Содержание к диссертации
Введение-1
1. Источники техногенного загрязнения (характеристика и классификация)-9
1.1 Классификация источников поступления загрязняющих веществ в морские экосистемы-9
1.2 Характеристика источников поступления загрязняющих веществ на западно-арктический шельф России-12
1.2.1. Экзогенные источники-12
1.2.1.1. Питающие провинции западно-арктического шельфа-12
1.2.1.2. Речной сток-16
1.2.1.3. Эоловый источник-30
1.2.2. Эндогенные источники-41
1.2.3. Акваполитехногенный источник-43
2. Пути миграции и накопления загрязняющих веществ (барьеры)-56
2.1. Границы разделов в структуре океана и активные поверхности-56
2.2. Геохимические барьеры-58
3. Методика работ-70
3.1. Полевые наблюдения-70
3.1.1. Аэрозоли-70
3.1.2. Взвесь-73
3.1.3. Изучение потоков осадочного материала-74
3.1.4. Вода-74
3.1.4.1. Гидрофизическое зондирование-74
3.1.4.2. Гидрохимические исследования-75
3.1.5. Донные осадки-76
3.1.5.1. Геоакустические исследования-76
3.1.5.2. Гидроакустические исследования-77
3.1.5.3. Донное опробование-77
3.1.5.4. Радиологические исследования-78
3.1.5.5. Изучение физических свойств донных осадков-81
3.1.6. Гидробиологические исследования-83
3.1.7. Микробиологические исследования и биотестирование-85
3.2. Лабораторные исследования-88
3.2.1. Исследование загрязняющих веществ в воде-88
3.2.2. Литолого-минералогические и геохимические исследования-89
3.2.3. Исследование загрязняющих веществ в донных осадках'-90
3.2.4. Органо-геохимические исследования-90
3.3. Анализ, оценка и картирование состояния природной среды-92
3.3.1. Методика расчета фоновых концентраций загрязняющих веществ-92
3.3.2. Методика построения эко-геохимических карт-93
3.3.3. Методы оценки состояния природной среды-94
4. Литолого-экогеохимические характристики природной среды-104
4.1 Трансрегиональный уровень-105
,4.1.1. Аэрозоли-105
4.1.2. Вода, Взвесь-108
4.1.2.1.Общая характеристика гидрологического режима-108
4.1.2.2. Концентрации загрязняющих веществ и их латеральная изменчивость-ПО
• Нефтяные углеводороды-ПО
• Полициклические ароматические углеводороды-113
• Фенолы-114
• Хлорорганические соединения (ПХБ, А-ГХЦГ, Г-ГХЦГ,ДДТ, ДДЕ, ДДД)-117
• Тяжелые металлы-125
4.1.3. Донные осадки-131
4.1.3.1. Концентрации поллютантов в донных осадках и их латеральная изменчивость-131
• Нефтяные углеводороды-131
• Полициклические ароматические углеводороды-133
• Фенолы-135
• Хлорорганические соединения (ПХБ, А-ГХЦГ, Г-ГХЦГ,ДДТ, ДДЕ, ДДД)-138
• Тяжелые металлы-143
У Валовые содержания-143
У Относительная сорбционная емкость-147
У Изменчивость форм нахождения тяжелых металлов-159
• Радионуклиды-164
4.2. Региональный уровень-169
4.2.1. Печорское море-169
4.2.1.1. Вода-169
а Общая характеристика гидрологического режима Печорского моря-169
а Концентрации загрязняющих веществ и их латеральная изменчивость-176
• Поверхностные воды-176
>СПАВ-176
• Придонные воды-176
У Нефтяные углеводороды-176
У Полициклические ароматические углеводороды-179
У Фенолы-179
У Хлорорганические соединения (ПХБ, А-ГХЦГ, Г-ГХЦГ, ДДТ, ДДЕ, ДДД)-179
У Тяжелые металлы-183
а Взвесь-190
4.2.1.2.Донные осадки-194
а Цитологическая характеристика донных осадков-194
а Концентрации поллютантов в донных осадках и их латеральная изменчивость-196
• Фенолы-196
• Нефтяные углеводороды-196
• Полициклические ароматические углеводороды-199
• Хлорорганические соединения (ПХБ, А-ГХЦГ, Г-ГХЦГ,ДДТ, ДДЕ, ДДД)-199
• Радионуклиды-201
• Тяжелые металлы.-207
У Валовые содержания-207
У Относительная сорбционная емкость-209
4.2.2. Желоб Святой Анны-219
4.2.2.1. Аэрозоли-219
4.2.2.2. Вода-221
а Общая характеристика гидрологического режима-221
а Концентрации загрязняющих веществ и их латеральная изменчивость-223
• Поверхностные воды-223
• Слой вод "атлантического течения"-227
• Придонные воды-227
а Взвесь-231
а Потоки осадочного вещества-234
4.2.2.3. Донные осадки •-238
