Лекция 6-2009

Вид материалаЛекция

Содержание


Сев. А.мерим
Бол. Богатое
Гидрогеохимия океана
Двуокись углерода
Концентрация водородных ионов
Биогенные вещества (фосфор и азот)
Содержания нитратов
Подобный материал:
Лекция 6-2009


Гидрохимия озер, океана и подземных вод


1 Гидрохимия озер


Озера по сравнению с реками имеют очень замедленный водообмен, поэтому при формировании их химического состава даже в сходных с реками климатических и геохимических условиях между ними наблюдаются значительные различия. Например, если реки засушливых областей имеют минерализацию редко превышающую 1-2 мг/л, то минерализация озер этой же климатической зоны изменяется в весьма широких пределах - от нескольких десятков миллиграммов до сотен граммов на литр.

По степени минерализации принято различать озера пресные, солоноватые и соленые.

Общая минерализация пресных озер составляет <1 г/л. Они формируются: в условиях избыточного и достаточного увлажнения и имеют постоянный в течение года сток.

Соляные озера характеризуются общей минерализацией воды свыше 25 г/л. Они формируются в районах с засушливым климатом, в условиях высокого испарения с поверхности, весьма незначительного стока или при его отсутствия. Это приводит к накоплению в воде озера различных солей, поступающих с притоками.

Солоноватые озера характерны для районов недостаточного увлажнения. Они имеют сток в отдельные сезоны года, при этом в системе приток – озеро-сток устанавливается некоторое равновесие, определяющее минерализацию воды в озере. Величина минерализации солоноватых озер колеблется в пределах 1-25 г/л.

Пресные и солоноватые озера имеют очень широкое распространение. Состав вод в озерах весьма разнообразен (табл. 52) и определяется условиями окружающей среды. Основными ионами, характеризующими химический состав озерной воды, являются как и для всех природных вод, НСО3 -, Cl-, Са2+, Mg2+, Na+ и К+. Основной состав вод формируется в результате подвижного равновесия между приходными и расходными составляющими солевого баланса

Спр+Сатм+Сгр=Сст+Сэол+Сфил+Сос

где Спр - соли, вносимые притоками;

Сатм - соли, вносимые атмосферными осадками и пылью;

Сrp - соли, вносимые грунтовыми водами;

Сст - соли, выносимые стоками;

Сэол - соли, выносимые ветром;

Сфил - соли, теряемые при фильтрации;

Сoc - соли, выпадающие в осадок.

Основное значение в формировании химического состава пресных озер имеет соотношение между Спр и Сст В отличие от рек химический состав озер и их гидрохимический режим во многом определяются размерами, площадью поверхности, глубиной и конфигурацией озера. В изменении состава вод наблюдается та же закономерность, что и в речных водах – с минерализации наблюдается относительный рост ионов в следующей последовательности

HCO3- > SO42+ > Cl

Ca2+ > Mg 2+ >Na

В пресных озерах преобладают гидрокарбонатные ионы (4-600мг/л, второе место занимает сульфат-ион(2-40 мг/л), содержание хлор - иона колеблется в пределах 1-60 мг/л. Из катионов преобладает Са2+ (2-140 мг/л). содержание иона магния изменяется от 2 до 60 мг/л. В табл.1 приводятся параметры распределения основных ионов для пресных озер мира

Таблица 1

Гидрохимия озер Мира

Ионы

мг/л

НСО3

SO4

Cl

Са

Mg

Na+K

Сумма

ионов

Озера

Пресные

Сев. А.мерим:

Ниписсинг

26,2

8,5

1,0

9,0

3,6

3,8

52

Симкое

134,2

13,6

3

39,5

6,3

1,8

198

Супериор

50,0

4,8

1,5

14,1

3,7

3,4

77

Эри (у впадения р. Ниагара)

117,7

22,1

14,8

38,1

8,5

7,7

209

Эри (у г. Гурона)

121

28

17

39

8,7

8,2

222

Онтарио (у г. Торонто)

