Д.В. Рябчук, В.А. Жамойда, Д.В. Прищепенко, А.Ю. Сергеев, А.Г. Григорьев (Всероссийский научно исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского),
Т.Р. Еремина (Российский гидрометеорологический государственный университет)
Одним из направлений научных исследований, выполняемых Центром морской геологии Всероссийского научно-исследовательского геологического института им. А.П. Карпинского на протяжении последних двух десятилетий, является экологическая геология дна и берегов Финского залива. В 2011–2014 годах геохимические исследования, направленные на оценку уровня загрязнения донных отложений, были одной из задач государственного мониторинга состояния недр прибрежно-шельфовой зоны Балтийского, Белого и Баренцева морей, осуществлявшегося Федеральным агентством по недропользованию (Роснедра). С 2015 года в рамках этого проекта продолжаются геолого-геофизические исследования, направленные на мониторинг опасных экзогенных геологических процессов (ЭГП).
В свою очередь изучение геохимии донных отложений с 2014 года было продолжено в рамках международных проектов приграничного сотрудничества, а также научных проектов Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда. Исследования носят междисциплинарный характер и осуществляются в сотрудничестве со специалистами Российского государственного гидрометеорологического университета, Санкт Петербургского научного центра РАН, Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.
В ходе работ получен огромный массив геолого-геофизической и информации, анализ геохимической которой позволяет анализировать эволюцию седиментационных процессов, трансформацию рельефа и осадочного покрова дна и береговых зон, а также выполнять оценку техногенного воздействия на различные компоненты экосистемы Финского залива.
Естественные глубины в восточной части Финского залива варьируют от 2–5 м в Невской губе до 80 м в районе острова Гогланд, соленость изменяется от 0,07 до 3–6%. Финский залив находится в зоне сочленения Балтийского кристаллического щита и Русской плиты, дочетвертичные образования локально обнажаются на поверхности дна только в северо западной части исследуемой площади, в основном они перекрыты мощной толщей четвертичных отложений. Поверхностный осадочный покров дна залива характеризуется значительной мозаичностью и фациальным разнообразием.
С начала голоцена алевропелитовое осадконакопление наблюдается в пределах понижений донного рельефа – локальных седиментационных бассейнов, расположенных на ступенчато понижающихся с востока на запад батиметрических уровнях: от 5–6 м в Невской губе до 60–80 м к востоку от Гогланда. Важным с точки зрения развития бентоса и распределения подводных ландшафтов фактором является явление сезонной или постоянной гипоксии в придонных слоях воды, в последние десятилетия демонстрирующее тенденцию к продвижению от глубоководных районов к прибрежным зонам [Еремина и др., 2022].
Как известно, восточная часть Финского залива испытывает длительную и интенсивную техногенную нагрузку. С начала XVIII века до середины XX века основное воздействие на дно залива и береговую зону залива оказывали строительство искусственных островов, прокладка фарватеров, дноуглубление, дампинг. С 1960-х по 1990-е годы наряду с этими процессами, а также подводной добычей песчано-гравийных смесей, существенно изменивших рельеф и повлиявших на седиментационные процессы, наибольшее воздействие на экосистему залива оказало поступление в Финский залив большого объема поллютантов, в т. ч. тяжелых металлов.
Физическое воздействие на дно залива, вызванное добычей полезных ископаемых, дноуглублением и дампингом, оказывает непосредственное воздействие на геологическую среду и подводные ландшафты в связи с изменением рельефа дна и характера грунта.
Наиболее существенные изменения в видовом составе и биомассе бентоса наблюдались в результате реализации проекта «Морской фасад», связанного со строительством пассажирского порта в Невской губе, в 2006–2008 годах [Сухачева, Орлова, 2014].
Добыча песчаного и песчано-гравийного материала производится на затопленных террасах, сформированных в среднем голоцене в также результате чередования трансгрессивно регрессивных циклов Литоринового моря, а на подводных возвышенностях флювиогляциального происхождения (рис. 1).
В качестве примера можно привести месторождение «Пески», расположенное в северной береговой зоне Финского залива между мысами Флотский и Песчаный, где добыча песков проводилась в 1972–1992 годах. Поверхность террасы покрыта преимущественно крупно среднезернистыми и мелко-среднезернистыми плохо сортированными встречаются и песками, однако встречаются и мелкозернистые, хорошо сортированные пески.
