Rzeszewski M., 2009 - “Geosystemy bagienne

Opublikowano: Rzeszewski M., 2009 - “Geosystemy bagienne delty wstecznej Łupawy.” [W:]
Badania podstawowe i aplikacyjne w naukach geograficznych. Kasprzak L. (red.), Bogucki
Wydawnictwo Naukowe. Poznań. s. 261-268
Osady geosystemów bagiennych delty wstecznej Łupawy - charakterystyki
fizyczno-chemiczne i zapis wpływów morskich
Michał Rzeszewski
Instytut Geoekologii i Geoinformacji, Zakład Geologii i Paleogeografii Czwartorzędu, [email protected]
Zarys treści
Obszar bagnisk delty wstecznej Łupawy została objęta w XX wieku systemem wałów
przeciwpowodziowych, co dało możliwość porównania osadów tego samego środowiska będących
zarówno pod wpływem zalewów sztormowych jak i przed nimi chronionych. Wyniki analiz składu
geochemicznego i cech fizycznych z dwóch pobranych rdzeni pokazują znacznie większą
zmienność,
wyrażoną
wartościami
odchylenia
standardowego,
wskaźników
uziarnienia,
wysortowania i zasolenia, w osadach będących pod wpływem zalewów sztormowych. Różnice
między rdzeniami w korelacjach badanych cech sugerują zmianę czynników kontrolujących
charakter środowiska sedymentacyjnego. W osadach odizolowanych od wpływów morskich
czynnikiem
odgrywającym
istotną
rolę
jest
post-depozycyjne
przekształcenie
osadów.
Zaobserwowane prawidłowości sugerują możliwość trwałego zapisu w osadach zmian
intensywności wpływów morskich.
1. Wstęp
Wybrzeża są miejscem stałego ścierania się wpływów morskich i lądowych. Spośród
występujących w tej strefie środowisk ujściowe odcinki rzek i tworzące się w ich sąsiedztwie
geosystemy bagienne mogą być traktowane jako swoiste archiwa informacji o historii i kształcie
interakcji lądu i morza (Allen & Pye 1992; Goff & Chagué-Goff 1999). Osady słonych bagnisk z
uwagi na bardzo ograniczoną bioturbację i duże natężenie akumulacji (Singh & Nayak 2009) są
dobrym nośnikiem informacji o dynamice środowiska sedymentacyjnego i wykorzystuje się je w
badaniach tak paleogeograficznych(Yang et al. 2008; Ward et al. 1998; Roman et al. 1997) jak
i wpływu działalności człowieka (Speelmans et al. 2007; Chang et al. 2001).
Obserwowany w
ostatnich latach, również na polskim wybrzeżu, wzrost poziomu morza i towarzysząca mu
zwiększona częstotliwość zalewów sztormowych (Rotnicki & Borzyszkowska 1999) spowodowały
konieczność poznania efektów jakie zmiany te mogą wywołać we wrażliwych geosystemach
nadmorskich. Jedną z niewiadomych jest odpowiedź na pytanie czy częstsze zalewy sztormowe
pozostawiają ślad w fizyczno-chemicznych właściwościach osadów i czy na tej podstawie można
konstruować prognozy ich dalszego rozwoju.
Rycina 1. Lokalizacja obszaru badań.
2. Założenia i cel badań
Celem niniejszej analizy było sprawdzenie na ile wpływy morskie odzwierciedlają się w
osadach badanego środowiska i czy zapis ten jest wykrywalny pomimo
modyfikacji
cech
fizyczno-chemicznych na skutek procesów wczesnej diagenezy. Podczas interpretacji uzyskanych
wyników przyjęto następujące dodatkowe założenia:
•
Przed wprowadzeniem zaburzeń w postaci działalności człowieka warunki
środowiskowe oraz charakter procesów akumulacyjnych na całym obszarze delty
wstecznej Łupawy były zbliżone a jedynym czynnikiem wyróżniającym odcinek
zachodni jest wał przeciwpowodziowy. Założenie to jest o tyle istotne, iż nie można
wykluczyć asymetrii depozycji między brzegami Łupawy.
•
Cechy osadów akumulowanych w geosystemach bagiennych delty są wynikiem
interakcji zarówno wpływów lądowych jaki morskich a co za tym idzie
odzwierciedlają zmiany ich natężenia.
