Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Микроэлементы. В формировании физико-химического состава и свойств морской воды участвуют и микроэлементы. Они находятся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. К микроэлементам относятся химические элементы, концентрации которых не превышают 1 мг/л. В морской воде присутствуют практически все элементы таблицы Менделеева, но только содержание 60 из них определено более или менее достоверно. Суммарное количество всех микроэлементов в 1 кг морской воды не более 3 мг, это только 0,01% от общего количества находящихся в ней солей. Тем не менее, доля каждого элемента во всем объеме морской воды составляет огромную величину. Например, в полном объеме морской воды, равном 1,37.109 км3, масса растворенного золота оценивается 2,8.107 тонны при ее концентрации 2.10-5 мг/кг воды. Из 60 определяемых микроэлементов только 36 из них имеют концентрацию в морской воде выше 10-4 мкг-ат/л. Остальные микроэлементы определяются лишь в виде трудно уловимых следов.
К наиболее распространенным относятся Si, N, Li, P, Rb; их содержание колеблется от 104 до 1,4 мкг-ат/л. Как было показано выше, Si, N, P играют важную роль в биологических процессах, а Li, Rb и Si входят в группу подвижных микроэлементов и встречаются во всех компонентах вещественного состава /49/.
Концентрации химических элементов Ba, I, Al, Fe, Zn и Мо в морской воде варьируют от 0,47 до 0,1 мкг-ат/л. Так же как и другие, эти микроэлементы участвуют во многих процессах созидания и разрушения органических и минеральных веществ. Элементы Al, Fe и Zn относятся к группе малоподвижных, а Ва и Мо – к группе высокоподвижных элементов. Установлено, что чем большая часть общего содержания элемента находится в растворе, тем выше его подвижность.
Содержание Cu, As, V, Mn, Ni, Тi и U на порядок меньше концентрации вышеописанных элементов, оно колеблется от 0,047 до 0,013 мкг-ат/л. Эти элементы обладают разным уровнем подвижности, имеют большое значение в диагенетических процессах в донных отложениях. С участием некоторых элементов из этой группы возникают характерные новообразования в виде Fe-Mn конкреций с тем или иным содержанием Ni, Cu, Co. Такие элементы как Cu, Mn и Fe играют важную роль в биологических процессах, ускоряют или ограничивают развитие некоторых видов морских организмов.
Еще более низкими концентрациями в пределах 0,0067-0,0017 мкг-ат/л харак-теризуются Sn, Se, Cs, Y, Sb и Со. Их подвижность в морской воде неодинакова. Например, она в несколько раз выше у Sb по сравнению с Со. Элементы этой группы имеют тесную связь с морскими организмами.
Химические элементы Cr, Cd, Sc, Ge, W, Ga, Ag, Pb, Hg, Nb и Au составляют группу, отличающуюся очень низкими концентрациями от 0,00096 до менее 0,0004 мкг-ат/л и с разной степенью подвижности.
В ничтожно малых количествах в морской воде присутствует радий. Его содержание оценивается величиной всего около 3,5.10-10 мкг-ат/л /27,49/.
В океанологической практике изучаются микроэлементы, находящиеся в раст-воренном и взвешенном состоянии. В первом случае определяется нахождение микроэле-ментов в ионной форме, в составе неорганических комплексов с основными анионами, т.е. с хлоридами, сульфатами, карбонатами и гидроокисями, в составе органических комплексов с растворенными органическими веществами.
Взвешенная форма нахождения микроэлементов свойственна силикатным минеральным частицам, например, глинистым и обломочным минералам, в решетку которых встраиваются те или иные элементы. Микроэлементы входят также в состав обломков панцирей, скелетов и раковин организмов и неразложившихся остатков их мягких тканей.
Выделяется также гидрогенная форма, основу ее составляют микроэлементы в виде металлов, адсорбированных на взвешенных минеральных и органических частицах, а также в виде пленок гидроокисей Fe и Mn на отдельных частицах планктона неопределенного состава и происхождения. С гидрогенной формой связаны наиболее подвижные микроэлементы.
Распределение микроэлементов в морской воде подвержено существенным колебаниям. В водах шельфовых зон их концентрации выше, чем в водах открытых частей морей и океанов. Воды морей богаче микроэлементами, чем океанские воды. Основными источниками и поставщиками в моря и океаны являются растворы и взвешенные частицы, выносимые с суши речными, подземными и ледовыми потоками, высвобождающимися из пород при донной и береговой абразии, приносимые ветром и образующиеся в результате наземного и подводного вулканизма. Какая-то часть микроэлементов поступает и биогенным путем за счет жизнедеятельности организмов.
Распределение микроэлементов по разрезу водной толщи также не имеет строгой закономерности.
