Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Водные объекты с интенсивной хозяйственной деятельностью, расположенные в береговой зоне, динамично развивающейся и находящейся под сильным антропогенным прессом, требуют повышенного внимания ученых и исследователей. К таким объектам можно отнести и Вислинский залив, находящийся в юго-восточной части Балтийского моря. Его северо-восточная половина находится под юрисдикцией России и называется Калининградским заливом (рис. 1). Это достаточно специфический природный водный объект, в котором происходит смешение и трансформация речных и морских вод, а также взвешенного осадочного материала под влиянием сгонно-нагонных явлений [1]. Основная доля речного стока приходится на р. Преголю, а морские воды поникают в залив через Балтийский пролив.

Антропогенная нагрузка на экосистему Калининградского залива обусловлена рядом факторов. Прибрежная территория залива характеризуется высокой плотностью населения, здесь сосредоточено около 56 % жителей Калининградской области. По акватории залива проложен глубоководный морской канал с круглогодичным функционированием и регулярным проведением дноуглубительных работ. На юго-восточном побережье расположен карьер по добыче песчано-гравийных смесей. В заливе ведется добыча рыбы, что сопряжено с активной деятельностью рыболовецких судов. Все это требует комплексных, междисциплинарных исследований всех компонент экосистемы залива.

Отдельный интерес при этом представляют донные отложения, являющиеся интегрирующим показателем условий седиментации и окружающей среды. Донные отложения – важнейший компонент экосистемы, субстанция, в которой происходит обмен веществом и энергией. Их физико-химический состав во многом определяет направление и скорость процессов как вторичного загрязнения, так и самоочищения. Литологические характеристики донных осадков могут быть использованы при оценке состояния водных экосистем и степени антропогенной нагрузки на них [2–4]. Особенно важными являются сведения о гранулометрическом составе осадков, т.е. о процентном содержании той или иной фракции. Именно от размерного состава осадков зависит их способность накапливать различные поллютанты. Потенциальными накопителями загрязняющих веществ являются осадки с большой долей в их составе тонких, илистых частиц. Естественно, что вторичное загрязнение водной среды от песков будет значительно меньше, чем от илистых отложений [5].

Поэтому особое значение в водоемах с интенсивным хозяйственным использованием имеет изучение песчаных отложений, выяснение их размерных и вещественных характеристик, уточнение ареалов распространения. Именно песчаные отложения являются необходимым и наиболее доступным строительным материалом, удобными пастбищами и нерестилищами для рыб, участки их распространения наименее загрязнены и поэтому привлекательны с точки зрения их использования как рекреационных объектов.

Цель данной работы: на основе литературных данных и результатов, полученных в ходе полевых экспедиционных исследований определить ареалы распространения донных песчаных отложений в Калининградском заливе и выявить особенности их гранулометрического состава.

Материалы и методы исследования

Пробы донных отложений были отобраны во время литологической съёмки Калининградского залива в 2019 г. на 87 станциях (рис. 1). Они отбирались с помощью пробоотборника Петерсена из верхнего (0–7 см) слоя осадков. Первичная обработка полученных образцов донных осадков осуществлялась по методике, используемой сотрудниками Института океанологии РАН в морских геологических экспедициях [6]. В лабораторных условиях полученные образцы донных осадков были подвергнуты гранулометрическому анализу ситовым (фракции > 0,04 мм) и водно-механическим (фракции < 0,04 мм) методами [7]. На основании результатов гранулометрического анализа были выделены слледующие размеры фракций: >4,0; 4,0 – 2,0; 2,0 – 1,0; 1,0 – 0,5; 0,5 – 0,250; 0,250 – 0,125; 0,125 – 0,063; 0,063 – 0,04; 0,04 – 0,016; 0,016 – 0,008; 0,008 – 0,004; 0,004 – 0,002; 0,002 – 0,001.

В соответствии с классификацией [8], пески были определены как фракция 2,0 – 0,063 мм, включающая пять подклассов: очень крупный песок (2,0 – 1,0 мм), крупный (1,0 – 0,5 мм), средний (0,5 – 0,25 мм), мелкий (0,250 – 0,125 мм) и очень мелкий (0,125 – 0,063 мм) песок. Установление таких размеров за нижний и верхний пределы песчаных частиц основано на исследовании скоростей осаждения частиц разной крупности в воде, способов переноса и их физических свойств, изученных многими учеными.

На основании результатов гранулометрического анализа графическим способом были рассчитаны медианный диаметр частиц (Md) и коэффициент сортированности (So). Согласно [9] в хорошо сортированных песках So < 2, в средне сортированных So = 2–3, в плохо сортированных So > 3.

