5. Газы, растворенные в морской воде.
Кислород. Растворенный в морской воде кислород заимствуется из атмосферы на контакте воды с воздухом. Он образуется также при фотосинтезе морских растений. С другой стороны, кислород потребляется при дыхании живых организмов и при окислении различных веществ моря, главным образом органического детрита. Растворимость кислорода в морской воде зависит от температуры и солености; эта зависимость может быть выражена формулой Якобсона:
V(O2)= 10, 062-0, 2822-0, 006144t2-0, 000061t3-Cl(0, 1073-0, 003586t+0, 000055t2), Где V(O2) – растворимость кислорода в 1 см3на 1 л морской воды при нормальных температуре и давлении в условиях равновесия воды и воздуха при нормальном давлении; Cl- хлорность; t– температура воды, оС. Интересно, что во всех океанах существует слой с минимальным содержанием кислорода, глубина которого меняется в зависимости от географии. Однако Ричардс и Редфилд [1955] указывают, что слои с минимальным содержанием кислорода в океане наиболее часто приурочены к поверхности одной и той же плотности -st = 27, 2 / 27, 3.
Свердруп [1938] рассмотрел возможные причины равновесия между динамическим притоком и биохимическим потреблением в слое минимального содержания кислорода. Считал что, существование слоя с минимальным содержанием кислорода обусловлено главным образом биохимическим расходом кислорода и характером распределения в море органического вещества и сделал заключение, что важной причиной минимума кислородного содержания является существование в океане горизонта перерыва. Рейкстро [1947] определял скорости расхода кислорода в пробах воды, отобранных на поверхности, в слое с минимальным содержанием кислорода и в глубоководном слое. При этом начальная температура проб в течение длительного времени поддерживалась постоянной. Он установил, что расход кислорода за два года в воде слоя с минимальным содержанием, равно как и в воде глубоководного слоя, весьма незначителен. С другой стороны, поверхностная вода после небольшого выдерживания приобрела ту же концентрацию кислорода, что и пробы воды из слоя с минимальным содержанием кислорода. Рейкстро высказал предположение, что органическое вещество в вертикальной колонне воды, по крайней мере до слоя с минимальным содержанием кислорода, поступает с ее собственной площади поверхности и этим объясняется дефицит кислорода.
Мияки и Сарухаши [1956] исследовав причины вертикальной миграции в море растворенного кислорода, пришли к выводы, что дефицит кислорода тесно связан с увеличением содержания в морской воде углекислоты и с локально протекающим окислительным разложением органического вещества.
Первое исследование изотопного состава растворенного в морской воде воздушного кислорода было проведено Рейкстро, Раддом и Доулом.
Результаты масс-спектрометрических определений показали, что между величиной отношения О18/О16и количеством кислорода, растворенного в морской воде на разной глубине, существует значительное расхождение отрицательного знака. Использовав в качестве стандарта отношение О18/О16в воздухе (0, 2039%), удалось установить, что разница между процентным содержанием О18 и таковым воздуха с глубиной постепенно возрастает, достигая максимума в +0, 006% в слое с минимальным содержанием кислорода, располагающемся на глубине около 700 м. После прохождения слоя с минимальным содержанием кислородаdснова уменьшается, падая на глубине 2870 м примерно до +0, 001%. Доул [1952] установил, что кислород, освобождающийся при фотосинтезе, имеет более низкую величину отношения О18/О16, чем атмосферный кислород; по его данным, фактор фракционирования равен 0, 983. Это должно приводить к уменьшению относительного количества О18в растворенном в морской воде кислороде, так как этот кислород частично производится фитопланктоном.
С другой стороны, кислород в морской воде поглощается при дыхании живых организмов, при бактериальных процессах, при окислении органического детрита и т. д. ; при этом легкий изотоп кислорода поглощается избирательно. Вследствие этого следует ожидать, что находящийся в воде остаточный кислород по сравнению с воздухом должен быть относительно обогащен О18. По данным определений Доула [1954], фактор фракционирования изотопов кислорода при процессах поглощения кислорода, растворенного в морской воде, равен 0, 991. Необходимо отметить, что азот в газе, растворенном в воде океана, так же как и атмосферный азот, имеет нормальный изотопный состав. Азот и редкие газы. Растворимость азота в морской воде описывается следующей формулой Фокса: V(N2)=18, 639-0, 4304t / 0, 00745t2-0, 0000549t3-Cl(0, 2172-0, 00718t+0, 0000952t2). Результаты определений показывают, что содержание растворенного азота, а также аргона, неона и гелия, в отличие от кислорода мало изменяется с глубиной и всегда близко к насыщению.
