Введение к работе
Актуальность, постановка проблемы и целевое назначение работы. Широкое распространение льда на Земло (около '30* 10 км ) в виде атмосферного льда, снежного покрова, ледников, морского льда, ледяного покрова рек, озер, водохранилищ, подземного льда, в форме наледей обусловливает его воздействие на многие природные процессы в огромных масштабах эпизодически, кратковременно, в течение сезонов, лет, десятков, сотен, тысяч и даже миллионов лет. Ледяные массивы огромной протяженности (иногда в несколько тысяч км) на реках, озерах, водохранилищах, болотах, сосредото-.: чивающих большие количества льда, в Сибири и на Дальнем Востоке, определяют особенности гидрологического, гидрохимического и гидробиологического режима водоемов и водотоков. Знания об этих процессах позволяют.судить о состоянии системы химия воды-химия льда и о прямых и обратных связях между ними и биотой.
Взаимодействие цивилизации с природной средой обусловило необходимость решения гидрохимической наукой вопросов о путях и механизмах миграции, о характере физических, химических и биохимических преобразований загрязняющих веществ в система лед-вода-биота, о разработке научных основ технологических методов .очистки сточных вод при отрицательной температуре. Особенно остро эти вопросы возникают в связи с освоением территорий с суровыми климатическими условиями. Познание закономерностей гля-циогенного и криогенного преобразования химического состава природных вод приобретает особое значение в связи с перестройкой социально-экономического развития страны в целом и Дальневосточного региона в частности. Наиболее ванным представляется решение проблем охраны и чистоты водных ресурсов, которое не монет быть реализовано без учета эффектов, проявляющихся в суровых климатических условиях региона, без учета роли фазовых переходов воды из жидкого состояния в твердое в формировании гидрохимического режима и экологических условий в водоемах и водотоках, а следорательно, без детального изучения химического состава природных льдов.
Химический состав природных льдон изучается в связи с ре-
- З -
шением задач, которые могут быть объединены ь следующие группы: палеогеографические, прогностические, актуальные, индикационные, прикладные. Законченные решения многих из них еще не найдены из-за отсутствия систематизации источников поступления химических веществ в природные льды, факторов, механ/.змов и процессов формирования химического состава, т.е. из-за отсутствия-теоретических основ химии природных льдов.
Таким образом, давно назревшая необходимость в решении поставленных вопросов предопределила иеленаппавленность данного исследования - установить пути и механизмы формирования химического составе .природных льдов, вскрыть роль образования и таяния льда и снега в метаморфизации химического состава природных вод и оценить роль их ледовых "аз в экологических и геохимических процессах. Положения диссертации и выявленные закономерности образуют ядро разрабатываемого автором научного направления -химия природных льдов. Его следует рассматривать с точки зрения дальнейшего развития науки о химии природных вод и как составную часть оволюционной теории развития гля-циосферы. Для восполнения выявленных пробелов автор поставил перед собой следующие задачи:
I. дать общие представления о системе вода-лед в гидрохимическом аспекте;
-
выявить закономерности формирования химического состава гидрогенных ледяных массивов и снежного покрова;
-
выявить закономерности формирования химического состава талых вод;
-
вскрыть схему взаимодействий растворенных веществ в системах вода-лед и вода-лед-порода;
Ь. проанализировать роль антропогенных факторов в формировании химического состава природны: льдов и талых вод;
7. оценить роль образования и таяния природных льдов в круговороте веществ на Земле;
Ь. выявить экологическую роль природных льдов, связанную с протеканием гляциогенных гидрохимических процессов;
9. разработать методику прогнозирования влияния процессов льдообразования на гидрохимический реким водоемов и водоїоков.
Методы исследований. Получение фактического материала осуществлялось на' основе проведения полевых исследований. Ьнбор объектов диктовался необходимостью охвата наибольшего числа видов природных льдов, их типичностью и основывался на физико-географическом анализе причин, условий, факторов и форм развития гляциогенных образований-. При этом использовалось экспериментальное моделирование физико-химических процессов образования и таяния льда (воспроизводились температура и концентрация веществ, характерных для природных условий); математическое моделирование гидрохимических процессов при образовании и таянии льда (полученные модели калибровались и проверялись на независимом материале)1; статистика. Устойчивость и воспроизводимость процессов формирования и преобразования химического состава природних льдов устанавливалась на основе данных сезонных и многолетних, ренлмкых наблюдений. Роль антропогенных факторов в формировании химического состава природных льдов выявлялась путем выработки критериев и индикаторов.
