Содержание к диссертации
Введение
1. Природные условия и основные закономерности терригенного осадконакопления в Азовском море 12
1.1. Геолого-геоморфологические и литодинамические условия формирования структуры донных отложений 13
1.1.1 Основные закономерности седиментации 26
1.2. Гидродинамические процессы и закономерности распределения и изменения содержания взвеси 32
1.3. Климатические колебания и интенсивность антропогенной деятельности во второй половине XX века 43
Выводы 56
2. Материал и методы 58
2.1. Исходный материал 58
2.2. Методы исследования 59
2.2.1. Натурные наблюдения 59
2.2.2. Статистический анализ 59
2.2.3. Структура и описание математической модели 62
Выводы 71
3. Динамика поступления терригенного материала 72
3.1. Сток рек 72
3.2. Абразия берегов 91
3.3. Эоловые потоки 109
Выводы 120
4. Оценка современной терригенной седиментации 124
4.1. Особенности пространственно-временного распределения потоков терригенного вещества 124
4.2. Методика выполнения расчетов переноса и седиментации взвешенного вещества 128
4.2.1. Районирование Азовского моря 128
4.2.2. Этапы выполнения расчетов 131
4.2.3. Расчет водообмена между районами 131
4.2.4. Поступление и распределение терригенного материала по районам моря 133
4.2.5. Оценка влияния геоморфологических особенностей дна и волновых процессов на распределение взвешенного вещества 135
4.3. Расчет переноса взвеси и проверка адекватности результатов модельных экспериментов 141
4.3.1. Динамика взвеси 142
4.3.2. Межгодовая изменчивость пелитовой составляющей донных осадков 143
4.4. Режим осадконакопления, региональные особенности скоростей седиментации материала и баланс вещества 154
4.4.1. Реконструкция условий и интенсивности осадконакопления в современный период 159
4.4.2. Баланс осадочного материала в Азовском море 183
Выводы 185
Заключение 186
Список литературы 192
Приложение 204
- Основные закономерности седиментации
- Сток рек
- Эоловые потоки
- Реконструкция условий и интенсивности осадконакопления в современный период
Введение к работе
Актуальность темы
Азовское море - шельфовый водоем на юге Европейской части Росси. В связи с мелководностью и малыми размерами море обладает интенсивной формой взаимодействия всех сфер (атмо-, гидро-, лито- и био-), чутко реагирует на изменение физико-географической обстановки. Уникальный комплекс природных условий определяет своеобразие процесса современного осадконакопления: чрезвычайную динамичность и большую пространственную изменчивость.
Большой цикл работ, выявляющих механизм осадконакопления в Азовском море, выполнен под руководством М.В. Кленовой, Н.М. Страхова, Д.Г. Панова, Ю.П. Хрусталева в XX веке. В период становления литодинамических исследований в Азовском море Д.Г, Пановым была сформулирована задача оценки изменения скорости современного осадконакопления по районам моря, сезонам и годам (Панов, Спичак, 1961). Применение динамического подхода (Хрусталев, 1986), предусматривающего неоднократное изучение объектов в течение года или нескольких лет, в 1970-1980-х годах позволило выявить основные закономерности седиментогенеза в водоеме.
В настоящее время, в связи с резко выраженными изменениями климата и гидролитодинамической активности, антропогенным воздействием, произошло изменение структуры баланса терригенного материала, изменились скорости осадконакопления. Это определяет актуальность данной работы, а именно, исследования пространственно-временной изменчивости параметров осадконакопления и связи районов современной седиментации с гидрологическими условиями.
Современное терригенное осадконакопление, как одну из океанологических проблем Азовского моря, необходимо рассматривать на основе комплексного подхода, включающего анализ временных рядов (за 50-100 лет) и выявление связей между параметрами разных сред, участвующих в этом процессе. Актуальной проблемой является развитие современных методических подходов в этом направлении, в том числе и балансовых расчетов на основе пространственно-детализированных математических моделей.
Цель и задачи работы
Цель - выявить пространственно-временные особенности терригенного осадконакопления в Азовском море в период интенсивной антропогенной деятельности и климатических изменений во второй половине XX века.
В связи с этим, были поставлены следующие задачи:
провести анализ природно-климатических условий осадконакопления в период с 1940 по 2000 гг.;
изучить динамику и сделать оценку влияния речного стока, абразии и эоловых выпадений на поставку осадочного материала в Азовское море в условиях климатических изменений и антропогенной деятельности на водосборе;
3 '
- с использованием методов математического моделирования изучить
пространственно-временные закономерности и выявить особенности скоростей
осадконакопления терригенного материала в море в результате влияния
природных и антропогенных факторов;
- выполнить расчет баланса терригенного материала разных районов моря
по годам.
Методы исследования
Для решения поставленных задач в работе использованы как стандартные, так и оригинальные подходы:
- метод натурных наблюдений скоростей абразии в период экспедиций
Ростовского государственного университета (РГУ), Азовского филиала
Мурманского морского биологического института (АФ ММБИ КНЦ РАН) и
Южного научного центра РАН (ЮНЦ РАН) по побережью Азовского моря
2002-2005ГГ.;
- методы статистической обработки информации, в том числе с
применением элементов географических информационных систем;
- комплекс апробированных математических моделей для количественного
описания процессов формирования пространственно-временной изменчивости
абиотических характеристик экосистемы Азовского моря при вариациях
климатических факторов и антропогенной нагрузки;
- разработанный при участии автора для условий Азовского моря
оригинальный метод расчета переноса и седиментации взвешенного вещества.