Для поверхностного слоя характерна широтная зональность в распределении микроэлементов. В первую очередь это относится к Si, Al и Fe. Такие элементы как Ва, Sr, Rb, U, Cs, Sb, Li, Mo по разрезу водной толщи распределяются более или менее равномерно. При этом микроэлементы в растворенной форме распределяются в воде без изменения своих концентраций. Микроэлементы во взвешенной форме отличаются хаотичным распределением: в наиболее высоких концентрациях они встречаются в воде фотического слоя; в глубинных и придонных водах их, как правило, очень мало. В целом же распределение микроэлементов в морской воде теснейшим образом связано с биологической структурой, контролируется гидродинамическим режимом, позицией и орографической выраженностью геоморфолого-тектонических зон донного рельефа. Именно эти условия определяют интенсивность поступления, механизмы и пути движения растворенного и взвешенного материала, а с ними и микроэлементов в водной толще.
Радиоактивные элементы и радиоактивность морской воды. Под радиоактивностью морской воды следует понимать содержание в ней некоторых природных и искусственных радионуклидов, обладающих свойством спонтанно превращаться из изотопов одного химического вида в изотопы другого элемента. Так как свойства изотопа не зависят от способа его образования, то радиоактивность природных изотопов ничем не отличается от радиоактивности изотопа, полученного искусственным путем.
В морской воде растворены все химические элементы, в том числе и радиоактивные. Радиоактивные элементы находятся в равновесии как с химическими элементами, так и между собой. В настоящее время выявлено около 1300 изотопов, образовавшихся естественным или искусственным. Многие из них активно участвуют в природных явлениях или в процессах, создающихся в результате деятельности человека.
Морская вода обладает природной радиоактивностью. По подсчетам биологов, широко и многосторонне исследующих влияние радиоактивности на морские организмы, общая радиоактивность вод Мирового океана составляет не менее 500х109 кюрих) В 1 литре морской воды находятся вещества, радиоактивность которых составляет 3,0-3,5х10-10 кюри. Приблизительно такими же ничтожно малыми концентрациями в воде и живых организмах представлены отдельные изотопы. Например, радиоактивного 40К в воде содержится 3,3х10-10 кюри/литр. Содержание 90Sr в биомассе планктона северо-западной части Атлантического океана колеблется в пределах 1,63-3,23х10-10 кюри/кг сырого веса. В пробах планктона Гвинейского залива и северо-западного шельфа Африки радио-активность изменяется в пределах 1,33-8,37х10-8 кюри/кг и 1,26-8,62х10-8 кюри/кг соответственно. Повышенная величина радиоактивности в этих районах Атлантического океана, очевидно, связана с загрязнением морской воды продуктами материкового сноса /53/.
.------------------------------------------------------
х) (кюри – количество любого радиоактивного вещества, претерпевающее точно 3,7х1010 распадов в секунду или то же самое, что 37 миллиардов распадов в секунду /БСЭ/.
Приведенные цифры указывают на низкую в целом радиоактивность вод Мирового океана. На этом фоне было отмечено возрастание радиоактивности морской воды с глубиной.
В морской воде радиоактивность различных элементов неодинакова, хотя среди них есть и долгоживущие радиоэлементы. К последним относятся 232Th, 235U, 238U и искусственный 237Np, при превращении которых образуются ряды генетически связан-ных веществ, входящих в четыре радиоактивных семейства. Надо при этом отметить, что ныне на Земле отсутствует нептуниевый ряд; изотопы этого ряда получены искусственным путем.
Источником тория и урана служат горные породы континентов. При распаде эти элементы дают множество радиоактивных и нерадиоактивных веществ. Уран и торий служат мерой интенсивности разнообразных процессов в морской воде и донных отложениях. Их концентрации обусловлены не только привносом их с континентов, но еще и скоростью радиоактивного распада. Период их полураспада более 100 лет. В морской воде они находятся в радиоактивном равновесии с дочерними продуктами, например, с палладием Pd, свинцом Pb и др. Изотопы урана и тория в воде адсорбируются взвешенными минеральными и органическими частицами и коллоидами. Они встре- речаются в виде солей угольной кислоты, их концентрации обусловлены величинами рН и Eh.
Долгоживущими, но не образующими радиоактивные семейства, являются 40К, 87Rb, 115I, 138La, 147Sm, 187Re, 239Pu и др. Эти элементы характеризуются очень большими периодами полураспада – от 109 до1012 лет. Однако радиоактивность их крайне мала и она очень трудно обнаруживается, поскольку испускаемые ими β-лучи (у самария - α-лучи) обладают ничтожно малой энергией и являются слабо проникающими. При распаде радионуклидов этой группы образуются устойчивые дочерние продукты.
Изотопы рассматриваемой группы играют важную роль в изучении воды и донных отложений. Такие пары, как 40К-40Ar, 206Pb-207Pb, 87Rb-87Sr, 187Re-187Os широко используются при определении абсолютного возраста минералов, пород, отдельных физико-химических фаз и процессов. Например, при изучении морских карбонатов используется величина отношений 87Sr/86Sr и 88Sr/86Sr. Предполагается большое влияние радиоактивного фона, создающегося этими элементами, на биологические процессы. Очень широко в океанологической и геологической практике используются сведения о 40К и 87Rb. Содержание этих изотопов калия и рубидия пропорционально солености морской воды. Радиоактивность морской воды определяется в основном изотопом 40К, его лучи имеют гораздо большую, по сравнению с другими, энергию. 40К – один из наиболее распространенных радионуклидов в морской воде. При распаде 40К образуется 40Ar, определяемые их взаимоотношения составляют основу калий-аргонового метода абсолютного летоисчисления. Установлено, что в 1 м3 морской воды содержится около 40 мг калия-40.
