Океанология, 2020, T. 60, № 2, стр. 302-314

ВВЕДЕНИЕ

Курорт Анапа занимает ведущее место на российском рынке санаторно-курортного и детского отдыха [34]. Одной из основных ценностей курорта являются песчаные пляжи Анапской пересыпи, представляющей крупную аккумулятивную форму, расположенную в северо-западной части кавказского побережья Черного моря между Таманским п-вом на севере и Анапским мысом на юге. Длина пересыпи около 45 км [21], ширина – от 80 м в северной части до 1.5 км в южной (рис. 1).

Рис. 1.

Расположение точек отбора проб материала для гранулометрического анализа.

Анапская пересыпь сложена преимущественно кварцевым песком с примесью ракушечного материала. В составе отложений также присутствует гранат, кварциты, полевой шпат и др. Характерной особенностью Анапской пересыпи является наличие развитых эоловых аккумулятивных форм и вдольбереговых подводных валов [12, 14, 15, 21]. Пояс дюн высотой до 15 м имеет ширину 50–170 м, причем наблюдается как разрушение существующих дюн, так и формирование новых [23, 26]. На подводном склоне имеется 1–3 субпараллельных вала, конфигурация и рельеф которых изменяется в зависимости от гидродинамической ситуации [2, 9, 13, 26, 48]. Материал подводных валов находится в непрерывном движении, но не покидает литодинамическую систему. В последние десятилетия наблюдаются [26] признаки деградации пляжей Анапской пересыпи (на некоторых участках их ширина сократилась на 50 м), что требует принятия незамедлительных мер по их защите и восстановлению. Для эффективного использования и охраны Анапской пересыпи от неблагоприятных природных и антропогенных воздействий необходимо комплексное изучение всех компонентов ее геосистемы, протекающих лито- и гидродинамических, биологических процессов [19–21].

Вопросом о происхождении как самой пересыпи, так и слагающего ее материала, впервые задался А.Ф. Флёров в своих работах, посвященных песчаным ландшафтам Черноморских побережий [36, 37]. В 1951–1952 гг. изучением вопросов стратиграфии, геоморфологии и истории развития пересыпи занимался Е.Н. Невесский. Он произвел морские работы, сделав на участке пересыпи и далее к западу 12 морских разрезов, детально осветивших строение подводного берегового склона [31–33]. Большую работу по изучению литодинамических процессов Анапской пересыпи проделали сотрудники Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Тут проводили исследования Зенкович [11–15], Лонгинов [29], Айбулатов [1–4] и многие другие. Изучением происхождения и динамики подводных валов, играющих важную роль в гидро-литодинамической системе пересыпи, занимался Егоров [9–11], им же были проведены здесь и первые морские разрезы. В 1977 г. в районе пос. Витязево проводились исследования движения взвешенного материала, включая зону валов. Получены важные данные по гранулометрическому составу подводного склона Анапской пересыпи [5].

Сотрудниками географического факультета МГУ П.А. Каплиным, А.В. Поротовым и др. [17] проведены комплексные палеогеографические исследования, направленные на реконструкцию изменения уровня Черного моря за последние 3–4 тыс. лет, выявление региональных особенностей развития побережья, в частности, условий формирования Бугазской пересыпи. Я.А. Измайлов выполнил реконструкцию истории формирования Анапской пересыпи, в том числе – анализ происхождения слагающего ее материала [16]. В целом, определение бюджета наносов всей литодинамической системы Анапской пересыпи является проблемой, не решенной до настоящего времени. Определением бюджета наносов в целом для побережья Черного моря занимался Ю.Д. Шуйский, он привел наиболее значимые приходные и расходные статьи бюджета наносов [38, 39]. Как указывает Сафьянов [8, 35], ведущим процессом расхода наносов является их потеря на создание аккумулятивных форм рельефа и на выход за морскую границу береговой зоны. Из береговой зоны выносится в основном мелкозернистый материал, тогда как на создание аккумулятивных форм в основном расходуется крупнообломочный. Важным элементом литодинамического баланса Анапской пересыпи являются эоловые процессы: потери песка из-за преобладания ветров в сторону берега превышают поступление осадков в береговую зону. Первые исследования эоловых процессов на Анапской пересыпи были выполнены Егоровым [10]. Н.А. Айбулатовым в районе Витязево был проведен цикл измерений и построен график зависимости между скоростью ветра и объемом перемещающихся масс песка [2].

