9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι Ανασκοπηση του ρολου των ποταμιων στερεοπαροχων στη συγχρονη ιζηματογενεση της ΜαΥρης ΘΑλασσας Πούλος Σ. Ε. Τμήμα Γεωλογίας & Γεωπεριβάλλοντος, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, poulos@geol.uoa.gr Περίληψη Η Μαύρη Θάλασσα έχοντας επιφάνεια 425 10 3 km 2 δέχεται ετησίως από τη λεκάνη απορροής της που έχει έκταση 2350 10 3 km 2 περί τα 570 km 3 γλυκού νερού και περισσότερα από 300 Mt χερσογενούς υλικού από τα οποία το 53% μεταφέρεται εν αιωρήσει και το 28% εν διαλύσει. Στη διασπορά των ιζημάτων σημαντικότατο ρόλο παίζει η θαλάσσια κυκλοφορία η οποία χαρακτηρίζεται από μια περιφερειακή κυκλωνική κυκλοφορία που ευνοεί την παραγωγή και απόθεση στο κέντρο της λεκάνης βιογενούς υλικού ενώ οι αντικυκλώνες στο περιθώριο της λεκάνης συμμετέχουν στην παγίδευση και καθίζηση των ιζημάτων χερσογενούς (ποτάμιας) προέλευσης στο παράκτιο (υφαλοκρηπίδα) χώρο της. Λέξεις κλειδιά: επιφανειακά ιζήματα πυθμένα, θαλάσσια κυκλοφορία. A Review of the role of riverine sediment fluxes in the recent sedimentation of the Black Sea Poulos S. E. Faculty of Geology and Geoenvironment, National and Kapodistrian University of Athens, poulos@geol.uoa.gr Abstract The Black Sea having a surface of 425 10 3 km 2 receives annually from its watershed that covers an area of 2350 10 3 km 2 some 570 km 3 of freshwater and more than 300 10 6 tones of terrigenous sediment, from which the 53% represents the suspended sediment and 28% being in solution. A major role in sediment dispersion and deposition plays the overall circulation pattern which includes a peripheral cyclonic circulation and a number of anticyclonic gyres along its margin; the former favours the production and deposition of biogenic material in the central part of the basin, while the latter to trap the terrigenous (riverine) sediment along the continental margin. Keywords: bottom surficial sediment, water circulation. 1. Εισαγωγή Η σύγχρονη θαλάσσια ιζηματογένεση είναι το αποτέλεσμα της χερσογενούς προσφοράς ιζήματος, της παραγωγής βιοκλαστικού υλικού στην κολώνα του νερού και στον πυθμένα με τη γενικότερη ωκεανογραφία της θαλάσσιας λεκάνης (κυκλοφορία, στρωμάτωση, ανταλλαγή θαλάσσιων μαζών) να συμμετέχει στη διασπορά και την τελική καθίζηση της αιωρούμενης φάσης. Στην περίπτωση κλειστών θαλάσσιων λεκανών, όπως στην περίπτωση της Μαύρης θάλασσας, όπου η ανταλλαγή μαζών είναι πολύ μικρή και περιορισμένη οι ποτάμιες απορροές γλυκού νερού και ιζήματος είναι πολύ σημαντικές στη διαμόρφωση όχι μόνο των υδροδυναμικών συνθηκών αλλά και στη σύγχρονη ιζηματογένεση, όπου πρωτεύοντα ρόλο παίζει η διασπορά και απόθεση των ιζημάτων χερσογενούς προέλευσης. Την τελευταία δεκαετία οι Kostianoy & Kosarev (2008) παρουσίασαν μια ανασκόπηση του περιβάλλοντος της Μαύρης Θάλασσας συμπεριλαμβάνοντας θεματικές ενότητες όπως είναι η φυσική ωκεανογραφία, η θαλάσσια χημεία και ρύπανση, η θαλάσσια βιολογία, η γεωλογική ωκεανογραφία, η