а Цитологическая характеристика донных осадков-238
• Гранулометрический состав-238
• Минералогический состав глин-241
а Физические свойства поверхностного слоя осадков-247
а Концентрации поллютантов в донных осадках и их латеральная изменчивость-259
4.3. Локальный уровень-279
4.3.1. Приразломное НМ (Печорское море)-279
4.3.1.1. Вода-279
а Общая характеристика гидрологического режима на Приразломном НМ-279
а Концентрации загрязняющих веществ-281
• Поверхностные воды-281
• Придонные воды-282
4.3.1.2. Донные осадки-285
а Концентрации поллютантов в донных осадках-286
4.3.2. Штокмановское ГКМ (Баренцево море)-289
4.3.2.1. Вода-289
а Общая характеристика гидрологического режима-289
а Концентрации загрязняющих веществ и их латеральная изменчивость-295
а Взвесь-302
4.3.2.2. Донные осадки-305
а Литолого-минералогическая характеристика донных осадков-305
а Концентрации поллютантов в донных осадках и их латеральная изменчивость-307
4.3.3. Специализированные радиологические исследования-316
4.3.3.1. Губа Черная (Печорское море)-319
• Общая характеристика гидрологического режима-319
• Литологическая характеристика донных осадков-320
• Концентрации радионуклидов в донных осадках-321
4.3.3.2. Полигон захоронения радиоактивных отходов (Карское море).-324
• Общая характеристика гидрологического режима-325
• Концентрации радионуклидов в воде-329
• Концентрации радионуклидов в донных осадках-331
5. Оценка состояния природной среды-333
5.1. Экогеохимические критерии-333
5.2 Биотестирование-338
5.3 Макробентос-343
Заключение-346
Литература-350
Введение к работе
Актуальность научной проблемы.
Россия обладает крупнейшим в мире шельфом, большая часть которого приходится на арктическую зону. Накопленные сведения убедительно свидетельствуют о перспективах шельфа на полезные ископаемые (нефть, газ, россыпи золота, олова, алмазов, строительные материалы, кормовые ракушечные пески и др.). Это позволяет считать недра шельфа России крупнейшим резервом минерально-сырьевых ресурсов.
Арктический шельф России обладает также крупнейшими ресурсами фитобентоса (ламинарии, фуккоиды, анфельция) и зообентоса (гребешки и другие моллюски, куккумария, ежи, ракообразные), являющимися важным резервом пищевых и кормовых продуктов.
Не менее важно значение Западно - арктического шельфа России как нового объекта комплексного народнохозяйственного освоения в промысловых, транспортных, строительных и других целях. В связи с этим очевидна актуальность проведения геоэкологических исследований шельфа. Эта необходимость усугубляется особой хрупкостью арктической природной среды.
В своем докладе "Геоэкология - новое научное направление" на XXVII Геологическом Конгрессе Е.А. Козловский зафиксировал сформировавшееся к тому времени новое научное направление и дал основные понятийные определения. Геоэкология в целом рассматривалась как новое научное направление, возникшее на стыке геологии и экологии и изучающее закономерные связи между живыми организмами, техногенными образованиями и геологической средой (Козловский, Жамойда, Кушев, 1984, Козловский, 1989). В качестве основной задачи геоэкологии рассматривалось изучение, анализ и прогноз изменений геологической среды, в неразрывной связи с изменениями (загрязнением) других составляющих природной среды (атмосферы, гидросферы, растительности) и возможным их влиянием на живые организмы, включая человека. В дальнейшем, для разделения двух географического и геологического направлений был предложен термин экологическая геология (Трофимов, Зилинг, 1994), под которым понималось новое научное направление в геологии, изучающее верхние горизонты литосферы, как одну из основных абиотических компонент экосистем высокого уровня организации (Трофимов. Зилинг, 2000). В данной трактовке "экологическая геология" является , с одной стороны новым научным направлением в геологии, а с другой стороны -составной частью геоэкологии.
