Литологический состав донных осадков в барьерной зоне "река - водохранилище" (на примере Братского водохранилища)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Литологический состав донных осадков в барьерной зоне «река - водохранилище» (на примере Братского водохранилища)

Г.А. Карнаухова

Аннотация

литологический водохранилище река осадкообразующий

Рассмотрен литологический состав донных осадков в специфической барьерной зоне «река - водохранилище», сформировавшейся в условиях прерванной каскадности ангарских водохранилищ. Проанализированы источники поступления осадкообразующего материала в барьерную зону и ее гидрологический режим. Выделены основные типы донных отложений, приведены данные по их гранулометрическому и минеральному составам.

Ключевые слова: водохранилища, барьерная зона, донные осадки, литологический состав.

Annotation

Lithological Composition of the Bottom Sediment in the Barrier Zone «River - Reservoir» (the Example of Bratsk Reservoir)

A. Karnaukhova

In this article the lithological composition of bottom sediments in a specific area of the barrier “river - reservoir”, formed under conditions of interrupted Angara cascade reservoirs. Analyzed the sources of precipitation-forming material in the barrier zone and its hydrological regime. The main types of sediment, contains data on their grain size and mineral composition.

Keywords: reservoir, barrier zone, bottom sediments, lithological composition.

Постановка проблемы

В пределах природных водоемов есть специфические зоны, где идут основные процессы переформирования состава воды, взвесей и донных отложений. Эти зоны являются областями с наиболее высокой концентрацией осадочного материала и называются глобальными уровнями седиментации, маргинальными фильтрами [11; 12] или барьерными зонами [3; 4]. Такие зоны становятся ловушками осадочного материала, наблюдается сверхбыстрый вертикальный поток этого материала и его усиленная аккумуляция. В то же время существует особый, еще слабо исследованный, тип барьерных зон, возникновение которых связано с зарегулированием естественного стока рек и созданием водохранилищ. В результате происходит изменение природных закономерностей - гидрологического режима и русловых процессов реки, условий седиментации наносов.

Искусственные водоемы, созданные на р. Ангаре между Иркутским и Братским водохранилищами, имеют прерванную каскадность, т. е. от плотины Иркутской ГЭС р. Ангара протяженностью 98 км является незарегулированным участком. И только ниже река попадает в зону регулирования Братского водохранилища. Верхняя часть зоны регулирования водохранилища включает область переменного подпора и область постоянного подпора, где и формируется барьерная зона «река - водохранилище» (рис. 1). Протяженность данной зоны более 90 км, площадь - 135 км² [7; 8]. Эта барьерная зона является областью, переходной от реки к водохранилищу, в которой гидрологический режим сохраняет черты, присущие реке, и в то же время приобретает новые, характерные для водохранилища. Занимая всего около 2 % от площади ангарских водохранилищ, барьерная зона «река - водохранилище» перехватывает 64 % твердого речного стока р. Ангары и ее верхних притоков [10]. Активно идет процесс накопления в донных осадках большей части терригенного и органического вещества, поступающего в составе речного стока. Происходит образование комплекса донных осадков, литологический состав которых определяют как внешние, так и внутренние условия.

Рис. 1 Карта-схема ангарских водохранилищ

В квадрате - местоположение барьерной зоны «река - водохранилище»

Для изучения особенностей становления литологического состава нами были поставлены следующие задачи: определить источники питания барьерной зоны осадочным материалом, проанализировать обстановки накопления осадочного материала в барьерной зоне; установить количественные показатели гранулометрического и минералогического состава донных отложений.

Методы и объект исследования

Исследование литологического состава донных отложений проводилось на основе материалов, полученных автором при многолетних экспедиционных и лабораторно-аналитических работах. В пределах барьерной зоны «река - водохранилище» экспедиционные работы включали профильный отбор образцов пород, слагающих береговые уступы, отбор образцов донных отложений с борта научно-исследовательского судна грунтоотборной трубкой ПИ-27-11 по профилям через 50, реже 100 м. Профильный отбор образцов донных отложений дополнялся отбором проб воды батометром Молчанова и измерением скоростей течения вертушкой ВММ. С использованием оборудования Аналитического центра Института земной коры СО РАН и Байкальского аналитического центра коллективного пользования СО РАН в лабораторных условиях выполнялось определение гранулометрического состава донных осадков ситовым, Сабанина, пипеточным и комбинированным методами. Определение минералогического состава образцов состояло в просмотре под микроскопом частиц алевритовой размерности осадков после их отмучивания и обработки иммерсионными препаратами с последующим делением на фракции. Для достоверности в каждом образце исследовались более 300 зерен. При расчетах распределения минералов в тяжелой и легкой фракциях их содержание для каждой фракции принималось за 100 %. Определение глинистых минералов в образцах донных отложений выполнено количественным рентгенофазовым анализом на дифрактометре ДРОН-3.0, излучение - Си Ка, N1 - фильтр. Напряжение - 25 кВ, ток на трубке - 20 мА. При изучении химического состава донных отложений использовались как химические, так и инструментальные методы (рентгенофлуоресцентный, эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный). Определялись основной химический состав, главные ионы, биогенные элементы, суммарное органическое вещество и органический углерод, микроэлементы. Поступление материала в составе твердого речного стока определено нами отдельно для взвешенных и влекомых наносов. Для взвешенных наносов были использованы данные выполненных нами измерений их расходов. Сток влекомых наносов определялся с помощью расчетных зависимостей, предложенных Г. И. Шамовым [17], которые дают хорошую сходимость с натурными материалами.

