Главная  Контакты  Карта сайта  Поиск  Индексный указатель  Географический указатель  Авторский указатель  Подсказка
ДАТА: 21 СЕНТЯБРЯ, ПОНЕДЕЛЬНИК
Единая система информации об обстановке в Мировом океане. Подпрограмма 10. Федеральная целевая программа «Мировой океан».
 Картинка региона или АРМа
esimo.oceanography.ru Балтийское море / Загрязнение / Донные отложения / Тяжелые металлы. Финский залив 2001-2004 гг / 4. Тяжелые металлы в Д.О. Финского залива /
 ЗАГРЯЗНЕНИЕ
4. Тяжелые металлы в Д.О. Финского залива
Назад Начало Вперед  карта россии  Поиск  Индексный указатель  Географический указатель  Авторский указатель  Подсказка

Год:

Представленные материалы базируются на результатах мониторинга, проводимого в "Севморгео" в восточной части Финского залива Балтийского моря. Авторы А.Е. Рыбалко и Г.Т. Фрумин

4.1. Количественные соотношения между содержанием металлов в донных отложениях Восточной части Финского залива и Невской губы и их кларками

Понятие кларк было введено А.Е. Ферсманом в 1923 г. Он определяет его как относительное количество атомов данного элемента в данном космическом теле или его части, то есть характеризующее частоту, распространенность, среднее содержание элементов. Проблеме кларков основополагающее значение придавал также В.И. Вернадский, который писал: "Числа кларков не случайны, они дают нам в руки могучее средство… идти глубоко в понимании закономерностей атомного строения планеты…Таблица кларков выражает очень основное свойство вещества планеты, всех ее сложнейших химических, атомных изменений - дает понятие о равновесиях атомов, закономерных в верхних частях земной коры… Таблица кларков стоит в геохимии на равном месте с таблицей атомных весов - в периодическом ее выражении в таблице Менделеева" [Вернадский, 1954].

Среднее содержание химического элемента в какой-либо естественной геохимической системе - величина постоянная. Всякое статистически значимое отклонение от Кларков в ту или иную сторону причинно обусловлено и тем самым пригодно для широкого использования в прикладных целях. Как показывает практика, для оценки значимости конкретных случаев таких отклонений в сторону накопления иногда достаточно сопоставления местных значений содержания металла с его глобальным кларком пород того или иного типа [Овчинников, 1990].

В связи с изложенным представлялось целесообразным выявить количественные соотношения между содержанием металлов в донных отложениях восточной части Финского залива и их кларками.

На первом этапе исследования такая попытка была реализована на основе данных мониторинга 2000 г. в Невской губе. С этой целью была проведена математико-статистическая обработка первичных данных наблюдений по всей акватории Невской губы (табл. 4.1. и табл. 4.2.).

Таблица 4.1
Статистические характеристики распределения металлов в донных отложениях Невской губы в 2004 г.

Примечание. N - количество наблюдений; XМИН. - минимальное содержание, %; XМАКС. - максимальное содержание, %; XСР. - среднее содержание, %; НК - нижняя квартиль; ВК - верхняя квартиль; m - стандартная ошибка средней; ? - стандартное отклонение; CV - коэффициент вариации.

Таблица 4.2
Статистические характеристики распределения металлов в донных отложениях Невской губы в 2004 г

Примечание. N - количество наблюдений; XМИН. - минимальное содержание, %; XМАКС. - максимальное содержание, %; XСР. - среднее содержание, %; НК - нижняя квартиль; ВК - верхняя квартиль; m - стандартная ошибка средней; ? - стандартное отклонение; CV - коэффициент вариации.

Использование данных, приведенных в табл. 4.1. и табл. 4.2., позволило выявить следующее статистически значимое уравнение, связывающее содержание металлов в донных отложениях Невской губы в 2004 г. с их кларками (см. также рис.4.1):

lg[Me, %] = 0,6241 lg[Кларк, %] - 0,6688 (1)

N = 10; r = 0,899; r2 = 0,808; m = 0,389; FР = 33,64; FT = 5,12; FР/ FT = 6,57

Или [Me, %] = 0,214 [Кларк, %]0,624 (2)

Здесь N - количество металлов, использованных при построении регрессионной модели, r - коэффициент корреляции (теснота связи), r2 - коэффициент детерминации (объяснимая доля разброса), m - стандартная ошибка, FР - расчетное значение критерия Фишера, FT - табличное значение критерия Фишера для уровня значимости ? = 5%.