Количество 87Rb, также используемого для характеристики свойств воды и донных отложений, в 1 м3 морской воды составляет 35 мг. Рубидий-87 является постоянным спутником 40К и входит в состав таких щелочных металлов как карбонат рубидия Rb2CO3, сульфат рубидия Rb2SO4 и более сложных соединений, например, Rb2Cr2O7, RbClO4 и др. Калий-40, рубидий-87 и другие элементы этой группы поступают в морскую воду со смежных континентов за счет разрушенных гор-ных пород.
Очень слабая радиоактивность морской воды связана с находящимися в ней изотопами 7Be, 32Si, 26Al, 65Zn, 46Sc, 76As, 125Sb, 209Bi, 99Mo, 131I, 55Fe, 59Fe, 57Co, 58Co, 60Co (табл.18).
Изотопы 54Mn, 55,59Fe, 57,58,60Co, 90Y, 95Zr, 95Nb, 99Mo, 103,106Ru, 141Ce и 239Pu присутствуют в морской воде в составе мельчайших обломочных частиц или коллоидов /53/. В растворенном состоянии в виде ионов в морской воде находятся изотопы 32Р, 51Cr, 89,90Sr, 125Sb, 131I и 137Cs. Изотопы 3Н, 7,10Ве, 14С, 32S, 22Na, 32P, 37Cl образованы в атмосфере Земли на высоте до 15 км в результате бомбардировок космическими частицами-мезонами ядер атмосферных газов N2, O2, Ar и др. Эти изотопы недолгоживущие, периоды полураспада составляют у 14С 5570 лет, у 7Ве – 53,6 дня, 10Ве – 2,5х106 лет, 32Si – 500 дней, 3Н – всего 12,26 дня. Стратисферное происхождение этих изотопов обусловливает их распределение в водоемах в довольно близких концентрациях. Сведения о концентрациях рассматриваемых изотопов широко используются в океанологии и морской геологии для решения многих практических и научных проблем.
Радиоактивные изотопы определены в разных формах и разных концентрациях в морских организмах и органическом детрите. В составе водорослей, молюсков, ракообразных, рыб, других гидробионтов определены 14С (с глубиной его концентрации существенно уменьшаются), 40К 45Са, 89,90Sr, 90Zr, 90Nb, 90,91Y, 103,106Ru, 110Ag, 137Cs, 144Ce, Ra. Количественное содержание этих изотопов измеряется т.н. коэффициентом накопления, показывающим во сколько раз концентрация изотопа в организме или в его тканях превышает его количество в окружающей морской воде. На основе этого коэффициента вычисляются количества различных химических элементов-радионуклидов во всем спектре живых организмов, в отмерших их частях, в популяциях и биоценозах, вычисляются доли различных веществ, входящих в каждый из указанных радиоэкологических компонентов.
Радиоактивные изотопы определены в разных формах и разных концентрациях в морских организмах и органическом детрите. В составе водорослей, молюсков, ракообразных, рыб, других гидробионтов определены 14С (с глубиной его концентрации существенно уменьшаются), 40К 45Са, 89,90Sr, 90Zr, 90Nb, 90,91Y, 103,106Ru, 110Ag, 137Cs, 144Ce, Ra. Количественное содержание этих изотопов измеряется т.н. коэффициентом накопления, показывающим во сколько раз концентрация изотопа в организме или в его тканях превышает его количество в окружающей морской воде. На основе этого коэффициента вычисляются количества различных химических элементов-радионуклидов во всем спектре живых организмов, в отмерших их частях, в популяциях и биоценозах, вычисляются доли различных веществ, входящих в каждый из указанных радиоэкологических компонентов.
Таблица18
Распределение радиоактивных изотопов в морской воде и расположение их
в периодической системе элементов.
|
Период |
||||||||
|
I |
II |
III |
IY |
Y |
YI |
YII |
YIII |
|
|
2 |
7Be, 10Be |
14C |
55,59Fe, 57,58,60Co |
|||||
|
3 |
26Al |
32Si |
32P |
|||||
|
4 |
40K, Cu |
65Zn, 45Ca Zn |
46Sc |
76As |
51Cr, Se |
54Mn |
Ni |
|
|
5 |
87Rb, 110Ag,Ag |
89,90Sr, Cd |
90,91Y, 115In |
95Zr, Sn |
95Nb, 125Sb |
99Mo, Te |
131I |
103,106Ru Pd |
|
6 |
137Cs,Au |
Hg |
138La, Tl |
141-144Ce,176Lu, 147Sm, Pb |
209Bi |
Ra |
187Re |
Pt |
|
7 |
226Ra |
232Th,235,238U 237Np,239Pu |
Примечание:1) 232Th,235,238U,237Np,226Ra – радионуклиды, образующие радиоактивные семнейства; 40К – долгоживущие радионуклиды, не образующие радиоактивные семейства
3) 7Ве – изотопы, обладающие очень слабой радиоактивностью;
4) 45Са – радионуклиды, накапливающиеся в гидробионтах;
5) Au – токсичные химические элементы
Донные отложения по сравнению с наддонной морской водой обладают большими концентрациями радионуклидов. Прежде всего это относится к 226Ra, 232Th, 40K, 235U, в отдельных местах и к 14С. Исследование этих изотопов позволяет определять скорости осадконакопления и возраст осадков. В этом направлении уже проделана большая работа и получены очень хорошие результаты.
