Stefan Bartoszewski Instytut Nauk o Ziemi Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie Wyprawy Geograficzne U M C S w Lublinie na Spitsbergen 1988-89 Sesja Polarna 1989 Jan Magierski Instytut Gleboznawstwa Akademia Rolnicza w Lublinie Denudacja chemiczna w zlewniach rzecznych w okolicy Calypsobyen (Zachodni Spitsbergen) Chemical denudation in the river basins of Calypsobyen region (Western Spitsbergen) WSTĘP Podczas III Wyprawy Geograficznej UMCS na Spitsbergen kontynuowano rozpoczęte w 1987 r. badania procesów denudacji chemicznej i mechanicznej w dwu podstawowych typach zlewni rzecznych rejonu Bellsundu. W grupie zlewni glacjalnych głównym obiektem badań była zlewnia lodowca Scotta, a wśród zlewni peryglacjalnych była to zlewnia rzeki Wydrzycy, potoku uchodzącego do fiordu Recherche w Calypsobyen (Bartoszewski, Repelewska-Pękalowa 1988). Badane zlewnie różnią się źródłami zasilania. W zlewni Scotta główną składową odpływu stanowią wody pochodzące z ablacji lodowcowej, natomiast zlewnia Wydrzycy ma złożone zasilanie śnieżno-deszczowo-zmarzlinowe. Zróżnicowanie warunków obiegu wody oraz odmienne źródła alimentacji odpływu wpłynęły na przebieg procesów erozji i denudacji, co znalazło odbicie w obliczonych wskaźnikach denudacji. TEREN BADAŃ, Zlewnia rzeki Scotta zajmuje obszar 10,125 km 2. Lodowiec Scotta o powierzchni 5,8 km 2 wypełnia prawie całą dolinę śródgórską otoczoną grzbietami Wijkanderberget i Bohlinryggen. Nizinną część zlewni zajmują podniesione terasy morskie o zróżnicowanej wysokości. Budują je osady glacjalne, fluwioglacjalne i morskie. Wśród skał podłoża przeważają utwory formacji Hecla-Hoek (tility z wkładkami kwarcytów, fyllitów i wapieni), w rejonie Calypsobyen zalegają trzeciorzędowe piaskowce z wkładkami węgla kamiennego (Flood, Nagy, Winsnes 1971). 69
Niezlodowacona zlewnia rzeki Wydrzycy ma powierzchnię 1,29 km 2. Najwyższą część zlewni stanowi północny stok masywu Bohlinryggen, tereny nizinne obejmują brzeżną partię sandru lodowca Renarda oraz system podniesionych teras morskich. METODY BADAŃ Próby wody do oznaczania wybranych cech fizykochemicznych pobierano codziennie w przekrojach wodowskazowych rzek Scotta i Wydrzycy w godz. 10-12 LMT. Dokonywano jednocześnie pomiaru temperatury wody. Skład chemiczny wód oznaczano na miejscu, w laboratorium wyprawy. Część prób przywieziono do kraju i badano w laboratorium Instytutu Gleboznawstwa Akademii Rolniczej w Lublinie. Wszystkie oznaczenia wykonano klasyczną metodą miareczkową (Markowicz, Pulina 1979), pobierając do każdego oznaczenia 20 ml przesączonej próbki wody. Twardość ogólną oraz zawartość wapnia oznaczano metodą wersenianową, zawartość magnezu wyliczano z różnicy tych dwóch wartości. Wodorowęglany oznaczano kwasem solnym wobec metylooranżu, chlorki argentometrycznie, siarczany metodą wersenianową z chlorkiem baru, ph metodą elektrometryczną pehametrem Mera Elwro N-5123. Sód i potas oznaczono metodą fotometrii płomieniowej na spektrofotometrze Zeiss AAS-1 w trybie pracy emisyjnej. Pomiary przewodności elektrycznej przeprowadzano konduktometrem bateryjnym N-571 z elektrodą PS-2 korzystając z metod podawanych przez Pazdro (1977) oraz Markowicz i Pulinę (1979). Mineralizację ogólną obliczano według wzoru: M = 760000 gdzie: M - mineralizacja ogólna w mg/dm 3 25 ~ oporność właściwa w temperaturze 25 C 760000 - parametr liczbowy wyznaczony empirycznie. r Zastosowana w obliczeniach stała opiera się na wzajemnych zależnościach między przewodnością elektryczną a ilościową zawartością poszczególnych jonów. Określanie wskaźników mineralizacji ogólnej w oparciu o pomiary przewodności elektrycznej pozwoliło na systematyczne śledzenie zmian ilości substancji rozpuszczonych w wodzie. Znajomość mineralizacji i wielkości średniego przepływu dobowego stanowiła podstawę do obliczenia wskaźnika denudacji chemicznej według wzoru: 70
