Короткие керны помогают выявить следы загрязнения Пясино

Исследование озера Пясино началось в рамках Большой Норильской экспедиции, организованной после разлива дизельного топлива в 2020 году, и продолжается сегодня. На новом этапе ученые Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН используют короткие керны — небольшие колонки верхних слоев донного ила, которые наглядно отражают историю и масштабы современного загрязнения водоема. Такой метод позволяет исследовать самые верхние интервалы донных отложений без нарушения их структуры, так как обычно при разгрузке длинных кернов бурения из пробоотборника нарушается верхний, обводненный и менее консолидированный слой донных отложений. Статья об исследовании опубликована в международном журнале Journal of Great Lakes Research.

Старший научный сотрудник лаборатории геохимии радиоактивных элементов и экогеохимии ИГМ СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Антон Евгеньевич Мальцев: «Важно оценивать всё в комплексе, потому что Норильская провинция сама по себе богата металлами: там находится крупное месторождение медно-никелевых руд. Мы брали короткие керны длиной до 40-50 сантиметров, чтобы исследовать верхние интервалы осадков, сохранившие в себе следы антропогенной нагрузки XX-XXI веков. Дополнительно отбирали и длинные керны до четырех метров. По ним можно изучить историю развития озер за последние 10 тысяч лет и фоновое содержание микроэлементов для региона».

Для отбора проб использовали оборудование, разработанное в институте: модифицированный пробоотборник Ливингстона и надувной понтон грузоподъемностью около пяти тонн с буровой вышкой. «Мы способны работать в любое время года. Установка мобильная: ее доставляют на озеро моторной лодкой, поэтому бурить можно практически в любой точке. Полученный керн помещают в герметичный пенал. На месте измеряют основные физико-химические параметры — pH и Eh, то есть степень кислотности или щелочности среды и окислительно-восстановительный потенциал. Затем керн герметично упаковывают и везут в лабораторию. Там его вынимают из трубы, разрезают вдоль и послойно отбирают образцы для разных анализов. После этого образцы высушивают», — дополняет ученый.

Верхний слой оказался особенно важным для исследования, но одновременно самым сложным для отбора. Самые верхние десять сантиметров осадка сильно обводнены. Из-за этого при извлечении из пробоотборника легко могут нарушиться их естественная структура и стратиграфическая последовательность слоев, то есть порядок залегания во времени. Поэтому для точных анализов, например на содержание тяжелых металлов: меди, никеля, цинка, — этот слой берут отдельно в короткие пластиковые трубки со специальными поршнями. Сразу после подъема трубы, сохраняя ее строго вертикальное положение, просверливаются отверстия чуть выше уровня ила, и аккуратно сливается озерная вода, чтобы не взмутить осадок. В таком же строго вертикальном положении, чтобы водонасыщенный ил не перемешался, керны транспортируются в лабораторию в Новосибирск.

Отдельно анализируют поровую воду — высокоминерализованный раствор, который пронизывает донные отложения, активно взаимодействует с твердыми частицами осадка и аккумулирует ионы, биогенные элементы, в том числе и тяжелые металлы. Ее извлекают уже в лаборатории из каждого десятисантиметрового фрагмента по всему разрезу керна — то есть на всю вскрытую мощность донных отложений. Для этого используют гидравлический пресс: вода выдавливается сразу в шприцы, что позволяет полностью исключить ее контакт с атмосферным кислородом.

Для более детального анализа геологи обратились к коллегам из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и применили рентгенофлуоресцентный анализ с использованием синхротронного излучения, который позволяет очень точно определить содержание химических элементов в осадках. Высушенные фрагменты керна специалисты сканировали с шагом два миллиметра, чтобы увидеть, как меняется концентрация микроэлементов в донных отложениях с глубиной. Отдельно с помощью электронного микроскопа изучался состав частиц осадка размерностью 5-10 микрометров. В верхнем слое почвы (10 см) обнаружили оксиды и сульфиды железа с примесью кобальта и меди. Также там нашли единичные частицы соединений меди и цинка, которые появились здесь из-за деятельности человека.

Результаты исследований подтвердили наличие загрязнения, однако выделить в донных отложениях озера Пясино четкий химический след именно аварийного разлива 2020 года невозможно. Загрязнение водоема формировалось десятилетиями: верхний десятисантиметровый слой осадков охватывает примерно последнее столетие — период активного промышленного освоения региона, начавшегося еще в 1930-1940-х годах. В этом интервале ученые обнаружили аномально высокие концентрации меди, никеля и кобальта, причем наиболее высокие значения зафиксированы в южной части озера, расположенной ближе всего к источникам техногенного воздействия.

Антон Мальцев: «Основы изучения поровых вод донных отложений в этом регионе заложил в 1990-х годах доктор геолого-минералогических наук Юрий Николаевич Гурский (Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН). Наши повторные исследования подтвердили его выводы: концентрации металлов в поровых растворах не снижаются, а в ряде точек озера Пясино превышают показатели тридцатилетней давности. Анализ биогенных компонентов (нитратов, нитритов) и растворенного органического углерода также указывает на сохраняющуюся высокую техногенную нагрузку».

Даже после полного прекращения индустриальных выбросов донные отложения озера Пясино еще долго будут оставаться источником вторичного загрязнения. Из-за химических процессов в свежем осадке накопленные медь, никель и цинк постоянно переходят из твердой фазы ила в поровую воду. Затем за счет диффузии (перемещения из зоны высокой концентрации в зону низкой) эти вещества выделяются обратно в озерную воду. Кроме того, на мелководье волновой размыв и течения взмучивают верхний загрязненный слой. Из южной части озера эти элементы мигрируют на север и потенциально могут выноситься рекой Пясиной вплоть до Карского моря. Из-за низкой скорости седиментации (оседания частиц на дно) и сурового климата Арктики процесс самоочищения озера затянется на десятилетия и даже сотни лет, а для точной оценки объемов этого переноса необходим регулярный мониторинг на разных участках водной системы.

«В наших планах — продолжение работы совместно с микробиологами. Мы хотим изучить микробные сообщества по всей толще керна с помощью молекулярно-генетического анализа (секвенирования гена 16S рРНК). Нас интересуют как древние микроорганизмы в осадках позднего плейстоцена и голоцена возрастом 10-15 тысяч лет, так и современные бактерии. Главная цель — оценить их роль в геохимических процессах трансформации азота и потенциал участия в природном самоочищении донных отложений от тяжелых металлов», — комментирует Антон Мальцев.

Автор: Ирина Баранова

Информация и фото предоставлены Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН

Источник фото: Антон Мальцев