По данным НСАП и эхолотирования относительная глубина техногенных депрессий достигает нескольких метров (рис. 2). В подводных карьерах по добыче песка к настоящему времени сформировался слой алевропелитов мощностью более 50 см. Судя по внешним литологическим признакам (крупнослоистая текстура, образованная чередованием черных и светло-серых прослоев мощностью 1–2 см), можно предполагать очень высокую скорость осадконакопления (не менее 0,5 см/год) и резкую периодическую смену гидрохимических условий – чередование окислительной и восстановительной обстановки (рис. 3).
Можно констатировать, что даже в условиях активной волновой переработки осадков в субаквальной части береговой зоны восстановления песчаных залежей на месте подводных карьеров не происходит. В техногенных выработках наблюдается активное накопление алевропелитовых илов, ранее нехарактерных для этой площади, что в значительной мере изменяет природный подводный ландшафт и, очевидно, влияет на биоценоз. Илы в береговой зоне могут рассматриваться и как потенциально активные аккумуляторы загрязняющих веществ, преимущественно накапливающихся в алевропелитовых осадках. В вертикальном распределении 137Cs по разрезу алевропелитовых осадков, отобранных в 2013 году в пределах отработанного карьера, выделяются два максимума активности. Первый – незначительный – расположен в интервале глубин 8–10 см, второй – высокой активности с максимумом в интервале глубин 30–32 см.
По данным ВСЕГЕИ максимальные концентрации 137Cs в донных отложениях восточной части Финского залива отмечались в 1989 году, что было обусловлено активными процессами его перераспределения после первичного выпадения «чернобыльских» радиоактивных осадков в 1986 году. Таким образом, максимум активности 137Cs на интервале глубин по разрезу 30–32 см можно датировать 1989 годом. За прошедшие 24 года накоплено приблизительно 31 см осадков, следовательно, средняя скорость осадконакопления на данном участке составляет не менее 1,2 см/год.
Сходная ситуация была установлена и на участке подводной добычи железомарганцевых конкреций (ЖМК) с использованием добычного судна «Лауэр» ООО «Петротранс» в 2006–2008 годах. Всего было поднято около 56 000 т конкреций. В пределах траншей (глубиной до 1 м), оставленных добычным судном, отмечено резкое изменение условий седиментации. Повсеместно замедленная или почти нулевая седиментация сменилась на аккумуляцию алевропелитовых илов. Мощность поверхностного слоя буровато серых алевропелитов позволяет предположить аномально высокие (до 1–1,5 см/год) современные скорости осадконакопления. Сферические ЖМК (диаметром до 1 см) и их обломки, оставшиеся после добычи, малочисленны и в основном встречаются в толще осадков на глубине 5–10 см.
Отсутствие микроконкреций и сглаженная поверхность сферических ЖМК (отсутствие текстур роста) свидетельствуют, что процессы роста не проявлены. Можно предположить, что конкреции растворяются. Этому не противоречат и результаты геохимических исследований ЖМК. Типичная естественная геохимическая структура сферических ЖМК с четко выраженными ассоциациями: породообразующих элементов терригенной составляющей и двух ассоциаций рудных элементов, тяготеющих к Mn и Fe, полностью нарушена. Медианные концентрации SiO2 , Al2 O3 , CaO и TiO2 в конкрециях, отобранных на площадях подводной добычи, оказались существенно выше, чем их содержания в конкрециях, отобранных вне зоны выработки. В то же время медианные концентрации MgO, MnO, Co, Ni, Mo, Cu, Pb и Zn существенно понизились.
Можно предположить, что изменение химического состава конкреций, отобранных в пределах выработок, произошло в результате селективного выноса элементов при растворении ЖМК. Таким образом, оставшиеся после отработки месторождения ЖМК в результате изменения условий седиментации превратились во вторичный источник загрязнения донных отложений. Можно прогнозировать дальнейшее растворение захороненных в осадке ЖМК и последующее конкрециеобразование по периферии зон современной алевропелитовой аккумуляции после того, как борозды, оставленные земснарядом, будут и будет заполнены осадками восстановлено седиментационное равновесие, существовавшее до добычи ЖМК [Информационный.., 2014; 2016].
