Химический состав гидросферы

     ВВЕДЕНИЕ 

     Вода  – самое удивительное природное  соединение на Земле – источник жизни и условие ее формирования. «Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов», – писал В.И. Вернадский (1934).

     Вода  стоит особняком в истории  нашей планеты. Э. Дюбуа образно  заметил, что «жизнь есть одушевленная вода». Вулканы Земли в совокупности выбрасывают в атмосферу около 40 миллионов тонн водяного пара. Любая минеральная частица, выглядящая вроде бы совершенно сухой, при нагревании примерно до 500° С растрескивается под давлением пара, в который превратилась вода, изначально содержавшаяся в микроскопических трещинках или включениях. В составе живых организмов вода вообще основной компонент (от 60 до 98% массы тела). Диапазон температурных условий в биосфере таков, что вода здесь может находиться в трёх различных состояниях (жидком, твёрдом и газообразном) и переходить из одного состояния в другое. Это придаёт процессам её круговорота особую динамичность и разнообразие (Вернадский В. И., 1978; Дривер Д. И., 1985).

     Все природные воды тесно связаны  между собой и находятся в  постоянном движении. Даже самые глубокие подземные воды участвуют в общем круговороте. Вода – самая универсальная и самая важная среда миграции. Все природные воды содержат растворенные газы, ионы недиссоциированные молекулы и коллоидные частицы. Вода – «это кровь земной коры» (Вернадский В. И., 1934).

     Свойства  воды резко отличают ее от всех известных веществ на Земле. Вода – аномальное вещество. Причем, аномальны практически все свойства этой самой распространенной на Земле жидкости. Аномальны ее теплоемкость, коэффициент теплового расширения, величина поверхностного натяжения, температуры кипения и замерзания, диэлектрическая постоянная и т.д. По этим параметрам вода резко отличается от всех других известных жидкостей. У подавляющего большинства веществ твердая фаза тяжелее жидкой, а лед легче воды и плавает на ее поверхности. Причина – ажурная кристаллическая структура льда (Посохов Е. В., 2005).

     Многие  «странности» воды объясняются своеобразием строения ее молекулы – самой маленькой  из трехатомных молекул. Радиус молекулы воды лишь ненамного превышает радиус иона кислорода. Угол, между линиями, соединяющими протоны с центром атома кислорода, равен 105º. Такая структура обуславливает крайне неравномерное распределение зарядов в молекуле воды. Молекула воды является своеобразным диполем, один конец которого несет положительный заряд, а другой заряжен отрицательно. Таким образом, многие особенности воды объясняются наличием водородных связей (Скурлатов Ю. И. и др., 1994).

     В настоящее время проблема загрязнения  водных объектов (рек, озер, морей, грунтовых вод и т.д.) является наиболее актуальной, т.к. всем известно – выражение «вода - это жизнь». Без воды человек не может прожить более трех суток, но, даже понимая всю важность роли воды в его жизни, он все равно продолжает жестко эксплуатировать водные объекты, безвозвратно изменяя их естественный режим сбросами и отходами (Левин  А. С., 2006).

     Цель  работы: проанализировать геохимические особенности гидросферы.

     Задачи  работы:

     1. рассмотреть состав современной гидросферы;

     2. определить основные геохимические особенности гидросферы;

     3.       выявить причины изменения химического состава гидросферы.  
 
 
 
 
 
 

     Глава 1. Классификация и характеристика вод

       гидросферы 

     Водная  оболочка Земли - гидросфера (от греческого hydor-вода и sphaira - шар) расположена между атмосферой и твердой земной корой – литосферой. Она объединяет в себе моря и океаны, все водоемы в пределах суши: реки, ручьи, озера, болота и т.д., а также льды и снега полярных и горных областей, атмосферные воды и воды, содержащиеся в живых организмах. Эта оболочка во много раз тоньше атмосферы. В океанах ее толщина в основном находится в пределах 4-5 км, лишь в самых глубоких местах достигая 10 км или чуть более. Глубина водоемов на суше - всего лишь несколько метров, редко - десятки метров, а еще большей она бывает в совсем исключительных случаях. Но, несмотря на столь незначительные размеры, гидросфера играет важнейшую роль в формировании облика нашей планеты, в процессах, происходящих на ее поверхности (Шилов И. А., 2003).

     Большая часть поверхности нашей планеты  представляет собой водную оболочку (71% площади поверхности Земли  приходится на Мировой океан). Можно  сказать, что континенты как бы плавают в Мировом океане. Основные компоненты воды – водород и кислород. Гидросфера представляет собой прерывистую оболочку, образованную пресной, соленой и твердой водой. Она включает в себя океаны с морями и заливами, озера, воды рек и ручьев, грунтовые воды, а также снег и лед (Скурлатов Ю. И. и др., 1994).

