Особенности гидрологического режима меромиктических озёр

Меромиктическим называют озеро, частично перемешивающееся вследствие конвекции или ветрового воздействия до некоторой глубины, на больших глубинах чаша озера заполнена более минерализованной и плотной водой (рис. 11.3).

В каждом меромиктичсском озере имеется миксолимнион, т. е. перемешивающийся верхний слой воды, и монимолимнион — неперемешивающийся глубинный слой постоянной стагнации. Между ними находится слой скачка, в котором повышается минерализация, Рис. 11.3. Гидрологическая структура мсромиктических озер / типа и //типа — гелиотермическое. Слои: / - миксолимнион; 2 — монимолимнион; 3 — сезонный слой скачка; 4 — горизонт хемоклин; 5- фотичсский слой; 6- афотическая толща; 7 — эпилимнион; 8 — монимолимнион; 9 — его освещенный слой; 10 — афотический слой миксолимниона.

и из-за этого увеличивается плотность воды настолько, что его гравитационная устойчивость препятствует вертикальному перемешиванию воды. На поверхности слоя минерализационного скач ка или в его пределах имеется хемоклин - разновидность пикноклина. Это — поверхность с максимальным значением вертикального градиента минерализации воды.

По происхождению мсромиктическое озеро может быть (Хатчинсон, 1969):

• • эктогенным, образовавшимся из водоёма с солоноватой или солёной водой (например, отчлененный от моря залив), в котором уровень поднялся вследствие выпадения атмосферных осадков или притока пресной речной воды;
• • креногенным, возникшим в котловине пресного озера, в днище которой имеются источники солоноватой или солёной воды, которая из-за большей плотности накапливается в профундали.

По особенностям термодинамического состояния меромиктические озёра делят на два типа: озера I типа и озера II типа (гелиотермичсские).

Озёра I тина меромиксиса^[1] - водоемы, в которых глубина хемоклина больше, чем глубина фотического слоя (рис. 11.3 Г). В этих озёрах термический и динамический режим в миксолимнионе такой же, как и в малопроточных пресных и солоноватых озёрах, расположенных в тех же географических широтах. В умеренных широтах этот верхний слой воды имеет такой же гидрологический режим, как димиктическое озеро. В нём чередуются периоды зимней обратной и летней прямой стратификации с периодами весенней и осенней циркуляции, распространяющейся до глубины хемоклина. В миксо;

лимнионе летом могут формироваться синоптический и дневной слои температурного скачка и разрушаться при похолодании.

Из-за устойчивости хемоклина теплои массообмена между миксолимнионом и глубинным монимолимнионом практически нет. Температура и химический состав воды под хемоклином остаются неизменными в течение годового гидрологического цикла, от года к году в длительные периоды современной гидроклиматической эпохи. Температура в глубинном слое может быть 5 °C, или 18 °C, или 2 °C в зависимости от того, когда, при какой температуре сформировался озерный меромиксис.

Приносимые стоком органические взвеси и образуемые в миксолимнионе биотой органоминеральные частицы повышенной плотности в процессе биоседиментации проникают сквозь хемоклин в монимолимнион, чему способствуют внутренние волны и сейшевые течения. Бактериальная микрофлора разлагает в нем органические вещества, сначала расходуя растворенный кислород, а затем — в анаэробных условиях, вырабатывая озёрные газы — С0₂, сероводород, метан, водород.

Примером такого водоёма служит малое оз. Бсловодь диаметром менее 200 м и глубиной 25 м, расположенное во Владимирской области.

Это — карстовая воронка, образовавшаяся вследствие выщелачивания подземными водами гипсоносных пород, просадки кровли и заполнения чаши дождевой водой. Питание минерализованными подземными водами повысило содержание ионов до 1,1 г/л в верхнем слое и до 1,7 г/л в глубинном слое солоноватого озера с сульфатной водой (фация S0₄>Ca> Изменение вертикального распределения температуры в течение годового цикла (рис. 11.4) показывает, что конвективное перемешивание воды проникает в озере до глубины 16 м. Глубже — в монимолимнионе — весь год Т— 7 °C, как и в питающих озеро подземных водах. Различия минерализации в 600 мг/л достаточно для устойчивости плотностного расслоения водоема, в котором из-за малой акватории глубина ветрового воздействия мала. В монимолимнионе растворенный кислород отсутствует, а содержание сероводорода, продуцируемого микроорганизмами, достигает у дна 100 мг/л (Кузнецов, 1970).

