Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ИСТОРИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОХШИЇЕСКО ГО СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ЛЬДОВ 11-22
1.1. . История исследования геохимического состава природных льдов II - 15
1.2. Методика проводимых геохимических исследований' 15 - 16
1.2.1. Условия и способы отбора проб 16-18
1.2.2. Аналитическая обработка образцов и интерпретация полученной информации 19-22
Глава II. ФОРМИРОВАНИЕ ГЕ0ШЖЕСК0Г0 СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ЛЬДОВ 23-78
2.1. Формирование геохимического состава ледниковых покровов Арктики 25-52
2.1.1. Глобальная оценка содержания аэрозолей в атмосфере 25 - 27
2.1.2. Океанический источник поступления аэрозолей в атмосферу 27 - 33
2.1.3. Континентальный источник поступления аэрозолей в атмосферу 33-38
2.1.4. Антропогенный источник поступления аэрозолей в атмосферу 38 - 41
2.1.5. Прочие источники поступления аэрозолей в атмосферу 42 - 49
2.1.6 Перенос, время существования и осаждение атмосферных аэрозолей 49-52
2.2 Состав атмосферных осадков 52-61
2.2.1 Макрокомпонентный состав атмосферных осадков 52 - 57
2.2.2. Микрокомпонентный состав атмосферных осадков 57 - 61
2.3. Формирование геохимического состава подземных льдов 61 - 78
2.3.1 Криогенез как фактор изменения химического состава вод сезонно-талого слоя (СТО) и подземных вод 64 - 72
2.3.2 Формирование соленых вод (криопэгов) в мерзлых отложениях 73 - 74
2.3.3 Влияние географического положения на формирование химического состава озерных вод 74-78
ГЛАВА III. ГЕОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ЛЬДОВ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ УСЛОВИЙ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ 79-162
3.1 Современное состояние гляциосферы севера Евразии - 80
3.1.1 Оледенение Арктических островов 80-88
3.1.2 Подземные льды севера Евразии 88-89
3.2 Содержание и вариации макрокомпонентов в ледниковых покровах Арктики 89 - 112
3.3 Содержание и вариации микрокомпонентов в ледниковых покровах Арктики 112 - 120
3.4 Геохимические особенности подземных льдов 120 - 153
3.4.1 Макро компонентный состав подземных льдов . 120 - 139
3.4.І.І Полигонально-жильные льды 120 - 133
3.4.1.2 Пластовые льды 133 - 137
3.4.1.3 Сегрегационные льды 137 - 139
3.4.2 Микрокомпонентный состав подземных льдов 139 - 153
3.4.3 Сравнительная характеристика геохшического состава наземных и подземных льдов 153 - 162
ГЛАВА ІV. ГЕОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СШНОГО ПОКРОВА И ПРИРОДНЫХ ЛЬДОВ АРКТИКИ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ ПРИРОДНУЮ CPW 163-178
Заключение І79 - 182
Список литературы 183 - 197
Приложение 198 - 228
- История исследования геохимического состава природных льдов
- Формирование геохимического состава ледниковых покровов Арктики
- Современное состояние гляциосферы севера Евразии
- ГЕОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СШНОГО ПОКРОВА И ПРИРОДНЫХ ЛЬДОВ АРКТИКИ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ ПРИРОДНУЮ CPW
Введение к работе
Возрастающие темпы освоения природных ресурсов Севера СССР ставят всё более сложные задачи изучения закономерностей функционирования природных комплексов, их устойчивости и реакции на техногенные воздействия.
Важнейшим процессом, определяющим специфику природной среды высоких широт, является наземное и подземное льдообразование. Оно накладывает отпечаток на все элементы природной среды, меняет предельные нормы устойчивости природных комплексов Севера по отношению к внешним воздействиям и вызывает своеобразие хода геохимических процессов. Наличие льда резко ограничивает круговорот компонентов геохимического состава, препятствует их миграции и выносу, способствуя тем самым консервации вещества в составе криосферы, отражая эволюцию геохимического фона на разных этапах её формирования.
Наиболее крупные по объему и долговременные по существованию накопления льдов криосферы Арктики приурочены к приповерхностным условиям литосферы, образуя мощные покровы наземных льдов и разнообразные по генезису типы подземных льдов, отражающие различные, в том числе и геохимические факторы, формирования их состава в период с верхнего плейстоцена по настоящее время.