     Наиболее  обводнена географическая оболочка, в которой вода является самым распространённым веществом. 97% (1 370 000 км3) общей массы воды в биосфере Земли сосредоточено в Мировом океане, средняя глубина которого около 3 800 м.. На долю пресной воды приходится всего 2%, причем лишь 0,025% (360 000 км³) пресной воды находится в жидком состоянии (в реках, озерах и других водоемах, почве), 1,6% - это лед, а 4% - подземные воды, большая часть которых представляет собой глубинные рассолы.

     В. И. Вернадский (1934) считал воду особым минералом и выделял 485 ее видов, при этом он отмечал, что общее количество ее видов превышает 1500. Все воды он разделил на 3 подгруппы:

       1) твердую воду (льды);

      2) газообразную (надземные и подземные пары);

      3) жидкую.

     Среди жидких вод им были выделены классы пресных, соленых и рассольных вод. По физико-геологическим параметрам и характеру водовместилищ им были выделены царства, под царства и семейства вод:

     Царства: поверхностных, подземных и глубинных вод.

     Семейства: озерных, болотных, пластовых и др. вод.

     По  газовому составу: кислородные, углекислые, метановые, азотные, сероводородные, водородные воды и т.д.

     Поверхностная гидросфера суши включает в качестве основных элементов реки, озера, болота, ледники и снежный покров. Наиболее важным элементом являются реки - непрерывно действующие водотоки, собирающие атмосферные осадки и подземные воды с обширных территорий, называемых водосборными бассейнами. Для каждой реки в течение года характерно чередование паводков (половодий) и низкого уровня воды (межени). Количество воды во время половодий увеличивается в 5-20 раз и более по сравнению с меженью, а в особо многоводные годы - до 80-100 раз (Мейсон Б., 1970).

     Время проявления половодья и его сроки  зависят от питания рек. В реках  с преимущественно снеговым питанием половодье приходится на весенний период, с дождевым питанием - на летний. Своеобразный режим наблюдается в реках  смешанного питания (ледникового и дождевого), где время половодий растягивается до полугода и где максимумы приходятся на летние месяцы (Скурлатов Ю. И. и др., 1994).

     Важными характеристиками рек являются величины поверхностного руслового стока  и расхода воды. Под русловым стоком понимают количество воды, переносимое речным потоком через его поперечное сечение за некоторый период времени, под расходом - количество воды, переносимое потоком через его поперечное сечение за единицу времени. Также выделяют и твердый сток реки - количество перемещаемых твердых и растворенных веществ, проносимых рекой через любое поперечное сечение за определенный промежуток времени (Израэль Ю. А., 1984).

     Величина  твердого стока крупных рек в  некоторых случаях соизмерима с русловым стоком и измеряется десятками млн. т в год. Разные реки приносят к своему устью неодинаковый материал. Реки, имеющие на всем своем протяжении горный характер и впадающие в море или озеро, могут приносить гальку разной величины (Скурлатов Ю. И. и др., 1994).

     Большие равнинные реки, даже если их истоки находятся в горах, перетирают на своем длинном пути по равнине всю гальку и доносят до устья только песок или даже ил в виде взвешенной мути. Участки низменной суши, образовавшиеся из речных отложений у береговой линии моря (или озера) в устьевой части рек, называют дельтами (Крайнов С. Р., 2005).

     Основные гидрологические характеристики рек России приведены в Прил. 1. (табл.1). К наиболее крупным речным системам относятся реки Лена, Енисей, Волга и Обь, среднемноголетний расход воды в которых колеблется от почти 8000 до 18 600 м³/с, а величина стока оценивается в 238-489 км³/год.

     Воды  рек являются главными источниками  для питьевого и промышленного  водоснабжения, орошения земель, получения  гидроэлектроэнергии, местами вылова и разведения рыб (Скурлатов Ю. И. и др., 1994).

     Озера - впадины рельефа, заполненные застойной или слабопроточной водой, не имеющие прямой связи с Мировым океаном. Они занимают свыше 2 % площади суши. Крупнейшими озерами являются Каспийское (море), Верхнее в Северной Америке, Виктория в Африке, Аральское в Азии.

    Основные  характеристики наиболее крупных озер России приведены в табл. 1. 
 

