На примере малого водотока с выраженным техногенным характером осадконакопления опробована возможность датирования методом неравновесного ²¹⁰Pb донных осадков накапливающихся в слабопроточных условиях. Показано влияние высоких концентраций свинца промышленных сбросов на распределение ²¹⁰Pb в толще донных осадков. Оценена средняя скорость осадконакопления всей исследованной толщи по распределению ²¹⁰Pb и Pb в осадочной колонке. Получены удовлетворительные данные о скорости седиментации и времени накопления верхнего ненарушенного слоя осадков (12 см) и тем самым продемонстрирована принципиальная возможность ²¹⁰Pb-датирования донных осадков малых слабопроточных водотоков.

Ключевые слова: донные осадки, ²¹⁰Pb-датирование, малые водотоки, техногенное осадконакопление, скорость седиментации

Метод не поддержанного равновесием ²¹⁰Pb (метод неравновесного ²¹⁰Pb) вот уже больше полувека успешно применяется для хроностратификации современных донных осадков (с возрастом до ~150 лет) в озерах и морях. Наибольшее значение он приобрел в лимнологических исследованиях, где, как правило, режим осадконакопления не осложнен постседиментационными динамическими процессами в толще донных осадков. Менее удовлетворительные результаты данный метод даёт при изучении процессов осадконакопления в морях и речных эстуариях, донные отложения которых часто подвергаются перемешиванию придонными течениями, биотурбацией и склоновыми процессами, а его результаты требуют верификации другими методами (например, датированием по ¹³⁷Cs). Использование радиоизотопа ²¹⁰Pb для датирования донных осадков в водотоках ещё более осложнено не только их неизбежным перемешиванием, но и нарушением равновесия в процессе сорбции ²¹⁰Pb на осаждающихся частицах. И всё же оно возможно при формировании полузастойных условий в определенных зонах водотоков, обусловленных, например, низкой скоростью течения и формой русла, что требует тщательного подхода к месту отбора осадочных колонок. Некоторые городские водотоки центральной части Санкт-Петербурга вполне удовлетворяют таковым условиям, позволяя опробовать ²¹⁰Pb -датирование для их донных осадков (далее - ДО), что и является целью данной работы.

В качестве объекта исследования был выбран устьевой участок р. Ольховка при впадении в р. Екатерингофка, расположенный недалеко от устья последней в Невской губе (Рис. 1).

Река Ольховка имеет длину около 1000 м, ширину 15-25 м, глубину до 4 м. Данный водоток характеризуется минимальной проточностью, что позволяет надеяться на условия устойчивой аккумуляции и отсутствие полного перемешивания осадков. Её устьевой участок обладает наибольшей мощностью ДО (более 2 м), а главной особенностью осадконакопления является его техногенный характер: в Ольховку с 1924 г. регулярно осуществлялся сброс промышленных вод завода по производству свинцово-кислотных аккумуляторов (Ленинградского аккумуляторного завода, ныне ЗАО «Электротяга»), что надежно индицируется аномальными концентрациями ряда тяжелых металлов и особенно свинца (до 55,4 г/кг) в ДО данного водотока (Рис. 3).

В устье р. Ольховка на глубине 1,5 м по воде нами была отобрана колонка донных отложений мощностью 53 см. Осадки представлены черным илом без включений, с постепенным уплотнением вниз по разрезу. Колонка была разделена на пробы по её длине с дискретностью в 1 см. Для целей ²¹⁰Pb -датирования было выполнено альфа-спектрометрическое определение содержаний ²¹⁰Pb в 22 пробах по удельной активности его внучатого изотопа – ²¹⁰Po – согласно разработанной методике [Григорьев, 2016] (Табл. 1).

Как видно из Таблицы 1 и Рисунка 2 распределение изотопа ²¹⁰Pb  в колонке № 923 имеет сложный характер.