Результаты исследования

Источники поступления осадкообразующего материала. Осадконакопление в барьерной зоне происходит за счет материала, приносимого Ангарой и ее притоками - реками Иркутом, Китоем и Белой. Верхние части бассейнов Иркута, Китоя, Белой, берущих начало в горах Восточного Саяна, сложены породами архея. Архейские породы, надвинутые на юру, слагают и исток р. Ангары. Породы архея представлены метаморфическим комплексом, в котором наиболее распространены гнейсы, кристаллические сланцы, кварциты, амфиболиты, мигматиты, мраморы. Породы палеозоя в бассейне рек Иркута, Китоя и Белой представлены интрузивными образованиями, включая гранитоиды и сиениты [2; 14-16; 18]. Основная же часть водосборного бассейна рек находится в пределах южной части Сибирской платформы, чехол которой здесь составляют породы кембрийской, юрской и кайнозойской систем. Кембрийские отложения представлены в основном пестроцветными толщами песчаников, аргиллитов и известняков, крайне нестойких к процессам физического выветривания. Значительная часть кембрийских отложений представлена аргиллитами. Основной фон разреза отложений кембрия составляют слабо доломитизированные известняки, которые, в отличие от аргиллитов, значительно менее карбонатны, но в известняках выше содержание слюд. В состав цементирующей массы известняков, как и аргиллитов, входит гидроокись железа. Мезозойские отложения выполнены юрскими сероцветными песчаниками, составляющими 55-75 % всего разреза юрских отложений [1; 13]. Рыхлый покров кайнозоя состоит из четвертичных аллювиальных и делювиальных отложений, из которых наиболее представительны имеющие прерывистый характер распространения аллювиальные отложения. Преобладают пески, супеси и суглинки русел, пойм, островов и террасовых комплексов [8].

Среднегодовая величина поступления осадкообразующего материала в барьерную зону Ангары составляет более 1,8 млн т, из которых около 77 % приносится во взвешенном состоянии и 23 % - волочением. Основной вклад (72 %) в питание барьерной зоны осадочным материалом вносит р. Ангара, притоки же ежегодно поставляют около 0,5 млн т [9]. Характерным для Ангары является дефицит руслообразующих (влекомых) наносов, обусловленный питанием реки из оз. Байкал и наличием устойчивого к размыву галечного дна. Однако наличие гидроэнергетических объектов, сооружение карьеров в русле реки с перекрытием пойменных проток и разработка островов при добыче нерудных строительных материалов приводят к русловым деформациям Ангары, что способствует формированию потока влекомого песчано-галечного материала, который частично поступает в верхнюю часть барьерной зоны, и потока взвешенных частиц [10].

Наибольший вынос взвешенных наносов реками наблюдается с июня по август, составляя от 81,5 до 91,1 % их годового поступления, зимний сток незначителен. В связи с зарегулированностью водного стока р. Ангары вышерасположенным Иркутским водохранилищем сток взвешенных наносов реки более равномерен, чем на других рассматриваемых реках. И все же в теплое время года сток наносов р. Ангары составляет более половины (54,964,2 %) годового. Самый высокий среднемесячный расход взвешенных наносов бывает в июле и составляет в среднем 25 % годового [10].

Гидрологические условия и седиментация. В барьерной зоне терригенный материал попадает в условия пониженных скоростей потока, в которых способность потока его транспортировать резко сокращается. В соответствии с изменением скоростей движения потока происходит осаждение поступившего материала и формирование различных литологических типов донных отложений. Каждый тип осадка занимает определенный участок на дне с наиболее благоприятными для его осаждения гидродинамическими условиями. Гидродинамический режим лимитирует критическую скорость, необходимую для срыва частиц различного гранулометрического состава. По мере убывания скоростей течения вниз по области переменного подпора происходит накопление на дне терригенного материала с уменьшением его крупности, т. е. происходит сортировка по размеру частиц.

