Подводно-оползневые явления выступают существенным опосредованным источником поллютантов для материкового подножия и абиссальных равнин Северного Ледовитого океана, Норвежско-Гренландского бассейна и Северной Атлантики. В современных условиях вдоль края шельфа формируются толщи рыхлых отложений, которые под воздействием гравитационных сил периодически перемещаются вниз по каньонам. Возникают оползневые и мутьевые потоки, представляющие собой насыщенные взвесью (около 2 г/см3) суспензии, стекающие в направлении уклона дна. В результате вдоль основания материкового склона образуются аккумулятивные шлейфы и конусы выноса.

Можно предположить, что концентрация ¹³⁷Сs и ^239,240Pu в глинистых осадках материкового подножия может быть порядка 2 - 10 и 0.2 - 2.0 Бк/кг. Современный слой (1 - 5 см) жидких илов простирается на многие сотни и тысячи километров. В 1950-1990-е годы именно здесь на глубинах 2-4 км депонировались в той или иной мере искусственные радионуклиды, сносимые с подводной окраины материков.

По существу, начало мутьевым потокам дают крупные реки, выносящие вместе с огромным количеством алеврито-глинистой взвеси радиоактивные частицы. Вместе с тем мутьевые потоки захватывают с шельфа и органическое вещество (фекальные пеллеты, скелеты планктонных и бентосных организмов), также содержащие в себе изотопы цезия, стронция, плутония. Очевидно, благодаря непрерывной деятельности роющих животных осуществляется перенос химических соединений в более глубокие слои донных осадков.

Биологическая аккумуляция искусственных радионуклидов в период жизни массовых организмов приводит к формированию местного (популяционного) источника радиоактивности в море. В зависимости от продолжительности жизни морские животные избирательно депонируют в себе загрязнение на срок от 1-5 до 20-50 лет. При этом ⁹⁰Sr накапливается, главным образом, в скелете и других тканях, богатых кальцием, а ¹³⁷Cs - в основном в мягких тканях и органах. Поступление и выведение радионуклидов из организмов определяют процессы метаболизма.

Основной путь включения цезия, стронция и плутония в организм морских животных - пищевой. Существенное значение в накоплении радионуклидов организмами имеет также сорбирование указанных элементов из водной среды, что наиболее характерно для покровных тканей. Уменьшение содержания радионуклидов в воде и продуцентах сопровождается снижением уровня их накопления в консументах. Отмирание старых особей с высокой концентрацией радионуклидов и развитие молодых особей в морской среде с более низким их содержанием предопределяют степень очищения организмов последующих поколений от радиоактивных выпадений. В естественных условиях комплекс факторов, влияющих на накопление радионуклидов гидробионтами, значительно шире, и не все из них могут быть сегодня учтены при радиоэкологическом анализе.

Для биоаккумуляции, в частности, на птичьих базарах, характерно обратное явление - концентрирование морской фауной ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr на небольшой площади обитания популяций. Гнездование колониальных птиц из года в год на одном небольшом участке может привести к увеличению содержания радиоактивных веществ на единице площади акваторий за счет загрязнения пометом. К примеру, в водах архипелага Земля Франца-Иосифа основным потребителем зоопланктона следует считать морских птиц и рыб.

Общее количество радионуклидов в массе гидробионтов составляет, вероятно, доли и единицы процентов от их суммарного содержания в экосистемах северных морей. Безусловно, что одномоментный объем искусственных изотопов определяется биопродуктивностью и общей биомассой той или иной группы животных или популяций.

Глобальный масштаб последствий чернобыльской аварии усилил интерес к изучению переноса радионуклидов мигрирующими птицами и воздействия радиации на популяции орнитофауны. В результате этой аварии оказались загрязнены обширные водно-болотные территории и птичьи базары, которые являются местом обитания и размножения многих видов птиц. В скорлупе яиц, пище и теле птиц заметно увеличилось содержание ⁹⁰Sr.

Касаясь источников и путей поступления радиоактивного загрязнения в организмы фауны арктических морей, следует иметь в виду особенности их поведения, в частности, миграции на многие сотни и тысячи километров по северным морям. Существуют также вертикальные миграции зоопланктона, рыб, морских млекопитающих. Размах суточных и сезонных миграций колеблется от нескольких до многих сотен метров. В результате, загрязняющие вещества многократно мигрируют по пищевой цепи, а после отмирания гидробионтов возвращаются в морскую воду либо удаляются из фотического слоя океана в процессе биогенной седиментации и депонируются в донных осадках шельфа и открытой части дна океана.

Важно также принимать во внимание спектр питания рыб, птиц и морских млекопитающих. При использовании ими в пищу морских червей-илоедов или массовых двустворчатых моллюсков степень накопления искусственных радиоизотопов в их организмах возрастает. Нужно учитывать, кроме того, местоположение птичьих базаров, места нереста рыб, лежек тюленей по отношению к локальным и региональным стокам искусственных радионуклидов с побережья Кольского полуострова, Новой Земли или из речных систем Енисея, Оби, Печоры, Северной Двины и Онеги.