В таблице 5 приведен пример данных о вертикальных вариациях содержания растворенных в воде неона и гелия в Атлантическом океане.
Таблица 5. Вариации содержания в морской воде растворенных неона и гелия (Rakestraw и др. , 1939).
Атлантический океан (35о55’ с. ш. и 67о39’ з. д. ), апрель
Глубина, м
Температура, оС
Содержание кислорода, см3/л
Содержание He+Ne
10-5 см3/л
0
5
25
62
166
333
622
912
1772
2959
18, 28
18, 31
17, 97
17, 93
17, 92
17, 63
15, 62
9, 55
3, 86
3, 16
5, 14
5, 15
5, 05
5, 17
5, 15
4, 90
4, 10
3, 60
5, 88
6, 15
18, 5
14, 1
15, 2
15, 2
15, 2
15, 6
15, 9
15, 9
16, 5
17, 8
6. Электрохимические процессы в океане
Поскольку морская вода представляет собой электролит, то естественно, что в океане протекают разнообразные электрохимические процессы.
Морская вода является проводником электричества, поэтому при ее движении через магнитное поле Земли в соответствии с законом электроиндукции возникает э. д. с. Зависимость между разницей потенциалов и скоростью течения воды в океане имеет следующий вид:
С2j=H rot u,
где Н –интенсивность магнитного поля Земли; u -скорость течения; j - разница потенциалов. Электрические токи в океане, вызванные совместным действием земного магнетизма и движения воды, могут влиять на многие подводные вопросы. Например, подводный кабель, проложенный по дну узкого пролива с сильными приливно-отливными течениями, будет очень быстро корродироваться. В настоящее время получено подтверждение предположения автора о том, что коррозия начинается под воздействием электрического тока, изменяющегося в зависимости от приливного течения; коррозия ускоряется под воздействием вторичной поляризации, возникающей на корродированной поверхности кабеля.
Другое электрохимическое явление океана заключается в возникновении концентрационных ячеек. Разность потенциаловЕ определяется по формуле: Где С1 и С2 – концентрации известных ионов. В открытом океане величина отношения С1/С2 близка к 1, и поэтому здесь трудно ожидать возникновения большой разницы потенциалов.
Более того, ввиду присутствия в воде растворенного кислорода, часто обладающего значительным градиентом концентрации, наблюдается значительный окислительно-восстановительный потенциал. Если на борту корабля поместить каломелевый полуэлемент, а в воду погрузить платиновый электрод, то можно легко измерить разность потенциалов между электродами, изменяющуюся с глубиной в зависимости от содержания кислорода.
Номура [1941] установил, что в мелководной зоне моря между придонным и верхним слоями воды может возникать значительная разность потенциалов, достигающая иногда 0, 4в. в пресной и солоноватой воде, когда буферные реакции слабы, окислительно-восстановительный потенциал близок величине рН. Гольдберг [1954] считает, что в основе образования марганцевых конкреций, встречаемых в глубоководной зоне лежит электрохимический процесс аккумуляции марганца и железа.
Последние исследования глубоководной зоны установили, что морская вода испытывает перемещения даже близ самого дна. Вследствие этого верхняя часть дна океана будет служить электродом. Если подводные перемещения воды связывать с приливными движениями, то дно–электрод должно попеременно приобретать разную полярность. Соли окиси марганца в морской воде, имеющие отрицательный заряд, будут осаждаться вследствие электрофореза при положительном заряде электрода, а железо бдут осаждаться при приобретении электродом отрицательного заряда. Если полярность электрода изменяется через одинаково равные промежутки времени, то в конкрециях будет аккумулироваться равное количество железа и марганца.
7. Обмен двуокисью углерода между атмосферой и океаном
Атмосферный воздух в среднем содержит 0, 03 об % углекислоты. Общее содержание двуокиси углерода в атмосфере оценивается в 0, 0233 х 1020 г. В океане двуокись углерода присутствует в виде Н2СО3, НСО-3, СО2-3, органического вещества; общее ее содержание оценивается в 1, 4 х 1020 г, что примерно в 60 раз превосходит ее количество в атмосфере. По расчетным данным наибольшее количество углекислоты производится живыми организмами, в то же время предполагается, что количество углекислоты, расходующееся при эрозии и седиментации, сопровождаемых преобразованием силикатов в карбонаты, приблизительно равно ее количеству, поступающему за счет вулканической деятельности, деятельности фумарол, горячих источников и т. п. Количество углерода, содержащегося в организмах, будучи выражено через СО2, составляет около 0, 145 х 1020 г, что в 6 или 7 раз превышает содержание СО2в атмосфере. Как указывал В. И. Вернадский, организмы являются важным звеном в геохимическом цикле углерода.
