95

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

Карнаухова Галина Александровна

Иркутск - 2009

Работа выполнена в Институте земной коры

Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант: член-корреспондент РАН,

Скляров Евгений Викторович

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

Корытный Леонид Маркусович

доктор географических наук

Савкин Валерий Михайлович

доктор географических наук

Бураков Дмитрий Анатольевич

Ведущая организация: Пермский государственный университет

Защита состоится 13 мая 2009 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.010.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте географии им.В.Б. Сочавы СО РАН по адресу: 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 1.

Факс: (3952) 422717; e-mail: postman@irigs. irk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии им.В.Б. Сочавы СО РАН

Автореферат разослан _______________________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. г. н. Рагулина М.В.

Введение

Предметом исследований являются процессы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада на стадии седиментогенеза

Цель исследований. Цель работы заключается в изучении закономерностей осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада, выявлении особенностей формирования донных отложений и их вещественных характеристик. В ходе исследования для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить условия и основные факторы осадкообразования в водохранилищах Ангарского каскада. Установить основные источники поступления осадочного материала. Выявить черты сходства и различия в условиях подготовки осадкообразующего материала, его переноса и осаждения в водохранилищах.

2. Провести типизацию донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада на основе результатов изучения гидродинамики, состава донных отложений и пространственной изменчивости этих показателей.

3. Исследовать особенности формирования вещественного состава донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада.

4. Дать оценку геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада по уровню биогенной нагрузки и нагрузки тяжелыми металлами на донные отложения.

Фактический материал и методы исследований. Методологическую основу исследований особенностей процессов осадкообразования в искусственных водоемах подготовили фундаментальные работы Н.М. Страхова, С.Б. Рухина, Л.В. Пустовалова, А.П. Лисицына, Н.В. Логвиненко, С.И. Романовского, И.О. Мурдмаа, В.Н. Холодова, В.М. Широкова, включающие исследование условий седиментации, зависимостей между структурой и составом осадков. Данный подход успешно был применен и реализован автором диссертации на водохранилищах Ангарского каскада. В диссертации с единых позиций проанализирована и обобщена имеющаяся информация о донных отложениях водохранилищ Ангарского каскада.

Методы проведения исследований включали экспедиционные и лабораторно-аналитические работы. Экспедиционные исследования были комплексными и представляли ежегодный мониторинг в период открытой воды по 33 опорным поперечным профилям на р. Ангаре и Братском водохранилище, эпизодические наблюдения - по 4 профилям на Иркутском и по 6 профилям на Усть-Илимском водохранилищах. Для детализации пространственной неоднородности полей концентрации осадочного материала дополнительно к профильному отбору проводился отбор по системе компартментов. Исследования включали отбор проб воды и образцов донных отложений по опорным профилям, промерно-инструментальные наблюдения за процессами абразии в береговой зоне водохранилищ с отбором образцов пород береговых уступов, измерения скорости и направления течений, высоты и периода волн. Дополнительно летом 1991 г. производился сбор проб атмосферных выпадений. Отобрано более 3000 проб воды, около 60 проб дождевых и пылевых выпадений. Опробовано более 5000 точек на дне и отобрано более 2700 образцов донных отложений, более 500 образцов с прибрежных отмелей. Взято около 600 образцов пород, слагающих береговые уступы.

Лабораторно-аналитические работы включали определение гранулометрического, минералогического и химического состава образцов донных отложений, пород береговых уступов и проб воды. Гранулометрический состав выполнялся ситовым, пипеточным, комбинированным методами и методом Сабанина. Просмотр под микроскопом частиц алевритовой размерности давал минералогический состав. Глинистые минералы определялись количественным рентгенофазовым анализом на дифрактометре ДРОН-3.0. Определение химического состава включало методы традиционного полного химического анализа, рентгенофлуоресцентный, эмиссионный спектральный, атомно-абсорбционный методы и метод индуктивно связанной плазмы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе собственных и литературных данных определена роль особых физико-географических условий региона в формировании источников поступления осадкообразующего материала в водохранилища. Установлено, что основное поступление осадкообразующего материала происходит за счет абразии пород береговых уступов водохранилищ.