2.3 Трансграничный перенос радиоактивных веществ в северных морях

Проблема трансграничных миграций радиоактивного вещества, попавшего в морские экосистемы из основных источников, привлекает внимание многих исследователей. Сложность изучения механизмов трансформации и переноса радиоизотопов в пелагиали, а затем в донных отложениях заключается не только в том, что процесс химического осаждения, диффузии, комплексообразования, ионного обмена и экстракции подвержен сильному влиянию со стороны многочисленных биогеохимических реакций, но и со спецификой поступления и распределения в океане самих радионуклидов от источников. Не всегда ясны основные характеристики «функции источника'', т.е. мощности источника, частоты сброса, спектра примесей и др. Влияние адвективного транспорта поллютантов и океанических течений удобнее всего проследить на компонентах глобального радиоактивного загрязнения (⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ^239,240Pu). Эти изотопы существуют в морской воде практически полностью в растворенном состоянии, имеют достаточно высокий выход при делении и сравнительно большой период полураспада.

Эффективный способ отслеживания подводных течений заключается в использовании радиоактивных изотопов, свойства которых не зависят от процессов, происходящих в океане. Например, в качестве трассера трансграничного переноса в Арктический бассейн радиоактивных отходов Селлафильда в воде был выбран ¹³⁷Cs. Этот радиоизотоп входил в состав заводских отходов и практически отсутствовал в радиоактивных атмосферных выпадениях вплоть до аварии на Чернобыльской АЭС. Атмосферные выпадения продуктов аварийного выброса привели к загрязнению морских акваторий ¹³⁷Cs.

Крупные реки и постоянные морские течения являются главными артериями, по которым поступает в море терригенный и радиоактивный материал. В питании морских акваторий большое значение играет площадь бассейна стока и физико-географические условия этих бассейнов. От них зависит модуль смыва терригенного вещества в океан. Большая часть указанного материала сгружается на устьевом взморье рек и в заливах, не участвуя далее в формировании загрязнения морских осадков. Другая значительная часть поллютантов поступает на обширный шельф со льдом, течениями, мутьевыми потоками, где разнос и дифференциация взвеси происходит в прямой зависимости от гидрологического режима и рельефа морского дна. На поверхность океана большое количество радиоактивных веществ оседает из атмосферных потоков.

В отличие от суши, поверхностные воды моря не способны сохранять длительное время высокие концентрации искусственных радионуклидов благодаря процессам вертикального перемешивания вод, основную роль в которых играет термическая конвекция. Поэтому фоновый уровень искусственных радионуклидов в море на несколько порядков меньше, чем на суше.

Особое значение имеет топография шельфа. Перемещающиеся по желобам воды атлантического и арктического происхождения переносят и перераспределяют биогенные, радиоактивные и другие вещества.

В арктических морях океанографический режим определяет условия и темпы перемещения радиоактивного вещества. Атлантические воды поступают в Баренцево море с запада и севера, а в Арктический бассейн через пролив Фрама. Именно эти теплые воды, а также масштабный сток пресных вод сибирских рек формируют главным образом термохалинную структуру и ледовые условия Северного Ледовитого океана. Атлантические воды оказывают наиболее сильное влияние на моря Баренцево, Карское и Лаптевых.

Около 200 тыс. км³ соленых и теплых вод поступает ежегодно через Фареро-Шетландский пролив. Эти воды приносят около 7*10¹⁸ кДж тепла в Норвежское и Гренландское моря. Через пролив Фрама в Арктический бассейн поступает около 120 тыс. км³ и 9*10¹⁷ кДж ежегодно. Через пролив между Новой Землей и Землей Франца-Иосифа в Карское море проходит примерно 17*10³ км³/год вод атлантического генезиса. Около 30 тыс. км³ теплых тихоокеанских вод ежегодно поступает через Берингов пролив. Следовательно, обмен между водами Евразийского бассейна и Атлантикой происходит в большем масштабе по сравнению с водообменом Канадского бассейна и Тихого океана.

Северный Ледовитый океан является источником опресненных вод и искусственных изотопов для Северной Атлантики благодаря непрерывному выносу льда с Восточно-Гренландским течением в объеме около 2.8 тыс. км³ в год и обильному стоку рек. В Арктический бассейн поступает около 5 тыс. км³ речных вод ежегодно. Опресненные и сильно охлажденные воды Арктического бассейна поступают в Атлантический океан как холодное поверхностное Восточно-Гренландское течение, воды которого имеют пониженную соленость.

Общая схема стратификации вод Северного Ледовитого океана имеет трехчленную структуру. Верхний (до 100-200 м) слой характеризуется холодными и пресными водами, которые покрыты морскими льдами. От нижележащего слоя переходной зоны деятельный слой океана отделен скачком солености и плотности. Глубже, ниже галоклина (на 200-600 м), залегает слой теплых и соленых вод атлантического происхождения.