Научная новизна
Приведены и проанализированы данные об основных источниках терригенного седиментационного вещества в Азовском море (твердом стоке рек, абразии и эоловых потоках) за последние 60 лет (1940-2000 гг.).
Предложен и апробирован пространственно-детализированный балансовый метод для изучения переноса и седиментации взвешенного вещества в Азовском море, учитывающий новейшую батиметрическую карту и подтверждающий реальную картину распределения терригенной составляющей в донных осадках.
Впервые расчетным методом выявлены региональные особенности и динамика скоростей седиментации терригенного материала, обусловленные изменением факторов осадконакопления во второй половине XX века.
Впервые рассчитан баланс терригенного материала для разных районов моря по годам за 60 лет.
Практическая ценность
Выявлены основные тенденции современного терригенного осадконакопления в Азовском море. По результатам расчетов определены площади и объемы возможного размыва донных отложений, скорости седиментации в разных районах моря.
Результаты работы использованы для оценок загрязнения экосистемы Азовского моря твердыми техногенными примесями и радионуклидами.
Полученные в работе выводы могут быть использованы при планировании экспедиционных исследований в бассейне Азовского моря, при составлении карт типов донных отложений, при проведении инженерно-экологических изысканий, в задачах управления береговой зоной.
Материалы работы используются в лекционных курсах и на практических занятиях в рамках учебных дисциплин по специальностям «океанология», «физическая география».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Во второй половине XX века в структуре баланса терригенного
осадконакопления произошли значительные изменения: уменьшилась роль
эолового фактора и увеличилась абразия берегов восточной части Азовского
моря на фоне низкого твердого стока рек. В соответствии с этим выделено
четыре характерных периода осадконакопления.
-
Общий объем поступления терригенного материала в Азовское море за период с 1940 г. по 2000 г. сократился в 2-2,5 раза и составляет в современный период около 10 млн. т.
-
Полученные расчетным методом региональные особенности скоростей седиментации терригенного материала для характерных периодов осадконакопления. Для современного периода (1987-2000 гг.) на площади более 57% скорости седиментации не превышают 500 г/м2/год, при общем снижении интенсивности размыва осадков увеличилась площадь абразии дна (до 28% площади моря); средняя скорость накопления терригенного вещества не превышает 0,25 мм в год.
Апробация работы
Результаты исследования являются составной частью отчётов по грантам РФФИ №. 00-05-65379 «Твердые примеси антропогенного происхождения в морских водоемах: поступление, перенос, захоронение и оценка воздействия на экосистему»; № 03-05-65322 «Гидрохимический режим в устьевых областях и на шельфе северных и южных морей России: сравнительный анализ и математическое моделирование».
Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на XIV
Международной школе морской геологии (г. Москва, 2001), на Международной
конференции «Проблемы радиоэкологии морей Европейской части России (г.
Ростов-на-Дону, 24-26 июня 2001 г.), на ежегодных школах-семинарах
«Математическое моделирование в проблемах рационального
природопользования» (г. Новороссийск 1998, 2000, 2001), на Всероссийских школах по компьютерным технологиям и обучающим программам в геологии (г. Сочи, 2000, 2001, 2002), на Международной конференции «Современные проблемы океанологии шельфовых морей России» (г. Ростов-на-Дону, 13-15 июня 2002 г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы литодинамики и экосистем Азовского моря (г. Ростов-на-Дону, 8-9 июня 2004 г.), Международном семинаре «Современные технологии мониторинга и освоения природных ресурсов южных морей России» (г. Ростов-на-Дону, 15-17 июня 2005 г.), научных семинарах АФ ММБИ и ЮНЦ РАН.
По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 198 страницы, включая 65 рисунков, 23 таблицы, в том числе приложения, в списке литературы 126 наименований.
Автор выражает глубокую признательность и искренне благодарит за существенную помощь в работе, ценные советы и рекомендации научных руководителей - д.г-м.н., профессора |Ю.П. Хрусталева, к.г.н. О.В. Ивлиеву, зав. каф. океанологии, чл.-корр. РАН Д.Г. Матишова, д.г.н. СВ. Бердникова, всесторонняя поддержка которых позволила завершить данное исследование, а так же доцента кафедры океанологии, к.г.н. Л.А. Беспалову и д.г.н. Ю.М. Гаргопу, на разных этапах принимавших участие в обсуждении работы и сделавших ряд полезных замечаний и предложений.
Основные закономерности седиментации
Для Азовского моря характерна высокая интенсивность процессов механической дифференциации, несмотря на небольшую площадь и малую инерционность водной массы в связи с мелководностью. На дне терригенные частицы в основном располагаются по убыванию крупности с возрастанием глубин. Максимальные количества каждой гранулометрической фракции приурочены к определенной морфодинамической зоне. В пределах этой зоны после длительной механической обработки осадочный материал равной размерности переходит в зафиксированное состояние, и лишь ограниченное количество его выносится в соседнюю зону.