С внедрением изотопных методов исследования осадочные льды ледниковых покровов высоких широт стали интенсивно использоваться Как ИСТОЧНИКИ ПалеОКЛИМаТИЧеСКОЙ Информации ( Dansgaard w., Joimsen s. е. а. 1971). Однако до последнего времени не было работ, ставящих целью всесторонний анализ закономерностей формирования и значений для палеогеографических реконструкций гео- химического состава всей совокупности как наземных, так и подземных типов льда, т.е. всех наиболее значимых продуктов льдообразования в криосфере. Это и определило основную цель данной работы: раскрытие общих закономерностей формирования и пространственной неоднородности геохимического состава породообразующих льдов криосферы, наземных и подземных, с учётом генетических особенностей их формирования в доиндустриальную эпоху и на современном этапе с участием антропогенных факторов.
Решение этой задачи, как нам представляется, возможно лишь при рассмотрении во взаимной связи наземного и подземного оледенения как единого комплекса криосферы.
Криосфера по сравнению с другими сферами Земли (гидросферой, литосферой и т.д.) является наиболее слабо изученной в геохимическом отношении. Это объясняется по-видимому труднодостуи-ностью региона и сложностью проведения исследования. Однако современные темпы освоения новых природных территорий, и в частности Севера и высокогорья СССР, ставят перед нами новые задачи, в которых изучение геохимического состава осваеваемых природных комплексов играет далеко не последнюю роль. К тому же только теперь подобные исследования могут иметь существенное практическое значение, т.к. контроль за загрязнением окружающей природной среды превратился в актуальную проблему. Повысилась также аналитическая оснащенность и уровень методических разработок в геохимических исследованиях льда.
Современные научно-технические достижения сделали возможным не только получение ледяного керна в результате бурения глубинных скважин на ледниковых покровах, но и расшифровку содержащейся в нём информации об условиях развития ландшафтной оболочки Земли в минувшие тысячилетия. В этой связи геохимические и - 6.- изотопные исследования природных льдов формируют новое направление исследований, целью которого является реконструкция прошлых оледенений, а также анализ современных глобальных процессов происходящих в атмосфере и позволяющих контролировать уровень концентраций химических элементов природного и антропогенного происхождения в рамках проблемы мониторинга природной среды и прогноза её будущего развития. При этом важно подчеркнуть необходимость геохимической информации по разным типам льда, т.к. если анализ состава арктических ледниковых покровов даёт возможность глобальной оценки антропогенного воздействия через атмосферу, то подземные льды и снежный покров характеризуют уровень загрязнения поверхностных и подземных вод прежде всего со стороны локального техногенного воздействия.
Основу данной работы составил аналитический материал, полученный в результате глубинного бурения ледниковых покровов арх. Шпицберген и арх.Северная Земля, а также широкого геохимического обследования подземных льдов Новосибирских островов, Колымской низменности, низовьев Енисея (рисі). В работе использовался и литературный материал по ледниковым покровам Гренландии и подземным льдам других арктических территорий СССР. Необходимо подчеркнуть, что проведенное нами геохимическое исследование ледовых кернов арктических архипелагов представляет собой оригинальное исследование, выполненное у нас в стране впервые. Кроме того, в работе также впервые дана, наряду с макро- и микрокомпонентная характеристика природных льдов, что несомненно позволило расширить уровень представлений о геохимическом составе криосферы, а также получить первые комплексные характеристики величин концентраций широкого спектра геохимических компонентов.
Главное внимание в работе уделено трём типам льда: леднико-
Условные обозначения А Обнажение
I Профиль снегосьемки
I Скважина
Рис.1 Расположение объектов исследований по территории Арктики вому, полигонально-жильному и пластовому. Выбор льдов данного генетического типа был обусловлен их распространенностью, длительностью истории и особенностями механизма их формирования, которые позволяют проследить не только динамику изменения химического состава во времени, но и оценить современный привнос вещества от техногенных источников.
В соответствии с поставленными задачами построена и структура работы: она имеет четыре главы, введение и заключение.
В главе I рассмотрена история исследования геохимического состава природных льдов, а также дается описание методики проводимых исследований. В главе подчёркивается, что выбор методов геохимического анализа, а также использование приборов обусловлено спецификой состава льдов криосферы по сравнению с другими природными объектами: чрезвычайно низкими концентрациями исследуемых компонентов и своеобразием хода геохимических процессов в условиях фазовых переходов температур.
История исследования геохимического состава природных льдов
На фоне двухсотлетнего существования гляциологии как науки о природных системах, свойства и динамика которых определяются льдом (Котляков В.М., Гордиенко Ф.Г., 1982), выделение в ней нового направления - изотопной и геохимической гляциологии можно считать явлением современным. Формирование нового направления стало возможным в результате усилившегося в последние два десятилетия интереса к химическому составу природных льдов. Этот интерес был вызван целым рядом обстоятельств и, прежде всего,практического свойства. Человек начал активное освоение гляциосфе -ры, области, где доминирующей горной породой является лёд, а познание путей его формирования, строения и свойств - одно из важнейших условий успешного освоения этой специфической области Земли.
