Океанология, 2020, T. 60, № 6, стр. 930-944

ВВЕДЕНИЕ

Понимание механизмов, определяющих способность компонентов морских экосистем к ассимиляции определенного количества различных загрязнителей, в том числе и техногенных радионуклидов, имеет не только экологическое, но и социально-экономическое значение и лежит в основе оценки накопленных экологических рисков. Отсутствие достаточных знаний в этой области определяли некоторый перекос в области обоснования и обеспечения безопасной эксплуатации объектов атомной отрасли в сторону неоправданного ужесточения экологических требований, что приводит, в том числе, и к дополнительным экономическим затратам [6].

В ходе реализации советского атомного проекта во второй половине ХХ века были созданы основные радиохимические предприятия – ПО “Маяк”, Сибирский химический комбинат (СХК) и Красноярский горно-химический комбинат (КГХК) – расположенные в водосборных бассейнах Оби и Енисея на широте 55–56° с.ш. В результате их работы часть жидких радиоактивных отходов (ЖРО) с различными уровнями активности попадала в гидрографические сети, что допускалось существовавшим в то время регламентом. В итоге радиоактивное загрязнение в составе пресноводного стока из водосборных бассейнов Обской губы и Енисейского залива поступало в область смешения с водами Карского моря [12, 18, 27]. При этом часть глобальных выпадений радиоактивности, осаждающаяся на соответствующих водосборных площадях в 6.1 млн км², также вступала в процессы миграции в виде твердого и жидкого стока.

Геохимическая барьерная зона (ГБЗ) “река–море” [4], южная граница которой в нашем случае расположена в эстуариях Оби и Енисея, играет ключевую роль в предотвращении свободного продвижения радионуклидов в морские экосистемы и их дальнейшего широкого распространения с морскими течениями.

В целом механизм работы такой ГБЗ определяется влиянием целого ряда внутренних геохимических барьеров. Резкое замедление скорости речного потока приводит к интенсивному осаждению частиц крупнее “стоксовской” величины (5–10 мкм). При смешении с морской водой, являющейся электролитом, частицы размером менее 2–5 мкм сорбируют органические кислоты. Начинается процесс смены заряда с отрицательного на положительный или нейтральный [3, 11]. Происходит слипание диспергированных частиц (коагуляция), увеличение их размера и ускорение осаждения. При увеличении солености флокуляция приводит к выпадению в осадок хлопьями и части того материала, который поступает в область ГБЗ в растворенных формах. Все перечисленные обстоятельства определили то, что эстуарии и примыкающие к ним участки моря являются областями лавинной седиментации [3, 10]. Происходит осаждение огромных масс взвешенного вещества, вместе с которым переходят в осадок и радиоактивные загрязнители [2, 31].

Несмотря на то, что в эстуарии Оби и Енисея поступило рекордное для любого арктического моря количество радионуклидов, катастрофы не случилось, т.к. установленные уровни активности хотя и вызывали тревогу, но, как оказалось, не представляли серьезной опасности [13, 28, 31].

Устойчивость экосистем в условиях постоянного действия природных и антропогенных факторов определяется их способностью к самоочищению. Оно связано с разрушением или нейтрализацией загрязнителей в результате естественных природных процессов: физических, химических и биологических. Не менее важной составляющей, повышающей долговременную устойчивость экосистемы к радиационному или иному загрязнению, являются ее транзитные свойства, благодаря которым поллютанты естественным путем могут перемещаться за ее пределы или “консервироваться” без контакта с подвижными компонентами среды и биотой. Такая комплексная оценка воздействия загрязнителей на экосистемы называется биосферным подходом [6].

Применение биосферного принципа при оценке уязвимости и радиационной защите водных объектов позволяет разрешить большинство противоречий между антропоцентрическими и экологическими подходами [6], а оценка радиоэкологической емкости отождествляется с ассимиляционной емкостью и способностью экосистем к самоочищению [5, 7, 15].

Донные осадки в ГБЗ “река–море” формируются в результате совмещения целого ряда относительно независимых процессов, связанных с изменением гидродинамики и гидрохимической структуры водной толщи, глубиной дна, удаленностью от основных областей сноса, различиями питающих провинций и т.д. [9]. Анализ фациальной изменчивости поверхностного слоя донных отложений Обь-Енисейского мелководья и эстуариев обеих рек показал, что современные литофации района, характерные и для Обской губы, и для Енисейского залива, указывают на сходство седиментационных процессов [8]. Литологические исследования, проведённые в изучаемом районе, показали, что в донных осадках присутствует весь спектр гранулометрических фракций от пелитов до песков [8, 29], что в существенной степени влияет на способность донных осадков аккумулировать радиоактивные загрязнители.