2. Исследованы особенности процессов осадкообразования и формирования типов донных отложений в водохранилищах Ангарского каскада, связанные как с физико-географическими, так и с техногенными условиями среды осадконакопления.

3. Установлена высокая пространственная неоднородность темпов осадконакопления в водохранилищах Ангарского каскада, где присутствуют участки со сверхбыстрыми скоростями осадконакопления.

4. Определен характер взаимодействия минерального и элементного составов формирующихся донных отложений со структурно-вещественным составом материала питающего источника и гидродинамикой среды осадконакопления. Установлена литолого-геохимическая дифференциации донных отложений водохранилищ Ангарского каскада.

5. Впервые дана оценка геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада и интенсивности их загрязнения на основе содержания тяжелых металлов и биогенных веществ в донных отложениях водохранилищ.

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.

Теоретическое значение выполненного исследования заключается в исследовании водохранилищ как современных бассейнов осадконакопления. Такие исследования включают изучение физико-географических условий формирования и структуры донных отложений водохранилищ, исследование процессов как на водосборном бассейне, питающем их осадочным материалом, так и процессов в самих котловинах водохранилищ, т.е. изучается как сам гидрологический объект, так и объекты, окружающие его. Выполненные исследования вносят вклад в понимание закономерностей осадкообразования и формирования структурно-вещественных характеристик донных отложений искусственных водоемов суши.

С практической точки зрения, проведенные исследования позволяют наиболее рационально подойти к оценке геоэкологического состояния водохранилищ Ангарского каскада для выявления масштабов загрязнения и возможных путей снижения антропогенных нагрузок. Материалы диссертанта использованы в Государственных докладах "О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2000 году", "О состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2001году".

Личный вклад автора. Диссертационная работа является самостоятельным научным трудом, основанным на результатах как личных полевых и лабораторных исследований, так и опубликованных данных других авторов, фондовых материалов ИЗК СО РАН и ИМТУГМС. Фактический материал собран лично автором или при его непосредственном участии во время полевых работ в составе экспедиций и отрядов Института земной коры СО РАН в 1972-2003 годах.

Данная работа выполнялась в соответствии с планами НИР Института земной коры СО РАН, по Российско-канадскому проекту "Управление водными ресурсами в бассейне реки Ангары" (1998-2000 гг.), по научному проекту "Сравнительная геохронология, магматизм и литогенез мезо-кайнозоя Внутренней и Восточной Азии" программы 26.2 СО РАН (2004-2006 гг.), по научному проекту "Эволюция седиментогенеза, биоценозов, магматизма и рудообразования в мезозое и кайнозое Внутренней и Восточной Азии". Исследования проводились также в рамках инициативных проектов, поддержанных РФФИ (гранты 98-05-64415; 01-05-64085; 01-05-97211), в которых автор являлся руководителем.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались автором на 13 региональных, 12 всесоюзных и 8 международных конференциях, совещаниях и симпозиумах. В их числе: 4-е Всесоюзное совещание по изучению берегов сибирских водохранилищ (Якутск, 1976); V совещание по изучению берегов сибирских водохранилищ (Иркутск, 1980); "Круговорот вещества и энергии в водоемах" (Иркутск, 1982); "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995); "Закономерности эволюции земной коры" (Санкт-Петербург, 1996); "Геохимия ландшафтов, палеоэкология человека и этногенез" (Улан-Удэ, 1999); "Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия" (Томск, 2000); "Сергеевские чтения" (Москва, 2000, 2002); Enviromis-2002: "Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровнях" (Томск, 2002); "Терригенные осадочные последовательности Урала и сопредельных территорий: седименто- и литогенез, минерагения" (Екатеринбург, 2002); "Теоретические и прикладные проблемы современной лимнологии" (Минск, 2003); "Закономерности строения и эволюции геосфер" (Хабаровск, 2003); "Фундаментальные проблемы гидрогеохимии" (Томск, 2004); "Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов" (Иркутск, 2005); "Осадочные процессы: седиментогенез, литогенез, рудогенез" (Москва, 2006); 7-е Уральское литологическое совещание (Екатеринбург, 2006); "Проблемы геохимии эндогенных процессов и окружающей среды" (Иркутск, 2007); "Типы седиментогенеза и литогенеза и их эволюция в истории Земли" (Екатеринбург, 2008); Проблемы экологической геохимии в XXI веке" (Минск, 2008).

