last decades» (Vallius, 2012) рассматривается распределение тяжелых металлов (As, Zn, Cd, Pb, Cu, Co, Cr, Ni, Hg) в донных осадках изучаемой территории, а также приводится сравнение их концентраций с концентрациями 1990-х гг. Автор приходит к выводу об уменьшении концентраций тяжелых металлов на 10-20% в связи с введением в Финляндии и Швеции более строгих нормативов на сбросы загрязняющих веществ.
Ключевым трудом для понимания динамики экосистем залива стала статья «Linkages between benthic assemblages and physical environmental factors: The role of geodiversity in Eastern Gulf of Finland ecosystems» (Kaskela et al., 2017). По результатам исследования влияния абиотических параметров среды авторы выделяют экологически значимые факторы, которые в дальнейшем используются как признаки для классификации донных ландшафтов.
Важное значение имел международный проект BALANCE (Al-Hamdani et al., 2007), целью которого стало картирование донных ландшафтов Балтийского моря на основе использования геологических, физических, гидрографических и химических параметров среды. Полученные карты отражали экологически значимые характеристики среды, т.е. те характеристики, которые влияют на биоту и её распространение. Таким образом, ландшафтные карты стали важнейшим инструментом для экологической оценки территорий, однако они не учитывали антропогенное воздействие, проявляющееся, в частности, в загрязнении донных осадков, являющихся составным компонентом каждого ландшафта.
Целью данной работы является комплексное эколого-геологическое исследование донных ландшафтов восточной части Финского залива на примере участка в районе о. Гогланд.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
• Анализ физико-географических параметров восточной части Финского залива;
• Создание комплексной ландшафтной карты для исследуемого участка;
• Проведение рентгенофлуоресцентного анализа проб донных осадков на содержание в них тяжелых металлов;
• Анализ существующих методик экологического нормирования содержания загрязняющих веществ в морских донных осадках;
• Изучение распределения тяжелых металлов по ландшафтам;
• Создание карты распределения каждого из исследуемых элементов в донных осадках;
• Комплексная эколого-геологическая оценка участка в районе о. Гогланд.
В результате исследования восточной части Финского залива на примере участка у о. Гогланд была проведена эколого-геологическая оценка изученной территории. Для картирования донных ландшафтов были отобраны следующие типы данных: географические координаты, глубина, солёность вод, содержание кислорода на границе вода-дно, характер поверхностных донных осадков, макрозообентос. После обработки полученных данных была создана ландшафтная карта исследуемого участка, в пределах которого было выделено 8 типов ландшафтов. Для изучения распределения тяжелых металлов (железо, марганец, медь, свинец, никель, цинк, мышьяка) в донных осадках был произведен пробоотбор 23 образцов.
По результатам математико-статистического и рентгенофлуоресцентного анализов, а также обработки геоданных в программе ArcGIS были сделаны следующие выводы:
1. Созданная ландшафтная карта показала, что наиболее пригодным для живых организмов является тип ландшафта №4 - среднеэнергетическая циркалитораль в зонах развития алевропелитовых илов с примесью песка, а наименее пригодным - тип №7 - низкоэнергетическая циркалитораль в зонах развития алевропелитовых илов, анаэробные условия.
2. Содержание мышьяка во всех пробах одинаково (5 г/т) и находится ниже предела чувствительности прибора. Данное содержание мышьяка в донных осадках позволяет охарактеризовать последние как чистые отложения.
3. Согласно диаграммам «ящик с усами» экстремальные значения содержания тяжелых металлов в пробах отмечаются для железа, марганца, меди, свинца.
4. По результатам факторного анализа было выявлено два фактора, влияющих на распределение тяжелых металлов в донных осадках. Их суммарная дисперсия составляет 51%.
5. Основная аккумуляция загрязняющих компонентов приходится на тип ландшафта №4, в меньшей степени №3 и №6. Основными депонирующими отложениями являются алевропелитовые осадки, а также железомарганцевые конкреции.
6. Значительные превышения фоновых концентраций отмечаются по следующим
элементам: медь (максимальный KK=3,4),свинец (максимальный KK=2,7), марганец (максимальный KK=15,8).
