Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Астраханцева О.Ю. 1 Белозерцева И.А. 2 Палкин О.Ю. 3

---

1 ФГБУН «Институт геохимии им. А.П. Виноградова» СО РАН

2 ФГБУН «Институт географии им. В.Б. Сочавы» СО РАН

3 Байкальский государственный университет экономики и права

В работе дана характеристика физико-химического состояния вещества вод оз. Байкал в ракурсе внутренне-структурного аспекта его организации и характер движения его компонентов. Установлено, что химическое взаимодействие компонентов вещества вод оз. Байкал и компонентов вещества потоков окружающей среды иерархично. Вещество каждого резервуара (Южного, Селенгинского, Среднего, Ушканьеостровского, Северного) может рассматриваться как система, обладающая целостностью в отношении своих функций и определяемая в своих границах по физико-химическим параметрам.

Статья в формате PDF

1109 KB

мегасистема

оз. Байкал

химическое взаимодействие

потоки

1. Астраханцева О.Ю. Создание физико-химической модели «Мегасистема “Оз. Байкал”». Выделение полуавтономных подсистем в озере Байкал // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. – 2003, №7. – С. 124-129.

2. Астраханцева О.Ю. Расчет морфометрических характеристик сложной системы «Озеро Байкал» // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2007, № 4 (32). – С.42-49.

3. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Выделение полуавтономных систем в озере Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2010, № 4 (44). – C. 27-37.

4. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Южного резервуара оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2011, № 8 (55). – C. 16 – 28.

5. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В. Равновесные физико-химические модели прибрежных вод резервуаров оз. Байкал // Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России. Материалы 4-й Всеросс. конф. молодых ученых (Владивосток. 27 августа – 5 сентября 2012 г.) – Владивосток: Дальнаука. – 2012. – С. 249-258.

6. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В. Равновесные физико-химические модели поверхностных вод резервуаров оз. Байкал // Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии. Труды Всеросс. науч. конф. с международ. участием, посвящ. 5-летнему юбилею Ин-та вод. и экол.х проблем СО РАН (Барнаул, 20 – 24 августа 2012 г.). Т.2 – Барнаул, Институт водных и экологических проблем СО РАН. – 2012а. – С. 25-31.

7. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Селенгинского резервуара оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2012b, № 1 (60). – C. 20 – 32.

8. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Среднего резервуара оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2012 с. – № 3 (62). – C. 28 – 42.

9. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Ушканьеостровского резервуара оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2012d, № 5 (64). – C. 36 – 50.

10. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В., Глазунов О.М. Химический баланс Северного резервуара оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2013, № 3 (74). – C. 35 – 47.

11. Астраханцева О.Ю., Чудненко К.В. Расчет форм существования компонентов и характера геохимической среды (Eh, pH, минерализация) в подсистемах – глубинных водах резервуаров оз. Байкал через внутренние физико-химические параметры, равновесные с параметрами окружающей среды // Гелиогеофизические исследования. – 2014, №9 (9). – С.30-34.

12. Астраханцева О.Ю., Филиппова Л.А. Исследование вклада потоков (из донных отложений и в донные отложения) в химические балансы Южного, Селенгинского, Среднего, Ушканьеостровского и Северного резервуаров оз. Байкал // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2014, №10 (93). – С. 68-79.

13. Богданов Ю.А., Купцов В.М., Шевченко В.П. и др. Современные потоки химических элементов из водной толщи в донные осадки озера Байкал // Доклады РАН. – 1997. Т. 352, № 1. – С. 100-104.

14. Ветров В.А., Кузнецова А.И. Химический состав донных отложений озера Байкал: современное состояние и мониторинг // География и природные ресурсы. – 1992, – № 3. – С. 93-102.

15. Ветров В.А., Кузнецова А.И. Микроэлементы в природных средах региона озера Байкал. – Новосибирск: СО РАН НИЦ ОИ ГГМ, 1997. – 236 с.

16. Вильямс Д.Ф., Лин Чин, Карабанов Е.Б., Гвоздков А.Н. Геохимические индикаторы продуктивности и источники органического вещества в поверхностных осадках оз. Байкал // Геология и геофизика. – 1993. – Т. 34, № 10-11. – С. 136-173.

17. Вологина Е.Г., Штурм М., Воробьева С.С. и др. Особенности осадконакопления в озере Байкал в голоцене // Геология и геофизика. – 2003. Т. 44, № 5. – С. 407-421.

18. Вотинцев К.К. Гидрохимия оз. Байкал. – М.: Изд-во АН СССР, 1961. – 311 с.

19. Вотинцев К.К. К вопросу о современном осадконакоплении в Байкале // Доклады АН СССР. -1967. – Т. 174, № 2. – С. 419-422.

20. Вотинцев К.К. Гидрохимия // Проблемы Байкала. Новосибирск: Наука, 1978. – С. 124-145.