/ D _ Q x 0,0864 x M gdzie: DQM A- denudacja chemiczna w tonach/dobę/kłn2 średni przepływ dobowy w m 3 /s mineralizacja ogólna w mg/dm 3 powierzchnia zlewni w km 2. WYNIKI BADAŃ Badania prowadzono w okresie 1.07-8.10.1988 r. Charakterystykę warunków pogodowych umożliwiły notowania stacji meteorologicznej w Calypsobyen (Gluza 1989). W analizowanym okresie przeważała pogoda cyklonalna z dużym zachmurzeniem i niewielkimi opadami atmosferycznymi. Suma opadów wynosiła 43,9 mm, w tym opady śniegu 4,8 mm. Najwyższy opad dobowy zanotowano 9.09.1988 г.: 8,4 mm. Najdłuższy okres bezopadowy wystąpił w trzeciej dekadzie lipca. Średnie dobowe temperatury powietrza wahały się w granicach od - 7,9 do 8,4 C. Okres trwałego spadku temperatur powietrza poniżej 0 C rozpoczął się 16.09.1988 r. Urozmaicony reżim odpływu oraz zróżnicowanie typów wód odpływających ze zlewni pozwoliły na wydzielenie 3 sezonów hydrologicznych: lata, jesieni i zimy. Podstawą podziału była analiza stanów wody na limnigramach oraz zmienność cech fizycznochemicznych wody (Bartoszewski 1989). Początek hydrologicznego lata (1.07-21.08.1988 r.) wyznacza moment zakończenia wezbrania roztopowego, którego źródłem było tajanie pokrywy śnieżnej zakumulowanej na równinie nadmorskiej. W pierwszych dniach sezonu letniego znaczący udział w odpływie ze zlewni Wydrzycy miały wody pochodzące z ablacji płatów śnieżnych zalegających na stokach o ekspozycji północnej oraz w obniżeniach terenu. Wody proniwalne cechowała stosunkowo niska mineralizacja. Ilość substancji rozpuszczonych w wodach rzecznych wynosiła około 140 mg/dm 3, a w następstwie niewielkich opadów deszczu spadała do 125 mg/dm 3 (rye. 1). Udział wód pochodzących z tajania płatów śnieżnych stopniowo malał. Zwiększenie zasilania zmarzlinowego przejawiało się systematycznym wzrostem mineralizacji aż do wartości 214 mg/dm 3 w dniu 20.08.1988 r. Średnia sezonowa wielkość mineralizacji ogólnej wyniosła 173 mg/dm 3. Odmienny, malejący trend mineralizacji ogólnej obserwowano w zlewni Scotta (ryc. 2). Na początku lipca wody proglacjalne stanowiły 75% całego odpływu w profilu kluczowym. Były to wody wyróżniające się niską koncentracją substancji rozpuszczonych (np. mineralizacja wody pobranej 10.07.1988 r. 71
w szczelinie brzeżnej lodowca Scotta wynosiła,40 mg/dm 3, a wód największego cieku supraglacjalnego 23 mg/dm 3 ). Pozostałą część odpływu stanowiły bardziej zmineralizowane wody proniwalne i zmarzlinowe. O ich malejącym udziale w odpływie świadczy spadek wskaźnika mineralizacji z około 100 mg/dm 3 w pierwszej pentadzie lipca do 75 mg/dm 3 w drugiej pentadzie tego miesiąca. Obserwowany w końcowym etapie sezonu letniego powolny wzrost mineralizacji został wywołany ograniczeniem dopływu wód ablacyjnych wskutek spadku temperatur powietrza, przy utrzymywaniu się tendencji wzrostu mineralizacji wód krążących w czynnej warstwie zmarzliny. Średni sezonowy wskaźnik mineralizacji wód rzeki Scotta osiągnął 74 mg/dm 3. Podczas hydrologicznego lata dominowały w odpływie badanych rzek wody typu H C 0 3 ' - C a " - M g " (ryc. 3). Pod koniec tego sezonu pojawiły się w wodzie jony siarczanowe. Oznaczenia sodu i potasu wykazują, że w bilansie jonowym nie można jednoznacznie przypisywać różnicy powstałej po odjęciu wapnia i magnezu zawartości sodu i potasu. Na ogół suma zawartości tych jonów jest mniejsza, co wskazywałoby na obecność jeszcze innych kationów (na wykresach oznaczonych jako n), których w niniejszej pracy nie zidentyfikowano mając świadomość błędu jaki mógł wyniknąć z racji starzenia się prób i zmian podczas transportu do kraju. Podczas hydrologicznej jesieni (22.08-15.09.1988 r.) wody odpływające ze zlewni Wydrzycy pochodziły prawie w całości z degradacji wieloletniej zmarzliny. Wskaźnik mineralizacji wykazywał tendencję do stabilizacji na poziomie 210-220 mg/dm 3. Wartość średnia była równa 217 mg/dm 3. W zlewni Scotta zaobserwowano wyraźne wahania poziomu mineralizacji związane z okresami wezbrań jesiennych o charakterze deszczowo-ablacyjnym (ryc. 2). Końcowa część sezonu jesiennego różni się od okresu wcześniejszego ponownym, szybkim wzrostem mineralizacji. Wskutek pojawienia się ujemmych temperatur powietrza uległa zahamowaniu ablacja lodowcowa a powiększył się udział wód zmarzlinowych w całości odpływu. Maksymalne wartości mineralizacji dochodzą do 160 mg/dm 3, wartość średnia wyniosła 94 mg/dm 3. Na początku hydrologicznej jesieni zaobserwowano w próbach pobranych z rzeki Scotta wzrost zawartości magnezu i zanik innych kationów (sodu i potasu). Typ tej wody można określić jako: HC0 3 ' - Mg'' - Ca''. Zawartość jonu SO4' w wodach rzeki Scotta sukcesywnie malała, a w wodach rzeki peryglacjalnej szybko zanikła do zera. Nie stwierdzono obecności jonów siarczanowych w okresie niskich temperatur jesiennych i zimowych. Sezon zimowy (16.09-7.10.1988 r.) był okresem, w którym obserwowano utrzymywanie się tendencji wzrostu mineralizacji wód opuszczających badane zlewnie. Zjawisko to było prawdopodobnie wywołane równoczesnym oddziaływaniem procesów kriochemicznych oraz ustaniem odpływu wód supraglacjalnych. Efekty procesów kriochemicznych w zlewniach glacjalnych (Werenskiold i Bertil) oraz w niezlodowaconej zlewni Fugleberget omawiał szczegółowo Pulina (1984). 72
W zlewni Scotta całość odpływu lodowcowego pochodziła z systemu drenażu subglacjalnego, w odniesieniu do którego obserwowano szybki wzrost koncentracji substancji rozpuszczonych. W okresie 29.08-25.09.1988 r. mineralizacja wód w wywierzysku lodowcowym wzrosła dwukrotnie: z 55 do 112 mg/dm 3. Średnia wartość mineralizacji w sezonie zimowym wyniosła w zlewniach Scotta i Wydrzycy odpowiednio 179 mg/dm 3 i 227 mg/dm 3. Dzienne wartości mineralizacji ogólnej oraz średnie dobowe przepływy stanowiły podstawę do wyznaczenia codziennych wielkości denudacji chemicznej. Rzeczywista wartość niszczenia w odniesieniu do denudacji chemicznej jest różnicą między całkowitą ilością soli wynoszonych ze zlewni a transportem soli z zewnątrz, głównie z opadami atmosferycznymi, W niniejszej pracy przedstawiono denudację całkowitą, nie uwzględniono wartości dopływu allochtonicznego, ocenianego na około 30% całości (Pulina et al. 1984). Porównanie przebiegów codziennych przepływów i dobowego transportu substancji rozpuszczonych wskazuje na istnienie między nimi istotnej zależności. Dobowe wartości denudacji były bardzo zróżnicowane: 0,004-1,831 t/km 2 w zlewni Scotta i 0.023-0,877 t/km 2 w zlewni Wydrzycy. Maksymalne wartości denudacji stwierdzono podczas kulminacji wezbrań: Scott Wydrzyca 7.09.1988 r. 14.09.1988 r. Q = 3,518 m 3 /s Q = 0,086 m 3 /s D = 1,831 t/km 2 D = 0,877 t/km 2. Denudacja chemiczna (t/km 2 ) w poszczególnych sezonach hydrologicznych przedstawiała się następująco: Scott Wydrzyca lato 32,815 13,137 jesień 16,897 4,649 zima 0,683 0,451 razem 50,395 18,237 Wyniki uzyskane w obu zlewniach wskazują na zróżnicowanie źródeł alimentacji odpływu i odmienne warunki obiegu wody. Końcowy efekt denudacyjny uwarunkowany jest zasobnością wodną zlewni i typem wód dominujących w odpływie. Odpływ jednostkowy w zlewni Scotta przewyższał 5,5-krotnie analogiczną wartość w zlewni Wydrzycy, ale wielkość denudacji chemicznej różniła się tylko 2,8-krotnie na korzyść zlewni glacjalnej. Wpłynął na to fakt, że mniejszy odpływ ze zlewni niezlodowaconej został częściowo zrekompensowany wyższymi wartościami mineralizacji ogólnej. LITERATURA Bartoszewski S., 1989 Charakterystyka odpływu ze zlewni lodowca Scotta (Zachodni Spitsbergen) w 1988 r. Wyprawy Geograficzne UMCS na Spitsbergen, Lublin. 73
