Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 2, стр. 31-42

ВВЕДЕНИЕ

В статье [19] дано следующее определение геоэкологии: “Геоэкология – это наука, изучающая геосфеpные оболочки Земли, компоненты окружающей среды и минеральную основу биосферы и происходящие в них изменения под влиянием природных и техногенных факторов”, т.е. в первую очередь объектами изучения являются межгеосферные процессы. В научной литературе существуют многочисленные свидетельства взаимодействия литосферы с биосферой и атмосферой на площади тектонических нарушений. Приводимые факты довольно часто имеют разрозненный характер, и, как правило, не являются результатом многолетних мониторинговых наблюдений. Авторами в течение более 20 лет проводились исследования межгеосферных процессов в области развития тектонических узлов [11]. Поскольку они являются связующим звеном между абиотической (геологической) и биотической средами, то оказывают существенное влияние на состояние растительного покрова как на макро-, так и на микроуровнях [11, 12]. Это обусловлено не только прямым воздействием структур геологической среды (литосферы), но и косвенным (триггерные и спровоцированные эффекты) за счет влияния на процессы, происходящие в атмосфере.

Для анализа влияния тектонических узлов на состояние окружающей среды было необходимо выбрать репрезентативный для приарктических территорий России. Им является территория Архангельской области, исходя из следующих ее характеристик: 1) она входит в состав Русской равнины, имеющей сходные геоморфологические режимы с Западно-Сибирской равниной [4] и Среднесибирским плоскогорьем, занимающими суммарно более 60% территории России; 2) регион расположен на территории Европейского Севера и охватывает основные геолого-географические и биоклиматические типы формирования природных комплексов от типичной тундры до типичных ландшафтов средней полосы России [17]; 3) входит в состав единого Арктического минерагенического пояса [15] и имеет общие геохимические характеристики земной коры [1]; 4) в современном геодинамическом плане она является частью общей области динамического влияния зоны Арктического спрединга [9]. Все это дает возможность для широкомасштабных сопоставительных исследований, результаты которых могут быть распространены на все платформенные территории РФ.

Цель исследования – оценить влияние тектонических узлов на содержание витамина С в биоматериале. В качестве биотической составляющей эксперимента были выбраны плоды черники (Vaccinium myrtillus L.) и брусники (Vaccinium vitis-idaea L.), поскольку данные виды являются доминантными в травяно-кустарничковом ярусе таежных лесов Архангельской области. Кроме того, они имеют короткий вегетационный период, что дает возможность оценить эффект накопления микроэлементов в плодах в зависимости от пространственной приуроченности к тектоническому узлу в течение летнего полевого сезона.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Район исследований пространственно находится на севере Русской плиты и административно совпадает с территорией Архангельской области. Геологическое строение, структура разломов и тектонических узлов, а также характер современного рельефа региона подробно рассмотрены в монографиях авторов [8, 9, 14], поэтому в данной статье затрагиваются кратко. На архейском кристаллическом фундаменте с угловым и стратиграфическим несогласиями залегают породы осадочного чехла, слагающие два тектоно-вещественных мегакомплекса: рифтогенный (отложения рифея) и плитный (венд-фанерозойские отложения). Современный рельеф региона является результатом материковых оледенений (днепровского, московского, валдайского), послеледниковой эрозии и тектонических процессов. В целом его структура представляет собой сочетание форм доледникового денудационно-тектонического, ледникового и послеледникового аккумулятивного и эрозионного генезиса. Последнее валдайское оледенение (10–12 тыс. лет назад) дополнило древний рельеф многочисленными моренными холмами, грядами и возвышенностями с обширными низинами. В целом территория представляет собой пологую, слегка волнистую равнину, постепенно понижающуюся к Северному Ледовитому океану и разделенную равнинами крупных рек. Абсолютные отметки рельефа редко превышают 200 м.

Рассматриваемые тектонические нарушения были заложены в позднем архее (2600–2800 млн. лет) и в домезозойский период пережили от 4 до 10 этапов активизации [12]. Они пересекают практически весь геологический разрез от фундамента до верхних слоев осадочного чехла. На уровне фундамента разломы играли структурообразующую роль, формируя блоковое строение его кровли. В осадочном чехле большинству разломов соответствуют узкие зоны трещиноватости с амплитудой первые десятки метров и флексурообразные перегибы. В верхней части разреза наблюдаются палеодолины сложного строения с глубиной вреза до 200 м, являющиеся “гидрогеологическими окнами” [11].

