Поверхностные донные отложения Карельских озер, особенности формирования и химический состав

Полный текст

1. Введение

Озера Карелии (63°49′00″ с. ш. 33°00′00″ в. д.) являются молодыми с геологической точки зрения. Их возраст не превышает 15 тыс. лет (Субетто, 2009). Они формировались на рубеже позднего плейстоцена и голоцена (15–11 тыс. л.н.) в процессе дегляциации территории в направлении с юго-востока на северо-запад. Озера с момента своего возникновения развивались как пресноводные водоемы, обладающие индивидуальными особенностями накопления осадочного вещества, в зависимости от их расположения на ледораздельных возвышенностях, или на озерных равнинах, или на территориях развития денудационно-тектонического рельефа (Палеолимнология..., 2022). Геологические и геохимические (Алабышев, 1932; Бискэ, 1959; Бискэ и др., 1971; Перфильев, 1972; Синькевич и Экман, 1995; Лукашов и Демидов, 2001; Демидов, 2003; Демидов и Шелехова, 2006; Слуковский и Медведев, 2015; Слуковский и Даувальтер, 2020), палеолимнологические (Лак и Лукашов, 1967; Мартинсон и Давыдова, 1976; Давыдова, 1985; Девятова, 1986; Шелехова, 2006; Шелехова и др., 2021; Филимонова и Лаврова, 2017; Филимонова, 2014; Subetto et al., 2017; 2020; Лаврова и Филимонова, 2018; Gromig et al., 2019; Hang et al., 2019; Zobkov et al., 2019; Strakhovenko et al., 2020a;b; 2022) и лимнологические (Семенович, 1973; Васильева и Поляков, 1992; Васильева и др., 1999; Белкина, 2017; Belkina et al., 2018; 2022; Белкина и Кулик, 2019) исследования донных отложений озер Карелии позволили собрать огромный фактический материал о лимногенезе восточной периферии Фенноскандинавского кристаллического щита в поздне- и послеледниковое время. Однако вопросам изучения современного озерного осадконакопления не уделялось должного внимания.

В настоящее время в условиях гумидного климата на территории Карелии сложилась уникальная система озер, связанных между собою небольшими водотоками в единую гидрографическую сеть, где озера площадью менее 1 км² составляют 96%. Показатель озерности региона – один из самых высоких на планете (21% с учетом Онежского и Ладожского озер) (Озера..., 2013). Пребывание воды в течение года преимущественно в жидком фазовом состоянии создает предпосылки для множества процессов физической, химической и биологической дифференциации вещества на всех стадиях озерного седиментогенеза.

Целью исследования являлось обобщение данных о химическом составе донных отложений озер Карелии и выявление закономерностей формирования озерных осадков в современных условиях.

2. Материалы и методы исследования

В статье использовались архивные материалы исследований донных отложений 139 озер Карелии, собранные в ИВПС КарНЦ РАН за период 1965-2020 гг. в том числе и с участием автора. Сравнение проводилось по 8 показателям химического состава (органический углерод - C_org, углерод гуминовых и фульвовых кислот - C_ha, C_fa, фосфор минеральный - P_min, аммонийный и органический азот N-_NH4+, N_org, железо, марганец и зольность - Ash). В донных отложениях модельных объектов (озера Южное Хаугилампи, Вендюрское, Корытово, Полевское, Голубая ламба, Ладмозеро, Шотозеро, Падмозеро, Сяргозеро) дополнительно определялись: pH и Eh, физические характеристики (плотность - d, естественная и абсолютная влажность – Wet_20°С, Wet_105°С, пористость - por, удельная масса - ds), потери при прокаливании (LI_550°С), пигментный состав Chl_a,b,c, фосфор общий - P_tot, суточное потребление кислорода илом (OD₁) (Belkina et al., 2023).

3. Результаты и обсуждение

Озера Карелии функционируют в настоящее время в условиях влажного климата (переходного от морского к континентальному) с относительно теплой зимой, коротким прохладным летом и неустойчивым режимом погоды весной и осенью (Назарова, 2015). Процесс современного озерного накопления контролируется следующими климатическими особенностями. (1) Невысокие температуры и заметное количество атмосферных осадков (600–650 мм в год, 60% из которых выпадает в период с мая по октябрь) обеспечивают развитие поверхностного стока, играющего важную роль в процессе выветривания и транспортировке веществ разного генезиса по уклону местности в озера. (2) Нахождение в умеренном климатическом поясе определяет температуру поверхности озер летом выше, а зимой ниже 4°C со значительными сезонными колебаниями. Как следствие подобного распределения температур, водоемы характеризуются двумя полными конвективными перемешиваниями водной массы в течение года – весной и поздней осенью. Гидрологический и термический режимы озер и динамика вод определяют неравномерный характер поступления осадочного вещества в донные отложения и изменение его качественного и количественного состава в зависимости от сезона (Kulik et al., 2023a). (3) Длительное летнее солнцестояние (самый долгий день длится около 20 часов) создает в озерах благоприятную среду (небольшая температура воды, достаточная освещенность и прозрачность) для развития фитопланктона, являющегося основным поставщиком автохтонного органического вещества в донные отложения. (4) Устойчивые ветра северо-западного направления большую часть года и западного, южного и юго-западного направлений в холодные периоды создают условия для поступления в донные отложения эоловых взвесей.