Рис. 11.4. Годовой цикл температурного режима меромиктического оз. Беловодь (по: Кузнецов,

1970). Ледяной покров заштрихован. Монимолимнион обозначен серым цветом В горном меромиктическом сточном оз. Киву (на водосборе оз. Танганьика) глубиной около 500 м водная толща состоит из трёх разноплотностных слоёв (Реки и озёра мира, 2012). Верхний 30- метровый слой с минерализацией около 1 г/л насыщен кислородом, многократно перемешивается в течение года. В миксолимнионе обитает несколько видов рыб, обилен зоопланктон и фитопланктон (диатомовые и синезеленые водоросли), pH = 9,45.

Медленное перемешивание достигает глубины 270 м в слое с солоноватой водой (4 г/л). Под ним — монимолимнион, насыщенный метаном в смеси с С0₂ и сероводородом, которые образуются при разложении отмерших водных организмов, осаждающихся из миксолимниона. Запас озерного газа оценен в 55 млрд, м³, ведется промышленная добыча газа в объёме ежегодного его возобновления бактериальными процессами.

Формирование лечебных грязей. Мсромиктические солоноватые и солёные озёра с минерализацией воды <50%о (не самосадочные), расположенные в степях Предкавказья и в Хакасии на юге Красноярского края, служат источниками лечебных грязей. Для их формирования необходимы четыре природные условия:

• • озеро должно быть бессточным (с водным балансом подтипа ИП|), достаточно глубоким и не пересыхающим. Чем глубже озеро, тем лучше качество лечебной грязи, которую называют пелоид
• • вода в озере сульфатного класса;
• • в озере хорошо развит фито-, зоои бактериопланктон, в воде и донных отложениях — много органических веществ. Из-за устойчивого меромиксиса в результате их бактериального разложения в монимолимнионс и донных отложениях исчезает растворенный кислород и образуется сероводород;
• • поверхность водосбора, озёрная котловина и берега озера сложены глинистыми грунтами. Приток мутных вод и абразия обогащают озеро мельчайшими частичками глины, включающими железосодержащие вещества. Такая взвесь обладает наибольшей удельной поверхностью частиц и поэтому наилучшими сорбционными свойствами. Оседая с глинистыми частицами на дно, железо в сочетании с разлагающимся в анаэробных условиях органическим веществом образует сернокислое железо, которое придает пелоиду черный цвет. Образующиеся коллоиды придают грязи большую водоудерживающую способность, поглощают вредные бактерии и вещества, создают консистенцию мази. Без сернистого железа ил быстро высыхает и превращается в светлую глину.

Донные отложения в таких озёрах сложены черным, гниющим, глинистым илом с сильным запахом сероводорода. Такие сернокислые грязи обладают наилучшими лечебными свойствами:

• — хорошо нагреваются благодаря большой теплоёмкости и малой теплопроводности. Под слоем грязи возникают оптимальные условия для очень глубокого и целебного прогрева тканей человеческого организма;
• — адсорбционную способность пелоида используют, накладывая лечебную грязь на открытые раны для предохранения их от воспаления, так как частички ила сорбируют вредные вещества, а содержащиеся в нем бактерии очищают раны от болезнетворных микробов. Содержащиеся в пелоиде озерные газы — сероводород, аммиак — усиливают обеззараживающий эффект грязелечения;
• — содержат полезные гормоны и антибиотики, ускоряющие выздоровление больных.

Во многих крупных медицинских центрах существуют специальные отделения грязелечения разнообразных болезней, а на ряде меромиктических озёр организована добыча пелоида.