Рисунок 4.1
Зависимость среднего содержания металлов в донных отложениях Невской губы в 2004 г. от кларков металлов в земной коре

Как следует из приведенных статистических характеристик, уравнение (1) адекватно (FР > FT) и может быть использовано для прогнозирование величин средних содержаний металлов в донных отложениях Невской губы (FР > 4FT) [Дрейпер, Смит, 1973]

Для иллюстрации приводим результаты следующих расчетов. По данным мониторинга 2004 г. среднее содержание титана в донных отложениях Невской губы было равно 2865 ppm или 0,29%. Кларк титана равен 0,53 %. Подставляя это значение кларка титана в формулу (2), получим, что прогнозируемая величина содержания титана в Невской губе составит 0,14%, что весьма близко к вышеприведенному среднему содержанию.

С учетом изложенного на втором этапе исследований была проведена математико-статистическая обработка всех данных мониторинга содержания металлов в Невской губе за период с 2000 г. по 2004 г. (табл.4.3, 4.4).

Таблица 4.3
Статистические характеристики распределения металлов в донных отложениях Невской губы за период 2000-2004 гг

Примечание. N - количество наблюдений; XМИН. - минимальное содержание, %; XМАКС. - максимальное содержание, %; XСР. - среднее содержание, %; НК - нижняя квартиль; ВК - верхняя квартиль; m - стандартная ошибка средней; ? - стандартное отклонение; CV - коэффициент вариации.

Таблица 4.4
Статистические характеристики распределения металлов в донных отложениях Невской губы за период 2000-2004 гг

Примечание. N - количество наблюдений; XМИН. - минимальное содержание, %; XМАКС. - максимальное содержание, %; XСР. - среднее содержание, %; НК - нижняя квартиль; ВК - верхняя квартиль; m - стандартная ошибка средней; ? - стандартное отклонение; CV - коэффициент вариации.

Использование данных, приведенных в табл.4.3. и табл. 4.4., позволило выявить следующее статистически значимое регрессионное уравнение, связывающее среднее содержание металлов в донных отложениях Невской губы за период с 2000г. по 2004 г. с их кларками (см. также рис. 4.2.):

lg[Me, %] = 0,645 lg[Кларк, %] - 0,588 (3)

N = 10; r = 0,908; r2 = 0,824; m = 0,381; FР = 37,37; FT = 5,12; FР/ FT = 7,36

или [Me, %] = 0,258 [Кларк, %]0,645 (4)

Здесь N - количество металлов, использованных при построении регрессионной модели, r - коэффициент корреляции (теснота связи), r2 - коэффициент детерминации (объяснимая доля разброса), m - стандартная ошибка, FР - расчетное значение критерия Фишера, FT - табличное значение критерия Фишера для уровня значимости ? = 5%.

Как следует из приведенных статистических характеристик, уравнение (1) адекватно (FР > FT) и может быть использовано для прогнозирование величин средних содержаний металлов в донных отложениях Невской губы (FР > 4FT).

Справедливость высказанного соображения подтверждается следующим примером. Для четырех элементов, данные для которых не были использованы при получении формул (3) и (4), были проведены оценки средних концентраций содержания в донных отложениях Невской губы за период с 2000 г. по 2004 г. Затем по формуле (4) были рассчитаны прогнозируемые величины содержания этих элементов и проведено сопоставление фактически наблюдавшихся и прогнозных величин (табл. 4.5).

Как следует из приводимых данных можно считать вполне удовлетворительным совпадение фактически наблюдавшихся и прогнозируемых величин содержания рассмотренных металлов в донных отложениях Невской губы.

Рисунок 4.2
Зависимость среднего содержания металлов в донных отложениях Невской губы за период с 2000 г. по 2004 г. от кларков металлов в земной коре

Таблица 4.5
Фактически наблюдаемые и прогнозируемые величины содержания металлов в донных отложениях Невской губы

Аналогично вышеизложенному было выявлено статистически значимое уравнение регрессии между содержанием металлов в донных отложениях восточной части Финского залива за комплексом защитных сооружений (КЗС) и их кларками в земной коре (табл. 4.6 и рис. 4.3).