Одновременно со становлением геоэкологии в целом, сразу же выделилось самостоятельное научное направление - геоэкология шельфа. ВНИИОкеангеология активно включилась в разработку научно-технического и нормативно-правового обеспечения данного вида работ (Временные требования ..., 1987, Временные методические ..., 1989, Комплексное ..., 1989, Геологический мониторинг ..., 1990, Проблемы геоэкологии ..., 1991 и т.д.). Становление и развитие научно-теоретических представлений и методологии исследований в первую очередь связано с такими именами как Б.Х. Егиазаров, А.И. Айнемер, В.И. Гуревич, ДА. Додин, М.А. Садиков.
Активные работы, имеющие большое научно-практическое значение, связанные в первую очередь, с геологической съемкой в Балтийском море, проводились во ВСЕГЕИ, под руководством М.А. Спиридонова. Несколько позднее к геоэкологическим исследованиям шельфа приступили НИПИОкеангеофизика (Геленджик), МАГЭ (Мурманск), Дальморгеология (Находка).
Большой вклад в научно-теоретическое обоснование работ внесли и организации Российской Академии Наук. В первую очередь необходимо выделить Кольский филиал РАН и Мурманский Морской Биологический Институт, под руководством Г.Г. Матишова, ИО РАН-Н.А. Айбулатов, BE. Виноградов, А.П. Лисицын, Е.М. Емельянов.
Огромный вклад в развитие методики и практики исследований внесли специалисты Роскомгидромета, включая головной институт ААНИИ и РНЦ "Мониторинг Арктики" под руководством С.А. Мельникова и их территориальные представительства в Мурманске, Архангельске.
Диссертационная работа является частью исследований, осуществляемых по программам Министерства природных ресурсов "Шельф России", Министерства науки и технологий "Комплексные исследования океанов и морей Арктики и Антарктики" (ГНТП "Мировой океан"). Она была выполнена в соответствии с подпрограммой геоэкологического изучения континентального шельфа окраинных и внутренних морей и водоемов Российской федерации (подраздел "Геоэкология шельфа России").
В данной работе, применительно к морским акваториям, исследуется взаимоотношение техногенеза и седиментогенеза. Основной задачей, в данной трактовке является определение техногенной компоненты и масштабов ее воздействия в процессе осадкообразования на современном этапе. При этом основное внимание уделяется анализу ЗВ„ на различных уровнях организации вещества, что предполагает интенсивное внедрение геохимических методов. С одной стороны нами рассматриваются вопросы геохимии, как природных компонентов, так и искусственных. С другой стороны - процессы поступления вещества, его миграция, трансформация и накопление на шельфе теснейшим образом связаны с процессами современного седиментогенеза.
Научное направление. Развитие нового научного направления - экогеохимической седиментологии, как учения о процессах поступления загрязняющих веществ (природных и искусственных), их миграции, трансформации и накопления в шельфовой зоне и глубоководной части морей на современном этапе седиментогенеза. Методологической основой исследований является системный подход базирующийся на анализе экологической среды как компонента окружающей среды в тесной связи с литосферой, гидросферой, биосферой, атмосферой и техносферой.
Цель работы. Комплексная оценка состояния природной среды на основе анализа экогеохимических полей в пределах Западно- Арктического шельфа России.
Основные задачи исследований. В соответствии с поставленной проблемой в ходе выполнения работы решались следующие задачи:
1. Классификация и характеристика источников поступления загрязняющих веществ в шельфовую область.
2. Анализ и характеристика путей и механизмов транспортировки и осаждения загрязняющих веществ.