21. Выхристюк Л.А. Органическое вещество донных осадков Байкала. – Новосибирск: Наука, 1980. – 80 с.

22. Галазий Г.И., Тарасова Е.Н. О фоновом содержании сульфатов в водах Байкала // География и природные ресурсы. – 1993. – № 3. – С. 71-76.

23. Гвоздков А.Н. Геохимия современных донных осадков оз. Байкал: дис…. канд. геол.-минерал. наук. – Иркутск: Институт геохимии, 1998. – 209 с.

24. Голдырев Г.С. Осадкообразование и четвертичная история котловины Байкала. Новосибирск: Наука, 1982. – 181 с.

25. Дмитриев Г.А., Колокольцева Э.М. Темпы и типы осадконакопления в оз. Байкал // Донные отложения. – М.: Наука, 1970.

26. Кожов М.М. Вертикальное распределение планктона и планктоноядных рыб оз. Байкал // Вопросы ихтиологии. Вып. 2. – 1954. – С. 7-20.

27. Кубо Р. Термодинамика. М., Мир, 1970. – 304 с.

28. Кузьмин М.И., Грачев М.А, Вильямс и др. Непрерывная летопись палеоклиматов последних пяти миллионов лет озера Байкал // Геология и геофизика. – 1998. – Т. 39(2). – С. 139-156.

29. Ландау Л.Д., Лифшиц E.М. Теоретическая физика. Теория поля. – Изд. 8-е, стереотипное. М.: Физматлит, 2001. Том II. – 534 с.

30. Ломоносов И.С., Пампура В.Д., Гапон А.Е. и др. Металлы в воде и донных отложениях Южного Байкала и его притоков // Мониторинг состояния озера Байкал. Л.: Гидрометеоиздат. – 1991. – С. 76-94.

31. Мизандронцев И.Б. Осадкообразование // Проблемы Байкала. Новосибирск: Наука.-1978. – С.33-46.

32. Мизандронцев И.Б. Процессы осадкообразования // Литодинамика и осадкообразование Северного Байкала. Новосибирск: Наука. – 1984.

33. Пампура В.Д., Кузьмин М.И., Гвоздков А.Н. и др. Геохимия современной седиментации оз. Байкал // Геология и геофизика. – 1993. – Т. 34, № 10-11. С. 52-67.

34. Тарасова Е.Н. Органическое вещество вод Южного Байкала. – Новосибирск: Наука, СO РАН, 1975. – 147 с.

35. Тарасова Е.Н., Мещерякова А.И. Современное состояние гидрохимического режима озера Байкал. – Новосибирск: Наука, 1992. – 142 с.

36. Тарасова Е.Н. Компоненты трофического статуса в водах оз. Байкал, Хубсугул и Телецкое // Сибирский экологический журнал. -1998. – № 5. – С. 383-390.

37. Edgington D.N., Klamp I.V., Robbins I.V. et al. Sedimentation rates residence times and radionuclide inventori in Lake Baikal from Сs-137 and Rb-210 in sediments cores // Nature. – 1991, Vol. 350.

Постановка проблемы. Вопрос глобального осмысления сценария отношений в системе «вещество вод оз. Байкал – вещество окружающей среды» является ключевым в выяснении структурной и организационной сущности этой системы. Свойства исследуемых природных объектов возникают и обнаруживаются через отношения этих объектов с окружающей средой. Вещество вод озера Байкал обменивается с окружающей средой веществом и энергией, в нем непрерывно протекают химические реакции, происходит поступление реагирующих веществ извне и отвод продуктов реакций. Вещество вод оз. Байкал испытывает химическое, тепловое и силовое (гравитационное) воздействия и изменение состояния вещества (движение материи), согласно частному случаю закона сохранения энергии – первому закону термодинамики – происходит вследствие получения из окружающей среды с безмассовыми и массовыми частицами: энергии-теплоты Q (с солнечной радиацией, климат), энергии-работы A (гравитационное воздействие) и энергии-массы Z (при химическом взаимодействии с веществом потоков окружающей среды) [27]:

rU = Q + A + Z, (1)

где rU – изменение внутренней энергии системы. Тепловое, гравитационное и химическое взаимодействия являются частными взаимодействиями, в сумме определяющими общее (термодинамическое) взаимодействие вещества вод озера с веществом окружающей среды. Необходимо учитывать роль всех частных взаимодействий вещества вод озера Байкал с веществом окружающей среды, составляющих общее (термодинамическое) взаимодействие, определяющее физико-химические параметры, энергетический баланс и энергетический потенциал вещества вод озера, а так же характер (целостность или локальность) геохимической среды озера, которая, в свою очередь, обуславливает реакцию вещества вод озера на поступившие с потоками окружающей среды компоненты. Согласно работе [26], проявления и влияние климата однородно по акватории озера Байкал, и не климат является причиной различия (неоднородности) теплового или энергетического обмена вещества вод озера и вещества окружающей среды, а другой фактор – геолого-структурный, т. е. резкая расчлененность дна озера, которая обуславливает резкое различие глубин и объемов вод озера по его акватории и, соответственно, неоднородность градиентов масс вещества вод озера и гидростатических давлений. Согласно закону всемирного тяготения, всякое тело притягивает любое другое тело с силой, пропорциональной массам этих тел:

F = Gm1m2/R2, (2),

где F – сила взаимного гравитационного притяжения между двумя телами с массами m1 и m2, разделенными расстоянием R, пропорциональная обеим массам и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. G – гравитационная постоянная, равная 6.67·10-11 м3·кг-1·с-2. Гравитационные силы неизменно вырастают при переходе к большим объектам (планеты, звезды) и гравитационное взаимодействие ощутимо на очень больших расстояниях, обладает, как говорят, дальнодействием [29]. Вещество планеты Земля и вещество вод оз. Байкал имеют огромные массы, и, следовательно, создают значительные гравитационные поля. Масса вещества вод оз. Байкал и масса вещества Земли вступают во взаимодействие своим веществом через частицы–переносчики – гравитоны, которые создают механическое взаимодействие – притяжения между веществом вод озера и веществом Земли, влияющее на состояние, т.е. на изменение внутреннего энергетического потенциала вещества вод озера и вещества Земли и соответственно на их эволюции. Гравитационное поле Земли оказывает влияние на состояние (физико-химические параметры) вещества вод (жидкий минерал H2O c растворенными и взвешенными химическими компонентами плюс живое вещество) оз. Байкал вследствие изменения потенциальной энергии молекул вещества (работы сжатия).

Разновеликое взаимодействие гравитационных полей вещества вод озера Байкал и вещества Земли по акватории озера из-за резкой расчлененности его дна является причиной, обуславливающей локализацию физико-химических состояний вещества вод озера Байкал в виде Южного, Селенгинского, Среднего, Ушканьеостровского, Северного резервуаров [1]. В масштабе исторического времени химическое взаимодействие компонентов вещества вод озера Байкал с компонентами вещества потоков природной составляющей окружающей среды – природная, стационарная мегасистема, состоящая из пяти резервуаров – пространственно локализованных объемов вещества вод озера, физико-химические параметры которых находятся в состоянии равновесия (равенства) с таковыми же параметрами окружающей среды, т.е. постоянны в масштабе исторического времени (периоде нескольких десятков лет), и открытых по отношению к веществу потоков окружающей среды. [3]. Модель структуры состояния вещества вод оз. Байкал, равновесного по физико-химическим параметрам с веществом окружающей среды, представляет собой различающиеся среднемноголетние состояния геохимических сред, содержащих макро-, микрокомпоненты, биогенные элементы и органическое вещество, в подсистемах (вещество прибрежных, поверхностных, глубинных, придонных вод) пяти резервуаров оз. Байкал, характеризуемые стабильными среднегодовыми параметрами: температурой, давлением, химическим составом, минерализацией и рассчитанными через эти параметры характеристиками кислотно-основных и окислительно-восстановительных состояний геохимических систем, формами существования элементов [5, 6, 11].

Наши исследования направлены на установление внешней (функциональной) иерархии вещества в системе “вещество вод оз. Байкал – вещество химических потоков окружающей среды”.

Цель данной работы – показать различие функциональных характеристик вещества вод Южного, Селенгинского, Среднего, Ушканьеостровского, Северного резервуаров озера Байкал в мегасистеме «вещество вод озера Байкал – вещество потоков окружающей среды».

Анализ отношений взаимодействия компонентов (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Al, Si, Mn2+, Feобщ , SO42-, HCO3-, Cl-, NO3-, PO43-, H+, O2, As, B, Cr, Cu, Cd, Hg, Pb, Sr, Zn, Co, U, V, Br, Rb, Mo, Cорг, Nорг, Pорг, Sорг, CO2, Ti) вещества вод резервуаров оз. Байкал и таковых же компонентов вещества потоков (реки, взвесь рек, дождь+снег, аэрозоль, подземные воды, минеральные воды, приток озерных вод из других резервуаров озера, поток из донных отложений, поток в донные отложения, сток озерных вод в другие резервуары озера и в реку Ангару) раскрывает содержание законов их взаимодействия. Химические балансы резервуаров озера дают возможность рассмотреть системы-резервуары с позиции отношения их вещества как целого с лежащими вне их объектами – веществами химических потоков внешней среды, т.е. исследовать функции (отклик) вещества резервуаров на поступление компонентов вещества потоков окружающей среды.

Материалы и методы исследования

Использованы методы изучения макросистем: структурно-функциональный метод и метод балансовых расчетов.