Современный седиментогенез в озерах бассейна во многом определяется геологическим фактором. Геоморфологические особенности территории (ярусность рельефа, горизонтальная и вертикальная расчлененность поверхности, мощность покровных отложений, литологический состав и тип разреза рыхлых четвертичных осадков) определяют условия водного стока и транспортировку осадочного материала в озера. Разнообразные по строению и времени образования тектонические структуры, архейские и протерозойские породы кристаллического Фенноскандинавского щита, рыхлые четвертичные отложения и породы верхнего девона и нижнего карбона Русской платформы определяют состав минеральной части донных отложений. Так, преобладание силикатных пород на территории бассейна обеспечивает накопление в донных отложениях кремния, поступающего в составе терригенного взвешенного вещества, а также создает условия для присутствия кремнекислоты в воде озер, стимулируя развитие диатомового комплекса фитопланктона с последующим накоплением биогенного кремния в донных отложениях. Относительно невысокое содержание фосфора в горных породах определяет лимитирование водных экосистем по фосфору, и как следствие влияет на количественный и качественный состав органического вещества донных отложений.

Подзолообразовательные почвенные процессы играют важную роль в иммобилизации и транспортировке металлов в озера. Так, высокое содержание в породах Fe и Mn, способных к реакциям комплексообразования с растворимыми гумусовыми органическими веществами, образующимися в почве, является причиной активной их миграции в природных водах и накоплению в донных отложениях (Belkina et al., 2018).

Влияние антропогенного фактора на процессы озерного накопления в первую очередь проявляется в водоемах, испытывающих прямое антропогенное воздействие (поступление хозяйственно-бытовых сточных вод, площадный сток с селитебных территорий и сельхозугодий, рыборазведение, эоловые поступления от добычи горных пород открытым способом, судоходство, строительство гидротехнических сооружений и др.). Влияние на седиментогенез лесной промышленности проявляется опосредовано. Изменение водного баланса территории водосбора озера в результате лесных вырубок ведет к изменению гидрологического режима. Это, безусловно, отражается на поступлении вещества в озеро и на продукционных процессах в самом озере.

Все перечисленные выше факторы влияют на функционирование гидрографической сети. Расположение территории в зоне избыточного увлажнения, где количество осадков преобладает над испарением, обусловливает наличие поверхностного и подземного стока. Гидрологический режим этой системы во многом подчиняется тектонике и рельефу. Значительная часть вещества, участвующего в осадочном процессе в озерах, с водосбора переносится водой в растворенном виде. На дренирование с водосборной площади поверхностного и подземного стока рек существенное влияние оказывает различная глубина залегания коренных пород под толщей четвертичных отложений, чрезвычайно расчлененный рельеф и близость водоразделов к базисам эрозии. Поверхностный сток не характерен только для водоемов с площадью менее 1 км².

Преобладающим типом подземных вод региона является гидрокарбонатно-кальциевый, который формируется независимо от состава пород в зоне активного водообмена. Связано это с тем, что выщелачивание пород в условиях насыщения углекислым газом (источником которого являются почвы) уже на первом этапе приводит к образованию растворов кремнисто-кальциевого типа, для которых характерно неравновесное состояние с первичными алюмосиликатами и карбонатами, но они уже насыщены относительно не только каолинита, но и других вторичных алюмосиликатов (монтмориллонита, иллита, пирофиллита). Условия кратковременного пребывания воды в горных породах и небольшие расстояния от района питания до района разгрузки подземных вод обеспечивают общие геохимические особенности поверхностных вод региона (Бородулина, 2011). В озера и водотоки бассейна поступают слабоминерализованные кальциево-кремнистые подземные воды, являющиеся продуктом выщелачивания первичных алюмосиликатов, обогащенные вымываемыми из почв органическими веществами и углекислым газом.