Исходные материалы к личный вклад автора, b основу диссертации полонены материалы, которые получены в результате полевых и экспериментальных исследований, организованных и проведенных под руководством и при личном участии автора в течении 1970-I9fc9 гг. на территории Прибайкалья, Забайкалья, Приамурья, При-охотья. Постановка задач, методы исследования, содержание, научное и прикладное значение работ, ожидаемые результаты определялись непосредственно автором.
Научная новизна работы состоит в следующем: I; определены позиции, содержание и основные понятия научного направления в гидрохимии - "химии природных льдов" - предмет которого - закономерности формирования, преобразования и динамики химического состава природных льдов; 2) систематизированы и обобщены сведения о факторах, механизмах и процессах формирования и об источниках химического состава природных льдов; 3) разработаны осноеы теории криогенной метаморфизации химического состава природных вод и льдов, являющейся важнейшей составной частью "химии природных льдов"; сюда вошли: терминология, теория формирования химического состава конкеляционных и водно-снеговых льдов, положение о структурно-генетической обусловленности химического состава ледяных массивов; система представлений о
- ь -
гляциогенном преобразовании химического состава замерзающих вод и формировании состава талых вод; сформулированы полокения о химических взаимодейстсиях в системах, вода-лед-порода; 4) разработаны методические основы прогноза гидрохимического режима водоемов и водотоков в зависимости от гляциогенных процессов и прогноза химического сост. за' хонжеляциояных льдов? 5) разработаны концепция об индикации и методология использования данных по химическом составу природных льдов для распознавания характера природных и антропогенних процессов; бУ оценена роль образования и таяния льда в глобальных и региональных гидрохимических процессах к в круговороте веществ; 7) выявлены гидрохимисе-ские аспекты экологической роли природных льдов.
Основные защищаемое положения. Центральной идеей диссертации является положение: природный лед, образованный в атмосфере, на поверхности и в верхних слоях литосферы Земли, представляет собой термодинамически обусловленную структурно неоднородную трехфазную многокомпонентную физико-химическую;систему. Нижеследующие положения позволяют ее раскрыть.
1. Криогенная метаморфизация химического состава природных
льдов и замерзающих вод - это совокупность процессов формирова
ния и преобразования состава растворенных газов, минеральных и
органических веществ, состояния окислительно-восстановительных,
кислотно-основных и водно-солевых систем под влиянием физичес
ких, химических и биологических факторов в результате образова
ния и таяния льда и воздействия отрицательных и нулевой темпе
ратур. При этом формирование химического состава ледяных масси
вов Проявляется стадийно и зонально через пространственную и
временную изменчивость воздействия геолого-географических фак
торов,- выраяающих влияние процессов криогенной метаморфизации
в конкретных природных условиях. Этим определяется структурно-текстурная обусловленность распределения компонентов химического состава в теле ледяных вассивов.
2. Химические соединения' в природных льдах характеризуются
мнокесгвенностью форл, выражающейся б одновременном присутствии
веществ неодинакового генезиса, различного агрегатного состоя
ния,- разных' типов фаз и включений. Следовательно, химический
состав', его показатели и производные представляют совокупность
индикаторов характера, интенсивности и направленности природных
- о -
и антропогенных гидрохимических процессов, б частности генезиса гляциальных образований.
-
Загрязнение природных льдов - функция загрязненной природной срзды их формирования и следствие процессов криогенной мета» морфизации состава и содержания загрязняющих веществ.
-
Физико-географические особенности формирования ледяных массивов и их химического состава через глобальные и региональные геохимические процессы приводят к замедлению круговорота веществ, к преобразовании ионного стока рек, к криогенному ми-нералообразованию, к изменению экологических условий обитания гидробионтов в водоемах и водотоках, к трансформации качества природных вод.
Практическая и научная значимость работы связана: с обоснованием строительства промышленных узлов; с обоснованием проектов организации заповедных мест и охраны памятников природы; с экологической оценкой состояния заповедников; с музейным экспонированием криогенных продуктов; с обоснованием рыбохозяйствен-ного использования водоемов; с экологическим обоснованием энергетического строительства.
-Автор участвовал в разработке программ ГКН'Г: О.Ьо.05 "Прог-ноо изменения окрукащеЯ среда под влиянием строительства и эксплуатации БАМ"; 1.2.1 "Природные ресурсы СССР", раздел "Водные ресурсы", подраздел "Водные ресурсы Дальнего Востока"; в выполнении координационного плана НИР по теме "Закономерности развития наледей и наледных процессов, принципы и методы их использования и борьбы с ними" (1976-I960 гг.), координационного плана НИУ по гляциологии Мекдуведомственного геофизического комитета АН СССР по разделу "Химический и изотопный состав льда и снега" (I98I-I985 гг.). Реализацией их явилось издание монографий, пят»! сборников и одной брошюры, в которых отражены вопросы формирования- зимнего гидрохимического режима рек и озер и содержатся материалы по химии снежного покрова, озерного и речного льда, наледей, обобщения о роли образования и таяния льда в гидрохимических и экологических процессах.