Используя уравнение m = С v, где m – полная масса элемента, С – среднемноголетняя концентрация, v – объем водной массы озера, рассчитано годовое содержание – полная масса каждого из 35 компонентов в 109г/год в подсистемах (вещество поверхностных, прибрежных, глубинных, придонных вод) каждого резервуара оз. Байкал [4, 7-10]. Для расчета химического баланса вещества потоков необходимо знать составляющие приходной и расходной частей вещества каждого резервуара. Приходную часть составляют поступления элементов: – с речным стоком; – с речной взвесью; – с подземными водами; – с минеральными водами; – с атмосферными осадками; – с эоловым привносом;– с притоком озерных вод из соседних резервуаров озера; – с внутренняя нагрузкой – с потоком из донных отложений. Составляющие статью «Расход»: – вынос элемента со стоком озерных вод в соседние резервуары озера или в р. Ангару; – выведение из водной массы с взвешенным материалом, формирующим донные отложения, т.е. с потоком в донные отложения. Рассчитаны полные среднегодовые массы элементов в веществе каждого потока, втекающего и вытекающего из резервуаров оз. Байкал [4, 7-10].

Кроме поступления элементов с водосборного бассейна (внешняя нагрузка), элементный режим вещества резервуаров озера Байкал определяют внутриводоемные процессы (внутренняя нагрузка). Элементами внутреннего баланса вещества вод резервуара озера являются: аккумуляция части поступивших с водосбора компонентов, вступления части этих компонентов в реакции комплексообразования и уход их в составе взвешенного материала с потоком в донные отложения (седиментация), а так же приход компонентов с потоком из донных отложений.

Для расчета химического баланса компонентов в мегасистеме «вещество вод оз. Байкал – вещество потоков окружающей среды» необходимо знать количественную характеристику вертикального потока компонентов (г/год) в донные осадки. Поток “поток компонентов в донные отложения” – абсолютные массы материала, поступающие на дно оз. Байкал (г/год). По вопросу осадконакопления в оз. Байкал известны работы [13-17, 19-22, 24, 25, 28, 32, 37]. Первое, что необходимо знать для расчета потока компонентов в донные отложения (г/год) – скорость осадконакопления (см/год). Сравнены и сопоставлены данные о поставках вещества в оз. Байкал, полученные в разные годы разными авторами с разной долей достоверности. Установлено, что все данные довольно похожи. Данные [13] обеспечены значительным количеством измерений по всей акватории оз. Байкал и могут быть признаны более представительными по сравнению с другими работами.

Кроме скорости осадконакопления (см/год), в работе Ю.А. Богданова с соавторами (1997) определены абсолютные массы осадочного материала в целом и отдельных его компонентов, накапливающихся в донных осадках оз. Байкал, что представляется исключительно важным не только для количественного описания “напряженности” осадочного процесса, но и для исследования баланса вещества в озере.

Используя данные о поставках абсолютных масс осадочного материала на дно оз. Байкал (в г/см2), полученные из работы Ю.А.Богданова [1997], а так же используя значения площадей каждого резервуара [2], нами рассчитаны абсолютные массы осадочного материала, поступающие в донные отложения каждого резервуара за 1 год в г/год (табл. 1).

Для расчета среднемноголетних масс отдельных компонентов в г/год в потоках в донные отложения для каждого резервуара озера использованы известные по работам [15, 18, 21, 23, 30, 33-35] процентные содержания элементов в донных осадках каждого резервуара. Расчет проводился по формуле: N = C n / 100, где N – количество компонента (г/год), поступающее из водной толщи с потоком в донные отложения резервуаров; n – содержание компонента в % в сухом веществе донных осадков; С – абсолютные массы осадочного материала, накапливающиеся в донных осадках за год в каждом резервуаре (г/год).

Кроме того, в [13] даны потоки SiO2, Al2O3, Fe, Ti, Pb, Zn, Cu, Co, Cr, V, Cd (г/см2 в 1000 лет) в донные отложения Южной котловины, Селенгинского мелководья, Центральной котловины, Академического хребта и Северной котловины. Используя значения площадей поверхностей каждого из пяти резервуаров оз. Байкал [2], рассчитаны количества этих компонентов, поступающие в донные отложения резервуаров оз. Байкал за 1 год в г/год [12].

Аккумуляция оценивалась по формуле, приведенной в работе [35]: по разности внешнего прихода вещества с потоками и внешнего расхода со стоковыми потоками озерных вод.

Внутренние источники поступления вещества окружающей среды в вещество резервуаров озера – потоки компонентов из донных отложений. Содержание компонентов в потоке «поток компонентов из донных отложений» в каждом резервуаре определен по разности седиментации, в г/год и аккумуляции, в г/год. После оценки всех пунктов расчетных статей составлены таблицы химических балансов резервуаров оз. Байкал [4, 7-10].

