книги / Метан в водных экосистемах

Рис. 60. Распределение содержания метана в поверхностном (а) и подповерхностном (б) слоях донных осадков Таганрогского залива (август 1996 г.) (по [251])

но, это связано с приуроченностью большинства крупных промыш­ ленных городов (гг. Таганрог, Мариуполь, Новоазовск, пос. Седове), сбрасывающих промышленные и хозяйственно - бытовые сточные воды в залив и множества более мелких поселений, к северному побережью залива. Достаточно мощным источником органического вещества является сток р. Миус (основным источником загрязнения является бумажная фабрика и элеватор). На южном побережье за­ лива расположен один достаточно крупный город Ейск и меньше, чем на северном, количество населённых пунктов. Достаточно сравнить поступления в залив со сточными водами загрязняющих веществ от предприятий г. Ейска и г. Таганрога. Поступления из по­ следних, по данным 1995г (это характерно и для других годов), пре­ вышали поступления загрязняющих веществ от предприятий г.Ейска в 4 раза (Ежегодник качества морских вод по гидрохимическим по­ казателям за 1995). Объём сточных вод предприятий г.Таганрога достигал 31280 тыс.м3 Что касается г. Мариуполь, то эта цифра ещё больше. В целом же, основное количество поступающих со

сточными водами загрязняющих веществ в Таганрогский залив при­ ходится на речной сток. Только от г. Ростова-на-Дону в 1995г объём сточных вод составил 137248 тыс.м3 из них 5722 тыс.м3 сброшены без очистки. В предшествующие годы эти цифры были ещё выше, их уменьшение в основном связано со спадом производства.

Таким образом, выявленная тенденция снижения содержания метана в верхнем слое отложений и водной толще с востока на за­ пад и от прибрежной зоны к центральной части залива отчётливо указывает на связь распределения метана с источниками загрязне­ ния органическими веществами, каковыми являются речной сток (особенно сток реки Дон) и промышленные города, расположенные на побережье Таганрогского залива (гг. Мариуполь, Таганрог, Ейск)

сентябрь 1998, июнь - октябрь 1999, февраль 2000 - сентябрь 2001 гг.) экспедиционных исследований. Как видно из гистограммы, максимальные со­ держания метана приурочены ко второму участку (от устья р. Аксай до Таганрогского залива), испытывающему мощное воздействие промышленных и хозяйственно - бытовых сточных вод городов (особенно г. Ростова-Н/Д) и посёлков. Выше устья р. Аксай (рис.61, первый участок) средние содержания метана несколько ниже, чем на втором, но в среднем в 2 раза выше, чем в донных отложениях Таганрогского залива. Распределение содержания метана в донных отложениях указанных участков р. Дон коррелирует с изменением таких гидрохимических показателей качества воды как Сорг, 0 2, БПК5, NK,, pH (см. раздел 5.2). В направлении от г. Константиновска к г. Азову возрастает в воде содержание Copr, NH4, величина БПК5 и снижается pH и концентрация растворённого кислорода. Совокуп-

ность изменившихся условий и приводит к более интенсивной гене­ рации метана в донных отложениях, увеличению его концентрации в них и, как следствие, возрастанию содержания метана в воде второ­ го участка (от устья р. Аксай до Таганрогского залива). Максималь­ ные концентрации метана в донных осадках р. Дон фиксируются в районе р. Темерник, здесь же отмечаются максимальные количест­ ва Copr, NH4 и минимальные значения pH и содержания растворённо­ го кислорода.

В Таганрогском заливе районы с максимальными концентра­ циями метана приурочены к восточной его части, куда поступает от­ носительно высокое количество органического вещества, выносимо­ го рекой Дон. В срединном и западном районах залива средние кон­ центрации метана в донных отложениях несколько снижаются, что как уже отмечалось выше связано с удалением этих районов от ис­ точников загрязнения органическими веществами, основным из ко­ торых является сток реки Дон. В этих районах из-за ослабления влияния стока р. Дон более отчётливо, чем в восточном просматри­ вается тенденция уменьшения содержания метана от прибрежных участков к центральным районам залива. В Азовском море содер­ жание метана в верхнем десятисантиметровом горизонте ещё бо­ лее снижается. Что касается загрязнённых участков Таганрогского залива (порты гг. Таганрог, Ейск и Мариуполь), то содержание мета­ на в донных осадках этих районов почти такое же, как на втором участке (рис.61).

Влияние литологического фактора на распределение метана в донных осадках Таганрогского залива. Ранее, для отложений Се­ верной части Азовского моря была установлена закономерность, выражающаяся в приуроченности повышенных содержаний метана и других углеводородных газов к участкам наиболее тонкозернистых осадков (алевритовых и глинистых илов) [38]. Наши исследования, в целом, также подтверждают эту закономерность [261].

