Химия океанических вод

Океаны — это крупнейшие резервуары гидросферы, которые существуют по меньшей мере уже 3,8 млрд лет. Жизнь на Земле, вероятно, возникла в морской воде, и океаны важны для смягчения колебаний глобальной температуры.

Речные воды, дренирующие сушу континентов, попадают в океаны через дельты. Здесь пресные воды смешиваются с морской водой.

Химический состав морской воды сильно отличается от состава пресной, и это различие оказывает влияние на транспорт некоторых растворенных и твердых компонентов. Морская вода представляет собой сложный комплекс минеральных и органических компонентов и растворенных газов. Химический состав воды определяется совокупностью геохимических и биологических процессов.

Мировой океан за все время своего существования служил аккумулятором не только воды, но и приносимых ею с континентов водорастворимых неорганических соединений.

Это происходит из-за низкой минерализации испаряющейся воды; большая часть солей, попадающих в атмосферу благодаря ветрам, возвращается в океан вследствие седиментации и вымывания атмосферными осадками.

С другой стороны, вода поверхностного континентального стока постоянно привносит в океаны минеральные компоненты. В результате в океане накопилось огромное количество солей — 4,7 • 10⁷ Гт.

Еще большее количество (около 40 • 10⁷ Гт) Мировой океан потерял в предшествующие геологические эпохи в результате отделения и высыхания некоторых морей. В сравнении с общим содержанием солей в океанах количество их, вовлекаемое в ежегодный круговорот, относительно невелико (5 Гт). Основные составляющие этого круговорота представлены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Солевой баланс Мирового океана.

Некоторое превышение приходной части солевого баланса Мирового океана над расходной частью связано со следующими факторами:

• • продолжающаяся дегазация верхней мантии Земли;
• • постепенное выветривание горных пород;
• • увеличение ветрового (эолового) выноса;
• • дополнительное поступление с речным стоком минеральных компонентов вследствие антропогенного опустынивания, уничтожения лесов на огромных территориях, эрозии почв.

По составу минеральных компонентов океанические воды очень однородны. В открытых частях океанов массовое содержание солей в среднем составляет 34,7%о (в интервале от 32,0 до 37,5%о).

Наивысшая соленость наблюдается в тропических широтах, характеризующихся наиболее высоким уровнем испарения.

Между основными химическими элементами морской воды существует довольно строгая связь, выражающаяся законом Дитмара: в воде открытых районов океана соотношения между главными компонентами основного солевого состава постоянны и не зависят от их абсолютных концентраций (табл. 2.5).

Таблица 25

Средний химический состав морской воды.

Примерно 99,99% массы растворенных неорганических веществ образовано перечисленными в табл. 2.5 компонентами, а также Вг, F, В и Sr.

Химия основных ионов в морской воде отлична от химии поверхностных вод (табл. 2.6). Существуют три основных свойства, отражающие это отличие:

• • высокая концентрация солей в морской воде, около 35 г • л" ¹;
• • приблизительно одинаковый химический состав морской воды с высоким содержанием ионов Na⁺ и С1~;
• • постоянные относительные концентрации основных ионов морской воды во всех океанах Земли.

Последнее свойство хорошо иллюстрируют данные, показывающие, что относительное содержание К⁺/С1″, измеренное в океанических областях от Ледовитого океана до Черного моря, практически неизменно в пределах аналитических ошибок 0,0205±0,0007. В океанах ионы бикарбоната (НСО3) и Са²⁺ включены в биологический круговорот, приводящий к вертикальному градиенту их отношений по сравнению с другими основными ионами. Однако различия в отношениях невелики — менее 1% для кальция. Существуют также данные, что состав основных ионов в морской воде изменялся лишь незначительно в течение многих миллионов лет, поэтому предполагается, что состав океанов контролируется очень долговременным геохимическим круговоротом.

Свидетельства о том, что соленость и ионный состав морской воды оставались примерно постоянными в течение по крайней мере последних 900 млн лет, были получены на основе изучения древних отложений морских эвапоритов. Эвапориты — это соли, которые выпали природным путем из испаряющейся морской воды в бассейнах, по большей части отрезанных от открытого океана.

В течение последних 900 млн лет морские эвапориты обычно идут в последовательности от секции гипс — ангидрит (CaSO^ ^P^O-CaSC^) к галиту (NaCl).

Таблица 2.6

Состав основных ионов в пресной и морской воде,

ммоль • л^-1

Горькие соли (названные так из-за их горького вкуса) выпадают на последних стадиях испарения и имеют варьирующийся состав, включая магниевые соли, бромиды, хлорид калия (КС1) и более сложные соли, в зависимости от условий испарения (рис. 2.4).

Порядок выпавших соединений такой же, какой наблюдается в современных морских эваноритах, и его можно воспроизвести опытным испарением морской воды. Эта последовательность осаждения солей устанавливает пределы возможных изменений в составе главных ионов в морской воде, поскольку изменения вне этих пределов имели бы результатом другие последовательности осаждения. Например, удвоение концентрации иона кальция (Са²⁺) при существующей в настоящее время концентрации сульфат-иона (SOf) не окажет влияния на последовательность осаждения, тогда как утроение концентрации Са²⁺ уже сделает это. Аналогично уменьшение или увеличение вдвое существующей в настоящее время концентрации иона калия (К*) повлечет за собой образование некоторых очень необычных горьких солей, не наблюдаемых до сих пор в геологической летописи.

Представления об изменениях концентраций иона натрия (Na⁺) и хлора (СИ) основаны на ископаемых отложениях галита. Общий объем известных отложений галита достигает около 30% от содержания NaCl в современных океанах. Если всю эту соль добавить в существующие океаны, соленость морской воды увеличилась бы примерно на 30%. Однако основные отложения галита достаточно хорошо распределяются по геологическому времени, и можно предположить, что никогда не было такого периода, чтобы все эти ионы были растворены в морской воде.

Нижние пределы концентраций Na⁺ и С1~ в морской воде можно оценить, рассмотрев самые мощные отложения эвапоритов в геологической летописи. Например, в период миоцена (5—6 млн лет назад) в бассейнах Средиземного и Красного морей было отложено около 28 • 10¹⁸ молей NaCl. Это количество соли представляет только 4% от современной массы океанического NaCl. Можно предположить, что периодические эвапоритобразующие процессы способны только ненамного уменьшить концентрации Na⁺ и С1″ в морской воде. Было высказано предположение, что соленость морской воды уменьшалась «рывками» от 45 до 35 г • л^-1 за последние 570 млн лет. В течение этого времени образование одних лишь солей пермского возраста (280—230 млн лет назад) могло вызвать 10%-ное падение солености, что, возможно, внесло вклад в вымирание многих морских организмов в конце этого периода.

В целом на основе этих ограничений можно предположить, что химия главных ионов в морской воде изменялась лишь незначительно (возможно, не более чем с коэффициентом 2 для каждого отдельного иона) в течение последних 900 млн лет или около того (немного меньше, чем за четверть геологического времени).

Рис. 2.4. Последовательный ряд и приблизительные мощности слоев солей, осаждающихся при испарении 1 км²

морской воды