Литогеохимические потоки в каскадной системе р. Гвадалорс (Испания)

Актуальность темы

Перемещение вещества в ландшафтной сфере является важным процессом, который определяет основные геохимические особенности поверхности Земли, и, в конечном счете, направлен на поддержание ее химического статуса (Маккавеев, 1955). Среди природных систем, в которых поверхностные миграционные потоки вовлекают в движение значительные массы химических элементов и охватывают обширные территории, выделяются речные бассейны. Некоторые водосборы занимают огромные пространства отдельных континентов, образуя сложно устроенные ландшафтно-геохимические арены (Глазовская, 1988). Потоки вещества в таких системах могут быть сопоставимы с массопереносом в глобальном цикле круговорота веществ.

Речные бассейны как объекты географических исследований известны с древнейших времен, но с системных позиций стали рассматриваться с 60−70 годов прошлого столетия. В настоящее время во многих научных дисциплинахгидрологии, геоморфологии, ландшафтоведении, геохимии ландшафтов — они выступают в качестве самостоятельных и целостных объектов пространственного анализа. Актуальность и практическая значимость этих исследований определяется развитием системного подхода для управления территориями — планирования хозяйственной деятельности, проведения экологического мониторинга и природоохранных мероприятий в границах водосборов разного пространственного уровня.

В геохимии ландшафтов к настоящему времени сформулированы основные теоретические представления о речном бассейне как о сложной каскадной ландшафтно-геохимической системе (KJITC), в которой важную роль играют латеральные потоки вещества. Склоновая составляющая латеральных потоков изучается в рамках самостоятельного и, в какой-то мере, независимого от анализа речных бассейнов катенарного подхода. Цель этого анализа — выявление геохимических связей между автономными и гетерономными ландшафтами наземных ландшафтов и субаквальными ландшафтами русловой сети.

Выделение бассейнов в качестве самостоятельных систем требует развития особых методологических приемов их геохимического анализа. Очевидно, что внимание в таком анализе должно быть сфокусировано не только на склоновых, но и на русловых потоках вещества, обеспечивающих целостность речного бассейна как системы.

Геохимия русловых потоков изучается в различных научных дисциплинах. В процессе развития геохимических методов поисков полезных ископаемых были установлены основные закономерности и разработаны математические модели пространственного распределения элементов в потоках рассеяния от рудных месторождений (Хокс, Уэбб, 1964; Поликарпочкин, 1976; Соловов, Матвеев, 1985). В зависимости от характера среды и механизмов миграции вещества было выделено два основных типа потоков — литохимические и гидрохимические (Красников, 1959), и установлено, что состав каждого из них формируется под влиянием геохимических явлений с разным характерным временем. Гидрохимические потоки испытывают влияние процессов с кратковременной периодичностью (сутки, сезоны, годы), состав литохимических потоков в русле реки складывается под влиянием процессов, протекающих в течение значительно более длительного времени (Хокс, Уэбб, 1964). При оценке рудонос-ности бассейна предпочтение отдается литохимическому методу, при котором изучается состав наиболее консервативного элемента потоков — руслового аллювия (Поликарпочкин, 1976).

Большое внимание химическому составу русловых потоков уделяется также в геоэкологическом анализе. При эколого-геохимических оценках территорий изучается их техногенная составляющая. Методологической основой применения геохимических методов в геоэкологических исследованиях является представление о том, что загрязняющие вещества рассеиваются, транспортируются и аккумулируются в водах и донных отложениях речных систем (Пе-рельман, Касимов, 1999; Янин, 2004). Как и при поисковых работах в задачи эколого-геохимических оценок входит, главным образом, оконтуривание более или менее локальных (по сравнению с общим размером изучаемой площади) участков с аномальным содержанием отдельных элементов или их групп и установление генезиса этих аномалий (например, источника загрязнения в зоне влияния). Для выявления уровней аномальности используются фоновые содержания исследуемых элементов. Наибольшие затруднения с определением фоновых концентраций элементов возникают при изучении природных и техногенных потоков в горных бассейнах с гетеролитной литогенной основой.

