Свойства поверхностных осадков как индикатор депонирования загрязняющих веществ

Изучение физико-механических свойств поверхностного слоя донных осадков

ИВАНОВ Г.И., СВЕРТИЛОВ А.А.
Государственное научно-производственное предприятие "СЕВМОРГЕО", Россия
Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Россия

На поверхности дна осаждается значительная часть загрязняющих веществ, поступающих в морскую экогеосистему различными путями - воздушными потоками, речным стоком или в результате воздействия человека (дампинг, сброс сточных вод, аварийных ситуациях и т.д.).

Процессы, протекающие на границе вода - осадок достаточно специфичны. Можно выделить два самостоятельных этапа - протосингенез и сингенез (Свальнов 1991).

На этапе протосингенеза осадочный материал концентрируется на поверхности дна в виде суспензии обладающей свойствами ньютоновой жидкости. Возможность существовать такого неустойчивого образования объясняется наличием диффузионного и вязкого ламинарного подслоя в водной толще на разделе вода - дно. По сути, это эфемерное, сезонное образование не является геологическим телом, оно легко, в виде «тяжелой жидкости» стекает по склонам, переносится придонными течениями, взмучивается волновыми воздействиями, и может неоднократно переотлагаться. Мощность суспензионного слоя зависят от морфологии дна, скорости придонных течений, темпов поступления осадочного материала.

Осадки на этапе сингенеза, несмотря на текучую консистенцию, обладают структурой и уже имеют свойства твердого тела, управляемого реологическими законами. Сингенетический слой не только постоянно нарастает за счет диффузионного прослоя, но и взаимодействует с ним через поровые растворы. Именно поверхность этого слоя является основным объектом геоэкологических исследований. До настоящего времени нет четких критериев выделения верхней границы сингенеза.

Физические свойства сингенетического слоя наиболее тесно связаны с современными условиями седиментации и являются их интегральным отражением. Помимо прямых методов определений мощности данных слоев, таких как седиментационные ловушки, можно применять косвенные методы, основанные на изучении физико-механических свойств поверхностного слоя донных осадков. Для этой цели необходимо исследовать достаточно детально верхний 10-ти сантиметровый слой осадка.

Влажность и прочность осадков необходимо определять с дискретностью в 1 см, а влажность грунта на границе текучести, рН и состав поровых растворов в интервале 1-3 см. Отличительной особенностью данной методики является высокая дискретность опробования и измерения колонок осадков, в течение первых суток после подъема пробы на борт судна. Набор основных параметров физико-механических свойств включает в себя: влажность, влажность на границе текучести, показатель интенсивности седиментации, прочность отложений, усадка грунта, удельное сопротивление пенетрации, коэффициент дегидратации и уплотнения коэффициент анизотропии.

Показатель интенсивности седиментации (KS=Wb/2LL) характеризует интенсивность процессов осадконакопления или эрозии. Вычисляется, как отношение влажности поверхностного слоя (Wb) к удвоенной границе текучести (2LL) этих осадков. Метод основан на том, что в большинстве случаев, влажность поверхностного слоя осадков близка к 2LL (Шпиков,1980). Исключение представляют эрозионные участки дна и седиментационные ловушки. Для терригенных пелитовых осадков, при стабильном осадконакопление. показатель седиментации приблизительно равен 1. В условиях лавинной седиментации он соответственно возрастает, а при размыве дна резко снижается.

Детальное изучение изменений влажности и прочности выявило сложную картину структурообразования и формирования физико-механических свойств на начальных этапах литогенеза. Мезоструктура поверхностного слоя несет на себе отпечаток условий осадконакопления, а также закономерностей структурообразования концентрированных дисперсных систем. Границы слоев протосингенеза и сингенеза определены анализом данных методом частных производных (dR/dH) и (dW/dH). Экстремумы производных соответствуют границам слоев.

Состав и физические свойства современных осадков в основном зависят от условий седиментации. Причинно-следственная последовательность выявленных закономерностей имеет вид: глубина дна => содержание пелитовой и алевритовой фракций в осадке => гидрофильность => начальная влажность (пористость и плотность) <=> коэффициент седиментации. На качественном уровне этот ряд можно расширить влиянием придонных течений, уклонами и экспозицией поверхности дна по отношению к вектору течения, биопродуктивностью водной толщи и др.

Сопоставление гидрофильности осадка с данными гранулометрического анализа показало, что в наибольшей степени этот показатель обусловлен содержанием в осадках фракций менее 0.05 мм, обусловленного батиметрией дна и гидродинамической активности придонного слоя.

Примечательно, отсутствие значимой связи между показателем седиментации и глубиной осадконакопления, а также его взаимосвязь с начальной влажностью донных осадков. Следовательно, латеральная изменчивость показателя седиментации в большей части отражает гидродинамическую активность придонного слоя и особенности подводных ландшафтов.

Прочность на глубине полтора - два и пять - семь сантиметров увеличивается скачками при практически линейном уменьшение влажности. Скачкообразные приращения прочности и изменение физического состояния осадков (жидкий —> текучий —> текучепластичный), соответствуют по схеме Свальнова В.Н. смене этапов литогенеза соответственно протосингез —> сингенез —> протодиагенез. На этих этапах прочность меняется соответственно от 0.0002 - 0.0005 - 0.005 кПа (таблица 1). Скачкообразный рост прочности обусловлен увеличением числа и площади единичных коагуляшюнных контактов между структурными элементами при сокращение порового пространства связанный с различиями в упаковке частиц и дискретной сменой количества единичных контактов при увеличении их концентрации в растворе (Щукин, Перцов. Амелина. 1982, ЩукинД 1985). Поверхность дна часто покрыта 1-2 см слоем суспензии имеющую прочность менее 2 КПа, в то время как прочность осадков на этапе сингенеза меняется от 5 до 10 КПа.