Целью настоящей работы была оценка механизмов и скорости самоочищения экосистем крупнейших арктических эстуариев рек Оби и Енисея и прилежащего шельфа Карского моря от радиоактивного загрязнения, поступающего с континентальным стоком.

МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В основу исследований положены материалы по двум районам Карского моря, собранные в ходе двух этапов работ, разделенных во времени интервалами около 17 лет и 21 года соответственно. Область исследований охватывала северные части эстуариев Оби и Енисея и южную часть Обь-Енисейского мелководья (рис. 1).

Рис. 1.

Положение района исследований в Карском море (прямоугольник в центре рисунка).

Первый этап включал в себя четыре экспедиции, выполненные в период с 1995 по 2001 гг. на НИС “Академик Борис Петров” (код станций – BP) в ходе совместных работ с Институтом геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ) и Институтом морских полярных исследований им. Альфреда Вегенера (AWI). Работы второго этапа были проведены в трех экспедициях Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН на НИС “Профессор Штокман” (код станций – PS) в 2014 г. (128-й рейс) и на НИС “Академик Мстислав Келдыш” (код станций – AMK) в 2016 и 2019 г. (66-й и 76-й рейсы).

Одним из основных результатов работ первого этапа стала схема “Распределение радиоцезия в верхнем слое донных осадков Карского моря”, построенная нами на основе материалов, полученных на 160-ти морских станциях [13]. На большей части обследованной донной поверхности моря активность ¹³⁷Cs составляла 0–5(10) Бк/кг, что было принято нами за условно-фоновый диапазон. На этом фоне выделялись четыре аномальных участка, в которых активность ¹³⁷Cs превышала 15 Бк/кг. Два из них с активностью до 30–35 Бк/кг находились в восточной части Карского моря: Вайгачская зона повышенной активности (ЗПА) восточнее пролива Карские Ворота и Новоземельская ЗПА у берегов о. Северного от залива Цивольки до залива Благополучия. Аномалии с активностью до 80 Бк/кг в верхнем слое осадков были обнаружены во внешних частях эстуариев Оби и Енисея и распространялись на южную часть Обь-Енисейского мелководья. На основании полученных материалов в донных отложениях этой области были установлены Обская и Енисейская ЗПА радиоцезия с внешней границей в 15 Бк/кг (рис. 2).

Рис. 2.

Расположение Обской (ОЗПА) и Енисейской (ЕЗПА) зон повышенной активности и точек отбора проб донных отложений. 1 – 15–20 Бк/кг; 2 – 20–25 Бк/кг; 3 – 25–30 Бк/кг; 4 – 30–80 Бк/кг; 5 – станции первого этапа; 6 – станции второго этапа.

Протяженность Енисейской ЗПА составляла 340 км вдоль западного берега п-ова Таймыр при ширине в 40–60 км. Обская ЗПА имела такую же ширину и протяженность с юга на север 320 км. Внутреннее строение обеих ЗПА определялось влиянием морфологии донной поверхности и структурой фронтов в ГБЗ, что в результате привело к формированию в обеих ЗПА трех последовательно расположенных загрязненных участков, имеющих свои отдельные максимумы не только в верхнем слое, но и в вертикальных разрезах (рис. 2).

При выполнении исследований второго этапа в пределах южной и центральной частей Енисейской ЗПА в 2014 и 2016 гг. были отобраны колонки донных отложений на 11 станциях. При этом 8 станций для обеспечения повторных наблюдений были выполнены в тех же координатах, что и станции первого этапа, на которых были установлены наиболее высокие уровни удельной активности ¹³⁷Cs, а одна (АМК-5344), контрольная – за пределами Енисейской ЗПА (рис. 2, табл. 1).

В контуре Обской ЗПА повторный отбор колонок был проведен в 2019 г. на шести станциях: по две в северной, центральной и южной частях. Здесь также все колонки были получены в точках с координатами станций первого этапа, в которых отмечались максимальные уровни активности радиоцезия как в верхнем слое осадков, так и ниже по кернам (рис. 2, табл. 1 ). Одна колонка, седьмая, была отобрана в 2016 г. в точке станции АМК-5326 в 580 м южнее станций ВР-9712/АМК-6252.