В последние десятилетия воды океанов и морей подвергались интенсивному загрязнению радиоактивными отходами. Особенно интенсивно загрязнение морских вод происходит вблизи промышленных центров. Источниками радиоактивных отходов служат ядерные реакторы атомных станций, заводы по переработке отходов атомной промышленности, суда с ядерными реакторами, испытания ядерного оружия, изотопы, использующиеся в качестве индикаторов различных процессов в океанологии, литодинамике, при оценке режима береговых преобразований, в медицине, биологии и других науках.
В морской воде содержится большое количество токсичных химических элементов, пагубно влияющих на населяющие ее организмы. Химические элементы Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Tl, Se, Ra, Ni, Pd и Pt являются опасными и вместе с тем достаточно широко распространенными в природных условиях, в том числе и в морской воде. Особенную же опасность представляют Hg, Pb и Cd, при внедрении которых в живые организмы, как правило, наступает летальный исход. Токсичные элементы участвуют в биологическом и геохимическом круговороте, пронизывают морскую воду на всех ее уровнях и способны накапливаться в форме определенных химических элементов. Поэтому очень важно иметь наряду с радионуклидами, также информацию об их концентрациях в разных частях морской толщи и в донных отложениях
Взвеси и коллоиды в морской воде. Грандиозный необратимый процесс океанского осадконакопления полностью обеспечивается поступающими в воду частицами минеральной и органической природы. Парящие в воде такие частицы называются взвесью. Минеральные частицы представлены главным образом продуктами речного стока, береговой и донной абразии, эолового переноса, антропогенной деятельности, т.е. материалами терригенного происхождения. Незначительная их доля имеет космическое происхождение.
Органическая часть взвеси образована живыми организмами, продуктами их жизнедеятельности, детритом твердых и мягких частей отмерших организмов.
Нижеследующая таблица 19 дает отчетливое представление о составе и объемах исходного осадочного материала для формирования донных отложений. В толще воды этот материал находится в виде гетерогенной взвеси, состоящей из разноразмерных терригенных (силикатных) и биогенных частиц.
Таблица 19. Питание океана осадочным материалом /41/.
|
Тип осадочного материала |
Поставка, млрд.тонн/год |
Доля от общей поставки,% |
|
Терригенный обломочный и глинистый |
22,6 |
17 |
|
Вулканогенный |
2 – 3 |
2 |
|
Космогенный |
0,01 – 0,08 |
- |
|
Биогенный (сухой) |
110 (по В.Г.Богорову) |
81 |
|
В том числе: карбонатный |
1,36 |
1 |
|
кремнистый |
0,46 |
0,3 |
|
Итого: |
134,6 – 135,7 |
Взвешенные частицы относятся к сестону, поскольку они не могут самостоятельно передвигаться в воде. В отличие от сестона морские организмы, способные в той или иной степени противодействовать течениям и другим динамическим процессам и способные передвигаться самостоятельно, относятся к нектону. Нектон не содержит растений, главную роль в его составе играют организмы зоопланктона.
Наличие в морской воде взвешенных частиц не оказывают существенного влияния на физико-химические свойства воды, на их термические и электрические харак-теристики, на ее плотность, сжимаемость и т.д. Однако то или иное количество таких частиц в воде является важнейшим фактором изменения ее оптических и акустических показателей. Например, взвешенные частицы могут сильно воздействовать на распрост-ранение звука и звуковой волны, на световые параметры воды. Установлено, что взвесь многократно увеличивает показатель рассеивания света в воде. Измерение величины этого показателя используется при определении мутности водной толщи. Колебания скорости распространения звуковых волн указывают не только на изменение солености воды, но и на вариации концентраций взвеси в том или ином интервале столба воды.
Взвешенные частицы обладают большим диапазоном размеров и разнообразными формами. Определение размеров, форм и количества взвешенных частиц зависит прежде всего от технических возможностей соответствующих методов анализа. В настоящее время широко используются электронные микроскопы, приборы-ловушки с мембранными фильтрами и ультрафильтрами, электрические приборы типа счетчика Култера, сепараторы на ультрацентрифугах непрерывного действия /27,49/. Однако ни один из способов, в которых используются эти приборы, не является универсальным.
