Химические процессы в гидросфере

На территории России основная масса  ледников сосредоточена на арктических  островах и в горных районах (табл. 3).

Таблица 3 - Характеристика распределения ледников по территории России (Романова Э. П., 2003)

Снежный покров - слой снега на поверхности Земли, образующийся вследствие снегопадов. Последние разделяются на обложные - выпадающие в течение длительного времени, ливневые - кратковременные значительной интенсивности, снежную морось - выпадение мельчайших снежинок или ледяных игл. В снежном покрове кроме снега присутствуют механические примеси и иногда вода. Продолжительность существования снежного покрова зависит от климатических условий. Залегающий непрерывно более трех декад снеговой покров принято называть устойчивым, в отличие от временного, сохраняющегося меньшее время (Романова Э. П., 2003).

Глава 2. Геохимический состав вод гидросферы

Так как океаническая вода составляет основную массу гидросферы, именно ее состав может быть принят за средний  состав этой оболочки. Все воды гидросферы можно рассматривать как растворы солей различной концентрации. Химический состав вод гидросферы близок к составу  вод океана, в которых преобладают О (85,7%), Н (10,8%), С1 (1,93%) и Na (1,03%). Больше всего в Мировом океане (и в гидросфере) содержится ионов Cl^-, SO₂^2-, Na⁺, Mg²⁺, несколько меньше - Br^-, Са²⁺ , К⁺. Средняя концентрация солей 35 г/л. В океанических водах присутствуют все известные химические элементы, но концентрация большинства из них низкая. В то же время общее количество элементов в океанических водах огромно. Например Аu содержится 6*10⁶ т, Ag-5*10⁹ т, U-5*10⁸ т. Из морской воды добывают NaCl, Mg, Вг. Запатентованы способы извлечения Аu и Ag (Золотов Ю. А., 2007).

Учеными многих стран был накоплен обширный аналитический материал, характеризующий  содержание в воде морей и океанов  не только главных, но и рассеянных химических элементов (табл. 4).

Как видно из приведенных данных, основную массу растворенных соединений составляют хлориды распространенных щелочных (в первую очередь, натрия) и щелочноземельных элементов, меньше содержится сульфатов, еще меньше гидрокарбонатов. Среди рассеянных элементов отчетливо  доминируют бром, стронций, бор и фтор, в значительном количестве присутствуют йод и барий. В то же время, железо и алюминий, играющие роль главных элементов в земной коре, в океане имеют концентрацию более низкую, чем молибден и цинк (Беспамятов Г. П., Кротов Ю. А., 1985).

 

Таблица 4 - Содержание растворимых форм химических элементов в Мировом океане (Беспамятов Г. П., Кротов Ю. А., 1985)

Для определения некоторых геохимических  показателей необходимо знать концентрацию элементов не только в морской  воде, но также в твердой фазе растворимых веществ, т. е. в сумме  солей морской воды. В таблице  приведены соответствующие данные, для расчета которых величина средней солености принята равной 35 г/л. Исходя из данных о средней  концентрации элементов в воде, рассчитана также общая масса каждого  элемента, находящегося в растворенном состоянии во всем объеме Мирового океана. Из приведенных в таблице  материалов следует, что многие химические элементы содержатся в океане в огромном количестве. Массы хлора и натрия оцениваются десятками тысяч  триллионов тонн, серы и магния - тысячами триллионов тонн, кальция и калия - сотнями триллионов тонн. Кремния  растворено в воде около 4 трлн т (в пересчете на SiO₂ - более 8 трлн т). Помимо главных элементов, в воде морей и океанов растворены триллионы тонн бора, стронция, брома, фтора. В значительном количестве присутствуют литий, рубидий, иод, барий. Их концентрация превышает 10 мкг/л, а их массы, растворенные в океане, составляют сотни и десятки миллиардов тонн. Часть рассеянных в воде металлов имеет концентрацию 1--10 мкг/л, а их массы оцениваются миллиардами тонн. Таковы молибден, цинк, уран, ванадий, титан, медь. Другие металлы имеют концентрацию в сотые и десятые доли мгк/л, а растворенную массу в сотни миллионов тонн каждый. Эту группу составляют никель, марганец, кобальт, серебро, хром, ртуть, кадмий. В то же время железо и алюминий, играющие роль главных элементов в земной коре, в Мировом океане присутствуют в меньшем количестве, чем молибден и цинк. В наименьшем количестве в гидросфере растворены такие элементы, как ниобий, скандий, бериллий, торий (Золотов Ю. А., 2007).

