Система река-море и ее роль в геохимии океана 25. 00. 28 Океанология

Вид материала

Содержание

Глава 5. роль речного стока в геохимии океана
5.2. Геохимическая система элементов в речных и океанских водах
Рис.10.Сравнение средних концентраций химических элементов в речной и океанской воде
5.3. Взвешенные вещества в речном стоке и в океане
Формы металлов во взвеси рек и океанов - сравнительный анализ
5.4. Взаимосвязь потерь материала в эстуариях и его накопления в пелагических осадках океана
5.5. Новые оценки времени пребывания элементов в океане
Список основных публикаций по теме диссертации

Подобный материал:

1 2 3

ГЛАВА 5. РОЛЬ РЕЧНОГО СТОКА В ГЕОХИМИИ ОКЕАНА

5.1. Устьевые области крупных рек – первый глобальный уровень лавинной седиментации

Потери главной части твердого и частично растворенного осадочного материала в областях маргинальных фильтров рек приводят к накоплению в них огромных толщ отложений (до 10-15 км и более). Этот вопрос детально изучен А.П. Лисицыным (1988). Он выделяет три глобальных уровня лавинной седиментации – 1) эстуарии и дельты рек, 2) основание континентального склона, 3) активные окраины (зоны субдукции океанской коры) и глубоководные желоба. О переводе речной взвеси в донные осадки свидетельствует резкое снижение средне-глобальной концентрации речной взвеси – с 460 мг/л до 0,01 мг/л в глубинных водах океана, т.е. почти в 50000 раз!

Таким образом, система река-море представляет собой мощную ловушку терригенного осадочного материала, образующую глобальный пояс гигантских отложений – первый глобальный уровень лавинной седиментации.

5.2. Геохимическая система элементов в речных и океанских водах

Сравним средние концентрации растворенных элементов в речной воде с их концентрациями в океанских водах (рис.10) Ясно видно, что для довольно большой группы элементов уровни их концентраций оказывается в океане выше, чем в реках. Это все макроионы, редкие щелочные и щелочно-земельные элементы, некоторые галогены и анионогенные элементы (B, As, Mo, Re, Se), несколько металлов (Sb, V, Ta, Cd), а также биогены (Si, N, P), концентрации которых в реках и океане одного порядка. Все остальные (большинство тяжелых металлов, элементы-гидролизаты, включая РЗЭ, благородные и некоторые анионогенные элементы - Ge, W) имеют более высокие концентрации в речной воде.

Рис.10.Сравнение средних концентраций химических элементов в речной и океанской воде

Особо выделяются Fe и Mn, разница в концентрациях которых в реках и океане очень велика – более чем в 2000 раз. Уже неоднократно подчеркивалось, что именно эти металлы играют важнейшую роль в геохимических процессах как элементы-носители, определяющие судьбу многих микроэлементов и в реках, и в океане.

Элементы разбиваются на несколько групп.

Элементы	Cd, Ba	Макроионы, редкие щелочные и щелочноземельные, галогены, анионы	Группа тяжелых металлов (Cu, Zn, Ni)	Mn, Pb, Al	Fe, РЗЭ
Средние отношения С_река / С_океан	1,2–1,5	<1	1-10	6-2100	2300 20-70
Оценки потерь	+	0	0-10	20–30	70-80
Преобладающий тип распределения в океане	Биогенный	Консерватив-ный	Биоген-ный	Биогенный – литоген- ный	Литоген- ный

Вполне определенно прослеживается тенденция – чем выше концентрация элемента в речной воде по отношению к океанской, тем больше потери растворенной формы этого элемента в зоне смешения река-море, т.е. элемент более активно вовлекается в процессы трансформации в этой переходной от континента к океану зоне. Однако эта взаимосвязь не прямолинейная (например, Mn с очень высоким отношением концентраций не находится в группе с Fe), также имеют место исключения.

Два металла – Cd и Ba с почти равными концентрациями в воде рек и океана – демонстрируют не потери, а, напротив, более высокие чистые стоки за счет десорбции с взвеси.

Наибольшее удаление характерно для Fe и РЗЭ, хотя для последней группы редких металлов превышение концентраций в реках (для разных металлов от 20 до 70) намного меньше, чем для железа (2300).

Три группы элементов, различающихся по их распределению в океане, оказываются в четком соответствии с соотношением их концентраций в речной и океанской воде и с уровнем их потерь при эстуарном смешении (рис.11).

Для элементов консервативного типа распределения характерны более высокие, для макроионов в сотни и тысячи раз, концентрации в океане и отсутствие потерь при эстуарном смешении.