Другой важный момент заключается в том, что в океане в растворенном состоянии также находится колоссальное количество углекислоты. Средняя общая концентрация СО2в морской воде составляет 2, 3 миллимоля/л. У поверхности моря, где вода соприкасается с воздухом, наблюдается тенденция к установлению одинакового парциального давления СО2 в атмосфере и в морской воде. Таким образом, океаном может контролироваться содержание СО2 в атмосфере. Эта идея впервые была высказана Шлезингом еще в XIX столетии. Как будет сказано ниже, скорость обмена молекулами углекислоты между морской водой и атмосферой может быть легко установлена на основании имеющихся определений радиоуглеродного возраста морских осадков и организмов. Величина отношения С13/С12в морских карбонатах примерно на 2, 5% выше этой величины у наземной флоры. Соответственно фактор обогащения С14 в них два раза больше, чем фактор обогащения С13. С учетом влияния эффекта изотопного фракционирования концентрация С14в морских материалах, пониженная относительно его концентрации в стандартах, должна быть целиком отнесена за счет радиоактивного распада, по которому может быть определен абсолютный возраст вещества.
Крэг [1954] установил, что хотя ожидаемая величина обогащения современных морских раковин С14 равна 5%; что соответствует 400 годам абсолютного возраста углерода в поверхностных водах океана. Крэг высказал предположение, что это, возможно, результат медленного обмена двуокисью углерода, между океаном и атмосферой.
По данным Зюсса [1954, 1955], средний радиоуглеродный возраст морских организмов (по пробам из Атлантического океана) составляет 430 лет. Распределение двуокиси углерода в океане. В свежей воде угольная кислота диссоциирует следующим образом: Где К1 и К2 –соответственно первая и вторая константы дисоциации, величина которых изменяется в зависимости от температуры, солености и хлорности воды. При 20о С К1=4, 15 х 10-7, рК1=6, 38 и К2= 4, 20 х 10-11, рК2=10, 38. Скорость обмена двуокиси углерода между атмосферой и океаном. В связи с возможным накоплением двуокиси углерода в результате сжигания больших количеств ископаемого топлива значительное внимание уделяется вопросам о распределении углекислоты на Земле в целом и о скорости обмена двуокисью углерода между воздухом и морской водой. Если количество атмосферной двуокиси углерода действительно увеличивается, то должно происходить и повышение температуры воздуха, обусловленное абсорбцией инфракрасного излучения, что должно повлечь за собой существенные изменения в климате Земли. Такая возможность в значительной степени будет зависеть от скорость обмена углекислотой между атмосферой и гидросферой.
Исходя из наблюдений за поведением С14в атмосфере и океане Ревель и Зюсс [1957] оценивают время пребывания углекислоты в атмосфере 14-30 лет.
Определение парционального давления углекислоты в воздухе и в поверхностных водах Атлантического океана Такахаши [1959] установили, что концентрация двуокиси углерода в воздухе непосредственно над поверхностью моря довольно постоянна, в среднем около 317, 4 ррm, и что океан абсорбирует углекислоту всей площадью своей поверхности. По данным Такахаши, средняя концентрация углекислоты в атмосферном воздухе 320, 8 ррm.
8. Определение палеотемператур древних морей.
Шкала палеотемператур по соотношению изотопов кислорода в органическом кальците.
Юри и его сотрудники [1951] предложили интересный метод определения температур древних морей, основанный на зависимости изотопного состава кислорода воды и карбонатных ионов от температуры. В проводившихся ими исследованиях определялось процентное содержание тяжелого изотопа О18в материале карбонатных ископаемых останков древних морей, которые образовались за счет отмирания обитавших в них живых организмов.
По данным Сиборга и Перльмана [1948] изотопы кислорода имеют следующую относительную распространенность: О16 – 99, 757, О17 – 0, 039, О18 – 0, 204. Эти величины могут колебаться, отклоняясь максимум на 4%. Механизм изотпоного фракционирования при равновесном обмене был исследован Юри и Грифом [1935], Юри [1947] и другими исследователями. Значительное количество данных получено относительно обмена дейтерия и протия.