Поверхностная циркуляция вод определяется Восточным антициклоническим круговоротом и Трансарктическим течением. Эти основные крупномасштабные явления образуют наиболее эффективные пути транспорта растворенных загрязнителей в поверхностном и смешанном слоях. В средних и глубинных слоях Северного Ледовитого океана циркуляция более медленная и более сложная, чем на поверхности. Водные массы, приносимые Западно-Шпицбергенским течением, поворачивают на восток и продолжают свой путь под поверхностными водами. Они формируют стержень атлантического слоя и вовлекаются в рециркуляцию в виде нескольких циклических петель вокруг основных хребтов и склонов Евразийского и Канадского бассейнов.

Основными источниками поступления радионуклидов непосредственно в морскую экосистему полярных бассейнов были глобальные выпадения и радиоактивные выносы крупных северных рек. Однако главным источником искусственных изотопов являлись европейские предприятия по переработке ядерного топлива, особенно завод в Селлафильде на побережье Ирландского моря. Система течений переносит эти вещества вдоль Норвежского побережья в Северный Ледовитый океан. Через 6-8 лет некоторая часть загрязняющих веществ выносится из Арктики Восточно-Гренландским течением, завершая тем самым большой круговорот.

Максимальное загрязнение Ирландского, Северного и Норвежского морей наблюдалось в середине 1970-х годов (наибольший сброс в 1975 г.), когда выбросы ¹³⁷Cs достигали уровня 3-5 ПБк/год. В этот период концентрация ¹³⁷Cs в водах Северного моря достигала 150 - 200 Бк/м³. Шлейф этих западноевропейских выбросов пересек Баренцевоморский шельф и достиг через 6 лет Центрального Полярного бассейна. Содержание ¹³⁷Cs в этом бассейне поднималось до 10-50 Бк/м³. Возможно, около 40% ¹³⁷Cs в водной массе слоя 0-250 м Северного Ледовитого океана имело промышленное происхождение.

Несмотря на то, что объем сбросов радиоактивных отходов в Селлафильде сейчас существенно снижен по сравнению с максимальным, зафиксированным в 1974-1977 гг., изучение уровня и закономерностей формирования радиоактивного загрязнения вод Арктического бассейна по-прежнему актуально. В настоящее время идет процесс выноса из Балтийского моря радиоактивного цезия, поступившего в результате аварийного выброса на Чернобыльской АЭС. Этот радионуклид выносится сначала в Северное море, дальнейший его перенос аналогичен переносу радиоактивных отходов Селлафильда.

В результате изучения в 1985-1987 гг. распределения ¹³⁷Cs в системе взвесь-раствор на различных глубинах стало очевидно, что в водах Северного Ледовитого океана ¹³⁷Cs практически полностью находится в растворенном состоянии. Его содержание во взвеси составляет десятые доли процента общего содержания радионуклида в воде. Не выявлено также и существенных различий в содержании радионуклида во взвешенном веществе в воде на различных глубинах.

Таким образом, в оценке возможных путей перемещения и накопления радионуклидов в Карском, Баренцевом, Норвежском и других полярных морях не может быть общего подхода ко всем элементам. В зависимости от индивидуальных свойств радионуклидов, их миграция в большей мере регулируется одним доминирующим процессом: либо седиментационным переносом, либо биоаккумуляцией, либо перемешиванием изотопов водных масс в струях основных течений при движении на сотни и тысячи километров.

Перенос радионуклидов при дрейфе льдов

Антропогенные радионуклиды, такие как ^239,240Pu, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, находящиеся в пелагиали во взвешенном и растворенном состоянии, активно сорбируются глинистыми частицами и планктонными организмами. В период льдообразования в прибрежной зоне и в открытом море происходит включение радиоизотопов различной природы в экосистему криопелагиали. Таким образом, морской лед открывает потенциальный путь переноса радиоактивности из морей Сибирского шельфа в прилегающие части Северного Ледовитого океана и далее в Норвежско-Гренландский бассейн. Дрейф паковых льдов происходит в основном через пролив Фрама, а затем в струях Восточно-Гренландского течения. [1]

В морях Карском и Лаптевых вследствие пресного стока крупных рек существует резкая граница мутных речных вод, простирающихся на сотни километров в открытое море. Все основные сибирские реки за один месяц летом сбрасывают 30-65% годового стока. Осенью в процессе замерзания морской воды взвешенный терригенный материал захватывается льдами. Циркуляция вод наименее интенсивна зимой, когда скорость ветра и горизонтальные градиенты плотности малы. Из Карского моря основные направления оттока водных масс и адвекции радионуклидов определены на восток в море Лаптевых и на север к центру Северного Ледовитого океана. Конечный водообмен между морями Карским и Лаптевых через пролив Вилькицкого направлен на восток и определен от 4.9 до 11.0 км³/год.

