8 Геохимия ос

Лекция 5 гидросфера

Химический состав океана. Воды Мирового океана покрывают ²/₃ поверхности планеты и образуют основную массу ее водной оболочки. Объем океанических вод равен примерно 1379 млн. км³. Объем всех вод суши (с учетом ледников и подземных вод до глубины 5 км) не превышает 90 млн. км³. Воды Мирового океана составляют около 93 % всех вод биосферы, поэтому можно считать, что химический состав гидросферы в целом определяется главным образом химическим составом океанических вод.

Существует мнение, и не без основания, что для Земли характерно постоянное присутствие воды на её поверхности. В свою очередь наличие гидросферы определило пути эволюции вещества планеты. Английские ученые в Гренландии обнаружили осадочную породу бурый железняк возрастом 3,76 0,07 млрд. лет. Рядом располагаются гранитоидные гнейсы возрастом 3,7 0,14 млрд. лет (Rb-Sr метод). Так как два разных метода дали один и тот же результат, то эти цифры считаются достоверными.

Считается, что вода образуется при дегазации вещества мантии и её количество еще будет увеличиваться в течение 2 млрд. лет (2*10⁹ лет). В первичной атмосфере, содержащей СО2 (~62%), СО, СН4, NH3, SO2, HS, галогеноводороды, инертные газы и др., осадки должны быть кислые. Кислоты реагировали с минералами горных пород и нейтрализовались. Катионы переходили сразу в раствор, поэтому воды сразу же стали солеными. По расчетам Гольдшмидта на 1 кг океанической воды приходится 0,6 кг растворенной горной породы. В тоже время содержание главных анионов в 1 кг морской воды во много раз превышает их содержание в горной породе (Cl – 200 раз). Откуда следует вывод Виноградова – все анионы морской воды вышли при дегазации мантии, а катионы – при растворении горных пород.

Породы в то время были в основном ультраосновные, поэтому в водах было повышенное содержание Na и Mg. В первичном океане отсутствовал сульфат-ион из-за недостатка свободного кислорода. Первые сульфатные осадки появились в рифее.

Химический состав вод современного океана сложился в результате продолжительной деятельности живых организмов. Первичный океан образовался благодаря тем же процессам дегазации твердого вещества планеты, которые привели к возникновению газовой оболочки Земли. Таким образом, химические составы атмосферы и гидросферы тесно связаны, и их эволюция проходила также взаимосвязано.

Среди разнообразных форм химических элементов в гидросфере наиболее типичными являются простые и сложные ионы и молекулы, находящиеся в состоянии сильно разбавленных растворов. Также распространены ионы, которые сорбционно связаны с частицами коллоидных и субколлоидных размеров, присутствующими в морской воде в виде тонкой взвеси.

Общее количество растворенных соединений в морской воде, называемое соленостью, колеблется в поверхностных слоях океанов и окраинных морей в интервале от 3,2 до 4 %. Соленость внутриконтинентальных морях изменяется в более широких пределах. Для Мирового океана принято среднее значение солености, равное 35 ^о/_оо.

Океаническая вода характеризуется замечательной геохимической особенностью, которая заключается в том, что соотношение главных элементов остается всегда постоянным независимо от колебаний солености, т.е. солевой состав океана представляет собой своего рода геохимическую константу.

Анализ кларкового содержания элементов в океане показывает, что основную массу растворенных соединений образуют хлориды распространенных щелочных и щелочно-земельных элементов, намного меньшая масса приходится на сульфаты и еще меньше – на гидрокарбонаты. Концентрации рассеянных элементов в океанических водах (мкг/л) на три математических порядка меньше, чем в горных породах. При этом так же, как и в земной коре, диапазон значений кларков рассеянных элементов в Мировом океане лежит в пределах 10 математических порядков, однако имеют место существенные отличия в соотношениях элементов. В океанической воде преобладают бром, стронций, бор и фтор – концентрация этих элементов выше 1000 мкг/л. В большом количестве содержатся литий, рубидий, иод, барий, концентрация которых превышает 10 мкг/л. Рассеянные в воде молибден, цинк, уран, ванадий, титан, медь характеризуются значениями концентрации, лежащими в интервале от 1 до 10 мкг/л. Никель, марганец, кобальт, хром, ртуть, кадмий представлены в количестве от сотых до десятых долей мкг/л. Главные элементы земной коры – железо и алюминий – имеют в океане концентрацию более низкую, чем молибден и цинк. Такие элементы, как ниобий, скандий, бериллий и торий растворены в океане в наименьших количествах.