Наиболее обширная информация, касающаяся как теоретических аспектов эолового процесса на морском берегу, так и количественных характеристик по реальным измерениям на песчаных косах и пересыпях северо-запада Черного моря, приведена в монографии Выхованец [6]. Ее многолетние исследования, дополненные анализом работ других авторов, раскрыли взаимосвязи между рельефом, растительностью, составом и состоянием поверхности наносов, эволюцией эоловых форм. В свою очередь, подобные взаимосвязи непосредственно на Анапской пересыпи много лет исследует Кравцова [23–25], на основе натурных и дистанционных исследований составившая детальную карту ландшафтно-морфологической структуры всей Анапской пересыпи.

Вопрос о роли сообществ живых организмов в балансе карбонатных пляжей активно исследуется зарубежными авторами. Обзор современных осадочных карбонатов и слагаемых ими пляжей дан в монографии Milliman [49], но данных для понимания функционирования и эволюции литодинамической системы еще недостаточно [45]. Одним из источников пляжеобразующего материала для Анапской пересыпи является выброс ракуши с прилегающих пространств морского дна. Важнейшей чертой этой составляющей бюджета наносов является, с одной стороны, непрерывное возобновление в ходе воспроизводства бентоса, с другой – более быстрое истирание раковин в сравнении с кварцевым песком. Скорость абразии раковин моллюсков исследовали Chave [40], Driscol [42], Force [44]. В серии опытов по испытанию на прочность во вращающемся барабане, в котором в качестве абразионного агента использовался кремнистый сланец, Chave [40] показал, что раковины моллюсков и частицы кораллов истираются существенно медленнее, чем фрагменты скелетов мшанок, балянусов и морских ежей. Только 16% моллюсков размером 4–8 мм истерлось после 1400 ч вращений барабана при скорости 60 оборотов в мин, что соответствует перемещению на 3500 км. Эти данные дают основания полагать, что на пространствах с крупнозернистыми карбонатными осадками, подверженных длительному влиянию энергий высоких мощностей, каковыми являются пляжи, механическая абразия является важным, хотя и медленным процессом. Основному воздействию выброшенные со дна моря раковины моллюсков подвергаются у уреза воды, в прибойной зоне. Изменения областей распространения, видового состава, численности и биомассы живых черноморских моллюсков, происходящие в последние десятилетия [30], отражаются на объемах аккумуляции раковин в прибрежных осадках.

Важным элементом изучения современной трансформации геосистемы Анапской пересыпи является исследование пространственных характеристик состава современных наносов и их динамики, а также выявление взаимосвязи этих изменений с лито- и гидродинамическими процессами. Кроме того, данные о механическом составе наносов необходимы для математического моделирования гидролитодинамических процессов [22]. В рамках данной работы представлены результаты гранулометрического анализа осадков, слагающих Анапскую пересыпь, и дана количественная оценка роли раковин живых двустворчатых моллюсков в их восполнении.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

С 2012 по 2018 гг. на Анапской пересыпи ежегодно производился отбор проб наносов для комплексного анализа. Одновременно выполнялись батиметрическая съемка, водолазное обследование подводного склона с описанием состояния донных отложений, исследование рельефа морфологических зон пляжа и дюнного пояса.