Для обоснования'комплексного использования ресурсов Нижнего Амура и создания "Схемы Амура..." в рамках межгосударственной (СССР и КНР) программы в течение 1987-1990 гг. детально исследовался его гидрохимический режим. Большое место в этих иссле-
дованиях занимают вопросы о формировании зимней фазы-гидрохимического режима и химического состава ледяного покрова р.Амура.
Автор является научным руководителем, ответственным исполнителем и исполнителем темы "Влияние.Тугурской ДЗС на экологию Тугурского залива и его береговых биогеоценозов", выполняемой по заданию Гидропроекта им.С.Я.Жука, необходимой для ТЬО Тугурской ПЗС. В комплекс материалов входят ледовый реким и химический состав гляциальных образований на морской акватории и на притоках залива, а такие оценка экологических и гидрохимических процессов е зимний период в эстуарии р.Тугур,
Апробация. Основные положения диссертации обсуждались на международном симпозиуме "Взаимодействие ледников с океаном и атмосферой" (Ленинград, т^90),-на Советско-Китайском международном симпозиуме по геологии и экологии бассейна, р.Амур (Благовещенск, 1969), на 2-м Международном симпозиуме по геохимии природных вод (Ростов-на-Дону, 1982), на 27 и 9 Всесоюзных гидрохимических совещаниях (Ростов-на-Дону, 1978, 1987), на расширенных заседаниях Научного совета по криологии Земли АН СССР (Москва, 1987, 1969), на 7, 8 и 9-м Всесоюзных гляциологических симпозиумах (Томск, 1980} Таллинн, 1984, Тбилиси, 1988), на Всесоюзном совещании по проблемам использования льда и снега . в народном хозяйстве (Иркутск, 1984), на Гляциологических совещаниях по проблемам наледообразоЕания (Чита, 1973, Иркутск, 1978, 1969), на совещании по зимоеєдєнию (Чита, 197<;), на гляциологических шкодах-семинарах (Звенигород, 1979, I9bb, 1966, 1987), на Всесоюзном совещании по лимнологии горных водоемов (Севан, 1984), на 3, 4, 6-м Всесоюзных Лимнологических совещаниях (Лиетвеничное-на-Вайкале, 1973, 1977, 1981), на 4-м Всесоюзном симпозиуме по изучению органического вещества и биогенных элементов во внутренних водоемах (Петрозаводск, 1983), на Всесоюзной конференции по биологии солоноватых вод (Херсон, 1977), на 6, 7, 8, 10, II и 12 всесоюзных-совещаниях по подземным водам .Востока СССР (Хабаровск, 1970, Новосибирск, 1973, Улан-Удэ, 1976, Иркутск, 1982, Чита, 1985, Иркутск, 1989), на 2 и 3-еы Всесоюзных конференциях "Проблемы четвертичной палеоэкологии и палеогеографии морей Северного Ледовитого океана" (Мурманск, 1967, 1969), на научно-теоретическом семинаре крио-лнтогенеза Междуведомственного .цитологического комитет АН СССР
- b -
(Москва, 1987), на 4 и 5-м Всесоюзны}: симпозиумах "Кинетика и динамика геохимических процессов" (Киев, 19ЬЗ, Черноголовка, 1969), на Совещании по географическим проблемам изучения зоны БАМ (Иркутск, 1976), на теоретическом гидрогеологическом семинаре (Иркутск, 19Ь4, 19ЬЬ), на физико-географическом семинаре Института географии СО АН СССР (Иркутск,. 1973, I9bb), на семи-раре отдела гляциологии институт? географии АН СССР (Ьюсква, I9L8), на секции региональной гидрохимии Ученого совета Гидрохимического института Тоскомгидромет (Новочеркасск, I9G8), на теоретическом семинара Отдела Борных проблем Карельского филиала АН СССР (Петрозаводск, 19Ь5, ГЭЬ7).
Публикации. По теме диссертации соискателем опубликовано около 40 работ общим объемом более ЬО п.л., з том числе 3 монографии .
Структура работы. Диссертация состоит из "Общей характеристики работы", 7 глав и Заключения;. включает список использованных источников информации, "Условные обозначения" к формулам и "Приложение". Общий ее объем с Приложением *ґ9е стр.