Ранее на территории Архангельской области было выделено 18 тектонических узлов, отличающихся друг от друга порядком, размерами, формами и количеством образующих их пересечений (рис. 1).

Рис. 1.

Схема расположения тектонических узлов на территории Архангельской области. 1 – изолинии плотности тектонического нарушения; римские цифры – исследованные тектонические узлы: I – Лекшмозерский, II – Кенозерский (Плесецкий), III – Вельско-Устьянский, IV – Емецкий, V – Холмогорский, VI – Зимнебережный.

Анализируемые узлы образованы пересечениями архейских разломов (и соответствующих им зон трещиноватости в осадочном чехле) и могут рассматриваться как одновозрастные образования. Методика выделения узлов подробно рассмотрена в работах авторов [11, 14]. При этом использовались практически все имеющиеся на исследуемую территорию геолого-геофизические материалы (рис. 2), которые в дальнейшем были дополнены геоморфометрическим анализом цифровой модели рельефа (ЦМР) ASTER GDEM V2, подготовленной по авторским методикам [8].

Рис. 2.

Алгоритм выделения систем разломов и тектонических узлов, по [13]. 1–2 – архивные материалы: 1 – имеющиеся для всех территорий древних платформ, 2 – не всегда имеющиеся; 3–4 – карты и материалы, получаемые в процессе исследований: 3 – промежуточные, 4 – окончательные.

Тектонические узлы образованы пересечением рифейских грабенов северо-западного и транс-блоковых зон меридионального и северо-восточного простираний. Особенность методики выделения систем разломов и тектонических узлов заключается в том, что выделяются не осевые линии разломов, а площади их динамического влияния (по участкам сгущения линейных элементов). Учитывая масштаб исходных материалов (1:200 000), вынесение зон динамического влияния разломов на Схему расположения тектонических узлов на территории Архангельской области (см. рис. 1) делает ее нечитаемой.

Для уточнения воздействия тектонических узлов и отделения их влияния от других факторов, необходимо было “отсечь” эти (другие) факторы. Эта задача решалась следующим образом. Было необходимо дифференцировать тектонические узлы и выбрать отличные друг от друга по ряду основных параметров. В этом случае при доминирующем вкладе тектонических узлов наблюдаемые эффекты в растительном покрове должны быть идентичными или схожими, в противном случае они должны значительно различаться. Как отмечалось ранее, в качестве индикатора растительного покрова на микроуровне было выбрано содержание аскорбиновой кислоты (витамина С) из-за достаточно короткого срока ее накопления в ягодах черники и брусники.

Для разделения тектонических узлов нами учитывались характеристики земной коры и геоморфометрические параметры рельефа, а также взаимосвязи между ними.

Для оценки характеристик земной коры были рассчитаны: коэффициент дискретности и энергоемкость мегаблоков, плотность разломов и функция дробления земной коры [7], отражающие энергетические параметры последней и ее предрасположенность к блоковому делению.

В дальнейшем по авторской методике [14] был проведен анализ отражения структур кристаллического фундамента в современном рельефе (рис. 3А, Б, В).

Рис. 3.

Разделение тектонических узлов по эндогенным и геоморфометрическим параметрам. А – 3D сопоставление цифровых моделей рельефа и фундамента на территории Архангельской области; Б – разность и сумма нормированных значений функций: A, B – прямые (повторяющиеся); C, D – обратные (противоположные) формы; В – сопоставление форм наследования структур фундамента в современном рельефе и геоморфометрических параметров тектонических узлов с проявлениями кимберлитового магматизма и участками условной вероятности встречи нефтяных и газовых месторождений по неотектоническим данным на площади Мезенской синеклизы: 1 – районы вероятных локализаций нефтяных и газовых месторождений; 2 – районы кимберлитового магматизма: 1 – Зимнебережный кимберлитовый район, 2 – Ненокское и Белозерское поля мелилититов и кимберлитов; Г – распределение высот в группах тектонических узлов: 1 – узлы большой площади, высоты: 1а – до 150 м, 1б – до 350 м; 2 – узлы средней площади, высоты: 2а – до 100 м, 2б – до 250 м; 3 – узлы малой площади.