В 1990-е годы, благодаря притоку через Карские Ворота трансформированных атлантических и печорских речных вод, а также стоку сибирских рек, в Карском море формировалась достаточно низкая концентрация ¹³⁷Cs (3-8 Бк/кг) и ⁹⁰Sr (3-12 Бк/кг). Отмечаемые величины уровней ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в поверхностных водах моря Лаптевых летом 1993 г. были того же порядка, что и в Карском море летом 1992 г. В начале 1980-х годов содержание ¹³⁷Cs в поверхностных водах достигало максимальных величин (до 30-40 Бк/кг).

Что касается времени дрейфа радиоизотопов от западноевропейских источников, то оно составляет 5-7 лет. Касаясь поступления искусственных радионуклидов от этих источников в Карское море, то, по оценкам примерно 2% поступающих нуклидов в Баренцево море достигают Карского, что составляет 150*10¹² Бк ¹³⁷Cs и 33*10 Бк ⁹⁰Sr. Единственным источником ¹³⁴Cs, который может внести определенный вклад в уровень загрязнения Карского моря, является Чернобыль.

В результате специальных исследований, включавших в себя спутниковые съемки, наблюдение за дрейфом буев и моделирование движения льда, было установлено, что лед Карского шельфа за 2-3 года перемещается до побережья Гренландии и даже Норвегии. Лед северной части Карского моря оказывает влияние на акватории морей Лаптевых и Баренцева, а также на южную часть Центрального Полярного бассейна. В таких ситуациях морской лед представляет собой потенциально быстрый путь переноса и перераспределения загрязняющих веществ в Арктике. Модельные оценки транспорта осадочного вещества, захваченного льдами со дна на западе Карского моря в зимний сезон 1997 г., показывают экспортную массу отложений примерно 300 тыс. т. Разумеется, при дрейфе льдов, наряду с течениями, происходит дополнительный перенос искусственных изотопов.

В северных морях наблюдается одна общая закономерность - по мере удаления от радиоактивных западноевропейских источников в сторону Новой Земли и моря Лаптевых концентрация антропогенных изотопов заметно снижается. Кроме того, очевиден вынос терригенного и радиоактивного вещества от новоземельских и западносибирских источников в Баренцево и Гренландское моря, бассейн Северного Ледовитого океана.

3. Материалы и методы исследований

Основой для работы послужил материал, собранный в ходе двух экспедиций ГС «Капитан Смирницкий» в 1995 году (обследовались шельфовые районы Баренцева и Карского морей) и НИС «Геолог Ферсман» в 1993 году в районе Новой Земли (рис 1).

Рисунок 3.1 - Схема отбора проб в районе Новой Земли и шельфовой зоне Баренцева и Карского морей

В ходе работы была разработана база данных по наблюдениям 1993-1995 годов. На ее основе для характеристики гранулометрического состава грунта вычислялись следующие показатели:

коэффициент сортировки (S₀)

(3.1)

и коэффициент асимметрии (S_k)

, (3.2)

где Q₁, и Q₃ - первая и третья квартили, Md - медиана.

С помощью ГИС были построены схемы расположения станций и отбора проб.

В программе Statgrafics Plus была подобрана математическая модель, наиболее подходящая для описания взаимосвязи исследуемых величин.

Для исследования взаимосвязи двух природных процессов или явлений чаще всего используется математическая модель в виде уравнения регрессии. Общий вид линейной связи

, (3.3)

где - среднее из возможных значений y при данном х.

Функция, выражающая связь между значениями аргумента и условным средним арифметическим исследуемой зависимой переменной, называется уравнением линии регрессии. В этом уравнении два неизвестных параметра a и b. Для этого обозначим разность фактических и рассчитанных значений через S, то есть

(3.4)

Для определения параметров а и b обычно используется принцип наименьших квадратов, заключающийся в определении таких значений а и b, при которых среднее значение квадратов отклонений S_о минимально

Для отыскания минимума функций от параметров а и b определяются частные производные по каждому из параметров и приравниваются нулю. При этом предполагается, что функции S²₀=f(a) и S²₀ = f(b) имеют один экстремум, являющийся минимумом значений S²_0.

Исходя из этого для определения параметра b используется следующее выражение:

(3.6)

Отсюда,

(3.7)

Аналогично, дифференцируя по параметру а и подставляя найденное значение b, получаем

(3.8)

, (3.9)

также возможны случаи, когда

, (3.10)

и а тогда равно

(3.11)

(3.12)

выражения и не идентичны, они описывают две существенно отличные друг от друга регрессии, пересекающиеся в точке под углом ц, и чем меньше угол, тем теснее связь.