Геохимический анализ русловых потоков с системных позиций проводится при изучении контине1ггального литогенеза и при решении вопросов, связанных с оценкой роли речного стока как источника осадочного материала в океане. В рамках этих исследований рассматривается влияние отдельных факторов — климата, рельефа и литологического состава водосборов — на химический состав русловых потоков (Страхов, 1963; Ibbeken&Schleyer, 1991; Potter, 1994; и др.), анализируется химический состав речного стока в океан (Маг-tin&-Meybeck, 1979; Гордеев, 1983), проводятся количественные оценки влияния некоторых факторов на формирование и пространственную геохимическую дифференциацию русловых потоков в границах одного речного бассейна (Stal-lard, Edmond, 1983; Palomares&Arribas, 1993; Arribas et al., 2000; Collins et al, 1997; и др.).

В геохимии ландшафтов в настоящее время геохимический анализ русловых потоков находится на ранней стадии разработки, особенно для КЛГС региональной размерности, формирующихся на гетеролитном субстрате. Для таких систем существует недостаток сведений об изменчивости состава русловых потоков в границах бассейна, нет четких представлений о факторах их территориальной дифференциации (влиянии литогенной основы, площади водосбора, миграционных процессов и др.). Разработка методических принципов и приемов геохимического анализа русловых литопотоков в гетеролитных бассейнах не только позволяет углубить концептуальные и методические основы бассейнового подхода в геохимии ландшафтов, но и способствует решению ряда важных практических и научных задач, в числе которых геохимическая классификация каскадных ЛГС.

Цель и задачи работы. Цель работы — разработать принципы и методы оценки территориальной дифференциации литогеохимических потоков в гете-ролитных каскадных системах.

Для достижения поставленной цели на примере бассейна р. Гвадалорс (Испания) решались следующие задачи:

1. Дать характеристику среднего содержания широкого спектра химических элементов в русловых литопотоках бассейна р. Гвадалорс и на основе полученных данных выявить основные черты и факторы их пространственной геохимической дифференциации.

2. Разработать классификацию бассейнов KJITC более низких порядков, отражающую геохимическую дифференциацию их литогенной основы, и на этой основе провести картографирование KJITC.

3. Выявить геохимические парагенезисы русловых миграционных потоков песчаного состава на основе метода инверсионного моделирования.

4. Разработать геохимическую классификацию русловых литопотоков по их геохимическим парагенезисамопределить основные закономерности формирования и провести картографирование состава русловых потоков в исследуемых водосборах каскадной системы.

В связи с поставленными задачами решался ряд дополнительных вопросов, связанных со способами получения средних характеристик содержаний элементов в русловых литопотоках гетеролитного бассейна, приемами оценки их территориальной дифференциации, выбором картографических единиц при составлении карт на территорию КЛГС.

Объект исследования. Работа проводилась в рамках совместных российско-голландских исследований. Объектом исследования явился относительно небольшой (3158 км2) бассейн реки Гвадалорс, расположенный в западной части Кордильеры Бетика на юге Пиренейского полуострова. Выбор природного объекта был обусловлен его компактным положением в пределах единой орографической области, наличием разнообразных материнских пород в литогенной основе и отсутствием на территории бассейна крупных промышленных источников загрязнения.

Фактические материалы и методы исследования. Литогеохимические потоки каскадной системы изучены на примере русловых отложений, в составе которых, по мнению многих исследователей, фиксируется результат многолетних геохимических процессов, протекающих на территории бассейна. В основу работы положены материалы, собранные в течении 3 полевых сезонов 19 911 993 гг. Рекогносцировочные исследования проводились в 1991 году проф. Н. С. Касимовым, проф. С. Б. Крооненбергом и проф. А. Н. Геннадиевым, основные полевые работы в 1992 и 1993 г. г. выполнялись автором.

При полевых исследованиях в русловой сети реки Гвадалорс заложено 159 точек наблюдения, в которых из активного слоя русловых отложений отобраны пробы осадочного материала с размером частиц менее 2 мм: 192 пробы песков, 146 проб алевритов и пелитов, 34 пробы смешанного алевритово-песчаного состава.

В пробах руслового аллювия определено валовое содержание Si02, ТЮ2, Fe203, А120з, MnO, MgO, CaO, Na20, K20, P205, а также Ba, Cr, Cu, Ga, La, Nb, Ni, Pb, Rb, Sr, V, Zn, Zr и C02 карбонатов, проанализирован гранулометрический состав и содержание подвижных форм металлов (Fe, Mn, Си, Ni, Pb, Zn.).