Главными особенностями поверхностных вод, формирующихся в условиях Карелии, являются низкое содержание минеральных веществ, высокая цветность и заметное содержание железа. По минерализации воды региона относятся к ультрапресным (среднее значение для Карелии 31 мг/л). Большинство исследованных водных объектов имеет минерализацию менее 50 мг/л, жесткость 0,2-0,4 мг-экв./л. Среди катионов превалирует Ca²⁺, редко Mg²⁺, еще реже K⁺. Щелочноземельные металлы доминируют над щелочными. Среди анионов наименьшее содержание отмечено для Cl^- (1,7 мг/л) и SO₄^2- (3,5 мг/л), особенно в гумифицированных водах, где их концентрации ниже, чем в атмосферных осадках. Доминируют в анионном составе гидрокарбонаты. Щелочность изменяется от 0 до 276 мг/л, но для большинства водоемов и водотоков ее значение менее 30 мг HCO₃^-. Концентрации анионов органических кислот изменяются от 0,01 до 0,4 ммоль/л. Как правило, вода озер характеризуется как среднегумусная (цветность 35–80 град., ПО = 8 – 15 мгО/л), вода рек – высокогумусная. Содержание CO₂ изменяется от 0 до 46 мг/л, в реках оно обычно в 2 раза выше, чем в озерах. В водной толще его концентрация увеличивается с глубиной, в отличие от кислорода, чье содержание с глубиной снижается. Вследствие потребления на биохимическое окисление органического вещества, показатель pH, зависящий от содержания HCO₃^-, CO₂, органических кислот и их солей, меняется в широких пределах (от 4,07 до 8,34) и, как правило, увеличивается с ростом щелочности воды. Большинство водных объектов можно отнести к слабокислым (5,5-6,5) и нейтральным (6,5-7,5). Наиболее низкие pH имеют речки сильно-заболоченных территорий и малые водоемы с атмосферным питанием. Концентрации железа, фосфора и марганца колеблются в широких пределах (от 0 до 4,6 мг/л Fe, от 6 до 26 мкг/л Р и от 0 до 2,1 мг/л Mn). Их содержание зависит от щелочности и присутствия органического вещества гумусовой природы (Современное..., 1998; Лозовик и др., 2020). Как уже упоминалось выше, гумусовые кислоты почв способствуют переносу металлов в поверхностных водах. Органические кислоты усиливают выщелачивание карбонатов и фосфатов Ca и Mg, что в свою очередь приводит к более высоким концентрациям фосфора и углекислого газа в высокогумусных поверхностных водах по сравнению с низкогумусными. Часть фосфора может связываться с растворимыми формами железа (металлорганические комплексы) или сорбироваться на гидроксо-соединениях железа, мигрирующими в составе взвешенного вещества, что, приводит к поступлению фосфора в донные отложения не только в составе детрита, но и в составе железо-гумусовой взвеси.

Содержание других химических элементов в поверхностных водах, в том числе и кремния (в реках его концентрация изменяется от 1,2 до 4,9 мг/л, в озерах – от 0,2 до 2,6 мг/л), достаточно стабильно и мало зависит от типа вод и сезона года. Содержание взвешенного вещества в речных водах зависит от сезона и изменяется от 0,2 до 13 мг/л. Воды подавляющего большинства рек относятся к щелочностному высокогумусному типу. Большая часть озер имеет щелочностные среднегумусные воды, малые водоемы – слабощелочностные высокогумусные (Озера..., 2013).

Геоморфологические отличия водосборных территорий озер бассейна во многом определяют разнообразие и уникальность седиментационных режимов малых озер. Неравномерное распределение речного стока в большие водоемы вкупе со сложной морфометрией котловин и изрезанностью береговой линии обуславливают существование в них локальных бассейнов (лимнических районов) с разными режимами седиментации (Белкина, 2021). Значительная часть минеральной составляющей озерных донных отложений формируется за счет взвешенного вещества, содержащего обломочный материал горных пород водосборной территории. В условиях гумусных маломинерализованных поверхностных вод непосредственно в самом водоеме образуются и осаждаются на дно малорастворимые соединений кремния, железа, марганца и как следствие соосаждаются (в результате сорбционных процессов на гидроксо-соединениях) фосфор или металлы (Kulik et al., 2023b). Нерастворимые гуматы, оседающие в донные отложения, образуются в водной массе в процессе биохимического окисления растворенного органического вещества.

Биологические сообщества озерных экосистем являются поставщиками органического вещества в донные отложения. Главные факторы продуктивности экосистемы – это температура воды, ее солевой состав и наличие биогенных элементов (Константинов, 1986). Рост и продукцию водных организмов ограничивает короткий вегетационный период и низкая температура воды. Основу флоры и фауны озер региона составляют холодолюбивые представители: диатомовый планктон, глубоководные реликтовые ракообразные, в ихтиоценозах – сиговые и лососевые рыбы. Доминирование в альгофлоре озер наиболее таксономически разнообразных диатомовых, зеленых, синезеленых и золотистых водорослей (93,5 % от общего списка) является зональной особенностью для северо-западных территорий. Количественные показатели развития (численность и биомасса) фитопланктона значительно варьируют в течение вегетационного сезона. Весной и осенью в озерах численно преобладают диатомовые водоросли, а в летний период развивается смешанный планктон. Биомасса фитопланктона существенно возрастает с увеличением трофности озер. Среднегодовая продукция фитопланктона изменяется от 11 г С·м^-2·год^-1 (Суккозеро, олиготрофное) до 160 (Святозеро, эвтрофное) г С·м^-2·год^-1 и в большинстве озер не превышает 50 г С·м^-2·год^-1 (среднее 45, медианное 38) (Чекрыжева, 2011).