Таблица 1

Количество вещества, поступающее в донные отложения резервуаров оз. Байкал, г/год

Результаты исследования и их обсуждение

Химические балансы вещества в резервуарах исследуемой мегасистемы “компоненты вещества резервуаров озера Байкал – компоненты вещества потоков окружающей среды” позволили установить повторяемые из года в год устойчивые закономерности – источники поступления макро-, микрокомпонентов, биогенных элементов и органического вещества, установить элементы-комплексообразователи и пути миграции компонентов в резервуаре (рис. 1, 2, 3, табл. 2), места их аккумуляции, позволили выяснить, одинаковы ли эти взаимодействия или индивидуальны для каждого резервуара.

Рис. 1. Пространственная миграция компонентов в водах Южного, Среднего, Ушканьеостровского резервуаров: I – слабоподвижные компоненты, вертикальная миграция, накапливаются в донных отложениях и в водах, участвуют в химических круговоротах; II – умеренно подвижные, частично выносятся со стоком озерных вод из резервуара (горизонтальная миграция), частично накапливаются: 1 – в донных отложениях и в водах, участвуют в химических круговоротах, вертикальная миграция, 2 – в донных отложениях, миграция на дно и захоронение; III – легкоподвижные, выносятся со стоком озерных вод из резервуара, горизонтальная миграция

Рис. 2. Пространственная миграция компонентов в водах Селенгинского резервуара: I – слабоподвижные компоненты, находящиеся в водах резервуара в основном в виде взвеси, накапливаются: 1 – в донных отложениях и в водах, часть вещества переходит из твердой фазы в раствор (находится в водах резервуара в виде взвеси и в виде растворенного вещества) и участвует в химических круговоротах; 2 – в донных отложениях; II – умеренно подвижные, находятся в твердой и растворенной формах, частично выносятся со стоком озерных вод из резервуара, частично накапливаются: 3 – в водах и донных отложениях, участвуют в химических круговоротах; 4 – в донных отложениях; III – легкоподвижные выносятся со стоком озерных вод из резервуара, в резервуаре находятся в растворенной форме

Рис. 3. Пространственная миграция компонентов в водах Северного резервуарa: I – слабоподвижные компоненты, находятся в твердой и растворенной формах, передвижение “вниз – вверх” в пределах резервуара, связываются и накапливаются в донных отложениях и в водах. участвуют в химических круговоротах; II – умеренно подвижные, находятся в твердой и растворенной формах, частично выносятся со стоком озерных вод из резервуара (частичная горизонтальная миграция), остальная часть связывается и накапливается в донных отложениях и в водах, участвует в химических круговоротах (передвижение “вниз – вверх”); III – легкоподвижные, в резервуаре находятся в растворенной форме, выносятся со стоком озерных вод из резервуара, горизонтальная миграция

Таблица 2

Группировка компонентов по скорости, направлению водной миграции и местам аккумуляции в резервуарах оз. Байкал

В каждом резервуаре установлены компоненты, являющиеся активными с точки зрения химического взаимодействия (табл. 3), присутствующие в водах резервуара во взвешенных и растворенных формах, в растворенных формах приходящие с потоком из донных отложений и полностью вступающие в реакции комплексообразования; умеренно активные компоненты, поставляемые внешними и внутренним потоками, в разной степени вступающие в реакции комплексообразования; а так же инертные компоненты, не участвующие в реакциях комплексообразования, находящиеся в растворенных формах в водах резервуара. Компоненты сгруппированы по скорости водной миграции, по химической активности (табл. 2, 3).

Таблица 3

Группировка компонентов по химической активности – способности к комплексообразованию в водах резервуаров оз. Байкал

Для каждого резервуара установлены компоненты, составляющие аккумулированное вещество, а так же захоранивающиеся в донных отложениях при избирательной утилизации вещества в резервуаре (табл. 2). Установлено, для каких компонентов резервуары проточны, а для каких являются биогеохимическими барьерами (табл. 2).