Элементы биогенного типа характеризуются немного повышенными концентрациями в реках (редко более чем в 10 раз) и либо незначительными потерями в эстуариях (0-10%), либо, напротив, даже более высоким чистым стоком по сравнению с валовым (Cd, Ba).

Наконец, для элементов литогенного типа характерно наибольшее преобладание концентраций в реках и наибольшие потери в эстуариях (для Fe и РЗЭ иногда до 90-95%).

Представленные весьма кратко в данном разделе результаты рельефно показывают, что концентрации элементов, поведение их в зонах смешения речных и морских вод и распределение в океане по вертикали находятся в тесной взаимосвязи. Другими словами, вся совокупность химических элементов в их взаимодействии реально представляет собой геохимическую систему элементов в речных и океанских водах (четвертое защищаемое положение).

Рис.11. Взаимосвязь между отношениями концентраций элементов в речной и морской воде, их потерями в зоне смешения река-море и типами их распределения в толще океанских вод.

5.3. Взвешенные вещества в речном стоке и в океане

Прямое сопоставление средних содержаний химических элементов в речной и океанской взвеси (в % на сухую взвесь) показывает, что в соответствии с величинами этих отношений элементы разбиваются на следующие группы:

Отношение	С^взв./_океан	Элемент
	С^взв./_реки
<0,1		Al, Ti, Sc, Th, легкие РЗЭ
0,1-1,0		Fe, Mn, Si, Ba, Co, Cr, Ga, Hf, V, U, Y, Zr, Cs, Li, Rb, тяжелые РЗЭ
1,0-10,0		Ca, K, Na, (Mg), P, Cu, Zn, Ni, Pb, Mo, Sb, Tl
>10,0		Ag, Cd, Sr

Большая группа элементов присутствует в океанской взвеси во много раз более низких содержаниях (например, Al, Ce, Eu, La в 15-30 раз), чем в речной взвеси. Это преимущественно элементы литогенного или консервативного типа распределения в океане. Достаточно очевидно, что это связано с разбавляющим действием органического вещества, которого в океанской взвеси в 5-10 раз больше, чем в речной взвеси (а по Богданову и Лисицыну (1974) даже 14-30 раз больше). К этой группе относятся также 4 элемента биогенного типа распределения – Si, Ba, Cr, Y.

Макрокатионы (Ca, K, Na и, вероятно, Mg) незначительно (в 1,6-1,7 раз для Ca и K, и в 5 раз для Na) обогащают океанские взвеси. Это элементы консервативного типа, концентрации которых в океанской воде в растворенном состоянии на несколько порядков выше, чем в речной. Подобные отношения (от 1 до 10) характерны для группы элементов биогенного типа – Cu, Ni, Zn, Sb, P, литогенного Pb и консервативного Tl. Наконец, три элемента резко обогащают океанские взвеси в сравнении с речными взвесями – это элементы биогенного типа Ag и Cd и консервативного типа Sr (в 17-25 раз).

Учитывая некоторую неопределенность с выделением типов распределения элементов в океане, можно говорить об определенной тенденции – обеднении океанских взвесей преимущественно элементами литогенного типа распределения и обогащения их элементами биогенного типа с промежуточным положением между ними элементов консервативного типа относительно их содержаний во взвеси рек.

Формы металлов во взвеси рек и океанов - сравнительный анализ

Сравнение форм металлов во взвеси рек и взвеси прибрежных и пелагических районов океана ясно показывает, что в океанских взвесях резко падает доля инертной формы металлов (обломочной, кристаллической) и возрастает значение подвижных форм (металл-органических и Fe-Mn гидроокисных, карбонатных и сорбированных). Данные по формам металлов убедительно подтверждают уже сделанный ранее вывод о радикальном увеличении геохимической подвижности практически всех химических элементов в океанской воде.

Преобладание в океане растворенных форм элементов над взвешенными и подвижных форм над инертными в составе взвесей коренным образом меняет представление о сущности геохимического процесса в океане.

Процесс механического разноса и фракционирования твердых фаз, поступивших с берега с речным стоком, сменяется более сложным процессом биогеохимического удаления главной (растворенной) части элементов, перевода ее во взвешенное состояние и осаждения в донные осадки.

