Geum.ru

В. Д. Т. А. Айзатулин и проблема эволюции элементного состава океана

Вид материалаРеферат

Содержание


Элементный состав океанской воды
Средние концентрации химических элементов в океане и типы их распределения: 1 – консервативный, 2 – биогенный, 3 – литогенный.
Химических элементов в океане
Подобный материал:
1   2   3   4   5

ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ОКЕАНСКОЙ ВОДЫ


Изучение химического элементного состава океанской воды имеет длительную историю, насчитывающую более трех столетий. Первые данные по количественной характеристике суммы солей в океане принадлежат Бойлю, опубликовавшему в 1676 г. «Трактат о наблюдениях над соленостью моря». Определение плотного остатка производилось выпариванием проб морской воды. Первые анализы солевого остатка морской воды были осуществлены в конце XVIII века знаменитым французским химиком А.Лавуазье в 1772 г. и шведским химиком Т.Бергманом в 1777 г. В XIX веке значительно возросли темпы исследования состава морской воды.

В 1819  г. Марсет (Marcet, 1819) опубликовал работу по изучению вод Ледовитого и Атлантического океанов, Средиземного, Черного, Балтийского, Восточно-Китайского, Южно-Китайского и Белого морей. Результаты анализов привели его к выводу о том, что «пробы морской воды во всех регионах земного шара содержат одни и те же компоненты в очень близких пропорциях, и поэтому различия в химическом составе вод различных морей состоят только в общем количестве присутствующих солей»(цит. по Хорн, 1972, с.121). В кругосветном плавании под командованием Коцебу в 1823—1826 г.г. регулярные наблюдения над соленостью вод Мирового океана проводил Э.Х.Ленц методом ареометрирования (Ленц, 1950). Несколько ранее Ленца соленость морской воды исследовал Гей-Люссак в 1812 г. Ленц, знакомый с работами Гей-Люссака, в отчете о морской экспедиции 1823—1826 г.г., опубликованном в 1831 г., указывал на то, что соотношение различных солей, присутствующих в морской воде, на всех широтах одинаково и только общее их содержание по отношению к воде, в которой они растворены, изменяется в зависимости от географического положения местности.

Работы по уточнению солевого состава океанской воды проводили Фреми в 1837 г., Моррен в 1843 г., Хейс в 1861 г. В 1855 г. американский исследователь Мори подтвердил мнение Гей-Люссака и Ленца о постоянстве солевого состава вод океана.

В 1865 г. датским геологом и химиком Г.Форххаммером был опубликован большой фактический материал по анализу основного солевого состава вод Мирового океана и некоторых морей (Forchhammtr, 1865). Следующий крупный этап в изучении солевого состава океана состоял в исследовании 77 проб воды, отобранных в кругосветной экспедиции НИС «Челенджер»(1873— г.г.). Пробы были отобраны химиком Томпсоном и затем переданы проф.В.Диттмару. Из этих 77 проб 12 были взяты с поверхности, 10 —с глубины 46— м, 21 —с глубины 183— м, 43 —с глубин более 1800 м. Данные, полученные Диттмаром в 1878— г.г., и до настоящего времени наиболее репрезентативно представляют основной солевой состав вод Мирового океана (Dittmar, 1884). Подробный обзор данных Диттмара произведен Лейменом и Флемингом (Lyman, Fleming, 1940), а затем Кэрритом и Карпентером (Carritt, Carpenter, 1959). Обзор данных по солевому составу морских вод до экспедиции «Челенджера», включая работы Форххаммера, выполнен Ротом (Roth, 1879), а затем Кларком (Clarke, 1924).

Наиболее полную для своего времени сводку по отношению катионов и анионов морских вод к хлорности привели Томпсон и Робертсон (Thompson, Robertson, 1932). Постоянство солевого состава океанской воды детально исследовано и доказано с точностью 1-2% (Culkin, 1965; Culkin, Cox,1966). По мере накопления нового материала по элементному составу океанской воды появились обобщающие работы Гольдшмита (Goldschmidt, 1954), Виноградова (1944, 1967), Ваттенберга (Wattenberg, 1938), Вернадского (1983), Свердрупа, Джонсона, Флеминга (Sverrup et al., 1942), Бруевича (1965), Бревера (Brevwer, 1975), Бруланда (Bruland, 1983), Попова и др. (1979).

Лимитирующим условием изучения элементного состава океана часто является сложность выделения и определения элементов, содержащихся в воде в микроконцентрациях. Со времени появления обобщающей работы Бревера (Brewer, 1975a) было установлено, что некоторые микроэлементы в океане имеют концентрации в 100— раз меньше, чем отмечалось прежде. В основном это было следствием преодоления ошибок отбора проб воды и подготовки ее к исследованию. Значительно усовершенствованы в последнее время инструментальные методы анализа, такие как атомно-адсорбционная спектрофотометрия, жидкостная хроматография, масс-спектрометрия и т.д. Наряду с достижением высокой чувствительности определения элементов с помощью новой техники получили развитие методы отбора проб и предварительного концентрирования. Среди них можно, например, отметить получение гидридов для выделения следовых количеств металлоидов, электрохимические методы концентрирования, жидкостная хроматография с хелатирующими агентами, такими как дитиокарбаматы, 8 гидроксихинолин и дитизон, ионный обмен и соосаждение.