Для площадного гранулометрического анализа осадков в 2012 и 2015 гг. вдоль всей Анапской пересыпи были отобраны пробы по створам, расположенным через 1 км (всего 46 створов и 184 пробы). Для отбора проб были определены наиболее репрезентативные (с точки зрения условий формирования состава наносов) морфологические элементы рельефа [27, 28, 43]. Пробы отбирались на вершине дюны, в середине пляжа, на гребне наиболее выраженного подводного вала (глубина над гребнем вала варьируется от 1.3 до 4.1 м) и на подводном береговом склоне (фиксированная глубина 7 м – мористее зоны формирования подводных валов). Для мониторинговых исследований в другие годы пробы отбирались на отдельных створах. Пробы отбиралась точечным методом из поверхностного слоя (10–15 см). Такая толщина исследуемого слоя позволяет снизить влияние на статистические показатели грансостава ракушечных остатков, образующихся на поверхности грунта под влиянием ветра или течений.

Анализ гранулометрического состава образцов проводился в лаборатории литодинамики и геологии ЮО ИО РАН. Разделение на фракции осуществлялось ситовым методом без промывки водой: образцы грунта высушивались на воздухе до постоянной массы, а потом просеивались через сита. Для анализа гранулометрического состава проб использовался сепаратор-просеивающий СПЭ, оснащенный ситовым набором СЛМ-200. Были получены данные со следующими диапазонами размеров фракций в мм: ≥9.5; 9.5–7.5; 7.5–5.0; 5.0–4.0; 4.0–3.0; 3.0–2.5; 2.5–2.0; 2.0–1.6; 1.6–1.25; 1.25–1.0; 1.0–0.8; 0.8–0.63; 0.63–0.5; 0.5–0.4; 0.4–0.315; 0.315–0.25; 0.25–0.2; 0.2–0.16; 0.16–0.125; 0.125–0.1; 0.1–0.08; 0.08–0.063; 0.063–0.05; 0.05–0.04; ≤0.04 мм. Более мелкие фракции не исследовались, так как их влияние на литодинамические процессы береговой зоны Анапской пересыпи ничтожно.

Типизация грунтов и обработка результатов механического анализа проводилась с учетом нормативов ГОСТ 25 100-2011 “Грунты. Классификация” [7]. Пески подразделялись на пять классов: грубые пески (2–1 мм), крупные (1‒0.5 мм), средние (0.5‒0.25 мм), мелкие (0.25–0.10 мм), тонкие (0.10–0.05 мм). Для графического представления результатов и анализа вдольбереговой изменчивости крупности наносов использовался показатель D₅₀. D₅₀ – диаметр, определяющий границу, ниже и выше которой находится 50% частиц (средний диаметр частиц). D₅₀ определяется по кривой неоднородности грунта, построенной в полулогарифмических координатах.

Кроме того, для анализа вещественного состава использовался цифровой микроскоп с коэффициентом увеличения 10×–300× и возможностью цифровой фото- и видеосъемки проб. Определение содержания карбонатной и минеральной составляющей проводилось с помощью 30% раствора соляной кислоты. Согласно [13, 16], в составе отложений Анапской пересыпи фактически отсутствуют терригенные карбонаты, характерные как для современных наносов реки Кубань, так и для наносов флишевых берегов южнее Анапы. Таким образом, все выделенные карбонаты мы относили к продуктам жизнедеятельности раковинных моллюсков.

