Океан беспрестанно пополняется за счет стока воды с суши, который согласно данным М.И.Львовича (1986) равен примерно 44×103 м3/год[1]. Следовательно, меньше чем за 35 тыс. лет в океан поступит столько воды, сколько в нем находится в настоящее время. Динамическое постоянство объема океана поддерживается испарением и переносом через атмосферу в парообразном состоянии 44×103 км3/год воды, выпадающей на сушу в виде атмосферных осадков. Ниже приведен годовой водный баланс Земли (по М.И.Львовичу, 1986):
Элементы водного баланса Объем, км3
Дренируемая часть суши:
осадки.........................................................................106000
речной сток................................................................ 44230
испарение................................................................... 61 770
Бессточная часть суши:
осадки......................................................................... 7500
испарение................................................................... 7500
Мировой океан:
осадки.........................................................................411 600
приток речных вод..................................................... 44230
испарение...................................................................455 830
Земля в целом:
осадки.........................................................................525 100
испарение...................................................................525 100
Химический состав выпавших осадков при взаимодействии с растительностью и почвой изменяется под влиянием гумусовых кислот, метаболических выделений высших растений и почвенных микроорганизмов. Конечный продукт разрушения органического вещества — углекислый газ — хорошо растворяется в воде с образованием угольной кислоты. Все это усиливает растворяющую способность поверхностных вод по отношению к минеральному веществу земной коры. В то же время стекающая по поверхности суши вода захватывает частицы минерального вещества, преобразованного под влиянием жизнедеятельности организмов, и переносит их в форме взвеси. Таким образом, состав, как растворимых соединений, так и тонких взвесей в значительной мере обусловлен жизнедеятельностью организмов.
Растворимые соединения в речном стоке. Речные воды создают мощный геохимический поток, играющий важную роль в общепланетарном массообмене между Мировой сушей и Океаном. Мобилизация химических элементов, включающихся в водную миграцию, происходит в результате деятельности живых организмов. Речные воды следует рассматривать как сложные растворы, содержащие дисперсные взвеси и соединения, находящиеся в истинно растворимом состоянии.
В речных водах различают следующие главные формы химических элементов:
1) простые и комплексные ионы;
2) нейтральные молекулы (обе группы форм имеют размер 2 — 3 нм и менее);
3) коллоидные частицы (размер менее 0,1 мкм), состоящие из устойчивых гумусовых веществ, аморфных продуктов разрушения глинистых минералов и оксидов железа;
4) высокодисперсные частицы (размер от 0,1 до 1 — 2 мкм), состоящие преимущественно из глинистых минералов;
5) крупные взвешенные частицы (размер от 2 — 3 до 10 мкм), представленные обломочными минералами.
Минерализация воды и количество дисперсных взвесей (мутность) в разных реках сильно варьируют. В соответствии с данными геохимика Д. Ливингстона (1963), средняя минерализация рек Мира принята равной 120 мг/л. Исходя из этой цифры и объема годового речного стока в 44×1015 л/год, количество растворенных соединений, ежегодно выносимых с суши, составляет 5,3×102 т. Согласно данным А.П. Лисицина (1983), среднее содержание взвешенных дисперсных частиц в континентальном стоке равно 500 мг/л. Следовательно, вынос тонкодисперсного вещества всеми реками равен 22×109 т/год, т.е. в 4,2 раза больше, чем растворимых соединений.
Соотношение масс растворимых соединений и твердых взвесей в речном стоке в значительной мере зависит от характера растительности суши. Факты свидетельствуют, что на протяжении геологической истории это соотношение неоднократно менялось.
На основании этого французский почвовед Г. Эрар (1956) разработал теорию биорексистазии. Эпохи биостазии (биологического павновесия) характеризуются широким распространением устойчивых лесных фитоценозов, препятствующих механической эрозии почв, но способствующих вовлечению химических элементов в водную миграцию в растворимых формах. В эпохи рексистазии биологическое равновесие нарушается, и площадь лесов сильно сокращается. Вследствие этого активизируются денудационно-эро-зионные процессы и в речном стоке преобладают твердые взвеси.