Для определения тесноты взаимосвязи двух величин используется коэффициент корреляции:

(3.13)

Преобразовав уравнение регрессии Y по X и X по Y, выразив коэффициенты регрессии через коэффициент корреляции, получаем:

(3.14)

(3.15)

- обычно используемые уравнения регрессии,

где и соответственно средние из возможных Y и X при данных и ;

и - средние квадратические отклонения Y и X;

и - средние значения X и Y;

r - коэффициент корреляции

F - критерий Фишера является параметрическим критерием и используется для сравнения дисперсий двух вариационных рядов. [2] Эмпирическое значение критерия вычисляется по формуле:

_, (3.16)

где - большая дисперсия, - меньшая дисперсия рассматриваемых вариационных рядов.

Если вычисленное значение критерия F_эмп больше критического для определенного уровня значимости и соответствующих чисел степеней свободы для числителя и знаменателя, то дисперсии считаются различными. Иными словами, проверяется гипотеза, состоящая в том, что генеральные дисперсии рассматриваемых совокупностей равны между собой: H₀={D_x=D_y}.

Критическое значение критерия Фишера следует определять по специальной таблице, исходя из уровня значимости б и степеней свободы числителя (n₁-1) и знаменателя (n₂-1).

Оценка Y по X всегда сопровождается погрешностями, во-первых, за счет аппроксимации стохастической связи прямой линией, отображающей зависимость Y от X; во-вторых, за счет выборочности исходных данных, вследствие чего в уравнениях регрессии вместо действительных (генеральных) значений коэффициентов a и b используются их оценки и . Общая погрешность расчетов Y по уравнению регрессии в этом случае может быть охарактеризована дисперсией

(3.17)

где- средняя квадратическая погрешность определения Y;

у_Д - средняя квадратическая погрешность аппроксимации стохастической связи прямой линией;

- средняя квадратическая погрешность определения при данном x.

(3.18)

Погрешность определения

(3.19)

Дисперсия y(x) рассчитывается по формуле:

(3.20)

где t - нормированное значение x.

Доверительный интервал может быть рассчитан по формуле:

 (3.21)

Доверительный интервал растет вместе с увеличением отклонения x от , т.е. оценка этих величин с удалением x от становится менее точной.

Для корректного использования регрессионной математической модели необходимо выполнение ряда условий:

1. Связь между сопоставляемыми рядами должна быть линейной

2. Сопоставляемые переменные должны подчиняться нормальному закону распределения.

3. Связь между рядами Y и X должна быть стационарной, т.е. теснота связи и коэффициенты регрессии не должны существенно меняться с изменением объема выборки или от выборки к выборке.

4. Отклонения должны быть взаимно независимы.

5. Условная дисперсия значений Y при данном X - должна быть постоянной и не зависеть от X.

В практике гидрологических расчетов по различным причинам граничные условия часто не выполняются или выполняются не полностью. К сожалению, нередко их выполнение вообще не проверяется. Следует помнить, что в этом случае применение регрессионной модели в исследовании данных процессов недостаточно оправдано и результаты расчетов носят приближенный характер; использование их при анализе взаимосвязей в некоторых случаях может привести к серьезным погрешностям. [2]

4. Загрязнение морских донных осадков радионуклидами

4.1 Глинистые осадки как индикатор радиоактивности морских экосистем

Для оценки динамики загрязнения морских экосистем важную информацию можно получить, изучая уровни концентрирования нуклидов в грунтах. Величина загрязнения грунтов в значительной степени зависит от удаленности акватории от источников нуклидов. После поступления радиоактивных частиц в донные отложения они подвергаются сложной трансформации, которая выражается переходом изотопов в грунтовые воды, взаимодействием с организмами зообентоса, органическим веществом и т.п. Основным механизмом миграции радионуклидов является диффузия, в том числе их сорбция-десорбция на осадочных частицах.

Степень концентрации и закрепления радиоизотопов существенно зависит от типа донных отложений подводной окраины материков. В частности, ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr наименее прочно фиксируются песками и гравием. Из этих грунтов они вымываются придонными течениями почти на 95%. Относительно большое количество изотопов осаждается в алевритовых осадках. Наиболее прочно фиксируются нуклиды, особенно ⁹⁰Sr, в глинистых отложениях.

Аккумуляционные возможности разных литологических типов донных осадков были специально изучены в нескольких губах Баренцева и Карского морей. Важность этой задачи заключается, с одной стороны, необходимостью знать величины накопления ¹³⁷Cs при оценке риска потенциально возможной аварии, с другой стороны, - коэффициенты аккумуляции для грунтов выше, чем для морской биоты. [5]

Концентрация в донных осадках сорбированных элементов (до содержания, влияющего на развитие живых организмов) связана в основном с глинистыми частицами и органикой. Интенсивность сорбции ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr определяется площадью поверхности частиц, содержанием органического вещества, ионообменной способностью катионов, гранулометрическим составом отложений. Глинистые минералы оказывают существенное влияние на емкость поглощения радиоизотопов, на их миграционную подвижность в морских грунтах. Сорбционный потенциал глинистых минералов неодинаков и зависит от содержания иллита, смектита, хлорита и каолинита во фракции менее 0.001 мм в осадке. В целом, высокие темпы литодинамической адсорбции ионов взвешенными частицами и илами определяют высокий уровень буферности барьерной зоны «вода-ил». [1]

Знание механизма перехода радионуклидов между водой и донными отложениями является базовой информацией для оценки миграции радионуклидов в морской экосистеме. Потенциал поглощения радионуклидов из морской воды донными отложениями является функцией химических свойств радиоизотопов и особенностей условий осаждения морской среды.