•
Wpływ zalewów sztormowych na obszar odcięty wałem przeciwpowodziowym jest
dużo mniejszy niż na otwartą część delty - zmniejszona jest tak częstość jak i
wielkość epizodów całkowitej saturacji osadów.
3. Obszar badań
W celu zbadania obecności w zapisie sedymentologicznym wpływu zalewów sztormowych
wybrano teren delty wstecznej Łupawy na odcinku między jeziorem Gardno a miejscowością Rowy
(Rycina 1). Jego dość wyjątkową
cechą jest fakt występowania sztucznej formy wału
przeciwpowodziowego zlokalizowanego wyłącznie na zachodnim brzegu Łupawy, powstałego w
lata 50-tych XX wieku (Mudryk 2003). Pozwoliło to mieć nadzieję na wydzielenie, przez
porównanie materiału pochodzącego z obu stron delty, sygnału charakteryzującego wpływy
morskie.
4. Metody
Do badań pobrano 6 rdzeni za pomocą sondy typu Instorf o 10 cm średnicy próbnika –
2 po stronie zachodniej i 4 po stronie wschodniej delty. Do niniejszego opracowania użyto wyników
uzyskanych z analizy materiału z dwóch rdzeni: DŁ-1 reprezentującego osady izolowane od
zalewów sztormowych i Łued-4 reprezentującego geosystem będący pod ich wpływem.
Po dokonaniu makroskopowego opisu litologii rdzenie podzielono na 2 cm odcinki. Około
1 gram świeżego materiału przeznaczono do analizy uziarnienia - z tej partii osadu usunięto
materię organiczną poprzez wygotowanie w perhydrolu a następnie poddano 24 godzinnej dyspersji
chemicznej w 5,5 % roztworze heksametafosforanu sodu (Sperazza et al. 2004). Z uwagi na niską
zawartość węglanów (brak reakcji z HCL) nie było konieczne ich usunięcie przed mineralizacją.
Analizy składu granulometrycznego tak spreparowanej próby wykonano przy pomocy
dyfraktometru laserowego Malvern Mastersizer 2000. Dla wszystkich prób zakres frakcji mieścił
się w granicach wykrywalności użytego urządzenia.
Rycina 2. Przebieg i poszczególne etapy analizy laboratoryjnej
Pozostała część osadu została wysuszona w temperaturze 60 st. C i zhomogenizowana w
młynku agatowym do frakcji <0,1 mm. Zawartość materii organicznej została określona na
podstawie wielkości strat na prażeniu (LOI) w temperaturze 550 st. C. W celu przygotowania do
analizy spektrometrycznej materiał został roztworzony w wodzie królewskiej (aqua regia) według
zmodyfikowanej procedury ISO (Bechtel et al. 2007). Pomiary koncentracji poszczególnych
pierwiastków zostały wykonane przy użyciu spektrometru absorpcji atomowej Carl-Zeis Nova 300.
Poprawność procedury była kontrolowana przy pomocy materiałów referencyjnych CP-1 oraz
Metals in Sewadge Sludge. W obu przypadkach uzyskane wartości nie odbiegały od standardów o
więcej niż 10% dla Na, K, Fe, Ca, Mg, Cu i 15% dla Mn. Zawartość krzemionki biogenicznej
i terygenicznej uzyskano z różnicy pomiędzy ostatecznym residuum a materią rozpuszczalną w
NaOH. Przebieg całej procedury ilustruje Rycina 2. Do analizy użyto osadów pochodzących
maksymalnie z głębokości 50 cm. Wynika to z faktu, iż poniżej tej granicy w profilu Łued-4
występuje praktycznie sam piasek i koncentracje pierwiastków są zbyt małe dla przeprowadzenia
wiarygodnych porównań. Ponadto wydaje się mało prawdopodobne aby w na tej głębokości
znajdowały się osady młodsze niż 100 lat.
5. Właściwości fizyczne i chemiczne osadów
Pod względem litologicznym badane osady reprezentują układ typowy dla omawianego
geosystemu. Niezbyt miąższe przewarstwienia torfu i piasku reprezentują skrajne postaci warunków
sedymentacyjnych - od regularnie podtapianego nadmorskiego bagniska do piaszczystej równi
zalewowej będącej rezultatem działalności sztormów, przy czym obecność tych pierwszych
świadczy o okresie względnej stabilizacji a warstewki piasku o znacznych zaburzeniach (Haslett
2000). Przeważającym typem osadu jest natomiast namuł o zmiennej w profilu pionowym
zawartości materii organicznej i frakcji piaszczystej.