Структура сообщества зоопланктона также зависит от трофического статуса водоема и изменяется в зависимости от его термического и динамического режимов. В ранневесенний период (начало июня), главенствующее положение в сообществе занимают инфузории. По мере прогревания воды и изменения условий питания руководящим комплексом становятся коловратки. В летний период доминируют ветвистоусые ракообразные. Осенью вновь возрастает роль коловраток. Зимний зоопланктон представлен в основном веслоногими рачками и коловратками. Биомасса зоопланктона изменяется в пределах от 0,18 до 27 г/м³, а численность – от 1 тыс. до 5 млн экз./м³ (Озера..., 2013).

Современная фауна дна достаточно разнообразна в таксономическом отношении и насчитывает по последним данным свыше 1000 видов и форм беспозвоночных. Доминирующий комплекс бентоценозов образован тремя систематическими группами: хирономиды, олигохеты и моллюски. Озера южной Карелии более продуктивны: средняя биомасса бентоса озер бассейна р. Шуи – 4,36 г/м², бассейна р. Водлы – 2,26 г/м², озер Заонежского полуострова – 3,92 г/м² (Озера..., 2013).

Макрофиты вносят значительный вклад в формирование органического вещества донных отложений только в малых мелководных эвтрофных водоемах с развитой литоралью. Озера тектонического и ледниково-тектонического генезиса, в литорали которых представлены каменисто-валунные, скалистые, каменисто-песчаные и песчаные грунты являются неблагоприятными для произрастания водных растений. Повышенное содержание в воде гуминовых веществ также сдерживает их развитие. Величина годовой продукции изменяется в пределах от 0,5 до 6 г С·м^-2·год^-1 и обычно не превышает 1 г С·м^-2·год^-1 (Озера..., 2013). Значения биомассы и численности водорослей снижаются при уменьшения рН (Комулайнен и др., 2006).

Низкая минерализация воды имеет большое значение для регуляции водно-солевого баланса водных организмов (Константинов, 1986). Она влияет и на количество видов и биомассу фитопланктона и на присутствие морских гляциальных реликтов в глубоких озерах. Наиболее чувствительны к дефициту солей являются моллюски, раковины которых становятся тонкими, а размеры – маленькими (Kalinkina et al., 2013). Для водных беспозвоночных низкий водородный показатель также выступает как токсичный фактор, который нарушает целостность клеточных мембран (Калинкина и др., 2017). Высокая цветность вод влияет на структуру и вертикальное распределение микроводорослей. В мезо– и полигумозных водоемах фотический слой сужается за счет ослабления проникновения фотосинтетически активной радиации в толщу воды, что снижает продуктивность планктона. Соответственно, недостаточная кормовая база обеспечивает низкую естественную рыбопродуктивность озер – 10 кг/га (Озера..., 2013).

Часть поступающего в водоемы фосфора, необходимого для энергетического обмена организмов, связанна в комплекс с гумусом и железом, а, следовательно, находится в мало доступной для водных сообществ форме. Постепенная трансформация гумусовых веществ в результате их фотоокисления и деятельности гетеротрофной микрофлоры (которая при недостатке легкоминерализуемого органического вещества использует их в качестве субстрата) требует дополнительного времени, что также является сдерживающим фактором продукционных процессов. Количество бактериопланктона является достаточно устойчивым показателем и колеблется в пределах от 1,5-2 млн·мл^-1, возрастая в загрязненных районах (Гашкина и др., 2012). Численность и биомасса бактерий в течение вегетационного сезона варьирует в 1,5-2,5 раза в зависимости от трофности. Для большинства водоемов в сезонном развитии бактериопланктона отмечаются два пика – весенний и летний. Основная масса бактерий в толще воды находится в виде одиночных клеток, жизнедеятельность которых базируется на сложных органических субстратах (актиномицеты, олиготрофные бактерии). В водоемах, подверженных антропогенному влиянию, заметное развитие имеют группы бактерий, отражающих тот или иной вид загрязнения (нитрифицирующие, целлюлозоразрушающие, нефтеокисляющие, фенолокисляющие, колиформные). Биомасса бактерий в сыром виде в летний период достигает величин 0,1-0,5 мг·л^-1, выраженная в углероде – 10-54 мкгС·л^-1, в загрязняемых водоемах ее значения увеличиваются в 1,5-2 раза. Темновая ассимиляция углекислоты, как показатель биосинтетической активности бактериопланктона, в летний период в олиготрофных водоемах не превышает 0,5, в мезотрофных имеет пределы 0,8-3,1 , в эвтрофных достигает 7,8 мкг С·л^-1·сут^-1 и выше (Озера..., 2013).