Публикации. По теме данного исследования автором опубликовано 74 работы, в том числе 24 статьи - в журналах из списка ВАК, 2 монографии в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения. Общий объем 319 страниц, в состав которого входят 66 рисунков, 99 таблиц. Список литературы включает 364 наименования.

Благодарности. За творческую поддержку автор благодарен научному консультанту член-корреспонденту РАН, профессору Е.В. Склярову, академикам РАН А.П. Лисицыну, Г.Г. Матишову, Ф.А. Летникову. На разных этапах исследований автор пользовался консультациями своих коллег С.А. Кашика, Б.П. Агафонова, А.И. Мельникова, Т.М. Сковитиной, И.Г. Бараша, И.Б. Шенькман. Всем им моя искренняя благодарность и признательность.

осадкообразование водохранилище ангарский каскад

Основные защищаемые положения

Породы: 13 - нижнего протерозоя; 14 - архея. Образования: 15 - мезозойские интрузивные; 16-18 - палеозойские интрузивные; 19 - рифейские интрузивные; 20-21 - нижне-протерозойские интрузивные; 22 - архейские интрузивные

Рис. 1. Карта геологического строения юга Сибирской платформы [Атлас. Иркутская., 2004] в масштабе 1: 7 500 000

Интенсивность поступления осадочного материала в результате абразионных процессов находится в прямой зависимости от гидродинамических условий (волновой и уровенный режимы), геоморфологических и инженерно-геологических условий береговой зоны, состава и прочности размываемых пород.

По устойчивости к размыву эти породы делятся на 6 групп:

1) песчаные, размыв которых определяется в основном энергией волн и течений;

2) лессовые, размыв которых обусловлен потерей их прочности при размокании;

3) различные глинистые, песчаниковые, слабо карбонатные и другие, размыв которых зависит в основном от степени выветренности;

4) гипсы, соли и другие легкорастворимые породы, размыв которых зависит от интенсивности выщелачивания;

5) мерзлые песчаные и глинистые породы, интенсивность размыва которых обусловлена степенью теплового воздействия;

6) скальные породы, которые можно считать практически неразмываемыми [Золотарев, 1955].

В береговой зоне водохранилищ Ангарского каскада наиболее размываемы сильно выветрелые и слабо противостоящие морозному воздействию различные глинистые, песчаниковые, слабо карбонатные разности, либо лессовидные. Песчано-глинистые породы кембрия обладают невысокой механической прочностью даже в невыветрелом состоянии. Протяженность размываемых берегов на водохранилищах Ангарского каскада составляет более 2 тыс. км, из которых больше половины составляют абразионные берега Братского водохранилища (табл.2).

Таблица 2. Протяженность абразионных берегов на водохранилищах Ангарского каскада

Примечание: 1 - протяженность абразионных берегов, км; 2 - % от общей длины берегов водохранилища

Нестабильность режима эксплуатации водохранилищ не способствует затуханию абразионных процессов в береговой зоне, которая по-прежнему находится в стадии становления. Абразионные берега на Иркутском водохранилище занимают 150 км береговой линии и распространены в большей мере по основной акватории, их образование происходит в отложениях юрского и четвертичного возраста [Максимишина, 2002].

Наиболее интенсивный размыв песчаников юры наблюдается по левобережью водохранилища между Мельничной Падью и заливом Курма. Линейная величина размыва юрских отложений составляет за год 0,1-0,5 м, четвертичных - 0,4-3,5 м/год [Мирошниченко, Лещиков, 1988). Абразия сильно выветрелых и интенсивно трещиноватых песчаников юры способствует их ведущей роли в осадконакоплении в Иркутском водохранилище. На Братском водохранилище наибольший линейный размыв при НПУ отмечается на склонах, сложенных делювиальными лессовидными суглинками, составляя за год 7-10 м при объеме разрушения 80-120 м³ с 1 м береговой линии. В меньшей мере разрушаются коренные породы - песчаники, алевролиты, аргиллиты, объем размыва их составляет 12-26 м³ с 1 м береговой линии при отступании бровки берегового уступа на 2-2,5 м. [Гидрометеорологический…, 1978]. Основное поступление осадкообразующего материала в Братском водохранилище происходит при размыве четвертичных лессовидных суглинков, обладающих высокой степенью просадочности (табл.3).