    Таблица 1

    Наиболее  крупные озёра  России

    (Воронков  Н. А., 1999) 

     На  поверхности Земли озера распространены неравномерно. Наибольшее их количество сосредоточено в областях плейстоценового оледенения (озера Фенно-Скандинавского полуострова, севера США и Канады). Они могут находиться во всех природных зонах как на низменностях, так и в горах. К наиболее высокогорному из крупных озер относится озеро Титикака в Андах (3812 м над уровнем моря), а самое низкое - Мертвое море на Аравийском полуострове, поверхность которого располагается ниже уровня моря на отметке -395 м. Глубина озер измеряется десятками и сотнями метров. Самое глубокое озеро Байкал имеет глубину 1741 м. (Воронков Н. А., 1999).

     Озерные впадины создаются природными (экзогенными и эндогенными) и техногенными причинами. Среди эндогенных озер выделяют группы вулканических, сейсмогенных и тектоногенных котловин. Вулканогенная группа включает кратерные, кальдерные, фумарольно-гейзеровые, лавово-плотинные и лахарово-плотинные типы. Например, крупнейшее на Кавказе озеро Севан относится к лавово-плотинному типу.

     К сейсмогенной группе относятся обвально-плотинные  озера, являющиеся следствием сильных землетрясений. Например, обвально-плотинное Сарезское озеро в горном Бадахшане на Памире, образование которого вызвано землетрясением в 1911 г (Воронков Н. А., 1999).

     К техногенным озерам относят водохранилища, создаваемые на наиболее крупных реках и осуществляющие многолетнее регулирование речного стока. Основные показатели наиболее крупных водохранилищ России приведены в табл. 2. Наиболее крупным из них является Братское водохранилище на Ангаре.

     Таблица 2

     Основные  показатели наиболее крупных водохранилищ России

     (Воронков  Н. А., 1999)

     Болота  - избыточно увлажненные участки суши, заросшие специфической растительностью. Болота на Земле покрывают площади около 2 млн. км², встречаясь в областях с влажным гумидным климатом, в которых зеркало грунтовых вод занимает приповерхностное положение. По местоположению и условиям водного питания различают верховые, промежуточные, низинные и приморские болота. Верховые болота располагаются на водоразделах, речных террасах и склонах возвышенностей. Подпитываются они атмосферными водами. Болота промежуточного типа имеют двойное питание: атмосферное и подземными водами. Низинные болота располагаются в котловинах, часто на месте озер. Питание их осуществляется подземными и текучими водами. Приморские болота распространены на морских побережьях с влажным климатом. Питание их атмосферное. Во время приливов площадь таких болот может покрываться водой (Балашов Л. С., 2008).

     Болота  играют важную роль в формировании гидрологического режима рек. Являясь стабильным источником питания рек, они регулируют половодья, растягивая их во времени, что способствует естественному самоочищению речных вод.

     На  территории России болота и заболоченные территории занимают свыше 10 % площади, аккумулируя огромные массы воды. Основные болотные массивы сосредоточены  на северо-западе и  севере европейской части, а также на севере Западной Сибири. Площади болот колеблются от нескольких гектаров до десятков квадратных километров (Воронков Н. А., 1999).

     Ледники образуются на поверхности Земли в областях с низкими среднегодовыми температурами в результате накопления значительных масс снега. Они развиты почти во всех высокогорных сооружениях, в Антарктиде и на многих полярных островах. На всех материках мира они занимают около 11 % поверхности суши. Общий объем заключенного в них льда составляет около 30 млн. км³. Высотное положение их зависит от климата. Наиболее низкое положение они занимают в приполярных областях, опускаясь до уровня Мирового океана (Антарктида); наивысшее (до 5000-6000 м) - в горах приэкваториальной зоны (Романова Э. П., 2003).

     В зависимости от климата, рельефа  и соотношения областей питания  и стока выделяют горные (долинные, переметные, каровые, висячие), материковые (покровные) ледники и ледники промежуточного типа, сочетающие элементы горных и покровных ледников. Важнейшей особенностью ледников является способность их перемещаться в стороны от областей питания в результате вязкопластичного течения и под влиянием силы тяжести. Скорости движения различны и непостоянны во времени. Горные ледники Альп движутся со скоростью 0,1-0,4 м/сут, Памира и Гималаев - до 2-4 м/сут. В отдельных случаях наблюдается катастрофическое увеличение скорости, достигающее 50-150 м/сут. Огромные площади (25 % всей суши земного шара) заняты почвенным льдом (многолетнемерзлыми горными породами) и относятся к криолитозоне (Щербина В. В., 1972).

     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)

     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).