Характер распространения различных литологических типов донных осадков, в том числе и гранулометрических фракций, указывает на существование трех зон современного осадконакопления, отличающихся друг от друга гидродинамическими условиями и морфологическими особенностями: взмучивания, переходной и халистатической (Хрусталев, 1989). Связь этих зон с морфоструктурами дна и литодинамическими процессами показана на рис. 1.3 и рис 1.5.
В пределах зоны взмучивания гидродинамический режим в состоянии освоить поступающий осадочный материал и не позволяет накапливаться пелитовым частицам. На дне этой зоны распространены пески, крупноалевритовые илы, ракушечники, оолиты. Терригенная составляющая отложений хорошо сортирована; гранулометрические профили в основном одновершинные; примесь пелитовых частиц, как правило, не значительна, за исключением участков с повышенной биомассой моллюсков. В Азовском море происходит постоянное взмучивания самого поверхностного слоя донных осадков, толщиной в среднем 1 мм (Федосов, 1961).
На дне переходной зоны развиты преимущественно мелкоалевритовые илы. Это область фациального замещения первоначально крупных алевритов мелкоалевритовыми илами, а последних - глинистыми.
Как известно, в зоне взмучивания основной транспортирующий фактор -энергия волнения; в переходной зоне перемещение терригенных частиц осуществляется преимущественно течениями. В результате смены гидродинамических процессов интенсивность переработки осадочного материала понижается, и, как следствие, донным отложениям этой зоны свойственна плохая сортировка терригенного материала, двухвершинный характер гранулометрических профилей, присутствие в значительных количествах среднепелитовой и субколлоидной фракций.
В халистатической зоне развиты глинистые осадки. Терригенный материал отсортирован обычно средне, в малых количествах присутствуют мелкопесчаные и крупноалевритовые фракции, в больших количествах -мелкоалевритовые, причем содержание их уменьшается по мере удаления от берега и увеличения размеров глубин водоема.
К числу особенностей механической седиментации относится несоответствие между кинетической энергией гидродинамических процессов и объемом поступающего осадочного материала, что обуславливает крайне неравномерное его распределение по акватории водоема. На одних участках происходит полный вынос седиментационных веществ, на других - их накопление. Это несоответствие проявляется в широком развитии областей размыва, образование которых возможно при интенсивном волнении, когда энергии достаточно как для выноса основной массы терригенного материала в более спокойные гидродинамические зоны, так и для разрушения пород дна. Пространственная неравномерность процесса водной эрозии обусловлена также неоднородностью геологических структур, дифференцированным характером тектонических движений, разнообразием литологического состава отложений, на фоне которых различно проявляется гидродинамические факторы. Временная изменчивость обусловлена цикличностью климатических и гидродинамических параметров, степенью увлажнения, интенсивностью ветро-волнового и уровенного режимов (Мамыкина, Хрусталев, 1980).
Обычный ход механической седиментации осложняется разнообразными природными параметрами: конфигурацией береговой линии, местонахождением источников питания, существованием на дне морфологических ловушек.
Районы, характеризующиеся высокими значениями абсолютных масс пелитового материала и аномальным распространением тонкозернистых донных отложений, можно разделить на три типа. Первый - предустьевые области рек, в пределах которых осаждение терригенного материала определяется взаимодействием речных и морских вод; второй -морфологические ловушки, расположенные на разных глубинах шельфа; третий - области, тяготеющие к нижней границе зоны взмучивания (Хрусталев, 1989).
В пределах устьевых областей аккумулируется основная масса аллювия выносимого реками, без достаточной механической дифференциации. По классификации Ю.П. Хрусталева в Азовском море выделяются два вида переходных областей. Первый — устьевая область р. Дон, где осаждается основная масса взвешенного вещества выносимого реками, так как волновая энергия не в состоянии переработать поступающий терригенный материал. Зона аккумуляции аллювия здесь достаточно широкая, приустьевое взморье пологое, мелководное. Эта область характеризуется постепенной сменой экологических условий, а также существованием четко выраженных гидрогеохимических барьеров и биологических фильтров. Второй вид устьевых областей - переходная область Кубани и малых рек, в пределах которых природные условия седиментогенеза находятся под активным воздействием моря. Ему свойственна быстрая смена речных условий типично морскими. При нагонных явлениях на взморье Кубани происходит размывание опресненных зон, и площадь их не превышает 10 - 15 км . Сгонные ветры способствуют выносу речных вод на взморье, что увеличивает ареалы опресненных зон до 90 - 100 км (Бронфман и др., 1979). Предустьевое взморье р. Кубань приглубое, открытое для воздействия морских волн. Скорость стоковых течений в районах впадения основных рукавов резко уменьшается, что влечет за собой аккумуляцию терригенного материала близ морского края дельты и, как правило, в ограниченном объеме. Волновой фактор является преобладающим в распределении осадочного материала и в формировании контура береговой линии. Осадочный материал не успевает подвергнуться интенсивному воздействию со стороны гидробионтов, активность геохимических процессов невелика. В паводковое время седиментационное вещество, особенно в условиях сильных штормов, «проскакивает» через переходные зоны, не претерпев существенных изменений.