Таким образом, температура, солевой состав, гумусность и щелочность поверхностных вод являются ключевыми факторами среды, ограничивающими развитие живых организмов в водоемах восточной окраины Фенноскандинавского щита. Главным источником автохтонного органического вещества в донных отложениях является фитопланктон. Довольно низкая продуктивность озер, по-видимому, является причиной того, что основная часть легкоокисляемого органического вещества активно потребляется и минерализуется в воде, а в донных отложениях накапливается трудноокисляемое, мало поддающееся биологическому разложению органическое вещество. Количественный и качественный состав органического вещества в воде озер, который зависит от продукции фитопланктона и массы поступающего с водосбора гумуса, контролирует скорость накопления и интенсивность процессов трансформации органического вещества в донных отложениях. Существенный вклад высшей водной растительности в органическое вещество донных отложений характерен для мелких, хорошо прогреваемых продуктивных озер с развитой литоралью.

Аллохтонное органическое вещество поступает в озера с речным стоком в виде растворенных гумусовых веществ, образующихся в почвах водосбора, и в виде листового опада наземной растительности берегов. Интенсивность почвообразовательного процесса, которая зависит от химического и гранулярного состава материнских пород, контролирует поступление в поверхностные воды аморфного кремния, гумусовых веществ и химических элементов, склонных к образованию комплексных соединений и коллоидных систем с кремнием и гуминовыми кислотами, что влияет и на химический состав воды и на биологические характеристики озер, а в конечном итоге и на состав донных отложений. Роль почвенного покрова в седиментогенезе возрастает с ростом площади водосбора озера. Необходимо также отметить, что начиная с 1989 г. на территории России наблюдается устойчивое превышение нормы средней годовой температуры воздуха (Груза и Ранькова, 2012). Увеличение длительности вегетационного периода и рост количества осадков неизбежно приводит к увеличению поступления аллохтонного органического вещества в озеро с водосбора, увеличению продукции самих озер и как следствие к росту поступления органического вещества в донные отложения.

Анализ данных химического состава поверхностных донных отложений озер Карелии показал, что в регионе встречаются озера с разным типом накопления (концентраторы минеральных веществ, накопители органического вещества, аккумуляторы наносов) (Таблица 1). Отличия гидрологических и морфометрических характеристик озер, разные площади и состав пород водосборов, а также разный трофический статус водоемов определяют различия в химическом составе осадков. Для большинства озер региона характерно неравномерное распределение осадочного материала на дне водоема, которое закономерно контролируется морфологией котловины и динамикой вод: песчано-гравийные донные отложения слагают литоральную зону, а глинистые илы господствуют в глубоководных зонах.

Таблица 1. Обобщенный химический состав поверхностного слоя (0-5 см) донных отложений по данным для 139 малых озер Карелии, % (Белкина, 2021).

Примечание: «*» – По преобладающей гранулометрической фракции (песок 0,05-2 мм; ил 0,005-0,05 мм, глина < 0,005).

Разнообразие седиментационных обстановок в озерах Карелии связано с локальными ландшафтными условиями водосборов. Наиболее важными его характеристиками в равной мере являются: площадь и рельеф водосборной территории, морфология озерной котловины и химический состав воды (Белкина, 2021). Сделать однозначный вывод о доминировании определенного типа озерного накопления в зависимости от положения водоема в рельефе трудно. Химический состав осадков в зонах аккумуляции показывает, что в крупных озерах (S_{зеркало} > 10 км²) преобладает минеральный, а в малых (S_{зеркало} < 1 км²) – органический тип накопления. В озерах с S_{зеркало} от 1 км² до 10 км² встречаются и минеральные и органические осадки (Рис.1).

Рис.1. Распределение озер с различными типами осадконакопления: зеленый цвет – органоминеральное (зольность<80%), синий цвет - минеральное (зольность >80%); I – железо-кремний-гумусовое, II – железо-гумусово-кремниевое, III – гумусово-железо-кремниевое) в зависимости от от местоположения (H – высота над уровнем моря, м) и размера (S – площадь зеркала озера, км²).

Как правило, содержание органического вещества в донных отложениях увеличивается с ростом трофического уровня водоема от олиготрофного к эвтрофному (Белкина, 2011). Озера - органонакопители встречаются во всех современных ландшафтах региона (конечные моренные возвышенности, ледораздельные аккумулятивные возвышенности, озерные равнины). По макросоставу осадки таких озер характеризуются как железо-кремне-гумусовые. Примером является эвтрофное, мелководное (средняя глубина 4,1 м) с хорошо развитой литоральной зоной озеро Южное Хаугилампи (Западно-Карельская возвышенность, 63°33´ с.ш., 33°20´ в.д. Высота над уровнем моря 153 м БС. S_{водосбор} = 0,329 км², S_{зеркало} = 0,276 км²). Оно функционирует как самостоятельный водоем около 12 тыс. л. н.. Поверхностные донные отложения представлены илами бурого цвета. Средние характеристики химического состава следующие: LI_550°С = 60%, С_org = 26%, зольность = 38%, OD₁ = 4 мгО₂/г, ∑Chla,b,c = 1000 мкг/г, pheophytin = 1200 мкг/г, N_org = 1,9%, N_NH4+ = 0,02%, Р_tot = 0,3%, Р_min = 0,2%, Mn = 0,04%, Fe = 2,5%. Редокс-цикл железа и марганца контролирует разложение органического вещества в донных отложениях. Распределение биогенных элементов (N_org, N_NH4+, Р_tot, Р_min, Fe, Mn) по вертикали колонки - немонотонно (Рис. 2). Химический состав воды озера Южное Хаугилампи соответствует мезогумусному среднещелочностному нейтральному слабощелочному гидрокарбонатному типу вод группы кальция. Минерализация воды озера высокая (90 мг/л). В ионном составе среди анионов преобладают гидрокарбонаты (95%), среди катионов – кальций (54%), щелочность 71,12 мгHCO₃^-/л, рН=7,1, цветность воды 25 град. Соотношение PO = 2,96 мгО/л и COD = 12,2 мгО/л указывает на автохтонное происхождение органического вещества (Озера..., 2013).