Используя трехкомпонентную (песок – ил – глина) диаграмму Ф. Шепарда [10], учитывая медианный диаметр частиц, размер преобладающей фракции и ее процентное содержании в пробе, дополнительно были выделены литологические типы осадков – песок алевритовый и алеврит песчанистый.

Результаты исследования и их обсуждение

Наиболее полное описание донных осадков Калининградского залива, основанное на материалах, собранных в 1992–1996 гг., дано в работе [11]. В ней, однако, с целью получения общей картины распределения осадков, авторы прибегли к серьезной генерализации в cвязи с несколько хаотичным расположением станций отбора проб, обусловленным решением ряда междисциплинарных задач, а также с достаточно растянутым во времени (около 5 лет) периодом сбора материала. К тому же типизация осадков была выполнена по десятичной системе, имеющей определенные недостатки, а песчаным отложениям в данной работе было уделено явно подчиненное внимание.

На поверхности дна Калининградского залива развиты современные донные осадки, которые являются продуктом осадкообразования, происходящего в настоящее время. В самом общем виде для распределения донных осадков характерно чередование участков песков, песчанистых отложений различной степени заиления и илов различной дисперсности от берегов в сторону центральной, наиболее углубленной части залива. В генетическом отношении в Калининградском заливе на поверхности дна распространены терригенные осадочные образования с большим спектром размерности – валуны, гравий, галька, разнозернистые пески, алевриты и алевритово-пелитовые илы. Минимальными (около 1 %) содержаниями карбоната кальция (СаСо3) отличаются песчаные отложения, максимальными (6–7 %) – мелкоалевритовые илы. Подобная тенденция выявлена и при распределении органического углерода (Сорг) в осадках. Минимальные (0,5 %) содержания Сорг характерны для хорошо сортированных песков, максимальными значениями органического углерода (>10 %) характеризуются алевритово-пелитовые илы, распространенные в юго-западной части Калининградского залива [12, 13]. Характерная особенность песчаных отложений – наличие на их поверхности тонкой окисленной пленки, свидетельствующей о хорошем перемешивании вод и отсутствии застойных явлений в местах их развития.

Характер распространения песчаного материала показывает, что максимальные его концентрации сосредоточены в узкой прибрежной полосе, что обусловлено, по-видимому, высокой подвижностью всей водной толщи на мелководье и, как следствием, взмучиванием донных отложений с последующим выносом тонких частиц в более углубленные места (рис. 2). Полоса распространения песков ограничивается глубинами 0,8–3,0 м. Достаточно большой диапазон глубин залегания песчаных отложений объясняется расположением источников поступления песка, конфигурацией беговой линии и в целом гидродинамическими особенностями конкретных участков залива. У южного побережья напротив устья р. Прохладной полоса песков заметно расширяется. Это можно объяснить особенностью геологического строения прилегающей к заливу территории, влиянием речного стока, а также открытостью акватории для преобладающих в регионе ветров западных и северо-западных румбов, вызывающих волнение и, как следствие, усиление процессов механической дифференциации осадочного материала.

Гранулометрический спектр песков (таблица) и их пространственное распределение варьируют довольно в широких пределах. Исключение составляют очень крупные (2,0 – 1,0 мм) и крупные (1,0 – 0,5 мм) пески. Как показали проведенные исследования, на акватории восточной части Калининградского залива они имеют исключительно локальное развитие.

Небольшое пятно крупного песчаного материала выявлено напротив устья р. Прохладной на глубинах 2,0 – 3,0 м.

Рис. 2. Схема распределения донных песчаных отложений в восточной части Калининградского залива

По сравнению с крупными песками, среднезернистые пески (Md = 0,25 – 0,46 мм) занимают достаточно существенные площади дна залива, особенно в юго-восточной прибрежной мелководной зоне. На этом участке распространены хорошо сортированные среднезернистые пески, генетически связанные с зандровыми полями прилегающей суши. Узкая полоса среднезернистых песков протягивается вдоль дамб, отделяющих морской канал от акватории залива. Среднезернистые пески характеризуются серыми, светло-серыми оттенками и по своим физическим свойствам близки к мелкозернистым пескам. Они также хорошо отмыты, однородны и характеризуются очень хорошей сортированностью (So в среднем составляет 1,47). Фракция 0,5 – 0,25 мм в гранулометрическом составе является преобладающей, но ее содержание не очень высоко (36–60 %). Основной примесью являются крупные песчаные частицы, доля которых может достигать 20–27 %. Характерная особенность их состава – практически полное отсутствие более тонких компонентов (таблица).