Rycina 3. Właściwości fizyczne osadów
Mimo podobnej litologii i wskaźników uziarnienia (patrz Rycina 3) rdzenie różnią się
między sobą. W rdzeniu Łued-4 poniżej 50 cm charakterystyczna szara barwa osadów
piaszczystych świadczy o obecności stałych warunków redukcyjnych. Jako, że cecha ta w rdzeniu
DŁ-1 występuje dopiero na od ok. 80 cm,, świadczyć to może o znacznie rzadszych epizodach
pełnej saturacji osadu. W obu przypadkach obserwowane są bardzo zbliżone średnie wartości
uziarnienia (Uz), zawartości materii organicznej i frakcji piaszczystej. Jednak po porównaniu
odchyleń standardowych okazuje się, co widać również na wykresach, iż wspomniane wskaźniki w
rdzeniu Łued-4 podlegają znacznie większym wahaniom (patrz Tabela 1). Wydaje się zatem
uzasadnione twierdzenie o większej dynamice środowiska a co za tym idzie warunków
sedymentacji, w systemie którego produktem są osady rdzenia Łued-4.
.
Mg
dl-1
lued-4
dl-1
lued-4
1,15
2,19
% piasek
7,73
18,99
Ca
1,29
1,92
% ił
0,54
2,92
Fe
7,62
6,83
Uzi
0,40
0,97
Mn
0,06
0,10
Ws
0,17
0,29
Na
0,86
3,92
Sk
0,08
0,35
K
Cu
1,08
0,01
1,34
0,06
LOI
SiO2bio
6,82
7,87
15,87
9,18
Tabela 1.Wartości odchylenia standardowego dla analizowanych wskaźników.
Porównanie zawartości i wzajemnych korelacji głównych pierwiastków ujawnia szereg
różnic pomiędzy omawianymi rdzeniami. Najbardziej widoczna z nich to wzrost koncentracji
wszystkich pierwiastków w górnych kilkunastu centymetrach rdzenia Łued-4, cecha niewystępująca
w drugim rdzeniu.
Rycina 5. Korelogramy cech osadu.
Taki kształt krzywych koncentracji jest charakterystyczny dla słonych bagnisk
nadmorskich i jest skutkiem zmian poziomu strefy saturacji i związanej z nią granicy warunków
redukcyjnych (Cundy & Croudace 1995). Ciągła oscylacja powoduje remobilizacje i powtórne
wytrącanie pierwiastków, ze szczególnym uwzględnieniem frakcji Fe/Mn. Jednak w omawianym
przypadku wydaje się wątpliwym aby to właśnie ten proces był głównym czynnikiem
warunkującym obecność wyższych zawartości metali w górnej części rdzenia. Świadczy o tym
bardzo silna i istotna korelacja z obecnością materii organicznej oraz brak różnicy w początku
wznoszącego odcinka krzywej dla Fe i Mn, której można by się spodziewać z uwagi na większą
stabilność związków tego pierwszego w słabo redukcyjnym środowisku. Podobnie jak w przypadku
cech fizycznych porównanie wartości odchyleń standardowych sugeruje większą zmienność
dynamiki środowiska w przypadku rdzenia Łued-4.
Analiza korelogramów (Friendly 2002) badanych cech (Rycina 5) ujawnia różnice także w
ich wzajemnych stosunkach Silna wzajemna korelacja wszystkich, poza żelazem, metali oraz
materii organicznej i uziarnienia w rdzeniu Łued-4 świadczy o dominującym wpływie dynamiki
środowiska na zawartość pierwiastków w osadzie. Tak samo można odczytywać korelacja ze
skośnością (Sk). Jeśli bowiem ujemne wartości tego wskaźnika są wynikiem wpływu zalewów
sztormowych, co wydaje się realnym założeniem, to znaczy to że owe epizodu albo powodują
dostawę dodatkowej ilości pierwiastków do systemu albo też zmianę warunków sedymentacji. Przy
czym możliwe jest współwystępowanie obu tych czynników. Fakt, że żelazo z tej zależności jest
wyłączone jest prawdopodobnie spowodowane jego wysoką mobilnością w warunkach zmiennego
natlenienia.
