Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 491, № 2, стр. 77-81

Байкальская рифтовая зона (БРЗ) протягивается из западной Монголии вдоль оз. Байкал к южной Якутии и выделяется повышенным уровнем сейсмичности [1]. По данным о сейсмических источниках установлены пространственная неоднородность и временная неустойчивость напряженно-деформированного состояния литосферы БРЗ, обусловленные наличием трех структур-аттракторов рифтогенеза (САР) – областей с максимальной деформационно-прочностной анизотропией геолого-геофизической среды [2]. Эти особенности формируются структурой и вещественными свойствами горных пород и флюидов, расположением САР и проявляются в периодических импульсных перестройках напряжений, которые приводят к синхронизации скорости сейсмического потока и реализации парных сильных землетрясений [3–5]. Средняя мощность земной коры БРЗ составляет около 45 км, но под Байкалом ее толщина уменьшается до 36 км [6], а Южно-Байкальская впадина выделяется резким уменьшением мощности коры и большим количеством разломов. Максимальная раздробленность фундамента разломами установлена под этой впадиной [7], являющейся “историческим ядром” [1] и древнейшей САР [2] Байкальской рифтовой системы. Именно в этом районе с 1997 г. Институт геохимии СО РАН проводит основные мониторинговые исследования химического состава воды в оз. Байкал.

К настоящему времени собрана аналитическая информация примерно по 500 пробам воды Байкальской водной экосистемы. Особый интерес представляет исследование содержания ртути в воде истока Ангары, что связано как с ее специфическими химическими свойствами и высокой биоактивностью, так и с возможностью поступления ртути из разломов Байкальского рифта [8, 9]. Измерение содержание ртути в поверхностной и глубинной воде Байкала, истока р. Ангара и некоторых притоков проводится атомно-абсорбционным методом с непламенным определением паров восстановленной атомарной ртути на приборе РА-915+ с приставкой РП-91 [9]. Контроль точности измерений прибора осуществлялся путем ежегодного тестирования и регулировки прибора предприятием изготовителем (ЛЮМЭКС, Санкт-Петербург). Химический анализ воды выполнен на оборудовании аккредитованного ЦКП “Изотопно-геохимических исследований” Института геохимии СО РАН (аналитики Л.Д. Андрулайтис, О.С. Рязанцева).

В сообщении представлены основные результаты определения и анализа содержания ртути в воде истока р. Ангара. В этом месте с 1997 по 2006 гг. отбор проб и анализ воды осуществлялся подекадно, а с 2006 по 2019 гг. – ежемесячно. На графиках вариаций во времени содержания ртути видно, что самые значительные максимумы и повышенный разброс данных наблюдаются в 1997–2000 гг. (рис. 1а). В период 2001–2006 гг. волатильность данных постепенно уменьшается, и имеются отдельные максимумы содержания ртути в 2002, 2004 и 2006 гг. С 2007 г. наблюдается низкий уровень содержания ртути в воде, разброс данных минимален и на общем квазистационарном фоне видны небольшие максимумы в 2007, 2009 и 2012 гг. (рис. 1 б). Для оценки значимости указанных максимумов определено среднее значение содержания ртути и его стандартное отклонение за полный период времени 1997–2013 гг. и за квазистационарный период 2007–2013 гг. Среднее содержание ртути по общей выборке данных 1997–2013 гг. равно 0.0025 мкг/л при стандартном отклонении σ = 0.0037 мкг/л. Эти оценки позволяют детерминировать линией “2 сигма” на рис. 1, а отдельные максимумы и группы максимумов концентрации ртути на уровне значимости не ниже 0.05 в период 1997–2006 гг. Среднее содержание ртути по выборке данных 2007–2013 гг. равно 0.0007 мкг/л при стандартном отклонении σ = 0.0006 мкг/л, что позволяет детерминировать линией “2 сигма” на рис. 1б в 2007, 2009 и 2013 гг. максимумы концентрации ртути на уровне значимости не ниже 0.05.

Рис. 1.

Графики изменения во времени содержания ртути в воде истока р. Ангара и статистические оценки вариаций. а – за период наблюдений 1997–2013 гг., б – за период наблюдений 2007–2013 гг.

