Wykorzystanie 210 pb i metali ciężkich

Transkrypt

1 VII Zjazd Geomorfologów Polskich kraków 2005 Wykorzystanie 210 pb i metali ciężkich w badaniach tempa współczesnej sedymentacji osadów pozakorytowych Edyta Łokas, Dariusz Ciszewski, Przemysław Wachniew, Piotr Owczarek 1. Wstęp Izotop 210 Pb, o czasie połowicznego zaniku 22,26 lat, najczęściej wykorzystuje się do określania tempa akumulacji drobnoziarnistych osadów morskich lub jeziornych, przyrastających w sposób ciągły w ciągu ostatnich lat. Nieregularna, krótkotrwała i zmienna w czasie i przestrzeni depozycja osadów pozakorytowych znacząco utrudnia wykorzystanie 210 Pb do datowania takich osadów. Istnieje więc niewiele przykładów użycia 210 Pb do badań tych osadów (He, Walling 1996; Goodbread, Kuehl 1998). Zanieczyszczone osady pozakorytowe mogą być datowane również dzięki różnicom koncentracji metali ciężkich w profilach pionowych. Różnice te koreluje się ze znanymi wydarzeniami w historii gospodarczej zlewni. Dokładność uzyskanych dat jest uwarunkowana głównie wielkością różnic zanieczyszczenia tych osadów metalami, dokładnością zapisów historycznych oraz postdepozycyjną migracją pierwiastków (Ciszewski, Malik 2004). Przedmiotem przeprowadzonych badań jest ocena tempa sedymentacji osadów pozakorytowych uzyskanego na podstawie zróżnicowania koncentracji metali ciężkich w profilach pionowych oraz dzięki analizie aktywności 210 Pb. 2. Teren badań Badania tempa akumulacji osadów zostały przeprowadzone w dolinie rzeki Warty koło Jaskrowa, 6 km poniżej Częstochowy. Średni przepływ rzeki wynosi tam 5,8 m 3 /s. W tym

2 272 Edyta Łokas, Dariusz Ciszewski, Przemysław Wachniew, Piotr Owczarek Ryc. 1. Lokalizacja terenu I miejsca poboru prób Ryc. 2. Aktywność Pb w badanych warstwach profili J I-J IV odcinku dolina zwęża się do około metrów, a rzeka akumuluje osady nadbudowując dno doliny (ryc. 1). Wiercenia osadów holoceńskich wykazały miąższość piaszczysto -pylastych osadów pozakorytowych wahającą się w granicach 1,6-2,4 m (Owczarek 2002). Analiza położenia koryta współczesnego i na początku XX w. wskazuje na jego stabilność w tym okresie. Wzdłuż prawego brzegu koryta obserwuje się szeroki wał przykorytowy o wysokości dochodzącej do 1 m. Stosunkowo niskie brzegi rzeki, porośnięte gęstą roślinnością traw, turzyc i trzcin sprzyjają corocznej powodziowej depozycji osadów. Głównym źródłem zanieczyszczenia rzeki koło Jaskrowa jest miasto Częstochowa oraz jej największy zakład przemysłowy huta żelaza Częstochowa. Huta Częstochowa rozpoczęła produkcję stali w 1898 r. stopniowo ją zwiększając do ok ton w 1913 r. Gwałtowny, 5-krotny wzrost produkcji, miał miejsce dopiero jednak po rozbudowie huty w 1952/3 r. Był on następnie wolno kontynuowany do 1980 r. (Forusiak i in. 2003). W ostatnich latach nastąpił spadek produkcji związany z przekształceniami własnościowymi, zmianą profilu produkcji i modernizacją (ryc. 3). Huta i miasto Częstochowa nie posiadały oczysz-

3 Wykorzystanie 210 Pb i metali ciężkich w badaniach tempa współczesnej Ryc. 3. Tempo sedymentacji osadów obliczone na podstawie 210 Pb w profilach 1-5 czalni ścieków aż do 1968 r. Przejęcie ścieków komunalnych i przemysłowych przez oczyszczalnię po tym roku umożliwiło redukcję zanieczyszczeń w ściekach o 95%. 3. Metoda badań Profile o długości cm zostały pobrane w najwyższym punkcie wału brzegowego (J IV) 2 m od brzegu oraz w jego zewnętrznej części w odległości 10 m (J III) i 20 m od brzegu (J II) oraz w basenie powodziowym 30 m od brzegu (J I). Zostały one rozdzielone na warstwy miąższości 2-3 cm. W każdej z nich mierzono aktywność 210 Pb. Natomiast, we frakcji <0,063 mm wydzielonej na mokro analizowana była zawartość Cu, Pb, Ni i Zn przy użyciu absorpcyjnej spektrometrii atomowej. Ponadto w przekroju poprzecznym przez dno doliny, w odległości 5, 16, 38, 57 i 116 m od koryta pobrano 5 profili długości około 0,4 m (punkty 1, 2, 3, 4, 5 na ryc. 1). Po homogenizacji, z każdego z tych profili pobrano 1 próbkę, w której oznaczono całkowitą aktywność 210 Pb i 226 Ra. Określenie tempa sedymentacji za pomocą 210 Pb uzyskuje się poprzez pomiar całkowitej aktywności 210 Pb i 226 Ra w osadach oraz wielkości atmosferycznego strumienia 210 Pb. Różnica pomiędzy tymi pomiarami pozwala na obliczenie wielkości depozycji fluwialnej osadów, z którymi 210 Pb jest związany (He, Walling 1996). Aktywność 210 Pb wyznaczano poprzez pomiar aktywności α 210 Po, który jest produktem rozpadu promieniotwórczego 210 Pb. Pomiary aktywności α przeprowadzono za pomocą spektrometru Alpha Analyst firmy Canberra z detektorami półprzewodnikowymi. Aktywność 226 Ra wyznaczano poprzez pomiar aktywności β produktów jego rozpadu promieniotwórczego metodą ciekłych scyntylatorów.