Рис.2. Вертикальное распределение химических, физических и физико-химических характеристик в поверхностном слое донных отложений оз. Южное Хаугилампи. 1– Eh, мВ; 2 – pH; 3 – масса твердого вещества в 1 мл влажного грунта, г/мл; 4 – Wet_20°С, %; 5 – Wet_105°С, %; 6 – por; 7 – d_s, г/см³; 8 – С_org, %; 9 – LI_550°С, %; 10 – OD₁, мг O₂/г; 11 – N_NH4+, %; 12 – N_org, %; 13 – Fe, %; 14 – Mn, %; 15 – Ash, %; 16 – P_min, %; 17 – P_tot.

Необходимо отметить, что в малых озерах независимо от особенностей ландшафта, трофического статуса водоема и химического состава вод накапливается органическое вещество разного генезиса. Например, высокое содержание органического вещества наблюдается в эвтрофном оз. Корытово (S_{водосбор} = 0,1 км², S_{зеркало} = 0,003 км², LI_550°С = 86%, Ash = 11%) и в мезотрофном оз. Полевское (S_{водосбор} = 31,8 км², S_{зеркала} = 0,45 км², LI_550°С = 66%, Ash = 33%), образовавшихся 12-11 тыс. л. н. в пределах озерно-ледниковой равнины, и в олиготрофной Голубой ламбе (S_{водосбор} = 0,21 км², S_{зеркало} = 0,04 км²; LI_550°С = 89%, Ash = 9%), которая образовалась на Вохтозерской возвышенности 7,9 тыс. л. н.. Скорости осадконакопления в Корытово, Полевском и Голубой ламбе различаются более чем на порядок (10, 1 и 0,1 мм в год, соответственно). Источники органического вещества в донных отложениях также разные. В оз. Полевском основным источником являются гумусовые вещества, поступающие с водосбора, в оз. Корытово – высшая водная растительность, в Голубой ламбе – наземная и высшая водная растительность и фитопланктон. Эти малые водоемы имеют разный химический состав воды (мезогумусный, гидрокарбонатный класс группы кальция магния с ∑_ион = 60 мг/л в оз. Полевское; карбоксилатный класс вод группы калия с ∑_ион = 30 мг/л в оз. Корытово; олигогумусный сульфатный класс группы кальция с ∑_ион = 3 мг/л в Голубой ламбе (Озера..., 2013)).

В озерах, где формируются минеральные осадки, наиболее распространенным типом накопления является железо-гумусо-кремниевый. Типичным представителем такого водоема является мезотрофное оз. Вендюрское (Вохтозерская возвышенность, 62°13´ с.ш., 33°16´ в.д., S_{водосбор} = 79,8 км², S_{зеркало} = 10,1 км², высота над уровнем моря 143,8 м БС, средняя глубина 6,1 м). Водоем аккумулятивно-остаточного генезиса общая мощность четвертичных отложений которого составляет 3,50 м. Современные донные отложения формируются в условиях олигогумусных вод гидрокарбонатного класса группы Са и представлены серо-коричневым илом (LI_550°С = 29%, Ash = 68%, Fe = 7,8%). Диапазон колебаний физико-химических показателей по вертикали поверхностного слоя (до 40 см) составляет одну единицу pH (от 4,3 до 5,6) и 600 мВ Eh (от 25 до +600 мВ). Изменчивость значений Eh, по нашему мнению, определяется сезонным дефицитом кислорода в придонных водах, что вызывает диагенетическую перестройку поверхностного слоя вследствие развития анаэробных процессов трансформации органического вещества. Результатом является образование и захоронение прослоев с разным содержанием металлов, количественным и качественным составом органического вещества, а, следовательно, и с разной микрофлорой, перерабатывающей это органическое вещество. Значение LI_550°С медленно и монотонно меняется вниз по колонке, что свидетельствует о значительной трансформации органики в водной толще водоема, прежде чем поступает на дно. Значения OD₁ не велики (1-1,8 мгО₂/г). Распределение фосфора по вертикали осадка соответствует распределению железа и марганца и варьирует от 0,06 до 0,3% (Рис. 3).