Имеющиеся данные позволяют утверждать, что среди растворенных форм многих элементов наибольшее значение имеют геохимически-подвижные соединения, а именно комплексные соединения с органическими веществами и гидроокисные соединения железа и марганца, карбонаты и сорбированные элементы. Растворенная форма даже наиболее «терригенного» элемента-гидролизата алюминия тесно связана с биологическим циклом в океане (Caschetto, Wollast, 1979). Механическая дифференциация уступает в океане ведущую роль процессу биологической дифференциации, которая включает в себя стадии биоассимиляции, биофильтрации, биосорбции, биотранспорта, производит биотрансформацию растворенных и взвешенных форм элементов (Лисицын, 1978, 1983). С доминированием растворенных форм элементов над взвешенными несомненно связана и закономерная смена ведущей роли литогенных форм элементов на гидрогенные при переходе от прибрежных донных осадков к осадкам пелагическим и к железомарганцевым конкрециям, почти полностью состоящих из металлов в подвижных гидрогенных формах (например, Скорнякова, 1976; Гордеев, 1986 и др.).

5.4. Взаимосвязь потерь материала в эстуариях и его накопления в пелагических осадках океана

Имея результаты подсчетов абсолютных масс осадочного материала, ежегодно осаждающегося на дно океана, можно их сопоставить с данными по стоку речного осадочного материала, а абсолютные массы захоронения в океане элементов сравнить со стоком этих элементов с континентов. Такой независимый подход позволяет посмотреть на наши оценки потерь элементов с другой стороны.

Абсолютные массы терригенного и биогенного (карбонатного и кремнистого) материала в речном стоке и в донных осадках океанов и морей по результатам прямых определений показали, что в пелагиаль океанов проникает из исходных 22,1 млрд. т. всего 1,73 млрд. т. терригенного материала. То есть, всего 7,8%, подавляющая же часть этого материала – 92,2% осаждается в устьях рек (барьер река-море) и в конусах выноса, а также по периферии океана и участия в пелагической океанской седиментации не принимает (Лисицын, 1977). Эта цифра практически совпадает с нашими оценками потерь взвеси в эстуариях.

В Таблице 4 приведены впервые определенные прямым методом учета площадей на картах абсолютных масс (а не косвенными путями, как это делалось ранее) данные по ежегодному накоплению Al, Ti, Y, Ga, Zr, Hf в донных осадках Тихого, Индийского и Атлантического океанов. Для подсчетов были использованы карты абсолютных масс для отдельных элементов. Методом взвешивания подсчитывались площади распространения разных значений на дне океанов. После суммирования полученных значений были определены массы ежегодных накоплений элементов-гидролизатов в осадках океана. Расчет велся на площади, ограниченной со стороны материков глубинами 1-3 км, так что шельф и самая верхняя часть материкового склона в расчет не принималась.

Таблица 4. Ежегодное накопление элементов-гидролизатов в осадках океанов (Лисицын и др., 1982)

Элемент	Тихий океан		Атлантический		Индийский		Мировой океан
	(51,4 %)*		(22,9 %)		(25,7 %)		(100 %)
Al	42,56	7,16	44,47	16,57	21,09	3,1	108,12	7
Ti	2,47	8,62	2,12	16,59	1,24	3,78	5,83	7,86
Ga	0,01004	7,71	–	–	0,00442	2,96	–	–
Zr	0,0788	5,38	–	–	0,338	2,02	–	–
Hf	0,0023	11,1	–	–	0,00095	4,01	–	–
Y	0,03144	15,6	–	–	0,012	5,21	–	–

*Площадь океанов в процентах от Мирового океана (без морей и Северного Ледовитого океана).

Примечание: Слева – в млн. т, справа – в % от речного стока.

Оказывается, что распределение ежегодно накапливающихся абсолютных масс элементов в океанах не соответствует ежегодному выносу реками. Главный вывод: из рассматриваемых элементов-гидролизатов в океаны за пределы глубин 1-3 км проникает от 2 до 16,6% от поставки этих элементов в океан с речным стоком.

При этом средние значения испытывают значительные колебания в указанных пределах для разных элементов и для конкретных океанов.

Очень интересно сопоставить величины потерь элементов в эстуариях и вообще в приконтинентальных областях океанов, полученные двумя независимыми методами. К сожалению, в настоящее время данных для такого сопоставления очень мало. Прямо сравнить можно только данные по алюминию. Общие потери алюминия по двум оценкам – 89,9 и 93% - практически совпадают. Это и естественно, так как определяются они, по существу, потерями самого взвешенного материала (роль растворенного алюминия в речном стоке очень мала).