Таблица 3. Величины размыва пород береговых уступов водохранилищ Ангарского каскада, тыс. т/год

В Усть-Илимском водохранилище наиболее размываемы породы ордовика и карбона, дающие более половины от суммарного поступления абразионного материла. Абразионные берега на Усть-Илимском водохранилище формируются на крутых склонах, сложенных прочными скальными и полускальными породами с маломощным чехлом четвертичных отложений. Кроме того, режим уровней Усть-Илимского водохранилища не способствует активному проявлению абразионных процессов.

Распределение поступившего материала в каждом из водохранилищ имеет свои особенности. Чем медленнее водообмен водохранилища, тем выше его способность накапливать взвешенные вещества. Иркутское водохранилище удерживает 64% поступающего осадочного материала, Братское - 98,8%, Усть-Илимское - 97,9%, из них большая часть материала переходит в донные отложения (табл.4).

Таблица 4. Седиментационный баланс водохранилищ Ангарского каскада

Берега абразионного типа стали ведущим источником поступления в водохранилища химических веществ в составе осадкообразующего материала. Сочетание неравнозначности протекания абразионных процессов в береговой зоне и различие в составе размываемых пород приводят к разнообразию поступления химических элементов в водохранилища Ангарского каскада. Суммарное поступление элементов основного состава составляет около 160000 тыс. т/год, из которых 97,7% принимает Братское водохранилище. Основным осадкообразующим соединением является SiO₂, на его долю приходится 83,5% в Иркутском водохранилище, 98,1% - в Братском и 78,4% - в Усть-Илимском. Такое соотношение распределения SiO₂ в поступающем материале сказывается на долевом участии прочих соединений (табл.5). С исходным составом абрадируемых пород в Иркутском водохранилище связано 10,1% поступления Al₂O₃ и 1,96% - Fe₂O₃ от суммы прихода всех элементов из этого источника.

Братское водохранилище береговая зона поставляет 0,56% Al₂O₃ и 0,26% Fe₂O₃, в Усть-Илимское водохранилище 10,38% и 3,74% соответственно. В результате абразионных процессов водохранилища принимают ежегодно более 18000 тыс. т органических веществ, более 100 тыс. т микроэлементов, входящих в состав размываемых пород.

Второе положение: Незавершенность процесса становления береговой зоны и подводного рельефа водохранилищ Ангарского каскада проявляется в пространственной неоднородности темпов осадконакопления и типах донных отложений.

Интенсивное протекание процессов абразии с выработкой абразионных уступов и поступление значительных объемов размытого материала на дно водохранилищ свидетельствуют о том, что водохранилища Ангарского каскада находятся в стадии становления их береговой зоны и подводного рельефа. Состав размываемых пород берегового склона и гидродинамические параметры водохранилищ контролируют состав наносов отмели, ее ширину, а также состав и мощность осадков глубоководной части водохранилищ.

Характерной для водохранилищ Ангарского каскада является пространственная неоднородность темпов осадконакопления (табл.6).

Таблица 6. Некоторые показатели осадконакопления в водохранилищах Ангарского каскада

На основе ежегодных прямых наблюдений и зондирования толщи осадков на опорных участках, а на остальной акватории - геологическим методом деления мощности осадочного слоя на время, за которое слой образовался, нами получены скорости осадконакопления. Одновременно с типичными для искусственных водоемов скоростями осадконакопления имеют место и участки со сверхбыстрым осадконакоплением. К таким участкам относятся прибрежные отмели вблизи абразионных и оползневых берегов и область переменного подпора и Верхнеангарский район Братского водохранилища.

Способ механического перемещения осадкообразующего материала и условия его осаждения определяют формирование основных элементов подводного рельефа и литодинамических типов донных отложений. По происхождению нами выделены следующие литодинамические (генетические) типы: отложения придонных гидродинамических потоков, гравитационные отложения, отложения вертикальных седиментационных потоков (рис.2).