Скорость водного потока в русле р. Ангары перед барьерной зоной изменяется от 2,5 до 1,4 м/с. В верхней части барьерной зоны, от г. УсольяСибирского до с. Кулаково, скорость течения снижается с 0,9 до 0,6 м/с. Такие скорости течения приводят к остановке потока влекомых частиц и их аккумуляции в виде гряд, состоящих из мелкой гальки, гравия, крупнозернистого песка. Гряды расположены группами, имеют небольшую протяженность и почти симметричный продольный профиль. Продолжительность существования гряд зависит от величины сработки водохранилища. Размеры гряд гораздо меньше речных, что объясняется кратковременностью их формирования.

Устойчивая седиментация уже более тонкозернистого материала происходит при скорости водного потока менее 0,52 м/с. Так, между участками Кулаково и Буреть фиксируется аккумуляция мелкозернистого песчаного материала, переносимого как в составе влекомых, так и взвешенных наносов. Ориентировочно скорость накопления песка составляет 1,86 см/год [6]. Пески осаждаются сплошным покровом, в котором присутствуют пятна и линзы крупных алевритов и мелкоалевритовых илов мощностью от 1-2 мм.

Ниже участка Буреть находится самый протяженный отрезок барьерной зоны, где основной формой перемещения осадочного материала становится взвесь. И при скорости течения меньше 0,29 м/с происходит устойчивая седиментация частиц крупностью 0,05-0,01 мм. Дальнейшее снижение скорости водного потока до 0,22-0,27 м/с приводит к перемещению в придонном горизонте воды тонкозернистого материала и его активной седиментации. Большая часть материала, поступающего в барьерную зону, осаждается между участками Свирск и Каменка, где поток осадочного материала на дно достигает 93 г-м"²/сутки^-1, мощность донных отложений составляет 50 см и более. В нижней части барьерной зоны происходит снижение величины потока до 11 г-м"²/сутки^-1 и, соответственно, мощности донных отложений уменьшаются до 4-20 см на участке Казачье и до 3-18 см на участке Середкино [7].

Рис. 2 Продольный разрез донных отложений по судовому ходу барьерной зоны «река - водохранилище»

Условные обозначения: 1 - речной аллювий (песок с гравием, галькой); 2 - затопленная почва; 3 - песок; 4 - крупный алеврит; 5 - мелкоалевритовый ил; 6 - алевритово-глинистый ил.

Участки наблюдений: I - 110-й километр; II - Кулаково; III - Буреть; IV - 125-й километр; V - 130-й километр; VI - 135-й километр; VII - Свирск; VIII - Каменка; IX - Казачье; X - Середкино (отсчет километров начинается от плотины Иркутской ГЭС)

Состав донных отложений. Основными структурными типами донных отложений в барьерной зоне являются галька, песок, крупные алевриты, мелкоалевритовые и алевритово-глинистые илы.

Как было сказано выше, в верхней части барьерной зоны до участка Кулаково дно сложено мелкой галькой, гравием, крупнозернистым песком. Исходя из гидравлических параметров руслообразующих наносов р. Ангары, из которых и формируются потоки волочения, средний размер галек может быть 10-15 мм, а максимальный - не более 50 мм.

Ниже Кулаково на речном аллювии гравийно-галечного состава слоем в 6-7 см залегают темно-серые тонкозернистые пески (рис. 2). В песках фракция крупнее 0,25 мм составляет 2,7-9,0 % при вкладе алевритовопелитовых частиц от 26,1 до 31,9 %о. Максимальное осаждение самых крупных зерен песка фиксируется в осевой и прибрежной частях на участке Буреть, где содержание тонкодисперсных частиц не превышает 19,0 %. Песчаный материал неплохо сортирован, коэффициент сортированности равен 1,41. Хорошая сортированность отложений связана с длительным их нахождением в турбулентном режиме водного потока. Содержание минералов в легкой фракции доходит до 97,2 %. Основным минералом является кварц, в почти одинаковых количествах присутствуют полевой шпат и слюды [10]. Между Буретью и 130-м километром осадки песчаного состава отсутствуют. При резком изгибе потока и смене его направления с западного на северное на участке 130-й километр происходит массовый переход в осадки осевой части барьерной зоны фракций 0,25-0,05 мм и < 0,05-0,01 мм, перемещающихся до этого в придонном горизонте.

Крупные алевриты создают значительный покров между участками Буреть и 125-й километр, тяготея в большей степени к левобережью. В нижней части барьерной зоны этот тип осадков перекрыт, как правило, мелкоалевритовыми илами. И только по-прежнему по левобережью на участке Свирск на пойменной иловой фации отложился 15-сантиметровый слой крупного алеврита. В крупных алевритах присутствует значительное количество (46,8-52,1 %) частиц размером 0,25-0,05 мм. Содержание частиц фракции < 0,05-0,01 мм может колебаться в пределах 35,3-40,8 % (табл.).

Таблица