113,5

20,3

15,6

36,91

7,8

8,9

203

Великое

4,5

6,4

3,3

3,9

3,2

5,6

27

Европа:






















Кохельвее

220

33,6

1,1

56

14

3,5

328

Цюрихское

145

11,1

0,83

41

7,2

2,3

207

Балатон

197

НО

15,2

45,3

65,7

48,2

481

СНГ






















Байкал (поверхность)

59,2

4,9

1,8

15,2

4,2

6,1

9,1

Байкал (1000 м)

58,6

4,4

2,0

15,2

4,4

4,9

89

Ладожское

40,2

2,5

7,7

7,1

1,9

8,6

68

Телецкое

48,6

2,8

0,8

12,4

2,1

1,73

68

Онежское

20,4

1,3

1,5

54,2

1,6

1,5

80

Севан

414,7

16,9

62,9

33,9

55,9

77,3

662

Озера

Солоноватые

СНГ




Балхаш

492,7

893

574

25.1

294

1475

3754

Иссык-Куль

240

2115

1585

114

17,9

63,2

4135

Аральское

202

164,8

73,6

94,1

17,9

63,2

616


Соляные озера характеризуются минерализацией, близкой к насыщению. Химический состав их определяется теми же основными ионами. Как указы­валось выше, минерализация озер определяется физико-географическими условиями (климатом, наличием стока и т. д.), это и вызывает зональное рас­пространение соляных озер. Они, как правило, приурочены к районам, в кот­орых среднегодовые величины испарения преобладают над количеством выпа­дающих осадков. В СНГ зона минеральных озер (соляных озер) занимает южную зону степей, полупустынь и пустынь и тянется от нижнего течения Дуная до Дальнего Востока. В Северной Америке соляные озера сосредоточены преимущественно в северо-западной бессточной зоне, в Азии они расположены в северной части Ирана и Индии, которые по своим природным условиям как бы являются продолжением пустынь и полупустынь Средней Азии. В табл. 2 приводится химический состав некоторых соляных озер мира.

Таблица 2

Гидрохимический состав соленых озер

Ионы

мг/л

НСО3

SO4

Cl

Са

Mg

Na+K

Сумма

ионов

США




Гуденоух

185

118 330

6240

6660

-

470

48 280

Ласт Чепе

191

102 810

25470

7240

-

890

52 880

Лонr Лейк

27

10 280

8360

520

380

160

7440

Айроп Маек

279

6200

203 900

700

Следы

34 200

34 200

Питп Маиитоу

107

554

51 720

23 295

514

11 160

17950

Редберри

13

483

9086

147

71,5

1590

1547

СНГ






















Сакское

111

240

7620

61 300

1000

5430

35 700

Бол. Богатое

352

2640

95 200

137 800

210

19 200

97 300

Кучук

281

500

44 500

121 600

500

11 200

82 300

Эки6астув

73

396

5722

40 402

2502

3258

21 084

Туз

105

384

3633

62 007

2823

3560

32 628

Наргиз

65

156

4218

36 950

1274

1475

20 550

Махариу

121

228

8320

180 200

580

4383

109400


М. Г Валяшко выделил три основных типа соляных озер:

1. Карбонатный, или содовый. Основные компоненты – СО3 2 -, НСО3

2.Сульфатный тип. Основные компоненты - S04:2-, Cl-, Na+, К+

3. Хлоридный тип. Основные компоненты - Cl-, Na+, К+, Mg2+

При поступлении в озеро вод с соотношением ионов НСО3; > Са2+ ­+ Mg2+в соответствующих климатических условиях создаются предпосылки для накопления в озерной воде гидрокарбонатного иона и формирования карбонатных озер. При наличии в водах, питающих озеро, соотношения ионов НСО3 <Са2+ + Mg2+ в озере аккумулируются сульфатные и хлоридные ионы; в таком случае образуются сульфатные озера. Хлоридные озера формируются обычно при питании озера притоками, в которых ионы хлора преобладают над остальными. Минерализация соляных озер и концентрация главных ионов колеблется в широких пределах (табл. 2).