Отбор проб двустворчатых моллюсков для расчета объемов поступающего в осадки раковинного материала производился водолазами на разрезах 7, 18, 24, 29 и 40 со станциями на глубинах 2, 6 и 10 м в 2016–2018 гг. Пробы отбирались в трех повторностях с рамки площадью 0.1 м². Собирали слой песка под рамкой толщиной около 3 см, просеивали сквозь сито с ячеей 1 мм и отбирали живых моллюсков, которых затем обсушивали на воздухе, считали, взвешивали с точностью до 0.1 г и измеряли длину раковины от переднего аддуктора к заднему с помощью штангенциркуля с точностью до 0.1 мм. Возраст живых моллюсков определялся по линиям наружного роста на раковине [50].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Механический и вещественный состав осадков. По результатам гранулометрического анализа во всех морфологических зонах Анапской пересыпи (подводный склон, подводные валы, пляж, дюны) преобладают мелкие пески и пески средней крупности (рис. 2). На подводном береговом склоне вдоль всей пересыпи на глубине 7 и более метров преобладают мелкие пески. На подводных валах только в трех створах (22, 23, 25) в 2015 г. преобладал песок средней крупности, на всех остальных – мелкий песок. Наиболее разнообразен механический состав пляжевых отложений: в створе 14 преобладает грубый песок, в створах 18, 19, 20 и 25 – крупный, в створах 9 и 14–44 песок средней крупности, на створах 0–8, 10–13 и 45 – мелкий песок. На дюнах преобладает мелкий песок, лишь на створах 18–29 и 33–44 – песок средней крупности.

Рис. 2.

Вдольбереговое изменение крупности наносов (выражено в d₅₀) в 2012 г. (пунктирная линия) и 2015 г. (сплошная линия) годах по морфологическим зонам: (а) – дюны; (б) – пляж, (в) – гребень подводного вала (в 2012 г. пробы отбирались не по всем створам); (г) – глубина 7 м (в 2012 г. пробы не отбирались).

При рассмотрении вдольберегового изменения размера частиц заметно, что крупность песка увеличивается в направлении от краев пересыпи к ее центру (рис. 2). Вероятно, это обусловлено значительно более интенсивным волновым воздействием в центральной части пересыпи. Экранирующее влияние мысов у краев пересыпи способствует ослаблению волн и накоплению более мелких частиц.

В поперечном изменении гранулометрического состава наблюдаются следующие закономерности: на пляже обнаруживается более крупный, плохо отсортированный песок, на дюнах и подводных валах песок мелкий и средней крупности, который в целом хорошо отсортирован, на глубине 7 м песок мелкий и хорошо сортированный. В распределении гранулометрического состава на подводных валах наблюдается зависимость от глубины над вершиной вала – чем глубже, тем мельче песок (рис. 3). Такая закономерность может отражать интенсивность движения воды над гребнем вала, более высокую на меньших глубинах. На дюнах же наблюдается зависимость от высоты дюны – чем выше, тем мельче песок (рис. 4). Вероятно, это обусловлено параметрами ветрового потока, не способного поднять более крупные частицы на большую высоту.

Рис. 3.

Распределение d₅₀ в зависимости от глубины подводного вала по данным 2015 и 2012 гг. 1 – 2015 г., 2 – 2012 г., 3 – линейная (2015), 4 – линейная (2012).

Рис. 4.

Распределение d₅₀ в зависимости от высоты дюны по данным 2015 г. 1 – данные 2015 г., 2 – линейная аппроксимация.

При анализе кривых распределения гранулометрического состава осадков Анапской пересыпи хорошо видно, что до 60% массы отложений на пляже и дюнах представлено фракцией 0.16–0.3 мм. В кривых распределения гранулометрического состава пляжевых отложений также присутствуют дополнительные пики, в которых содержание фракции 0.5–0.6 мм достигает 25%, фракции более 1 мм – 15%. На подводных валах до 60% материала представлено фракцией 0.16–0.25 мм, а также до 10% – фракцией 0.6 мм. На глубине 7 м до 60% материала представлено фракцией менее 0.18 мм (рис. 5).

Рис. 5.

Пример графиков распределения по механическому составу в створе 24 в 2015 г.: 1 – дюна, 2 – пляж, 3 – подводный вал, 4 – глубина 7 м.

Отметим также, что в составе песка крупностью до 0.4 мм на 85–96% преобладают минеральные составляющие (кварц, кварциты, гранат, полевой шпат и др.), а песок крупнее 0.4 мм состоит в основном из обломков раковин. Данный факт подтверждается как визуальным анализом вещественного состава (рис. 6), так и химическим анализом (табл. 1).

