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, mrz@amu.edu.pl 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.