μετεωρολογία και η υδρολογία, ενώ ο Jaoshvilli (2002) έχει συγκεντρώσει και παρουσιάσει πληροφορίες τόσο για υδατοπαροχές όσο και για τις στερεοπαροχές των ποταμών που εκβάλλουν στη λεκάνη της Μαύρης Θάλασσας. Τέλος, μια σύνθεση των ιζηματολογικών χαρακτηριστικών της -53-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι επιφάνειας του πυθμένα έχει δοθεί από τους Emelyanov et al. (1996)και Mitritropolsky & Olshtynsky (1999). Ο σκοπός της εργασία αυτής είναι να αναδείξει το σημαντικό ρόλο των ποτάμιων στερεοπαροχών στη σύγχρονη ιζηματογένεση της λεκάνης της Μαύρης Θάλασσας συνδυάζοντας της με την χωρική επικράτηση του χερσογενούς υλικού στα επιφανειακά ιζήματα του πυθμένα της και με την επικρατούσα κυκλοφορία των επιφανειακών νερών της. 2. Φυσιογραφικά χαρακτηριστικά της Μαύρης Θάλασσας Η Μαύρη Θάλασσα (ή Εύξεινος Πόντος) έχει επιφάνεια 425 10 3 km 2 μήκος ακτογραμμής 4.125 km μέγιστο βάθος τα 2200 m (Εικ. 1). Η λεκάνη της δέχεται ετησίως περί τα 570 km 3 γλυκού νερού από περισσότερα από 90 ποτάμια τα οποία στο σύνολο τους αποστραγγίζουν μια έκταση 2350 10 3 km 2. Μάλιστα, το 87,5 % της λεκάνης απορροής της αποστραγγίζεται από μόλις 8 ποτάμια με λεκάνες απορροής >10,000 km 2 με το Δούναβη και το Δνείπερο να είναι τα μεγαλύτερα με 817 10 3 km 2 και 503 10 3 km 2, αντίστοιχα. Να σημειωθεί δε ότι ένα ακόμη μεγάλο ποτάμι ο Δον (442 10 3 km 2 ) εκβάλλει στην αβαθή Αζοφική θάλασσα η οποία επικοινωνεί με τη Μαύρη Θάλασσα μέσω των στενών Κέρτς. Εικ. 1: Βυθομετρία της Μαύρης Θάλασσας και οι θέσεις των εκβολών των μεγαλύτερων ποταμών. Η λεκάνη της Μαύρης Θάλασσας με εξαίρεση τη ΒΔ της πλευρά, όπου υπάρχει μια εκτεταμένη υφαλοκρηπίδα (Εικ. 1) καθώς εκεί εκβάλλουν τα μεγαλύτερα ποτάμια της Ευρασίας (Δούναβης, Δνείπερος), περιλαμβάνει πλάτη υφαλοκρηπίδας από 2 km έως 12 km. Η μεγάλη εισροή γλυκού νερού και η περιορισμένη ανταλλαγή νερών με τη Θάλασσα του Μαρμαρά έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη ενός έντονου και μόνιμου πυκνοκλινούς σε βάθος 150-300 m, το οποίο έχει προκαλέσει μια έντονη και μόνιμη στρωμάτωση με το γλυκύτερο (μέση τιμή αλατότητας 18-18,5 ppt) επιφανειακό στρώμα (να εκτείνεται μέχρι βάθους 100-150 m, ενώ το υποκείμενο στρώμα (αλατότητα 22,5 ppt) κοντά στον πυθμένα να διαμορφώνει ανοξικές συνθήκες (Oguz et al., 1993) Η κυκλοφορία του επιφανειακού στρώματος χαρακτηρίζεται από την παρουσία ενός ισχυρού περιφερειακού γεωστροφικού ρεύματος (rim current), ιδιαίτερα έντονο το χειμώνα και την άνοιξη (ταχύτητες μέχρι και 0,5 m/s) και ασθενέστερο το καλοκαίρι ενώ συχνά το φθινόπωρο διασπάται σε ένα σύστημα στροβίλων (Εικ.. 2) (Oguz et al., 1993; Stanev et al., 2002). Η επίδραση του επίσης κυκλωνικής κυκλοφορίας ανεμολογικού καθεστώτος ενισχύοντας την κυκλωνική θαλάσσια επιφανειακή κυκλοφορία προκαλεί φαινόμενα ανάβλυσης περί το κέντρο της λεκάνης της Μαύρης Θά- -54-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι λασσας, φαινόμενα που σχετίζονται με ανύψωση της επιφάνειας του πυκνοκλινούς