Рис. 6.

Пример состава отложений Анапской пересыпи по пробе с подводного вала в створе 24 по данным 2015 г. (шаг шкалы – 0.25 мм).

При сравнительном анализе данных 2012–2018 гг. видно, что крупность и состав песка существенно не изменились (рис. 2 и 7), что указывает на относительную стабильность Анапской пересыпи.

Рис. 7.

Графики распределения наносов по механическому составу в разные годы в створе 24 на глубинах 2 м (вверху), 6 м (в центре) и 10 м (внизу). 1 – 2015 г., 2 – 2016 г., 3 – 2017 г., 4 – 2018 г. В 2012 г. измерений не было.

Биогенные карбонаты. Основными производителями карбонатов в песках пересыпи являются два наиболее массовых вида двустворчатых моллюсков: Chamelea gallina (хамелии) и Donax trunculus (донаксы). Их продуктивность в разные годы на разных створах и глубинах неодинакова (табл. 2). Так, в 2017–2018 гг. по сравнению с 2016 г. наблюдалось значительное сокращение биомассы практически по всем точкам отбора.

Доля карбонатов в песках колебалась от 3 до 32%, составляя в среднем 11% (табл. 3), при этом увеличение карбонатной составляющей в донных осадках не связано напрямую с увеличением биомассы живых моллюсков на данном участке (обнаружена лишь очень слабая обратная зависимость этих величин, r = –0.22). Вероятно, различная доля карбонатов в осадках отдельных участков пересыпи объясняется вдольбереговой миграцией наносов, нежели распределением моллюсков на дне.

Количество раковин моллюсков, ежегодно поступающих в осадки пересыпи, оценено по следующей схеме (табл. 4). Судя по данным, полученным в 2010 г. [18], и подтвержденных нами в 2016–2018 гг., пояс массового развития хамелий находится на глубинах 6–10 м, а донаксов – 2–10 м. Масса раковины хамелии составляет в среднем 0.77 от общего сырого веса моллюска, донакса – 0.69 (на основании измерений 50 экземпляров каждого вида).

Данные о размерно-возрастной структуре популяции хамелий [47] показывают, что в 2016–2017 гг. наибольшую численность в популяции имели годовики с длиной раковины около 5–9 мм, в 2018 г. – 2–3-летние особи с длиной раковины 11–15 мм (рис. 8). Главной причиной гибели хамелий в прибрежье Анапы является брюхоногий моллюск рапана (Rapana venosa) – избирательный хищник, истребляющий наиболее крупных жертв [46]; большая часть съеденных им хамелий имела длину раковины не менее 15 мм. То есть можно считать, что средняя продолжительность жизни хамелий в прибрежье Анапы не превышает 3 лет (хотя встречаются единичные особи, достигшие 8-летнего возраста). Учитывая зависимость массы тела хамелеи от длины раковины и частотное распределение длин раковин в 2016–2018 гг. (рис. 8–9), можно посчитать, что на долю 2–3-летних особей в 2016 г. приходилось около 53% общей массы раковин, в 2017 – 35%, в 2018 – 95% (табл. 4).

Рис. 8.

Распределение размеров Chamelea gallina в 2016–2018 гг. 1 – 2016 г., 2 – 2017 г., 3 – 2018 г.

Рис. 9.

Зависимость сырой массы C. gallina и D. trunculus от длины раковины. N = 50. 1 – C. gallina, 2 – D. trunculus.

Определение возраста донаксов по раковине затруднительно, но, сопоставляя наши данные с данными Deval [41], можно предположить, что подавляющее большинство особей в популяции имеет возраст до года (длина раковины менее 13 мм), на порядок меньшее число – более 1 года (длина раковины 13–19 мм – размер достижения половозрелости, согласно [41]) и только единицы достигают 2 и более лет (длина раковины более 20 мм) (рис. 10). При этом на долю годовиков приходится около 94% биомассы (рис. 9).