Данные о физико-механических свойствах поверхностного слоя донных осадков позволяют провести фациально-литодинамическое районирование акватории и получить новые данные о характере и динамике придонных течений, условиях осадконакопления и их влияния на аккумуляцию и ремобилизацию загрязняющих веществ.

Во время комплексной экологической экспедиции в желоб Святой Анны (Карское море), кроме биологических, гидрохимических, геохимических и геологических наблюдений изучены состав поровых растворов и физико-механические свойства поверхностного слоя донных осадков (Иванов и др.. 1997, Иванов , 2002).

Прочность отложений в желобе Св. Анны, в пределах первых полутора метров, меняется в широком диапазоне от 0.0002 до 0.2 МПа. В серо-зеленых илах и глинах встречены мелкие каверны и карманы, заполненные жидкотекучими осадками. Прослои жидкотекучих осадков подстилают литификаты, а ниже прочность и влажность осадков практически не меняется. Такой характер уплотнения отложений указывает, что плохая водопроницаемость контакта окисленных и восстановленных слоев препятствует гравитационному уплотнению серо-зеленых шов. Примечательной особенностью этих отложений является практически полная изотропия порового пространства, которая определена по характеру «усыхания» цилиндрических проб.

Верхний десятисантиметровый слой не является однородным. Его структура несет на себе отпечаток условий осадконакопления, а также закономерностей структурообразования концентрированных дисперсных систем. На поверхности осадка, как правило, присутствует суспензионный слой (наилок). Прочность на глубине полтора - два и пять - семь сантиметров увеличивается скачками при практически линейном уменьшении влажности. Характер уплотнения и прочность осадков практически не зависит от биотурбации.

В целом, согласно инженерно - геологической классификации илов поверхностный слой отложений желоба Св. Анны может быть отнесен к глубоководным, среднегидрофильным. предельно гидратированным, жидкотекучим илам. На юге, несмотря на уменьшение средней глубины дна, осадки верхнего слоя имеют глеевый характер. Они более гидрофильны, чем в центральной и северной частях полигона, коэффициент седиментации выше, а изменчивость свойств и состава по латерали значительно ниже. Снижение рН в южной части полигона, деградация окисленного слоя осадков, рост гидрофильности осадков свидетельствует об стабильных и относительно высоких темпах седиментации в южной части полигона и за счет увеличения биогенной составляющей в осадочном материале.

Обобщая приведенные данные по характеру осадконакопления и геохимическим особенностям поверхностного слоя донных осадков можно утверждать, что условия осадконакопления в северной и южной частях полигона отличаются. Граница раздела проходит по 79 широте, а с востока и запада области с однородными условиями осадконакопления ограничены стометровой изобатой бортов трога. Если для большей части полигона в поверхностном слое доминируют окислительные условия, на юге проявляется окислительно-глеевая обстановка. Кроме этого они в свою очередь подразделяются по степени гидродинамической активности придонного слоя на более мелкие геохимические ландшафты. Поверхность дна северо-восточного борта желоба несет следы сильного придонного течения, по всей остальной части полигона отмечено стабильное осадконакопление, с некоторым увеличением интенсивности седиментации в оси желоба, в подножье его западного борта и в южной части полигона.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие выводы:

1. апробированная методика изучения физических свойств в поверхностном слое донных осадков доказывает эффективность использования показателей физических свойств осадков при геоэкологических исследованиях, для реконструкции условий современного осадконакопления.

2. состав и гидрофильность верхнего трехсантиметрового слоя донных осадков контролируется в основном глубиной моря и уклонами дна. Влажность современных осадков определяется в основном гидрофильностью, что свидетельствует о нормальных условиях седиментации в пределах желоба.

3. на фоне общих закономерностей отмечаются различия между северной и южной частями полигона, как по показателю гидрофильности современных осадков, так и в различиях характера их уплотнения на начальной стадии диагенеза. Эти изменения происходят между 79 и 80 градусами северной широты и несколько нивелируются в днище желоба.

4. особый интерес представляет изменение мощности окисленного слоя, мощность которого в северной и средней частях полигона колеблется от 15 до 50 см и обратно пропорциональна глубине моря, в то время как в южной части - мощность составляет не более 5 см и не зависит от глубины.

Литература
1. Свальнов В.Н. Динамика пелагического литогенеза. //М.: Наука, 1991 г.-256 с.
2. Шпиков А.Б. Некоторые аспекты изучения и оценки инженерно-геологических
свойств морских илов. // Инженерная геология.-1980, № 6.-С.50-60.
3. Шестое Г.И. Методология и результаты экогеохимических исследований Баренцева моря. //СПб, ВНИИО, 2002 г., 155 с.
4. Иванов Г.И., Шевченко В.П., Мусатов Е.Е,, Пономаренко Т.В., Свертилоов А.А., Нещеретов А.В. Комплексная программа исследования природной среды Желоба Св. Анны (Карское море). //1997 г. Океанология, т. 37, № 4, с.632-635
5. Щукин Е.Д. Физико-химическая теория прочности дисперсных структур и материалов//В кн. Физико-химическая механика природных дисперсных сиситем. // М.: МГУ, 1985 г.-С.72-90
6. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.Д. Коллоидная химия. //М.: МГУ, 1982 г.

Материалы международной конференции "Нефть и газ арктического шельфа - 2004"