4 274 Edyta Łokas, Dariusz Ciszewski, Przemysław Wachniew, Piotr Owczarek 4. Ocena tempa akumulacji osadów na podstawie aktywności 210 Pb w badanych profilach W profilach J I, J II, J III i J IV widoczny jest szybki spadek właściwej aktywności 210 Pb wraz z głębokością, będący wypadkową promieniotwórczego rozpadu tego radionuklidu w czasie oraz depozycji osadów (ryc. 2). Krzywa przedstawiająca całkowitą aktywność 210 Pb w profilach J I i J II jest względnie gładka natomiast, aktywność 210 Pb w profilach J III i J IV wykazuje większe fluktuacje. Różnice te wynikają ze znacznie szybszej akumulacji osadów przy brzegu niż w zewnętrznej części wału brzegowego. Istotnie, tempo sedymentacji wyznaczone dla profilu J III (1,15 g/cm 2 rok, 1,13 cm/rok) jest znacznie większe od tempa wyznaczonego dla profilu J II (0,34 g/cm 2 rok, 0,47 cm/rok). Poza tym przy brzegu, gdzie występuje największy gradient prędkości przepływu wody w czasie wezbrania, miąższość warstw osadów deponowanych w czasie pojedynczych powodzi jest również najbardziej zróżnicowana. Natomiast, mniejsze prędkości przepływu wody, powodują wolniejszą i bardziej równomierną depozycję osadów w zewnętrznej strefie wału brzegowego. Podobną prawidłowość potwierdzają także różnice tempa depozycji osadów w profilach 1-5 w przekroju poprzecznym przez równinę zalewową (ryc. 3). Średnie tempo sedymentacji w każdym z tych profili zmieniało się w zakresie 0,08-0,45 g/cm 2 rok, co odpowiada 0,12-0,86 cm/rok. Tempo sedymentacji gwałtownie maleje wraz z odległością od koryta rzeki. Wielokrotnie niższe wartości tego tempa, ok. 1 mm/rok, charakterystyczne są dla basenu powodziowego. Duża zawartość materii organicznej w powierzchniowej warstwie osadów w tym basenie i stosunkowo niskie tempo depozycji osadów wskazuje na transport i depozycję głównie cząstek organicznych, przewarstwionych także zapewne produktami rozkładu bujnej roślinności porastającej równinę zalewową. 5. Ocena tempa akumulacji osadów w oparciu o koncentracje metali ciężkich Badane osady są bardzo silnie zanieczyszczone Cu, Ni, Pb i Zn. Ich koncentracje są razy wyższe od wartości najczęściej spotykanych w glebach Polski. Najwyższe koncentracje metali występują przy brzegu w profilu J IV. Od spągu każdego z badanych profili widoczny jest wyraźny i synchroniczny wzrost koncentracji badanych pierwiastków (ryc.4). Maksimum koncentracji metali występuje przy brzegu na głębokości ok. 0,5 m, natomiast w większej odległości od koryta, w profilach J II i J III, na głębokości około cm. Spadek tych wartości w kierunku powierzchni nie jest równoczesny. Charakterystyczny jest we wszystkich profilach skokowy spadek koncentracji Zn i Ni, któremu towarzyszy wolniejszy spadek koncentracji miedzi. Natomiast, pik koncentracji ołowiu na ryc. 4 jest znacznie węższy, a spadek koncentracji Pb we wszystkich profilach poprzedza spadki pozostałych pierwiastków. Obserwowane prawidłowości zmian koncentracji metali ciężkich w badanych profilach można korelować ze znanymi wydarzeniami historii gospodarczej miasta Czę-

