Литодинамика прибрежной зоны озера Байкал

Прибрежная зона (береговая зона) озер, морей, океанов — это сфера взаимодействия трех земных оболочек — гидросферы, литосферы и атмосферы. Она характеризуется разнообразными и очень интенсивными процессами изменения рельефа и вещества литосферы, в основном под действием волн и течений, специфичными формами рельефа и накоплением своеобразных толщ рыхлых отложений. Прибрежная зона отличается большой интенсивностью процессов перемещения осадочного материала, непрерывным его поступлением с суши, активной его дифференциацией. Прибрежная зона, благодаря воздействию очень активных гидродинамических факторов, является наиболее динамичной по сравнению с другими областями озерных, морских, океанических акваторий. В настоящее время эта зона находится под мощным антропогенным прессом и ее изучение необходимо для выявления степени влияния техногенных факторов на состояние окружающей среды.

Прибрежная зона является первым уровнем, на который поступает осадочный материал с суши. Ее. литодинамическое функционирование заключается в переработке, образовании, распределении осадочного материала литосферы, питании наносами нижележащих структурных уровней дна. Прибрежная зона выполняет роль мощного фильтра осадочного материала, поступающего в ее пределы, является важным литодинамическим звеном водоема. Изучение литодинамического функционирования прибрежной зоны тесно связано с познанием процессов осадкообразования, с вопросами геоэкологии прибрежной зоны. Актуальность этой проблемы с точки зрения практических задач обусловлена решением вопросов гидротехнического и рекреационного строительства, запросами навигации, с трассированием подводных коммуникаций, берегозащитой и т. д.

Вопросы геоэкологии прибрежной зоны в настоящее время становятся весьма актуальными. Активная деятельность человека в этой зоне и на побережье вызывает значительные антропогенные потоки. Этот пока еще недооцененный поток вещества оказывает все большее влияние на процессы рельефо-и осадкообразования, на формирование экологических особенностей данной зоны. Исследование и оценка потоков загрязняющих веществ в прибрежной зоне, выявление источников их поступления, аккумуляции, оценка механического воздействия человека на осадки и рельеф прибрежья, на его динамическое состояние — вот основные задачи геоэкологии этой зоны.

Изучение процессов береговой зоны имеет как важное научное, так и практическое значение и является составной частью комплексных исследований Мирового океана.

Изучение литодинамики береговой зоны открывает новые перспективы познания процессов взаимодействия суши и озера в этой зоне, позволяет более обоснованно подойти к решению важных народнохозяйственных задач, восполняет один из существенных пробеловоценку роли береговой зоны в преобразовании осадочного материала, питании им прибрежно-озерных и глубоководных осадков, в соотношении отдельных источников поступления осадочного материала.

На Байкале проблемы литодинамического функционирования прибрежной зоны, баланса осадочного материала в этой зоне до настоящего времени оставались неизученными, поэтому и возникла необходимость в подготовке данной работы.

Цель работы заключается в количественной оценке литодинамического функционирования прибрежной зоны оз. Байкал на основе балансового метода.

Для решения этой проблемы были поставлены следующие задачи:

1. Изучение природных условий в бассейне оз. Байкал, способствующих образованию и мобилизации осадочного материала в прибрежную зону озера.

2. Количественная оценка основных источников поступления осадочного материала в прибрежную зону озера в целом, прибрежную зону каждой из трех котловин, прибрежье восточного и западного берегов в отдельности, т. е. приходной составляющей балансовых расчетов.

3. Выяснение роли дельтовых участков рек как ловушек осадочного материала.

4. Динамическое районирование прибрежной зоны озера.

5. Изучение литодинамических процессов в прибрежной зоне озера: образование, переработка, перемещение, распределение осадочного материала в прибрежной зоне, питание наносами глубоководной части озера.

6. Определение количественных показателей расходной составляющей балансовых расчетов для прибрежной зоны озера.

7. Оценка интенсивности накопления осадочного материала от рассматриваемых источников в оз.Байкал.