В целом по двум зонам повышенной активности радиоцезия был получен материал в основном из одних и тех же точек наблюдения. Средние значения временнόго интервала между отборами колонок донных отложений для Енисейской и Обской ЗПА составили 16.7 и 20.8 лет соответственно, что превышает половину периода полураспада ¹³⁷Cs (Т = 30.17).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Забортные работы с отбором образцов донных отложений при проведении работ как первого, так и второго этапов проводились с применением коробчатых пробоотборников (бокскореров), а также ковшовых пробоотборников грейферного типа Океан-0.25 или Van Veen при отборе только верхнего слоя.

Используя один сборно-разборный сабкорер и второй цельный из прозрачного поликарбоната или полипропилена, из каждой пробы бокскорера получали две колонки осадка глубиной до 550 мм и диаметром 100 мм. Первая разрезалась вертикально на две половины для дальнейших литологических исследований, включая описание и опробование. Вторая колонка секционировалась горизонтально на слои по 10 мм. Каждый слой отделялся от колонки предварительным рассечением капроновой леской и срезался пластиковым резаком. При этом периферийная часть каждой полученной пробы обязательно удалялась по всей окружности пробы на расстоянии 5–8 мм от внешней кромки, чтобы предотвратить попадание материала из вышележащих горизонтов, происходящее при вертикальном движении пластичного керна вдоль стенок трубы сабкорера. Каждая проба, полученная таким образом, помещалась в чистую герметично закрывающуюся пластиковую банку. Перед отбором следующей пробы все инструменты тщательно промывались и вытирались сухой салфеткой. Далее пробы сушились при температуре 60°С до воздушно-сухого состояния.

Определение удельной активности техногенного ¹³⁷Cs, а также природных радионуклидов ⁴⁰К, ²²⁶Ra, ²³²Th проводилось γ-спектрометрическим методом анализа в лаборатории Радиогеологии и радиогеоэкологии ИГЕМ РАН (аналитики А.Л. Керзин и Р.В. Соломенников). Измерения воздушно-сухих проб проводили на сцинтилляционном γ-спектрометрическом комплексе, оснащенном двумя низкофоновыми NaI(Tl)-детекторами размером 160 × 160 мм с колодцем 55 × 110 мм. Длительность экспозиций составляла 3600 с. Параллельно, в целях контроля точности измерений, использовался низкофоновый γ-спектрометр с полупроводниковым HpGe детектором GEM-4519 и амплитудным анализатором 919 EG&G ORTEC с последующей обработкой информации специальными программными средствами. Длительность экспозиций составляла 28 800 с.

Для каждой из 47-ми колонок, отобранных в ходе первого этапа исследований, и для 15 колонок второго этапа были построены диаграммы вертикального распределения ¹³⁷Cs по слоям с шагом 10 мм, отражающие удельную активность радиоцезия в каждом слое.

С целью проявления закономерной составляющей распределения ¹³⁷Cs относительно менее упорядоченных флуктуаций в вертикальном разрезе осадков применялся метод сглаживания полученных данных – аппроксимация, то есть эмпирический подбор функции y = φ(х), наилучшим образом показывающей тренд неслучайной изменчивости зависимой переменной y во временнóм ряду. В нашем случае независимой переменной x является отметка глубины пробы донного осадка, а зависимой переменной y – удельная активность радиоцезия.

При работе с экспериментальными данными или с результатами химических анализов компонентов природной среды подбор вида функции не имеет строгого решения. Как правило, решение этой задачи опирается на опыт и интуицию исследователя, но возможен и “слепой” перебор из конечного числа функций и выбор лучшей из них [17]. Расчет параметров функций и построение линий трендов производилось программными средствами пакета Microsoft Excel с одновременным вычислением коэффициента детерминации (R ²), который позволяет оценить качество смоделированного тренда. В диапазоне значений от 0 до 1 он отражает величину корреляции между наблюдаемыми значениями и полученными в результате аппроксимации. При выборе вида функциональной зависимости φ(х) мы остановились на полиномиальной аппроксимации шестой степени (y = a₀+ a₁x + a₂x²+ a₃x³+ a₄x⁴+ a₅x⁵+ a₆x⁶), для лучшего моделирования нелинейных трендов вертикальной изменчивости активности ¹³⁷Cs в большинстве рассмотренных колонок.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Различия в распределении радиоцезия в осадках Обской и Енисейской ЗПА, выявленные нами в ходе работ первого этапа, оказались явными и достаточно контрастными [12]. Ниже мы рассмотрим те изменения, которые произошли в донных осадках обеих зон за период между первым и вторым этапами исследований.