Как показано авторами в гл. 5, содержание метана в воде и донных отложениях напрямую зависит от концентрации органиче­ ских веществ. Поскольку минимум содержания органических ве­ ществ фиксируется в песчаных отложениях (табл.52), то и мини­ мальные концентрации метана, как правило, также приурочены к ним (табл.53). Анализ показал, что концентрация этого газа в пробах песка, отобранного за период с 1995 по 2000 гг. в Таганрогском за­ ливе колеблется в пределах 0,01-0,92 мкг/г в.в. (ср. сод. 0,10 мкг/г в.в.). По мере увеличения в песчаных осадках алевритопелитового материала концентрация метана в них увеличивается. Приурочен­ ность минимальных концентраций метана к песчаным осадкам свя­ зана с тем, что развитие анаэробных бактерий часто подавлено в

Таблица 52 Распределение средних содержаний органического углерода (в %)

в литологических типах донных осадков Азовского моря (на бескарбонатное вещество) (по [287])

Таблица 53 Содержание метана в различных литологических типах отложений Та­

ганрогского залива, мкг/г в.в.

‘ - в скобкахсреднее значение

них вследствие хорошей вентилируемое™ этих осадков и, как ре­ зультат, высокого окислительно-восстановительного потенциала. Однако, иногда в прибрежной полосе, где встречаются заросли мак­ рофитов, а также на участках мощного поступления загрязняющих веществ, содержание метана в песчаных осадках может быть ано­ мально высоким и не характерным для данного типа отложений. Так, в песчаных отложениях (заиленном песке) пляжа города Таган­ рог, в августе 2001 г, содержание метана достигало 5,36 мкг/г в.в., в то время как в глинистых отложениях центральных участков Таган­ рогского залива содержания метана редко превышали 1,0 мкг/г в.в.

При переходе от песчаных осадков к алевритоглинистым илам насыщенность метаном возрастает (табл.53).

На рис. 62 представлены зависимости концентрации метана от процентного содержания глинистого материала в донных отложени­ ях (0-10 см) Таганрогского залива. Необходимо отметить, что при определении гранулометрического состава ситовым методом (ГОСТ 12536-79) было допущено следующее отступление: при разделении донных отложений на фракции за основу были приняты двучленная и трехчленная классификации, основным классификационным при­ знаком которых явилась размерность частиц осаждённого материа­ ла. В результате были выделены следующие фракции: > 0,25 мм - ракушечный материал; 0,25-0,01 мм - песчаный материал; < 0,01 мм - глинистый материал, т.е. в “глинистый материал" вошли все частицы размером менее 0,01 мм. Данное обстоятельство нисколь-

СИ«. шсг/г ».■.

г»■

iJ.jf y

с20'

о« ♦

СН|, ихт/гшл.

Рис. 62. Связь между содержаниями метана и глинистого материала

в0*10 см слое донных отложений Таганрогского залива:

а- 1995 г.( б - 1996 г., в - 2000 г

ко не снижает значимость полученных результатов, поскольку в це­ лом даёт представление о влиянии литологического фактора на распределение метана в донных осадках.

Как видно из графиков (рис.62) во все периоды экспедиционных исследований чётко прослеживается прямая зависимость концен­ трации метана от процентного содержания глинистого материала в

донных осадках, при этом на графиках просматривается три об­ ласти. В первую область - А попало большинство точек отбора проб донных отложений. Расположение точек в этой области на рисунках свидетельствует о том, что содержание метана в отложениях растёт с увеличением процентного содержания глинистого материала. Та­ кая закономерность характерна для большей части акватории Та­ ганрогского залива. В область В попали отложения с высокой долей песчаного и ракушечного материала, расположенные в районах сильного влияния антропогенных источников, в том числе и речного стока (реки Дон и Миус). В этих точках, даже несмотря на относи­ тельно невысокое содержание глинистого материала, отмечаются повышенные концентрации метана. Однако и в этой области чётко прослеживается зависимость содержания метана от процентного содержания глинистогр материала в отложениях. В последнюю об­ ласть - область Б - в основном вошли точки, приуроченные к глу­ боководным участкам западного района Таганрогского залива. В этой области зависимости концентрации метана от процентного со­ держания глинистого материала не наблюдается. Несмотря на мак­ симальное содержание глинистого материала (более 80%) концен­ трация метана незначительна (< 1,0 мкг/г в.в.). Отсутствие зависи­ мости, может быть связано с более высокой степенью минерализованности органического вещества глубоководных глинистых илов Западного района залива, по сравнению с органическими вещест­ вами илов, отлагающихся в менее глубоководных районах. Из-за более высокой степени минерализованности органического веще­ ства глубоководных глинистых илов в верхнем горизонте отложений залива, вероятно, исчезают или ухудшаются условия для образова­ ния субстратов, используемых метанобразующими бактериями, а, следовательно, и для предыдущих звеньев трансформации слож­ ных органических соединений. Другими словами, транспортируемое движениями воды и отлагающееся в более глубоководных районах взвешенное органическое вещество, представленное в основном остатками планктона [289], по мере удаления от мелководной (вос­ точный район залива и прибрежная полоса) зоны, отвечающей при­ жизненной его (планктона) локализации,- становится всё менее ре­ акционноспособным, а значит и менее доступным для микроорга­ низмов, в том числе и для метаногенного сообщества. Косвенно, увеличение степени минерализованности органического вещества илов по направлению от мелководных к более глубоководным рай­ онам залива подтверждается данными Ю.П. Хрусталёва и соавто­ ров [289]. Так, вычисленное отношение глубокоминерализованного ВОВ к фитогенному ВОВ, представленному суммой живого фито­ планктона и свежего детрита, по направлению к Азовскому морю