Таблица 4.6
Среднее содержание металлов в донных отложениях восточной части Финского залива за комплексом защитных сооружений и их кларки

По данным табл. 4.6 было выявлено статистически значимое регрессионное уравнение, связывающее среднее содержание металлов в донных отложениях восточной части финского залива за КЗС за период с 2001 г. по 2005 г. с их кларками (см. также рис. 4.3):

lg[Me, %] = 0,736 lg[Кларк, %] - 0,268 (3)

N = 11; r = 0,917; r2 = 0,841; m = 0,423; FР = 47,48; FT = 4,96; FР/ FT = 9,57

или [Me, %] = 0,54 [Кларк, %]0,736 (4)

Здесь N - количество металлов, использованных при построении регрессионной модели, r - коэффициент корреляции (теснота связи), r2 - коэффициент детерминации (объяснимая доля разброса), m - стандартная ошибка, FР - расчетное значение критерия Фишера, FT - табличное значение критерия Фишера для уровня значимости ? = 5%.

Как следует из приведенных статистических характеристик, уравнение (3) адекватно (FР > FT) и может быть использовано для прогнозирование величин средних содержаний металлов в донных отложениях восточной части Финского залива за комплексом защитных сооружений (FР > 4FT).

Рисунок 4.3
Зависимость среднего содержания металлов в донных отложениях восточной части Финского залива за комплексом защитных сооружений за период с 2001 г. по 2005 г. от кларков металлов в земной коре

4.2. Загрязнение донных отложений Восточной части Финского залива тяжелыми металлами

Тяжелые металлы в донных осадках Финского залива концентрируются преимущественно в глинистых осадках. Как уже было отмечено ранее, глинистая (пелитовая) седиментация сосредоточена в депрессиях доголоценового рельефа и, соответственно, распределение тяжелых металлов определяется характером пространственного распространения литологических типов осадков. Для того, чтобы избавиться от влияния литологического фактора при геоэкологических исследованиях, как в России, так и за рубежом, изучение концентраций микроэлементов проводят преимущественно в глинистых осадках

Наблюдения над концентрациями тяжелых металлов в придонных водах показали, что, начиная с 2001 г, суммарное содержание их в целом снижалось, что связывается нами с уменьшением их поступления со стоками со стороны берега, в том числе и в связи с принятыми по рекомендациям ХЕЛКОМ мерами [Корнеев и др, 2005] (рис. 4.4.).

Рисунок 4.4
Изменение концентраций суммы тяжелых металлов в придонных водах Финского залива по данным геоэкологического мониторинга

В тоже время донные осадки, которые по своей сути являются депонирующей средой, не являют столь явной картины. Это связано с тем, что на границе "дно-вода" происходит активный обмен между придонными и иловыми водами, концентрации микроэлементов в которых входят в качестве подвижной формы в суммарные концентрации донных осадков. Накопление или относительное обеднение иловых вод в приповерхностном слое осадков, который, кстати, на 60-70% состоит из этих самых вод, зависит от многих, главным образом, природных факторов, одним из которых является положение нулевой границы редокс-потенциала. В свою очередь, значение редокс-потенциала непосредственно связано с содержанием растворенного кислорода в придонном слое водной толщи. А этот показатель определяется как природными циклическими причинами, так и влиянием антропогенного фактора, в частности поступлением сюда органического вещества, на окисление которого и расходуется кислород [Рыбалко и др.2004].

Сами концентрации тяжелых металлов в донных осадках, которые являются обычными компонентами природной среды и распределение которых обусловлено в том числе законами седиментогенеза, зависят и от природного фона, что и было показано в предыдущем разделе. Установленные там закономерности свидетельствуют о преобладающем влиянии на распространение тяжелых металлов природных факторов, тогда как антропогенный вклад должен вести к нарушению этих связей и может рассматриваться как "шум", нарушающий общие закономерности.

Это вывод достаточно хорошо продемонстрирован на рис. 4.5, где видно, что закономерное изменение концентраций во временном тренде, по крайней мере, в период с 2002 по 2004 отсутствует. Так, средние концентрации меди, максимальные в 2002 году, резко снижаются в 2003 году и возрастают вновь в 2004 г.

