Μελέτη των μηχανισμών μεταφοράς και πρόσφατης διαγένεσης των μετάλλων στο ημί-κλειστο και ρηχό θαλάσσιο σύστημα του κόλπου Καλλονής Λέσβου

Abstract

The main objective of the present study is the development of a methodological scheme forthe study of the mechanisms of transport and early diagenesis of trace metals in the semienclosed and shallow marine system of Kalloni bay, island of Lesvos. The bay is stronglyinfluenced by the land through streams mainly in the north and north-eastern part, three major streams were studied Vouvaris, Mylopotamos and Tsiknias. Vouvaris is drained through a woodland dominated by ultramafic rocks, Mylopotamos drains an area with forests, cultivations and urban areas while the geological background is mixed. The drainage area of the stream Tsiknias hosts anthropogenic activities (cultivations, rangeland, urban areas) while the geological background is mainly of volcanic origin. The streams exhibit strong fluctuations both in quality and quantity of the water while during summer are dried.The study of stream water quality showed relatively low content of suspended particulate matter. The water of Vouvaris is enriched in Ni due to weathering of rich in this metal ultramafic rocks presented in its drainage area. The organic matter content is higher in Mylopotamos and Tsiknias due to the more intense anthropogenic influence. The metals Al, Li, and Fe are enriched in the suspended particulate matter during the wet season (October to April) while Cd, Cu, Μη, Ni, Pb, Zn and organic carbon during the dry season (May to September). The factors significantly controlling the partitioning of the metals between dissolved (<0.4μm) and particulate phase (>0.4μm) in the stream water are the suspended particulate matter (SPM), the particulate organic carbon (POC), the electrical conductivity (k), the total concentrations of the metals and the clay faction ( particulate Al). The study of quality of the seawater of the bay showed that the most significant sources of the suspended particulate matter are the streams and the primary production. The streams are the main pathway of all metals to the bay, except Pb which is mainly transported mainly via the atmosphere. The existent currents in the bay mix and transport the incoming fine grained material. As a consequence of this, there is no significant variability in the concentrations of the metals in the water column among the sampling stations. The factors significantly controlling the partitioning of the metals between dissolved (<0.4μm) and particulate phase (>0.4μm) in the seawater are the suspended particulate matter (SPM), the dissolved organic carbon (DOC), the pH, the total concentrations of the metals and the clay faction (particulate Al). The study of the sediment cores showed that the texture is sandy near the mouths of the streams and silty in the inner part of the bay. This is due to the trapping of the income material is in the greater coastal zone because of coagulation and precipitation. This is evident by the differences in metal concentrations, especially the concentrations of Ni which ranged between two order of magnitude in the sediments of the bay, following the geological background of the streams drainage area. The study of porewater showed that the conditions prevailing in the sediments of the bay are sub-oxic to anoxic. The profiles of the concentrations of the metals in the porewater showed higher values compared with the local in water column. The reduction zone of Mn appears usually in the surface layer of the sediments and the reduction zone of Fe is bound few centimeters deeper. The concentrations of dissolved organic carbon (DOC) in porewater are one to two order of magnitude higher than DOC values in the water column. The calculation of the benthic fluxes from the sediment to the water column showed that Mn is presenting the higher mobility in the sediment since about 30% of the deposited Mn returns to the water column. The metal is re-precipitated when and where the redox conditions allow it. The mobility of DOC in the sediment column is also significant.

Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η ανάπτυξη ενός μεθοδολογικού σχήματος για τη μελέτη των μηχανισμών μεταφοράς και πρόσφατης διαγένεσης των βαρέων μετάλλων στον ημίκλειστο και ρηχό κόλπο της Καλλονής στην Λέσβο. Ο κόλπος δέχεται έντονες επιδράσεις από την χέρσο μέσω χειμάρρων κυρίως στο Βόρειο και Βόρειο-Ανατολικό μέρος. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής μελετήθηκε η επίδραση τριών χειμάρρων στον κόλπο: του Βούβαρη, του Μυλοπόταμου και του Τσικνιά. Ο Βούβαρης διασχίζει μία δασώδη περιοχή στην οποία κυριαρχούν τα υπερβασικά πετρώματα, ο Μυλοπόταμος μία με δασώδεις εκτάσεις αλλά και καλλιέργειες και οικισμούς με μικτό γεωλογικό υπόβαθρο και ο Τσικνιάς μία περιοχή με ανθρωπογενείς δραστηριότητες (καλλιέργειες, βοσκότοποι, οικισμοί) και γεωλογικό υπόβαθρο αμιγούς ηφαιστειογενούς προέλευσης. Οι χείμαρροι παρουσιάζουν έντονες διακυμάνσεις τόσο στην ποσότητα όσο και στην ποσότητα των νερών τους και ξηραίνονται κατά την διάρκεια του καλοκαιριού. Η μελέτη της ποιότητας των νερών έδειξε σχετικά χαμηλό περιεχόμενο αιωρουμένων και στους τρεις χείμαρρους. Τα νερά του Βούβαρη είναι εμπλουτισμένα σε Ni λόγω της αποσάθρωσης των πλούσιων στο μέταλλο αυτό υπερβασικών πετρωμάτων της λεκάνης απορροής του. Το οργανικό υλικό είναι ελαφρά υψηλότερο στους Μυλοπόταμο και Τσικνιά που υφίστανται μεγαλύτερη ανθρωπογενή επίδραση. Τα μέταλλα Al, Li, και Fe εμφανίζονται εμπλουτισμένα στην σωματιδιακή φάση κατά την διάρκεια της υγρής περιόδου ενώ τα Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn και οργανικός άνθρακας κατά την διάρκεια της ξηρής περιόδου. Οι παράγοντες που επηρεάζουν σημαντικά την κατανομή των μετάλλων μεταξύ διαλυτής και σωματιδιακής φάσης στα νερά των χειμάρρων είναι η αιωρούμενη σωματιδιακή ύλη (SPM), ο σωματιδιακός οργανικός άνθρακας (POC), η ηλεκτρική αγωγιμότητα (k), οι ολικές συγκεντρώσεις των μετάλλων και το αργιλικό κλάσμα (σωματιδιακό ΑΙ). Η μελέτη της ποιότητας των νερών του κόλπου έδειξε ότι οι χείμαρροι αποτελούν σημαντική πηγή αιωρούμενου υλικού για τον κόλπο όπως και η πρωτογενής παραγωγή. Οι χείμαρροι αποτελούν την κύρια είσοδο όλων των μετάλλων στον κόλπο, εκτός του Pb η κατανομή του οποίου έδειξε ότι μεταφέρεται κυρίως μέσω της ατμόσφαιρας. Τα ρεύματα και οι άνεμοι που επικρατούν στον κόλπο αναμιγνύουν και μεταφέρουν το εισερχόμενο λεπτόκοκκο υλικό σε όλη την έκταση του κόλπου με αποτέλεσμα να μην υπάρχουν σημαντικές διαφορές στις συγκεντρώσεις των μετάλλων στην στήλη του νερού μεταξύ των σταθμών δειγματοληψίας. Οι παράγοντες που επηρεάζουν σημαντικά την κατανομή των μετάλλων μεταξύ διαλυτής και σωματιδιακής φάσης στα νερά του κόλπου είναι η αιωρούμενη σωματιδιακή ύλη (SPM), ο διαλυτός οργανικός άνθρακας (DOC), το pH, οι ολικές συγκεντρώσεις των μετάλλων και το αργιλικό κλάσμα (σωματιδιακό ΑΙ). Η μελέτη των πυρήνων των ιζημάτων έδειξε ότι η υφή τους είναι χονδρόκοκκη κοντά στις εκβολές των χειμάρρων και λεπτόκοκκη στο εσωτερικό του κόλπου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ευρύτερη εκβολική ζώνη των χειμάρρων δρα ως παγίδα του εισερχόμενου υλικού στον κόλπο με αποτέλεσμα την κροκίδωση και καταβύθιση του. Αυτό αποδεικνύεται και από τις διαφορές στις συγκεντρώσεις των μετάλλων στο ίζημα με χαρακτηριστικότερο παράδειγμα του Ni όπου οι συγκεντρώσεις του κυμαίνονται σε εύρος δύο τάξεων μεγέθους. Η μελέτη των νερών των πόρων έδειξε ότι οι συνθήκες που επικρατούν στα ιζήματα του κόλπου είναι από υπο-οξικές ως ανοξικές. Οι κάθετες κατανομές των συγκεντρώσεων των μετάλλων στα νερά των πόρων έδειξαν ότι υψηλότερες τιμές σε σύγκριση με την στήλη του νερού. Η ζώνη αναγωγής του Μη εμφανίζεται συνήθως στο επιφανειακό στρώμα των ιζημάτων με την αντίστοιχη του Fe να ακολουθεί. Οι τιμές του διαλυτού οργανικού άνθρακα (DOC) στα νερά των πόρων είναι μία ως δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερες των αντίστοιχων στην στήλη του νερού. Ο υπολογισμός των ροών από το ίζημα στην στήλη του νερού έδειξε ότι το Μη εμφανίζει την μεγαλύτερη κινητικότητα αφού το 30% περίπου της αποτιθέμενης ποσότητας στο ίζημα επανέρχεται στην στήλη του νερού για να ξανακαταβυθιστεί όταν και όπου οι οξειδοαναγωγικές συνθήκες επιτρέψουν. Τέλος, σημαντική είναι και η κινητικότητα του DOC στα ιζήματα.