Первые единичные исследования химического состава льдов были проведены в высокогорных ледниковых областях Кавказа и Средней Азии и относились к началу XX столетия. На территории Средней Азии первые попытки исследования химического состава ледниковых вод были предприняты Н.Г.Корженевским в период Памирской экспедиции в 1910 году (Корженевский, 1927). На Кавказе, работы по сравнению химического состава некоторых ледников и ледников вых вод проводились В.Л.Блиновой и рядом других авторов (Блинова, 1962; Матвеев, 1964; Супаташвили, 1964).
Расширению данных о химическом составе природных льдов способствовало проведение таких масштабных мероприятий как Международный Геофизический год (1957 - 1959 г.г.) и Международное гидрологическое десятилетие (1965 - 1974 г.г.). Сфера интересов гляциологии значительно расширилась за счёт начала планомерных исследований Арктического и Антарктического регионов, а также получения ледяного керна с больших глубин.
Несомненным толчком к развитию нового метода явилось начавшееся в 50-ых годах развитие техники глубокого кернового бурения льда, открывшее возможности для воссоздания палеогеографической ситуации эпох отстоящих от нас на сотни тысяч лет, и также способствующее выявлению степени антропогенного воздействия на окружающую природную среду путем сравнения концентраций макро и микрокомпонентов с различных глубин.
Анализу содержания макро и микрокомпонентов в ледниковом и снежном покрове Арктических островов в этот период посвящены работы целого ряда зарубежных авторов.
В работах: Boutron С. , Lorius С, 1975; Langway 0. 1969 и др. исследователей. В Советском Союзе работы по изучению химического состава ледниковых покровов высоких широт начаты в последние 10 - 15 лет. Результаты проведённых исследований освещены в работах: Матвеева А.А., 1961; Виленского В.Д. и др., 1973; Вайкмяэ Р.А. и Гордиенко Ф.Г. и др., 1977; Пуннинга Я.-М.К., 1981; Вайкмяэ Р.А. и Пуннинга Я.-М.К., 1981 и других авторов.
Формирование геохимического состава ледниковых покровов Арктики
Полярные ледниковые покровы представляют собой особые области формирования геохимического состава. Удаленные от каких-либо источников непосредственного воздействия /океанов, континентов, человеческой деятельности/ они в значительной степени формируют свой геохимический состав за счёт контакта непосредственно с атмосферой.
Носителем основной массы рассеянных элементов в атмосфере служат аэрозоли - твёрдые или жидкие частицы, которые в зависимости от их радиуса разделяют на три группы: частицы Айткена / радиус 4 0,1 мкм /, большие частицы / радиус от 0,1 до I мкм/, крупные частицы / радиус I мкм /. /йвлев Л.С, 1982/.
Частицы Айткена, несмотря на их большое количество, составляют всего 10-20% общей массы аэрозолей.
Зондирование тропосферы в интервале от 50 м до 15 км, проведенное с целью выявления закономерностей распределения рассеянных элементов, показало, что основная масса их сосредоточена в километровом слое воздуха над поверхностью Земли. По направлению вверх концентрация рассеянных элементов быстро убывает на один два математических порядка. По мнению В.В.Добровольского / 1983 /, в приземном слое воздуха, в пересчете на всю площадь суши / 150 I0b KMV, находятся тысячи тонн металлов, сотни тонн селена, ртути, сурьмы. Следует подчеркнуть, что эти расчеты относятся к чисто природному явлению, независимо от производственной деятельности людей.
Гигантский резервуар аэрозолей, представленный атмосферой, питается из четырех основных источников: из океанов, с континентов /породы, почвы, растительность и вулканы/, за счёт деятельности человека, и, в некоторой степени, за счет вещества внеземного пространства. Попадая в этот резервуар, из названных источников аэрозоли претерпевают в нём многочисленные изменения / реакция газ-частицы и т.д./ и в зависимости от времени своего существования могут быть перенесены на различные расстояния. Состав химических примесей из различных источников неодинаков, но определить источник не всегда удается, ввиду сложности его химического состава, фракционирования и преобразований в аэрозольном цикле»
Впоследствии происходит захват аэрозолей осадками и выпадение на различные поверхности.
Содержание аэрозолей в атмосфере обусловлено не только вкладом источников различной мощности, а также такими факторами как место образования аэрозолей в атмосфере, характеристики воздушных потоков, облаков и осадков, но и скоростью выпадения этих аэрозолей из атмосферы, которая, в свою очередь, зависит от спектра размеров и химического состава генерируемых частиц.