Енисейская ЗПА. Вертикальное распределение ¹³⁷Cs в Енисейской ЗПА сначала изучалось по 27 колонкам донных отложений. Глубина колонок составляла от 15 до 43 см. Максимальная активность ¹³⁷Cs, составляющая 263 Бк/кг, была установлена в горизонте осадка на глубине 5 см в точке расположения станции ВР-9732 (рис. 2). Интервал средних значений удельной активности ¹³⁷Cs по горизонтам всех 27 колонок составлял 1.18–57.68 Бк/кг, а значения полиномиальной кривой находились в диапазоне от 10 до 52 Бк/кг (рис. 3-I). В диапазоне глубины осадка от 43 до 20 см аппроксимированная кривая активности радионуклидов колебалась около значений 10–12 Бк/кг. Выше горизонта 20 см она плавно возрастала до максимальных значений функции около 52 Бк/кг на отметке 7–6 см и затем равномерно убывала до 20 Бк/кг на поверхности.

Рис. 3.

Вертикальное распределение ¹³⁷Cs (по средним значениям) в Енисейской ЗПА в различные периоды наблюдений. I – первый этап (1995–2001); II – второй этап (2014–2016).

Анализ вертикального распределения радиоцезия по данным второго этапа исследований был основан на изучении 8 колонок с вертикальной мощностью осадка от 17 до 45 см, отобранных на станциях внутри Енисейской ЗПА в пределах дистальной (внешней) и проксимальной (внутренней) частей фации эстуариев. Линия полинома, построенная по графику усредненных значений активности ¹³⁷Cs для каждого 10 мм слоя, показывает, что от самых нижних горизонтов до уровня 25 см активность варьировала в диапазоне 0–5 Бк/кг, плавно возрастая до максимума в 32 Бк/кг на отметке 11–12 см, и убывала к поверхности осадка до 12 Бк/кг (рис. 3-II).

Величина коэффициента детерминации выделенных линий тренда для данных первого и второго этапов достаточно высокая (R ² > 0.9).

Отчетливое смещение зоны максимальной активности радиоцезия примерно на 6 см в глубину осадка иллюстрирует тот факт, что поступление радионуклидов в Енисейскую ЗПА существенно снизилось, и горизонт их максимальной концентрации постепенно перекрывается новообразованным осадочным материалом. Снижение и выравнивание активности ¹³⁷Cs ниже глубины 20 см объясняется, по-видимому, не только радиоактивным распадом, но и процессами диагенеза, диффузии радионуклидов и биотурбации.

Особенно ярко проявились изменения, произошедшие за период 17–19 лет в двух точках наблюдения ВР-9732/АМК-5343 и ВР-9932/АМК-5347 (рис. 2), где в одних и тех же координатах был сделан повторный отбор колонок осадка. Эти изменения иллюстрируют графики, представленные на рис. 4 и 5.

Рис. 4.

Вертикальное распределение ¹³⁷Cs в осадках проксимальной части фации эстуариев в точке расположения станций ВР-9732 (серое + сплошная линия) и АМК-5343 (черное + пунктирная линия).

Рис. 5.

Вертикальное распределение ¹³⁷Cs в осадках дистальной части фации эстуариев в точке расположения станций ВР-9932 (серое + сплошная линия) и АМК-5347 (черное + пунктирная линия).

Максимальная измеренная активность радиоцезия в донных осадках Енисейской ЗПА в точке ст. ВР-9732, где была отобрана колонка в 1997 г., составляла 263 Бк/кг. Этот пик располагался в глубине осадка на горизонте 5 см (рис. 4). Значение КД (R²) было 0.762. В этих же координатах была отобрана колонка в 2016 г. (ст. АМК-5343), что позволило зафиксировать снижение максимальной активности ¹³⁷Cs ровно в два раза до 130 Бк/кг (рис. 4). За 19 лет, разделяющие эти два пробоотбора, произошло погружение горизонтов с наибольшей удельной активностью на 6 см, а по максимуму линии полинома на 7 см. Полученные результаты позволяют оценить скорость осадконакопления в этой точке, находящейся в проксимальной части фации эстуариев, величинами от 3.16 до 3.68 мм/год.