С помощью геоинформационных методов получена количественная информация о водосборах, питающих русловую систему осадочным материалом: определены их размер и площади распространения основных типов материнских пород.

Характеристика средних содержаний химических элементов в русловых потоках всей каскадной системы и в ее отдельных подсистемах проведена с помощью взвешенных оценок. Полученные данные использованы для вычисления коэффициентов бассейновой дифференциации, предложенных автором для оценки различий химического состава русловых литопотоков отдельных частей бассейна. Математическая обработка геохимических данных проведена с использованием кластерного и корреляционного анализа, а также метода инверсионного моделирования (Weltje, 1994). Этот метод, предназначенный для разделения природных смесей осадочного материала на конечные составляющие, применен впервые для анализа геохимических данных. На его основе выделены геохимические парагенезисы и проведена классификация русловых литогеохи-мических потоков KJITC.

Научная новизна. На примере бассейна р. Гвадалорс разработаны методические приемы анализа русловых литогеохимических потоков в гетеролит-ных каскадных системах. С помощью предложенных методов дана характеристика содержания исследуемых элементов в русловых потоках КЛГС и проведена оценка территориальной дифференциации их химического составаразработана геохимическая классификация бассейнов KJITC, в основу которой положено выделение геохимических комплексов пород КЛГС, анализ их площадного распространения и сочетания на территории отдельных водосборовпроведено картографирование исследуемых бассейноввыделены основные геохимические парагенезисы русловых потоковустановлено, что источниками трех парагенезисов (карбонатно-кальциевого, магнезиального и алюмосиликатного) служат материнские породы КЛГС, происхождение четвертого парагенезиса (кварцевого) обусловлено процессами речного транспорта. выделены геохимические типы русловых потоков и проведено геохимическое картографирование каскадной системы по составу литогеохимических потоков.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют глубже понять закономерности территориальной дифференциации русловых литогеохимических потоков в бассейнах с неоднородным литогенным субстратом. Они представляют интерес для поисковых, мониторинговых и эколого-геохимических исследований, в задачи которых входит выделение и оценка слабых природных и техногенных геохимических аномалий на территориях с сильной дифференциацией литогеохимического фона.

Разработанная классификация русловых литогеохимических потоков важна для создания геохимических блоков ГИС на территорию горных регионов и программ по их управлению. Конкретные данные и карты, полученные для каскадной системы р. Гвадалорс, могут использоваться различными организациями, осуществляющими экологический контроль за состоянием природной среды и разрабатывающими программы по устойчивому развитию территории бассейна.

Апробация полученных результатов. Основные положения и результаты диссертации докладывались на заседании Почвенного Института им. В. В. Докучаева РАСХН, посвященном 75-летию со дня рождения Ф. И. Козловского (Москва, 2003) и на Международном симпозиуме «Потоки вещества в флюви-альных системах» (Москва, 2004). Отдельные результаты исследований представлены в отчетах РФФИ, материалах Международной конференции «Глобальные изменения и география» (Москва, 1995), Международного совещания «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 2001), Международной школы «Современные методы эколого-геохимической оценки состояния и изменений окружающей среды», (Новороссийск, 2003). По теме диссертации имеется 6 публикаций.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы (111 наименований). Работа содержит 150 страниц текста, 30 иллюстраций (в том числе 5 карт) и 18 таблиц.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своим научным руководителям Н. С. Касимову и С. Б. Крооненбергу за их внимание, ценные идеи и помощь при выполнении работыдоктору Г-Я. Велтье (ДТУ, Нидерланды) за консультации по математическому моделированию и предоставление авторского программного пакета EMMA. Автор искренне благодарен всем сотрудникам кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ, в первую очередь, М. А. Глазовской за помощь и поддержку в работе над диссертацией. Автор благодарит сотрудников географического факультета О. А. Самонову, Н. Л. Фролову, С. И. Гаррисона за ценные советы и обсуждение некоторых разделов диссертационной работы, а также признателен администрации и сотрудникам Вагенингенского сельскохозяйственного университета (Нидерланды) за их содействие в проведении полевых и лабораторных исследований в 1991;1993 г. г.

Заключение

и выводы.

