Одними из важнейших показателей, определяющих масштабы трансформации терригенного вещества в системе река-море, являются величины параметров взвеси (ВПВ), поскольку они крайне чувствительны к специфике пород области питания, экзогенным преобразованиям и антропогенному воздействию в процессе мобилизации и переноса [Аникеев и Дударев, 1991; Аникеев и др., 1993; 2001; 2001а; Дударев и др., 2005]. С целью детального изучения пространственной и временной изменчивости распределения ВПВ летом 2003 г. проведена междисциплинарная экспедиция Института геохимии СО РАН (Иркутск). Впервые район исследований включал большую часть главного русла р. Лены, начиная с верховьев (660-й км от истоков) до авандельты в море Лаптевых. Работами подобного плана ранее охватывались только нижнее и частично среднее течение этой речной системы [Rachold, 1999; Rachold & Hubberten, 1999]. С борта теплохода «Московский-11» выполнено 58 станций, в том числе 11 повторных, на обратном маршруте экспедиции (рис. 1). Во взвеси изучались параметры: общее содержание (ВМ), размерный состав (определения лазерным анализатором “Analysette 22”), органический углерод (С) и общий азот (N), стабильные изотопы δ¹³C и δ¹⁵N (масс-спектрометр “Finnigan MAT Delta Plus”, комбинированный с элементным анализатором). Гидрофизическая структура вод регистрировалась CTD-зондированием и акустическим доплеровским профилографом течений ADCP. Гидрохимические характеристики определялись стандартными методами.

Пространственная изменчивость ВПВ. Водный сток Лены в 2003 г. был близок к среднемноголетнему. Время наблюдений на переходе к дельте (25 июня-22 июля) совпало со второй волной весенне-летнего половодья, вызванной дождями и продолжающимся таянием снега в горных районах водосбора. По синоптическим условиям лето в верховьях реки выдалось маловодным.

Большая часть русла в верхнем течении (0-1463 км от истоков) проходит в глубоко врезанной долине через Северо-Байкальское нагорье. Уклоны водной поверхности на некоторых участках достигали 2.7 м/км [Антонов, 1987], чем обусловлена высокая скорость потока и эрозионная направленность русловых процессов. По указанным причинам значения ВМ ограничивались диапазоном 0.2-2.1 мг/л, характерным для горных рек. Неоднородности распределения ВПВ выявились после впадения притока Киренга. Ее воды отличались еще более низким содержанием взвеси, что, в свою очередь, привело к снижению ВМ в главном русле (рис. 1,2; табл. 1,2). По вещественно-генетической принадлежности взвесь трансформировалась в терригенно-биогенный тип (70% < МК < 50%), в отличие от биогенно-терригенного (70% < ОК < 50%) и терригенного (МК > 70%) до слияния с Киренгой. Увеличение вклада ОК под влиянием стока притока Чая, расположенного в 124 км ниже по течению Лены, вызвало появление биогенного типа взвеси (ОК > 70%).

Рост водности в главном русле после впадения притока Витима, откуда начинается среднее течение (1463-3077 км), сопровождался аналогичным трендом значений ВМ, МК и переходом взвеси к терригенному типу. Географически обусловленная приуроченность к области интенсивного циклогенеза предопределила высокую повторяемость атмосферных осадков над правобережным водосбором данного участка русла [Бабкин и Постников, 2004]. Расположенный в его бассейне крупнейший приток Алдан обеспечивает 70%-й прирост расходов воды в фазу весенне-летнего половодья, из-за чего ниже слияния с ним Лена приобретает черты мощной речной системы [Антонов, 1987]. Русло расширяется до 3-4 км, возрастает количество намывных форм рельефа. Во фронтальной зоне области смешения вод наблюдались мелкомасштабные циклонические круговороты и плотные скопления плавника, растительных остатков на поверхности. Содержание взвеси увеличилось в среднем на порядок и достигло 30-77 мг/л. Неоднородности ВМ, усиленные сбросами плавучей драги в низовьях Алдана, визуально фиксировались по пятнистой палево-бурой цветовой гамме вод. Взвесь от переходных терригенно-биогенного и биогенно-терригенного типов трансформировалась в терригенный. Изотопный состав С утяжелился от -30.95 до -24.58‰ (рис. 2; табл. 1, 2).