Для разделения тектонических узлов по геоморфометрическим параметрам по каждому из 18 узлов были подготовлены векторные слои с полигонами границ периферии узла, всех промежуточных пересечений и центра узла [11] и по границе каждого полигона из ЦМР были подготовлены цифровые модели узлов и всех пересечений внутри узла (модуль “Clip Grid With Polygon” из программного обеспечения SAGA GIS).

По разработанным авторами методикам [14] были проведены расчеты площадного распределения высотных отметок рельефа (см. рис. 3Г), индекса расчлененности и углов наклона на площади тектонических узлов. Показано, что по распределению значений высот тектонические узлы на территории области можно разделить на три крупные группы (см. рис. 3Г). Первая группа – узлы, занимающие значительную площадь (до 160 тыс. ячеек, при размере ячейки ЦМР 30 × 30 м), которая разделяется на две подгруппы: 1а – высоты внутри узла до 150 м, 1б – высоты до 350 м. Вторая группа – узлы средних размеров (средняя площадь узла до 60 тыс. ячеек), также подразделяется на две подгруппы: 2а – высоты до 100 м, 2б – высоты до 250 м. Третья группа – узлы малой площади (до 20 тыс. ячеек) с высотами до 200 м.

Таким образом, по перечисленным выше параметрам (как эндогенным, так и геоморфометрическим) узлы отличаются друг от друга.

Сбор плодов черники и брусники для определения содержания витамина С производился в период массового плодоношения (в конце июля – первой половине августа) на трех тектонических узлах – Холмогорском, Плесецком (Кенозерском), Вельско-Устьянском. Для этого закладывались по две пробные площади 25 × 25 м в центре и на периферии каждого узла, производился равномерный отбор ягод по 500 г с каждой. Далее пробы передавались в ЦКП КТ РФ “Арктика” ФИЦКИА УрО РАН для определения содержания в них витамина С. Определение аскорбиновой кислоты проводилось колориметрическим методом на спектрофотометре UV-1800 (Shimadzu Corporation, Япония) при длине волны 515 нм [21].

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенных ранее работ для всех исследованных тектонических узлов (см. рис. 1) отмечены следующие характерные особенности [11]:

– устойчивый “дефицит” атмосферного давления (до 25 Мб) по периферии узлов;

– различная частота и количество выпадающих жидких атмосферных осадков в центре и на периферии (на 26% больше) узлов;

– более раннее выпадение снега, большая мощность снегового покрова и его более позднее таяние на периферии узлов;

– изменение электрической проводимости воздуха, непрохождение сигналов сотовой связи и характер короткопериодных магнитных вариаций;

– увеличение количества гроз (до 4 раз) и, как следствие, лесных пожаров.

Учитывая, что тектонические узлы являются каналами глубинной дегазации и источниками наведенных магнитотеллурических токов [12], зафиксированные явления вполне объяснимы и закономерны. В то же время надо отметить, что над площадью узлов наблюдаются своеобразные климатические особенности, отличающиеся от окружающей территории.

Влияние на растительный покров выглядит следующим образом:

– на макроуровне – изменение структуры растительного покрова (до 20%), причем наблюдается отчетливая корреляция между степенью изменений и количеством тектонических пересечений, слагающих узел [5]; большее разнообразие растительности в узле;

– на микроуровне – повышенное количество пораженных корневой губкой (Heterobasidion annosum Fr.) деревьев [11]; биохимические показатели лишайников, произрастающих на территории тектонического узла и за его пределами, существенно различаются практически по всем показателям в течение всего вегетационного периода [24]; изменение урожайности черники и брусники и содержания химических элементов в плодах от центра узла к его периферии [20]; различие в толщине клеточной стенки ранней и поздней древесины в центре и на периферии узлов [26].

Таким образом, влияние тектонических узлов на состояние растительного покрова как на макро-, так и на микроуровне можно считать установленным.

