Гранулометрический состав донных отложений городской части

З. И. Слуковский, Д. С. Рыбаков, Т. П. Бубнова
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
ГОРОДСКОЙ ЧАСТИ МАЛОЙ РЕКИ НЕГЛИНКИ (ПЕТРОЗАВОДСК)
Введение
Результатом непрерывной деятельности постоянных водотоков является образование донных наносов и отложений. Русловые осадки равнинных рек
состоят преимущественно из песчаных частиц, реже –
из алевритовых и глинистых прослоек (Аполлов,
1963). Особенность молодых рек Карелии, образовавшихся вследствие действия ледника (10–15 тыс.
лет назад), выражается не только в отсутствии широких долин с поймами и террасами, ступенчатом характере профиля, но и в распространении наряду с
алеврито-песчаными осадками валунно-галечных отложений (Чернов, 1999; Каталог…, 2001).
При исследовании донных наносов и отложений в
первую очередь они подвергаются механическому
(или гранулометрическому) анализу, под которым
следует понимать комплекс мер, направленных на
установление в них количественного содержания
частиц различного размера. Данные о содержании
той или иной фракции дают представление о генезисе, физико-механических и химических свойствах,
инженерно-геологических и геохимических особенностях и минеральном составе отложений (Рухин,
1969; Коваль, Войцеховский, 2001). Кроме того, при
эколого-геологическом изучении донных осадков
важно иметь в виду, что от механического состава
аллювия зависит его способность накапливать различные поллютанты – тяжелые металлы, радиоактивные элементы, углеводороды и т. д. (Янин, 2009;
Лукьянов и др., 2011). Е. П. Янин (ГЕОХИ РАН,
Москва) даже выделяет особый вид донных отложений – техногенные илы, образующиеся исключительно в водных объектах промышленно-урбанизированных территорий.
Объект и методы исследований
Река Неглинка – малая река длиной 14 км (по данным справочника «Ресурсы поверхностных вод
СССР» (1965)) или 13,79 км (по данным Каталога
озер и рек Карелии (2001)). Примерно 8 км в своей
нижней части она протекает по территории города
Петрозаводска. Водоток берет свое начало из болот
168
за пределами города и впадет в Петрозаводскую губу
Онежского озера. Площадь водосбора реки Неглинки
равна 46,1 км2.
Неглинка имеет самую высокую (10 м/км) величину падения среди всех водотоков карельского региона (Каталог…, 2001). На протяжении всего течения река характеризуется наличием множества поворотов и изгибов русла. Коэффициент извилистости
городской части водотока, рассчитанный при помощи средств программы Google Earth как отношение
длины реки к длине прямой от истока до устья, равен
1,67.
Полевые исследования проведены в июне 2011 г.
в послепаводковый период. Ширина реки в это время
года достигает 3–5 м. Отобрано 52 пробы из верхнего слоя (до 10 см глубиной) русловых отложений
городской части реки Неглинки через 150–300 м
(рис. 1). Глубина водотока в точках наблюдения колеблется от 0 до 0,5 м. На пересохших участках реки
пробы отбирались при помощи специальной лопатки
из нержавеющей стали, а из-под слоя воды – с применением дночерпателя системы Экмана-Берджи
(площадь захвата 225 см2).
После просушки собранного материала до воздушно-сухого состояния при помощи стандартного
сита с размером ячеек 2 мм из каждого образца была
удалена часть фракций, стоящих (по классификации
Л. Б. Рухина) выше границы галечно-гравийных пород с песками (табл. 1). Поэтому дальнейшим гранулометрическим исследованиям были подвергнуты
усредненные части проб с размером зерен, соответствующим лишь песчаной, алевритовой и глинистой
фракциям.
Таблица 1
Классификация осадочных пород (по: Рухин, 1969)
Порода
Глыбы
Валуны, камни
Галька, щебень
Гравий, дресва, хрящ
Песок
Алеврит
Глина
Размер зерен, мм
>1000
1000–200
200–10
10–2
2–0,05
0,05–0,005
<0,005
Рис. 1. Карта-схема отбора проб донных отложений р. Неглинки для гранулометрических исследований (июнь 2011 г.)
