авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Система река-море и ее роль в геохимии океана

-- [ Страница 3 ] --

Для подавляющего большинства элементов перенос во взвешенной форме резко преобладает над переносом в растворенной форме. Лишь для Cl, I, S, Na, Ca, Br и Sb сток в растворе выше или равен стоку во взвеси.

Таким образом, речные воды это «царство» взвешенных форм элементов (это третье защищаемое положение). Еще раз подчеркнем, что речь идет о средних глобальных значениях (средне-взвешенная по стоку мутность речных вод оценивается в 460 мг/л).

Поскольку концентрации элементов в растворе и взвеси меняются, как правило, в меньшей степени, чем водный и твердый сток (например, в р. Лене среднемесячный водный сток на пике половодья в июне в 60 раз выше, чем в период зимней межени в марте-апреле – Gordeev, Sidorov, 1993), а, следовательно, и мутность, то это означает, что физико-географические условия (геологическое строение, рельеф, климат) оказываются более важным фактором влияния на подвижность элементов, чем их химические свойства (растворимость и др.). Этот вывод впервые был сделан Н.М. Страховым и подтвержден в данной работе.

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ГЕОХИМИИ ОКЕАНСКОЙ ВОДЫ И ВЗВЕСИ.

3.1 Химический состав морской воды

Основной солевой состав, концентрации и распределение в океане растворенного органического углерода и биогенных элементов (N, P, Si) приведены в работе по литературным данным. Основное внимание уделено микроэлементам, их концентрациям, распределению в поверхностных водах и по глубине, а также формам нахождения в океанской воде.

Концентрации растворенных микроэлементов

Современные данные о концентрациях и распределении микроэлементов в океанских водах представлены в недавно опубликованном обобщении американских специалистов (Bruland, Lohan, 2004).

Неоднократно предпринимались попытки найти зависимости между элементным составом морской воды и их физико-химическими свойствами (Whitfield, Turner, 1979; Martin, Whitfield, 1983; Li, 1991 и другие). Такие связи были выявлены в самом общем виде, однако строго формализовать подобные закономерности пока не удается. Представляет интерес геохимическая система гидросферы, разработанная В.Д.Коржом (1990).

Распределение микроэлементов в поверхностных и глубинных водах океана

В качестве примера рассмотрим распределение в поверхностных водах северо-восточной части Атлантического океана растворенных марганца и золота (Гордеев, Атнашев, 1990; Гордеев и др., 1997). Было показано, что из 4-х возможных причин наблюдаемого распределения марганца в открытых океанских водах (речной сток в океан, адвекция и диффузия Mnраств. из иловых вод шельфовых, часто восстановленных, осадков в водную толщу, вертикальное перемешивание вод апвеллингом или конвекцией, выпадение на поверхность эолового материала) важнейшей является последняя – выпадение на поверхность океана пыли из пустыни Сахара. Этот факт был известен и из других работ. Но совершенно новым является доказательство того, что и распределение Auраст. в поверхностных водах океана определяется тем же фактором (рис.4) (Гордеев и др., 1997).

Рис.4. Распределение растворенных (а) марганца и (б) золота в поверхностном слое вод северо-восточной Атлантики. а) н.моль/л: 1 <1; 2-1-3; 3-3-5; 4>5. б) пк.моль/л: 1<0,5; 2-0,5-1,5; 3>1,5. Штриховые линии (100-10000) показывают распределение потоков минерального аэрозоля в мг/м2.год.

Важнейшим критерием надежности данных по микроэлементам в океанской воде является океанографическое соответствие их вертикального распределения в толще океанских вод, т.е. соответствие распределения металлов распределению тех океанографических факторов, распределение которых по глубине хорошо изучено. Главные параметры следующие: 1) биогенные элементы; 2) растворенный кислород, 3) концентрация взвеси. Бруланд (Bruland, 1983) использовал все современные данные по содержанию и распределению по вертикали следовых элементов в океанской воде, разбив их на группы в соответствии с этими характеристиками.

Было выделено три больших группы элементов, отличающихся друг от друга по типу вертикального распределения в океане: 1) элементы консервативного типа (все макроионы, Li, Rb,Cs, Mo, Tl, Au), 2) элементы биогенного типа (с подтипами) (N, P, C, Cd, Ni, Zn и др.), 3) элементы с максимумами и минимумами на поверхности или на глубине (элементы литогенного типа, по В.Д. Коржу) (Al, Fe, Mn, Pb и др.).