В верхней части (до глубины ~12 см) наблюдается слабо выраженный тренд на снижение активности определяемого изотопа. В средней части колонки (в толще ~12 – 40 см) концентрация ²¹⁰Pb  колеблется в пределах узкого диапазона значений, не проявляя заметной тенденции к снижению или увеличению. В нижней части (ниже ~40 см и до самого глубокого отобранного слоя 52–53 см) наблюдается резкое возрастание активности ²¹⁰Pb , что, вероятно, обусловлено надежно установленной в техногенных седиментационных обстановках тесной корреляционной связью между содержанием ²¹⁰Pb и валовым содержанием Pb [Федоров и др., 2017; Vaasma et al., 2016], которые ниже 40 см возрастают на порядок величины (Рис. 3).

Принимая во внимание самые низкие значения активностей образцов № 15, 16 и 17 среди всего анализированного материала колонки № 923 и их равенство (с учетом доверительных интервалов), а также непоследовательное расположение в пределах ~10-сантиметрового слоя, можно предположить, что средневзвешенное значение ²¹⁰Po-активностей образцов № 15, 16 и 17 отвечает значению концентрации ²¹⁰Pb поддержанному радиоактивным равновесием в ряду ²³⁸U (равновесному ²¹⁰Pb). Это значение составляет 74,56 ± 1,5 Бк/кг.

Расчеты по модели постоянного потока [Купцов, 1986] с использованием данного значения показали, что время накопления верхней 21-сантиметровой толщи осадков составляет 80 +/- 4 года, что конечно не является адекватной оценкой возраста, т. к. пиковые значения концентрации Pb вызванные наименее очищенными промышленными сбросами 30-х годов прошлого столетия приходятся на толщу ДО ниже 40-сантиметровой границы (Рис. 3).

Таким образом, приходиться констатировать, что концентрация ²¹⁰Pb в данной колонке ДО не достигает равновесных значений, а значит принятое нами значение содержания равновесного ²¹⁰Pb не подходит для расчетов ²¹⁰Pb -методом.

Для того чтобы оценить реальное значение концентрации поддержанного равновесием ²¹⁰Pb нами было привлечены данные о содержании ²¹⁰Pb в колонке ДО отобранной вне зоны загрязнения валовым свинцом – в ~1 км выше по течению р. Екатерингофка, у её левого берега (колонка ДО № 924, Рис. 1). Так как содержание ²¹⁰Pb поддержанного равновесием в ряду ²³⁸U определяется в первую очередь содержанием ²¹⁰Pb в источниках терригенного сноса, а для колонок № 923 и № 924 они одинаковы, то стоит ожидать в нижних слоях колонки № 924 таковые равновесные значения.

Определение содержания ²¹⁰Pb в самом нижнем слое (46 – 47 см) из колонки № 924 установленное нами тем же методом, что и для образцов из колонки № 923, показало 47.02 +/- 1.92 Бк/кг.

Приняв данное значение за равновесное для колонки № 923, были рассчитаны концентрации ²¹⁰Pb_изб  для её верхней части (образцы в горизонте 0 – 12 см), где наблюдается заметный спад содержания ²¹⁰Pb от верхнего слоя к нижнему (Табл. 2).

Полученный ряд данных с хорошим приближением (r = - 0.78) аппроксимируется экспоненциальной зависимостью (Рис. 4), что позволяет применить к нему модель постоянной начальной концентрации ²¹⁰Pb-метода [Купцов, 1986] для расчета времени накопления верхних 12 см толщи ДО в месте отбора колонки № 923.

Согласно данной модели скорость седиментации постоянна, а спад концентрации ²¹⁰Pb_изб определяется только законом радиоактивного распада, и, значит, возраст этой толщи рассчитывается по активностям ²¹⁰Pb_изб  в самом верхнем и самом нижнем слоях и известному периоду полураспада ²¹⁰Pb (22,2 года) по формуле t = (-T_1/2/ln2)*ln(A₁₂/А₁), где T_1/2 — период полураспада ²¹⁰Pb, A₁₂ и А₁ — активности ²¹⁰Pb_изб  в пробах № 12 и № 1 соответственно.

