Литолого-геохимические особенности донных осадков Сестрорецкого Разлива

Сергеев А. Ю., к.г.-м.н., Малышева Н. Б., Рябчук Д. В., к.г.-м.н., Евдокименко А. В., Кропачев Ю. П. Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А. П. Карпинского

В ходе работ 2015–2016 г. был выполнен пробоотбор донных отложений на 138 станциях, отобрано 134 образцов на гранулометрический и 78 образцов на геохимический анализ. Пробоотбор проводился по регулярной сети точек с шагом 300–400 м, полностью покрывающей акваторию Сестрорецкого разлива. В пределах большей части площади дна акватории осуществлена съемка методом гидролокации бокового обзора, чтоб позволило получить непрерывное покрытие.  Исключением является западная прибрежная часть водоема, где карта строилась на основе данных пробоотбора, данных о рельефе дна и анализа космоснимков.

Проведенное опробование донных осадков, сопоставленное с геофизической съемкой поверхности дна, позволило построить карту-схему распространения вещественного состава и структурных особенностей поверхностных донных образований, вне зависимости от их мощности, генезиса и возраста (рис. 1). Схематическая карта строилась по данным гранулометрического анализа верхнего слоя осадков (0–2 см) и результатам геофизического профилирования, с использованием актуальных батиметрических данных.

Выполненные исследования показали, что на поверхности дна Сестрорецкого разлива развиты различные по гранулометрическому составу осадки от грубообломочных до песчаных алевритов.

На поверхности дна в восточной части акватории, широко развиты поля валунов, где они прослеживаются широкой полосой вдоль берега, непосредственно примыкая к нему. Локально валунное поле закартировано в северной части дна разлива. Валуны маркируют участки донного размыва моренных отложений, образующих в восточной и центральной части разлива подводные гряды. В пределах гряд наблюдаются наибольшие скопления валунов (рис. 2). На остальной части дна акватории, крупные валуны расположены рассеяно на удалении друг от друга на первые метры – десятки метров. Валуны являются продуктом дифференциации обломочного материала в ходе геологического развития района в постледниковое время за счет переработки берегов водами палеоводоемов. После искусственного запруживания водоема сформировались новые условия седиментации и моренные отложения были перекрыты современными озерными осадками, в результате чего на поверхности дна видны лишь наиболее крупные валуны, достигающие 1.5 м в диаметре, и представлены фрагментами кристалических пород.

Среди песков на дне преобладают средне-крупнозернистые и крупно-среднезернистые разности, развитые преимущественно в восточной части дна Сестрорецкого разлива. Они прослеживаются узкой полосой вдоль юго-восточного берега разлива и приурочены к моренно-грядовому рельефу. Мелкозернистые и средне-мелкозернистые пески распространены на поверхности дна вдоль всего западного берега Сестрорецкого разлива. Генетически эти отложения связаны как с аллювиальными образованиями реки Сестры, так и с эоловым выносом песка из дюнного массива на западном берегу разлива. На поверхности дна мелкопесчаные отложения формируют отмели, зарастающие тростниковой растительностью в месте сужения акватории водохранилища на входе в водосливной канал. В восточной части дна акватории также закаритрованы площади развития мелкозернистых песков, генетически связанных с продолжением на прибрежном дне дистальных оконечностей песчаных палеокос, расположенных в пределах Сестрорецкого болота.

Песчаный алеврит является преобладающим гранулометрическим классом донных осадков в пределах дна изучаемой акватории (рис. 3). Они зафиксированы пробоотбором в пределах всей акватории разлива, в устьях рек Сестры и Черной, а как же на входе в Водосливной канал. Генетически формирование песчаных алевритов связано с озерными фациальными условиями, их накопление происходит на современной стадии развития водоема. Песчаные алевриты представлены однородными осадками зеленовато-серого до черного цвета, имеют преимущественно текучую консистенцию. В некоторых пробах в осадке наблюдалось присутствие органического растительного детрита. Местами на поверхности осадка отмечался наилок бурого цвета. Песчаные алевриты распространены в интервале глубин от 1.5 до 4 м, выравнивая поверхность дна водоема и заполняя впадины и неровности подстилающего рельефа.

К органогенным осадкам были отнесены участки поверхности дна, где проба состояла из сплошного растительного детрита, представленного фрагментами слаборазложившегося тростника, листьев, торфяные волокна, торфяной наилок и т.п. Как правило, мощность органогенных осадков не превышает первых десятков сантиметров. Такие осадки развиты преимущественно вдоль берега Сестрорецкого болота и у устья р. Черной. Их образование связано как с отмиранием прибрежной водной растительности, так и с процессами размыва торфяного сплавинного берега Сестрорецкого болота. Органогенные осадки прослеживаются узкой полосой вдоль берега, на глубинах от уреза воды до 1 м. Вдоль сплавинного берега органогенные осадки развиты на глубине 2 м.

 

Геохимическое исследование донных осадков.

Материал на геохимические исследования был отобран из поверхностных донных отложений, представленных в основном тонкими осадками: песчаными алевритами, которые, как было указано в предыдущем разделе, на 90% покрывают дно водохранилища и из скважин, пробуренных для определения мощности донных отложений водоёма.