Современное состояние гляциосферы севера Евразии
Количество льда в гляциосфере оценивается в 27 млн.кит. Почти 99$ этой массы приходится на долю ледников, занимающих 16,2 млн.км2, т.е. 10$ всей суши /Котляков В.М., 1968/. Ещё 14$ площади суши приходится на долю многолетнемерзлых грунтов. В Северном полушарии широкий пояс вечной мерзлоты протягивается через Северную Америку и Евразию. Мерзлота там ведущий компонент природной среды, определяющий ход всех остальных, в том числе и геохимических процессов.
В Арктике оледенением охвачено 2.25 млн.км2, причем 2 млн.км2 приходится на долю Гренландии и приблизительно 250 тыс. км2 составляет покровное оледенение остальных арктических территорий /рис. № 5/.
Общая площадь распространения вечной мерзлоты в Северном полушарии составляет 13 млн.кит /табл. № 22/.
Гляциосфера Арктики имеет и свою ярко выраженную особенность, - ассиметрию в распространении оледенения. Так, западная граница наземного оледенения находится значительно ближе к центру оледенения - Гренландии, чем восточная, с центром на северо-востоке Северной Америки. Такая асимметрия оледенения объясняется господствующим переносом воздушных масс с запада на восток и отклонением тёплого Атлантического течения вправо, к востоку. /Чижов О.П., 1976/.
Пространства, покрывающиеся сезонным снежным покровом тяготеют к Атлантическому океану, а к Тихому океану подходят с обеих сторон самые малоснежные области Арктики. Здесь нет постоянных скоплений льда на суше из-за недостатка снега, но холода достаточно, и грунт зимой глубоко промерзает, не успевая оттаивать за короткое лето. Области вечной мерзлоты в Восточной Сибири и Канаде уходят далеко на юг /рис.6/.
Геохимический состав сошного покрова и природных льдов арктики как показатель антропогенного воздействия на окружающую природную cpw
Проведенный в предыдущих главах анализ макро-и микрокомпонентного состава природных льдов позволяет оценить фоновые значения концентраций, современное состояние геохимической нагрузки на криосферу и рассмотреть ее динамику во времени за период последних 10 тыс.лет, используя данные о составе глубинных слоев арктических ледниковых покровов.
Наличие данных столь широкого временного диапазона позволяет, наконец, перейти к рассмотрению еще одного весьма важного аспекта при анализе геохимического состояния криосферы - определения степени возможного антропогенного загрязнения природных льдов Арктики.
Современный этап в истории Земли характеризуется новыми геохимическими особенностями в составе льдов, обусловленными деятельностью человека, использующего современную технику и технологию, отходы которой превратились в мощный геохимический фактор.
На современном этапе, перераспределение химических компонентов под влиянием техногенного фактора отмечается уже во многих сферах Земли. Природные воды - наиболее чуткий индикатор антропогенных изменений природной среды. Консервируясь в условиях криосферы в виде природных льдов, они не только сохраняют в себе информацию за долгие периоды существования, но и дают возможность проведения сравнительного анализа уровня загрязнения по территории. Именно сравнению современных концентраций макро и микрокомпонентов в криосфере как во времени, так и в пространстве посвящена настоящая глава.
Современные сведения о геохимическом составе снежного и ледникового покровов Арктики представлены в табл. № 47. Данные позволяют в наиболее общем виде оценить концентрации микрокомпонентов в снежном покрове и льдах различных территорий арктического региона. Как видно из представленной таблицы, все отмеченные концентрации в снежном покрове, в наземных и подземных льдах существенно ниже выделенных в графе 6 предельно допустимых концентраций для воды. Величины различий для отдельных металлов составляют 1-3 порядка. Сам по себе факт довольно низких концентраций металлов в природных льдах, и их гораздо более низкие значения по сравнению с ГЩК (предельно допустимыми концентрациями) вовсе не исключает наличия антропогенного загрязнения верхних горизонтов ледников. Напротив, целый ряд данных различных авторов: Мц оЗ-иупС е..а. 1969, h/elss е.4. ,1978 указывают на повышенное содержание металлов в современных горизонтах ледников, связанное с деятельностью человека. Особенно много работ посвящено увеличению роли антропогенной составляющей $2 Б составе современных воздушных масс и осадков. Количество антропогенной серы, выделяемой в атмосферу Северного полушария достигает (0.73 I08 т/год), что составляет примерно 1/3 от общего, ее количества, выделяемого в атмосферу. tt, ahtuh A/ Ckod tck Л((1982) сделали попытку оценить выбросы