Защищаемые положения.

1. Крупные притоки оз. Байкал поставляют в глубоководные районы водоема лишь седьмую часть транспортируемого ими материала. Основная масса речных наносов перехватывается дельтовыми и аван-дельтовыми участками, что часто не учитывается. Тем самым, устьевые области крупных притоков Байкала, являясь ловушками седимен-тационного материала, вносят существенные изменения в поставку речных наносов в озеро.

2. Масса поставляемого в прибрежную зону осадочного материала абразионным и речным источниками является основной и определяет годовую норму поступлений терригенного материала, причем ведущими являются процессы абразии, что согласуется со значительным энергетическим потенциалом прибрежной зоны и отражает большой запас механической энергии гидрогенных факторов.

3. Прибрежная зона является первым уровнем дна озера, куда поступает осадочный материал с суши. Она является средой образования, переработки, распределения осадочного материала. Подготовленные в этой зоне осадки питают нижележащие структурные уровни дна водоема. В целом, прибрежная зона является транзитным участком на пути осадочного материала к области абсолютной аккумуляции — днищу озера.

Научная новизна. В работе впервые дана количественная оценка литодинамической деятельности прибрежной зоны, в основу которой (оценки) положен балансовый метод. Показана роль прибрежной зоны в переработке, распределении, образовании осадочного материала. В работе определено значение устьевых областей (дельт и авандельт) рек как ловушек речного материала и количественно оценен фактический вынос речных наносов в глубоководный Байкал. Изучено залповое проникновение взвешенного вещества из прибрежной зоны в глубинные районы озера посредством механизма термобара. Впервые получен гранулометрический состав терригенной взвеси в водной толще центрального Байкала методом электронного микрозондирования.

Практическое значение. Результаты работы дают возможность более обоснованно решать задачи гидротехнического и портовского строительства, курортного и туристического дела, проблемы навигации и берегозащиты, экологического загрязнения прибрежной зоны и озера и т. д., помогут, в конечном итоге, определить направления рационального использования природных ресурсов Бакала. Выполненные исследования позволят по-новому подойти к изучению, моделированию, прогнозированию ряда морфои литодинамических процессов.

Часть материалов диссертации использовалась в отчетах Лимнологического института по плану НИР АН и в отчетах по хоздоговорным работам: «Экзодинамические и литодинамические процессы в озерных котловинах», «Междисциплинарное исследование закономерностей функционирования экосистемы оз. Байкал в современный период», «Влияние твердого стока селеносных рек на береговые процессы и экологию гидробионтов», «Влияние очищенных сточных вод СЦКК на экосистему р. Селенги и формирование донных осадков» и др.

Материалы исследований использовались Селенгинским ЦКК при переходе работы комбината по замкнутому циклу и при оценке влияния его очищенных сточных вод на экосистему р. Селенги, оз. Байкал и формирование донных осадков. Результаты работы применялись при выборе места для строительства водозабора глубинной байкальской воды для ее бутылирования, при оценке качества воды для этих целей. Имеются справки о внедрении материалов в практику.

Используемые материалы и методы. Основной материал, используемый в работе, получен автором за период с 1985 по 1999 г. г. в составе экспедиционных отрядов Лимнологического института и международных экспедиций в рамках исследований Байкальского Международного Экологического Центра (В1СЕЮ. К основным из них относятся совместные исследования Лимнологического института и зарубежных ученых по изучению качества вод притоков и вод озера, советско-немецко-японские исследования по изучению донных отложений и взвешенного вещества Байкала, международный эксперимент на Байкале по изучению масштабов обновления глубинных вод на весеннем термобаре, исследования по изучению потоков вещества на дно озера с помощью седиментационных ловушек совместно с немецкими и швейцарскими учеными, исследования ЛМНа по изучению влияния сточных вод Селенгинского ЦКК на качество вод р. Селенги и оз. Байкал и др.