В табл. 1 приведено сопоставление характеристик исследованных тектонических узлов. Следует отметить, что среди представленных в данном исследовании трех тектонических узлов Холмогорский территориально является самым северным и относится к подзоне северной тайги, два других – Плесецкий (Кенозерский) и Вельско-Устьянский – расположены южнее и относятся к среднетаежной подзоне. Сходные результаты были получены и по Зимнебережному тектоническому узлу. Но он был исключен из рассмотрения, так как это район проявления кимберлитового магматизма, в котором проводятся интенсивные горные работы. То есть, во-первых, там достаточно велик вклад антропогенного воздействия; во-вторых, одним из факторов природного воздействия на состояние растительного покрова рядом авторов указывается наличие близ поверхностных интрузивных или эффузивных образований [23].

Принято считать, что на содержание витамина С в плодах черники и брусники оказывают влияние генотип, условия окружающей среды (географическое положение, почва, температура, освещение) [16], биотические и абиотические стрессы [25]. Лимитирующими факторами его накопления выступают температура воздуха и осадки за вегетационный период: чем выше коэффициент экстремальности (соотношение среднемесячных температур к сумме осадков), тем большее его количество концентрируется в плодах [21]. Продолжительность светового дня также сказывается на содержании витамина С в ягодах. Именно такие условия (экстремальность факторов, длительный летний световой период) характерны для всей территории Архангельской области [21].

Несомненно, что на содержание витамина C в растениях влияет химический состав почвы [6]. Недостаток азота вызывает уменьшение, а обогащение почвы калием, фосфором и марганцем влечет за собой увеличение его концентраций в растениях.

Рассмотрим эти факторы более подробно. Как указывалось выше, на площади тектонических узлов наблюдаются своеобразные климатические и другие особенности, отличающиеся от центра к периферии. На площади выбранных узлов были рассмотрены следующие параметры, приведенные в табл. 2: предрасположенность к протеканию экзогенных процессов; значения высот базисных поверхностей; амплитуда высот разностных поверхностей, плотность облачности с июня по август (вегетационный период).

Важной характеристикой рельефа является также и экспозиция склонов, так как этот параметр определяет их теплообеспеченность и, несомненно, влияет на состояние растительного покрова. Расчет значений экспозиции склонов показал достаточно равномерное их распределение без явно доминирующих направлений [14].

Теплообеспеченность склонов можно оценить также по таким топо-климатическим параметрам, как потенциальная солнечная и фотосинтетически активная радиация. Из всего спектра излучения в жизнедеятельности растений наиболее важную роль играет видимое излучение с длиной волны около 0.38–0.71 мкм, называемое фотосинтетически активной радиацией (ФАР) [22]. Пространственное распределение значений ФАР на площади Холмогорского тектонического узла значительно ниже, чем Вельско-Устьянского и Кенозерского ввиду его более северного расположения.

Приуроченность проявлений щелочно-ультраосновного магматизма и участков условной вероятности встречи нефтяных и газовых месторождений к отдельным группам узлов, выделяемых по геоморфометрическим параметрам (см. рис. 3), свидетельствует также, что они отличаются и в геохимическом отношении. То есть теоретически воздействие разных групп узлов на состояние окружающей среды должно отличаться. Такое воздействие будет отражаться и на более чувствительных к изменениям среды микропоказателях, таких как, например, содержание витамина С в лесных ягодах.

В табл. 3 приведены сведения о содержании витамина С в плодах черники и брусники на территориях Холмогорского [21], Кенозерского (Плесецкого) [20] и Вельско-Устьянского [3] тектонических узлов (в мг/100 г), а также разница в процентах (при принятии значения с периферии как контрольного за 100%). При этом среднее значение влажности плодов не имеет существенного территориального различия (разница между центром и периферией составляет 0.13 ± 0.06%).

Из данных табл. 3 видно, что в пределах всех трех тектонических узлов отмечается увеличение концентраций витамина С в плодах черники и брусники от периферии к центру. Так, для ягод черники из Холмогорского узла разница составляет порядка 39 мг/100 г (37%), Кенозерского (Плесецкого) – 21 мг/100 г (59%) для черники и 27 мг/100 г (62%) для брусники, Вельско-Устьянского – около 178 мг/100 г (58%) в плодах брусники. Следует отметить, что при продвижении на юг концентрация аскорбиновой кислоты в плодах черники и брусники в процентном отношении увеличивается в 2–3 раза. То есть воздействие климатической зональности отражается в абсолютных значениях содержания витамина С, в то время как влияние тектонических узлов обусловливает его изменение от центра к периферии.