3. Создание методологии и методики выполнения геоэкологических исследований шельфа.
4. Оценка и анализ фоновых характеристик загрязняющих веществ основных составляющих природной среды - аэрозолей, воды, взвеси, донных осадков и бентоса на объектах различного иерархического уровня.
5. Характеристика и анализ уровней радиоактивного загрязнения.
6. Оценка состояния природной среды Западно- Арктического шельфа России.
Защищаемые положения.
На основе проведенных исследований разработаны и апробированы теоретические и методологические основы оценки состояния природной среды Западно-Арктического шельфа, которые могут быть сформулированы в виде следующих положений:
1. Определение техногенной компоненты и масштабов ее воздействия на различных этапах седиментогенеза и уровнях организации вещества возможно лишь при системном изучении поступления, миграции, трансформации и накопления загрязняющих веществ, которые имеют различный генезис: природный (экзогенные, эндогенные) и акваполитехногенный.
2. Разработанная методология оценки состояния природной среды, на примере Западно-Арктического шельфа, предусматривает исследование всех звеньев экосистемы (аэрозоли, потоки вещества, взвесь, водная толща, донный осадок и поровые воды, и бентические сообщества) как на уровне валовых концентраций ЗВ, так и на уровне форм их нахождения.
3. Дифференциальный и интегральный анализ параметров придонной среды акваторий Арктического шельфа в трансрегиональном, региональном, локальном и импактном точечном масштабах, свидетельствует об относительно низком уровне антропогенного стресса. Выявленные локальные участки нарушения биотической и абиотической среды, являются следствием хозяйственной деятельности и поступлением ЗВ из Западной Европы с теплыми "атлантическими водами".
4. Изменчивость уровней концентраций всех основных групп загрязняющих веществ (хлорорганических соединений, тяжелых металлов (Fe, Си, Mn, Ni, Pb, Zn, Cd), фенолов, СПАВ, радионуклидов, нефтяных углеводородов и полициклических аренов) в придонной среде определяются типом и масштабом источника, особенностями миграции и накопления поллютантов. Степень загрязненности донных осадков лимитируется параметрами экогеохимической барьерной зоны вода-осадок - содержанием пелитовой фракции, наличием кварца и составом глинистых минералов
5. Уровни содержаний искусственных радионуклидов в воде и донных осадках западно- арктического шельфа имеют низкие фоновые значения и определяются глобальными выпадениями и переносом водами Гольфстрима из Западной Европы. Поступление радионуклидов из мест дампинга радиоактивных отходов не зафиксировано, за исключением губы Черной и прилегающей к ней части акватории Печорского моря.
Научная новизна состоит в формировании нового научно-методического подхода к проблеме геоэкологических исследований арктического шельфа, исследующего взаимоотношение техногенеза и седиментогенеза. При этом главным является определение техногенной компоненты и масштабов ее воздействия в процессе осадкообразования, что требует анализа источников, путей миграции, трансформации и накопления загрязняющих веществ (природных и искусственных) в процессе седиментогенеза. На основе предложенного подхода, создана методика и методология геоэкологических исследований шельфа. Разработаны экогеохимические параметры и критерии оценки состояния придонных экосистем Западно-Арктического шельфа для различных уровней исследований. Предложена новая классификация источников поступления загрязняющих веществ и дана их характеристика. Выявлены особенности генезиса, миграции, условий преобразования и накопления поллютантов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Комплексные геоэкологические (НИРовские и производственные) исследования Западно-Арктического шельфа России, выполненные ВНИИОкеангеология, ПМГРЭ, МАГЭ, НОРДЭКО, КОМИНЕФТЬ, ВЧ 70170, основывались на разработанной автором методике.
Определены уровни концентраций всех основных групп загрязняющих веществ в придонной среде (воде, взвеси, донных осадках и бентосе) на трансрегиональном, региональном и локальном уровнях.
Они могут быть применены в качестве отраслевых нормативных показателей оценки степени загрязненности различных обьектов на Западно-арктическом шельфе и использоваться как реперные, при постановке мониторинговых наблюдений.
Разработаны экогеохимические параметры и критерии оценки состояния придонных экосистем Западно-Арктического шельфа для различных уровней исследований (трансрегиональный, региональный, локальный, точечный).