1) Консервативный тип: элементы не меняют концентраций по глубине и сохраняют постоянные концентрации по отношению к солености, что связано с их низкой реакционностью в морской воде;

2) Элементы, вовлекающиеся в биохимические циклы; распределение таких элементов по глубине сходно с распределением тех или иных биогенных элементов;

3) Элементы литогенного типа; это элементы, для которых важны источники поступления на поверхность океана (эоловый материал) и процессы быстрого удаления на глубине.

Формы нахождения растворенных металлов в океане

Для прямого сопоставления с аналогичными формами металлов в речной воде в работе использовались только результаты по тем формам, которые были получены для морских вод теми же методами, что и для речной воды. Это органически-растворенная, неорганическая и общая растворенная формы. Такие работы были выполнены в Охотском море и Тихом океане (Демина, Гордеев, 1979; Демина, 1982).

3.2 Особенности геохимии взвешенного вещества в океане

Концентрация взвеси в океанской воде

Концентрация взвеси в открытом океане меняется в широких пределах от первых мкг/л до нескольких мг/л и более. Только в прибрежных участках морей и океанов мутность морских вод может возрастать локально до десятков мг/л и выше. Подавляющая же масса морских вод, преимущественно глубинных, характеризуется концентрациями взвеси в пределах 1-30 мкг/л, в среднем около 10 мкг/л (или почти в 50000 раз ниже, чем в речном стоке!). Пространственное распределение взвеси в поверхностном слое океанских вод подчиняется циркумконтинентальной и широтной климатической зональности (Лисицын, 1974). Основной закономерностью распределения взвеси по глубине в пелагических частях океана является обогащение взвесью верхнего деятельного слоя и уменьшение концентраций в глубинных горизонтах. В отрытых водах Мирового океана в распределении взвешенных частиц по размерам выделяется два максимума: один – в пределах фракций 0,5-1,0 мкм, второй – 25-50 мкм. Эти максимумы имеют генетический смысл: первый максимум – «терригенный», второй – «биогенный» (Богданов, Копелевич, 1973). Преобладание тонкодисперсного материала делает взвесь мощным адсорбентом растворенных веществ.

Анализ около полусотни проб сепарационной взвеси Индийского океана показал (Серова, 1982), что наибольшим распространением отличаются иллит и хлорит (составляют от 10 до 50% от общего содержания глинистых минералов). Минеральный состав водной взвеси, как и минеральный состав аэрозолей, подчиняется циркумконтинентальной и широтной климатической зональности (Лисицын, 1978, 2004; Серова и др., 1978).

Химический состав океанской взвеси

Взвешенное вещество в океане отличается резким обогащением биогенным материалом, к которому относятся ОВ, карбонат кальция, аморфный кремнезем и группа биогенных и биофильных элементов, что оказывает самое серьезное влияние на химию взвеси (Биогеохимия океана, 1983)

В монографии (Гордеев, 1983) впервые было приведено обобщение по геохимии океанской взвеси, включавшее данные по 34 химическим элементам. Сопоставление средних содержаний элементов в океанской взвеси с их средними содержаниями в осадочных породах показано на рис.5. Можно выделить три группы элементов. Элементы 1-й группы – Si, Al, Ti, Fe, Mn, Th, Hf, Zr, Sc, РЗЭ, Y, Cs, содержание которых в океанской взвеси ниже, чем в осадочных породах.

Рис.5. Отношения содержаний элементов в океанской взвеси к их содержаниям в глинах и сланцах (Григорьев, 2004).

Для группы 2 содержания сходны – U, V, Co, Li, Lu, Ba, Rb, Cr, K, Ni, Tl, Sb, Mo. Наконец, в 3-ей группе элементы явно обогащают взвесь – P, Na, Cu, Cd, Pb, Zn, Sr, Ag. Пониженные содержания элементов 1-ой группы объясняются разбавлением взвеси органогенным материалом, не концентрирующим эти элементы (кроме Si), а также их слабой склонностью к адсорбции на частицах взвеси. Кремний попадает в 1-ю группу, хотя концентрируется диатомовым планктоном. Возможно, среднее содержание Si во взвеси (3%) несколько занижено из-за малого количества проб взвеси из районов высоких широт, где развит диатомовый планктон. Значительное концентрирование во взвеси элементов 3-й групп – Ag, Sr, Cd, Zn, Cu, Pb – связано как с сильным концентрированием их планктоном, так и повышенной способностью к адсорбции на частицах гидроокислов Fe и Mn и глинистых минералах. Элементы группы 2 занимают промежуточное положение между элементами 1-ой и 3-ей групп. Эти элементы заметно концентрируются в планктоне (кроме Tl и Bi, содержания которых в планктоне неизвестны) и хорошо сорбируются взвесью.