Химические элементы в гидросфере находятся в разнообразных формах. Среди них наиболее характерны простые  и комплексные ионы, а также  молекулы, находящиеся в состоянии  сильно разбавленных растворов. Распространены ионы, сорбционно связанные с частицами коллоидных и субколлоидных размеров, присутствующими в составе морской воды в виде тонкой взвеси. Особую группу составляют элементы органических соединений (Щербина В. В., 1972).

Морская вода также содержит в растворенном состоянии и газы. Поскольку атмосфера  и гидросфера находятся в контакте, должно существовать определенное соотношение  между количеством газов в  растворе и их парциальным давлением  в атмосфере.

Б. Мейсон (1970) приводит данные по концентрациям некоторых газов, растворенных в морской воде (табл. 5).

Таблица 5 - Концентрация газов, растворённых в морской воде (мг/л) (Мейсон Б., 1970)

Кислород	0 - 9
азот	8,4 - 14,5
углекислый газ	34 - 56
аргон	0,2 - 0,4
гелий и неон	1,7х10-4
сероводород	0 - 22

Большой объем гидросферы составляют льды и снега полярных областей. В Антарктиде около 14 млн. км² покрыто льдами. Общий объем льда, по данным разных исследователей, составляет от 22 до 35,3 млн. км³. Атмосферные воды находятся в виде пара. Общее количество осадков, ежегодно выпадающих на поверхность Земли, составляет 520 тыс. км³, т.е. за год смена всей влаги в атмосфере происходит 40 раз. Содержание солей в атмосферных водах обычно не превышает 50 мг/л (Кузнецов В. В., 2007).

Подземные воды наиболее разнообразны по фазовому состоянию и физико-химическим свойствам. Концентрация солей в  них может изменяться от 0,05 до 400 г/кг. Общее количество подземных  вод, по оценке В. И. Вернадского (1934), 1300 млн. км³ (Крайнов С. Р., 2005).

Несмотря на то, что общее количество наземных вод незначительно по сравнению  с общей массой гидросферы, геохимически они очень важны, поскольку принимают активное участие в большинстве процессов, протекающих в биосфере. Для понимания этих и других процессов, происходящих в зоне гипергенеза, необходимо знать состав этих вод, т.е. их основные химические параметры. В первую очередь, это минерализация, ионный состав и окислительно-восстановительные условия вод (Крайнов С. Р., 2005).

2.1 Минерализация вод

Минерализация отражает общее количество растворённых минеральных веществ. А.И. Перельманом (1956) выделяются следующие семейства:

1. Ультрапресные воды (< 0,1 г/л). Большая часть атмосферных осадков, поверхностные и грунтовые воды тундровых, высокогорных ландшафтов. Обладают повышенной растворяющей способностью (интенсивный кариес - очень характерен для тех, кто долгое время работал в Арктике или в высокогорье).

2. Пресные воды (0,1-1 г/л). Характерны для большинства рек, озёр и грунтовых вод во влажном климате.

3. Солоноватые воды (1-3 г/л). Развиты в степях, саваннах, пустынях. Растворяющая способность ослаблена, из них при небольшом повышении концентрации осаждаются труднорастворимые соли, что вызывает карбонатизацию и гипсование почв.

4. Солёные воды (3-36 г/л). Океаны, слабо солёные озёра, часть грунтовых вод.