Рассчитанное таким образом время накопления верхних 12 см колонки № 923 составляет 27.0 ± 3.3 лет, а средняя скорость осадконакопления за этот период — 4.4 ± 0.5 мм/год.

Для верификации полученного значения скорости седиментации существует возможность оценить среднюю скорость осадконакопления для всей колонки № 923 по времени прошедшему с момента поступления максимально загрязненных свинцом сбросов и пику активности ²¹⁰Pb в вертикальном профиле распределения (Табл. 1), обусловленному, как указывалось выше, высокими валовыми содержаниями Pb техногенного происхождения. Максимальное значение активности среди проанализированных образцов получено для пробы № 21 (слой 46 – 47 см).  Зная, что Ленинградский аккумуляторный завод вышел на полную мощность к ~1930 г., среднюю скорость осадконакопления можно оценить как ~5 мм/год, что ненамного больше полученного нами значения особенно с учетом доверительного интервала, а принимая во внимание большую интенсивность сбросов в довоенный период, уменьшение скорости осадконакопления к началу 21 века вполне правдоподобно отражается данными ²¹⁰Pb-датирования.

Таким образом, на примере исследованного нами объекта показана принципиальная возможность применения метода неравновесного ²¹⁰Pb для датирования донных осадков слабопроточных малых водотоков в условиях выраженного техногенного загрязнения.

Исследования проведены в рамках проекта РФФИ № 19-05-00508.

ЛИТЕРАТУРА 

Григорьев В.А. Методологические аспекты установления скоростей осадконакопления в глубоководных котловинах Среднего и Южного Каспия (по данным радиоизотопного датирования донных отложений) // Пути эволюционной географии: Материалы Всероссийской научной конференции, посвященной памяти профессора А.А. Величко (Москва, 23–25 ноября 2016 г.). М.: Институт географии РАН, 2016. С. 74–77.

Купцов В.М. Абсолютная геохронология донных осадков океанов и морей. М.: Наука. 1986. С. 171 – 187.

Федоров Ю. А., Ярославцев В. М., Доценко И. В. Естественные и техногенные радионуклиды в донных отложениях (на примере р. Дон, ст. Манычская) // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2017. № 3-1 (195-1). С. 108–113. doi: 10.23683/0321-3005-2017-3-1-108-113

Vaasma T., Bityukova L., Kiisk M., Ozden B., Tkaczyk A.H. Behaviour mechanisms and correlation between lead (Pb) and its isotope ²¹⁰Pb in industrial residue as an indicator for waste characterization // Environmental Technology. 2016. Vol. 37. Is. 24. P. 3208-3218. https://doi.org/10.1080/09593330.2016.1181673

ON THE POSSIBILITY OF ²¹⁰Pb-DATING OF THE BOTTOM SEDIMENTS OF SMALL RIVER STREAMS

Grigoriev V.A., Opekunov A.Yu.

Saint-Petersburg State University, St. Petersburg, Russia 

On the example of a small watercourse with a pronounced technogenic character of sedimentation, the possibility of dating by the method of non-equilibrium ²¹⁰Pb bottom sediments accumulated under weak flow conditions was tested. The influence of high concentrations of lead from industrial discharges on the distribution of ²¹⁰Pb in the thickness of bottom sediments is shown. The average rate of sedimentation of the entire studied strata was estimated from the distribution of ²¹⁰Pb and Pb in the sedimentary column. Satisfactory data on the sedimentation rate and accumulation time of the upper undisturbed sediment layer (12 cm) have been obtained, and thus the fundamental possibility of ²¹⁰Pb dating of bottom sediments of small low-flow streams has been demonstrated.

Keywords: bottom sediments, ²¹⁰Pb dating, small streams, technogenic sedimentation, sedimentation rate

Ссылка на статью:

Григорьев В.А, Опекунов А.Ю. О возможности датирования донных осадков малых водотоков методом неравновесного свинца-210 // Рельеф и четвертичные образования Арктики, Субарктики и Северо-Запада России. 2020. Выпуск 7. C. 281-286. doi:10.24411/2687-1092-2020-10746