В аналитической лаборатории ООО «Эколаб» количественными методами было определено содержание в осадках тяжёлых  металлов и токсичных элементов, всего 13 компонентов: фосфор валовый (Р) определялся фотометрическим методом, органическое вещество (С_орг) – гравиметрическим методом, железо (Fe), марганец (Mn), цинк (Zn) – атомно-абсорбционным методом, кадмий (Cd), медь (Cu), никель (Ni), свинец (Pb), хром (Cr) – атомно-абсорбционная спектрометрии с электротермической атомизацией, мышьяк (As) – методом атомно-абсорбционной спектрометрии с ртутно-гидридной приставкой, ртуть (Hg) – методом атомно-абсорбционной спектрометрии «холодного пара», бенз(а)пирен (БП) – методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

По результатам аналитических определений в поверхностных донных осадках водоема рассчитаны статистические параметры распределения элементов, проведен корреляционный и факторный анализ, выделены и закартированы по площади полиэлементные ассоциации по двум ведущим факторам (Белонин и др., 1983). Статистические характеристики распределения компонентов в донных осадках приведены в таблице 1. Из таблицы видно, что фоновые содержания железа, марганца, меди, никеля не превышают кларковых значений (Виноградов, 1962), средние содержания фосфора, ртути и хрома – близки к кларкам. Средние содержания кадмия, мышьяка, цинка выше кларков, а бенз(а)пирена в несколько раз больше, чем ПДК в почвах и превышает нормы (Качество морских…, 2008; Нормы и критерии…, 1996).

По оценке SSQC (WGMS, 2003) осадки по содержанию Cu, As, Ni, Cr можно отнести к фоновым (I) значениям, ртути, свинцу, цинку – к умеренному (II) загрязнению, кадмия – к явному (III) (бенз(а)пирен в этой классификации не упоминается). Обращает на себя внимание высокие содержания бенз(а)пирена в осадках разлива: даже средние содержания превышают ПДК (0,02 мг/кг) в почвах (х – 0,051 мг/кг, ст. откл. – 0,057 мг/кг). Учитывая допустимый уровень концентрации в зарубежных странах (Качество морских…, 2008), содержания кадмия и бенз(а)пирена превышают нормы в донных отложениях водохранилища (по средним и по максимальным значениям).

 

Установлено, что в поверхностных донных отложениях накапливаются токсичные компоненты в содержаниях, превышающих допустимые нормы концентрации по существующим критериям оценки – это бенз(а)пирен, ртуть, мышьяк, кадмий. По этим элементам построены моноэлементные карты распределения по площади акватории Сестрорецкого разлива (рис.  4 – 7). На картах вынесены точки опробования, в точке указано содержание химического элемента, раскраска выделяет поля фоновых и ниже фоновых значений и поля, превышающих фоновые значения на 1, 2 и 3 стандартных отклонения.

Особенно высокие содержания отмечаются в донных отложениях разлива опасного канцерогена бенз(а)пирена, среднее содержание которого в поверхностных осадках равно 50 мкг/кг, что в 2,5 раза больше его ПДК в почвах (20 мкг/кг), а максимальное содержание-310 мкг/кг выявлено в западной части водоема в кутовой части заводи между Приморским шоссе и Красноармейской улицей. На моноэлементной карте (рис. 7) выделены области, где концентрации бенз(а)пирена меньше ПДК (20 мкг/кг), в основном это районы, примыкающие к устьям рек Сестры и Чёрной, отмечены светло-голубой закраской.Как видно на схемах распределения ртути, мышьяка и кадмия, их повышенные концентрации приурочены к устьям рек Сестры и Чёрной, что предполагает наличие источников загрязнения на водосборной площади. Повышенные содержания протягиваются субмеридиональной полосой от Сестрорецкого болота к южной оконечности разлива, примыкая к юго-восточному берегу. По площади поля распределения этих элементов почти совпадают, также ртуть, кадмий и мышьяк имеют между собой тесную корреляционную связь (коэффициент корреляции 0.6–0.7).

Высокие концентрации бенз(а)пирена  в основном сосредоточены в центрально-западной части разлива, протягиваясь от Приморского шоссе на восток к Сестрорецкому болоту, а также в южной части акватории.

Для определения мощности донных осадков Сестрорецкого разлива в 2015 г. были пробурены скважины в восьми точках, совпадающих с местом отбора поверхностных осадков, из скважин взяты пробы на геохимический анализ и на биотестирование.