Еще больший интерес представляет сравнение потерь железа, марганца и элементов, следующих с ними. На сегодняшний день мы имеем возможность сравнить только данные по марганцу. Потери общего марганца в эстуариях составляют около 40% (точнее 38,5%). В данном случае мы уже видим существенную разницу двух оценок (более 20%). Причина различий в поведении алюминия и других гидролизатов, с одной стороны, и марганца – с другой, кроется в активном участии последнего, в отличие от гидролизатов, в процессах диагенетического перераспределения в восстановленных осадках прибрежной зоны.

5.5. Новые оценки времени пребывания элементов в океане

Потери некоторых элементов в эстуариях приводят к изменениям в поставке в океан на целый порядок. Вполне очевидно, что использование неисправленных значений речного стока при различных геохимических балансовых расчетах (при оценке времени пребывания элементов в океане, определении модулей аккумуляции элементов на океанском дне, построении геохимических и седиментационных моделей и т.д.) приводи т к ошибочным результатам. При расчете времени пребывания нами использовался откорректированный речной сток (и растворенный, и взвешенный), что для ряда элементов привело к большому сокращению времени пребывания в океане. Новые оценки оказались более сходными с теми, которые получены независимо по захоронению в донных отложениях океана. Наиболее близкими оказываются независимые определения времени пребывания для Al (10 и 26 лет), Fe (17 и 30 лет), Со (450 и 780), La (100 и 123), несколько хуже совпадают оценки времени пребывания (T_r) для Cu, Zn, Ni, Mn. Однако в целом сходимость новых T_r значительно лучше, чем при сравнении старых неисправленных значений. Несомненно, что, помимо речного стока, необходимо привлекать другие источники поступления металлов в океанские воды (ведь в осадки осаждается не только трансформированный материал рек).

Таким образом, учет стока не только растворенной части элементов, но и взвешенной, а также потерь элементов в зоне река-море позволяет получить более надежные оценки времени пребывания элементов в океане, чем прежде

Заключение

1. В ходе 40-летних исследований по единой программе и методике удалось провести биогеохимические исследования процессов, определяющих облик речных вод. Был изучен состав речного стока более чем 100 рек Мира и на этой основе определен средний глобальный элементный состав речных взвесей. Он оказался очень близким к среднему составу древних осадочных пород, что свидетельствует об унаследовании главных особенностей терригенного осадочного процесса во времени. Установлен глобальный естественный (природный) фон, на основе которого возможно определение реального вклада антропогенных элементов-загрязнителей в речном стоке в океан.

Показано, что важнейшей особенностью речного стока является доминирование взвешенных форм элементов над растворенными, т.е. речной сток это «царство» взвешенных форм элементов.

2. По единой программе и методике в те же годы проводились исследования биогеохимических процессов, влияющих на поведение растворенных и взвешенных форм химических элементов в водах Мирового океана. Содержание многих металлов оказалось крайне низким, что потребовало применения новой методики отбора, хранения и анализа проб воды и взвеси.

На крупных судах анализы проводились в контейнерных лабораториях высокого класса чистоты с применением высокочистых реактивов и отечественных и международных стандартных образцов. Другая особенность состоит в том, что биогеохимические исследования проводились одновременно и для тех же горизонтов, что и исследования по физике, биологии и седиментологии.

Важнейшей особенностью геохимии океанских вод является доминирование растворенных форм элементов, включая элементы-гидролизаты.

3. Обширные исследования показали, что система река-море (или области маргинального фильтра) представляют собой эффективную ловушку осадочного материала глобального масштаба как природного, так и антропогенного материала на пути от континента к океану. Главные характерные особенности этих зон заключаются в следующем:

общим направлением всех протекающих в системе река-море процессов является переход растворенных форм элементов во взвешенные и осаждение речной взвеси и вновь образованных из раствора взвешенных частиц в донные осадки. Здесь осаждается до 90-95% взвеси и взвешенных форм элементов и от 5-10 до 80% для разных элементов их растворенных форм.
при переходе от рек к океану кардинально меняется соотношение между растворенными и взвешенными формами элементов, т.е. «царство» взвешенных форм в реках заменяется «царством» растворенных форм в океане, в результате чего в океане резко возрастает геохимическая подвижность всех эдементов.
учет интегрального воздействия системы река-море на потоки вещества с континента в океан приводит к существенному изменению представлений о продолжительности времени пребывания элементов в океане (в большинстве случаев к их значительному снижению).
тесная взаимосвязь между отношениям концентраций химических элементов в речной и океанской воде, потерями элементов в переходной зоне река-море и типами распределения элементов в толще океанских вод означает, что вся совокупность химических элементов в их взаимодействии представляет собой геохимическую систему элементов в гидросфере.