Последнее существенное увеличение водности обусловлено стоком Вилюя, от места впадения которого Лена переходит в нижнее течение (3077-4232 км). При невысоком ВМ в устье притока (5 мг/л), в главном русле распространялся шлейф матово-бурых по цвету вод с зафиксированным ВМ 190 мг/л и концентрацией С в воде 2274 мкг/л. Состав δ¹³С утяжелился до -19.6‰ (изотопное различие ∆δ¹³С возросло до 6.2-10.4‰), величина C/N-отношения увеличилась до 13.2 (∆С/N = 2.6), чего не отмечалось нигде на разрезе от верховьев до авандельты. Можно предположить связь выявленной аномалии ВПВ с отходами разработки Лунхутуйского и Сангарского месторождений ископаемых углей (соответственно район станций 21 и 19). В 120 км от слияния с Вилюем долина Лены расширяется до 40-60 км, а русло намывными островами расчленяется на несколько крупных рукавов и проток. Уклоны водной поверхности снижаются, что сопровождается ослаблением несущей способности потока и выведением из водной миграции значительного объема взвеси. От нескольких раз до одного порядка снижаются величины некоторых параметров взвеси и далее остаются на этом уровне до развилки дельты (рис. 2; табл. 3).

Участок главного русла между ст. 24-26 (рис. 1) перед вершиной дельты проходит в тектоническом каньоне Верхоянского хребта. Предполагаемых изменений ВПВ, как, к примеру, резкое увеличение ВМ при входе потока в узость [Аникеев и Дударев, 1991; Романовский, 1988; Komar, 1977], здесь не выявлено. С позиций речной гидравлики это объясняется устойчивостью гидродинамической структуры потока к перестройке из-за неизменности площади его живого сечения, поскольку сужение главного русла компенсируется увеличением глубины с 8-12 до 30 м. На всем протяжении каньона ВМ варьировали от 8.7 до 18.6 мг/л, несущественно изменялись и другие ВПВ (рис. 2).

Нижнее течение заканчивается при выходе Лены в дельту (4232-й км), одну из крупнейших в мире после рек Миссисипи и Меконг. Ширина зеркала потока возросла в несколько раз, уклоны водной поверхности снизились до 0.02 м/км [Антонов, 1987]. Растекание речной струи по многочисленным рукавам и протокам сопровождалось ослаблением ее транспортирующей способности и выведением взвеси из переноса. В результате ВМ уменьшается почти в 2 раза, до 7-11 мг/л. Пространственные неоднородности данного параметра в водах Трофимовской, Быковской и Оленекской проток отражали литодинамическую направленность русловых процессов. Над участками размыва гребней перекатов наблюдался рост ВМ до одного порядка относительно вод над глубокими плесами. Фактором дополнительного обогащения взвесью являлся размыв низменных берегов дельтовых островов, сложенных суглинками с прослоями торфа и льда. В дельтовых водах повсеместно сохранялся терригенный тип взвеси. Диапазон δ¹³С ограничивался значениями -24.5 --30.4‰, δ¹⁵N 2.1-6.1‰, отношения C/N = 8.7-10.3 (рис. 2; табл. 3).

Авандельта. В период исследований пресные воды (значения солености <0.009‰) распространялись и за пределами дельты, над ее подводной частью в море Лаптевых. Над свалом глубин авандельты начинается этап трансформации состава взвеси в приемном бассейне стока, который включает концентрирование частиц взвеси в зоне подпора и дестабилизацию речных коллоидов и глинистых минералов в результате нейтрализации их отрицательных зарядов катионами морской воды на ранних стадиях смешения [Sholkovitz, 1976]. Только на 15-километровом участке между устьем Быковской протоки и свалом глубин результирующий эффект трансформации вещества проявился в увеличении ВМ более чем в 3 раза. Вследствие гравитационной седиментации гидравлически крупных органо-минеральных агрегатов, образовавшихся под влиянием процессов флокуляции и коагуляции, содержание С во взвеси уменьшилось в 3 раза. Устойчивость генетической терригенности состава взвеси коррелировала со слабой изменчивостью значений δ¹³С, δ¹⁵N и C/N-отношения.

Потоки минеральной и органической взвеси в море. Суточные потоки ВМ, С и МК из дельты оценены в 26 213 т, 2883 т и 20 446 т соответственно и отражают уровень, характерный для фазы речного стока после прохождения волны паводка (табл. 4). Анализ среднемесячных расходов взвеси свидетельствует, что во время пика паводка эти показатели могут существенно возрастать.