στο μέσον της λεκάνης και βύθισή του στην παράκτια ζώνη (Staneva et al., 2001). Είναι επίσης χαρακτηριστική η ανάπτυξη ημι-σταθερών αντικυκλώνων κατά μήκος της υφαλοκρπίδας /κατωφέρειας της Μαύρης θάλασσας με του σημαντικότερους από αυτούς να δίνονται στην Εικόνα 2. Οι Korotaev et al. (2006) απέδειξαν ότι το κατώτερο στρώμα δεν είναι ακίνητο όπως πιστευόταν στο παρελθόν αλλά ακολουθεί τη γενικότερη κυκλωνική κυκλοφορία του επιφανειακού στρώματος προσαρμοζόμενο βέβαια στην υποθαλάσσια μορφολογία και φθάνοντας σε ταχύτητα 3-4 cm/s. Εικ. 2: Τα βασικά χαρακτηριστικά της επιφανειακής κυκλοφορίας της Μαύρης Θάλασσας (Oguz et al., 1993; Staneva et al., 2001). Με διακεκομμένες γραμμές δείχνονται τα μη μόνιμα χαρακτηριστικά ενώ με σκίαση υποδεικνύονται οι αντικυκλώνες. 3. Εκτίμηση των ποτάμιων στερεοπαροχών Για τον υπολογισμό των ποτάμιων στερεοαπορροών η λεκάνη απορροής της Μαύρης Θάλασσας χωρίστηκε σε 4 επιμέρους φυσιογραφικές περιοχές (Εικ. 3) ανάλογα με τα χαρακτηριστικά των λεκανών απορροής (Πίν. 2) και τη γεωγραφική θέση των εκβολών τους. Ακολούθως σε κάθε περιοχή (I, II, III & IV) υπολογίστηκε το βάρος της αιωρούμενης φάσης (suspended load: SL), της διαλελυμένης φάσης (dissolved load: DL) και του φορτίου πυθμένα (bed load: BL). O υπολογισμός της αιωρούμενης φάσης έγινε με βάση τις μετρήσεις σε όλα τα ποτάμια με έκταση λεκάνης απορροής >200 km 2 (Jaoshvilli, 2002). Για το προσδιορισμό της διαλελυμένης φάσης για μεν την υπο-περιοχή Ι χρησιμοποιήθηκε η αναλογία μεταξύ αιωρούμενου και διαλελυμένου υλικού που βασίζονται σε αντίστοιχες μετρημένες τιμές των ποταμών Δνείστερου, Δνείπερου και Δούναβη (SSL/DL= 1,1), ενώ για τις ορεινές υπο-περιοχές ΙΙ, III and IV χρησιμοποιείται η αναλογία SSL/DL=2.5 που προκύπτει από μετρήσεις σε ποτάμια της νότιας Βαλκανικής (UNESCO, 1974). Τέλος, η εκτίμηση του φορτίου πυθμένα λόγω έλλειψης μετρήσεων βασίστηκε σε αναλογία SSL:BL που αναφέρονται σε μετρήσεις άλλων ποταμών της Μεσογείου (Poulos & Collins, 2002), όπως είναι ο ποταμός Έβρος (SSL:BL=4:1), ο Άρνο (SSL:BL=8,5:1) και για τα ποτάμια της Αλβανίας (SSL:BL=8-8,5:1). Με βάση τις προαναφερόμενες αναλογίες και με δεδομένο το αυξημένο ποσοστό της εν διαλύσει φάσης, εκτιμάται ότι το φορτίο πυθμένα είναι γύρω στο 10% του συνολικού φορτίου, η τιμή που αναφέρεται και από την UNESCO (1974). -55-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι Εικ. 3: Οι επιμέρους υπο-περιοχών (Ι,ΙΙ, ΙΙΙ, & ΙV) της λεκάνης απορροής της Μαύρης θάλασσας με βάση τα φυσιογραφικά χαρακτηριστικά των (Πίν. 1). Πίνακας 1: Εμβαδόν και φυσιογραφικά χαρακτηριστικά των πέντε υπο-περιοχών της λεκάνης απορροής της Μαύρης Θάλασσας (Jaoshvilli, 2002). Υπο-περιοχή Εμβαδόν (10 3 km 2 ) Μέγιστο υψόμετρο (km) Βροχόπτωση (mm) Αριθμός ποταμών I 1530 >3.5 (a) 250-1000 28 II 496 >5.0 (b) 500-1500 36 III 60 >5.0 500-2000 27 IV 264 >4.0 250-1000 5 Μ.