Для реакции обмена изотопов кислорода между карбонатными ионами (СО2-3) и молекулами воды (Н2О) фактор фракционирования может быть определен по уравнению:
Где величина a приблизительно равна константе равновесия К следующей реакции обмена: (1. 18)
Таким образом, рассчитав К для реакции 1, 17 можно получить фактор фракционированияa и его вариации в зависимости от температуры. Расчетами установлено, что фракционирование протекает более эффективно при низких температурах и величина фактора фракционирования от 0 до 25оС изменяется на 0, 44%, т. е. 0, 176% на 1оС. Поэтому определяя концентрацию О18, можно узнать температуру воды. Путем определения содержания О18в раковинах морских животных, живущих при известной температуре, Эпштейн, Бухсбаум, Лоуенстем и Юри [1953] установили следующие зависимость между температурой и девиациями содержания О18.
t=16, 5-4, 3d+0, 14d2,
d - в уравнении 1. 18. определяется по формуле:
где R – отношение числа молекул С16О18О к числу молекул С16О2в пробе и стандарте. В качестве стандарта карбоната использовался белемнит из формации Пиди.
Относительное содержание в морской воде О18. Для точного определения температуры по кислородной шкале необходимо знать соленость воды, так как относительное содержание О18в морской воде сильно варьирует в зависимости от ее солености. Поскольку давление водяных паров, состоящих из Н2О16 на 0, 8 и 1, 1%, выше такового Н2О18 при 25 и 0оС соответственно, то содержание О18в воде океанов должно существенно зависеть от процессов испарения и конденсации.
Эпштейн и Майеда [1953] определяли содержание О18на 93 пробах морской воды и 7 пробах пресной воды. У поверхностных вод океана девиация содержания О18 варьирует примерно от –3, 3 до 3, 5%о. Средняя величина dдля морской воды с глубины от 500 до 2000 м со средней соленостью 34, 7%о оказалась (-0, 04)-(+0, 1)%о. Пониженная величина отношения О18/О16наблюдается в поверхностных морских водах, для которых возможна контаминация талых вод льдов. С другой стороны, в морской воде, разбавленной водой иного происхождения, чем вода, возникающая при таянии льда и снега, дефицит О18меньше, так как пресная вода, возникающая при таянии снега, имеет существенно пониженное содержание О18. Поэтому морская вода примерно одинаковой солености может проявлять различное относительное содержание О18. Интересно, что морская вода с глубин более 1000 м при той же солености содержит меньшее количество О18.
В таблице 6 приведены данные Эмилиани [1965] о среднем изотопном составе кислорода гидросферы.
Таблица 6. Изотопный состав кислорода гидросферы d, %о.
Гидросфера
Занимаемый объем в виде Н2О при нормальных температуре и давлении, 106 км3 Средний изотопный состав кислорода d, %о
Океан
Лед (rср=0, 88)
Пресная вода
Водяные пары
1360, 0
16, 5
0, 5
0, 01
0
-25
-7
(-7)-(-16)
Палеотемпературы морей. Описанным выше методом Юри и его сотрудники [1951], используя в качестве проб белемниты, попытались определить палеотемпературы морской воды верхнемелового периода.
9. Радиоактивные элементы в морской воде и глубоководных осадках. Заметная концентрация радия в глубоководных осадках впервые была установлена Джоли [1908], проведшим определения содержания радия в пробах донных осадков, собранных экспедицией Челленджера. С тех пор уже накоплено значительное количество данных о концентрации радия в глубоководных осадках. Получил подтверждение факт, что морские донные осадки с глубин более 2000м обычно содержат радия больше, чем гранитоидные породы суши. Повышенная концентрация радия особенно заметна в красных глинах. (Табл. 7).
Таблица 7. Содержание радия в континентальных породах и морских донных осадках, 10-12 г Ra/л
Континентальные породы
Глубоководные осадки
Граниты
Базальты
Осадочные породы
0, 2-0, 5
0, 1-1, 0
0, 05-0, 5
Красная глина
Глобигериновый ил
Голубая грязь
3-22
3-7
1-3
Как видно из данных таблицы 7 наибольшее содержание радия среди континентальных пород наблюдается в гранитах; однако глубоководные осадки содержат радия гораздо больше. Что касается механизма концентрации радия в глубоководных осадках, то, согласно имеющемуся объяснению, ионий, являющийся изотопом тория и родителем радия, осаждается в них вместе с гидроокисью железа. Частично концентрация радия может быть связана с аккумуляцией в осадках самого радия; вместе с тем считается, что осаждение урана из морской воды значительно меньше.