Проведенное исследование является первым шагом к системному анализу русловых литогеохимических потоков, при котором изучается не только сам результат взаимодействия природных факторов и процессов — русловые потоки, но и система, осуществляющая это взаимодействие — речной бассейн, его блоки и подсистемы. Одним из основополагающих принципов изучения литогеохимических потоков в каскадной системе является их комплексная оценка, основанная на изучении широкого спектра элементов и их парагене-зисов. Признание геохимических парагенезисов в качестве основных источников информации о миграционных процессах на территории бассейнов определяет их ключевую роль при геохимической характеристике KJITC. Важную роль в комплексном геохимическом анализе выполняют те математические методы, которые позволяют выделить геохимические парагенезисы и дать не только их качественную, но и количественную характеристику. В частности впервые использованный для анализа геохимических данных метод инверсионного моделирования, показал свою эффективность при изучении сложных миграционных потоков, образование которых связано с процессами физического смешения вещества от разных источников или групп источников. С его помощью была разработана классификация и проведено картографирование каскадной системы гетеролитного бассейна р. Гвадалорс по составу русловых литопотоков.

Главные результаты и выводы, полученные в результате проведенного исследования состоят в следующем:

1. Основными факторами, определяющими состав и пространственную дифференциацию русловых литогеохимических потоков в каскадной системе реки Гвадалорс, являются литогенная основа и порядок питающих их водосборов. Максимальная контрастность в концентрации и рассеянии элементов установлена для потоков верхних звеньев русловой сети, формирование которых тесно связано с поступлением склонового материала. В небольших системах для Ni и Сг различия между осадками разного генезиса составляют несколько сотен, а для Sr, Ва, Zn, Rb, V, К, Са, СО2, Mg — десятки — сот-mi раз.

С увеличением площади водосборных бассейнов происходит усреднение химического состава потоков твердого вещества в русле реки. В бассейнах крупных притоков р. Гвадалорс относительно высокие показатели дифференциации сохраняются для Mg, Са, Na, Cr, Ni, а также Zn и Sr. По средним содержаниям этих и некоторых других элементов выявлены значительные отличия между системами, расположенными в разных структурно-тектонических областях — Внешней и Внутренней — Кордильеры-Бетика.

Дифференциация элементов по гранулометрическим типам осадков во всех крупных подсистемах бассейна р. Гвадалорс контролируется литологиче-ским фактором. В бассейнах Внешней зоны велика роль песчаных частиц в переносе карбонатов кальция и Sr, в бассейнах Внутренней зоны возрастает роль песчаного материала в миграции Na, Ni, Si. В бассейнах с выходами ультраосновных пород — Сг и Mg.

2. Разработана геохимическая классификации речного бассейна на основе выделения геохимических комплексов пород КЛГС, анализа их площадного распространения и сочетания на территории отдельных водосборов.

Выделено 3 группы (с монолитным, дифференцированным и гетеролитным субстратом), и несколько геохимических типов бассейнов и проведено их картографирование.

Территориальное распределение групп бассейнов указывает на их связь с порядком реки, типов — с положением в разных структурно-тектонических областях региона.

3. Для литогеохимических потоков КЛГС установлены четыре геохимических парагенезиса: карбонатно-кальциевый, магнезиальный, алюмосиликатный и кварцевый. Первые три парагенезиса отражают состав склоновых потоков вещества, образующихся при разрушении разных комплексов пород в водосборной области, последний — процессы речного транспорта.

4. Разработана классификация русловых литогеохимических потоков, основанная на парагенетическом анализе типоморфных элементов. Проведено картографирование водосборов системы по составу русловых литогеохимических потоков.

Относительное содержание комплексов элементов, связанных с карбонат-но-кальциевым, магнезиальным и алюмосиликатным нарагенезисами, позволили выделить простые и сложные потоки на территории бассейна, различного химического состава.

Для бассейна Гвадалорс характерны сложные, двух и трехкомпонентные потоки, в которых доминирует алюмосиликатный и карбонатно-кальциевый парагенезисы. В руслах высокого порядка их образование вызвано процессами смешения миграционных потоков от разных источников.

В связи с увеличением дальности переноса и усилением влияния отложений речных террас на формирование русловых литопотоков роль кварцевого парагенезиса в гетеролитных бассейнах резко возрастает, начиная с систем 4 порядка.

Полученные результаты могут быть использованы при проведении поисковых, мониторинговых и эколого-геохимических исследований в гетеролитных бассейнах горных рек и для разработки программ по их управлению.