Следует отметить, что наши данные по колонке, отобранной на станции АМК-5343, существенно отличаются от данных наблюдений ГЕОХИ (2016 г.), как по измеренным значениям удельной активности ¹³⁷Cs, так и по полученной скорости седиментации [16]. Причина этих расхождений очевидна и имеет простое методическое объяснение. Как было отмечено выше, в процессе секционирования колонок крайне важно соблюдать два простых правила: удалять периферийное кольцо пробы и тщательно мыть используемые инструменты, что позволяет уверенно избегать попадания материала из вышележащих проб (горизонтов) в нижележащие. Перемешивание осадков при несоблюдении этого методического правила приводит к частичному смещению вещества вниз и “размазыванию” более активных горизонтов и, помимо этого, снижению показателей удельной активности в определениях. В целом положение горизонтов повышенных значений активности радиоцезия, установленное нами в интервале 10–14 см по глубине колонки, совпадает с интервалом 10–19 см, приведенным в работе [16]. При этом в силу методических причин интервал горизонтов колонки с высокими значениями удельной радиоактивности, определенный в указанной работе, получился “размазанным” вниз на 5 см, т.е. более протяженным по вертикали и соответственно “менее активным”. Как следствие, методическая ошибка проецировалась и на расчеты скоростей осадконакопления [16], которые дали результаты существенно завышенные по сравнению с опубликованными ранее [14, 19, 20].

Анализ изменений радиоактивности осадков был выполнен и по материалам, полученным во второй точке с максимальными активностями ¹³⁷Cs в центральной части Енисейской ЗПА. Основой послужили колонки, отобранные на ст. ВР-9932 в 1999 г. и ст. АМК-5347 в 2016 г. (рис. 2). Изменения в распределении ¹³⁷Cs по вертикали, произошедшие в этой точке за 17 лет, также указывают на погружение в осадок уровней пиковой активности с горизонта 5 до 15 см по абсолютным значениям и с 4 до 12 см по максимумам линии полиномиального тренда (рис. 5). При этом активность в максимуме снизилась с 48 до 25 Бк/кг, т.е. также практически в два раза. Таким образом, за прошедшие 17 лет в этой точке, находящейся в дистальной части фации эстуариев, накопился слой донных отложений мощностью 8–10 см, а скорость осадконакопления может быть оценена величиной от 4.70 до 5.88 мм/год.

Полученные в настоящей работе на основании распределения радиоцезия оценки скорости седиментации в Енисейском эстуарии составляют от 3.16 до 5.88 мм в год и согласуются с данными, полученными другими методами. Например, оценки скорости осадконакопления, полученные датированием осадков по ²¹⁰Pb, составляют 4.2–4.5 мм в год для эстуариев Оби и Енисея [19]. Эти оценки по ²¹⁰Pb можно считать достаточно корректными, поскольку свинец-210, поступающий из атмосферы с постоянной скоростью, неустойчив в природных водах и легко переходит в донные отложения [21, 22].

Обская ЗПА. На первом этапе исследований анализ вертикального распределения средних значений активности ¹³⁷Cs был выполнен по материалам 20-ти колонок, глубина которых составляла от 15 до 40 см. Для Обской ЗПА в основном было характерно существенно более равномерное по сравнению с Енисейской ЗПА распределение радиоцезия в вертикальном разрезе донных осадков при отсутствии ярко выраженных пиковых интервалов. Наибольшая активность ¹³⁷Cs в 112 Бк/кг была установлена в точке станции ВР-9712 (рис. 2) на глубине 19 см в толще осадка. Величины средних значений удельной активности ¹³⁷Cs по горизонтам всех 20 колонок находились в диапазоне 0.14–34.93 Бк/кг. Размах “максимум–минимум” аппроксимирующей кривой невелик: от 19 до 24 Бк/кг (рис. 6-I).

Рис. 6.

Вертикальное распределение ¹³⁷Cs (по средним значениям) в Обской ЗПА в различные периоды наблюдений. I – первый этап (1995–2001); II – второй этап (2019).

Семь колонок донных отложений, отобранных на втором этапе исследований внутри контура Обской ЗПА, позволили проанализировать вертикальное распределение ¹³⁷Cs по состоянию на 2016–2019 гг. Были получены керны длиной от 22 до 48 см. Максимальная активность радиоцезия в 13.5 Бк/кг была измерена на глубине 9 см в колонке со станции АМК-6245 (рис. 2). Эта точка отбора совпадала по координатам со станцией ВР-9592, на которой в 1995 г. удельная активность ¹³⁷Cs в верхнем слое осадка составляла 22 Бк/кг, но колонка донных отложений не отбиралась.