возрастает, хотя как видно, раз­ ница в этих от­ ношениях неве­ лика (рис.63). Однако, разница в темпах осадконакопления, ка­ кая наблюдается между глубоко­ водными участ­ ками западного района залива и участками, рас­

положенными в восточном районе и на периферии мелководных участков, для степени минерализованности органического вещества верхних горизонтов илов приобретает существенное значение. Бо­ лее быстрый темп осадконакопления в менее глубоководных участ­ ках способствует скорейшей изоляции органического вещества от воздействия кислорода придонных вод, поэтому реакционные воз­ можности органического вещества в большей мере проявляются в осадках. То есть, чем выше темп осадконакопления, тем быстрее происходит захоронение органического вещества в осадках, и тем меньше времени это органическое вещество подвергается воздей­ ствию кислорода придонных вод, а значит в более сохранном (ла­ бильном) состоянии попадает в анаэробную обстановку, где и про­ текает его дальнейшее разложение с образованием метана. Веро­ ятно, результатом более глубокой минерализованности органиче­ ского вещества глубоководных глинистых илов западного района залива является чаще здесь отмечаемый, чем в восточном и цен­ тральном районах, поверхностный желтоватый окисленный осадок. Концентрация метана в таком окисленном желтоватом илу незначи­ тельна. Желтоватый (бурый) оттенок, как правило, свидетельствует о формировании осадков в резко окислительных условиях, в кото­ рых метаногенное сообщество не развивается, поэтому вероятно, что метан, содержащийся в этом окисленном слое, поступил из бо­ лее нижних горизонтов.

Таким образом, содержание метана в отложениях, помимо ли­ тологического фактора и количества, поступающих в отложения ор­ ганических веществ, контролируется и степенью их (ОВ) минерали­ зованности. Последний фактор во многом обусловлен темпом осад­ конакопления: чем выше скорость седиментации, тем большее ко­ личество лабильного органического вещества поступает в донные

осадки и тем большее количество метана может быть потенциально генерировано в них.

Необходимо отметить, что выявленное резкое снижение кон­ центрации метана в илах с содержанием глинистого материала 80% и более, возможно связано и с другими пока не известными или не подтверждёнными причинами. Например, это может быть связано с изменением свойств грунтов, содержащих высокое количество час­ тиц глинистой размерности, в результате чего метаногенез подав­ ляется. Возможно, как считает Б.П. Жижченко [97], в осадках, со­ держащих высокое количество частиц глинистой размерности уменьшается объём не занятого водой крупнопорового пространст­ ва, которое необходимо для размещения метангенерирующих флюидов, что ухудшает условия для образования метана.

Таким образом, в результате исследования донных отложений залива установлено влияние литологического фактора на распре­ деление метана, при этом увеличение средних значений его кон­ центрации с глубиной опробования отмечается во всех литологиче­ ских разностях. Минимальные концентрации метана приурочены к песчаным отложениям. По мере возрастания процентного содержа­ ния глинистого материала в отложениях залива отмечается увели­ чение концентрации метана, однако при содержании глинистого ма­ териала 80% и более, как правило, отмечается резкое падение кон­ центрации газа, что может быть объяснено увеличением степени минерализованности органического вещества, а значит и уменьше­ нием его лабильности, что и приводит к снижению скорости метанобразования. В районах массированного поступления загрязняю­ щих веществ в осадках концентрация метана существенно увеличи­ вается, что вызывает отклонение от выше обозначенной общей тенденции и тогда, в целом, по району загрязнения связь содержа­ ния метана с литологическими типами осадков может не проявлять­ ся.

Из вышесказанного можно заключить, что изменчивость содер­ жания метана в верхнем горизонте донных отложений контролируй ется литологическим фактором и количеством лабильного органи­ ческого вещества.

Распределение метана в донных отложениях нижнего тече­ ния р. Дон и Таганрогского залива по вертикальному разрезу. Ана­ лиз имеющихся данных показывает, что в р. Дон и Таганрогском за­ ливе, как правило, минимальные концентрации метана приурочены к поверхностному слою (0-5 см) донных отложений и в среднем со­ держание его в нём в 1,5-3,5 раза ниже, чем в подповерхностном (5- 10 см) слое. Для более нижних горизонтов (до 100 см) характерны два наиболее часто встречающихся типа распределения метана. 1)