В составе растворимых соединений в речных водах преобладают анионы [НСО3]-, [SO4]2-, Cl-. В варьирующих микроколичествах находятся все остальные элементы.
Известны многочисленные попытки объяснить концентрацию рассеянных химических элементов в природных водах с помощью теории ионных растворов, причем в качестве главного рассматривался один фактор: ионный потенциал либо концентрация водородных ионов (рН), либо окислительно-восстановительный потенциал. Р. Гаррелс и Ф. Маккензи (1971) для объяснения распределения элементов в природных водах использовали физико-химические расчеты исходя из модели: неразбавленный раствор — осадок. В этом случае нахождение элемента в растворе зависит от сочетания окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий, которые наглядно представлены на Eh — рН-диаграммах. Для процессов растворения — осаждения макрокомпонентов такой подход вполне приемлем, но для рассеянных элементов не всегда отвечает действительности. По этой причине наряду с попытками применить к природным водным растворам те или иные теории очень важно обобщить имеющиеся фактические данные.
В речных водах содержатся растворимые формы рассеянных элементов, не захваченные в биологический круговорот. Текучие воды на поверхности суши обычно имеют рН от 4,5 до 8,5. При таких значениях рН многие металлы (цинк, хром, медь, бериллий, свинец, кадмий, никель, кобальт и др.) могут находиться в растворенном состоянии, выпадать в осадок и вновь переходить в раствор. Но их фактическое содержание в природных водах так незначительно, что регулирующее действие рН не сказывается. Концентрация металлов в чистой воде часто ниже их содержания в растворах после осаждения гидроксидов. В отдельных случаях, когда образуются ничтожно малые количества нерастворимых гидроксидов металлов, они находятся в виде субколлоидных сгустков, которые не выпадают в осадок, а в состоянии разбавленных коллоидных растворов активно мигрируют. В то же время находящиеся в растворе элементы могут образовывать комплексные соединения с органическими веществами, сорбироваться гелями соединений макроэлементов (в первую очередь гидроксидами железа), высокодисперсными частицами глин и осаждаться в таких условиях, когда теоретически этого не должно быть.
Значительная часть рассеянных элементов присутствует в природных водах не в виде простых ионов, а в форме комплексных соединений. В этом случае устойчивость элемента в растворе сильно возрастает и не ограничивается теми кислотно-щелочными и окислительно-восстановительными условиями, в которых может находиться в растворе простой ион. Как показал В. В. Щербина (1972), образование неорганических комплексных соединений характерно для хрома, никеля, кобальта, меди, цинка, урана. При этом возникают соединения типа [Cu(NH3)2]+; [Cu(CO3)2]2-; [ZnQ3]-; [Zn(S04)2]2- и др.
Весьма важное значение для водной миграции имеют комплексные органические, особенно внутрикомлексные (хелатные) соединения металлов. В этих соединениях ион металла имеет ионную и координационную связи с отдельными функциональными группами внутри молекулы. Ионная связь осуществляется обычно группами СООН, ОН, NH2, SO3H, координационная связь — группами —NH2, NH—N=, =NOH—, -ОН, =С=О, =S=0, =S—. В комплексообразовании принимают участие аминокислоты, ароматические соединения (полифенолы), кислоты жирного ряда, гетероциклические соединения типа хинолина, гуминовые и фульвокислоты (Якушевская И.В., 1973). Устойчивость комплекса зависит от поляризуемости катиона-комплексообразователя и органического соединения, реакции среды и концентрации рассеянного металла. Обычно комплексы устойчивы в слабокислых и нейтральных водах, при сильном возрастании рН они разрушаются. Наибольшая устойчивость хелатных соединений соответствует низкой концентрации металла, увеличение концентрации приводит к их разрушению.