5. Рассолы (> 36 г/л). Солёные озёра и грунтовые воды наиболее засушливых ландшафтов. Осаждение широкого химического набора солей.

2.2 Ионный состав вод

Еще в середине прошлого века ученые обнаружили замечательную геохимическую  особенность океанической воды. Эта  особенность заключается в том, что, несмотря на колебания солености, соотношение главных ионов остается постоянным. Солевой состав океана является своего рода геохимической  константой (Крайнов С. Р. И др., 2004).

Ведущее значение для классификации  имеют только ионы элементов с  высокими кларками (O, Ca, Mg, Na, K, S, Cl и др.). Наиболее распространены в ландшафтах три катиона (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺) и три аниона (HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-). Иногда ведущее значение приобретают CO₃^2-, HS^-, S^2-. Также велико значение содержаний ионов Н⁺ и ОН^-, но это уже касается выделения классов вод по кислотности - щёлочности (Кузнецов В. В., 2007).

Ионный состав вод определяет их многие геохимические свойства, а  также возможности использования  в хозяйственной деятельности.

Виды вод по анионному составу:

· гидрокарбонатные;

· сульфатные;

· хлоридные.

Дальнейшее подразделение природных  вод производится по катионному составу  и соотношениям ионов.

2.3 Газовый состав вод

Во всех природных водах в  растворенном состоянии содержатся азот, кислород, углекислый и другие газы. Количество газов, которое может  раствориться в морской воде, зависит  от ее солености, гидростатического  давления и температуры. Чем больше соленость и выше температура, тем  меньше газов может раствориться в морской воде, и наоборот (Самарина В. С., 2007).

Кислород, растворенный в океанской  воде, берется из воздуха или является результатом фотосинтеза растений, произрастающих под водой. Он расходуется  на дыхание живых организмов и  окисление органических остатков. Углекислый газ, растворенный в воде, берется  из воздуха или выделяется при  дыхании организмов и окислении  органических остатков. Он используется растениями при фотосинтезе. Растения и бактерии, живущие в воде, извлекают  из углекислого газа на построение своих тканей около 100 млрд. т углерода в год (Лозановская И. Н., 2006).

В холодных (полярных) областях планеты  океан извлекает кислород и углекислый газ из воздуха, газы растворяются в  воде, и течения переносят их в  глубинные слои и тропики. Кислород обеспечивает в глубинных слоях  условия жизни животных и растений. Углекислый газ выделяется в тропиках в атмосферу. Содержание углекислого  газа в атмосфере в 60 раз меньше, чем в океане. Поэтому последний можно рассматривать как хранилище запасов углекислого газа (Крайнов С. Р., 2005).

Для некоторых частей Мирового океана (Черное море, Оманский залив) характерно сероводородное заражение на глубинах 200 - 2000 м, источником которого являются ювенильные газы, а также химические реакции восстановления сульфатов, происходящие в осадках с участием анаэробных бактерий.

Воды Мирового океана служат для  химических элементов средой превращений, с одной стороны, и транспортным средством, с другой. В результате многих химических и биохимических  преобразований вещества находятся  в нем в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, свободном состоянии  и соединениях. Это означает, что  Мировой океан является «геохимическим реактором», который работает на тепловой и световой энергии Солнца (Беркелиева Л. А., Шакирова Ф. Н., 2007).

2.4 Щелочно-кислотные условия вод

Характеризуются величиной pH - отрицательным логарифмом концентрации водородных ионов. От изменения этого параметра существенно зависит растворимость различных соединений. Так, осаждение из растворов гидроксидов металлов зависит, главным образом, от соотношения двух параметров: величины pH и концентрации ионов металлов в растворе.

Сильнокислые (pH < 3-4). Распространены, как правило, на небольших площадях. Возникновение обычно связано с окислением сульфидов, проявлениями вулканической деятельности. Широко распространены в техногенных ландшафтах.