На поверхности дна в районе распространения средних песков повсеместно развита тонкая окисленная пленка, свидетельствующая о хорошей аэрации придонного слоя. На всех станциях был обнаружен новый вселенец – Североамериканский солоноватоводный двустворчатый моллюск Rangia cuneata, впервые зарегистрированный в Калининградском заливе в сентябре 2010 г. [14]. В составе средних песков содержится, как правило, значительная доля крупных обломков створок моллюсков и раковинного детрита. Основным минералом средних песков является кварц (75–85 %), а второстепенными компонентами – калиевые полевые шпаты, глауконит, гранаты, обломки пород.

Наиболее распространенным песками являются мелкие (0,250 – 0,125 мм) пески. Это преимущественно современные, хорошо отмытые полевошпатово-кварцевые образования светло-серых оттенков. Содержание преобладающей фракции в их составе колеблется в диапазоне от 36 до 71 %, они также характеризуются хорошей сортированностью (So в среднем составляет 1,6) и отсутствием илистых и глинистых частиц (таблица). Основной примесью в составе мелкозернистых песков выступают частицы очень мелких и средних песков (содержание последних в некоторых пробах достигает 40 %), а также раковинный детрит. На мелких песках, как и на средних, также повсеместно развита окисленная пленка и обитает моллюск Rangia cuneata.

Очень мелкие пески не имеют широкого распространения, они встречаются в виде небольших по площади пятен вдоль северного побережья залива. Глубина их залегания варьирует в диапазоне глубин 2,5–3,0 м, т.е., как наиболее подвижные частицы в составе песков, они выносятся в углубленные участки с мелководья в результате механической дифференциации. Они характеризуются высоким содержанием фракции 0,125 – 0,063 мм, достигающей 80 %, и очень хорошей сортированностью (So в среднем составляет 1,4). Основной примесью в составе очень мелких песков являются мелкие пески (20–23 %), а содержание илистых и глинистых частиц, по сравнению с другими песчаными фракциями, достаточно велико и достигает 7–12 %.

В сыром виде это слабоуплотненные осадки серых оттенков, которые при высыхании легко рассыпаются, так как содержат мало илистых частиц. Очень мелкие пески имеют полевошпатово-кварцевый и глауконитово-кварцевый состав, особенностью их является обогащенность тяжелыми минералами – ильменитом, амфиболами, эпидотом, гранатом, цирконом. В составе очень мелких песков встречаются в большом количестве целые створки раковин моллюсков, их осколки, раковинный детрит, а также живые двустворчатые моллюски Rangia cuneata. Пески алевритовые (содержание илистых частиц более 30 %) имеют ограниченное распространение, они были выявлены на ст. 565 и 583 на глубинах 2,4 и 3,2 м у южного побережья залива.

Заключение

В результате изучения донных песчаных отложений было выявлено, что они распространены вдоль северного и южного побережий в виде непрерывной узкой (1,5–2,0 км) полосы от уреза до глубины 2,5–3,0 м. Значительное расширение (до 2,5–3,0 км) этой полосы наблюдается у южного побережья напротив устья р. Прохладной, что, по-видимому, генетически связано с зандровыми полями прилегающей суши. На поверхности песчаных отложений повсеместно развита окисленная пленка, свидетельствующая о хорошем перемешивании придонного слоя воды, обитает моллюск Rangia cuneata. Наибольшее развитие имеют средние (0,5 – 0,250 мм) и мелкие (0,250 – 0,125 мм) пески, которые хорошо отмыты и отличаются очень хорошей сортированностью (So колеблется в пределах 1,2–1,8).

В гранулометрическом составе донных осадков обнаруживается характерная для подобных водоемов закономерность: песчаный материал с незначительным содержанием более тонких частиц сосредоточен в прибрежной зоне. Основные закономерности распределения фракций песчаного материала объясняются гидродинамической активностью водных масс, конфигурацией берегов и составом осадочного материала основных источников питания. Проведенные исследования касались верхнего (0–7 см) слоя осадков, для оценки мощности песчаных отложений и определения их вертикального строения потребуются дополнительные исследования.

Экспедиционные исследования и гранулометрический анализ проб донных осадков выполнялись при поддержке гранта РФФИ р_а № 19-45-390013, анализ и интерпретация данных выполнялись в рамках госзадания ИО РАН (тема № 0149-2019-0013).