Линия тренда, построенная по данным средних значений активности ¹³⁷Cs для каждого слоя по семи колонкам второго этапа, имеет достаточный для ее принятия коэффициент детерминации (R ² = 0.782). В выборке данных первого этапа эта величина была весьма мала (R ² = 0.063), что не позволяет считать линию тренда значимой. При этом размах колебаний был кратен десяткам Бк/кг, в то время как в выборке второго этапа – единицам, не достигая 8 Бк/кг (рис. 6-II). Появление очевидного тренда спустя почти 20 лет в данных второго этапа скорее всего связано с различной интенсивностью перераспределения осадочного вещества в процессе диагенеза. Если бы уменьшение активности ¹³⁷Cs было обусловлено только естественным радиоактивным распадом, форма распределения величин осталась бы прежней. Нельзя исключить и влияние биотурбации.

Положение южной части Обской ЗПА (рис. 2) пространственно совпадает с фацией донных осадков эстуариев, в проксимальной части которой существует гидродинамический барьер. Именно в этой части, в точках расположения станций ВР-9712 и ВР-9710, были зафиксированы максимальные для Обской ЗПА уровни активности ¹³⁷Cs, превышающие 100 Бк/кг. В тех же координатах станций первого этапа были отобраны колонки донных осадков на станциях АМК-6252 и АМК-6247 соответственно. Изменения, произошедшие в южной части Обской ЗПА, отражены в графиках, представленных на рис. 7 и 8.

Рис. 7.

Вертикальное распределение ¹³⁷Cs в осадках в точке расположения станций ВР-9712 (серое + сплошная линия) и АМК-6252 (черное + пунктирная линия).

Рис. 8.

Вертикальное распределение ¹³⁷Cs в осадках в точке расположения станций ВР-9710 (серое + сплошная линия) и АМК-6247 (черное + пунктирная линия).

В точке ВР-9712/АМК-6252 (рис. 7), где активность радиоцезия в поверхностных осадках на первом этапе наблюдений стала самой высокой в верхнем слое для всей Обской ЗПА и составляла 36.5 Бк/кг, она снизилась за 22 года в ~15 раз. В глубине осадка максимальные значения с 60–112 Бк/кг упали до 10–11 Бк/кг. При этом максимум линии полинома в колонке ВР-9712, составлявший в 1997 г. 55 Бк/кг, в колонке АМК-6252 в 2019 г. снизился до 8 Бк/кг, а (R ²) возрос с 0.128 до 0.705. Если рассматривать данные по этой колонке в укрупненном горизонтальном масштабе, почти линейный тренд уменьшения активности радиоцезия снизу вверх будет выражен более отчетливо. Заметим, что плотность осадков в нижних горизонтах в этой точке более высокая, чем в верхних.

В точке наблюдений ВР-9710/АМК-6247 (рис. 8), в которой уровень максимальной активности ¹³⁷Cs в 1997 г. составлял 102 Бк/кг на горизонте 4 см, наблюдались еще высокие значения на глубинах 8, 14–15 и 19 см. Однако, шестая степень полиномиальной аппроксимации для отражения этих колебаний оказывается недостаточной (R ² = = 0.413). В колонке АМК-6247 соответствие модели истинному распределению еще хуже, но, как и в примере АМК-6252 (рис. 7), можно увидеть снижение активности радиоцезия от нижних горизонтов донных осадков к поверхности.

В центральной части Обской ЗПА в области донных отложений дистальной части фации эстуариев повторный отбор донных осадков также проводился в двух точках. Одна из них, станции ВР-9592/АМК-6245, к сожалению, не имеет колонки из первого этапа наблюдений, и здесь уместно говорить об изменениях радиационного состояния только поверхностного слоя. В нем удельная активность ¹³⁷Cs снизилась за 24 года практически в 5 раз с 25 Бк/кг до фоновых значений около 5–7 Бк/кг. При этом зона максимальной активности в вертикальном профиле колонки, отобранной на станции АМК-6245, располагалась на глубине осадка 9–12.

Вторая точка наблюдений в этой части Обской ЗПА позволяет провести сравнение колонок, отобранных на станциях ВР-0182 и АМК-6245А с интервалом во времени в 18 лет. Если в 2001 г. удельные активности радиоцезия в вертикальном разрезе осадков колебались в диапазоне от 15 до 28 Бк/кг, не проявляя выраженного тренда, то в колонке, отобранной в 2019 г., отмечалось снижение активности до условно фоновых значений, отмеченных на первом этапе исследований, не только в верхнем слое, но и по глубине осадка. При этом закономерность изменений становится более выраженной: значение R ² модели аппроксимации изменилось с 0.139 до 0.725.