В данной работе при определении механического
состава отложений выбор был сделан в пользу лазерного метода, который в отличие от классических
способов гранулометрического анализа (ситовой, пипеточный, ареометрический и др.) менее трудоемок
и заметно ускоряет получение необходимых результатов (Здобин, Семенова, 2011; Di Stefano et al.,
2010). В качестве базового прибора для определения
распределения частиц образцов проб по размерам использовался многофункциональный анализатор частиц серии LS13 320 (фирмы Beckman Coulter, США).
Исследования проводились в лаборатории геологии,
технологии и экономики минерального сырья Института геологии КарНЦ РАН.
Определения выполнялись методом лазерной дифрактометрии в воде на основе использования физического принципа рассеяния электромагнитных волн различной длины. Это позволяло анализировать частицы
размером от 0,04 до 2000 мкм (т. е. от коллоидных глинистых до грубозернистых песчаных частиц осадка) в
соответствии со стандартом ISO 13320-1. Чтобы исключить погрешности измерений из-за процесса коагуляции (слипания мелких зерен), все образцы были дополнительно обработаны ультразвуковыми волнами.
Обработка аналитических данных и их графическая иллюстрация осуществлялись при помощи программ Microsoft Excel 2007 и OriginPro 8.5.1.
Результаты исследований и их обсуждение
Проведенные исследования показали, что для
большинства проб характерно преобладание песчаных фракций (рис. 2), а именно – фракций с размером зерен от 0,1 до 0,25 мм и от 0,25 до 0,5 мм. Суммарно средне- и мелкозернистая фракции составляют
в среднем 58% массы пробы. Тонкозернистые песчаные (0,1–0,05 мм), алевритовые и глинистые частицы
вместе в среднем не превышают четверти от общей
массы всех исследованных образцов донных отложений реки Неглинки.
Рис. 2. Среднее содержание глинистых, алевритовых и
песчаных фракций донных отложений городской части
р. Неглинки (Петрозаводск, n = 52)
Согласно классификации смешанных пород (Рухин, 1969), 20 из 52 изученных образцов следует отнести к алевритовым пескам, так как содержание в
этих пробах песчаных частиц колеблется от 82 до
95%, а алевритовых – от 5 до 18%. Остальные образцы донных отложений относятся к «чистым» пескам.
На треугольной диаграмме (рис. 3) показано распределение образцов проб донных отложений относительно соотношения в них песчаных частиц разного размера. Всего в 4 образцах (нижний правый угол) преобладают грубо- и крупнозернистые частицы, т. е. в этих
осадках их ≥60%. В 21 пробе (нижний левый угол) доминируют тонко- и мелкозернистая песчаные фракции.
Оставшиеся 27 образцов (центр треугольника) можно
отнести к разряду разнозернистого песка.
169
Рис. 3. Треугольная диаграмма соотношения песчаных
частиц разного размера в донных отложениях городской части р. Неглинки
Для графического представления гранулометрического состава отдельных образцов построены кумулятивные (или нарастающие либо суммарные)
кривые. Для их построения на основе данных о процентном содержании фракций были определены нарастающие проценты, т. е. к каждому следующему
значению прибавлялась сумма предыдущих. По значениям конечных размеров фракций (нижних границ
фракций) были вычислены их десятичные логарифмы. Использовалась опубликованная методика (Коваль, Войцеховский, 2001). На рис. 4 по оси абсцисс
отложены логарифмы конечных значений размеров
фракций, а по оси ординат – значения нарастающих
процентов. Для выявления общих закономерностей и
различия между ними кривые лучше группировать в
одном графическом поле.
Рис. 4. Кумулятивные кривые образцов проб донных отложений р. Неглинки
Перпендикулярными оси абсцисс пунктирными
линиями на графиках выделены участки наиболее
крутых изгибов кумулятивных кривых. В большинстве случаев они приходятся на средне- и мелкозернистые песчаные фракции (0,1–0,5 мм) изучаемых
пород, что соответствует диаграммам, представленным выше (рис. 2 и 3). По крутизне наклона относительно оси x можно судить о сортировке осадочного
материала. Чем график проще, тем лучше сортирован материал, и наоборот: чем отчетливей крутизна
кривых и чем больше на ней изгибов, тем сортиров170
ка отложений хуже (Коваль, Войцеховский, 2001).