Θ. 2350 0.3->5 250-2000 94 Τα ποτάμια της Μαύρης Θάλασσας την τροφοδοτούν με >500 km 3 γλυκού νερού ετησίως με την περιοχή Ι να προσφέρει τα 2/3 καθώς εμπεριέχει τους μεγάλους ποταμούς Δούναβη, Δνείστερο και Δνείπερο (Πίν. 2). Το σύνολο της στερεοπαροχής των ποταμών της ξεπερνά τα 300 Mt ετησίως από τα οποία το 53% μεταφέρεται σε αιώρηση και το 28% σε διάλυση. Από γεωγραφικής πλευράς πάνω από το 60% προσφέρεται από την υπο-περιοχή Ι, γεγονός που εξηγεί και το μεγάλο εύρος της υφαλοκρηπίδας (Εικ.1). Πίνακας 2: Ποτάμιες ετήσιες απορροές γλυκού νερού (Q O ), αιωρούμενου υλικού (SSL), διαλελυμένου υλικού (DL), φορτίου κοίτης (BL) και συνολικής στερεομεταφοράς (TL) για τις πέντε υπο-περιοχές της λεκάνης απορροής της Μαύρης Θάλασσας (δεδομένα από Jaoshvilli, 2002). Εντός παρενθέσεως δίνονται οι τιμές που αφορούν την Αζοφική Θάλασσα. Υποπε-ριοχή Q O (km 3 /yr) SSL DL BL TL I 275,2 96,5 87,5 9,6 193,6 II 47,7 1,8 (+16,2) 0,5 (+16,0) 0,2 (+1,6) 2,5 (+33,8) III 49,7 20,8 5,2 2,1 28,1 IV 42,0 37,9 9,5 3,8 51,2 Μ.Θ. 156,0 (+16,2) 102,7(+16,0) 16,7 (+1,6) 277,4 (+33,8) -56-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι 4. Επιφανειακή κατανομή ιζημάτων χερσογενούς προέλευσης Με βάση τα δημοσιευμένα στοιχεία περί της ποσοστιαίας κατανομής των ιζημάτων χερσογενούς προέλευσης σε σχέση με αυτά που προέρχονται από τη βιολογική δραστηριότητα και εκφράζονται πρωτίστως από τη συγκέντρωση του CaCO 3 (Emelyanov et al., 1996), τα επιφανειακά ιζήματα της Μαύρης Θάλασσας σε μια πρώτη προσέγγιση ταξινομούνται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες, οι οποίες είναι: Α: χερσογενές υλικό 10-30% - βιογενές (CaCO 3 ) 70-90%, Β: χερσογενές υλικό 30-50% - βιογενές (CaCO 3 ) 50-70%, C: χερσογενές υλικό 50-70% - βιογενές (CaCO 3 ) 30-50%, D: χερσογενές υλικό 70-90% - βιογενές (CaCO 3 ) 10-30%. Η δε χωρική κατανομή των τεσσάρων αυτών κατηγοριών παρουσιάζεται στην Εικόνα 4. Όπως είναι προφανές περί το 60% του πυθμένα καλύπτεται από ιζήματα πλούσια σε χερσογενούς προέλευσης υλικό, το οποίο επικρατεί πλήρως στην περιφέρεια της Μαύρης Θάλασσας και περισσότερο στο ανατολικό της τμήμα. Ιζήματα πλούσια σε βιογενές υλικό βρίσκονται στο μέσον της λεκάνης και στο ΒΒΔ περιθώριο όπου αναπτύσσονται τα δέλτα των ποταμών Δνείπερου και Δνείστερου (πλούσια σε υλικό σε διάλυση). Να αναφερθεί δε ότι η ετήσια παραγωγή σε οργανικό υλικό αριθμεί >800 Mt, (Shimkus & Trimonis, 1974), υπερδιπλάσια δηλαδή της ποτάμιας προσφοράς χερσογενούς υλικού. Εικ. 4: Χωρική κατανομή των τεσσάρων κατηγοριών/αναλογιών χερσογενούς - βιογενούς υλικού (A,B,C & D) των επιφανειακών ιζημάτων του πυθμένα της Μαύρης Θάλασσας (Emelyanov et al., 1992; Mitropolsky & Olshtynsky, 1999). 