Северная часть Обской ЗПА, в которой повторный отбор колонок донных отложений был сделан в координатах станций ВР-9701/АМК-6243 и ВР-9751/АМК-6243А, расположена в осадках палеорусловой части фации внутреннего шельфа. Сравнивая полученные результаты, следует отметить тот факт, что в первой точке (ВР-9701/АМК-6243) также отмечается существенное снижение уровня активности ¹³⁷Cs. Если в колонке ВР-9701, отобранной на первом этапе исследований, диапазон тренда колебался от 15 до 48 Бк/кг, то в колонке АМК-6243, полученной на втором этапе через 22 года, этот диапазон составляет 0–9 Бк/кг. При этом обе кривые имеют достаточно нетипичную для Обской ЗПА конфигурацию, а именно – выраженные отдельные интервалы повышенных активностей, что более характерно для Енисейской ЗПА. Временнáя разница в расположении зоны максимальной активности в вертикальном профиле отсутствует и в обеих колонках приурочена к горизонту 9 см. Удельная активность ¹³⁷Cs в верхнем слое снизилась с 38 до 4 Бк/кг, достигнув условного фона. Для второй точки наблюдений (ВР-9751/АМК-6243А) также характерным является снижение удельной активности радиоцезия, причем, по всей длине вертикального профиля, а не только в верхнем слое.

В целом, в вертикальном распределении ¹³⁷Cs по Обской ЗПА не наблюдается настолько ярко выраженных максимумов активности, как это выявлено в Енисейской зоне, что заставляет нас быть более сдержанными при попытке интерпретации полученных данных для определения скоростей седиментации. Но по двум точкам из шести, расположенным на станциях ВР-0182/АМК-6245А и ВР-9712/5326, можно с осторожностью предположить, что максимумы активности, отмеченные в верхнем слое осадков (0–2 см), за 18–19 лет переместились вниз на расстояние около 40–50 мм. Это позволяет со всеми сделанными выше оговорками оценить скорость осадконакопления в южной и центральной частях Обской ЗПА величинами в 2.3–2.7 мм в год.

Полученные значения отличаются в 1.7–1.8 раз в меньшую сторону от результатов, приведенных ранее для точек в координатах станций ВР-9710 и ВР-9712 по материалам 1997 г. [19, 30]. Возможно, часть этих расхождений объясняется неучтенным уплотнением осадочных отложений, которое произошло за время в 18–19 лет между наблюдениями. Расхождения полученных нами данных с данными [16] оказались более существенными. Значения скорости седиментации, приведенные в [16] и полученные на материале, отобранном одновременно с нашими наблюдениями в 2016 г. на ст. АМК-5326, в 5 раз превышают наши оценки и почти в 3 раза результаты [19, 30], полученные на основе проб со станции ВР-9712, отличающейся по положению на 3 кабельтовых. Существующее расхождение в важных для региона оценках, вероятнее всего, объясняется методологическими причинами. Авторы цитируемых публикаций, например, в своих построениях опираются на ничем не обоснованное предположение, что в изучаемых колонках они “видят” след чернобыльской катастрофы 1986 г. Однако известно, что измерения плотности выпадений ¹³⁷Cs непосредственно на акватории арктических морей никем не проводились, а основное количество “чернобыльских” радионуклидов выпало в Европе и лишь около 1% предположительно (!) могло попасть непосредственно во все арктические регионы севернее 70-й широты [18, 23].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обский и Енисейский эстуарии и прилежащий мелководный шельф Карского моря являются важнейшей областью взаимодействия в глобальной системе континент–Северный Ледовитый океан. Изменения радиационного состояния донных отложений в этой области, произошедшие за рассматриваемый период около 20 лет, демонстрируют определенную геохимическую устойчивость экосистемы региона к радиационным нагрузкам и ее способность к самоочищению на многолетнем масштабе.

Наиболее яркой иллюстрацией потенциала самоочищения является практически полное исчезновение Обской ЗПА ¹³⁷Cs, в области локализации которой активность радионуклидов в донных отложениях в настоящее время находятся на уровне условно-фоновых значений для этого района Арктики, не превышающих 10 Бк/кг. Изначально более загрязненная Енисейская ЗПА “потеряла” за примерно 20 лет не менее 50% аккумулированного радиоцезия, и в настоящее время максимальные величины удельной активности ¹³⁷Cs, незначительно превышающие 100 Бк/кг, обнаружены лишь в единственной точке на трех отдельных 10 мм горизонтах осадков. Можно уверено предположить, что в течение ближайших 15–18 лет уровень загрязнения радиоцезием Енисейской ЗПА также деградирует до уровня фоновых показателей. Это может произойти лишь в том случае, если в бассейне Енисея не возобновятся сбросы ЖРО в гидрографическую сеть.