Ко второму типу с аномально высокими темпами седиментации относятся понижения в рельефе дна эрозионного и тектонического происхождения, заливы и защищенные косами, полуостровами, затишные места, лиманы (Страхов и др. 1954). Особенностью механической седиментации в этих областях является то, что они находятся обычно выше зоны взмучивания. В подобном случае следовало бы ожидать выноса основной массы тонкозернистого материала за их пределы. Реальная картина совершено иная, достаточно сложная, но вполне закономерная. Поступивший в морфологическую ловушку осадочный материал, прежде чем перейти в зафиксированное состояние, многократно взмучивается, перемешивается. Однако активному выносу его за их пределы препятствуют меньшие глубины окружающих депрессию акваторий, т. е. создается своеобразный морфологический барьер. Кроме того, в заливах и на защищенных полуостровами затишных участках волнение значительно слабее, чем в открытом море. Частичный вынос пелитового материала в глубоководные части водоема полностью компенсируется смывом осадочных веществ с положительных элементов рельефа дна, в результате чего образуются осадки повышенной мощности, что полностью исключено на открытых частях шельфа (Страхов и др., 1954).
Свои коррективы в распределение осадочного материала на шельфе вносит тектонический режим. Как правило, процессы механической седиментации ведут к выравниванию подводного рельефа, создаваемого в ходе разнонаправленных тектонических движений. Сравнивая карты-схемы новейших тектонических движений и абсолютных масс, Ю.П. Хрусталев показал, что максимальное накопление осадочного материала происходит в глубоководной области водоема, приуроченной к Азово-Кубанскому и Индоло-Кубанскому передовым прогибам, испытывающих в голоцене опускание дна со скоростью более - 3 мм/год. Участки с интенсивностью тектонических движений от -1 до -3 мм/год характеризуются меньшей скоростью осадконакопления, а со значениями более -1 мм/год - даже абразией коренного субстрата дна.
Сток рек
В данном разделе работы исследуется динамика жидкого и твердого стока, а так же трансформация гранулометрического состава на приморских участках рек Дон и Кубань во второй половине XX века, в зависимости от климатических изменений и антропогенной деятельности на водосборе.
Исходным материалом послужили данные гидрометеорологических ежегодников о жидком и твердом стоке рек, гранулометрическом составе взвешенных наносов на замыкающем створе реки Дон - ст. Раздорской с 1940 по 2004 г., а так же в вершине дельты реки Кубань - хут. Тиховском и в замыкающих створах: хут. Зайцево Колено (рук. Кубань) и с. Слободка (рук. Протока) с 1945 по 1999 гг. Данные ежемесячных наблюдений подвергнуты статистическому анализу.
Исследованию влияния изменений климата на гидрологический режим рек посвящено немало работ (Лурье, Панов, 1999; Гаргопа, 2000; Матишов и др., 2003, 2006; Бабкин, Постников, 2000, и др.) Детальная характеристика гидрологии устьев рек Азовского моря дана в работах А.И. Симонова (1958), Н.А. Родионова (1958), В.Г. Симова (1989), А.А. Иванова (1968), В.Н. Михайлова (1997), оценка изменений стока под влиянием хозяйственной деятельности в 1970 - 2002 гг. сделана A.M. Бронфманом (1966), И.А. Шикломановым (1979), А.С. Хорецкой (1977, 1978), В.Г. Симовым (1989), В.Н. Михайловым (1997) и др. Недостаточное внимание в литературе уделено изучению трансформации гранулометрического состава взвесей, изменению величины их потерь в пределах предустьевого и устьевого участков рек (Бронфман, Хлебников, 1985; Хрусталев, 1989).
Общая гидрологическая характеристика устьевых участков
Длина устьевого участка Дона от Таганрогского залива до ст. Раздорской, где выклиниваются нагонные колебания уровней воды, составляет 151 км (рис. 3.1). Он включает в себя многорукавную дельту Дона, длиной 38 км, площадью - 538 км и приустьевой участок, длиной 113 км. В первом узле Дон делится на два рукава Мертвый Донец и Дон. Рукав Дона во втором узле - на Старый Дон и Большую Каланчу, которая в свою очередь - на Большую Кутерьму и Мокрую Каланчу.
Естественный суммарный сток Дона в устье составляет 29,5 кмЗ (Лурье, Панов, 1999). Режим естественного стока реки характеризуется резко выраженным пиком весной и довольно устойчивой маловодной меженью в остальные сезоны годы. Величина весеннего стока составляет 78%, на летне-осенний период приходится 13 - 20%, на зимний - 7-15% стока за год.
Устьевой участок р. Кубань представлен в нижней части дельтой (выше хут. Тиховский нагонные повышения уровня не распространяются). Площадь дельты - 4190 км2 (Михайлов, 1997). В ее вершине (Раздерском узле) Кубань делится на два основных рукава: собственно Кубань длиной 117,5 км (по лоции 1985 г.), и Протоку длиной 133,2 км (рис. 3.2). В свою очередь, рукав Кубань в Переволокском узле делится на Казачий ерик и Петрушин рукав. Последний в Вербенском узле при впадении в море дробится на рукава Чайкинский, Средний и Голинский. Рукав Протока в устье (Ачуевский узел) разделяется на Правый и Левый рукава. Кроме водотоков в пределах дельты находятся около 240 озерных водоемов (лиманов) (Михайлов, 1997).