4.2 Седиментация радионуклидов на шельфе

Основная часть биологически доступных и миграционно-способных форм элементов (в том числе радиоактивных изотопов) сосредоточена в жидкой фазе почв и представлена разными по составу и свойствам ассоциатами с растворимым органическим веществом грунтов. Безусловно, для понимания процессов циркуляции искусственных радионуклидов в донных биогеоценозах необходимо изучение содержания и динамики нуклидов в жидкой фазе. Для полноты картины миграции изотопов в осадочной толще требуется проведение экспериментальных работ по изучению явлений биотурбации и, как их следствие, миграции загрязнения.

Среди закономерностей аккумуляции важно специально отметить наличие стратификации изотопов в грунтовых колонках. Радионуклиды фиксируются в самых верхних (до 10-40 см) слоях рыхлых отложений. Вертикальное распределение нуклидов указывает на разновременность и определенную очередность при современном осадконакоплении. Вполне очевидно, что изотопы на нижележащих горизонтах отложились в осадках из водных масс 1950-1980-х гг.

Вертикальное распределение радионуклидов в донных отложениях вниз по грунтовой колонке неоднородно. В зависимости от скорости накопления осадков горизонты с максимальными уровнями изотопов располагаются на глубинах от 3 до 25 см. Например, в вертикальном разрезе донных отложений губы Андреева концентрация ¹³⁷Cs в горизонте 0-5 см варьирует в пределах 53-114 Бк/кг, затем уменьшается и в горизонтах от 6 до 12 см варьирует в пределах 8,3-35,4 Бк/кг. Концентрация ⁶⁰Со во всех горизонтах ниже предела обнаружения. Только на горизонте 6-7 см составляет 5.8 Бк/кг.

Из анализа результатов вертикального распределения радионуклидов в колонках донных отложений из Кольского и Мотовского заливов следует, что в открытой части Баренцева моря наблюдается практически равномерное распределение ¹³⁷Cs до горизонта 9 см с концентрацией в пределах фона от глобального уровня загрязнения 8.7-4.6 Бк/кг. В более глубоких горизонтах наблюдается падение концентрации до величины, лежащей ниже предела обнаружения. Есть ряд нижележащих горизонтов, в которых содержание радиоизотопов несколько увеличивается по сравнению с поверхностным уровнем. Такое распределение радиоизотопов по грунтовой колонке указывает на то, что седиментация не нарушалась процессами биотурбации.

Процессы выноса осадочного материала при таянии ледника и осадконакопления в заливе происходят с большой интенсивностью. Концентрация взвеси в воде по всему вертикальному профилю высока и достигает 200 мг/л. Максимум концентрации ¹³⁷Cs (12.7 Бк/кг) приходится на глубину колонки 1 м от поверхности дна.

Многолетние колебания загрязнения радиоактивными элементами верхнего слоя голоценовых отложений имеют тенденцию к снижению концентрации цезия и стронция. Вместе с тем, очевидно, что за всю историю атомной эры долгоживущий изотоп ^239,240Pu будет иметь динамику с нарастающей активностью во всех элементах морских экосистем. Фактически сейчас наблюдается суммарная картина накопления указанного изотопа за 50 лет испытаний.

Радиоактивные осадки после проведения ядерных испытаний являются главной причиной того уровня накопления плутония в районах Баренцева и Карского морей, который можно сейчас там наблюдать.

В целом раде грунтовых колонок видно, что в нижних слоях имеется микроочаговость в распределении радионуклидов. Особенно это типично для илистых осадков, с которыми связана жизнедеятельность полихет (червей) и других илоедов. Такая картина смешивания свидетельствует о локальном характере миграции нуклидов по вертикально сопряженным микрозонам, в том числе в составе частиц, перемещающихся без разрушения в результате биогенной миграции.

Таким образом, седиментация радиоактивных веществ в заливах и на шельфе арктических и субарктических морей зависит от сочетания множества явлений и процессов. В целом ряде заливов и губ велика роль местных и региональных источников загрязнения. Экосистемы таких заливов находятся продолжительное время под влиянием эмиссии техногенных радионуклидов. В целом, в 1990-е годы единственными биологически значимыми изотопами в грунтах шельфа становятся ¹³⁷Cs и ^239,240Pu. Концентрация радиоцезия в осадках шельфа в тысячу раз меньше, чем в губе Черной, однако, повсеместное распространение ¹³⁷Cs в шельфовых осадках (средний уровень 2-10 Бк/кг) позволяет его считать более значимым дозообразующим радионуклидом.