Bartoszewski S., Repelewska-Pękalowa,/., 19B8 Mineralizacja ogólna i zmącenie w wybranych zlewniach rzek rejonu Bellsundu (Zachodni Spitsbergen). Wyprawy Geograficzne UMCS na Spitsbergen, Lublin. Flood В., Nagy J., Winsnes Т. S., 1971 Geological map of Svalbard 1:500 000, Sheet 10, Spitsbergen southern part, Norsk Polarinstitutt, Oslo. Gluza A., 1989 Warunki pogodowe w lipcu, sierpniu i wrześniu 1988 r. w Calypsobyen (Zachodni Spitsbergen). Wyprawy Geograficzne UMCS na Spitsbergen, Sesja Polarna 1989, Lublin. Markowicz M., Pulina M., 1979 Ilościowa półmikroanaliza chemiczna wód w obszarach krasu węglanowego. Prace Nauk. UŚ, nr 289, Katowice. Pazdro Z., 1977 Hydrogeologia ogólna. PWN, Warszawa. Pulina M., 1984 The effects of cryochemical processes in the glaciers and the permafrost in Spitsbergen. Pol. Polar Res. vol. 5, no 3-4. Pulina M Krawczyk W., Pereyma J., 1984 Water balance and chemical denudation in the unglaciated Fugleberget basin (SW Spitsbergen). Pol. Polar Res. vol. 5, no 3-4. SUMMARY During the Third Geographical Expedition of the Maria Curie-Sklodowska University to Spitsbergen the investigations of chemical and mechanical denudation in some basins of the Bellsund region started in 1987 were continued. The regional studies were carried out from 1 SI July to 8 t h October, 1988. Three hydrological seasons differing in an outflow mode and physicochemical features of the river waters were distinguished in this period. Differentiation of general mineralization, outflows and a day and night indicators of chemical denudation is presented in Fig. 1 the basin of the Wydrzyca River and in Fig. 3 the basin of the Scott River. General mineralization of water in the glacial Scott basin changed in the range 55-209 mg dm ~ 3 and in the unglacial Wydrzyca basin 125-237 mg dm ~ 3. The maximum mineralization values were connected with the cryochemical effect in the permafrost active layer. The water of the type HC0 3 '-Ca" Mg" prevailed in the outflow of the Scott and Wydrzyca Rivers. On the turn of the summer and autumn SO4 ion appeared (Fig. 3). A day and night amount of chemical denudation was dependent on the outflow distribution. The maximum indicators of denudation were noticed during the culmination of freshets. The final denudation effect was 18.237 t k m 2 in the Wydrzyca basin and 50.395 t k m 2 in the Scott basin. 74
M mg/dtrv' j; 1 Rye. 1. Denudacja chemiczna, mineralizacja i odpływ w zlewni Wydrzycy w 1988 r. 1 średnie dobowe przepływy, 2 mineralizacja ogólna, 3 dobowe wielkości denudacji chemicznej Fig. 1. Chemical denudation, mineralization and outflow in the Wydrzyca River basin in 1988. 1 a day and night averageflows, 2 general mineralization, 3 a day and night amount of chemical denudation 75
Rye. 2. Denudacja chemiczna, mineralizacja i odpływ w zlewni Scotta w 1988 r. 1 średnie dobowe przepływy, 2 mineralizacja ogólna, 3 dobowe wielkości denudacji chemicznej Fig. 2. Chemical denudation, mineralization and outflow in the Scott River basin in 1988. 1 a day and night average aoutflows, 2 general mineralization, 3 a day and night amount of chemical denudation 76
JESIEft- AUTUMN I WYDRZYCA I ZIM*-WINTER MIX Ryc. 3. Zmiany składu jonowego i mineralizacji ogólnej w wodach rzek Scotta i Wydrzycy w sezonach hydrologicznych 1988 r. (dane z dnia 30.09.1988 r. dotyczą pokrywy lodowej). Fig. 3. Changes of ionic composition and general mineralization in waters of the Scott and Wydrzyca Rivers in the hydrological seasons 1988 (the data from 30" 1 September, 1988, refer to the ice cover). 77