Для определения дальности распространения в прибрежной зоне озера речных наносов автор под руководством В. А. Фиалкова принимал участие в исследовании стоковых (градиентных) течений основных притоков озера. Скорости течения воды в реках измерялись гидрометрической вертушкой ГР-55. Применялся стандартный метод поплавков с использованием двух теодолитов и лодки.

Донные отложения в прибрежной и глубоководной зонах озера отбирались дночерпателем и гравитационной трубкой с борта катера ЛИНа Т.Ю. Верещагин". В притоках донные отложения отбирались дночерпателем с лодки.

Для изучения динамики взвешенной составляющей терригенного потока вещества автором определялось содержание взвешенного материала в водах притоков, прибрежной и глубоководной зонах озера традиционными методами. 1950 проб было проанализировано на содержание взвешенного материла в воде. Методом седиментационных ловушек, в установке и снятии которых соискатель принимал участие, определялся поток вещества на дно центральных районов Южного и Среднего Байкала. Количественные характеристики потока вещества на дно Южной котловины любезно были предоставлены нам М. Штурмом (EAWAG-ETH/Dubendorf/Switzerland).

Автором проводились многолетние исследования (1987;1990, 1992;1993, 1996;1998 гг.) главного притока озера р.Селенги. Изучалась динамика наносов в самой реке, ее дельте и на устьевом взморье. Определялась динамика самой дельты, оценивалось фактическое количество речного материала, поставляемого в озеро, в его Южную и Среднюю котловины. Проводился качественный анализ состава взвешенных наносов и донных отложений реки, проток дельты и аван-дельты.

В центральной лаборатории Геологического управления г. Иркутска взвешенный материал и донные отложения притоков и озера анализировались на гранулометрический и минералогический состав.

Автором применялись теоретические разработки по ветровому переносу частиц над озером, выполненные им под руководством и непосредственном участии к.г.н. ЛИНа В. Л. Потёмкина.

Расчет скоростей донной абразии производился автором по методу, предложенному Ю. Д. Шуйским /1986/ с использованием данных Б. П. Агафонова /1990/ о скоростях абразии берегов.

Решение поставленных задач невозможно было бы, конечно, без применения опубликованных результатов исследований Байкала и теоретических разработок. К их числу относится изучение режима волн, прибрежных течений и волнений, создание моделей циркуляции вод, получение представлений о роли подводных каньонов, выяснение процессов развития устьевых областей рек, исследования динамики берегов озера и экзолитодинамических процессов, изучение эоловых поступлений в котловиу и мн. др.

Таким образом, решение указанной проблемы базируется на теоретическом и фактологическом фундаменте данных.

Автор глубоко признателен к. г. н. В. А. Фиалкову, к. г. н. Б. Ф. Луту, д. г-м.н Е. Б. Карабанову, сотрудничество с которыми положило начало выполнению данной работы. Искреннюю благодарность автор выражает д. г. н. В. Б. Выркину, д. г. н. И. Б. Мизандронцеву, к. г-м.н. А. Н. Сутурину, чьими рекомендациями и советами постоянно пользовался соискатель в процессе подготовки данной работы, д.г.н. Б. П. Агафонову за консультации и критические замечания. За поддержку и помощь в проведении экспедиционных исследований автор благодарен директору ЛИНа, чл.-корр. М. А. Грачеву, д. б.н. В. В. Дрюккеру и д.г.н. М. Н. Шимараеву, а также за помощь в отборе полевого материала О. М. Хлыстову, 0.Г. Левиной, экипажу НИС «Г.Ю. Верещагин» .