При океанологических работах к взвешенным относят частицы, размеры которых превышают 0,1 мкм, чаще всего их размеры находятся в пределах 0,7-0,45 мкм. Коллоиды в виде мицелл имеют размеры в диапазоне 0,1-0,001 мкм. Коллоидные частицы могут быть отделены от растворенных веществ методом диализа, основанном на определении скорости и объемов диффузии ионов через полунепроницаемые мембраны.
В.В.Громов и В.И.Спицын (1975), изучавшие происхождение взвешенных частиц, предложили классификацию их форм и размеров (табл.20)
Таблица20.
Возможные формы существования элементов в морской воде и их размеры (мкм).
|
1. Истинные растворы (простые и комплексные ионы, атомы, молекулы) |
≤ 10-3 |
|
2. Коллоиды истинные и псевдоколлоиды (заряженные и нейтральные ) |
10-3 – 10-1 |
|
3. «Мертвая» взвесь (терригенные и гидрогенные частицы, органогенный детрит) |
10-1 |
|
4. Живые организмы (бактерии, фито- и зоопланктон) |
≥ 10-2 |
Количество, гранулометрический и минеральный состав взвеси обусловлены положением изучаемого района по отношению к близлежащей суше, тектоно-магматическим режимом, наличием постоянных или временных течений, гидроло-гических фронтов, принадлежностью к определенной климатической зоне, другими факторами.
Воде шельфовых областей свойственна высокая концентрация взвеси, особенно вблизи берегов. Причиной этому служат интенсивное поступление материала из речных артерий, размывы берегов и морского дна, антропогенная деятельность, высокая биологическая активность. Во взвеси преобладают частицы мелко-тонкоалевритового и пелитового размера, содержание которых может достигать 1 г/л. В минеральном составе такой взвеси доминируют частицы кварца, полевых шпатов, слюды, известкового материала, типичные для почвенного слоя смежной суши ассоциации глинистых минералов. Наряду с этими минералами, здесь в большом количестве встречаются хлопьевидные слизистые агрегаты белого цвета, называемые «морским снегом». Бесформенные хлопья такого «снега» состоят из частичек тонкодисперсного и рассеянного органического вещества, облепленных еще более мелкими частицами терригенного материала. Агрегаты наполнены пузырьками воздуха, углекислого и, возможно, углеводородного газа.
В придонном слое воды возрастает количество органического детрита и тер-ригенных частиц прежде всего за счет взмучивания ранее накопившихся донных отложений.
Химический состав взвеси в воде шельфовых областей полностью зависит от количества и природы минеральных частиц, участвующих в ее строении. Химический состав не будет везде одинаковым, поскольку образующие взвесь гетерогенные компоненты генетически связаны с смежной сушей, с разнородным литолого-петрографическим составом пород прибрежной зоны, донных осадков, твердым стоком рек. Химический состав биогенных компонентов определяется содержанием Сорг, N, CaCO3, а кремнистые частицы будут характеризоваться содержанием аморфного (SiO2 ам) и силикатного (SiO2 сил) кремния Терригенные силикатные частицы различаются по содержанию Al, Fe, Mn, Cu, других элементов, присутствующих в горных породах.
По данным А.Иванова (1978), взвесь в воде одного из западных районов Средиземного моря имеет следующий химический состав (табл.21)
Изменение количественного содержания всех указанных в таблице 21 элементов связано с их растворением и окислением. Это относится также и к сестону в целом. Важно подчеркнуть, что существенное сокращение концентраций Сорг с глубиной определяет значительный рост минерального вещества.
Таблица 21.
Изменение с глубиной концентрации некоторых химических элементов и суммарного сестона (%).
|
Элемент |
В поверхностном слое до 75 м(средние) |
Н а г л у б и н а х, м |
|||
|
100 |
150 |
200 |
300 |
||
|
Сорг |
0,89 |
0,82 |
0,52 |
0,38 |
0,0 |
|
Са |
0,57 |
0,70 |
0,11 |
0,11 |
0,0 |
|
Р |
0,75 |
0,49 |
0,28 |
0,08 |
0,0 |
|
Мg |
0,68 |
0,54 |
0,12 |
0,13 |
0,0 |
|
Si |
0,41 |
0,53 |
0,29 |
0,26 |
0,1 |
|
Сестон (суммарный) |
0,70 |
0,74 |
0,42 |
0,33 |
0,02 |
Вертикальному распределению взвеси в воде шельфовых областей свойственно отсутствие какой-либо закономерности, прежде всего в распределении частиц разного минерального состава и, соответственно, выдержанного химического состава. Что же касается гранулометрических характеристик такой взвеси, то в общем плане основную роль здесь играет механическая дифференциация частиц по удельному весу и по их гидравлической крупности: более тяжелые по удельному весу и более крупные по размерам частицы выпадают на дно из водной толщи гораздо раньше, чем легкие и незначительные по размерам мелкие фрагменты взвеси.