Одной из таких причин может являться установленное нами резкое ухудшение экологической ситуации в восточной части Финского залива в связи с затоком североморских вод в Балтику весной 2003 года. Вентиляция глубинных вод в Готландской котловине привела к частичной интрузии бескислородных глубинных вод с циркуляционными течениями в Финский залив [Рыбалко и др., 2004]. Это привело к резкому расширению в глубоководной части рассматриваемого района (на глубинах более 50м) анаэробных зон и, соответственно, миграции большинства микроэлементов из иловых вод в придонные. Соответственно, произошло и обеднение донных отложений наиболее подвижными формами тяжелых металлов. В тоже время концентрации малоподвижных микроэлементов, таких как Cr и Ni, а также металлов, природный источник которых связан с речным стоком (Fe и Mn) меняются мало и в пределах аналитической ошибки.

Анализ временных трендов различных металлов по отдельным станциям показывает широкий разброс полученных результатов (рис. 4.6., 4.7.). Так, максимальные концентрации подвижного цинка обнаружены в 2002 на ст. ФЗ-6 в районе о-ва Сескар. На станциях ФЗ-1 (Красногорский рейд, вблизи Кронштадта) и ФЗ-12 (в Копорском заливе) наибольшие содержания зафиксированы в 2001 году, а на станциях F-41 и GF-6, расположенных на удалении от города максимум содержаний приходится на последние годы, начиная с 2003 г. С одной стороны можно сделать вывод, что подобные тренды связаны с последовательной миграцией тяжелых металлов со стоковыми течениями в западную часть, но этому препятствуют 2 обстоятельства. Первый - это чрезвычайно сложный характер трендов без видимых закономерностей, второй, слабо просматривающаяся, но тем не менее вполне отчетливое снижение концентраций также в западную часть, одновременно с появлением на западе на отдельных станциях гораздо более высоких концентраций, чем вблизи Санкт-Петербурга. В частности, в 2001 году концентрации меди на Красногорском рейде были не выше 70 p.p.m, в то время как у о-Гогланд (ст. ФЗ-3) они превышали 150 p.p.m., т.е. были в 2 раз выше. В 2004 году они были примерно равны по величине, в то время как между ними располагались станции с существенно более низкими концентрациями Cu.

Рисунок 4.6а
Сопоставление концентраций тяжелых металлов в донных осадках в восточной части Финского залива

Рисунок 4.6б
Сопоставление концентраций тяжелых металлов в донных осадках в восточной части Финского залива

Рисунок 4.6в
Сопоставление концентраций тяжелых металлов в донных осадках в восточной части Финского залива

Рисунок 4.7а
Сопоставление концентраций тяжелых металлов в донных осадках в восточной части Финского залива

Рисунок 4.7б
Сопоставление концентраций тяжелых металлов в донных осадках в восточной части Финского залива

Рисунок 4.7в
Сопоставление концентраций тяжелых металлов в донных осадках в восточной части Финского залива

Количественные данные и статистические характеристики изменения концентраций на отдельных станциях в течение описываемого срока представлены в табл. 4.7.

Таблица 4.7
Сопоставление изменения концентраций тяжелых металлов по отдельным станциям мониторинга в восточной части Финского залива

Отчетливо видно, что для временных трендов единичных станций характерен широкий и незакономерно повторяющийся разброс данных. Тем не менее, отчетливо проявляется разница между данными по содержаниям меди (геохимически подвижный элемент, в частности в составе минерально-органогенных комплексов) и хрома (малоподвижный элемент, преимущественно входит в состав кристаллической решетки минералов). Это хорошо видно на примере вычисленного стандартного отклонения, которое для меди колеблется в пределах от 31 до 61, а для хрома оно укладывается в пределы 21,6-28,58.

Изучение временных трендов распределения микроэлементов, а также анализ пространственных схем их площадного распространения показывает неоднозначные результаты. С одной стороны отчетливо видно, что четкое уменьшение концентраций тяжелых металлов со стороны Санкт-Петербургского мегаполиса, которое трактовалось финскими исследователями, как доказательство активного воздействия города на экосистему западной части залива [Vallius, 2002], отсутствует. С другой стороны анализ пространственного распространения загрязняющих веществ в Финском заливе и их локализация в донных отложениях свидетельствует, что значительная тяжелых металлов аккумулируется в илах Шепелевского и Сескарского плеса, т.е. в пределах Невского эстуария. Это видно по изменению концентраций тяжелых металлов по профилю от Невского эстуария до Гогландского плеса, установленных по данным геоэкологического мониторинга в 2003 г.