Максимальный уровень и повышенная волатильность содержания ртути в 1997–2000 гг. совпадают с активизацией Южно-Байкальской САР в конце 1990-х годов и произошедшим на расстоянии 26 км от пункта отбора воды сильным Южно-Байкальским землетрясением (25.02.1999; энергетический класс K_P = 14.6; моментная магнитуда M_W = 6.0) [2, 8]. Эти факторы послужили главной мотивацией настоящей работы, в которой выполнено сопоставление времени активизации САР и реализации сильных землетрясений со значимыми максимумами содержания ртути в воде истока р. Ангара. Известно [10–12], что сильные геодинамические воздействия на метастабильную разломно-блочную литосферу Байкальского рифта могут приводить к кратковременному раскрытию локальных участков шовной зоны глубинных разломов между Сибирской платформой и Амурской плитой и вызывать изменения флюидного режима. Шовные межплитные границы имеют каналы повышенной флюидопроводности, которые способны дренировать “аномальную” низкоскоростную мантию, имеющую флюидную природу [13]. Флюидизация верхних частей мантии способствует их плавлению с приращением объема, чему содействует также снижение всестороннего давления при раскрытии локальных участков зоны краевого шва. Это, в свою очередь, приводит к активизациям САР, инверсиям осей напряжений в литосфере БРЗ, реализации сильных землетрясений и возможному вскипанию и дегазации ртути с быстрым подъемом на поверхность по зонам раскрытых разломов.

При проверке возможной связи повышенного содержания ртути в воде с динамическим воздействием от сильных землетрясений были приняты во внимание сейсмические события различных магнитуд, произошедшие с 1997 по 2013 гг. на удалении r от истока р. Ангара. В анализе были рассмотрены:

Катастрофические землетрясения мира с M ≥ 8. Использованы три самые близкие внутриконтинентальные землетрясения, произошедшие в Китае [14]:

1. 2001–11–14, M = 8, φ = 35.93° с.ш., λ = = 90.59° в.д., r ≈ 2150 км;

2. 2008–03–20, M = 8, φ = 35.55° с.ш., λ = = 81.51° в.д., r ≈ 2650 км;

3. 2008–05–12, M = 8, φ = 31.06° с.ш., λ = = 103.37° в.д., r ≈ 2300 км.

Сильнейшие землетрясения с M ≥ 7 в радиусе 3000 км от истока р. Ангара. Использованы пять самых близких внутриконтинентальных землетрясений [14]:

1. Чуйское, с M = 7.4 (φ = 50.01°с.ш., λ = = 87.78° в.д., r ≈ 1220 км к западу) и два его мощных афтершока с M = 7.0 (27.09.2003–01.12.2003);

2. Култукское, 2008–08–27, M = 7.0, φ = = 51.66° с.ш., λ = 104.14° в.д., r ≈ 60 км;

3. Тувинское, 2012–02–26, M = 7.0, φ = = 51.80° с.ш., λ = 95.98° в.д., r ≈ 610 км.

Сильные землетрясения Байкальского региона (φ = 48°–60° с.ш., λ = 96°–122° в.д.) с K_P ≥ 13 (M ≥ 5). В выборке сильных землетрясений Байкальского региона с K_P ≥ 13 представлено 58 событий [15], из них с K_P ≥ 14–19 толчков, с K_P ≥ 15–4 землетрясения. Почти все землетрясения произошли в рифтовой зоне, более половины – в пределах и обрамлении рифта оз. Байкал.

Представительные землетрясения с K_P ≥ 9 (M ≥ 3) в окрестностях истока р. Ангара. Использованы землетрясения, произошедшие в площадке 1° × 1.8° (φ = 51.3°–52.3° с.ш., λ = 103.9°–105.7° в.д., число толчков N = 342) [15].

Все зарегистрированные толчки с K_P ≥ 6 (M ≥ ≥ 1.5) в окрестностях истока р. Ангара. Использованы толчки в площадке 0.3° × 0.4° (φ = 51.7°–52.0° с.ш., λ = 104.6°–105.0° в.д., N = 468).