Роль живых организмов в формировании состава Мирового океана. На протяжении геологической истории суммарная биогеохимическая деятельность живых организмов была ведущим фактором эволюции химического состава океана. И сегодня организмы играют важную роль в процессе дифференциации химических элементов в океане и выведения их масс в осадок. Согласно биофильтрационной гипотезе А.П. Лисицына, планктонные (главным образом зоопланктонные) организмы ежедневно профильтровывают через свои тела около 17 млн. км³ воды, что составляет около 1 % объема Мирового океана. В процессе фильтрации минеральные частицы размером 1 мкм и менее связываются в комочки (пеллеты) размером от десятков микрометров до 1 – 4 мм. При этом одновременно в телах организмов часть растворенных в воде химических элементов трансформируется в нерастворимые соединения. Связывание тонких взвесей в комочки способствует более быстрому оседанию взвешенных частиц на дно (пеллетный транспорт). Яркими примерами биогеохимической трансформации растворенных элементов в нерастворимые соединения служат образование известковых (кальцитовых) и кремниевых (опаловых) скелетов планктонных организмов, а также извлечение карбоната кальция известковыми водорослями и кораллами.

Среди глубоководных отложений океана (пелагических илов) выделяются две группы. Отложения первой группы состоят в основном из биогенных образований планктона, а отложения второй группы – из частиц небиогенного происхождения. Для первой группы наиболее характерны известковые (карбонатные) илы, для второй группы – глинистые илы. Примерно треть площади дна Мирового океана занимают карбонатные илы и более четверти – глинистые. В карбонатных отложениях относительно велика концентрация кальция, магния, стронция и иода. В глинистых илах значительно больше металлов.

Элементы, которые очень слабо переносятся из раствора в илы и постепенно накапливаются в океанической воде, называют талассофильными. Отношение между концентрациями в сумме растворимых солей морской воды и в илах называют коэффициентом талассофильности К_т. Этот коэффициент показывает, во сколько раз этого элемента больше в солевой части океанической воды по сравнению с осадком.

Таллассофильность можно оценивать по времени нахождения элемента в воде: чем больше, тем талассофильней. Скорость удаления химического элемента из океанического раствора определяют, исходя из величины его годового прихода (стока). Например, масса мышьяка, находящегося в океане, оценивается примерно в 3,6 млрд. тонн, речной сток приносит ежегодно 74 тыс. тонн этого элемента. Следовательно, полное удаление всей массы мышьяка из Мирового океана происходит за промежуток времени, равный 49 тыс. лет.

Ориентировочные оценки периодов полного удаления растворенных химических элементов из Мирового океана выполняли многие исследователи. Согласно расчетам В.В. Добровольского, рассеянные элементы можно разбить на следующие группы в соответствии с длительностью их нахождения в океаническом растворе (в годах, в последовательности увеличения периода в каждом ряду):

n10² – Th, Zr, Al, Y, Sc;

n10³ – Pb, Sn, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, Ti, Zn;

n10⁴ – Ag, Cd, Si, Ba, As, Hg, N;

n10⁵ – Mo, U, I;

n10⁶ – Ca, F, Sr, B, K;

n10⁷ – S, Na;

n10⁸ – Cl, Br.

Для элементов, которые имеют наименьший период полного удаления из океана, характерна наиболее интенсивная концентрация в глубоководных илах. К ним относятся торий, цирконий, алюминий, иттрий, скандий (порядок лет – 10²). Близкие к ним периоды полного удаления имеют свинец, олово, марганец, железо, кобальт (порядок лет – 10³). Для большей части металлов периоды полного удаления из океана составляют несколько тысяч или десятков тысяч лет. Время нахождения талассофильных элементов в растворенном состоянии – сотни тысяч лет и более.

Дисперсное органическое вещество океана, основным источником которого являются отмирающие планктонные организмы, связывает большие массы рассеянных элементов. Разрушение остатков планктонных организмов наиболее интенсивно происходит на глубине до 500 – 1000 м. В результате в осадках шельфовых и неглубоких приконтинентальных морей накапливаются значительные массы дисперсного органического вещества морских организмов, к которым добавляются органические взвеси, выносимые с суши речным стоком.