Условно естественный (1929 - 1948 гг.) сток в дельту составляет в среднем 12,9 км3 воды в год (Симов, 1989; Шикломанов, 1979). По характеру внутригодового распределения стока Нижняя Кубань относится к рекам с продолжительным весенне-летнем половодьем, формирующемся в результате таяния высокогорных снегов и ледников, и кратковременными, но мощными зимними паводками, связанными с обильными атмосферными осадками. В период с апреля по август сток в среднем составляет 62%, в осенний период - 10%, а в зимне-весенний (до апреля) - 28%.
Во второй половине XX века естественная русловая сеть нижних участков Дона и Кубани сильно изменена хозяйственной деятельностью. Водный режим р. Дон с 1952 г. и р. Кубань с 1972 г. на этих участках полностью определяется результирующим влиянием Цимлянского и Краснодарского водохранилищ, что влияет на величину стока и приводит к перераспределению его в течение года.
Жидкий сток рек Дон и Кубань Характер общей увлажненности в бассейнах рек оказывает основное влияние на величину водного стока, на что, в свою очередь, накладывает свой отпечаток интенсивность хозяйственной деятельности. На протяжении последних 65 лет (1940 по 2004 гг.) выделяют несколько циклов, или групп маловодных и многоводных лет, различающихся по продолжительности и степени отклонения водности рек от средней величины за весь период (Гаргопа, 2003). На этом отрезке времени при среднемноголетнем объеме годового суммарного стока рек 34,6 км можно выделить 3 периода длительностью от 5 - 6 до 8 - 9 лет с относительно повышенной водностью Дона и Кубани (1956 - 1964, 1977 - 1982, 1993 - 2004) и три продолжительностью 10 - 12 лет (1943 - 1955, 1965 - 1976, 1983 - 1992) с пониженной.
За этот период времени к числу маловодных можно отнести 56% рассмотренных лет, когда сток был ниже среднего многолетнего, а 44% к многоводным. Наименьших значений сток р. Дон достиг в 1972 - 1975 гг. (9,5 км3 в 1972 г.) (рис. 3.3, Таблица 3.1). Основными причинами снижения стока р. Дон на посту ст. Раздорской в эти годы являлись: орошение - 31,9%, дополнительное испарение с водохранилищ - 27,6%, водоснабжение - 12,7%, пруды - 13% (Шикломанов, 1979). По данным И.А. Шикломанова в результате хозяйственной деятельности с 1952 - 1989 гг. сток Дона сократился на 22%. С 1977 г. по настоящий время на р. Дон отмечается некоторая стабилизация стока около 22 км /год при колебаниях от 13, 8 (1984 г.) до 38,3 км3 (1979 г.).
В.Н. Михайлов (Михайлов и др., 2001) отмечает, что режим стока воды р. Дон за период с 1881 по 1999 г. не претерпел заметных изменений после строительства Цимлянского водохранилища. Зафиксировано лишь небольшое уменьшение среднегодовых расходов воды. Сокращение стока реки в 1970-е гг. компенсировалось его ростом с середины 1980-х гг., в это время изменилось внутригодовое распределение: значительно уменьшился сток в мае и несколько увеличился в октябре.
За период 1940 - 1999 гг. на р. Кубань в створе хут. Тиховский средний многолетний водный сток составил 11,8 км/год, к маловодным можно отнести 54% лет этого периода, к многоводным - 46%. Такой средний сток не соответствует экологическим особенностям воспроизводства проходных и полупроходных рыб, так как он меньше чем экологически допустимый для р. Кубань (12,5 км3/год). Если бы не безвозвратное водопотребление в бассейне реки его величина была бы на 5 км3 в год больше (Магрицкий, Иванов, 2003). Распределение стока по рукавам в дельте Кубани с 1973 по 2000 г. составило в рук. Протоку - 50,7%, в рук. Кубань - 49,3%, в сравнение с естественным режимом реки доля рук. Протоки увеличилась на 4,7%, что обусловлено, прежде всего, большим забором воды из рук. Кубань.
Наименьший сток р. Кубань отмечен в 1970 - 1986 гг. (5,7 км в 1986 г. -хут. Тиховский). С 1966 - 1967 гг. значительно возросла интенсивность хозяйственной деятельности в низовьях Кубани, что наложилось на период пониженной водности реки (рис. 3.4, Таблица 3.1).
Именно в это время были построены крупные ирригационные системы, включающие несколько водозаборных и сбросных сооружений, сложную сеть оросительных каналов и канав, а так же рисовые чеки. На р. Кубань к 2000 г. построено пять подпорных гидроузлов, четыре крупных водохранилища, 36 водохранилищ объемом от 1 до 10 млн. м , а так же около 600 прудов (Магрицкий, Иванов, 2003).
Среднегодовое значение водного стока в. хут. Тиховском за период с 1987 по 1999 г. составило 13,2 км3, при колебаниях от 7,5 (1994 г.) км3 до 19,8 км3 (1997 г.). Сток р. Кубани стал заметно увеличиваться с 1987 г., что связано с характером атмосферных процессов и увеличением количества атмосферных осадков в зимний период, а так же некоторым уменьшением водохозяйственной нагрузки на реку (Гаргопа, 2000; Магрицкий, Иванов, 2003). Таким образом, в современный период водный сток Кубани приблизился к условно естественному. Зарегулирование Кубани повлияло на более равномерное распределение стока в течение года, его величина снизилась в весенне-летний период.