Слабокислые (рН - от 3-4 до 6,5). Кислотность обусловлена разложением органических веществ. Широко распространены в гумидных ландшафтах.

Нейтральные и слабощелочные (рН от 6,5 до 8,5). Характерны для аридных ландшафтов, в условиях более высокой концентрации карбонатных ионов.

Сильнощелочные (рН > 8,5) - содовые воды. Высокая щёлочность обусловлена присутствием NaHCO₃.

Органические соединения обладают способностью усреднять сильнокислую и сильнощелочную среду. Слабые органические кислоты нейтрализуют щёлочи и делают щелочную реакцию более слабой, а  слабые органические основания таким  же образом нейтрализуют сильные  кислоты.

2.5 Окислительно-восстановительные условия вод

Окисление - отдача электронов, восстановление - их присоединение.

Важнейший окислитель в ландшафтных  средах - кислород, что обусловлено  его высоким кларком и химической активностью. Важные окислители - SO₄^2-, CO₂, NO₃^-, Fe³⁺ и др. Важнейшие восстановители - H₂, H₂S, CH₄ и другие органические соединения, Fe²⁺ и др. Один и тот же элемент, в зависимости от ионной формы его нахождения, может быть либо окислителем, либо восстановителем (Fe, Mn…) (Brookins D.G., 1987).

Так как в любых химических процессах  окисление всегда сопряжено с  восстановлением и наоборот, об окислительных или восстановительных реакциях говорят применительно к конкретным ионам или группам ионов. (Окисление в виде реакции с кислородом сопровождается восстановлением кислорода, а восстановление сульфатов или соединений трёхвалентного железа при взаимодействии с органическими соединениями - окислением этих органических соединений) (Ложниченко О. В., 2005).

Любая среда, в которой протекают  окислительно-восстановительные реакции, может характеризоваться уровнем  окисленности (или восстановленности). Количественный показатель - окислительно-восстановительный потенциал (Eh). Он существенно влияет на характер миграции многих химических элементов, нередко являясь определяющим параметром. Пример: активная миграция Fe²⁺ в северных болотах в условиях низкого Eh. Воды засушливых степей и пустынь с высоким Eh неблагоприятны для миграции Fe, так как в этих условиях железо находится в трёхвалентной форме, образуя труднорастворимые соединения (Brookins D.G., 1987).

Классы вод по окислительно-восстановительным  условиям:

1. Кислородные воды. Характерно присутствие свободного кислорода, поступающего из воздуха или за счёт фотосинтеза водных растений. Eh выше +0,15 В, часто выше 0,4 В. железо обычно в трёхвалентной форме. Воды с высокой окислительной способностью, в них действуют аэробные бактерии, окисляющие органические вещества.

2. Глеевые воды. Восстановительные без сероводорода. Формируются там, где мало свободного кислорода и много органических остатков. Органические вещества окисляются анаэробными бактериями за счёт кислорода неорганических соединений. Fe, Mn - двухвалентны, имеют высокую подвижность. Eh всегда ниже 0Б4 В, часто ниже 0.

3. Сероводородные воды. Содержат H₂S, HS^-. Возникают в бескислородных условиях при высоких содержаниях SO₄^2-, где анаэробные бактерии окисляют органические вещества за счёт восстановления сульфатов. Характерны для солончаков, илов солёных озёр, глубоких подземных вод в некоторых районах, для побережий, подпитываемых морскими водами (мангры). Условия для осаждения металлов. Fe и многие другие металлы не мигрируют, так как образуют труднорастворимые сульфиды.

Глава 3. Геохимическая динамика вод гидросферы

Круговорот основных элементов  в биосфере - это многократное участие  веществ в процессах, происходящих в атмосфере, гидросфере и литосфере. Особое значение имеют круговороты кислорода, углерода, азота, серы и фосфора. Аргон, неон, гелий, криптон, ксенон не принимают участия в обменных реакциях организма и носят название инертных газов (Соколов В.С., 1971).