Рис. 2. Карты-схемы гидродинамической ситуации при волнении СЗ направления в Братском водохранилище в масштабе 1: 3 000 000 (А) и участках Рассвет (Б) и Заславск (В) в масштабе 1: 100 000

Условные обозначения: 1 - суша; 2 - границы затопленного русла р. Ангары; 3 - абразионный берег; 4 - отложения придонных гидродинамических потоков (прибрежная отмель); 5 - гравитационные отложения (подводный склон прибрежной отмели); 6 - отложения вертикальных седиментационных потоков (затопленные террасы, затопленное русло); 7 - ветровые дрейфовые течения; 8 - компенсационные противотечения; 9 - участки "нулевой седиментации"

Каждый литодинамический тип приурочен к определенной морфодинамической зоне, основными из которых являются: прибрежная отмель, подводный склон отмели, затопленные террасы и затопленное русло реки. Основную роль по переносу и аккумуляции осадочного материала на прибрежной отмели и ее внешнем крае выполняют волны, вдольбереговые, разрывные и компенсационные течения. По своему генезису отложения прибрежных отмелей являются отложениями придонных гидродинамических потоков. Их формирование происходит на участках, где генетическим типом берегов является абразионный тип. При размыве скальных и полускальных пород, песчаников и выветрелых аргиллитов размытый материал перемещается волочением и формирует отмели песчаного и галечного состава. На участках размыва пород глинистого состава и переноса размытого материала во взвешенном состоянии образуются отмели, сложенные крупноалевритовым и иногда мелкоалевритовым материалом.

По скорости аккумуляции осадочного материала лидирует Братское водохранилище, значительно превосходя и вышележащее Иркутское и нижележащее Усть-Илимское водохранилища. Высота слоя наносов, отлагающихся на отмелях Иркутского водохранилища ежегодно в осенний период при стоянии высокого уровня, составляет 10-15 см. Однако эти наносы весной следующего года при повышении уровня смываются, а осенью снова накапливаются и находятся на отмели до весны следующего года. Результатом таких ежегодных смывов является углубление отмелей [Пинегин, 1980].

На Братском водохранилище при НПУ 60-80% размытого материала отлагается на отмели, при этом абразионный материал за несколько лет стояния высоких уровней образует на внешнем крае отмели аккумулятивные призмы мощностью до 2-3 м, увеличивая тем самым мощность наносов и уменьшая наклон отмели. Величина ежегодно отлагающегося слоя составляет 0,2-0,8 м в зависимости от состава размываемых пород [Овчинников, Карнаухова, 1985]. На Усть-Илимском водохранилище аккумулятивные процессы в прибрежной зоне не имеют широкого развития в связи с тем, что в наиболее штормовой период происходит снижение уровня воды в водохранилище и резкое ослабление абразионных процессов, а размытый материал перемещается на большие глубины, чему способствует также и общая глубоководность водохранилища.

Перемещение осадочного материала на подводном склоне отмелей водохранилищ Ангарского каскада отличаются от движения осадочного материала, происходящего на самих отмелях. На подводном склоне процессы протекают в основном при ведущей роли гравитационных процессов, в результате формируется литодинамический тип, представленный отложениями гравитационных потоков или гравититами. Среди гравитационных процессов наибольшее развитие на водохранилищах получили оползни и обвалы, разжиженные потоки. Процессы перемещения осадочного материала протекают гораздо медленнее, чем на отмели. Исключение составляют оползни и обвалы, протекающие практически мгновенно. Среди оползневых смещений преобладает поточный тип, происходящий на участках, где в зону затопления водохранилищами попали оползневые склоны ангарских, окинских и илимских террас, сформированных в породах ордовика и силура, представленных глинистыми разностями.

Возникновению гравититов из разжиженных потоков осадочного материала способствуют высокие для водохранилищ Ангарского каскада скорости накопления осадков на внешнем крае прибрежной отмели, гранулометрический состав, свойства, обводнение с разрушением структурных связей и слабо уплотненное состояние осадков, а также угол наклона подводного склона, превышающий угол естественного откоса для несвязных пород (более 30^о). Перемещение в виде разжиженных потоков происходит на участках, где отмели сложены материалом размыва пород, сложенных супесями, суглинками, аргиллитами, т.е. породами с высоким содержанием глинистой компоненты. Гравитационное перемещение осадков по подводному склону в виде разжиженных потоков усиливается в период штормов, когда на отмель поступают огромные массы размытого материала, а внешний край отмели и склон становится динамически неустойчивыми.