Все компоненты по скорости водной миграции в резервуаре и из резервуара (от минимальной к максимальной) образуют следующий ряд: (Al, Si, Mn2+, Feобщ , NO3-, РO43-, As, Cr, Cu, Pb, Co, V, Rb, Pорг, Ti) → (K+, Na+, Cорг, Sорг) → (Mg2+, Cd, Br, Zn, U, Nорг) → (Ca2+, HCO3-, SO42-, Cl-, B, Hg, Sr, Mo); Селенгинский: (Mn2+, Feобщ, РO43-, As, Co, V, Rb, Ti) → (NO3-, Al, Si, Cr) → (K+, Cd, U, Mo, Pорг, B) → (Na+, Mg2+, Br, Pb, Cорu, Nорг, Sорг) → (Ca2+, HCO3-, SO42-, Cl-, Zn, Cu, Hg, Sr); Средний: (Al, Si, Mn2+, Feобщ , РO43-, Co, Rb, Ti, NO3-, As, Cr, Cu, Cd, Pb, V, Pорг, U) → (K+, Br, Nорг, Cорг, Sорг, Na+, Mg2+, B) → (Mo, Ca2+) → (Sr, SO42-, Hg, Zn, Cl-, HCO3-); Ушканьеостровский: (Al, Si, Mn2+, Feобщ , РO43-, Co, Ti, Cr, Pb, Cu, NO3-, As, V, Rb, Pорг) → (Zn, Br, Mo, K+, Cd, U, Nорг, Na+, Mg2+) → (Sорг, Сорг) → (B, Ca2+, Hg, Sr, SO42-, Cl-, HCO3-); Северный резервуар: (Al, Si, Mn2+, Feобщ , РO43-, Ti, Co, NO3-, As, Cr, Cu, V, Rb, Pb, Br, Pорг, K, Zn, U, Cd,) → (B, Na+, Nорг, Mg2+, Cорг, Sорг, Mo, Сa2+) → (Hg, SO42-, Sr, Cl-, HCO3-).

Кроме внешних нагрузок от вещества окружающей среды, во всех резервуарах озера, кроме Селенгинского, существуют мощные внутренние источники вещества от окружающей среды – потоки из донных отложений – основные поставщики биогенных элементов, части катионов основных компонентов, целой группы микроэлементов и органического вещества (табл. 4, рис. 4). Среднегодовое количество вещества в потоке “Поток из донных отложений” в Северном резервуаре можно охарактеризовать как самое большое, в Южном, Среднем, Ушканьеостровском резервуарах – как большое и в Селенгинском резервуаре – как ничтожно малое, что отчетливо видно на рис. 4.

Таблица 4

Содержания основных, микро-, биогенных компонентов и органического вещества в приходных и расходных потоках вещества в резервуарах оз. Байкал, %

Рис. 4. Внешние и внутренние нагрузки на протяжении озера Байкал (статья “Приход”)

Установлена роль потоков “Поток компонентов из донных отложений” в поступлении компонентов в воды резервуаров оз. Байкал (табл. 4). Потоки из донных отложений в химических балансах глубоководных резервуаров озера являются основными поставщиками биогенных элементов, фосфора органического, группы микроэлементов. В резервуарах с потоками компонентов в донные отложения уходят практически целиком биогенные элементы, основное количество фосфора органического, половина от общего расхода остального органического вещества, часть катионов макрокомпонентов и основная часть практически всех микроэлементов (кроме B, Hg, Sr, Mo). Следовательно, только часть вещества, поступающего в резервуар с химическими потоками, в виде взвеси попадает в донные отложения озера, и в вещество это частично или полностью входят следующие компоненты: биогенные элементы, органическое вещество, катионы макрокомпонентов, микроэлементы (табл. 4). Остальные компоненты в растворенном состоянии находятся в водной толще и транзитом постепенно уходят из резервуара со стоком озерных вод в другие резервуары озера или реку Ангару.

Захоронение компонентов в каждом из четырех резервуаров избирательное. В Селенгинском резервуаре поступившие с потоком в донные отложения элементы захораниваются практически целиком, в остальных резервуарах из поступающего с потоками в донные отложения вещества захоранивается около десяти процентов, остальное вещество возвращается с потоком из донных отложений (рис. 5).

Круг компонентов, совершающих биогеохимические круговороты, определен для каждого резервуара оз. Байкал. Общими компонентами для всех резервуаров являются: Mg2+, Al, Si, Mn2+, Feобщ, NO3-, PO43-, As, Cr, Cu, Сd, Pb, Co, U, V, Rb, Ti, Pорг; кроме того, еще: в Южном резервуаре Zn, в Среднем: K+, Na+, B, Br, Cорг, Nорг, Sорг, в Ушканьеостровском: K+, Na+, Mo, Nорг; в Северном: K+, Na+, Ca2, B, Br, Cорг, Nорг, Sорг, Pорг. Эти компоненты находятся в водах резервуаров в растворенных и взвешенных формах: в виде взвеси уходят с потоками в донные отложения и в растворенных формах приходят с потоком из донных отложений. В Селенгинском резервуаре в химическом круговороте частично участвуют: K+, Mn2+, As, Cd, Co, U, V, Mo, Rb, Ti, PO43-, Feобщ, Pорг.

Функциями вещества вод резервуаров оз. Байкал по отношению к компонентам, приносимым химическими потоками окружающей среды (вещество потоков бассейна оз. Байкал и вещество потоков из донных отложений озера), являются: полный или частичный транзит одних элементов (HCO3-, SO42-, Cl-, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, B, Mo, Hg, Sr, Сор, Nорг, Sорг) и аккумуляция других (части катионов основных компонентов, биогенных элементов, части органического вещества, микроэлементов) с последующей утилизацией в донных отложениях резервуара (Селенгинский резервуар) или включением аккумулированных компонентов в химические круговороты компонентов вещества вод резервуаров озера (остальные резервуары).