В области континентального склона взвесь образуется частицами по крайней мере трех равнозначных генераций. Прежде всего это частицы, выносимые транзитом горизонтальными течениями с шельфа. Существенную роль в них играют микрочастицы речного выноса, которые по причине очень малого размера и малого удельного веса не выпали в донный осадок еще на шельфе. Огромная масса взвешенных частиц имеет биогенную природу. Они представлены продуктами жизнедеятельности насыщающих фотический слой организмов и состоят из целых створок раковин, их детрита, мельчайших обрывков мягких тканей отмерших организмов, из живых представителей фито- и зоопланктона, скоплений бактерий. Как и в воде шельфовой области, здесь присутствуют многочисленные хлопьевидные слизистые агрегаты. Большое значение в формировании состава взвеси имеют частицы, поступающие в область континентального склона вместе с суспензионными потоками по многочисленным каньонам и подводным ущельям. Обладая высокой плотностью, суспензионные потоки дренируют и абрадируют склоны каньонов и ущелий, разрушают рельеф верхней части склона и бровки шельфа. Соскальзывая к устью каньона, этот поток срывает с места огромные массы донных отложений, вследствие чего мутность воды резко возрастает и в низах водной толщи образуется мощный высокоплотностной слабо или совсем непрозрачный столб воды, называемый нефелоидным слоем.
Генетическая неоднородность состава взвеси водной толщи континентального склона связана также с проявлением различных механизмов перемещения взвешенных частиц. Тончайший материал с шельфа и такой же по размерам биогенный детрит вне зон постоянных течений движутся ко дну по механизму «частица за частицей» под действием гравитации. В районах с сильно пересеченным донным рельефом, на возвышенных его участках такие частицы способны достичь дна и накопиться в виде т.н. фоновых осадков. В зависимости от положения по отношению к смежной суше, в зависимости от наличия на ней речных артерий, от климатического сезона в таких относительно спокойных и относительно неглубоких районах концентрация частиц сестона может изменяться от десятков до нескольких сотен микрограмм на литр. Размеры частиц сестона и образованного из него фоновых осадков в этом случае не превышают пределов самого тонкого пелита. По минеральному и гранулометрическому составу это будут смешанные известково-глинистые или глинисто-известковые илы, которые часто именуются гемипелагическими осадками.
Совсем другой состав имеет взвесь в низах водной толщи, в зоне мутности и особенно – в нефелоидном слое. Уровень изученности состава и движения взвешенных частиц в нижней части континентальных склонов еще невысокий. Опубликованные данные свидетельствуют о весьма сло-жной по составу и неоднородной по генезису массы взвешенного материала в воде в основании континентального склона и на континен-тальном подножье. Как известно, в этой части океанских котловин господствуют т.н. контурные горизонтальные течения, следующие почти параллельно изобатам вдоль изопикнических линий. Сверху, от бровки шельфа и верхов континентального склона к его подножью и на континентальное подножье под действием гравитационных сил скатываются мощные потоки воды разной насыщенности взвешенными частицами и, следовательно, разной плотности. На состав взвеси оказывают также влияние достигающие дна внутренние волны, цунами и приливо-отливные волны. В итоге в рассматриваемой части континентального склона и на континентальном подножье возникает очень сложная по структуре, динамике и по направлениям движения отдельных струй водная толща. Такая ситуация обусловливает постоянное взмучивание донных осадков, замедление оседания поступающих частиц из слоя фотосинтеза и всего поверхностного слоя. В зоне мутности ее нефелоидный слой вследствие указанных причин может находиться как у самого дна, так и гораздо выше этого уровня. В.Н.Лукашин (2005) свидетельствует, что на восточном склоне впадины Норвежского моря (полигон «Комсомолец») нефелоидный слой начинается примерно в 150-450 м от дна, а на континентальном склоне о.Ньюфаундленд (полигон «Титаник») в разных его частях он начинается либо непосредственно у дна, либо поднимается на сотни метров выше дна.
Мощность нефелоидного слоя колеблется от 90 до 605 метров, причем никакой закономерности в ее вариациях при этом не наблюдается. Концентрации взвеси в нефелоидном слое весьма различны: от 0,28 до 1,62 мг/л на полигоне «Комсомолец» и от 0,07 до 0,81 мг/л на полигоне «Титаник». Во время отдельных наблюдений было подмечено, что максимальные значения мощности нефелоидного слоя, концентрации взвеси, запаса ее в столбе воды отмечаются в полосе высоких скоростей контурного течения, в то время как низкие характеристики этих величин связаны с периферией этого течения.
Распределение взвешенных частиц в столбе воды в разных местах континен-тального склона примерно одинаково: их много в поверхностном слое, сокращается в подповерхностном и промежуточном слоях и сильно возрастает в нефелоидном слое. В самом нефелоидном слое взвешенное вещество распределяется крайне неравномерно, все зависит от скоростей течения воды, вмещающей этот слой.