Апробация работы. Основные результаты диссертации апробировались на следующих научных собраниях: всесоюзных и общероссийских совещаниях и конференциях посвященных «Круговороту вещества и энергии в водоемах» (Иркутск, 1985), «Динамике и термике рек, водохранилищ и окраинных морей» (Москва, 1989, 1994), «Гидрологии и геоморфологии речных систем» (Иркутск, 1997), «Динамике и термике рек, водохранилищ и прибрежной зоне морей» (Москва, 1999) — международных совещаниях: «Природные условия и ресурсы некоторых районов Центральной Азии» (Иркутск, 1992), «Байкал — природная лаборатория для исследования изменений окружающей среды и климата» (Иркутск, 1994), «Озера как индикаторы антропогенных процессов в водосборном бассейне» (Швейцария, 1998), «Управление озерами» (Дания, 1999) — научно-практической конференции «Водные ресурсы Байкальского региона: проблемы формирования и использования на рубеже тысячелетий» (Иркутск, 1998). Основные результаты работы изложены в 25 публикациях.

Объем работы. Диссертация изложена на 149 страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа иллюстрирована 20 рисунками и схемами, 14 таблицами.

Список литературы

содержит 146 наименований.

Заключение

.

Среди континентальных водоемов мира в отдельный класс выделяются озера тектонического происхождения, характерными особенностями которых являются: относительная глубоководность, наличие узкого мелководья и крутого подводного склона. Перемещение и накопление наносов в этих озерах происходит на определенных уровнях дна: прибрежная зона, склон, подножие склона, днище озера. Седиментация наносов на этих уровнях имеет свои отличия.

В данной работе представилась возможность показать роль прибрежной зоны оз. Байкал в образовании, переработке, распределении осадочного материала литосферы, -питании наносами открытой части озера. Прибрежная зона рассмотрена как своеобразный фильтр, способный переработать и пропустить через себя разнообразный по составу материал. Эта зона является важным звеном в цепи литоди-намических процессов озера. В основу изучения литодинамического функционирования прибрежной зоны положен балансовый метод. Анализ литературных источников показал, что эта проблема на Байкале не изучалась.

Природные условия в бассейне озера (рельеф, высокая сейсмичность, резко континентальный климат, криогенные процессы и т. д.) способствуют подготовке значительных масс осадочного материала и мобилизации их в водоем. Отношение площади акватории озера к площади водосбора составляет 1:18, что свидетельствует о существенной роли суши в питании озера. Бассейн Байкала по условиям питания озера осадочным материалом можно разделить на две территориально разобщенные части. Одну часть — так называемый большой бассейн Байкала — составляют бассейны крупных рек: Селенги, Баргузина, Верхней Ангары и Турки (более 90% площади бассейна озера). Другая часть — малый бассейн — представлена территорией непосредственного побережья и склонов прилежащих к озеру хребтов. Малый бассейн выделяется как самостоятельная геоморфологическая единица, узкая полоса территории со стоком непосредственно в котловину Байкала. Большой и малый бассейны озера сложны по составу и набору слагающих их пород, представленных разнообразными магматическими, метаморфическими и осадочными породами.

Прибрежная зона озера Байкал является первым уровнем, куда поступает осадочный материал с суши.

