книги / Метан в водных экосистемах

на побережье которых расположены населённые пункты, промыш­ ленные предприятия и другие источники загрязнения.

Аномально высокие концентрации (> 100,0 мкл/л) наблюдаются: 1) вблизи крупных источников загрязнения (вблизи сброса промыш­ ленных и хозяйственно-бытовых сточных вод или вблизи впадения сильно загрязнённых рек); 2) в мезотрофных и эвтрофных озёрах в периоды летней и зимней стагнации в районах распространения илов, богатых органическими веществами.

6 озёрах в зависимости от сезона вертикальное распределение метана может сильно изменяться. К концу осенней циркуляции кон­ центрация метана, как правило, незначительна и равномерно рас­ пределена по всему столбу воды. Исключение составляют озёра, в которых полная осенняя циркуляция захватывает не всё озеро, а лишь поверхностные слои.

Впериод зимней стагнации (подлёдный период), как правило, более высокие концентрации метана наблюдаются у дна, однако в неглубоких озёрах, в результате скопления у льда поступающих из донных отложений газовых пузырьков, количество метана в поверх­ ностном слое воды может быть выше, чем в придонном. Сразу по­ сле вскрытия таких озёр происходит высвобождение больших коли­ честв метана в атмосферу. Например, в оз. Белом в Косино [213] в 1м3 льда за зиму вмерзает до 12 л газа.

Так же, как и в осенний период, во время весенней циркуляции содержание метана снижается, градиент между поверхностными и придонными слоями незначительный или вообще отсутствует. В не­ которых озёрах концентрация метана- в поверхностном слое в дан­ ный период находится в равновесии с атмосферой.

Максимальный пик концентраций метана, в целом, приходится на период летней стагнации. При этом по вертикали может наблю­ даться как возрастание метана от поверхности к придонному слою, так и наоборот, более высокие концентрации фиксируются в по­ верхностном горизонте воды, что характерно для озёр Валдай и Ужин и некоторых других, имеющих ярко выраженный металимниальный минимум. Кроме этого, преобладание содержания метана в поверхностном слое может наблюдаться в весенне-летний период в районах поступления более тёплых речных вод, а также в районах сброса сточных вод.

Вотложениях изученных авторами озер, за исключением озёр Валдай и Ужин, преобладают величины менее 1,0 мкг/г в.в. В оз. Байкал на диапазон от 0,01 до 1,0 мкг/г в.в. приходится около 90 % всех отобранных проб, с преобладанием значений менее. 0,1 мкг/г

в.в.(55 % проб). В Ладожском озере величины содержания метана от 0,01 до 0,1 мкг/г в.в. составляют 50 % всех проб, однако сущест-

венно увеличивается доля проб, в которых содержания метана со­ ставляют более 1,0 мкг/г в.в. (около 30 % от всех проб). В отложени­ ях эвтрофирующихся озёр Валдай и Ужин содержания метана, за исключением одной пробы, отобранной на мелководье, превышали значения 1,0 мкг/г в.в., преобладали же величины более 10,0 мкг/г в.в. (76 % от всех отобранных проб). Огромные, по существу, со­ держания метана в отложениях этих озёр (максимум 218,2 мкг/г в.в.) связаны с сильно выраженными в них явлениями стагнации, наблю­ даемыми в период исследований (летний и зимний периоды). В Ла­ дожском озере выявленные в период наблюдений аномально высо­ кие концентрации метана (10,0-175,0 мкг/г в.в.) не связаны со стра­ тификацией водной толщи, а обусловлены мощным антропогенным загрязнением прибрежных районов шхер сточными водами целлю­ лозно-бумажных предприятий. Все эти высокие значения наблюда­ лись в непосредственной близости от источников загрязнения.