Микроэлементы в озерных водах.

Информация о распределении микро­элементов в озерах очень ограниченна. Известно, что в некоторых соляных озерах происходит накопление редких щелочных металлов (главным образом лития) и бора до уровня, оправдывающего промышленное извлечение этих элементов Характерным примером служат рассолы пересохшего оз. Серлз, содержащие 0,01 % Li2О (обычно в водах озер содержится 1-10 мг/л лития). и более полными в настоящее время являются данные по озерам США, которые в 1970 г. были опробованы Геологической службой страны на семь микроэле­Ментов, оказывающих наибольшее влияние на развитие биосферы, - мышьяк, кадмий, хром (шестивалентный), кобальт, свинец, цинк и ртуть Обобще­ние этих материалов, охватывающих 45 озер, позволяет судить об аналогии в среднем содержании перечисленных элементов в озерных и речных водах (исключением является мышьяк, накапливающийся в озерных водах). При этом следует иметь в виду, что практически все опробованные озера в той или иной степени загрязнены в результате деятель­ности человека. Лишь воды оз. Крэйтер Лейк (шт. Орегон) не содержали ни одного из перечисленных микроэлементов.

ГИДРОГЕОХИМИЯ ОКЕАНА

Соотношение между основными компонентами, образующими солевой состав морской воды во всех океанах, остается практически постоянным в то время как общая солевая концентрация имеет значительные колебания. Между приходной и расходной частями солевого баланса океана имеется динамическое равновесие, которое определяется взаимодействием океана и окружающей средой и процессами, протекающими в самом океане. В отличии от других видов природных вод в океанической воде присутствуют в больших количествах ионы брома, фтора, бора и стронция, которые наряду с CI- , S04, НСОЗ-, CO3, Na+; К+, Са2+ и Mg2+ могут быть отнесены к главным компонентам солевого состава В океанической воде, как правило существуют следующие соотношения между ионами: CI > S04: > НCO3> CO3, и Na+ > Mg2+ > Са2+ > К+. Отмеченное постоянство океанической воды нарушается во внутренних морях и при значительном опреснении под влиянием внешних факторов

Для выражения общей концентрации солей в океане пользуются так называемой соленностью, которая по величине почти равна сумме главных ионов: Соленость океанической воды выра­жаетсл в промилле и определяется из уравнения: s = 0,030 + 1,8050 Cl, где s выражает общую массу солей (в г) на 1000 г морской воды; 1,8050 Cl ­– массу хлора (в г) на 1000 г морской воды Соленость океанической воды не­постоянна в различных частях океана на разных глубинах и определяется отношением процессов, уменьшающих выпадение атмосферных. осадков, материковый сток, выпадение солей в ос:адок и т. д.) и увеличивающих ис­парение и ледообразование, концен­трацию ионов.

Средняя соленость поверхности Мирового океана равна 34,7 0/00, колебания составляют 32-37,5' Наибольшая соленость отмечается в тропической зоне, наименьшая - в Арктическом

бассейне, что объясняется различием в климатических условиях.

Указанная зональность солености океанической воды нарушается постоянно действующими морскими течениями,. такими как Гольфстрим, Лабрадорское ­и др. В большинстве океанов соленость с глубиной уменьшается

Большое значение для биосферы имеет наличие в океанической воде растворенного кислорода, углекислоты и других газов. По насыщенности растворенным кucлородом выделяются три вертикальные зоны.

1. Верхняя зона, близкая к поверхности, имеет мощность от 100 до 300 м., (характеризуется наиболее высоким содержанием растворенного кислорода 1-9 мг/л в высоких широтах и 4,3-5 мг/л - в низких). Концентрация кисло­рода в верхней зоне определяется соотношением процессов фотосинтеза, аб­сор6ции, идущих с выделением кислорода и поглощением его животными~растительными организмами, и процессами окисления.