Эоловые потоки
Положение Азовского моря в степной зоне, большая повторяемость сильных ветров, беспрепятственность воздушной транспортировки способствуют поступлению на его акваторию значительного количества эолового материала. Дополнительной причиной интенсивной ветровой эрозии является распашка больших площадей черноземов. В результате этого дефляции подвергаются практически все сельскохозяйственные угодья Украины, Ростовской области и Краснодарского края.
Эоловый материал поступает на акваторию Азовского моря в результате сухих выпадений, с атмосферными осадками и за счет пыльных бурь. Несмотря на то, что пыльные бури носят эпизодический характер, их выносы иногда намного превышают объемы твердого стока рек и продуктов разрушения берегов.
Изучению поступления аэрозолей в водоем в результате пыльных бурь и роли эолового фактора в образовании донных отложений посвящены работы Д.Г. Панова, С.А. Малика, М.К. Спичака, Ю.П. Хрусталева, A.M. Бронфмана, В.И. Федюниной, Л.Я. Грудиновой, Ивлиевой О.В. и др. Тем не менее, современные представления об участии эолового фактора в морском осадконакоплении Азовского моря достаточно условны. Объясняется это трудностями методического характера, возникающими при определении объемов поступающего в водоем осадочного материала, отсутствием стационарных наблюдений и единой методики отбора проб аэрозолей. Наибольшее влияние на процессы морского седиментогинеза оказывают пыльные бури, повторяемость которых в значительной степени зависит от климатических условий.
В последние двадцать лет произошло существенное изменение циркуляционных процессов в атмосфере исследуемого региона, снизилась интенсивность пыльных бурь. На основе обобщения последних литературных и натурных данных об объемах аэрозольного материала, выпадающего на акваторию Азовского моря, в данной главе сделана попытка выявить пространственно-временные особенности его поступления в штилевых условиях и в период пыльных бурь.
В данном разделе использованы данные справочных изданий по климату и агроклиматическим ресурсам Ростовской области, Северного Кавказа, а также данные метеорологических ежемесячников с 1966 по 2000 г из фондов Сев.-Кав. УГМС. В работе проведен анализ повторяемости и продолжительности (в часах) пыльных бурь с 1966 по 2000 г., зафиксированных на береговых метеостанциях Таганрогского залива (г. Таганрог, п. Маргаритово, г. Ейск) и Азовского моря (ст. Должанская, ст. Камышеватская, г. Приморско-Ахтарск, г. Темрюк). Путем сравнения интенсивности пыльных бурь сделан расчет объемов поступления аэрозолей на поверхность моря за последние двадцать лет.
На побережье Азовского моря фиксируется до 40 - 45 дней с сильным ветром (рис. 3.13).
Наибольшее их число отмечается в холодный период, и в феврале - марте может составлять 4,2 - 6,5 дней в месяц, в теплый период, в июле, не превышает 3,8, а в отдельные месяцы может составлять 0,7 - 0,8 дня в месяц. Максимальная скорость ветра достигает 20-30, до 40 - 45 м/с. Направление штормового и продолжительного ветра преимущественно восточное, реже западное. Сильные восточные ветра в холодный период могут дуть непрерывно 6 - 7, а иногда и 12 - 15 дней. Ветер западной четверти обычно не продолжительный (1-2, реже 3 дня). Длительные восточные штормы и ураганы связаны с образованием очень мощного антициклона над южным Уралом и Средним Поволжьем и циклона над Черным морем. В зоне соприкосновения этих двух образований отмечается перепад атмосферного давления до 5 - 6 гПа на 100 км, что является непосредственной причиной сильных восточных штормовых ветров. При такой метеообстановке в сухих восточных районах Ростовской области на участках с незащищенной и талой почвой уже на 3 - 4 день возникают пыльные бури, а на западе территории -через 6 - 10 дней. Пыльные бури могут наблюдаться до 12-15 дней подряд и возобновляться вновь после коротких перерывов (Хрусталев и др., 2002).
Пыльные бури
Возникновение и развитие пыльных бурь обусловлено комплексом факторов, к которым кроме сильного ветра относятся иссушенность и распыленность верхнего слоя почвы, отсутствие или слабое развитие растительного покрова, наличие больших открытых пространств. Зимой к этим факторам добавляется отсутствие снежного покрова, слабая цементация почвы и ее неглубокое промерзание.
Ветровая эрозия во многом определяется механическим составом почвы. В естественном состоянии выдуванию подвергаются легкие почвы - пески и супеси. Тяжелые почвы выдуваются только после их разрыхления в результате распашки или усиленного выпаса (Захаров, 1965). В виде пыли с полей может выноситься значительное количество почвы. Оторвавшись от земной поверхности частицы, переносятся ветром, причем более легкие увлекаются на большие расстояния, а более тяжелые, падая, выбивают новые частицы, которые затем также вовлекаются в общее движение. По мере переноса пыли происходит ее сортировка: частицы диаметром 0,06 - 0,1 мм переносятся на расстояние нескольких километров; 0,03 - 0,06 мм - более 300 км; 0,01 - 0,03 мм - более 1500 км и менее 0,01 мм - транспортируются с одного материка на другой. Высота подъема пыли в атмосферу тоже различна: от нескольких метров до 1,5 - 2,0 км (пыльные бури 1960, 1969 гг.) (Хрусталев и др., 2002).