Короткопериодная изменчивость ВПВ. В период обратного маршрута экспедиции (23 июля-1 августа) продолжался сброс дождевых и талых вод из бассейна Алдана. Прохождение через развилку дельты очередной волны паводковых вод вызвало рост ВМ в 7 раз по сравнению с вершиной дельты и нижним течением Лены. Примерно в 4 раза увеличились концентрации С и N взвеси в воде, утяжелился изотопный состав С и N. Шлейф вод матово-бурого цвета со значениями ВМ 214-352 мг/л, соответствующими по этому критерию водам тропического эстуария Меконга [Аникеев и др., 1993; 2001а], теперь прослеживался между устьями Вилюя и Алдана. Площадь покрытия водной поверхности наземным растительным детритом составила 5%, концентрация С и N взвеси в воде увеличилась в 3 раза. Резко утяжелился изотопный состав δ¹³С и δ¹⁵N соответственно до -19.4‰ и 4.8‰ (табл. 2, 3; рис. 2).

Особенности размерного состава взвеси. На всем протяжении главного русла взвесь сохраняла устойчивую дисперсную структуру частиц во время обеих съемок. В гранулометрическом составе доминировали пелит Pl (диаметр частиц <0.01 мм, диапазон содержания 26.3-74.9%, среднее 48.9%) и алеврит А (0.1-0.01 мм, 23.3-61.4%, 45.9%). Вклад псаммита Ps (1-0.1 мм) на различных участках Лены колебался в диапазоне 0-15.2%, среднее 5.2% (табл. 1-3). Вариации соотношения взвесеобразующих фракций отражали особенности дифференциации частиц по размерам в соответствии: 1) с исходным гранулометрическим составом источника питания и 2) с изменениями гидравлических характеристик руслового потока. Увеличение содержания Ps не всегда отражало совокупное влияние перечисленных факторов, как это было установлено для взвеси притока Алдана, где при редуцированном до 0% вкладе указанной фракции и значительных турбулентных пульсациях скорости течения прослеживалась более тесная корреляция с фактором 1.

Выводы. В системе р. Лена - море Лаптевых выделено два типа неоднородностей состава ВПВ: I) формирующиеся без влияния антропогенного фактора и II) обусловленные его воздействием.

Особенности неоднородностей I типа состоят в их природной зональной упорядоченности, отражающей связь: а) с геолого-тектоническим и высотным положением участка русла и водосбора, б) с режимом водного стока и характером русловых литодинамических процессов, в) со степенью подготовленности и устойчивости почв и кор выветривания к мобилизации; г) с биопродуктивностью вод, биомассой наземной растительности и условиями биогеохимической трансформации. Нарастанию водности Лены по мере впадения притоков не всегда соответствовало увеличение ВМ, так как последнее в большей степени контролируется условиями мобилизации вещества в области питания, чем величиной притока. Аккумуляция является ведущим типом русловых литодинамических процессов на 900-километровом участке нижнего течения перед вершиной дельты, в самой дельте, а также в районах гидрологических фронтов, появление которых обусловлено взаимодействием вод главного русла и притоков. От верховьев Лены к дельте выявлены тренды роста средней концентрации в воде С (в 25 раз) и N (в 19 раз) и уменьшения в 3-4 раза содержания во взвеси С, N, ОК.

Неоднородности II типа формируются в результате техногенных сбросов, нарушают естественную упорядоченность изменения ВПВ и нивелируются до фоновых значений по мере прохождения природных барьеров. Для р. Лены они выделены впервые, поскольку исследованиями других авторов ранее нигде обнаружены не были [Rachold, 1999; Rachold & Hubberten, 1999]. При следовании экспедиции к дельте рассматриваемые неоднородности выявлены от устья Алдана, откуда усиленный антропогенным загрязнением собственный сигнал притока прослеживался на 330 км вниз по течению. На обратном маршруте к верховьям Лены такие воды идентифицировались на расстоянии 210 км от впадения Алдана. Изменения дальности распространения шлейфа загрязненных вод, очевидно, свидетельствуют о различиях объемов сбросов и об инъективном характере их поступления.

Признаками техногенного загрязнения являются: а) резкое увеличение ВМ (77-352 мг/л), б) сильное утяжеление изотопного состава взвеси (δ¹³С = -19.6-19.4‰, δ¹⁵N = 5.0‰), из-за возможного фракционирования изотопов под влиянием неорганических процессов в ходе минерализации органического вещества [Волков, 2000], в) рост в несколько раз концентрации С в воде (2275-5133 мкг/л), г) сокращение содержания С (до 1%), д) увеличение вклада МК (до 98%), е) изменения параметров карбонатной системы вод: рост значений pH, концентрации растворенного неорганического С, карбонат- и бикарбонат-ионов и сокращение концентрации углекислоты, ж) уменьшение концентрации растворенного кислорода и кремния.