Растворимые комплексные органические соединения металлов распространены очень широко. На территории лесных ландшафтов с кислыми почвами эти соединения являются преобладающей формой растворенных металлов. С усилением засушливости и соответственным повышением рН почвенных растворов и поверхностных вод значение комплексов уменьшается, хотя и остается достаточно высоким.
Геохимические и биоклиматические различия водосборных площадей и разнообразие форм рассеянных элементов обусловливают сильную вариацию их концентраций в речных водах. Поэтому определение величины средней концентрации в водах суши более условно, чем в воде океана.
Наиболее обоснованные данные, полученные А.П.Виноградовым (1967), А.П. Лисициным (1978), Э. Голдбергом (1965), Х. Боуэном (1966), К. Турекианом (1969) использованы для расчетов, приведенных в табл. 4.3.
Несмотря на то, что общая минерализация пресных речных вод значительно меньше соленых морских, глобальный вынос рассеянных элементов в растворенном состоянии весьма значителен. Для фтора, стронция, железа, алюминия он равен миллионам тонн, для кальция, натрия, магния, сульфатной серы, хлора, кремния — сотням миллионов тонн, для калия — десяткам миллионов тонн, для брома, йода, бора, а также цинка, марганца и меди сотням тысяч тонн в год. Большая часть рассеянных элементов удаляется с суши в количестве десятков тысяч тонн в год. Лишь отдельные элементы выносятся в меньшем количестве.
Таблица 4.3
Содержание растворимых форм химических элементов в речных водах и интенсивность их вовлечения в водную миграцию
| Химический элемент и ион | Средняя концентрация | Глобальный вынос с речным стоком, тыс т/год | Коэффициент водной миграции | |
| в воде, мкт/л | в сумме солей, % | |||
| С1 | 5,33 | 313,0 | ||
| SO42- | 10,00 | 492 000 | — | |
| S | 3,30 | 82,5 | ||
| Соpr | 5,75 | 283 000 | — | |
| НСО3 | 488,75 | — | ||
| Скар6 | 11 508 | 9,58 | 471 828 | — |
| Са | 10,80 | 4,6 | ||
| Mg | 2,75 | 2,3 | ||
| Na | 3,75 | 1,7 | ||
| К | 1,25 | 0,5 | ||
| NCV | 0,83 | — | ||
| N | 0,19 | — | ||
| SiO2 | 10,9 | — | ||
| Si | 4,75 | 233 700 | 0,15 | |
| Fe | 0,558 | 0,15 | ||
| Al | 625×10-4 | 0,01 | ||
| Sr | 667×10-4 | 2,90 | ||
| P | 11,7×10-4 | 0,21 | ||
| F | 333×10~4 | 0,46 | ||
| Ba | 208,0×10-4 | 0,31 | ||
| Br | 167,0×10-4 | 76,0 | ||
| Zn | 167,0×10-4 | 3,27 | ||
| В | 150,0×10-4 | 15,0 | ||
| Mn | 83,0×10-4 | 0,12 | ||
| Сu | 58,0×10~4 | 2,64 | ||
| Ti | 33,0×10-4 | 0,01 | ||
| I | 25,0×10-4 | 50,0 | ||
| Zr | 2,5 | 21,0×10-4 | 0,12 | |
| As | 17,0×10~4 | 8,95 | ||
| N1 | 2,5 | 21,0×10-4 | 0,81 | |
| Li | 2,2 | 18,0×10~4 | 0,08 | |
| Rb | 1,8 | 15,0×10~4 | 0,08 | |
| V | 1,0 | 8,3×10~4 | 0,11 | |
| Cr | 1,0 | 8,3×10~4 | 0,24 | |
| Mo | 0,9 | 7,5×10-4 | 5,77 | |
| Pb | 8,3×10- 4 | 0,52 | ||
| Sb | 0,9 | 7,5×10~4 | 37,5 | |
| Sn | 0,5 | 4,2×10~4 | 1,56 | |
| U | 0,3 | 2,5×10-4 | 0,96 | |
| Co | 0,25 | 2,1×10~4 | 0,29 | |
| Ag | 0,2 | 1,7×10~4 | 8,2 | 35,42 |
| Cd | 0,2 | 1,7×10~4 | 8,2 | 10,63 |