Выполнена комплексная оценка состояния придонных экосистем Западного сектора Арктики на трансрегиональном, региональном, локальном и точечном уровнях.
Проведенные специальные радиологические исследования в местах дампинга радиоактивных отходов (Карское море) и в районе испытаний ядерного оружия (губа Черная), могут быть использованы в качестве основы для постановки долговременного радиологического мониторинга места захоронения РАО.
Создана ГИС "Геоэкология Западно-Арктическогошельфа" на основе пакета ARCVTEW, включающая 9 самостоятельных модулей, характеризующих Баренцево, Карское, Белое и Печорское моря, а также отдельные полигоны - желоб Святой Анны, Штокмановское ГКМ, устья р. Обь и Енисей, станция дампинга радиоактивных отходов и Павловский рудный узел (Новая Земля).
ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. В основу диссертационной работы положены материалы, полученные во время научно-исследовательских работ ВНИИОкеангеология и производственных работ НПА "Севморгеология" на Западно-Арктическом шельфе, а также опубликованные материалы других организаций. Основу фактического материала составили результаты, полученные в рейсах МАГЭ и ПМГРЭ в 1991-2001 году, проводившиеся под научно-методическим руководством и с непосредственным участием автора. Было выполнено более 1100 комплексных станций. Как правило, на каждой станции предусматривалось исследование всех звеньев экосистемы (аэрозоли, потоки вещества, взвесь, водная толща, донный осадок и поровые воды, и бентические сообщества). В комплекс экспедиционных работ были включены: донный фотопробоотбор, гидрофизическое зондирование и отбор проб воды, биокартирование, гидроакустическое зондирование и профилирование, а также фототелепрофилирование, аналитические и рентгеноспектрометрические исследования.
Личный вклад автора в первую очередь состоит в разработке нового научно-методологического подхода к геоэкологическим исследованиям шельфовых областей и создании на его основе комплексной программы геоэкологических исследований шельфа России. Автор принимал активное участие в обработке и интерпретации комплексных данных 1991-2001 годов (более 1350 станций). Им составлены комплекты карт (более 150) латеральной изменчивости содержаний всех основных групп загрязняющих веществ для различных уровней исследований - трансрегионального (Баренцево море), регионального Печорское море, желоб Святой Анны, локального - Штокмановское ГКМ, устье Оби и Енисея, и точечного - место затопления радиоактивных отходов (Восточно-Новоземельский желоб, Карское море). Полученные результаты легли в основу созданного автором нового научного направления -экогеохимической седиментологии. Кроме того, автор принимал непосредственное участие в организации и проведении полевых работ, где занимался пробоотбором, описанием кернового материала и последующим опробованием.
При создании ГИС-модели автором были разработаны структура и состав системы, подготовлены информационные файлы и предложен алгоритм работы.
Апробация диссертации. Результаты исследований неоднократно докладывались на научных конференциях и симпозиумах различного уровня, как в России, так и за рубежом. Среди наиболее значимых хотелось бы отметить 1 и 2 международную конференции " Освоение шельфа арктических морей" (Санкт-Петербург, 1993,1995), Международное совещание по ОВОС Штокмановского ГКМ (Мурманск, 1994), международную конференцию " Экологическое исследование шельфа Баренцева и Карского морей в зоне освоения нефтегазовых месторождений" (Мурманск, 1995), доклады на: 1-ой Всероссийской конференции " Поиски нефти, нефтяная индустрия и охрана окружающей среды (Санкт-Петербург, 1995), 11, 12, 13 и 14-ой международных Школах по морской геологии (Геленджик, 1995, Москва, 1997, 1999, 2001), Международном симпозиуме "Нефть и газ шельфовой зоны СНГ" (С.-Петербург, 1996), Российско-норвежском рабочем совещании "Природные условия Карского и Баренцева морей" (С.-Петербург, 1995); Международных конференциях RAO-95, RAO-97, RAO-99, RAO-01 (С.-Петербург), "Концептуальные проблемы геоэкологического изучения шельфа"(С.-Петербург, 1999), "Экологическая безопасность на пороге XXI века", (С.-Петербург, 1999), "Комплексное управление прибрежными зонами и его интеграция с морскими науками" (С.-Петербург, 2000), "Вековые изменения морских экосистем Арктики", (Мурманск, 2000), "Проблемы биологии и геологии в связи с перспективой рыболовства и нефтегазодобычи в Азовском море" (Ростов-на-Дону, 2000), "Современные методы и средства океанологических исследований" (Москва, 2000). Из зарубежных конференций необходимо выделить итоговый симпозиум по АМАП (АМАР International Symposium on Environmental Pollution of the Arctic, Тромсе, 1997), 1 и 2 конференции по радиоактивному загрязнению Арктики (Woods Hole, США, 1993, 1995), конференции "Радиоактивность природной Среды Арктики и Антарктики", Киркенес (1993), Осло (1995), Тромсе (1997), Эдинбург, 1999, ежегодных конференциях американских естествоиспытателей (AGU, Сан-Франциско, 1996, Балтимора, 1997), 18th International Meeting on Organic Geochemistry (The Netherlads, 1997).