2. Средняя зона расположена на глубинах 200-1400 м и характеризуется ­значительно более низким содержанием кислорода (0,4-1,0 мг/л).

3. Глубинная зона охватывает глубины 1400-1600 м, содержание кисло­рода в среднем составляет 5 мг/л, источником его поступления являются ­глубинные арктические и антарктические течения.

Сезонные колебания соде ржаний кислорода в океанической воде существенны лишь в верхней зоне.

Двуокись углерода содержится в океанической воде в количестве не превышающем 1мг/лл

В морях, где происходит нарушение вертикального водообмена, происходит накопление сероводорода, образующегося при восстановлении сульфатов сульфатредуцирующими бактериями в анаэробных условиях.

Концентрация водородных ионов (рН) в океанической воде характеризуется незначительным диапазоном колебаний (7,9-8,3). Наибольшие ее (8,0-8,35) характерны для поверхностных слоев океана, что объясняется интенсивным потреблением СО2 при фотосинтезе. Установлено, что усиление развития диатомовых водорослей сопровождается повышением рН С возрастанием глубины рН уменьшается до 7,95 на гл 2000м

Биогенные вещества (фосфор и азот) имеют большое значение для. организмов. Фосфор в океанической воде присутствует в виде производных ортофосфорной кислоты. Выведение фосфора из раствора происходит в результате поглощенля его живыми организмами и растениями, а также выпадения в осадок.

Пополнение океанических вод фосфором и другими органогенными элементами происходит в результате минерализации органических остатков и приноса реками. Концентрация фосфора в воде океана колеблется в широких пределах, распределение его неравномерно как по глубине, так и по площади

Наиболее обеднена фосфором верхняя, приповерхностная зона, где развиты процессы фотосинтеза.

Содержание фосфора с глубиной увеличивается. В поверхностной зоне отмечается сезонное колебание концентраций фосфора. Так, по данным Харвея [279], поверхностная вода в Средиземном море и в Атлантическом океане (между Англией и Юж. Америкой) в летнее время почти полностью лишена фосфатов. Сезонные колебания в содержании фосфатов установлены в Баренцевом море. В летнее время концентрация фосфора в верхнем слое практически равна нулю. С осени начинается восстановление запаса и к концу зимы фосфор распределяется равномерно от поверхности до дна и составляет 40-50 мг Р205 на 1 м3.

Содержания нитратов в океанической воде невелики, распределение их аналогично фосфатам как по площади, так и по глубине. В поверхностной зоне отмечаются также сезонные колебания, вызванные поглощением его живыми организмами. Исследованиями, проведенными в Ламанше, обнаружены со­вершенно закономерные сезонные колебания нитратов.

В течение зимних месяцев концентрация их во всей толще воды от поверх­ости до дна достигает 60- 70 мг/м куб Весной происходит уменьшение содержа­ния нитратов в поверхностных слоях, к августу истощение запасов нитратов заахватывает все слои и концентрация их падает почти до нуля даже в глубинной зоне С осени регенерация нитратов в придонной воде начинает идти быстрее, чем потребление их растениями. Нитраты обнаруживаются в океанической воде на небольших глубинах. Максимальные содержания наблюдаются на глубинах до 50 м (5-10 мг/м куб)

. Отмечается сезонное колебание концентраций (максимум осенью).

Мкроэлементы присутствуют разнообразные микро­элеметы концентрации которых по абсолютным значениям невелики, однако общее их содержание весьма значительно. Наибольшие концентрации отмечены для таких элементов, как литий (200 мкг/л), рубидий (120 мкг/л), иод (60 мг/л), барий (30 мкг/л).

В океане не происходит накопления растворенных микроэлементов, концентрация их определяется равновесием в системе морская вода­-осадки. Существенное влияние на содержание микроэлементов оказывают адсорбционные процессы и деятельность организмов. Поскольку микроэлементы вовлекаются в геологические и биологические процессы, содержание любого ингредиента изменяется довольно сложным образом как во времени, так и в пространстве.