| Ga | 0,09 | 0,75×10-4 | 3,7 | 0,04 |
| Hg | 0,07 | 0,58×10~4 | 2,9 | 17,58 |
| Th | 0,05 | 0,42×10-4 | 2,1 | 0,03 |
| Sc | 0,02 | 0,17×10~4 | 0,8 | 0,02 |
Интенсивность водной миграции химических элементов. Представление о выносе растворенных масс элементов должно быть дополнено оценкой степени интенсивности вовлечения их в водную миграцию. Б. Б. Полынов в 1933 г. показал, что интенсивность водной миграции элемента определяется не его содержанием в воде, а отношением содержания в воде и в дренируемой горной породе. А. И.Перельман (1974) предложил использовать коэффициент водной миграции КВ, который равен отношению концентраций элемента в сухом остатке воды и в породе. Оценивая интенсивность вовлечения элемента в водную миграцию в глобальном масштабе, необходимо рассчитать отношение среднего содержания в твердом остатке речных вод к кларку этого же элемента в гранитном слое континентов.
По интенсивности вовлечения в водную миграцию, характеризуемой Къ, элементы группируются следующим образом (в по-следовальности уменьшения числового значения КВ в каждом ряду):
n×102: С1
n×10: S, I, Br, Ag, Sb, Hg, В, Cd
n: As, Mo, Ca, Zn, Sr, Cu, Mg, Na, Sn
n×10-1: U, Ni, Pb, F, Co, Ba, Cr, P, Mn, Si, V, Zr
n×10-20: Ga, Th, Al, Ti, Sc
Миграция элементов в составе речных взвесей. Рассмотренные факты и выводы относятся к элементам, находящимся в растворенном состоянии. Иное соотношение химических элементов и их масс наблюдается в веществе, мигрирующем в речных водах во взвесях. Это объясняется тем, что масса взвесей в годовом стоке рек более чем вчетверо превышает массу растворимых соединений и что состав речных взвесей имеет специфические особенности.
Речные взвеси состоят преимущественно из высокодисперсных глинистых частиц, мелких обломков кварца и сгустков гидрокси-Дов железа. Концентрация большей части элементов (кремния, алюминия, железа и др.) во взвесях значительно выше, чем в сумме растворимых соединений в речной воде. В то же время для кальция характерно обратное соотношение.
А.П. Лисицин и его сотрудники показали, что основная масса Рассеянных элементов, переносимых речными водами, связана со взвесями. Как следует из данных, приведенных в табл. 4.4, во взвешенном веществе рек переносится: свыше 98 % массы элементов с очень низкими коэффициентами водной миграции КВ < 0,5) — алюминия, титана, галлия, свинца, тория, скандия; от 90 до 98 % массы элементов со значениями Къ от 0,05 до 0,9 — кремния, железа, марганца, фосфора, бария, циркония, рубидия, хрома, кобальта, никеля. Даже некоторые элементы, обладающие высокой интенсивностью водной миграции и значениями Кв от 1 до 10, мигрируют преимущественно не в растворенном состоянии. От 65 до 85 % массы магния, цинка, меди, молибдена, ежегодно выносимой реками с территории Мировой суши, переносится в формах, фиксированных на взвешенных частицах. Лишь для ограниченного числа элементов — азота, хлора, серы, кальция, натрия, брома — характерно преобладание масс водорастворимых соединений в речном стоке.
Таблица 4.4