Обобщение полученных результатов представлено на рис. 2, на котором видно, что всем значимым максимумам содержания ртути в воде предшествуют сильные геодинамические воздействия. В период 1997–1998 гг. основное воздействие оказывает Южно-Байкальская САР, которая находится в фазе максимальной геодинамической активности в это время. Совместное влияние САР и Южно-Байкальского землетрясения 1999 г. проявляется в серии повышенных значений содержания ртути в 1999–2000 гг. Постепенное ослабление геодинамической активности САР с 2001 г. прослеживается в уменьшении уровня среднегодового содержания ртути в воде (рис. 3) и отдельные значимые максимумы 2002 и 2004 гг. можно связать с удаленным катастрофическим землетрясением 14.11.2001, M = 8 и Чуйскими толчками 2003 г. Менее значительные максимумы в феврале–мае 2006 г. могут быть обусловлены сильными землетрясениями БРЗ (ноябрь–декабрь 2005 г.) на фоне дальнейшего ослабления активности САР. В последующие годы влияние САР минимально, содержание ртути в воде стабилизируется на уровне фона с редкими отдельными максимумами, которые можно соотнести с воздействием удаленных катастрофических землетрясений 2008 г. с M = 8, а также с сильнейшим Култукским землетрясением и толчком 21.06.2009, произошедшими в БРЗ. Последнее значимое повышение содержания ртути в 2012 г. соотносится с сильным Тувинским землетрясением 2012 г. Связь слабых близких толчков с вариациями содержаний ртути достоверно не выявлена.

Рис. 2.

Возможные источники геодинамических воздействий, сформировавших значимые максимумы содержания ртути в воде истока р. Ангара.

Рис. 3.

График и тренд среднегодового содержания ртути в воде истока р. Ангара.

График среднего по годам содержания ртути имеет понижающийся во времени тренд (рис. 3). Величина стандартного отклонения изменяется от 0.0059 до 0.00014 мкг/л, что указывает на кардинальное различие динамики процесса в начале (сильные флуктуации, процесс неустойчив) и в конце мониторинга (слабые флуктуации, процесс квазистационарен). Осредненные данные аппроксимируются степенной зависимостью, и при показателе степени (–0.82) имеют высокий коэффициент корреляции ρ ≈ 0.84. При экстраполяции графика в сторону уменьшения временного периода происходит рост уровня содержания ртути: на временном интервале месяц и полмесяца прогнозные значения содержания ртути составляют около 0.36 и 0.64 мкг/л, что значительно превышает предельно допустимую концентрацию водоемов рыбохозяйственного использования (0.01 мкг/л) и питьевой воды (0.5 мкг/л). Полученные прогнозные оценки отличаются от реальных замеров 1997–2013 гг., в которых содержание ртути не превышает 0.028 мкг/л. Однако эти оценки указывают на то, что при мощном геодинамическом воздействии концентрация ртути может кратковременно значительно повышаться в локальной области флюидной разрядки разлома. При аномально высоком содержании ртути обитающие в этих местах рыба и нерпа могут быть отравлены. Возможно, что такое явление соответствует действительности, и в прессе описаны случаи массовой гибели нерпы и рыбы в отдельных местах Южно-Байкальской впадины. Попадая в живые организмы, ртуть превращается в метилртуть CH₃Hg⁺, яд, который вызывает необратимые процессы. При отравлениях этим ядом отмечаются признаки одновременного поражения центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы, печени и почек.

Таким образом, результаты определения содержания ртути в воде истока р. Ангара сопоставлены с распределением во времени землетрясений различных магнитуд, произошедших на разном удалении от пункта отбора воды – истока реки Ангары, единственного стока Байкала. Установлено, что все значимые максимумы содержания ртути в воде являются откликами на сильные геодинамические воздействия. Прогнозные оценки тренда среднегодового содержания ртути указывают на возможность существенного повышения концентрации ртути в локальной области флюидной разрядки разлома при мощном геодинамическом воздействии. В качестве механизма реализации предположено, что раскрытие локальных областей глубинных разломов при сильном геодинамическом воздействии приводит к декомпрессии со вскипанием, дегазацией ртути и быстрым подъемом на поверхность по зонам раскрытых разломов. Проведенные исследования показали, что состояние и сохранение воды Байкальской водной экосистемы зависит и от природных катаклизмов. В связи с этим необходимо продолжение постоянных геохимических и геодинамических исследований в мониторинговом режиме.