Рис. 10.

Распределение размеров Donax trunculus в 2016–2018 гг. 1 – 2016 г., 2 – 2017 г., 3 – 2018 г.

Ширина пояса массового развития C. gallina на глубинах 6–10 м составляет приблизительно 400 м, D. trunculus на глубинах 2–10 м – 900 м. Суммарная масса раковин хамелий и донаксов, рассчитанная на погонный метр пляжа, представлена в табл. 4. Можно заметить, что максимальная масса раковин поступила в осадки в 2016 г., минимальная – в 2017 г., а в 2018 г. она немного увеличилась. Можно также отметить, что доля раковин донаксов в общей массе карбонатов резко уменьшилась в 2018 г.: если в 2016 г. она составила 60% (был всплеск численности), а в 2017 г. – 61%, то в 2018 г. – только 28%. Масса раковин хамелий, поступивших в осадки в 2016 и 2018 гг., была практически одинакова, так как, несмотря на почти вдвое большую биомассу моллюсков в 2016 г., половина их имела возраст до года, в то время как в 2018 г. таких особей было только 5%. В 2017 г. масса раковин хамелий сократилась более чем втрое, что могло быть связано с высокой численностью рапаны в 2016 г. В 2017 и 2018 гг. ее численность упала, что могло поспособствовать увеличению в 2018 г. доли взрослых особей в популяции [47].

Длина изучаемого участка Анапской пересыпи – 45 км. В 2016 г. на пляж в результате жизнедеятельности моллюсков поступило 7834.5 т биогенных карбонатов, в 2017 г. – 2227.5 т, в 2018 г. – 4257 т. По данным Косьян с соавт. [18], пересчитанным по вышеприведенной схеме на всю длину пересыпи (45 км), в 2010 г. в осадки поступило 4555.4 т. Как видим, объем ежегодного поступления карбонатов в прибрежную полосу весьма изменчив, поскольку продукция моллюсков подвержена сильным межгодовым колебаниям. Учитывая среднюю массовую долю карбонатов в песках Анапской пересыпи – 11%, вклад ракушечного материала в общий бюджет наносов вполне заметен. Значительное сокращение продуктивности моллюсков, вероятно, может усилить деградацию всей пересыпи. Соответственно, для повышения устойчивости Анапской пересыпи необходимо принимать меры по защите не только рельефа и наносов надводной части пересыпи, но и прибрежных донных биоценозов.

ВЫВОДЫ

При рассмотрении вдольберегового изменения размера частиц видно, что крупность песка увеличивается в направлении от краев пересыпи к ее центру.

В поперечном распределении гранулометрического состава отложений Анапской пересыпи хорошо видно, что наиболее мелкий песок отлагается на глубине 7 м, а наиболее крупный – на пляже.

В распределении гранулометрического состава на подводных валах наблюдается прямая зависимость от глубины над вершиной вала – чем глубже, тем мельче песок.

В распределении гранулометрического состава на дюнах также наблюдается прямая зависимость от высоты вершины дюны – чем выше, тем мельче песок.

При сравнении данных 2012–2018 гг. видно, что крупность и состав песка существенно не изменились.

Средняя массовая доля карбонатов в песках Анапской пересыпи – 11%, а ежегодный вклад ракушечного материала в общий баланс наносов составляет более 4000 т. Эти данные указывают на положительную роль прибрежных моллюсков в поддержании стабильности берегов и важность принятия мер по защите прибрежных донных сообществ.

Источник финансирования. Исследования проводились в рамках работ по теме Госзадания № 0149-2019-0014. Натурные наблюдения, камеральная обработка полевых данных и анализ литературы выполнялись при поддержке грантов РФФИ № 18-05-80035, № 18-55-34002, № 18-05-00333, № 19-45-230001, № 19-45-230004, № 19-05-00041.