Как правило, для всех типов водных экосистем, в том числе и для озёр, минимальные содержания метана приурочены к зонам с активной гидродинамической обстановкой, где распространены пес­ чаные осадки, в которых сообщество анаэробных бактерий часто подавлено вследствие хорошей вентилируемое™ этих осадков, по­ вышенного окислительно-восстановительного потенциала й боль­ шой насыщенности кислородом. И, наоборот, отмечается сущест­ венное повышение содержания метана на участках с застойным гидродинамическим режимом, где отлагаются илы. В районах, под­ верженных мощному антропогенному воздействию, наблюдается увеличение содержания метана в донных отложениях в десятки и более раз. В свою очередь, возрастание содержания метана в осад­ ках ведёт к повышению его концентраций в воде, о чём свидетель­ ствует наличие тесных корреляций (см. раздел 7.3).

Далее будут подробно рассмотрены особенности распределе­ ния и образования метана в озёрах Байкал, Валдай и Ужин, в озё­ рах бассейна Ладожского озера и в некоторых других изученных ав­ торами озёрах.

Бассейн Ладожского озера

Ладожское озеро имеет обширный бассейн, общая площадь ко­ торого составляет 280336 км2 [206]. В озеро стекают воды из Онеж­ ского озера (через р. Свирь) и ряда рек и озёр Карелии, из оз. Иль­ мень (через р. Волхов) и многочисленных рек Среднерусской равни­ ны, а также через р.Вуоксу осуществляется приток из оз.Сайма, расположенного в Финляндии.

Ладожское озеро относится к холодноводным водоёмам (летом температура на поверхности не превышает 19°С, глубже 50 м -

4,5°С) с замедленным водообменом (Кв = 0,06) и естественным ре­ жимом [77]. В начале 70-х годов озеро из типично олиготрофного водоёма превратилось в мезотрофный [10].

Площадь поверхности озера без островов 17836 км2, объём водной массы 904,7 км3, средняя глубина 51 м, наибольшая 230 м.

Изучение особенностей распределения метана в воде и донных осадках (0-2 см) Ладожского озера проводили в 1986-1988 гг. в семи съёмках, а именно в июне и августе 1986 г. марте, мае, июне, сен­ тябре 1987 г. и мае-июне 1988 г.

Для Ладожского озера, относящегося к внутренним водоёмам умеренной зоны, характерен полный годовой термический цикл. По особенностям внешнего водообмена озеро относится к аккумуля­ тивно-транзитному типу водоёмов с наличием основной водной массы, занимающей большую часть объёма озёрной котловины и первичных трансформированных водных масс, заполняющих при­ брежья и заливы. Гидрофизические свойства основной водной мас­ сы наиболее консервативны и мало меняются в течение года. По­ этому их изменение за ряд лет можно расценивать как показатель влияния наиболее существенных процессов, в том числе связанных с антропогенным эвтрофированием водоёма [131]. Первичные вод­ ные массы формируются в основном поступающими в озеро водами притоков. Им свойственно большое непостоянство размещения по акватории озера, а также гидрофизических характеристик в разные сезоны года.

По характеру рельефа дно озера делится на меньшую - север­ ную и большую - южную части. Линия, разделяющая водоём на две морфологически отличные области, проходит от устья р. Вуоксы к устью р. Видлицы. Батиметрическая модель [185] свидетельствует об обособленности северной части Ладожского озера от южной Ва­ лаамским архипелагом и группой островов. Связь водной массы се­ верной части озера с другими районами, как показал анализ тече­ ний [238], существует только при ветрах северных направлений. Рельеф в северной половине Ладожского озера весьма сложен. Здесь наряду с глубокими впадинами имеются возвышенности, ост­ рова из кристаллических пород. Большие глубины подходят близко к берегу. В северной половине озера, в её северо-западном углу, расположена зона наибольших глубин с преобладанием 100 м и бо­ лее. Южная половина Ладоги имеет спокойный рельеф. Глубина от берега увеличивается постепенно. Изобата 10 метров отступает от берега на 10-15 км [77]. В целом для озера глубины уменьшаются с севера на юг.

Сложная морфометрия Ладожского озера обусловливает фор­ мирование районов, контрастных по температурному режиму, опре-

деляет пространственно-временную неоднородность всех лимнических процессов. В табл.25 приведены данные по содержанию мета­ на в районах озера, отличающихся естественными характеристика­ ми, каждый из которых в разной степени испытывает антропогенное влияние: северный, западный, центральный и южный район, вклю­ чающий Волховскую и Свирскую губы, а также губу Петрокрепость (рис. 25).