При помощи графиков кумулятивных кривых, по
методу квартилей, предложенному П. Д. Траском
(Trask, 1932), рассчитан коэффициент сортировки
(So). Под квартилями в данном случае понимаются
значения логарифмов конечных размеров фракций,
соответствующих (исходя из графиков) значениям
ординат, отвечающим 25% (третья квартиль – Q3),
50% (вторая квартиль – Q2 или медиана Md) и 75%
(первая квартиль – Q1). Коэффициент сортировки в
таком случае рассчитывается по формуле:
.
Основные статистические параметры коэффициентов приводятся ниже (табл. 2).
Таблица 2
Описательная статистика коэффициента сортировки
донных отложений р. Неглинки
So
1,75
1,60
0,39
2,60
1,23
52
xср.
Me
S
xmax
xmin
n
П р и м е ч а н и е . xср. – среднее арифметическое значение, Me – медиана выборки, S – стандартное отклонение, xmax и xmin – максимальное и
минимальное значения коэффициента, n – объем выборки.
Исходя из формулы, коэффициент сортировки не
может быть <1, и чем он больше, тем хуже сортировка осадочного вещества (Коваль, Войцеховский,
2001). Среднее значение коэффициента, как видно из
табл. 2, равно 1,75, что в целом говорит о слабой сортировке донных отложений реки Неглинки. На графике распределения коэффициента сортировки по
всем образцам проб (рис. 5) видно, что процесс осадконакопления неравномерен на протяжении всей
длины городской части р. Неглинки. Это может объясняться различной скоростью течения на разных
участках реки и, как следствие, различной степенью
аккумуляции наиболее легких фракций осадка, различным уровнем эрозионных процессов, которые
служат накоплению более тяжелых фракций (Аполлов, 1963; Рухин, 1969).
Рис. 5. Распределение коэффициента сортировки (So) донных отложений р. Неглинки
Выводы
Таким образом, проведенные исследования образцов проб донных отложений малой городской
реки Неглинки выявили значительное преобладание
в них песчаной фракции. Глинисто-алевритовая
фракция в среднем по всем пробам составляет всего
около 6%. Исходя из классификации Л. Б. Рухина,
около трети из изученных образцов следует отнести
к тонко- и мелкозернистым пескам. Более половины
(52%) проб следует называть разнозернистыми песками. Вычисленные на основе графиков кумулятивных кривых коэффициенты сортировки осадочного
материала показали слабый уровень сортировки
донных отложений в большинстве исследованных
образцов. Проведенное изучение донных отложений дает информацию не только об осадконакоплении на дне городской реки, но и будет полезным
при дальнейших гидробиологических и геоэкологических исследованиях.
ЛИТЕРАТУРА
Аполлов Б. А. Учение о реках. М., 1963. 522 с.
Здобин Д. Ю., Семенова Л. К. О гранулометрическом
анализе глинистых грунтов: лазерные и классические методы // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология,
геокриология. 2011. № 6. С. 560–567.
Каталог озер и рек Карелии / Под ред. Н. Н. Филатова
и А. В. Литвиненко. Петрозаводск, 2001. 290 с.
Коваль С. А., Войцеховский Г. В. Компьютерная обработка результатов гранулометрического анализа и их генетическая интерпретация. Воронеж, 2001. 35 с.
171
Лукьянов С. А, Лебедев А. А., Шварцман Ю. Г. Гранулометрический состав донных отложений и его распределение в устьевой зоне р. Северной Двины // Вестник Северного (Арктического) федерального университета, сер.
Естественные науки. 2011. № 2. С. 12–19.
Ресурсы поверхностных вод СССР. Гидрологическая изученность. Т. 2. Карелия и Северо-запад. Л.,
1965. 700 с.
Рухин Л. Б. Основы литологии. Учение об осадочных
породах. Изд. 3-е. Л., 1969. 704 с.
Чернов А. В. Речные поймы – их происхождение, раз-
витие и оптимальное использование // Соровский образовательный журнал. 1999. № 2. С. 47–54.
Янин Е. П. Особенности гранулометрического состава
русловых отложений малой реки в зоне влияния промышленного города // Известия высших учебных заведений.
Геология и разведка. 2009. № 3. С. 69–74.
Di Stefano C., Ferro V., Mirabile S. Comparison between grainsize analyses using laser diffraction and sedimentation methods
// Biosystems Engineering. 2010. Vol. 106, N 2. P. 205–215.
Trask P. D. Origin and environment of source sediment of
petroleum. Houston, 1932. 281 p.