Рис.3. – Вертикальное распределение химических, физических и физико-химических характеристик в поверхностном слое донных отложений оз. Вендюрское. 1– Eh, мВ; 2 – pH; 3 – масса твердого вещества в 1 мл влажного грунта, г/мл; 4 – Wet_20°С, %; 5 – Wet_105°С, %; 6 – por; 7 – d_s, г/см³; 8 – С_org, %; 9 – LI_550°С, %; 10 – OD₁, мг O₂/г; 11 – N_NH4+, %; 12 – N_org, %; 13 – Fe, %; 14 – Mn, %; 15 – Ash, %; 16 – P_min, %; 17 – P_tot.

Монотипные (кремниевые или железистые) осадки встречаются в озерах южной Карелии реже по сравнению с северной ее частью. Гумусо-кремниевые осадки были обнаружены в озерах на территории Заонежского полуострова (озера Нижнее Мягрозеро и Сяргозеро), в малых водоемах Шуйской низины (оз. Линдозеро), в северной части водосбора Онежского озера (оз. Мунозеро, район п. Лобское) (Демидов и Шелехова, 2006). Например, диатомовые осадки мезотрофного оз. Сяргозеро (S_{водосбор} = 17,4 км², S_{зеркало} = 0,65 км² имеют светло-зеленый цвет и отличаются высокими значениями пористости (0,94) по всей толще, низкой удельной массой (1,1 г/см³) и очень малым содержанием железа (0,5%). Соотношение органического вещества (С_org = 21%, LI_550°С = 45%, N_org = 1,35% и P_tot = 0,05%, С:N=18, C:P=1029) и минеральной части осадка (Ash= 51%) близко к единице. Распределение pH, Eh и элементов химического состава по вертикали осадка в поверхностном слое имеет монотонный характер.

Гумусо-железо-кремниевые донные отложения, как правило, формируются в окислительной обстановке в водоемах с развитой литоральной зоной, с высоким удельным водосбором и большой площадью водосборной территории (существенно заболоченной, где распространены иллювиально-гумусово-железистые подзолы). Отложения данного типа формируются в олиготрофных озерах с низкой цветностью воды с глубоко врезанными котловинами (оз. Ладмозеро, S_{водосбор} = 120 км², S_{зеркало} = 24 км², H_max = 52 м, класс воды гидрокарбонатный) и в мелких высокопроточных водоемах с высокой цветностью воды (оз. Шотозеро, S_{водосбор} = 5540 км², S_{зеркало}= 74 км², H_max = 10 м, класс воды карбоксилатный). Особенностью таких водоемов является накопление в литоральной зоне (на глубине от 1 до 5 м) озерных железных руд в виде корок, конкреций, оолитов, монет (Перфильев, 1972). Эти биогеохемогенные осадки, содержащие до 40% Fe и 2% Mn, являются минеральными смесями некристаллического строения (Ovdina et al., 2018; Belkina et al., 2018; Strakhovenko et al., 2020a). Осадки состоят главным образом из гидроксидов Fe (гетит, лепидокрокит), оксидов марганца, также содержат небольшое количество глинистых минералов, кварца, реже карбонатов. Они образуются в присутствие кислорода в процессе осаждения взвешенных и коллоидных веществ, содержащих избыток железа. Выпадению коллоидов в осадок способствуют бактерии. Мощность рудных отложений, залегающих в прибрежной полосе озер шириной до 300 м, изменяется от 1 см до 1 м. В то же время содержание железа в иловых отложениях, залегающих в глубоководных зонах, обычно ниже кларка. Накопление железа в илах (до 40%) свойственно также маленьким неглубоким лесным ламбушкам, имеющим заболоченный водосбор. В Карелии до 19 века озерные руды использовались человеком для добычи железа (Кулешевич и др., 2010).

Карбонатные донные отложения на территории бассейна ОПО встречаются редко. Например, в оз. Падмозеро (S_{зеркало} = 10 км², S_{водосбор} = 78 км², H_max = 15 м, тектонико-ледниковая котловина, реликт ОПО), расположенном в восточной части Заонежского полуострова. В аккумуляционной зоне водоема залегают светлые, кремовые (беж) илы, сформированные обломочными продуктами выветривания карбонатных пород, распространенных на водосборе. Содержание органического вещества, азота и фосфора сравнительно невелики (LI_550°С = 13,9%, С_org = 7,1% , OD₁ = 0,32 мгО₂·г^-1·сутки^-1, N_tot = 0,80%, Р_tot = 0,13%, С:N=10, Chlа = 0,5 мг·г^-1). Физико-химические условия и химический состав воды озера, хотя и отличаются от других водоемов полуострова газовым составом и более высокими значениями pH и минерализации (CO₂ изменяется от 0,8 до 20 мг/л, pH = 8, HCO₃^- = 89 мг/л, ∑_ион = 150 мг/л), не предполагают образование хемогенных карбонатов кальция и железа в водоеме. Карбонатные осадки могут отлагаться в донных отложениях в результате субаквальной разгрузки подземных вод, как это наблюдается в оз. Рахойлампи, расположенном на Вохтозерской возвышенности.