Имеется ряд аналитических данных о содержании радия в морской воде. Эванс и другие [1938] провели определение среднего содержания радия в сложной пробе морской воды и установили, что оно равно 0, 08 х 10-12 г/л, а среднее содержание урана в морской воде составляет 1, 5 х 10-6 г\л. В отношении аккумуляции радия в глубоководных осадках Хамагуши [1939] высказал предположение, что радий осаждается вместе с коллоидальными частицами гидроокиси и окиси железа и марганца. Его предположение подтверждается концентрацией марганца и железа в глубоководных осадках.
Длительность периода со времени начала генерации ионием радия до времени образования максимального количества радия по расчетам составляет около 10 000 лет.
По Крелю, на распределение радия в осадках в основном влияют колебания в скорости осаждения иония, вариации общей скорости седиментации, а также диффузия и адсорбция в осадках радия и иония. Крель получил примерную величину скорости осаждения иония около 1-20 мм/1000 лет, а содержание иония в океане составляет (3, 1/1) х 10-15 г/мл.
Холланд и Калп [1956] исследовали катионный обмен радия и иония на поверхности пелагических осадков, используя для иония (Th230) и радия (Ra236) в качестве трассеров радиоторий (Th238) и торий-Х (Ra224). Полученные результаты показали, что количества абсорбированного осадками иония и радия сопоставимо с наблюдаемым в современных глубоководных осадках. Этот факт свидетельствует о том, что одними из механизмов извлечения иония и радия из воды океана являются адсорбция и базовый обмен.
Аррениус, Брамле и Пиччиотто [1957] изучили распределение a-активности в глубоководных осадках севера экваториальной части Тихого океана. Полученные ими результаты свидетельствуют о том, что около половиныa-активности связано с фрагментами и обломками скелетных костей рыб, экскрементами животных зоны бентоса и мелкими (, 1 мк) высокопреломляющими кристаллами (вероятно, барит); другая половина, внутри пор осадков. Пятна с высокойa-активностью, наблюдаемые у обломков костей рыб, обычно связываются с изотопами тория и их производными.
Пиччиотто и Вилгейм [1954] предложили новый хронологический метод, основывающийся на отношении иония и тория (Th230/Th232). Так как ионий или Th230, имеет период полураспада гораздо больше (1, 4 х 1010лет), то можно определить абсолютный возраст, если в пробе глубоководного осадка не содержится детритовый материал. По их данным содержание иония в морской воде менее 2 х 10-13 г Io/л.
Заключение
В заключении я хотела бы затронуть, являющуюся для меня наиболее интересной проблему баланса гидросферы и атмосферы по содержанию в них СО2:
Содержание СО2, 1020 г
Атмосфера
Океан и проточные воды
Живые организмы и неразложившееся органическое вещество
Осадочные породы (включая интерстиционную воду):
Карбонаты
Органический углерод
Уголь и нефть
0, 0233
1, 30
0, 145
670
250
0, 27
1, 47
920
Как мы видим из данных указанных выше углерод, некогда находившийся в первичных гидросфере и атмосфере, в настоящее время связан в осадочных породах, и количество его примерно в 600 раз превосходит содержание углерода в современных атмосфере и океане. Но если бы всего 1% углерода существующих осадочных пород вдруг перешел бы обратно в гидросферу и атмосферу, то многие современные морские организмы перестали бы существовать. С другой стороны, судя по скорости современного осадконакопления, не будь постоянного поступления новых количеств СО2, в гидросфере и атмосфере через несколько сотен лет наступила бы нехватка углекислоты. В этом случае вместо кальцита (СаСО3) главным компонентом морских осадков стал бы брусит Mg(OH)2. Однако в геологической истории прошлого отсутствуют признаки резкого вымирания большого количества морских организмов или осаждения Mg(OH)2. Поэтому весьма вероятно, что в течение всех геологических периодов баланс компонентов гидросферы и атмосферы был в значительной степени сходен с современными обуславливался постоянным регулярным поступлением СО2 без резких колебаний его содержания. Список использованной литературы
Я. Мияки. Основы геохимии. Л. :Недра, 1969 г.
А. И. Перльман. Геохимия. М. : Высшая школа, 1989г.
Страницы: 1, 2