Таким образом, на территории окружающей Азовское море пыльные бури чаще всего возникают весной, когда обычно отмечается усиление ветра, а почва лишена растительности и находится в разрыхленном состоянии после боронования, культивации или посева (рис. 3.14). Второй максимум количества пыльных бурь приходится на вторую половину августа, когда после уборки зерновых культур проводится распашка полей под посев озимых культур. В зимний период пыльные бури сравнительно редки, повторяемость их составляет 10 - 15%.
По территории Ростовской области и Краснодарского края число дней с пыльной бурей за год возрастает с северо-запада на юго-восток от 2 - 5 до 10 - 23 дней (Агроклиматические ресурсы..., 1978). На западе Ставропольской возвышенности и на Азово-Кубанской равнине пыльных бурь значительно меньше. Это объясняется тем, что они в основном возникают при ветрах восточной составляющей и пыль задерживается восточными склонами Ставропольской возвышенности, а также большой задернованностью почв из-за лучшего увлажнения (Свисюк, 1978).
Пыльные бури на прилегающих к Азовскому морю территориях явление достаточно обычное. Из литературных источников известны весенние пыльные бури 1928, 1929, 1936, 1939, 1947, 1948, 1949, 1952, 1957, 1960, 1965, 1972 гг., зимняя 1969 г., зимне-весенняя 1984 г. (Панов и др., 1961; Батова, 1966; Хрусталев, Фидюнина, 1975; Хрусталев и др., 1988; Хрусталев и др., 2002). Наиболее сильными, охватившими огромные пространства Северного Кавказа, Нижнего Дона и Нижнего Поволжья, были черные бури 1928, 1947, 1960, 1969 и 1984 гг. Они были весьма продолжительными (до 2-х недель). Таким образом, сильные бури с 1928 г. до 1977 г. повторялись через каждые 10-11 лет, средние по интенсивности - через 3-5 лет, а слабые - почти ежегодно (Хрусталев и др., 1988).
Был проведен подробный анализ метеорологической ситуации и пыльных бурь с 1966 по 2000 г. Этот период времени можно разделить на два интервала, первый - с 1966 по 1977 г. и второй - с 1978 по 2000 г.
Первый интервал характеризуется высокой ветровой активностью, большой повторяемостью ветров восточной четверти (Ивлиева, Сорокина, 2005). За двенадцать рассматриваемых лет можно выделить одну очень сильную пыльную бурю 1969 г., которая имела среднюю продолжительность на восточном побережье Азовского моря 269 часов, две средние бури в 1972 и 1974 гг. (78 и 71 час, соответственно) и в остальные годы слабые пыльные бури, порядка 0,1-10 часов (таблица 3.7, приложение 1).
Реконструкция условий и интенсивности осадконакопления в современный период
Показателем седиментационных свойств водных объектов служит скорость осадконакопления. Она определяется как результат поступления материала из источников (рек, поджверженых абразии берегов, атмосферы), с течениями из соседних районов моря, седиментации частиц в зависимости от размера, взмучивания донных отложений при активизации гидродинамических процессов, выноса частиц течениями в соседние районы. С помощью математической модели выполнена оценка интенсивности осадконакопления материала на акватории моря в период с 1940 по 2000 год. Были расчитаны:
- объем оседающего в Азовском море терригенного материала (рис. 4.17);
- скорости размыва дна и площади, на которых наблюдается абразия (рис. 4.18);
- скорости осадконакопления, (г/м2/год) (рис. 4.19).
Эти характеристики получены для каждого года из рассматриваемого периода, по квадратам 5x5 км, обобщены по четырем характерным периодам, выделенным в 1 главе, и районам моря. Построены детальные карто-схемы (рис. 4.20-4.23).
Для межгодовой изменчивости объемов поступающего терригенного материала участвующего в осадконакоплении, объемов размыва донных отложений и результирующего суммарного захоронения минерального взвешенного вещества характерны следующие закономерности (рис. 4.17).
В рассматриваемый период времени с 1940 по 2000 гг.наблюдается общая тенденция снижений накопления терригенных осадков, что обусловлено сокращением объемов поступающего с суши материала в 2,5 раза. На таком фоне выделяются отдельные пики осадконакопления - это годы, характеризующиеся лавинообразным поступлением частиц в море, главным образом за счет эолового фактора. Интересно отметить, что до середины 1970-х годов происходит закономерное снижение объемов размыва донных отложений во время максимумов в поступлении осадочного вещества, в это время терригенное осадконакопление играет главенствующую роль. В период уменьшения поступающего с суши материала (1980-90-е годы) в общем объеме оседающей взвеси увеличивается значение частиц, образовавшихся в результате взмучивания донных отложений и переносимы течениями в области аккумуляции.
Полученные результаты расчетов позволяют оценить полощади аккумуляция взвешенного материала и размыва донных отложений, а так же проследить их динамику (рис. 4.18).
На фоне современного этапа тектонического развития территории Азовского моря его гидродинамические особенности являются определяющими в распределении вещества по площади водоема, что влияет на формирование литологических типов осадка.