Формы металлов в океанской взвеси

Было показано, что в океанской взвеси высока роль органически связанной формы металлов и менее значима роль инертных форм. Установлена тенденция увеличения роли органически связанной формы металлов в океанской взвеси в сторону пелагиали (Демина, 1982).

Распределение взвешенных микроэлементов по поверхности океана и по глубине

В 70-х годах прошлого века были построены схемы распределения во взвеси Si, Al, Fe, Cu, Zn в поверхностных водах и на меридиональных разрезах в Тихом океане (Гордеев, 1974; Гордеев, Лисицын, 1979) и Si и Al в поверхностных водах Индийского океана (Гордеев, Лисицын, 1979), а также группы элементов во взвеси Атлантического океана (Емельянов, 1982). Отметим, что здесь сохраняются те же основные закономерности, которые присущи распределению по поверхности и глубине самого взвешенного вещества, а именно: широтная климатическая, циркумконтинентальная и вертикальная зональности (Лисицын, 1978).

3.3.Соотношение растворенных и взвешенных форм элементов в океанской воде

Ниже показаны соотношения растворенных и взвешенных форм элементов в океанской воде:

Meвзв. (%) Элемент
Meвзв.+Meраств.
<0,1 Na, K, Mg, Si, P, Li, Rb, Cs, Sr, Ba, Sb, U, V, Y
0,1-1,0 Cd, Ga, Cu, Ni, Mo, Zr, легкие РЗЭ
1,0-10,0 Co, Zn, Ag, Mn, Ti, Sc, тяжелые РЗЭ
>10,0 Fe, Al, Pb

Приведенные величины отношений свидетельствуют о резком преобладании в океане растворенных форм элементов над взвешенными, т.е. относительная подвижность всех химических элементов в океане резко возрастает. Это дает основание назвать океанские воды «царством» растворенных форм элементов (третье защищаемое положение).

ГЛАВА 4. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ БАРЬЕРНАЯ ЗОНА РЕКА-МОРЕ

Понятие «геохимический барьер» было введено А.И. Перельманом (1966, 1972), который понимал под этим термином «участки, на которых происходит резкое уменьшение активности миграции элементов, что приводит к концентрированию химических элементов». Геохимические барьерные зоны в морях и океанах подробно описаны Е.М. Емельяновым (1979, 1995). Барьер река-море, в соответствии с классификацией этого автора, представляет собой биогеохимическую мезозону, по положению в пространстве относящуюся к числу горизонтальных зон. Зона смешения речных и морских вод и есть арена тех взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов трансформации растворенных и твердых веществ как континентального, так и морского происхождения, которые представляют главный предмет рассмотрения настоящей работы.

4.1. Важнейшие процессы и основные реакции в эстуариях

В главе кратко охарактеризованы физические, химические и биологические процессы, которые оказывают влияние на концентрации и формы существования элементов. Следует подчеркнуть, что все эти процессы протекают одновременно и взаимосвязано. Нет чисто физических (механических) или чисто химических процессов, скорее нужно говорить о физико-химических и биологических, точнее биогеохимических процессах.

Физические процессы. Крупный специалист в области гидрологии устьев рек В.Н. Михайлов (1997) выделяет в этой группе следующие процессы: динамика вод, ледотермические процессы, динамика насосов, эрозионно-аккумулятивные (морфологические) процессы, седиментационные процессы. В работе рассматриваются только последние.

Седиментационные процессы

Эстуарии относятся к областям лавинной седиментации, т.е. здесь осаждаются и выбывают из дальнейшего транспорта в океан большие массы взвешенных веществ, а также часть растворенных. Основная причина – резкое замедление скорости речного потока, осаждение основной массы грубых взвесей, коагуляция и осаждение тонких взвесей, трансформация гранулометрического (утоньшение) и минералогического («монтмориллонизация») состава речных взвесей, диффузия иловых вод и транспорт через поверхность раздела донный осадок – вода.

В Таблице 2 приведены оценки доли взвешенной нагрузки рек (в % от исходной), осаждающейся на границе река-море. Можно видеть, что эстуарии действуют как ловушки, захватывающие 80-90 % и более твердого стока рек. Единственный путь, когда твердый речной материал может достичь глубокого океана, минуя ловушки, это каньоны.