Рис. 5. Расход вещества в резервуарах оз. Байкал со стоком озерных вод в другие резервуары озера и р. Ангару, с потоками в донные отложения и в захоронение

Основное количество (по весу) поступившего из окружающей среды вещества уходит из резервуаров со стоком озерных вод, остальное вещество аккумулируется в резервуарах (рис. 5).

Установлена геохимическая устойчивость экосистем каждого резервуара при попадании химических элементов и органического вещества в оз. Байкал с техногенным стоком (табл. 5).

Развитие вещества вод оз. Байкал, как системы взаимодействия его с веществом окружающей среды, определяется неоднородностью сил гравитации, направленными к центру Земли, тепловым потоком, химическими потоками. Все эти факторы определяют систему как состоящую из неравновесных друг с другом резервуаров, но равновесных с веществом окружающей среды, т.е. находящуюся в постоянстве своего состояния (стационарную систему). Cистема «вещество резервуаров озера Байкал – вещество потоков окружающей среды» – конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, выделенное из среды в соответствии с целью нашей работы в рамках определенного временного интервала – исторического времени. Вещество вод оз. Байкал иерархично – вещество каждого резервуара может рассматриваться как система, обладающая целостностью в отношении своих функций и определяемая в своих границах.

Таблица 5

Классы экологической опасности компонентов и прогноз их поведения в резервуарах в случае воздействия антропогенной нагрузки на оз. Байкал

Примечание. С – слабоподвижные накапливаются; У – умеренноподвижные, частично выносятся, частично накапливаются; Л – легкоподвижные выносятся; В – накапливаются в водах; Д – накапливаются в донных отложениях; ВД – накапливаются в донных отложениях и водах, I, II, III, IV – классы экологической опасности.

Исследования физико-химического состояния вещества вод озера Байкал и химического баланса его вод и потоков показали, что вещество вод озера характеризуется внешней или функциональной и внутренней (структурной) иерархией вещества в мегасистеме «вещество вод оз. Байкал – вещество окружающей среды». Взаимосвязь макро- и микроподходов обусловлены единством функциональных и структурных свойств реальных систем «вещество вод резервуаров оз. Байкал – вещество окружающей среды (потоки)». Применяя функциональный подход к исследованию системы «вещество резервуара оз. Байкал – вещество потоков окружающей среды», мы одновременно проводим структурный анализ мегасистемы «вещество вод оз. Байкал – вещество потоков окружающей среды», включающей исходную систему в качестве своего элемента. И наоборот, осуществляя структурный анализ мегасистемы «вещество вод оз. Байкал”, мы одновременно реализуем функциональный подход по отношению к системам, которые входят в исходную в качестве ее элементов или подсистем. В этом состоит единство функции и структуры, имеющее первостепенное значение при исследовании и конструировании сложных систем.

Незнание законов и закономерностей развития мегасистемы «вещество резервуаров озера Байкал – вещество потоков окружающей среды» – это блуждание в потемках. Химические балансы вещества резервуаров озера позволяют установить организованность – сложное свойство вещества систем–резервуаров, заключающееся в наличии структуры и функционирования (поведения). Непременной принадлежностью систем являются их элементы (составные части) – в нашем случае это вещество подсистем вещества резервуаров озера – вещество поверхностных, прибрежных, глубинных, придонных вод, т.е. структурные образования, из которых состоит целое и без чего оно не возможно. Функциональность вещества резервуаров озера Байкал – это проявление определенных свойств (функций) при взаимодействии с веществом внешней среды (с веществом потоков). Назначение системы «вещество резервуаров озера Байкал – вещество потоков окружающей среды» в данном случае – движение материи и энергии в бассейне оз. Байкал, миграция, избирательный транзит и избирательная утилизация вещества, поступившего в озеро из внешней среды с веществом потоков. Структурность – это упорядоченность наиболее вероятного (равновесного по физико-химическим параметрам с веществом окружающей среды) состояния вещества подсистем в веществе резервуаров и вещества резервуаров в мегасистеме, т.е. определенный набор и расположение состояний вещества подсистем в веществе резервуаров и состояний вещества резервуаров в веществе мегасистемы со связями между ними. В исследовании функции и структуры вещества систем-резервуаров оз. Байкал существует единство и взаимосвязь. Функциональность вещества каждого резервуара озера объясняется его структурой, т.е. наличием в веществе резервуара признаков пространственных локальных равновесий, в соответствии с которыми вещество подсистем имеет определенное состояние (состояния), которое является для него предпочтительным. Функциональность мегасистемы «вещество резервуаров озера Байкал – вещество потоков окружающей среды» определяется характером реакции вещества подсистем резервуаров озера на внешние воздействия.