5. Συμπεράσματα Η σύσταση και η κατανομή των ιζημάτων του πυθμένα της Μαύρης Θάλασσας είναι συνυφασμένη με τη χερσαία προσφορά ιζημάτων, τη βιολογική παραγωγή στην κολώνα του νερού και στις παράκτιες λιμνοθάλασσες των ποταμών που εκβάλλουν στο ΒΒΔ άκρο της, ενώ σημαντικότατο ρόλο στη διασπορά παίζει η επιφανειακή θαλάσσια κυκλοφορία. Έτσι, η περιφερειακή κυκλωνική κίνηση σε συνδυασμό με τους παράκτιους αντικυκλώνες δείχνει ότι το χερσογενές υλικό παγιδεύεται στο ηπειρωτικό της περιθώριο, ενώ οι δυο κεντρικές περιοχές, όπου επικρατεί το βιογενές υλικό, συνδέονται με την ύπαρξη των δυο κυκλώνων (Εικ.2) που ευνοούν την ανάβλυση βαθύτερων νερών δυσχεραίνοντας αφενός την καθίζηση του υπάρχοντος χερσογενούς υλικού και ευνοώντας, αφετέρου, την πρωτογενή παραγωγή, την καθίζηση βιογενούς υλικού. -57-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι 6. Ευχαριστίες Ευχαριστώ τις κυρίες Kate Davis και Αικατερίνη Καρδιτσά για την επιμέλεια των Εικόνων. 7. Βιβλιογραφικές Αναφορές Emelyanov, E.M., Shimkus, K.M. & Kuprin, P.N., 1996. Unconsolidated Bottom Surface Sediments of the Mediterranean and Black Seas. Intergovernmental Oceanographic Commission(UNESCO). IBCM Geol.-Geoph. Series. Scale 1:1,000,000, sheets 4 and 9. St. Petesburg, Russia. Jaoshvilli S., 2002. The rivers of the Black Sea. EEA Technical report no 71, 58pp. Kostianoy, A, & Kosarev, A. (eds.), 2008. The Black Sea Environment. Springer, 457p. Korotaev, G., Oguz, T. & Riser, S., 2006. Intermediate and deep currents of the Black Sea obtained from autonomou profiling floats. Deep-Sea Research II, 53, 1901-1910. Kostianoy, A., & Kosarev, A. (eds.), 2008. The Black Sea Environment. Springer, 457p. Mitropolsky, A.Y. & Olshtynsky, S.P., 1999. Comparative analysis of sedimentation processes within the Black Sea and Eastern Mediterranean. (In:) P. Malanotte-Rizzoli and V.N. Eremeev (eds) The Esastern Mediterranean as a Laboratory Basin for the Assessment of Contrasting Ecosystems, Kluwer Academic Publishers, p. 267-280. Oguz, T., Layun, V.S., Latif, M.A., Vladimir, V.V., Sur, H.I., Markov, A.A., Ozsoy, E., Kotovshchikov, B.B., Eremeev, V.V. & Unluata, U., 1993. Circulation in the surface and intermediate layers of the Black Sea. Deep-Sea Research I, 40(8), 1597-1612. Poulos, S.E. & Collins, M.B., 2002. A quantitative evaluation of riverine water/sediment fluxes to the Mediterranean basin: natural flows, coastal zone evolution and the role the dam construction. (In:) Jones S.J. & Frostick L.E. (eds) Sediment Flux to Basins: Causes, Controls and Consequences. Geological Society, London, Special Publications, 191, 227-245 Shimkus, K.M.& Trimonis, E.S., 1974. Modern sedimentation in the Black Sea (In:) E.T. Degens and D.A. Ross (eds), The Black sea geology, chemistry and biology. American association of Petroleum Geologists Memorial, 20. Stanev, E.V., Beckers, J.M., Lancelot, C., Staneva, J.V., Le Traon, P.Y., Peneva, E.L. & Gregoire, M., 2002. Coastal-open Ocean Exchange in the Black Sea: Observations and Modelling. Estuarine, Coastal & Shelf Science, 54, 601-602. Staneva, J.V., Dietrich, D.E., Stanev, E.V. & Bowman, M.J., 2001. Rim current and coastal eddy mechanisms in an eddyresolving Black Sea general circulation model. Journal of Marine Systems, 31, 137-157. UNESCO/IAHS, 1974. Gross sediment transport into oceans (first preliminary edition), UNESCO, Paris. -58-