На основе анализа геохимических данных установлено, что слой наиболее интенсивно загрязненных тяжелыми металлами донных отложений датируется временем с 1940-х до 1990-х годов и коррелирует с источниками поступления поллютантов в Финский залив. Доиндустриальные концентрации тяжелых металлов в большей степени зависят от геологического строения областей сноса. В последние два десятилетия концентрация тяжелых металлов в донных отложениях в целом снижается (за исключением периода интенсивных гидротехнических работ в Невской губе (2006–2007 годы), которые привели ко вторичному загрязнению водной толщи и поверхностных осадков) [Prishchepenko et al., 2023].
Важной проблемой является взаимодействие природных Как и антропогенных факторов. показали исследования, выполненные в 2012–2014 годах в рамках российско финляндского проекта TOPCONs, включавшие в себя статистический анализ имевшихся на тот момент данных о природных абиотических параметрах и бентосе восточной части Финского залива, в региональном масштабе к основным факторам, контролирующим развитие подводных ландшафтов, относятся соленость и гетерогенность рельефа и осадочного покрова [Kaskela et al., 2017].
В где пределах небольших участков дна, картирование подводных ландшафтов выполнялось на основе геологического и биологического пробоотбора планшетов многолучевого в пределах эхолотирования, основную роль в распределении и биомассе бентоса начинают играть характер донного субстрата, кислородный режим, фотические условия и гидродинамика. На большинстве исследованных полигонов закономерное увеличение наблюдается биомассы и биоразнообразия бентоса от бескислородных илов седиментационных бассейнов к зонам наиболее гетерогенного субстрата (тонкий алевропелитовый наилок с примесью песчаных частиц или грубозернистого материала на эрозионной поверхности раннеголоценовых или верхненеоплейстоценовых устойчивой Наиболее окислительной благоприятны для глин) в обстановке. развития макрозообентоса участки дна, где происходит рост железомарганцевых конкреций (ЖМК).
Макрозообентос восточной части Финского залива представлен несколькими видами ракообразных, два из которых (Mysis relicta и Pontoporeia femorata) относятся к реликтовым; амфиподами, являющимися видами-вселенцами; моллюсками, среди которых преобладают Dreissena polymorpha и Macoma balthica (Limecola balthica), а также олигохетами и полихетами [Golubkov, 2014]. Достаточно новой проблемой, решение которой является принципиально важным с точки зрения достоверной оценки состояния и прогноза развития морской среды восточной части Финского залива, является воздействие на седиментационные и диагенетические процессы вида-вселенца полихет рода Marenzelleria, в т. ч. возможное вторичное загрязнение водной среды как биогенными элементами, так и другими поллютантами, захороненными в донных отложениях.
Чужеродные полихеты рода Marenzelleria впервые были обнаружены в Балтийском море в 1985 году. Резкое увеличение биомассы полихет Marenzelleria spp. впервые было отмечено в 2009 году, что объяснялось вселением и массовым развитием арктического представителя рода – Marenzelleria arctia в относительно более глубоководных районах залива и Marenzelleria neglecta в более мелководных [Максимов и др., 2014]. Было выявлено [Еремина и др., 2016, Norkko et al., 2012], что представителей рода Marenzelleria отличает активная биотурбационная и биоирригационная деятельность в донных отложениях, что приводит к значительным геохимическим изменениям в бентосном слое и вышележащих придонных водах. Так, в Финском заливе биотурбационная и биоирригационная деятельность полихет влияет на кислородные условия в бентосном слое и определяет направление потоков биогенных веществ [Еремина и др., 2016].
По данным исследований в юго-восточной Балтике, M. neglecta строит ходы в форме букв J или L глубиной около 25–35 см; M. arctia – норы U-образной формы глубиной до 11 см и диаметром около 0,5 мм [Кочешкова, Ежова, 2018]. Важно отметить, что полихеты M. arctia толерантны к гипоксии, и при исследованиях последнего десятилетия они были повсеместно установлены в донных отложениях наиболее глубоководных локальных седиментационных бассейнов восточной части Финского залива с постоянной гипоксией, что может принципиально изменить биогеохимические процессы на границе дно–вода [Максимов и др., 2014].