5 Wykorzystanie 210 Pb i metali ciężkich w badaniach tempa współczesnej Ryc. 4. Koncentracja metali ciężkich w profilach J II-J IV stochowa. Niewątpliwie najważniejszym z nich była poważna rozbudowa huty żelaza w 1952 r. Ponieważ ani huta, ani miasto nie posiadały wtedy oczyszczalni ścieków ten fakt musiał zostać odzwierciedlony w dramatycznym wzroście zanieczyszczenia wód Warty. Jego śladem jest gwałtowny wzrost zanieczyszczenia jej osadów wszystkimi oznaczanymi pierwiastkami, jakkolwiek cynk a szczególnie nikiel, używany jako dodatek do uszlachetniania stali, jest najwyraźniej z tym faktem związany. Wzrost ten datuje warstwę na głębokości 51 cm w profilu J IV, oraz warstwy na głębokości 29 cm i 28 cm odpowiednio w profilach J III i J II (ryc. 4). Dzieląc tę wielkość przez wiek otrzymujemy przeciętne tempo przyrostu osadów w ciągu ostatnich 50 lat w najwyższym punkcie wału na 1,1 cm/rok i około 0,5 cm w jego zewnętrznej części. Bardzo zbliżone wartości otrzymamy, jeżeli poziom wyraźnego spadku koncentracji miedzi, niklu i cynku skorelujemy z datą uruchomienia oczyszczalni w 1968 r. Poziom ten występuje w J IV na głębokości 37 cm, a w J III i J II na głębokości 16 cm. Podobne wartości tempa przyrostu osadów na podstawie tych obu dat mogą wskazywać na w miarę równomierny przyrost osadów w ciągu ostatnich 50 lat.

6 276 Edyta Łokas, Dariusz Ciszewski, Przemysław Wachniew, Piotr Owczarek 6. Podsumowanie i wnioski O możliwości wykorzystania 210 Pb i metali ciężkich do oceny tempa przyrostu osadów zadecydowała stosunkowo długotrwała lateralna stabilizacja koryta rzeki oraz zalewanie całego dna doliny w czasie corocznych powodzi. Wielkości tempa sedymentacji wyznaczone dla badanych profili J II i J III za pomocą obu metod różnią się znacznie. Może mieć to związek z dokładnością obu metod, niepewną szczególnie w przypadku profilu J III, ale także z różną długością okresu czasu, do którego się odnoszą. Średnie tempo sedymentacji wyznaczone za pomocą 210 Pb odnosi się do 2 razy dłuższego okresu czasu niż wyznaczone przez metale ciężkie. Wyższe tempo sedymentacji w ostatnich 50 latach, na które wskazują metale ciężkie w profilu J II może być związane z większymi zrzutami ścieków z rozbudowanej huty i miasta. Sugeruje to także wyraźnie większy udział frakcji pylastych w osadach po około 1950 r. Obserwowane tempo przyrostu osadów jest stosunkowo niskie w porównaniu z obszarami intensywnie użytkowanymi rolniczo i znacznie wyższe niż w naturalnych zlewniach rzek zalesionych (Gomez i in. 1998). Jakkolwiek zmiany tempa akumulacji na równinach zalewowych o urozmaiconej rzeźbie nie są prostą funkcją odległości od koryta (Asselman, Middelkoop 1995), na badanej równinie zalewowej, podobnie jak wzdłuż większości koryt rzecznych, charakterystyczny jest najszybszy przyrost osadów w wałach brzegowych i znacznie wolniejszy przyrost głównie osadów drobnoziarnistych w większej odległości od koryta. Podziękowania Praca została częściowo sfinansowana ze środków budżetowych na naukę w latach jako projekt badawczy. Literatura Asselman N., Middelkoop H., 1995, Floodplain sedimentation: quantities, patterns and proceses, Earth Surf. Proc. & Landf., 20, Ciszewski D., Malik I., 2004, The use of heavy metal concentrations and dendrochronology in the reconstruction of sediment accumulation, Mała Panew River valley, southern Poland, Geomorph., 58, Forusiak K., Malarski T., Bola J., Mandrysz J., 2003, Huta Częstochowa , Jurapress, Częstochowa, ss Gomez B., Eden D.N., Peacock D.H., Pinkney E.J., 1998, Floodplain construction by recent, rapid vertical accretion: Waipaoa River, New Zealand, Earth Surf. Proc. & Landf., 23, Goodbread S.L., Kuehl S.A., 1998, Floodplain processes in the Bengal basin and the storage of Ganges-Brahmaputra river sediment: an accretion study using 137 Cs and 210 Pb geochronology, Sed. Geol., 121, He Q., Walling D.E., 1996, Use of fallout 210 Pb measurements to investigate longer-therm rates and patterns of overbank sediment deposition on the floodplains of lowland rivers, Earth Surf. Proc. & Landf., 21,

7 Wykorzystanie 210 Pb i metali ciężkich w badaniach tempa współczesnej Owczarek P., 2002, The differentiation of the conditions of alluvial sedimentation in the Warta gorge through the Cracow Upland, Poland, Quaest. Geogr., 22, Edyta Łokas Wydział Geologii Geofizyki i Ochrony Środowiska Akademia Górniczo-Hutnicza al. Mickiewicza Kraków Dariusz Ciszewski Instytut Ochrony Przyrody Polska Akademia Nauk al. Mickiewicza Kraków Przemysław Wachniew Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademia Górniczo-Hutnicza al. Mickiewicza Kraków Piotr Owczarek Wydział Nauk o Ziemi Uniwersytet Śląski ul. Będzińska Sosnowiec

8