Речные воды

Мощный геохимический поток, создаваемый речными водами, играет важную роль в общепланетарном массообмене между сушей и океаном. Речные воды представляют собой сложные растворы, которые содержат как дисперсные взвеси, так и соединения, находящиеся в истинно растворимом состоянии. В составе растворимых соединений в речных водах преобладают анионы [HCO₃]^–, [SO₄]^2–, Cl^–, на долю которых приходится более 50 % от суммы растворенных веществ. Среди катионов присутствуют кальций – 12,5 %, натрий – 5 %, магний – 3,5 % и калий – 2 %. Все остальные элементы присутствуют в варьирующих микроколичествах.

В речных водах различают следующие главные формы нахождения химических элементов:

1. Ионы простые и комплексные (размер 1 нм и менее).

2. Нейтральные молекулы (размер 1 нм и менее).

3. Частицы коллоидных размеров от 0,001 до 0,1 мкм, на поверхности которых находятся сорбированные ионы.

4. Высокодисперсные частицы, которые состоят преимущественно из глинистых минералов и имеют размеры от 0,5 мкм до 1–2 мкм.

5. Более крупные взвешенные частицы, которые представлены обломочными минералами размером от 2–3 до 10 мкм.

Реки планеты сильно различаются минерализацией воды и содержанием взвешенных дисперсных частиц (мутностью). Средняя минерализация вод рек равна примерно 120 мг/л. С учетом этой цифры и объема годового речного стока воды в Мировой океан, количество растворимых соединений, ежегодно выносимых с суши, составляет 5,3 млрд. тонн. Среднее содержание взвешенных дисперсных частиц в континентальном стоке оценивается в 500 мг/л. Следовательно, ежегодный вынос тонкодисперсного вещества составляет 22 млрд. тонн, что в 4,2 раза превышает вынос растворимых соединений.

В речных водах содержатся также растворимые формы рассеянных элементов, которые не захвачены в биологический круговорот. На поверхности суши текучие воды характеризуются значениями рН от 4,5 до 8,5. Многие металлы (цинк, хром, медь, бериллий, свинец, кадмий, никель, кобальт и др.) при таких значениях рН могут находиться в растворенном состоянии, выпадать в осадок и вновь переходить в раствор.

В природных водах значительная часть рассеянных элементов находится не в форме простых ионов, а входит в состав неорганических комплексных соединений. Широко распространены также комплексные органические соединения металлов, особенно внутрикомплексные (хелатные), в которых ион металла имеет ионную и координационную связи с отдельными функциональными группами внутри молекулы. В комплексообразовании участвуют аминокислоты, кислоты жирного ряда, гуминовые и фульвокислоты, полифенолы и др. Образование комплексных соединений характерно для кобальта, меди, никеля, хрома, цинка, урана. При этом резко возрастает устойчивость элемента в растворе, которая уже не ограничивается щелочно-кислотными и окислительно-восстановительными условиями, необходимыми для существования в растворе простого иона.

По сравнению с водой океана определение величины средней концентрации элементов в водах суши характеризуется некоторой условностью, так как разнообразие растворимых форм элементов в речных водах, геохимические и биоклиматические различия водосборных площадей приводят к значительной вариации концентраций элементов. Общая минерализация пресных речных вод намного меньше соленых морских, тем не менее ежегодный глобальный вынос с суши рассеянных элементов в растворенном состоянии характеризуется значительными массами: для кальция, кремния, магния, натрия, сульфатной серы, хлора – сотнями миллионов тонн; для калия – десятками миллионов тонн; для алюминия, железа, стронция, фтора – миллионами тонн; для бора, брома, иода, марганца, меди, цинка – сотнями тысяч тонн. Вынос многих рассеянных элементов составляет десятки тысяч тонн и только отдельные элементы выносятся в меньших количествах.

Оценка степени интенсивности вовлечения элементов в водную миграцию дополняет представление о выносе растворенных масс элементов. Интенсивность водной миграции элемента определяется отношением его содержания в воде и в дренируемой горной породе. Коэффициент водной миграции К_в представляет собой отношение концентраций элемента в сухом остатке воды к его концентрации в горной породе. Для оценки интенсивности вовлечения элемента в водную миграцию в глобальном масштабе, следует рассчитать отношение среднего содержания элемента в твердом остатке речных вод к кларку этого же элемента в гранитном слое континентов.

По интенсивности вовлечения в водную миграцию элементы разбиваются на следующие группы (в последовательности уменьшения числового значения К_в в каждом ряду):

К_в = 100n : Cl;

К_в = 10n : S, I, Br, Ag, Sb, Hg, B, Cd;

К_в = n : As, Mo, Ca, Zn, Sr, Cu, Mg, Na, Sn;

К_в = 0,1n : U, Ni, Pb, F, Co, Ba, Cr, P, Mn, Si, V, Zr;

К_в = 0,01n : Ga, Th, Al, Ti, Sc

Исследованиями установлено, что основная масса рассеянных элементов в речных водах связана со взвесями. Соотношение химических элементов и их масс в веществе, которое мигрирует в речных водах в виде взвесей, обнаруживает существенные отличия при сравнении с веществом, мигрирующим в растворенном состоянии. Это обусловлено специфическими особенностям состава речных взвесей и более чем четырехкратным превышением массы взвесей над массой растворимых соединений в годовом стоке рек.

В речных взвесях преобладают высокодисперсные глинистые частицы, мелкие обломки кварца и сгустки гидрооксидов железа, поэтому содержание во взвесях таких элементов, как кремний, алюминий, железо намного выше, чем в сумме растворимых соединений в речной воде. Во взвешенном веществе в целом концентрации большей части элементов превышают соответствующие концентрации в сумме растворимых соединений. Однако для кальция характерно обратное соотношение.

Во взвешенном веществе рек переносится свыше 98 % массы элементов с очень низкими коэффициентами водной миграции (К_в  0,5), от 90до 98 % массы элементов со значениями К_в от 0,05 до 0,9. Даже элементы, имеющие значения К_в от 1 до 10, мигрируют в основном не в растворенном состоянии. Преобладание в речном стоке масс водорастворимых соединений имеет место лишь для азота, брома, кальция, натрия, серы, хлора.

Л_5