7. Типы ландшафтов №6 и №7 могут рассматриваться в качестве источников вторичного загрязнения морских вод металлами, в особенности медью, свинцом и марганцем, так как для них характерна гипоксия.
8. Максимальное значение суммарного показателя загрязнения приурочено к типу ландшафта №3 (ZC=16,7)и №8 (ZC=13,0),которые могут быть охарактеризованы как ландшафты средне загрязненные.
9. Согласно критериям оценки экологического состояния геологической среды типы
ландшафтов №1 и №2 характеризуются безопасными геоэкологическими
условиями, №3, №4 и №5 - потенциально опасными, №6, №7 и №8 - опасными.
10. По результатам проведенной комплексной эколого-геологической оценки ландшафты исследуемого участка были дифференцированы следующим образом: тип №1 - относительно незагрязненный ландшафт; тип №2 - относительно незагрязненный ландшафт; тип №3 - умеренно загрязненный ландшафт; тип №4 - умеренно загрязненный ландшафт; тип №5 - умеренно загрязненный ландшафт; тип №6 - ландшафт с потенциально возможным загрязнением; тип №7 - ландшафт с потенциально возможным загрязнением; тип №8 - ландшафт с потенциально возможным загрязнением.
В соответствии с полученными результатами были составлены следующие рекомендации:
1. Необходима разработка стандартов качества донных осадков для морских акваторий, принадлежащих РФ.
2. Необходима организация мониторинга за состоянием и качеством морских вод и донных осадков вследствие увеличения антропогенной эвтрофикации акваторий, которая является причиной увеличения площадей распространения гипоксии.
Часть результатов, полученных в ходе проведения данной исследовательской работы, была представлена в виде тезисов на международной конференции GEOHAB-2019 (Морское геологическое и биологическое картографирование местообитаний), проходившей 13-17 мая 2019 г. в Санкт-Петербурге:
• Kobik L., Ryabchuk D., Orlova M., Ezhova E., Sergeev A., Zhamoida V., Molchanova
N., Kocheshkova O., Krek A., Kretchik V. Benthic landscape mapping of submerged end¬moraine ridge slope in Vyborg Bay (Eastern Gulf of Finland, Baltic Sea) based on multibeam echosounder dataset. // Annual conference GEOHAB 2019 - Marine
geological and biological habitat mapping. - SPb.: VSEGEI, 2019. P. 108-109
• Neevin I., Zhamoida V., Ezhova E., Orlova M., Ryabchuk D., Kobik L., Sergeev A., Molchanova N., Kocheshkova O., Krek A., Krechik V. Submarine landscapes of gas- saturated sediment fields of the Eastern Gulf of Finland (Baltic Sea) // Annual conference GEOHAB 2019 - Marine geological and biological habitat mapping. - SPb.: VSEGEI, 2019. P. 142-143
• Orlova M., Ryabchuk D.V., Ezhova E., Evdokimenko A.V., Neevin I.A., Kobik L., Sukhacheva L., Bubnova E., Budanov L.M., Kocheshkova O., Krek A., Molchanova N., Sergeev A.Yu., Zhamoida V.A. Case studies of geo- and biodiversity of underwater landscapes in the Eastern Gulf of Finland (Baltic sea): is anything interesting across brackishwater lightless areas? // Annual conference GEOHAB 2019 - Marine geological and biological habitat mapping. - SPb.: VSEGEI, 2019. P. 148-149
Автор выражает благодарность Шутову Александру, Терещенко Наталии и Копыловой Веронике за помощь в пробоподготовке; научным сотрудникам ВСЕГЕИ Евдокименко Антону и Сергееву Александру за помощь и советы по созданию карт; Лебедеву Сергею Васильевичу за советы по интерполяции данных; Иванюковичу Георгию Александровичу за обучение работе в программе Statistica; Сафарову Александру Ризаевичу за руководство в процессе измерения содержания тяжёлых металлов в пробах донных осадков. Спасибо научному руководителю Беляеву Анатолию Михайловичу. Отдельную благодарность хочется выразить Рябчук Дарье Владимировне за предоставление ресурсов и материалов, за переданные на протяжении трех лет знания и опыт, за ценные наставления и советы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