Мощность слоя осадков на подводном склоне отмели зависит как от структурных особенностей абрадируемых пород, так и от механизма образования осадка. Больший слой осадков на склоне образовался на участках размыва рыхлых четвертичных пород. На участках размыва делювиальных лессовидных суглинков периодически происходит пластично-вязкое течение осадочного материала в виде разжиженного потока по подводному склону прибрежной отмели. Слой осадка имеет мощность 11-14 см и представляет собой чередование прослойков толщиной 1-2 см коричневато-бурого мелкоалевритового ила или крупного алеврита с прослоями тонкозернистого песка, толщина прослоя которого не превышает 0,5 см.

К гравитационным процессам относится и "течение" по дну песков-плывунов, слагающих размываемые берега в Калтукском расширении Братского водохранилища, в которых преобладающей является фракция 0,25-0,10 мм, составляя 63-72%. Пористость песков изменяется в пределах 38-50%, угол естественного откоса - 31-38^о. Высокое содержание фракции 0.25-0,10 мм определяет способность песков переходить в разжиженное состояние и оползать.

Осадочный материал, вынесенный за пределы прибрежных отмелей разрывными и компенсационными течениями, приводит к формированию отложений вертикальных седиментационных потоков. Натурными наблюдениями нами было установлено, что при абразии суглинков во время шторма происходит перемещение размытого материала за пределы отмели в виде потоков, разно насыщенных взвешенным материалом. Наибольшее содержание взвесей имеют два потока. Первый поток в виде "облака повышенной мутности" перемещается на границе раздела слоев дрейфового и компенсационного переноса. Второй, более насыщенный, поток (до 400 г/м³) находится вблизи дна, формируя нефелоидный слой мощностью 2-5 м [Карнаухова, 2003; 2004].

Минимальные скорости осадконакопления в водохранилищах Ангарского каскада характерны для отложений вертикальных седиментационных потоков и приходятся на самые глубоководные зоны водоемов и участки, где отсутствуют абразионные берега. Однако по площади распространения отложения седиментационных потоков имеют явное преобладание в водохранилищах Ангарского каскада. Формирование донных отложений в глубоководной части Иркутского водохранилища происходит в виде локальных пятен малой мощности и по темпам накопления и мощности слоя осадков значительно уступает водохранилищам каскада. В Братском водохранилище максимальная высота слоя донных отложений присутствует там, где их формирование связано с абразией делювиальных суглинков, и составляет 10-20 см. Водные массы перед плотиной Братской ГЭС имеют невысокое содержание взвешенного материала (рис.3) поэтому здесь скорость осадконакопления одна из наименьших по водохранилищу.

Рис. 3. Схема распределения содержания взвешенных веществ (мг/л) в воде по продольному профилю водохранилищ Ангарского каскада

Наибольшая мощность сплошного покрова осадков Усть-Илимского водохранилища, отложившихся из вертикальных седиментационных потоков, приходится на участок между 56 и 74 км и составляет 40 см. Ниже по течению толщина слоя осадков уменьшается, значительная часть дна представляет участки с нулевой седиментацией. Для всего каскада характерной является такая черта осадконакопления как снижение мощности донных отложений от верховья водохранилищ вниз, по направлению к плотине.

Одной из особенностей Братского водохранилища является эксплуатация его как при НПУ, так и при низких уровнях. При низких уровнях прекращается абразия береговых уступов, размывается материал, отложившийся в предыдущие годы в прибрежной зоне водоема. Наибольшие размывы приходятся на отмели, сложенные крупноалевритовым материалом, менее активны абразионные процессы на участках с песчаными отмелями. Размытый материал отлагается на более низких батиметрических отметках. При стоянии низких уровней темп аккумуляции наносов в прибрежной зоне водохранилища находится в пределах 4,4 см/год, в глубоководной зоне скорость осадконакопления равняется 0,34 см/год (табл.7).