Таблица 25

Содержание метана в воде и донных отложениях Ладожского озера, по материалам исследований 1986-1988 гг.

Исследование особенностей распределения метана в воде и донных осадках северного района проведены в период с 1986 по 1988 гг., в одно и то же время - в разгар биологической весны (май и начало июня). Содержание метана в донных осадках определя­ лось в поверхностном двухсантиметровом слое.

В северном районе принято выделять озёрный и шхерный рай­ оны.

отложениях северного шхерного района изменяется в широких пре­ делах: в районе г. Питкяранта в 3000 раз (от 0,01 до 30,1 мкг/г в.в.), в районе г. Лахденпохья в 735 раз (от 0,01 до 7,35 мкг/г в.в), а рай­ оне пгт. Ляскеля в 290 раз (от 0,60 до 175,0 мкг/г в.в.) и в районе г. Сортавала в 170 раз (от 0,06 до 10,1 мкг/г в.в.). Наиболее значи­ тельные концентрации метана наблюдались вблизи источников за­ грязнения (рис.26). Максимальное содержание было обнаружено в шхерном районе пгт. Ляскеля (175,0 мкг/г в.в.). В донных отложениях

S.KU

Рис. 26. Изменение содержания метана в донных осадках (0-5 см) Ладожского озера при удалении от источников загрязнения

(май-июнь 1988 г.)

зачастую наблюдалось неравномерное распределение метана, вы­ сокое его содержание фиксировалось на значительном расстоянии от источника загрязнения. Так, в районе г. Лахденпохья содержание метана на расстоянии 8,2 км от источника загрязнения резко увели­ чивалось и было таким же, как и на расстоянии менее 1 км от него. А в районе Сортавала, на расстоянии 6,0 -17,6 км от источника) со­ держание метана было несколько .выше, чем в точках, удалённых на 1,5-3,2 км. Неравномерное распределение метана в донных отло­ жениях связано с гидрологией, гидродинамикой и морфологией дна

бассейна, поскольку эти факторы определяют состав донных отло­ жений. По данным литолого-геохимического анализа донных отло­ жений исследуемых районов [158,159], накопление загрязняющих веществ происходит не только на участках вблизи источника загряз­ нения, но и на значительном удалении от него, в районах, где уве­ личивается содержание глинистой фракции, способной активно ак­ кумулировать загрязняющие вещества. Поэтому в распределении органического углерода и метана в шхерах и заливах озера не везде существует чётко выраженная связь между их концентрациями и расстоянием точки отбора от возможного источника загрязнения.

Северный озёрный участок разделяют на северо-западный глу­ боководный район (преобладают глубины свыше 100 м; здесь же отмечена наибольшая глубина озера - 230 м) и северо-восточный (глубина в отдельных случаях превышает 100 м, однако, в общем, глубины здесь меньше). Граница северо-западного глубоководного района проходит от северных шхер до о. Валаам и далее по линии о. Васинансари - Моторное. Естественной границей, отделяющей северо-восточный район озера от северо-западного, является уча­ сток дна с сильно расчленённым рельефом, вытянутый в меридиальном направлении от северных шхер к о. Валаам. На юге естест­ венной границей северо-восточного района являются Валаамские и Байевые острова, тянущиеся в широтном направлении к восточному берегу [218]. Резко расчленённый рельеф дна на архейпротерозойском кристаллическом фундаменте привёл к формиро­ ванию на севере Ладожского озера нескольких седиментационных бассейнов, имеющих непосредственную связь с узкими, глубоко врезанными в сушу заливами шхерного побережья. Каждый из таких бассейнов представляет собой котловину с мощным покровом лед­ никово-озёрных и озёрных осадков (до 10 и более метров), отде­ ляющуюся от других котловин грядообразными поднятиями. Под­ водные гряды препятствуют обмену осадочным материалом между отдельными котловинами, которые, таким образом, представляют своеобразные конечные водоёмы стока для локальных источников загрязнения - промышленных объектов Лахденпохья, Питкяранта, Сортавала, Приозёрска и других.