Среди факторов, влияющих на аккумуляцию радиоактивного загрязнения на морском дне, менее всего оценена роль организмов. Роль биогенного фильтра в переносе и трансформации искусственных изотопов на подводной окраине материка и в открытом океане должна стать предметом дальнейших исследований, поскольку условия среды формируют различные уровни радиоактивного загрязнения зообентоса и, соответственно, величины дозовых нагрузок на организмы, обитающие на морском дне.

4.3 Радиоактивное загрязнение грунтов губ Новой Земли

На западном и восточном побережье Новой Земли широко развиты фьордообразные заливы. На Северном острове верховья большинства из них заняты выводными ледниками. Они образуют обрывы высотой 5-20 м. Сплошной ледниковый покров в виде купола развивается за счет снежного питания только на Северном острове. Здесь короткие реки питаются талыми водами. На Южном острове, где ледники носят изолированный характер, сильнее сформирована речная сеть. Длина самой большой реки Безымянной около 77 км.

В качестве примера представим гидрологическую структуру залива Норденшельда, вершина которого занята одноименным выводным ледником. В летний период структура водных масс залива характеризуется сложным взаимодействием атлантических вод (температура 4-5°С, соленость 34.0-34.8 ‰) с талыми водами (температура 0.0-0.7°С). Теплые атлантические воды мощной струей (по вертикали 70-100 м) входят в залив и почти достигают края материкового льда. Вместе с атлантическими водами в заливы на западе Новой Земли поступают в небольшом количестве радиоизотопы западноевропейского происхождения.

На некотором удалении от кромки ледника Норденшельда образуется мощная фронтальная зона между теплыми атлантическими и местными холодными водами. Верхний слой атлантических вод (25-40 м) сильно распреснен (до 29.8-33.0 ‰) вследствие процессов льдотаяния. Образуясь вдоль фронта ледников, местные холодные воды смешиваются с морскими и «подныривают» под них, распространяясь по дну залива в сторону моря. Обращает на себя внимание резко выраженный термоклин в интервале 30-60 м вблизи ледника и на 60-90 м мористее. Вертикальный градиент температуры в нем 1.5-1.6°С/м.

В вершине залива Норденшельда, в которую выходит самый крупный на Баренцевоморском побережье Новой Земли выводной ледник Норденшельда, отмечена очень большая (около 200 мг/л) концентрация взвеси. В этом заливе обращает на себя внимание нулевая прозрачность фьордовых вод из-за насыщения взвесью. Летние предледниковые короткие ручьи и бурные речки, а также подледниковые потоки талых вод выносят громадное количество взвеси. В литре воды содержится около 0.2 г. взвеси без солей, а в 1 км³ примерно 200 т.

Самый грубый подсчет показывает, что в 40 км³ толщи мутных вод одномоментно содержится примерно 0.7-0.8 млн. т минеральной взвеси. Вследствие мощного терригенного выноса скорость седиментации имеет очень интенсивный сезонный характер. [1]

Сходная термохалинная структура свойственна для восточно-новоземельских заливов, а также для акваторий, где ледники Нансена, Рождественского и др. (высотой 15-20 м) выходят на побережье Карского моря. Материковое оледенение архипелага Новая Земля, а также активное питание рек за счет ледников и снежников, наличие во фьордах айсбергов сказывается на накоплении терригенного и радиоактивного вещества.

Черная губа - место первых подводных, атмосферных и подземных испытаний ядерного оружия в 1955 и 1961 гг. Эта губа тянется на 40 км на юг, в сторону Печорского моря. В губе Черной доминирующая роль в миграции радионуклидов в морской воде принадлежит процессам седиментации. Радиоактивные продукты взрывов быстро оседали на дно небольшого по площади района и включались в абиотические компоненты экосистемы. Поступление радионуклидов в наддонную воду и особенно в донные отложения обусловливало их аккумуляцию в бентосных организмах.

Следует отметить в осадках губы Черной высокое содержание ⁶⁰Со: от 20 до 618 Бк/кг. Концентрация Cs возрастает закономерно от песчаных к глинистым отложениям от 100 до 1450 Бк/кг, соответственно.

В целом в результате ядерных взрывов донные отложения в губе имеют высокий уровень загрязнения радиоактивными плутонием и цезием, а также другими радиоактивными изотопами. Однако подвижность радионуклидов в донных отложениях невелика и в настоящее время может оказывать несущественное воздействие на экосистему Печорского моря.