Rycina 4. Koncentracje analizowanych pierwiastków
W rdzeniu DŁ-1 tak silne korelacje pomiędzy pierwiastkami nie występują, mniejsze
znaczenie wydaje się mieć też zawartość materii organicznej. Wydaje się zatem, że znacznie
większą rolę w kształtowaniu cech tego osadu miały procesy wczesnej diagenezy i różne dla
poszczególnych pierwiastków zachowania postdepozycyjne.
6. Dyskusja
Prezentowane wyniki wydają się świadczyć o większej dynamice środowiska na obszarze
nie chronionym przed wpływami morskimi. Wpływ zalewów sztormowych jest na tyle silny, iż
zaznacza się w cechach fizyczno-chemicznych osadu pomimo niewątpliwej działalności procesów
wczesnej diagenezy. Istnieją zatem podstawy do wnioskowania o zmianach natężenia wpływów
morskich a być może nawet powiązania ich z obserwowanym na polskim wybrzeżu
przyspieszonym wzrostem poziomu morza (Rotnicki & Borzyszkowska 1999). Wymaga to jednak
dalszych badań ze szczególnym uwzględnieniem datowań bezwzględnych i poznania natężenia
akumulacji osadów.
7. Podziękowania
Autor chciałby przede wszystkim podziękować profesorowi Karolowi Rotnickiemu za
inspirację i trafne uwagi oraz doktorowi Michałowi Woszczykowi za liczne konsultacje
i poświęcony czas. Badanie nie byłyby również możliwe bez finansowego wsparcia Ministerstwa
Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach grantu nr NN 305 33 69 34.
Literatura
Allen, J.R. & Pye, K., 1992. Saltmarshes: morphodynamics, conservation and engineering significance, Cambridge
University Press.
Bechtel, A. et al., 2007. Biomarkers and geochemical indicators of Holocene environmental changes in coastal Lake
Sarbsko (Poland). Organic Geochemistry, 38(7), 1112-1131.
Chang, Y.H. et al., 2001. Flood defence in the Blackwater Estuary, Essex, UK: The impact of sedimentological and
geochemical changes on salt marsh development in the Tollesbury Managed Realignment site. Marine Pollution
Bulletin, 42(6), 469-480.
Cundy, A.B. & Croudace, I.W., 1995. Sedimentary and geochemical variations in a salt marsh/mud flat environment
from the mesotidal Hamble estuary, southern England. Marine chemistry, 51(2), 115–132.
Friendly, M., 2002. Corrgrams. The American Statistician, 56(4), 316–324.
Goff, J.R. & Chagué-Goff, C., 1999. A late Holocene record of environmental changes from coastal wetlands: Abel
Tasman National Park, New Zealand. Quaternary International, 56(1), 39–51.
Haslett, S.K., 2000. Coastal systems, Taylor & Francis.
Mudryk, Z., 2003. Jezioro Gardno, Słupsk.
Roman, C.T. et al., 1997. Accretion of a New England (USA) salt marsh in response to inlet migration, storms, and sealevel rise. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 45(6), 717-727.
Rotnicki, K. & Borzyszkowska, W., 1999. Accelerated sea level rise and its components at the Polish Baltic coast in the
years 1951–1990. W The evolution of coastal geosystems of the southern Baltic.
Singh, K.T. & Nayak, G.N., 2009. Sedimentary and Geochemical Signatures of Depositional Environment of Sediments
in Mudflats from a Microtidal Kalinadi Estuary, Central West Coast of India. Journal of Coastal Research, 25(3), 641–
650.
Speelmans, M. et al., 2007. Influence of flooding, salinity and inundation time on the bioavailability of metals in
wetlands. Science of the Total Environment, The, 380(1-3), 144–153.
Sperazza, M., Moore, J.N. & Hendrix, M.S., 2004. High-Resolution Particle Size Analysis of Naturally Occurring Very
Fine-Grained Sediment Through Laser Diffractometry. Journal of Sedimentary Research, 74(5), 736-743.
Ward, L.G., Kearney, M.S. & Stevenson, C.J., 1998. Variations in sedimentary environmnets and accretionary patterns
estuarine marshes undergoing rapid submergence, Chesapeake Bay. Marine Geology, 151, 111-134.
Yang, D.Y. et al., 2008. Holocene wetland environmental change based on major element concentrations and organic
contents from the Cheollipo coast, Korea. Quaternary International, 176, 143-155.