По биотестам все осадки в скважинах отнесены к 5 классу токсичности как «неопасный» по воздействию на окружающую среду. Проведено сравнение средних содержаний компонентов в поверхностном слое осадка и на глубине. По результатам химического анализа рассчитаны параметры статистического распределения химических элементов в двух выборках: первая – в 8 поверхностных донных осадках и вторая – в осадках, отобранных с глубины из скважин – 18 проб. При сравнении средних содержаний в двух выборках учитывалось их поле рассеяния, равное х+Ϭ, если они отличались более чем в 1,5 раза, то считалось, что различие есть. Для химических элементов, где наблюдается различие, построена диаграмма средних значений в поверхностных донных осадках и в глубинных отложениях (рис. 8), иллюстрирующая накопление Cd, Cu, As, Hg, Pb, Zn в поверхностном слое осадков. Как видно из гистограммы содержание компонентов на глубине голоценового слоя осадков существенно ниже чем в верхнем поверхностном слое, что говорит о накоплении канцерогенов в настоящее время, и требует принятия безотлагательных мер по снижению загрязняющего воздействия на донные осадки.

 

Схема районирования донных отложений по классам загрязненности.

Для оценки экологического состояния водоема по качеству донных отложений наряду с химическим анализом в аналитической лаборатории ООО «Эколаб» было проведено биотестирование проб по токсичному действию водных вытяжек из донных отложений на тест-объекты Chlorella vulgaris Beijer и Daphnia magna Straus и оценен класс опасного воздействия осадков на окружающую среду. По данным биологического анализа определен класс опасного воздействия осадков на окружающую среду (5-1), и по 58 пробам была построена схема оценки токсичности донных отложений Сестрорецкого разлива по данным полученным при проведении работ в 2015-2016 гг.

По результатам биотестирования (определение острой токсичности) лабораторией были даны критерии оценки опасности донных осадков Сесторецкого разлива двух классов: V (5) – как «практически неопасный» и IV (4) – как «малоопасный». Для иллюстрации этой характеристики можно было вынести на схему опробования только эти два значение классов опасности, но было проведено выделение по площади от 5 до 4 класса, с использованием первичных результатов тестов по которым лаборатория выделяла классы опасного воздействия. Использовались результаты эксперимента: число погибших рачков и относительная разница величины оптической плотности водорослей по сравнению с контролем в неразбавленной водной вытяжке из осадков. В пробах, приближенных к 4 классу опасности, но определённых лабораторией как 5 класс, были введены промежуточные значения между 4 и 5 классам пропорционально результатам анализа.

В результате была построена схема оценки токсичности донных отложений по биотестированию Chlorella vulgaris Beijer и Daphnia magna Straus по классу опасности, где обозначены номера точек опробования с голубой заливкой – 5 класс опасности, с красной заливкой – 4 класс опасности – «малоопасный» (рис. 9).

По результатам биологического анализа к V классу – как практически неопасному относится площадь акватории в северо-западной, северо-восточной части и северо-восточный берег разлива (голубой цвет). К IV классу опасности, как малоопасный, слаботоксичный относятся площади в центрально-западной части озера и в центральной части (малиновый цвет), также близкие к IV классу области в центрально-западно-южной части (розовый и кирпичный цвета). Области с зеленой и желтой окраской — переходные между двумя классами.

По результатам статистической обработки (корреляционный анализ) класс опасности по биотесту имеет слабые, на грани достоверности, но отрицательные связи с бенз(а)пиреном (-0,20), ртутью (-0,26), кадмием (-0,22), хромом (-0,20), а это означает, что при повышении концентрации этих компонентов класс опасности уменьшается, т.е. переходит в более опасный для окружающей среды.

Таким образом по результатам геохимических исследований, поле повышенной токсичности располагается в центральной части водохранилища, притягиваясь к западному и юго-восточному берегу. Зона загрязнения включает в себя поля распространения повышенных концентраций тяжелых и токсичных металлов, а также бенз(а)пирена. Загрязнение приурочено преимущественно к верхней части разреза донных осадков. Для улучшения экологического состояния водного объекта можно рекомендовать проведение очистки водохранилища от слоя загрязненных донных осадков, однако необходимым условием организации таких работ является применение технологий, полностью исключающих вторичное загрязнение водной толщи взвешенным осадочным материалом, что в условиях Сестрорецкого разлива является, очевидно, трудно осуществимым. Складирование выбранных донных осадков следует осуществлять без нанесения ущерба окружающей среде. Основной рекомендацией по снижению уровня загрязнения донных отложения является устранение источников их поступления в акваторию водохранилища. При условии прекращения поступления загрязняющих веществ можно прогнозировать постепенное снижение концентраций поллютантов вследствие естественных седиментационных процессов.

 

Список литературы:

Белонин М. Д., Голубева В.А., Скублов Г.Т.  Факторный анализ в геологии. М., Недра, 1982. 269 c

Виноградов А.П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры. Геохимия, 1962, № 7, с. 555—571.

Качество морских вод по гидрохимическим показателям. Ежегодник, 2005. Росгидромет, ГОИН. Авт.: Коршенко А.Н., Матвейчук И.Г., Плотникова Т.И. и др. М., Метеоагенство Росгидромета, 2008, 166 с.

Нормы и критерии оценки загрязнённости донных отложений в водных объектах Санкт-Петербурга. Региональный норматив ОАО «Ленморниипрект» целевой уровень, не загрязнённый, нестандартные донные отложения, 1996.

WGMS 2003. Report of the Working Group on Marine Sediments in Relation to Pollution. ICES CM 2003/ E:04.