Таблица 7. Скорость осадконакопления в Братском водохранилище при различном положении уровня воды

В абсолютных единицах скорость аккумуляции терригенного материала в глубоководной части Иркутского водохранилища составляет менее 1 мг/см²/год, Братского водохранилища - 78,8 мг/см²/год, Усть-Илимского водохранилища - 24 мг/см²/год. В то же время скорость накопления донных осадков в озере Байкал составляет 10 мг/см²/год [Лихошвай, Грачев, 2006]. Как видим, скорости накопления осадочного материала в абсолютных единицах в искусственных водоемах - Братском и Усть-Илимском водохранилищах, значительно превосходит природный водоем, находящийся в одинаковых с ними природно-климатических условиях. Подобное несоответствие обусловлено абсолютным преобладанием в питании водохранилищ осадочным материалом абразионного происхождения.

Наши исследования показали, что создание водохранилищ Ангарского каскада привело к формированию в области переменного подпора и Верхнеангарском районе Братского водохранилища новой внутриводоемной седиментосистемы. Общая протяженность этой седиментосистемы 90 км [Карнаухова, 2007]. Несмотря на то, что вода Ангары характеризуется низким содержанием взвешенного материала, за счет большого объема водной массы ежегодный твердый сток Ангары в область переменного подпора составляет 1,398 млн. т, из которых половина материала остается в области переменного подпора и Верхнеангарском районе. Об интенсивном осаждении осадочного материала, приносимого рекой, свидетельствуют падение скорости водного потока, увеличение содержания взвешенного материала в придонном горизонте (рис. 4), а также величина слоя отложившихся осадков.

Рис. 4. Распределение скоростей течения и содержания взвесей в седиментосистеме р. Ангары

Участки наблюдений: 0 - Усолье-Сибирское; I - 110 км; II - Кулаково; III - Буреть; IV - 125 км; V - 130 км; VI - 135 км; VII - Свирск; VIII - Каменка; IX - Казачье; X - Середкино

При стоянии уровня на низких отметках в течение нескольких лет происходит смещение границы области переменного подпора в сторону плотины, протяженность уменьшается примерно в 3 раза. Большая часть области по гидрологическому режиму приобретает черты реки. В Верхнеангарском районе сработка водохранилища приводит к частичному размыву донных отложений (рис.5).

Интенсивность седиментационных процессов в области переменного подпора составляет 14 г м^-2 сутки^-1. На участке перехода от области переменного подпора к Верхнеангарскому району поток осадочного материала достигает 93 г м^-2 сутки^-1, о чем свидетельствует наибольшая мощность донных отложений (более 50 см) крупно - и мелкоалевритового состава между г. Свирск и с. Каменка.

В самом Верхнеангарском районе происходит снижение величины потока до 11 г м^-2 сутки^-1 и, соответственно, мощности донных отложений до 4 - 20 см на участке Казачье и 3-18 см на участке Середкино. Как видим, новообразованная седиментосистема является областью сверхбыстрого осадконакопления, в которой интенсивность потоков осадочного вещества сопоставима с интенсивностью потоков в природных устьях рек.

Рис. 5. Схема осадконакопления на участке г. Свирск при различном положении уровня

Условные обозначения: 1 - доломиты и известняки ангарской свиты кембрия; 2 - четвертичные делювиальные суглинки; 3 - галька; 4 - пески; 5 - крупные алевриты; 6 - мелкоалевритовые илы

По преобладающему компоненту нами в водохранилищах Ангарского каскад выделяется один класс осадков - терригенные осадки, и два литологических типа - обломочные и глинистые осадки. Терригенные обломочные донные отложения водохранилищ представлены структурными типами: псефитами, псаммитами, алевритами (табл.8).

Грубообломочные (псефиты) донные отложения в зависимости от размера и окатанности обломков делятся на валуны и глыбы, гальку и щебень, гравий и дресву. Данный структурный тип донных отложений имеет в водохранилищах локальное распространение - в виде отдельных небольших пятен в приурезовой зоне на участках размыва скальных и полускальных пород.