Подмечены отличия и в минеральном составе взвешенных частиц. В воде поверх-ностного (особенно фотического) слоя и в промежуточных водах значительную роль играют биогенные частицы, в то время как в глубинном и придонном слоях, в слое повышенной мутности, в нефелоидном слое преобладают пелитовые частицы терригенного вещества. Важное значение в составе взвеси придонного и, в частности, нефелоидного слоя имеют хлопьевидные агрегаты «морского снега». Эти органо-минеральные образования, попадая в динамически активную обстановку придонных контурных течений, разрушаются, распадаются на более мелкие частицы разного состава. Рано или поздно эти частицы оседают на дно.
В минеральном составе взвеси, изученной на полигонах «Комсомолец» и «Титаник» преобладают минералы легкой подфракции (более 90%). Среди них основную роль играют кварц, полевые шпаты, гидрослюда, иллит, карбонатные и кремнистые частицы биогенной природы. В нефелоидном слое обломочных минералов больше, чем глинистых минералов. В тяжелой подфракции присутствуют в единичных экземплярах акцессорные минералы, которые являются главными минералами осадочных образований на смежных континентах.
Химический состав взвеси в водах континентального склона и континентального подножья свидетельствует об уменьшении содержащихся в ней химических элементов сверху вниз по разрезу водной толщи. Это происходит вследствие активных процессов преобразования взвешенных частиц, их окисления, растворения, механического распада и т.п. Наибольшие изменения претерпевают частицы мягких тканей отмерших организмов и другие лабильные компоненты органического вещества, аморфный кремнезем, частицы с повышенным содержанием Р и Mn. В.Н.Лукашин (2005) приводит нижеследующую таблицу 22 химического состава и изменения концентраций главных элементов взвеси по толще воды на полигоне «Титаник».
Из анализа таблицы 22 следует, что во взвеси доминируют терригенные частицы, причем большая их доля приходится на нефелоидный слой. По всем характеристикам выходит, что основная масса взвеси в этом слое состоит из материала донных отложений, возмущенных контурным течением.
Таблица 22.
Концентрация основных взвесеобразующих компонентов на разных глубинах в мкг/л
и в скобках - % от массы взвеси.
|
Горизонт,м |
Концентр. взвеси,мкг/л |
Сорг |
Р |
СаСО3 |
Si ам |
Si сил |
Al |
Fe |
Mn |
|
0-20 |
540 |
89 |
1,9 |
239 |
13,6 |
7,2 |
2,4 |
4,97 |
0,27 |
|
(12)Х) |
(16,4) |
(0,35) |
(44,3) |
(2,5) |
(1,3) |
(0,45) |
0,92 |
(0,05) |
|
|
500-1000 |
90 |
4,0 |
0,05 |
61 |
0,03 |
2,8 |
0,96 |
1,12 |
0,036 |
|
(12)х) |
(4,4) |
(0,06) |
(67,9) |
- |
(3,1) |
(1,1) |
(1,24) |
(0,04) |
|
|
1000-3000 |
60 |
2,3 |
0,02 |
39 |
0,04 |
2,9 |
0,97 |
0,89 |
0,024 |
|
(12)х) |
(3,8) |
(0,03) |
(65,7) |
- |
(4,9) |
(1,6) |
(1,48) |
(0,04) |
|
|
3400-10 м от дна |
180 |
2,2 |
0,11 |
75 |
1,57 |
25,2 |
8,4 |
3,46 |
0,11 |
|
(37)х) |
(1,2) |
(0,06) |
(41,6) |
(0,3) |
(14,0) |
(4,66) |
(1,92) |
(0,06) |
х) В скобках указано количество проанализированных проб
За пределами континентальной окраины, в области глубоководных океанских котловин (ГОК) водная взвесь обладает другими качествами. В ее составе главную роль играют биогенные частицы. Незначительное количество терригенного материала поступает в ГОК за счет эолового переноса и в очень малой степени – за счет твердого стока рек, береговой и донной абразии. Несмотря на низкую концентрацию, их присутствие улавливается во взвеси на 1000-1500 км от побережий континентов и крупных островов.
Терригенные частицы представлены глинистыми минералами, прежде всего минералами группы монтмориллонита. Как известно, размеры этих минералов примерно в 100 раз меньше размеров гидрослюды, т.е. они меньше 1 мкм, а удельный вес их не превышает 2-2,5 г/см3. Мельчайшие обломки карбонатных пород далеко в океан поступают от потоков эолового вещества. Терригенные частицы разносятся по океанским просторам и рано или поздно оказываются в донных отложениях.
Частицы биогенной природы образованы скелетным и раковинным материалом, частичками мягких тканей отмерших организмов и имеют размеры более 1 мкм.