Вещество резервуара – конечное множество функциональных элементов (вещества подсистем): вещество поверхностных вод, вещество прибрежных вод, вещество глубинных вод, вещество придонных вод со своими индивидуальными физико-химическими состояниями, обуславливающими движение материи и энергии в веществе вод резервуара. Взаимодействие вещества окружающей среды с веществом элементов системы – подсистемами выявляет целостность, единство, проявляемое в возникновении новых свойств, которыми вещества поверхностных, прибрежных, глубинных, придонных вод сами по себе не обладают – аккумуляция, химические круговороты компонентов, миграция компонентов в донные отложения и из донных отложений, захоронение в донных отложениях. Целостность вещества резервуара означает, что вещество каждой из подсистем вносит вклад в реализацию целевой функции системы-резервуара – движение компонентов: транзит, химический круговорот или утилизация.

Заключение

Предложенный подход к исследованию химического взаимодействия вещества вод оз. Байкал и вещества потоков окружающей среды как к многорезервуарной системе позволил сделать следующие выводы:

1. Установленные функции систем “вещество резервуаров озера Байкал – вещество потоков окружающей среды”: комплексообразование, миграция, избирательный транзит и избирательная утилизация или включение в биогеохимические круговороты компонентов, поступивших в резервуары озера из внешней среды с веществом потоков. Внешняя функциональная иерархия вещества вод резервуаров оз. Байкал проявляется в организации движения (миграции) компонентов и проценте их аккумуляции в донных отложениях резервуаров.

2. Сходство функций вещества резервуаров озера наблюдается в отношении их пропускной и аккумулирующей способностей относительно поступающих с внутренними и внешними потоками основных элементов, микроэлементов, биогенных элементов и органического вещества, заключающейся в открытости – способности частично или полностью пропускать (транзит) и обмениваться между резервуарами следующими компонентами: HCO3-, SO42-, Cl-, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, B, Mo, Hg, Sr, Сорг, Nорг, Sорг и закрытости в отношении остальных компонентов (части катионов основных компонентов, биогенных элементов, части органического вещества, микроэлементов), которые связываются (вступают в комплексообразование) и остаются в резервуарах (захораниваются или вступают в химический круговорот). По этим компонентам резервуары полуавтономны, закрыты и не обмениваются с другими резервуарами. Различие функций резервуаров заключается в том, как расходуются аккумулированные компоненты: в Селенгинском резервуаре они захораниваются, в остальных небольшая их часть захоранивается, а большая часть вступает в химический круговорот.

3. В поставке биогенных элементов все резервуары, кроме Селенгинского, находятся на внутреннем обеспечении (потоки из донных отложений), и только Селенгинский резервуар питается внешним привносом. Внешняя и внутренняя нагрузки на протяжении озера, в зависимости от морфологии, резко меняются и индивидуальны в каждом резервуаре. Выявлены большие внутренние нагрузки – потоки из донных отложений в четырех резервуарах озера и незначительная в Селенгинском резервуаре. Установлена ведущая роль внутриводоемных процессов в поступлении и утилизации биогенных элементов, Рорг, основных компонентов – катионов и группы микроэлементов в резервуарах оз. Байкал.

4. Утилизация вещества в донные осадки оз. Байкал избирательна: с внутриводоемными потоками в донные отложения поступают биогенные элементы, Рорг, часть остального органического вещества, часть основных компонентов – катионов и группа микроэлементов. Установлено, что во всех резервуарах оз. Байкал, кроме Селенгинского, процент утилизации (захоронения) поступающего вещества очень низок вследствие того, что вещество, поступившее с потоком в донные отложения, за отсутствием малой части возвращается с потоком из донных отложений. В четырех резервуарах озера утилизация вещества ничтожна (около 10 %), при этом существуют мощные химические круговороты компонентов. В Селенгинском резервуаре захоранивается 85 % вещества, поступившего с потоком в донные отложения.

5. Химическое взаимодействие вещества вод оз. Байкал и вещества потоков окружающей среды иерархично и структура обмена упорядочена именно таким образом: поведение вещества вод озера при обмене веществом и энергией с веществом потоков окружающей среды индивидуализировано в веществе пяти резервуаров озера. Химические балансы вещества резервуаров озера позволили установить организованность – свойство вещества оз. Байкал, заключающееся в наличии структуры (вещества пяти резервуаров озера с индивидуальными физико-химическими характеристиками и состоянием геохимической среды), и свойство веществ систем–резервуаров, заключающееся в наличии индивидуального функционирования (индивидуального поведения). Вещество мегасистемы «вещество вод оз. Байкал – вещество потоков окружающей среды» иерархично – вещество каждого резервуара может рассматриваться как система, обладающая целостностью в отношении своих функций и определяемая в своих границах по физико-химическим параметрам.

Библиографическая ссылка