По данным исследований вертикального распределения тяжелых металлов в колонках донных отложений, выполненных специалистами Института Карпинского [Prishchepenko et al., 2023], установлено, что максимальные концентрации тяжелых металлов, соответствующие периоду времени с 1940-х по 1990-е годы, фиксируются в колонках различных локальных седиментационных бассейнов на глубине грунта от 8–15 см до 15–30 см вследствие достаточно высоких скоростей алевропелитовой седиментации (от 0,2–0,3 см/год до 1–1,3 см/год). В связи с этим вопрос о глубине биотурбации Marenzelleria в различных районах Финского залива приобретает важное значение с точки зрения вторичного загрязнения донных осадков.
Благодарности
Авторы благодарят сотрудников Института Карпинского и ИО РАН, принимавших участие в полевых исследованиях.
Источники
1. Еремина Т.Р., Волощук Е.В., Максимов А.А. Оценка биогеохимических изменений в донных отложениях восточной части Финского залива вследствие вселения полихет Marenzelleria spp. по данным наблюдений и результатам моделирования // Изв. РГО, 2016, Т. 148, вып. 1, с. 55–71.
2. Еремина Т.Р., Волощук Е.В., Бубнова Е.С., Макеева И.Н., Харипова К.М. Особенности кислородных условий и режима биогенных соединений в восточной части Финского залива летом 2022 года // Морские исследования и XI образование (MARESEDU)-2022. Международной Труды научно-практической конференции. Том II (IV). Тверь, 2022.
3. Информационный бюллетень о состоянии геологической среды прибрежно-шельфовых зон Баренцева, Белого и Балтийского морей в 2013 г. / Под ред. Петрова О.В., Лыгина А.М. СПб.: Картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 2014. 136 с.
4. Информационный бюллетень о состоянии геологической среды прибрежно-шельфовых зон Баренцева, Белого и Балтийского морей в 2015 г. Авт.: Жамойда В.А., Рябчук Д.В., Сергеев А.Ю. и др. – СПб: Картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 2016. – 110 с.
5. Кочешкова О.В., Ежова Е.Е. О чужеродных видах полихет в российской части юго-восточной Балтики // Морской биологический журнал, 2018, том 3, №2, с. 53–63.
6. Максимов А.А., Еремина Т.Р., Ланге Е.К., Литвинчук Л.Ф., Максимова О.Б. Режимная перестройка экосистемы восточной части Финского залива вследствие инвазии полихет Marenzelleria arctia // Океанология, 2014, Т. 54, №1, с. 52–59.
7. Сухачева Л.Л., Орлова М.И. О применении результатов спутниковых наблюдений восточной части Финского залива для оценки воздействия естественных и антропогенных факторов на состояние акватории и биотических компонентов экосистемы // Региональная экология, №1–2 (35), 2014, с. 62–78.
8. Golubkov S.M. Ecosystem of the Eastern Gulf of Finland: biodiversity and ecological problems // Региональная экология, №1–2 (35), 2014, с. 15–20.
9. Kaskela A. M., Rousi H., Ronkainen M., Orlova M., Babin A., Gogoberidze G., Kostamo K., Kotilainen A.T., Neevin I., Ryabchuk D., Sergeev A., Zhamoida V. (2017). Linkages between benthic assemblages and physical environmental factors: The role of geodiversity in Eastern Gulf of Finland ecosystems. Continental Shelf Research, 142, 1–13. https://doi. org/10.1016/j.csr.2017.05.013
10. Norkko J., Reed D. C., Timmermann K., Norkko A. et al. A welcome can of worms? Hypoxia mitigation by an invasive species // Global Change Biology. 2012. V. 18, N2. р. 422–434.
11. Prishchepenko D.V., Ryabchuk D.V., Zhamoida V.A., Sergeev A. Yu, Leontev F.A., Grigoriev A.G., Neevin I.A., Budanov L.M., Kovaleva O.A. Main trends and results of 300-years anthropogenic impact on the geological environment and ecosystem of the Eastern Gulf of Finland // Continental Shelf Research, Vol. 265, 2023.