Основным поставщиком осадочного материала являются процессы абразии, т. е. абразия берегов и дна подводной отмели. До недавнего времени абразия дна как источник осадочного материала не рассматривалась. Это было связано со слабой изученностью подводной абразии, с отсутствием морфометрических характеристик прибрежных отмелей и данных о скоростях их углубления. Поэтому при оценке абразионного сноса в водоем использовались только данные о разрушении берегов. Но уже первые исследования /Шуйский, 1986; и др./ на разных водных объектах показали, что абразионные явления на дне береговой отмели очень активны, отличаются большим разнообразием и могут быть важным источником осадочного материала. Снос вещества с прибрежной отмели может превышать снос с берега в 1 -3 раза. Количество сносимого с мелководья вещества зависит от ряда причин: прочности слагающих отмель пород, уклона дна и ширины отмели, гидродинамических условий и т. д. На Байкале процессы донной абразии не изучались и данные о ее скоростях отсутствуют. Поэтому в этой работе мы применили предложенный Ю. Д. Шуйским /1986/ метод, который позволяет при наличии скоростей абразии берегов рассчитать скорости абразии подводной отмели. Используя данные о скоростях береговой абразии /Агафонов, 1990/, мы рассчитали скорости донной абразии, которые варьировали от 0,0007 до 0,018 м/год и были меньше на 1 — 3 порядка скоростей абразии берегов. Тем самым мы получили некоторое представление о процессах донной абразии на различных по морфометрии отмелях оз.Байкал. Удельный снос абразионного материала со дна прибрежья оценен по соотношениям, рекомендованным Ю. Д. Шуйским /1986/: отношение удельного сноса осадочного вещества с берега к таковому с отмели, сложеных скальными и полускальными породами, составляет 2:1, редко 1:1- для отмелых побережий это соотношение варьирует от 5:1 до 1:1. На Байкале 75% длины западного и 25% длины восточного берега составляют коренные склоны и скальные породы. Большая часть восточной прибрежной зоны представлена отмелыми и аккумулятивными формами. Поэтому мы полагаем, что рассматриваемое соотношение для Байкала составит в среднем 2:1. Следовательно, количество сносимого с прибрежной отмели осадочного материала равно 677 тыс. т. Ориентировочная количественная оценка абразии дна прибрежной зоны показала, что этот процесс имеет место на Байкале и его необходимо учитывать при изучении литодинамики береговой зоны.

Объем продуктов общей абразии (дна и отмели) для Байкала составил 2031 тыс. т в год. Большая часть абразионного материала выносится из береговой зоны волнениями и течениями, по подводным каньонам, меньшая часть (30%) задеживается в этой зоне. Абразионный материал в прибрежной зоне подвергается процессам истирания, которые действуют преимущественно в тех районах, куда поступают крупные обломки скальных пород. Этот процесс заключается в дроблении, обкалывании, истирании частиц, что приводит к потере массы наносов, поскольку всегда сопровождается образованием взвешенных фракций, способных уходить в глубоководные районы. Но, в целом, потери наносов на истирание невелики и составляют 1% от объема продуктов абразии.

Если абразионные источники не локализованы и относительно равномерно поставляют материал вдоль контура береговой линии, то этого нельзя сказать о другом важном источнике — твердом стоке рек. Основная часть твердого стока поступает в водоем во время паводков, наиболее крупные из которых бывают раз в несколько лет. Поэтому средний ежегодный снос в действительности оказывается меньше мощных единовременных поступлений. Однако роль твердого стока в сравнении с абразией меньше, чем ранее было принято считать. Ранее в расчетах практически не учитывался перехват речных наносов дельтами. В данной работе мы показали, что устьевые области крупных притоков Байкала являются мощными ловушками наносов рек. Устьевые области, пропуская через себя речные наносы, поставляют в глубоководные районы озера лишь 13% от своего твердого стока.

Масса поставляемого в береговую зону озера осадочного материала абразионным (46%) и речным источниками (38%) является основной и определяет годовую норму поступления терригенного материала. Отношение абразии к твердому стоку рек равное 1,17 подтверждает современные представления о том, что объем материала абразионного происхождения превышает объем твердого стока рек или это величины одного порядка /Айбулатов, 1985; Шуйский, 1986; До-лотов, 1989/. Этот результат позволяет по-новому оценить абразионный источник осадочного материала в оз. Байкал и его место среди других источноков. Остальные источники являются либо локальными, либо маломощными. К таким источникам, из рассматриваемых в данной работе, относится растворенный химический сток, часть соединений которого переходит в твердую фазу и осаждается на дно, эоловый источник. Эти два источника составляют 12% и 4% соответственно от общего поступления осадочного материала.

Роль каньонов в литодинамическом функционировании прибрежной зоны заключается в выносе осадочного материала из этой зоны в глубоководные районы озера. Вынос наносов по каньонам способствует укрупнению осадков на дне озера.