Необходимо отметить, что химический состав донных отложений небольших лесных озер с малыми площадями водосборов мало менялся в течение последних 100 лет, что доказывают не изменяющиеся по вертикали профили химических характеристик в колонках донных отложений, а также результаты периодических наблюдений, например, на озерах Заонежского полуострова, исследования на которых проводятся с 1929 г. (Белкина и Кулик, 2019). Для озер, на водосборе которых располагаются населенные пункты и сельхозугодия, отмечается более высокая доля терригенной составляющей в составе осадка, а также присутствие токсических веществ. Например, в донных отложениях оз. Суоярви содержание нефтепродуктов в районе города (0,55%) на 2 порядка превышает фоновые значения, или высокие концентрации тяжелых металлов в водоемах г. Петрозаводска (Четырехверстное, Сулажгорская ламба) (Современное..., 1998; Слуковский и Медведев, 2015). Ярко выраженными аккумуляторами наносов являются водоемы, расположенные в пределах селитебных территорий, либо водоемы с высоким коэффициентом водообмена, являющимися частью озерно-речных систем (например, оз. Логмозеро). Большая часть территории Карелии занята лесами, поэтому значительных антропогенных аномалий в донных отложениях озер не выявлено.

4. Выводы

Климатические условия и состав горных пород Фенноскандинавского кристаллического щита определяют общие для всех озер региона химические характеристики донных отложений (макросостав): кремний, гумус (органическое вещество) и железо составляют основную массу вещества современных донных отложений, а их соотношение определяет тип озерного накопления.

В озерах юго-восточной части Фенно-скандинавского кристаллического щита в настоящее время формируются донные отложения смешенного типа: железо-гумусо-кремниевые, железо-кремне-гумусовые или гумусо-железо-кремневые. Встречаются малые озера, где донные отложения преимущественно накапливают либо кремний (диатомиты), либо железо (озерные руды), либо органическое вещество.

Общими закономерностями осадочного процесса в регионе является: (1) геолого-геоморфологические условия и площадь водосборной территории определяют поступление в озеро минеральной составляющей донных отложений; (2) седиментация осадочного вещества происходит преимущественно в условиях гидрокарбонатно-кальциевых вод; (3) морфогенетические характеристики озерных котловин определяют накопление в донных отложениях органического вещества; (4) поступление железа в донные отложения определяет направленность процессов раннего диагенеза в самом осадке.

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке государственного задания Института водных проблем Севера КАРНЦ РАН № FSZN-2021-0006.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Об авторах

Н. А. Белкина

Автор, ответственный за переписку.
Email: bel110863@mail.ru
Россия, пр. Александра Невского, 50, Петрозаводск, 185030

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис.1. Распределение озер с различными типами осадконакопления: зеленый цвет – органоминеральное (зольность<80%), синий цвет - минеральное (зольность >80%); I – железо-кремний-гумусовое, II – железо-гумусово-кремниевое, III – гумусово-железо-кремниевое) в зависимости от от местоположения (H – высота над уровнем моря, м) и размера (S – площадь зеркала озера, км2).

Скачать (36KB)

Метаданные

3. Рис.2. Вертикальное распределение химических, физических и физико-химических характеристик в поверхностном слое донных отложений оз. Южное Хаугилампи. 1– Eh, мВ; 2 – pH; 3 – масса твердого вещества в 1 мл влажного грунта, г/мл; 4 – Wet20°С, %; 5 – Wet105°С, %; 6 – por; 7 – ds, г/см3; 8 – Сorg, %; 9 – LI550°С, %; 10 – OD1, мг O2/г; 11 – NNH4+, %; 12 – Norg, %; 13 – Fe, %; 14 – Mn, %; 15 – Ash, %; 16 – Pmin, %; 17 – Ptot.

Скачать (80KB)

Метаданные

4. Рис.3. – Вертикальное распределение химических, физических и физико-химических характеристик в поверхностном слое донных отложений оз. Вендюрское. 1– Eh, мВ; 2 – pH; 3 – масса твердого вещества в 1 мл влажного грунта, г/мл; 4 – Wet20°С, %; 5 – Wet105°С, %; 6 – por; 7 – ds, г/см3; 8 – Сorg, %; 9 – LI550°С, %; 10 – OD1, мг O2/г; 11 – NNH4+, %; 12 – Norg, %; 13 – Fe, %; 14 – Mn, %; 15 – Ash, %; 16 – Pmin, %; 17 – Ptot.

Скачать (75KB)

Метаданные