Гелиотермические озёра — это мсромиктичсские озёра II типа, которые отличаются от озёр I типа меньшей глубиной хемоклина в сравнении с глубиной фотического слоя (рис. 11.3 II). Их термическая структура — следствие аккумуляции солнечной энергии не только в миксолимнионе, но и под хемоклином. Чем прозрачнее вода в миксолимнионе, тем больше нагревается вода в монимолимнионе, а если он не слишком толстый, то и донные грунты гелиотермического озера. Это — следствие возникновения оранжерейного эффекта: пресная вода миксолимниона пропускает коротковолновую солнечную радиацию, как стекло, и отражает длинноволновое излучение воды монимолимниона. Так, на мелком суффозионном и бессточном Горячем озере (Кулундинская степь) в летний полдень, температура воздуха достигает 37 °C, почвы на берегу — 40 °C, слоя пресной воды — 35 °C, рапы на глубине 0,25 м — 48 °C, а темно-серого ила под ней — 62 °C. Такое термическое состояние нередко в бессточных озёрах аридной зоны в весенний сезон после снеготаяния или после ливневых осадков, пока нс испарится с них пресная вода.

Гелиотермические озёра есть и среди не вскрывающихся летом озер Антарктиды. Бессточное озеро Ванда в оазисе долины Райт имеет длину 8 км глубину 66 м и толщину бесснежного летом ледяного покрова до 4 м (подробные сведения см. в кн.: Эдсльштейн, 2005). Под очень прозрачной 40-метровой толщей пресной воды.

(хлоридная фация Cl>Ca>находится 20-метровый слой скачка с хемоклином на глубине 50 м, под которым находится слой воды толщиной 16 м (соленый и лишенный растворенного СЬ монимолимнион) с минерализацией до 115%о и повышенным содержанием магния — фация Cl>Ca> Температура в нем +25 °С (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Вертикальное распределение температуры (а) и удельной электропроводности (6) в оз. Ванда 02.01.1971 (Yusa Y., 1974).

Меромиксис в озере Ванда — не креногенный (в чаше озера нет источников теплых соленых вод). Из года в год многие тысячелетия малая часть проникающей вглубь озера солнечной энергии в безоблачное лето с длинным световым днем^[2] накапливается в монимолимнионе. Большая устойчивость хемоклина препятствует перемешиванию его воды с миксолимнионом во время осенне-зимнего охлаждения, которое ослабляется намерзанием снизу к кристаллическому покрову ежегодно нового слоя льда толщиной в 1 м и более. Подо льдом в миксолимнионе — обратная температурная стратификация. На первых пяти метрах температура повышается от 0 до 5 °C, ниже — многоступенчатый слой скачка и в слое 15−40 м Т= 7−8 °С. Это свидетельствует о переменной интенсивности конвективного перемешивания солоноватого миксолимниона толщиной 30 м и верхней половины слоя скачка плотности воды над хемоклином. Солоноватость миксолимниона, по-видимому, — следствие проникающей конвекции и микроконвекции в слое скачка плотности воды, возникающей при вну тренних сейшах.

Летом, благодаря фёнам с окрестных гор и ледников, поверхность озёрного льда бесснежна. Очень прозрачный лёд, толщина которого из-за стаивания уменьшается с 5 м до 4 м, пропускает достаточно фотосинтетической радиации для развития диатомового фитопланктона. В трофогенном подледном слое происходит пересыщение воды кислородом свыше 125%. Нс растворившийся биогенный О2 пузырьками всплывает к нижней поверхности ледяного покрова. Осенью, с началом нарастания на нижней поверхности ледяного покрова новых слоев кристаллического льда, пузырьки вмерзают в лсд. Поскольку весной и летом таяние льда происходит на верхней поверхности ледяного покрова, вмерзшие кислородные пузырьки постепенно приближаются к поверхности, и при её таянии кислород выделяется в атмосферу.

• [1] меромиксис — состояние такого озера, в котором возможно только частичное вертикальное перемешивание волы до глубины пикноклина (горизонта наибольшеговертикального градиента плотности воды).
• [2] Летом в Антарктиде среднесуточный приход солнечной радиации самый интенсивный на Земле — 560 Вт/м2 над Южным полюсом, когда Земля — в перигелии, также из-за длинного полярного светового дня, безоблачной атмосферы почти лишенной аэрозолей и водяного пара, поглощающих и рассеивающих солнечный свет.