В прибрежной зоне выделено три динамические области: область трансформации волн, расположенная между глубиной, приуроченной к нижней границе береговой зоны, и глубиной, с которой начинается обрушение волн, равной 1,5 их высоты /Морская геоморфология, 1980/. На Байкале область трансформации волн расположена между глубинами 15 и 3 м. Далее в сторону берега простирается область разрушения волн (забурунивания) до линии окончательного их опрокидывания, где глубина равна 1,28 высоты опрокидывающейся волны /Манк, 1951/, для Байкала — это 1,3 м. От этой глубины до линии наибольшего заплеска (для Байкала — около 10 м) или до подножия абразионного уступа простирается область прибойного потока. В каждой из этих трех областей доминирует тот или другой фактор перемещения и распределения наносов.

Прибрежная зона выполняет роль своеобразного фильтра осадочного материала, поскольку более грубый материал задерживается здесь, а более мелкий выносится на большие глубины. Диаметр взвешенных частиц в прибрежной зоне озера представлен размерами от пелитов до средних песков. Взвесь водной толщи глубоководного Байкала не претерпевает существенных изменений по вертикали и представлена в основном частицами с диаметром менее 0,001 мм. На дне глубоководного Байкала в составе осадков преобладают пелито-вые фракции (до 100%). Это прямо указывает на то, что через береговую зону «прорываются» в основном самые мелкие фракции исходного осадочного материала. Эоловые процессы, ледовый вынос, снос материала по каньонам приводят главным образом к укрупнению донных осадков.

Процессы прибрежно-озерной дифференциации меняют исходный состав осадочного материала и обеспечивают его распределение в разных частях прибрежного дна и глубоководных областях озера. В прибрежной зоне остается значительно меньше наносов, чем поступает в водоем. Прибрежная зона Байкала удерживает в своих пределах в 3 раза меньше осадочного материала, чем принимает. На 1 пог. м длины береговой линии озера приходится всего 0,31 м³ задерживающегося здесь материала. В условиях высокого энергетического потенциала береговой зоны это является основной причиной развития абразионных форм рельефа. На Байкале абразионные берега составляют 85% от их длины, и лишь 15% приходится на аккумулятивные и закрепленные берега.

Итак, прибрежная зона оз. Байкал, составляя 6% от площади зеркала озера, способна задерживать и перерабатывать до 29% поступающего в нее осадочного материала. Особенностью современных литодинамических процессов в прибрежной зоне озера является значительное развитие абразионных форм рельефа и преобладание выноса наносов за ее пределы.

Переработанный береговой зоной осадочный материал отклады-ваеться на днище озера в среднем по 0,053 мм в год. Несмотря на различия в скоростях осадконакопления, полученных разными авторами и методами для центральных районов озера, прослеживается уменьшение интенсивности отложения наносов с юга на север.

Рельеф дна озера отчетливо асимметричен. Мелководье с западного берега значительно менее развито, чем с восточной стороны. Асимметрия прослеживается и в поставке осадочного материала в прибрежную зону озера. Рассматриваемые в работе источники осадочного вещества поставляют в береговую зону Байкала в 4 раза больше материала с восточного побережья, чем с западного.

Прибрежная зона — это литодинамический конвейер между сушей и дном озера, на котором перерабатывается материал суши и затем поставляется на днище водоема. Нельзя отождествлять, как это часто делается, сносимый в береговую зону осадочный материал с задерживающимся в этой зоне материалом, с одной стороны, или с питающим глубоководные осадки водоема, — с другой. Исследования показали, что прибрежная зона оз. Байкал является его важным литоди-намическим звеном.

Изложенные в данной работе общие принципы литодинамического функционирования прибрежной зоны оз. Байкал по результатам балансовых исследований обоснованы количественными показателями. Такая работа выполнена впервые в соответствии с современным уровнем теории учения о берегах, современным состоянием фактического материала и методик исследований. Дальнейшие исследования и разработки по решению проблем изучения литодинамических процессов, баланса наносов прибрежной зоны позволят уточнить цифровые показатели, получить их большее количество и повысить достоверность сформулированных выводов.