Таблица 2. Потери взвеси в эстуарных зонах рек (в % )

Потери взвеси в эстуариях крупных рек (%):
Амазонка 95
Миссисипи 90
Святого Лаврентия 93
Заир 95
Шельдт 92
Реки Черного и Азовского морей 83
Кура 90-95
Обь 89-95
Енисей 83-92
Лена 90-95

Химические процессы

Флоккуляция, т.е. преобразование органических и неорганических растворенных и коллоидных веществ во взвешенные аморфные частицы при увеличении ионной силы и рН воды, - один из наиболее важных физико-химических процессов в эстуариях.

Процесс флоккуляции в эстуариях детально изучен в экспериментах по смешению речных и морских вод Э. Шолковицем (Sholkovitz, 1976, 1978). Им было показано, что флоккуляция начинается уже на начальных стадиях смешения и достигает максимума при солености порядка 15-20‰. Главный вывод заключается в том, что процесс флоккуляции – основной механизм удаления многих растворенных элементов из воды при эстуарном смешении вод. Наибольшую важность имеет формирование флоккул гидроокислов железа, алюминия и марганца совместно с высокомолекулярными фракциями растворенных гуминовых кислот, которые сорбируют и соосаждают многие растворенные микроэлементы, тем самым резко меняя их судьбу в эстуариях.

В работе кратко рассмотрены другие химические процессы в переходной зоне река-море, такие как ионный обмен, адсорбция-десорбция, редокс-реакции, хемогенная садка.

Биологические процессы

Для любой экосистемы продукция и деструкция органического вещества имеют первостепенное значение. Процессы первичной продукции, дыхания и минерализации, способные вызвать значительные изменения концентрации растворенного кислорода и двуокиси углерода, могут изменить рН и Eh системы и в результате привести к трансформации форм ряда химических элементов. В эстуариях биологические процессы особенно важны, так как речной сток органических и неорганических веществ велик, и это приводит к высоким скоростям круговорота веществ (Head, 1976).

К числу наиболее важных гетеротрофных реакций с участием макро и микроорганизмов в эстуариях относятся биозахват и последующая транспортировка многих химических элементов. Биота – это мощный бионасос, перекачивающий в ходе улавливания пищи биофильтром важные для жизнедеятельности элементы из физико-химической системы эстуария в биосистему.

Влияние биоты на химию эстуарных и прибрежных вод может быть либо прямым (контроль геохимических циклов биогенов), либо косвенным (изменение условий внешней среды), что может приводить к неожиданным и нестабильным химическим формам элементов.

А.П.Лисицын (1994) назвал переходную систему река-море маргинальным фильтром и создал его интегральную модель, в которой синтезировал все рассмотренные выше процессы.

4.2. Консервативное и неконсервативное поведение элементов

Многие элементы активно участвуют в различных физико-химических и биогеохимических процессах, что приводит к трансформации форм их существования и изменениям их потоков на пути переноса от реки к морю. Общепринятым является подход, в котором рассматривается зависимость концентрации элемента или компонента от солености (хлорности) в зоне река-море.

Элементы основного состава (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, SO42-, HCO3-, Cl-)

Практически все элементы основного состава ведут себя в зонах смешения речных и морских вод консервативно. Об этом свидетельствуют как собственные материалы (Гордеев, 1983; Монин, Гордеев, 1988), так и работы других авторов (Савенко, 2003 и др.). Исключения из этого правила редки. Например, Тищенко и др.(1998) измерили 7%-ые потери Са в зоне смешения вод Лены и моря Лаптевых за счет флоккуляции коллоидного кальция. Также слабо консервативное поведение этого макроэлемента наблюдалось в устьях Дона и Кубани (Савенко, 2003).

Органическое вещество

Работы в Российской Арктике показали, что растворенный органический углерод ведет себя в Обской Губе и Енисейском заливе квазиконсервативно (рис.6) (Kohler, Amon, Gordeev et al., 2003). Консервативное поведение РОУ наблюдалось также в эстуариях Амазонки (Sholkovitz et al., 1978), Бьюли (Moore et al., 1979), Оби и Енисея (Dai, Martin, 1995), Лены (Cauwet, Sidorov, 1996), Северной Двины (Гордеев и др., 2004) и др.

Исследований зависимости взвешенного Сорг. (ВОУ) от солености в эстуариях значительно меньше, чем для РОУ. Имеющиеся данные показывают (Gordeev et al, 2007), что основная масса ВОУ удаляется из воды эстуариев пропорционально потерям самого взвешенного материала. В результате в прибрежных водах взвешенной органики речного генезиса оказывается очень мало.

Рис.6. Квазиконсервативное поведение растворенного органического углерода в эстуариях Оби и Енисея (Kohler, Meon, Gordeev et al, 2003).


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.