Подробно сведения о классических методах отбора проб и исследования морской воды изложены в книге Барнса (Barnes, 1959). Требования к технике отбора и контролю за источниками загрязнения для разных элементов различны. Это в основном связано с различной растворимостью и распределением элементов в морской воде, а также с задачами исследований. Например, во время отбора проб морской воды используемый сосуд может быть источником загрязнения для многих микроэлементов (от пароходного дыма, стальных лопастей, краски, медного оборудования, гальванических элементов, отходов цинковых анодов и т.д.). Для некоторых микроэлементов (например, Ba, Ag, Sc) можно относительно легко обеспечить контроль за загрязнением, однако для других (например, Pb, Zn, Fe) нужно тщательно соблюдать сверхчистые условия для того, чтобы получить надежные результаты. Например, понижение оценки концентрации свинца в морской воде на три порядка за последние четыре десятилетия является результатом отбора глубоководных проб, контроля за уровнем загрязнения во время отбора, хранения и анализа проб (Schaule, Patterson, 1981).

Вопрос о методах отбора и анализа микроэлементов в морской воде подробно освещен в работах Славина (Slavin W., 1980) и Коржа (Корж В.Д. Геохимия элементного состава гидросферы. М. Наука, 1991).

Современный уровень знания среднего элементного состава океанской воды представлен на рис.1. Он оказался вполне достаточен для количественного определения закона эволюции элементного состава морской воды и характера зависимости между содержанием химических элементов в океане и их свойствами и распространенностью.

Р
ис 1.

Средние концентрации химических элементов в океане и типы их распределения: 1 – консервативный, 2 – биогенный, 3 – литогенный.




ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СОДЕРЖАНИЕ И ХАРАКТЕР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОКЕАНЕ

В.М.Гольдшмидт рассмотрел роль выветривания магматических пород в формировании элементного состава гидросферы, приняв, что весь натрий, содержащийся в океанской воде, является продуктом выветривания (Goldschmidt, 1954). Он подсчитал, что на 1 кг морской воды приходится 600 г первичной породы, прошедшей цикл выветривания, разложения и осаждения. Из представленных им данных следует, что поступление в океанскую воду основных катионов могло происходить главным образом при разрушении первичных пород, анионов —при дегазации мантии.

Фундаментальное значение в геохимических исследованиях гидросферы имеет факт постоянства солевого состава океанской воды, а также постоянство характера распределения концентрации отдельных химических элементов в океане. Выявлены и изучены три основных типа распределения концентраций элементов (Корж, 1991).

1. Консервативный —элементы имеют одинаковую и неизменную во времени и пространстве концентрацию, отнесенную к общей солености.

2. Биогенный —содержание элементов в поверхностных водах уменьшается вплоть до полного исчезновения в результате «выедания»растительными и животными организмами.

3. Литогенный —сложный характер распределения концентраций элементов, которые, попадая в океан с речным стоком и эоловым материалом, выводятся практически полностью в осадок.

В соответствии с устоявшимися традициями геохимики много внимания уделяли поиску возможности построения модели химического состава морской воды на основе физико-химических характеристик растворенных в ней компонентов. Заметное оживление таких исследований произошло после появления работ Гаррелса и Томпсона (Garrels, Thompson, 1962), Гаррелса и Крайста (1968) по термодинамике минералов и водных растворов электролитов. Это работы Ван-Бремена (Van Breemen, 1973); Миллеро (Millero, 1982); Миллеро, Шрайбера (Millero, Schreiber, 1982). Результаты расчета форм существования главных компонентов морской воды показывают, что все компоненты воды в океане находятся в ненасыщенном состоянии и следовательно никакие элементы не могут выделяться самопроизвольно в виде твердых осадков.

Достаточно ясно и строго возможности и реальные достижения химической термодинамики в океанологических исследованиях рассмотрены в работе Стащюка и Тищенко (1989). Реальные достижения в решении поставленных задач далеко отстают от тех надежд и ожиданий, которые питали исследователей, использующих методы химической термодинамики в решении океанологических проблем.

Большое внимание методологии исследования элементного состава морской воды уделял основатель биогеохимии В.И.Вернадский. Он отмечал, что «состав воды океана, поскольку он сейчас пополняется новым веществом, в главной своей части регулируется жизнью, живым веществом, его энергией».

Спектр факторов, используемых авторами при построении гипотез и моделей формирования элементного состава океанской воды, чрезвычайно широк. Однако ранжирование факторов осуществлялось соответственно авторским предпочтениям. Это являлось результатом несоответствия, неадекватности общего методологического подхода исследуемому сложному биосферному об'екту, каким является океан, и заводило в тупик работы по исследованию общих закономерностей формирования элементного состава океанской воды. Выход из тупика был намечен методологическими принципами В.И.Вернадского и работами Т.А.Айзатулина.