При этом, несмотря на различия в почвах и подстилающих коренных породах, и, как следствие, в их геохимических характеристиках, влияние на содержание витамина С на локальном уровне не просто схоже, а практически идентично. Это, вероятно, обусловлено подтоком глубинных газов и флюидов в области тектонического узла.

В зонах тектонических разломов, а также в узлах пересечений тектонических дислокаций возникают геохимические аномалии, которые, несомненно, вносят изменения в химический состав почв. Так, проведенный анализ почв в центре и на периферии Холмогорского тектонического узла показал различия в процентном соотношении их элементного состава (рис. 4). Наибольшее отличие отмечается для содержания марганца в почве. В центре узла его содержание на 231% больше, чем на периферии (значения на периферии приняты за 100%). Содержание калия в почвах центральной части узла на 17%, а фосфора – на 5% выше по сравнению с почвами периферии [21]. Сходные закономерности наблюдаются и на площади Вельско-Устьянского и Кенозерского тектонических узлов [18, 20].

Рис. 4.

Распределение микроэлементов в почвах Холмогорского тектонического узла, в процентах, по [21].

Интерес представляет также распределение химических элементов в лишайниках на площади Вельско-Устьянского тектонического узла. Отмечается повышение концентрации микроэлементов (Р, Si, Ca, Al, Mg, Fe, Na, Cu, Ti, Cr) у лишайников Usnea Florida, произрастающих непосредственно в центре узла [24]. Учитывая воздушный тип питания лишайников, вполне корректно предположить существующую глубинную дегазацию по тектоническому узлу, что подтверждается структурой барического поля и характером облачности, а также снижением содержания кислорода в приповерхностном слое атмосферы.

На более локальном уровне, вероятнее всего, изменения в химическом составе почв являются ответственными за различия в концентрациях витамина С в плодах черники и брусники из центра и периферии тектонического узла. Кроме того, ранее авторами инструментально зафиксировано, что в центре узла выпадает меньшее количество жидких атмосферных осадков [2], их количество на 26–38% ниже по сравнению с периферией [10]. Выпадение снега на периферии узла происходит раньше (при большей глубине снежного покрова), а стаивание – позже [10]. Все это снижает сезонное промывание почв и, как следствие, вызывает концентрирование микроэлементов, в том числе и аскорбиновой кислоты в ягодах черники и брусники.

ВЫВОДЫ

Резюмируя все вышесказанное, а также, учитывая предыдущие исследования по данной тематике, можно сделать вывод, что тектонические узлы, как наиболее активные структурообразующие элементы геологической среды, несомненно, оказывают влияние на биологическую составляющую окружающей природной среды.

В районах тектонических узлов формируются участки с аномальными характеристиками свойств окружающей среды, как на количественном, так и на качественном уровнях. Причем эти изменения прослеживаются и по латерали, и по вертикали.

Несмотря на то что исследуемые тектонические узлы отличаются друг от друга по целому ряду параметров, наблюдаются схожие закономерности изменения параметров окружающей среды. В частности, в пределах трех изученных на данный момент тектонических узлов изменяется количественное содержание аскорбиновой кислоты (витамина С) в плодах черники и брусники. В плодах кустарничков, произрастающих в центре узла, концентрации витамина С всегда выше, по сравнению с ягодами с периферии. Так, для ягод черники из Холмогорского узла разница составляет порядка 37%, Плесецкого – 59% для черники и 62% для брусники, Вельско-Устьянского – около 56% в плодах брусники.

Предварительно подобную закономерность можно объяснить глубинной дегазацией по тектоническим узлам, обусловливающую различия в химическом составе почв в центре и на периферии тектонических узлов. Подобная тенденция прослеживается и для других тектонических узлов на территории Архангельской области.

Исследования проведены в рамках государственного задания № 122011300380-5 Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики им. Н.П. Лаверова Уральского отделения Российской академии наук; а также при поддержке конкурса научных проектов молодых ученых ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН, посвященного Десятилетию науки и технологий в Российской Федерации № 122111000008-8.