Заливы Норденшельда, Иностранцева и Глазова, расположенные на северо-западе архипелага, характеризуются незначительным (от 1 до 13 Бк/кг) накоплением ¹³⁷Cs в донных отложениях, которые представляют собой жидкие осадки и состоят в основном из айсбергового ила. В результате таяния ледника процесс осадконакопления в этом районе происходит очень активно, концентрация взвеси по всему объему воды заливов до 200 мг/л. Максимальная (11 Бк/кг) концентрация ¹³⁷Cs приходится на глубину 1 м. В целом концентрация цезия убывает с глубиной

Сходная картина распределения радиоцезия в поверхностных осадках заливов Глазова и Иностранцева. Фоновые уровни (1-12 Бк/кг) Cs сохраняются в грунтовых колонках до 15 см. Глубже верхнего слоя глинистые осадки не содержат искусственных нуклидов.

Вероятно на уровень и распределение ¹³⁷Cs в ледниково-морских осадках заливов Норденшельда, Иностранцева и Глазова влияли сразу несколько факторов. Это, прежде всего, очень высокая современная скорость осадконакопления во фьордах, максимальное оседание наносов в период летнего таяния выводных ледников. Такие условия не способствуют высокой концентрации нуклидов в осадках. Собственно поступление радионуклидов происходило из новоземельских источников (атмосферы, ледников), в результате глобальных выпадений, а также с частично теплыми атлантическими водами от европейских источников.

Заливы Абросимова, Степового и Цивольки на восточном побережье архипелага стали местом подводного хранения барж, судов и многих контейнеров с радиоактивными отходами. Повышенная концентрация ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ⁶⁰Со и ^239,240Рu идентифицирована в алевритовых отложениях, отобранных вблизи захоронения объектов. Загрязнение особенно ярко выражено непосредственно рядом с контейнерами. У захороненных судов активность нуклидов сравнительно небольшая. К востоку от архипелага на прибрежном шельфе, в частности в районе ледников Иностранцева, Нансена и Рождественского, количество радиоцезия в песчаных и грубозернистых осадках изменяется от 3 до 10 Бк/кг.

Заливы Абросимова и Степового представляют собой узкие (1-3 км) и короткие (8-14 км) заливы с глубинами до 20-50 м. В них впадают одноименные реки, которые полноводны только летом. В поверхностных донных отложениях этих заливов (вне зоны затопленных объектов) содержание ¹³⁷Cs варьирует от 4 до 40 Бк/кг, a ⁹⁰Sr - от 0.4 до 2 Бк/кг. Уровни радионуклидов в грунтах во внешней части заливов сходны с таковыми на шельфе Карского моря.

В заливе Абросимова загрязнение осадков особенно ярко выражено в непосредственной близости от захороненных контейнеров. В слое донных отложений до 5-10 см максимальная активность ¹³⁷Cs достигала 8445, ⁹⁰Sr - 3800,⁶⁰Со - 172 и ^239,240Рu - 18 Бк/кг. По мере удаления от объектов уровень радионуклидов в осадках заметно уменьшается.

Во внутренней части залива Степового донные отложения вокруг реакторов и контейнеров отличаются высоким уровнем ¹³⁷Cs (1,6-109 кБк/кг) ⁶⁰Со (0 3-3.2 кБк/кг), ⁹⁰Sr (47-310 Бк/кг) и ^239,240Рu (6-15 Бк/кг). Закономерно, что в сторону замкнутых котловин на дне губы илистые грунты содержат большое количество ¹³⁷Cs (до 90 Бк/кг).

Искусственные радионуклиды прослеживаются только в 5-сантиметровом слое осадков. По мере удаления от контейнеров к внешней части губы концентрация радиоизотопов во много раз снижается. Например, на выходе из залива грунты содержат очень мало ^239,240Рu (0.3-0.6 Бк/кг).

Залив Цивольки является типичным фьордом с глубинами в изолированных впадинах до 100-150 м. В узкой (3 км) кутовой части залива расположен ледник «Серп и Молот». На дне губы затоплены радиоактивные отходы с атомного ледокола «Ленин». Несмотря на это уровень радиоизотопов в воде и осадках низкий: количество ¹³⁷Cs в отложениях 4-30 Бк/кг. Однако следы ⁶⁰Со (4 Бк/кг) в осадках свидетельствуют о наведенной радиации.

Как уже отмечалось, морская вода в заливах Абросимова, Степового и Цивольки имела уровень радионуклидов такой же, как и в открытой части Карского моря. Содержание ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr колебалось от 2 до 11 Бк/м³, только придонные воды в районе затопленных контейнеров имели повышенную концентрацию ^I37Cs (до 220 Бк/м³) и ⁹⁰Sr (26 Бк/м³).

4.4 Радиоактивное загрязнение Баренцева и Карского морей

Состав и содержание искусственных радионуклидов в поверхностных донных отложениях Баренцева и Карского морей стали предметом изучения в основном в 1990-е годы. Выяснилось, что особенности миграции и накопления радионуклидов определяются как их химической природой, так и свойствами рыхлых морских осадков. Всякий донный осадок или проба взвеси состоит из частиц разной крупности (от 1,0 до 0,001 мм и менее). Среди донных отложений арктических шельфов выделяется несколько основных типов, обусловленных рельефом дна и режимом осадконакопления[1].