В озёрном районе (ст. 18,19,20,21,22,23) по линии, ограничи­ вающей северный озерный район от центрального, содержание ме­ тана в донных осадках было таким же высоким, как и в донных от­ ложениях вблизи источника загрязнения (0,6-9,9 мкг/r в.в.). Это свя­ зано с распространением зоны антропогенного загрязнения вглубь озера, что подтверждается наличием целлюлозоразрушающей и сульфатредуцирующей микрофлоры в некоторых точках этого раз­ реза [106]. Донные отложения в глубоководных точках представле­

ны илами, визуально мало отличающимися по цвету и составу от илов шхерных районов. Высокие концентрации метана в глубоко­ водных осадках связаны с усилением антропогенной деятельности, но не только напрямую, как в шхерах, куда поступает органическое вещество от фиксированных источников, а и косвенно - через уве­ личение продуктивности озера и изменение его трофического уров­ ня.

В период исследований вблизи источников загрязнения, како­ выми являются населённые пункты и загрязнённые воды рек, со­ держания метана в водной толще характеризовались наиболее вы­ сокими величинами по сравнению со всеми другими районами (в среднем 37,8-74,4 мкл/л, максимум 321,9-420,0 мкл/л). На расстоя­ нии от источников загрязнения более 1,5-3,0 км содержание метана резко падает (до значений менее 10,8 мкл/л), в среднем составляя 1,2-3,4 мкл/л (табл.26).

Таблица 26 Содержание метана в воде северного шхерного района

в весенний период (май - июнь)

На рис.27 показано, что вблизи источников загрязнения содер­ жания метана в поверхностном горизонте воды более высокие, чем в придонном. При удалении от источников загрязнения, наряду с уменьшением его концентраций в обоих слоях, наблюдается и их выравнивание. В придонной воде значения более 10,0 мкл/л отме­ чены в пределах до 1 км от источника загрязнения, в то время как поверхностные воды с повышенными содержаниями метана про­ слеживаются на более значительное расстояние - до 3,0-3,5 км.

Высокие содержания метана в воде вблизи побережья изучае­ мых шхер обусловлены, с одной стороны, диффузией и конвектив­ ным переносом (в виде пузырьков) метана из донных отложений, обогащенных органическими веществами различного происхожде­ ния, с другой стороны - непосредственным поступлением метана вместе с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными во­ дами городов и посёлков, расположенных на побережье, а также с водами некоторых загрязнённых притоков (Янис-йоки, Аура-йоки). Именно притоком более прогретых речных и сточных вод, содержа­ щих повышенные концентрации метана, и объясняется распределе-

раПон г. Сорп ила

Рис. 27. Изменение содержания метана в поверхностной и придонной воде Ладожского озера при удалении от источника загрязнения

(май-июнь 1988 г)

ние метана по вертикали водного столба прибрежных участков в данный период: более тёплые и насыщенные метаном воды прито­ ков растекаются по более холодным водам шхер. Более высоким концентрациям метана в поверхностном слое, а также их распро­ странению на более значительное расстояние, чем в придонных во­ дах, может способствовать характерная для длинных вытянутых за­ ливов шхер двухслойная циркуляция, возникающая под воздействи­ ем сгонно-нагонных явлений [194-196]: при ветрах северных на­ правлений (имеют наибольшую силу в период открытой воды [77]) более тёплые прибрежные воды поверхностного слоя (эпилимниона) направлены к открытым районам озера, а в придонных горизон­ тах (гиполимнионе) возникают компенсационные течения, несущие холодные и менее насыщенные метаном воды к побережью. По на­ блюдениям А.Н. Охлопковой [194-196], в Якимварском заливе (г. Лахденпохья) максимальная скорость дрейфового течения достига­ ет 28 см/с, а компенсационного до 5-8 см/с. В Сортавальском шхер-