Таблица 8. Классификация донных отложения водохранилищ Ангарского каскада

Наиболее распространенным типом терригенных обломочных отложений являются псаммиты и алевриты. Псаммиты представлены в большей мере песками. Затопленные пески представляют собой террасовый и русловой аллювий, или имели до затопления эоловое происхождение. Пески, образовавшиеся после создания водохранилищ, являются в основном отложениями придонных гидродинамических потоков и приурочены к участкам дна с высокой гидродинамической активностью, т.е. до 7-9 м глубины. Прибрежные пески являются крупно - и среднезернистыми, в глубоководной зоне водохранилищ - мелкозернистыми со значительной примесью алевритового материала.

Алевритовый тип включает крупные алевриты и мелкоалевритовые илы. Крупные алевриты отмечаются там, где происходит частая смена гидродинамической обстановки. Такими участками являются прибрежные отмели, формирующиеся из материала размыва пород берега с высоким содержанием глинистой компоненты. Характерной особенностью осадков крупноалевритового и мелкоалевритового состава, слагающих прибрежные отмели является двухвершинность их гранулометрического профиля, что указывает на незавершенность выработки профиля равновесия в прибрежной зоне. Большая часть затопленных террас, а также полностью подводные склоны прибрежных отмелей покрыты слоем осадков крупноалевритового состава (рис. 6).

Условные обозначения: 1 - затопленные первичные грунты, почвы и лес; 2 - песок; 3 - крупный алеврит; 4 - мелкоалевритовый ил; 5 - алевритово-глинистый ил

Рис. 6. Карты-схемы литологических типов донных отложений Братского водохранилища в масштабе 1: 3 000 000 (А) и участков Рассвет (Б) и Заславск (В) в масштабе 1: 100 000

Мелкоалевритовые илы имеют незначительное распространение в прибрежной зоне водохранилищ Ангарского каскада. Основным полем их аккумуляции являются затопленные террасы и бывшее русло. Алевритово-глинистые илы занимают незначительные участки дна Братского и Усть-Илимского водохранилищ, полностью отсутствует в Иркутском водохранилище.

Со временем произошли определенные изменения в пространственном распределении типов донных отложений. Для Иркутского водохранилища через 25 лет его эксплуатации это проявилось в формировании первого комплекса донных отложений, занимающего 1/3 площади дна в виде отдельных пятен и сохраняющих такое положение и в настоящее время. В Усть-Илимском водохранилище не происходит кардинальных изменений в площадном распределении донных отложений и их типов. Более заметные изменения произошли в Братском водохранилище, связанные с режимом его эксплуатации (рис.7). В Братском водохранилище несколько уменьшились площади дна, занятые затопленными первичными грунтами, почвами, песками, и увеличились площади распространения крупно - и мелкоалевритовых осадков. Изменения особенно затронули относительно мелководное Балаганское расширение с его интенсивным проявлением абразионных процессов, например, со временем площади дна, занятые в прошлом затопленными почвами, покрываются слоем современных осадков.

Общая схема распределения фракций в зависимости от соотношения их в осадке на различных батиметрических отметках водохранилищ Ангарского каскада такова. Для Иркутского и Братского водохранилищ присущ общий характер преобладания песчаных частиц в прибрежной зоне и господство алевритового материала над пелитовой фракцией в осадках затопленных террас и русла.

В то же время Усть-Илимское водохранилище, в котором песчаная фракция значимо присутствует в донных отложениях по всему профилю, не укладывается в схему. Узкие отмели, резкий перепад глубин на свале приводят к накоплению тонкопелитового материала вблизи берега, а крупнозернистые осадки опускаются на большие глубины. Возможно, что такая ситуация возникает в результате абразионно-оползневого типа формирования берегов, при котором не переработанный волновыми процессами материал мгновенно поступает на большие глубины, не успевая нарастить прибрежную отмель. На такой механизм формирования осадка указывают и очень высокие значения коэффициентов сортированности, свидетельствующие об отсутствии сортирующего эффекта.

Для алевритовой фракции характерен максимум процентного содержания на подводном склоне прибрежной отмели, и далее при поступлении на затопленные террасы и русло происходит некоторое снижение количества фракции. Алевритовая фракция растет с удалением от берега в донных отложениях Иркутского и Братского водохранилищ и остается почти на одном уровне в осадках Усть-Илимского во...