Воды с перечисленными признаками следует относить к гидрогеохимическим потокам рассеяния, способным к самоочищению на природных барьерах (обычно совмещенных биогеохимическом и седиментационном) под влиянием процессов осаждения минеральных частиц и комплексных органо-минеральных соединений, сорбированных коллоидами и глинистыми минералами.

Благодарим акад. М.И. Кузьмина и Е.Б. Карабанова за предоставленную возможность участия в работах.

Исследования поддержаны РФФИ (гранты 05-05-64213, 04-05-64819, 03-05-65127), ДВО РАН (04-1-07-012), Cooperative Institute Arctic Research NOAA Cooperative Agreement NA17RJ1224.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аникиев В.В., Дударев О.В. Оценка влияния динамического режима вод и седиментационного барьера на распределение и баланс взвешенного вещества в эстуарии р. Амур - Охотское и Японское моря // ДАН. 1991. Т. 316. №5. С. 1123-1126.

2. Аникиев В.В., Дударев О.В., Колесов Г.М., Шумилин Е.Н. Распределение и фракционирование элементов во взвеси эстуарной системы: река Сайгон - Южно-Китайское море // Геохимия. 1993. № 5. С. 109-121.

3. Аникиев В.В., Дударев О.В., Колесов Г.М. и др. Факторы, определяющие мезомасштабную изменчивость распределения взвешенного вещества и химических элементов в водах эстуария р. Амур - Охотское море // Геохимия. 2001. № 1. С. 71-94.

4. Аникиев В.В., Дударев О.В., Шумилин Е.Н. и др. Распределение, фракционирование и потоки редкоземельных элементов в системе взвесь - донные отложения эстуария рек Меконг, Сайгон - Южно-Китайское море // Геохимия. 2001. № 9. С. 986-996.

5. Антонов B.C. Устьевая область реки Лены (гидрологический очерк). Л.: Гидрометиздат, 1987. 107 с.

6. Бабкин В.И., Постников А.Н. Генезис вод и сток р. Лена в маловодные и многоводные годы // Метеорология и гидрология. 2004. № 2. С. 96-101.

7. Волков И.И. Растворенный неорганический углерод и его изотопный состав в водах анаэробных морских бассейнов // Океанология. 2000. Т. 40. № 4. С. 535-538.

8. Дударев О.В., Боцул А.И., Савельева Н.И. и др. В кн.: Состояние морских экосистем, находящихся под влиянием речного стока. Владивосток: Дальнаука, 2005. С. 5-21.

9. Романовский С.И. Физическая седиментология. Л.: Недра, 1988. 240 с.

10. Сидоров И.С. Особенности формирования гидрохимического режима устьевой области р. Лены и юго-восточной части моря Лаптевых. Автореф. дис. геол.-минерал, наук. Ростов н/Д., 1992. 24 с.

11. Bagnold R.A. The flow of cohesionless grains in fluids // Phil. Trans. Roy. Soc. Ser. 1956. V. A249. P. 235-297.

12. Komar P.D. Selective longshore transport rates of different grain-size fraction within a beach // J. Sediment. Petrol. 1977. V. 47. № 4. P. 1444-1453.

13. Rachold V. Major, Trace and Rare Earth Element Geochemistry of Suspended Particulate Material of East Siberian Rivers Draining to the Arctic Ocean // Land-Ocean Systems in the Siberian Arctic: Dynamics and History. B.: Springer, 1999. P. 199-222.

14. Rachold V., Hubberten H.-W. Carbon Isotope Composition of Particulate Organic Material in East Siberian Rivers // Land-Ocean Systems in the Siberian Arctic: Dynamics and History. B.: Springer, 1999. P. 223-237.

15. Sholkovitz E.R. The flocculation of dissolved organic and inorganic matter during the mixing of river water and seawater // Geochim. et cosmochim. acta. 1976. V. 40. №7. P. 831-846.

Ссылка на статью:

Дударев О.В., Семилетов И.П., Чаркин А.Н. Масштабы неоднородностей состава взвеси в системе река Лена - море Лаптевых // Доклады РАН. 2006. Т. 411. № 4. С. 527-534.