Такие металлы, как As, Ni, Cu, Pb максимальные средние концентрации имеют в донных осадках Шепелевского плеса, т.е. во внутренней части невского эстуария до линии между мысами Стирсудден и Шпелев. При этом важно, что эти средние концентрации выше регионального уровня загрязнения по классификации Ленморниипроекта. По концентрациям таких подвижных элементов как цинк и медь ареал загрязненных осадков гораздо шире и охватывает почти все седиментационные районы (рис.3.3.).

Концентрации хрома и цинка при этом не дифференцированы по отношению к Санкт-Петербургу.

Дополнительная информация о пространственном распределении может быть получена при анализе пространственного распределения отдельных микроэлементов. Так по результатам мониторинга 2004 года отчетливо видно, что тезис о концентрировании тяжелых металлов в пределах невского эстуария и Сескарского плеса хорошо подтверждается на примере меди, где за пределами указанных районов высокие концентрации отмечаются только в Выборгском заливе. Эта тенденция может быть с достаточной условностью отнесена и к хрому. Распределение же Sr показывает, что при общем снижении концентраций данного тяжелого минерала к западу, в районе острова Гогланд, а также в Лужской губе обнаруживаются высокие концентрации стронция.

Появление высоких концентраций микроэлементов в западной части полигона, которые не имеют видимой связи с Санкт-Петербургским мегаполисом, видно и на примере пространственного распределения Ni в донных осадках по данным мониторинга 2003 г (рис.4.9.). При этом в седиментационных бассейнах Межостровного района, концентрации металлов всегда много ниже регионального норматива загрязнения.

Рисунок 4.9
Распределение никеля в донных осадках восточной части Финского залива по данным мониторинга в 2003 г

Наличие локальных аномалий металлов в донных осадках, прежде всего, в Выборгском и Нарвском заливах, а также таких явных антропогенных загрязнителей, как 137Сs, давно было предметом наших исследований [Рыбалко и др., 2004]. Связь этих концентраций с Санкт-Петербургом весьма сомнительна и их появление связано с местными источниками загрязнения, к числу которых относится сток рек Луга и Нарова, геохимическая барьерная зона в устье которых узкая и не обладает достаточным фильтрационным эффектом. Появление этих локальных концентраций может быть связано и с изменением редокс-потенциала в придонном слое воды, что в свою очередь может привести ко вторичному загрязнению придонных вод и слоя наилка тяжелыми металлами. В частности появление относительно высоких концентраций никеля на ст.GF-3 и S-6, в которых были установлены резко отрицательные значения редокс-потенциала, могут быть причиной этому явлению (рис.4.9.).

Вывод о преимущественной аккумуляции тяжелых минералов в донных отложениях невского эстуария нашел свое подтверждение и в результатах мониторинга 2005 г., материалы которого в настоящее время находятся в обработке. На рис. 4.10. отчетливо видно, что наиболее загрязненные осадки тяготеют к Шепелевскому и Сескарскому плесам (оценка сделана по сумме тяжелых металлов, отнесенных к фону, который рассчитан как среднее значение+ 1 стандартное отклонение), а также зафиксированы на ст. ФЗ-3 у острова Гогланд. В последнем случае важно иметь ввиду, что проба была отобрана в тонком слое существенно алевритового перлювия, перекрывающего илы литоринового возраста, т.е. отражают действительно условия современного осадконакопления.

Рисунок 4.10
Комплексная оценка загрязненности (КОЗ) донных осадков Финского залива тяжелыми металлами. 2005 год


Copyright:
Единая система информации об обстановке в Мировом океане. Динамическое электронное справочное пособие.
Введено в опытную эксплуатацию 01.06.2007
Технология разработана Лабораторией автоматизированных систем ГУ "ГОИН".
Свои вопросы и замечания направляйте разработчикам isys_lab@geocentre.ru. © 1998-2007 ГУ "ГОИН".
Счётчик 88х31 Счётчик 88х31 Счётчик 88х31 Счётчик 88х31 Счётчик 88х31
Банер 232х60 Банер 468х60 Банер 232х60
Банер 114х60 Банер 114х60 Банер 114х60 Банер 114х60 Банер 114х60 Банер 114х60 Банер 114х60 Банер 114х60