Результаты исследований нашли практическое применение и были использованы АО "Росшельф" при подготовке ТЭО по Штокмановскому ГКМ и Приразломному НМ. Исследования на полигоне захоронений радиоактивных отходов (РАО) легли в основу разработанной в содружестве с НИИ ВМФ России методики обследований мест захоронения РАО. Результаты исследований по Печорскому морю были использованы АО "Коминефть" для оценки последствий Усинской аварии. Для написания "Ежегодного Государственного Отчета о состоянии окружающей среды России" (1993, 1994) были использованы материалы наших исследований.
Публикации. По теме диссертации подготовлено и опубликовано 4 монографии, более 200 печатных работ, в том числе более 80 за рубежом. Получено 1 авторское свидетельство.
Объем и структура. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения общим объемом 362 стр., включая список литературы из 286 наименований, 135 рисунков и 98 таблиц.
Благодарности. Автор приносит глубокую признательность своим учителям А.И АйнемеруІ, Л.И. Аникеевой, СИ. Андрееву за внимание и поддержку на всех этапах научного формирования. За постоянное внимание, поддержку на всех этапах работы и за большое участие в формировании научного мировоззрения автор искренне благодарит директора ВНИИОкеангеология, академика РАН [И.С. Грамберга и руководителя научного направления В.Л. Иванова за искренний интерес к работе и ценные рекомендации.
За каждодневную помощь в процессе подготовки работы автор признателен своим коллегам по работе Т.В. Пономаренко, Л.Ф. Андриановой, А.А. Крылову, А.Е. Рахманову, А.Д. Краснюку.
Автор благодарен за проведение совместных исследований Б.Г. Ванштейну, В.И. Петровой, Погребову В.Б., ЕЕ. Мусатову, Н. А. Кузмичевой, И. А. Андреевой, Л.В. Поляку.
Очень полезным для автора явилось сотрудничество и совместные работы с сотрудниками ПМГРЭ А.В. Нещеретовым, П.И. Криницким, Б.Н. Смирновым, A.M. Ашадзе,
В.А. Анушиным, СБ. Любимовым, А.М. Плахотником, РЦ "Мониторинг Арктики" С.А. Мельниковым, В.П. Клоповым, СВ. Власовым, А.М. Викдоровичем, Института Океанологии РАН - В.П. Шевченко, А.А. Свертиловым, Минприроды России - ЛЯ. Грудиновой.
Весьма плодотворным оказалось сотрудничество с канадскими коллегами В. Нассечуком (Институт нефтяной и осадочной геологии, Канадской геологической службы, г. Калгари), Д.Н. Смитом и К. Эллис (Бедфордский океанографический институт), американскими исследователями С. Форман (Чикагский и Огайский университеты) К. Крэйн, П. Вогтом, Н. Черкисом (Научно-Исследовательская Лаборатория ВМФ США), немецкими учеными Р. Штайном (Институт Альфреда Вегенера), Р. Шпилгахена и X. Кассенс (ГЕОМАР) и норвежскими полярными исследователями М. Халтом и А. Солхеймом.