Список основных публикаций по теме диссертации

Беляев Ю.И., Гордеев В.В. Определение марганца, серебра, свинца и кадмия в океанской взвеси методом атомной абсорбции с дуговым атомизатором. Океанология, 1972, т.12, №5, с.905-910.
Гордеев В.В., Лисицын А.П. Средний химический состав взвесей рек Мира и питание океанов речным осадочным материалом. Доклады АН СССР, 1978, т.238, №1, с.275-277.
Демина Л.Л., Гордеев В.В., Фомина Л.С. Формы железа, марганца, меди и цинка в воде и взвеси и их изменения в зоне смешения речных вод с морскими (на примере рек бассейнов Черного, Азовского и Каспийского морей). Геохимия, 1978, № 8, с.1211-1229.
Гордеев В.В., Лисицын А.П. Микроэлементы. В кн.: Химия вод океана, т.1, Океанология, М., Наука, с.337-375.
Гордеев В.В. Новая оценка поверхностного стока растворенных и взвешенных веществ в океан. Доклады АН СССР, 1981, т.262, №5,
Гордеев В.В., Чудаева В.А., Шулькин В.М. Поведение железа, марганца, меди и цинка в устьевых зонах двух малых рек Дальнего Востока. Литология и полезные ископаемые, 1983, вып.2, с.99-109.
Гордеев В.В. Речной сток в океан и черты его геохимии. 1983, М., Наука, 152 с.
Gordeev V.V., Miklishansky A.Z., Migdisov A.A., Artemiev V.E. Distribution of some rare elements in surface suspended material of Amazon, some of its tributaries and estuary. In: Transport of Carbon and Minerals in Major World Rivers, 1985, part 3, Hamburg, Germany, p.525-543.
Martin J.-M., Gordeev V.V. River input to ocean systems: a reassessment. In: An application to the Tagus Estuary. Proceedings of UNESCO/IOC/CNA workshop, Lisboa, Portugal, 1982. UNESCO Publ., Paris, 1986, p.203-240.
Монин А.С., Гордеев В.В. Амазония. 1988, М., Наука, 210 стр.
Гордеев В.В., Орешкин В.Н. Ag, Cd и Pb в воде бассейна Амазонки и эстуария. Геохимия, 1990, № 2, с. 244-256.
Gordeev V.V., Sidorov I.S. Concentrations of major elements and their outflow into the Laptev Sea by the Lena River. Marine Chemistry, 1993, v. 43, № 1-4, p. 33-46
Gordeev V.V., Martin J. M, Sidorov I. S., Sidorova M. V. A reassessment of the Eurasian river input of water, sediment, major elements and nutrients to the Arctic Ocean. American Journal of Sciences, 1996, v. 296, p. 664-691.
Гордеев В.В., Егоров А.С., Лисицын А. П., Летохов В.С., Пахомов Д.Ю., Гулевич В.М. Растворимое золото в поверхностных водах северо-восточной Атлантики. Геохимия, 1997, № 11, с. 1139-1148
Gordeev V.V., Tsirkunov V.V. River fluxes of dissolved and suspended substances. In: A water quality assessment of the former Soviet Union. 1998,

V. Kimstach, M. Meybeck, E. Baroudy – eds., E & FN Spon, London, p. 311-

350.

Gordeev V.V. River input of water, sediment, major ions, nutrients, trace elements from Russian territory to the Arctic Ocean. In: Freshwater budget of the Arctic Ocean. E.L.Lewis - ed., 2000, Kluwer Acad. Publ., London, p.297-322.
Gordeev V.V., Rachold V. Modern terrigenous organic carbon input to the Arctic Ocean: present and past. 2003, R.Stein, R.Macdonald – eds., Springer, Berlin, p.33-41.
Гордеев В.В. Реки Российской Арктики: потоки осадочного материала с континента в океан. В кн.: Новые идеи в океанологии, т.2, Геология. 2004, М., Наука, с.113-167.
Gordeev V.V., Vlasova I.E., Rahold V. Geochemical behavior of major and trace elements in suspended particulate material of the Irtysh river, the main tributary of the Ob river, Siberia. Applied Geochemistry, 2004, v.19, p.593-610.
Gordeev V.V., Beeskow B., Rachold V. Geochemistry of the Ob and Yenisey Estuaries: A Comparative Study. Reports on Polar and Marine Research, 2007, v.565, 236 pp.

Blog

Система река-море и ее роль в геохимии океана 25. 00. 28 Океанология

Содержание