Основными факторами снижения удельной радиоактивности в осадках являются естественные процессы радиоактивного распада изотопов, диффузии радионуклидов в нижние горизонты и биотурбации осадков богатым бентосным сообществом эстуарных зон. Конкретизация границ экосистемы во многом зависит от цели исследований [25]. В случае исследований судьбы радиоактивного загрязнения нижней границей экосистемы Карского моря и эстуариев Оби и Енисея можно условно считать верхнюю границу зоны диагенеза. Именно в направлении этой границы перемещается остаточное радиоактивное загрязнение вместе с ассимилировавшим его осадком, покидая таким образом саму активно функционирующую экосистему.

В этом процессе ключевую роль играет геохимическая барьерная зона, формирующаяся в области взаимодействия речных и морских вод в эстуариях и на прилежащем морском шельфе. Эта зона на первом этапе происходящих в ней процессов не пропускает загрязнения, приносимые речными водами, осаждая его в своих пределах, а на втором этапе – после ослабления источников радиационного воздействия, обеспечивает мощный постоянный вертикальный поток взвешенного вещества, который надежно перекрывает накопленные в осадках загрязнения. На втором этапе ключевое значение приобретают параметры осадочного потока, которые отражаются в вертикальных профилях осадков.

Одним из таких естественных параметров, влияющих на геохимическую эволюцию радиационного загрязнения, являются многолетние колебания речного стока, прежде всего расходов взвешенных наносов, как главного агента переноса нерастворимых и слаборастворимых форм радиоцезия и формирования осадков в геохимической барьерной зоне. Сравнение наших графиков вертикального распределения ¹³⁷Cs в Обской и Енисейской ЗПА с графиками многолетних колебаний среднегодовых расходов взвешенных наносов Оби и Енисея [1] продемонстрировало их отчетливое сходство [13].

Вероятно, свой вклад в формирование относительно выровненного распределения ¹³⁷Cs в Обской ЗПА по сравнению с ярко выраженными обособленными интервалами его аномальных активностей в Енисейской ЗПА оказали и достаточно сложные аккумулятивно-транзитные характеристики геохимических ландшафтов водосборного бассейна Обской губы [24]. Также вероятно и воздействие ветро-волновых процессов, влияющих на особенности седиментации в пределах Обь-Енисейского мелководья на фоне существенных различий ряда параметров, которыми обусловлено ежегодное формирование Обского и Енисейского плюмов [26].

Анализ изменений вертикального распределения радиоцезия во времени позволяет сделать оценки скоростей осадконакопления в различных фациальных обстановках геохимической барьерной зоны “река–море”. Полученные величины скоростей седиментации в Енисейской ЗПА для осадков проксимальной части фации эстуариев составили от 3.16 до 3.68 мм в год, а для осадков дистальной части фации эстуариев – от 4.7 до 5.8 мм/год. В последнем случае нам представляется более достоверными нижние значения интервала, близкие к 4.7 мм/год.

Результаты настоящего исследования впервые иллюстрируют исчезновение одних ранее установленных участков радиоактивного загрязнения донных отложений и устойчивое улучшение радиационного состояния других в ключевом районе Арктики, принимающем крупнейший в регионе пресноводный сток.

Проблема оценки изменений особенностей седиментации во времени с целью датирования конкретных горизонтов донных отложений является принципиально важной при анализе геохимической устойчивости любой морской экосистемы, особенно при оценке ее способности к самовосстановлению при поступлении долгоживущих загрязнений. Получение достоверных и надежных данных позволит более уверенно прогнозировать развитие процессов самоочищения экосистемы, при этом получение таких данных требует тщательного методического подхода.

Благодарности. Авторы благодарят капитана НИС “Академик Мстислав Келдыш” Ю.Н. Горбача и весь экипаж легендарного судна. Мы особенно благодарны Г.И. Надъярных, выполнявшей трудоемкий цикл работ от пробоотбора на борту судна до пробоподготовки в лаборатории.

Источники финансирования. Работа выполнена по теме госзадания ИГЕМ РАН в части γ-спектрометрического анализа и обобщения данных литературы при финансовой поддержке РФФИ: грант № 18-05-60 246 при реализации аналитической программы, проведении экспедиционных исследований и подготовке настоящей статьи; грант № 18-05-00480 при проведении экспедиционных работ части научной группы ИГЕМ РАН.