В 1980-1990-х гг. в связи с климатическими изменениями, наблюдалась тенденция снижения гидродинамической активности (уменьшение среднегодовой скорости ветра, числа ситуаций с максимальной скоростью (см. главу 1)). Этот факт закономерно должен был повлечь за собой уменьшение интенсивности процессов взмучивания и сокращение скоростей размыва, что и наблядается в последние двадцать лет (рис. 4.19). Но значительное уменьшение объемов материала поступающего из разных источников с суши, обуславливает увеличение площадей размыва донных осадков особенно в тех районах, где наблюдается его дефицит. К общим тенденциям динамики следует отнести сокращение с середины 1970-х годов площадей осадконакопления и увеличение площадей акватории моря, подверженых размыву донных отложений.
На всем рассматриваемом отрезке времени (1940-2000 гг.) наблюдается снижение скоростей осадконакопления, в среднем от 1000 до 400 г/м/год. Уменьшаются так же и скорости размыва донных отложений (от 700 до 200 г/м /год), что может быть связано с сокращением интенсивности гидродинамических процессов. Но не смотря на снижение интенсивности процесса размыва, площади подверженные донной эрозии, из-за дефицита материала увеличиваются. Так же, как будет показано ниже, увеличиваются площади с минимальными скоростями осадконакопления.
Рассмотрев общую динамику составных частей седиментогенеза (поступление материала - осаждение - взмучивание - осаждение) проанализируем региональные особенности и тенденции их изменения по характерным периодам (рис. 4.20 — 4.23, табл. 4.5 - 4.8).
Для рассматриваемого временного интервала, как для Таганрогского залива, так и для собственно моря, характеро уменьшение и исчезновение площадей с высокой скоростью осадконакопления ( 1500 г/м/год) и увеличение площади акватории с относительно низкой интенсивностью седиментации (0-500 г/м /год).
Так, первый период (1940 - 1952 гг.) условно естественного режима стока рек, интенсивной абразии, в результате большого количество гидродинамически активных лет и значительной роли эолового фактора, вследствие регулярно повторяющихся пыльных бурь, отличался высокими скоростями осадконакопления (1000-1500 г/м/год), особенно в районах поступления терригенного материала (Таганрогском, Темрюкском заливах и в кутовых частях заливов северного Приазовья (рис. 4.20, табл. 4.5). Площади с наибольшими скоростями седиментации соствляют в Таганрогском заливе - около 60%, в собственно море - 12%. К областям с наименьшими скоростями оседания материала (0-250 г/м /год), а нередко и размыва донных осадков следует отнести восточную часть собствено моря (районы: 15, 16, 17), западную (районы: 3, частично 4, 22, 26, 28). В центральной области моря (1,2) интенсивность седиментации составляла порядка 500 г/м /год.
Во второй период (1953 - 1972 гг.) происходит зарегулирование р. Дон и уменьшения твердого стока, некоторое уменьшение поступления абразионного материала, но при этом продолжает действовать мощный эпизодический эоловый фактор. Сокращаются площади с максимальной скоростью осадконакопления в Таганрогском заливе от 60 до 32% и собственно море от 12 до 5 %, увеличиваются с интенсивностью от 1000 до 1500 г/м /год и менее (пространственное распределение см. рис. 4.21, табл. 4.6).
Коренные изменения в процессе седиментогенеза происходят в третьем (1973 - 1986 гг.) периоде, для которых характерно полное зарегулирование стока рек и, соответственно, уменьшение поступления взвешенных наносов в 4 раза. Уменьшаются частота и сила пыльных бурь и объем эолового материала. Продолжают увеличиваться площади с минимальным накоплением осадков от 0 до 500 г/м /год: в Таганрогском заливе от 13% во втором периоде до 31% в третьем; в собственно море от 29% до 57%. Акватории на которых скорость осадконакопления составляет 500 - 1000 г/м /год расширяются в Таганрогском заливе от 18% до 30%, а в собственно море уменьшается от 33 до 13,6%, здесь практически исчезают площади с накоплением осадков 1500 г/м /год. В центральной части моря наибольшее накопление осадков (500-1000 г/м /год), как можно увидеть на рис. 4.22, приурочено к области максимальных глубин ( 13,5 м) (табл. 4.7).
Для четвертого периода П987-2000 гг.), характеризующегося достаточно интенсивной абразией, из-за повышения уровня моря и западных волнений, незначительным увеличением твердого стока р. Кубань, и снижением роли эоловых выпадений, вследствие уменьшения количества и интенсивности пыльных бурь отмечено общее уменьшение скоростей осадконакопления. Как в Таганрогском заливе, так и в собственно море практически не выделяются области со скоростью 1250 г/м2/год (рис. 4.23, табл. 4.8). Наиболее интенсивно для этого интервала времени накопление терригенных осадков происходит в районах где сосредоточены источники поставки материала и где этому способствуют особенности морфологии дна и гидродинамической активости: Центральная часть Таганрогского залива (районы 8, 13, частично 7, 14), Темрюкский залив, кутовые части заливов северного Приазовья (см. рис. 4.23). Увеличивается площади размыва донных отложений в Таганрогском заливе с 18 до 28%, в собственно море с 25 до 29%, что в большей мере обусловлено дефицитом терригенного материала, чем гидродинамической активностью.
Похожие диссертации на Особенности терригенного осадконакопления в Азовском море во второй половине XX века