Механизмы доставки на дно взвешенных в пелагических водах частиц изучены слабо. Достоверно установлена связь между минеральным, химическим и геохимическим составом взвеси, материалом седиментационных ловушек и донных осадков. Установлено также, что ничтожно малые по размерам скелетные остатки некоторых видов кокколитофорид оседают на дно практически под тем же районом фотического слоя, в котором они образовались и обитали. В данном случае кокколитофориды являются индикатором и места обитания в поверхностном слое и места захоронения в донных отложениях. Из этого следует, что осаждение столь малых по размерам частиц такой взвеси происходит не по механизму «частица за частицей», а другим путем. Еще в прошлом веке некоторые исследователи предположили, что очень мелкие частицы объединяются в воде поверхностного слоя в более крупные по размерам и большего удельного веса частицы. Позднее исследования по этой проблеме выявили высокое содержание фекальных комков-пеллет в поверхностном слое донных отложений. Их появление здесь было объяснено тем, что в поверхностном слое воды, в слое фотосинтеза образуется большое количество фекальных комков-пеллет организмами зоопланктона, они-то и попадают на дно. В настоящее время никто не сомневается в том, что осаждение на дно в пелагической зоне океана мельчайших частиц взвеси происходит через биофильтрацию, через продукты жизнедеятельности зоопланктона и других организмов. Разобщенные ничтожно малые по размерам (<1-5 мкм) частицы взвеси не могут преодолеть мощную, иногда более 5-7 километровую толщу воды. Эта толща воды состоит из нескольких водных масс, движущихся с разной скоростью и в разных направлениях. Усугубляют ситуацию такие естественные барьеры как термоклины, галоклины, пикноклины и т.д. Многоэтажность структуры водной толщи резко ограничивает возможность оседания на дно частицы размером менее 1-5 мкм в сравнительно короткое время. Подсчитано, например, что под действием сил гравитации время осаждения скелетных остатков некоторых видов кокколитофорид на глубину 5 км может составить от 200 до 1000 лет, поскольку они будут подвергаться действию разнонаправленных течений в водной толще. Механизм опускания на дно изолированной частички такого размера не подтверждается фактическими наблюдениями. Особенно наглядно это проявляется при сопоставлении состава материала пеллет, седиментационных ловушек и донных отложений.
В процессе жизнедеятельности организмов зоопланктона в фотическом слое воды образуется огромное количество пеллет разного состава и размера. Скорость их осаждения на дно обусловлена их размерами и объемом: чем они крупнее, тем быстрее достигают океанского дна. Так, пеллеты размером 250 мкм движутся ко дну со скоростью от 40 до 440 м в сутки. В таком случае фекальные комки будут доставлены на дно за 20-30 суток. В то же время отдельные частицы кокколитофорид погружаются по толще воды со скоростью всего 0,14 м в сутки, т.е. примерно в 1000 раз медленнее, чем пеллеты.
Значение пеллетного материала состоит еще и в том, что через него на океанское дно доставляются очень хрупкие скелеты диатомовых водорослей, кокклитофорид, ничтожно малые частички мягких тканей отмерших организмов, органический материал хлопьевидных агрегатов. Биофильтрация, следовательно, рассматривается в качестве главного механизма передачи в малоизмененном виде вещества и элементов из поверхностного слоя в донные отложения.
Во взвеси открытого океана могут образоваться и существовать истинные коллоиды и псевдоколлоиды. Эти вещества являются продуктом процесса адсорбционного захвата элементов заряженными частицами самого тонкого размера. В результате, как правило, образуются мицеллы. В.В.Громов и В.И.Спицын.(1975) показали, что в водах открытого океана процессы коллоидообразования свойственны слаборастворимым химическим соединениям. Однако концентрации коллоидов в таких водах ничтожно малы. Наиболее характерным представителем коллоидных частиц является гидроокись железа, которая при выпадении из раствора образует частицы размером около 3 мкм.
Распределение концентраций взвешенных частиц в ГОК контролируется положе-нием граничных зон между водными массами и естественных гидрологических барьеров, термоклинами, галоклинами, пикноклинами и др. Е.М.Емельянов (1998), ссылаясь на исследования ряда океанологов, приводит такие данные на этот счет. В некоторых хорошо изученных районах установлено, что в верхнем слое воды концентрация взвеси достигает 47 мкг/л, в подстилающем его слое термоклина она возрастает до 50-70 мкг/л, ниже термоклина (до глубины 200 м) – уменьшается до 20-10 мкг/л, а в интервале от 450 до 4600 м – не превышает 10-9 мкг/л. Концентрация взвеси в придонном слое, выше 400-500 м от дна, увеличивается до 14-15 мкг/л. Вариации концентраций взвеси теснейшим образом связаны с распределением в воде живых организмов, направлением и интенсивностью течений, объемами и положением водных масс. Общая схема распределения взвеси в водах открытого океана показана на рисунке 59.
Рассмотренные выше данные свидетельствуют об огромной роли взвешенных частиц и коллоидов в формировании литологического состава осадков, в перерасп-ределении и доставке химических элементов и химических веществ в донные отложения. Ничтожно малые размеры этих частиц и мицелл обладают исключительно высокой величиной удельной поверхности, что обеспечивает постоянное естественное взаимодействие их с растворенными в воде веществами. Главным механизмом этого взаимодействия является адсорбция в виде хемосорбции, молекулярной или физической сорбции, ионного обмена.
Рис. 59. Распределение содержания взвеси по вертикали в толще океанской воды /по 27/ (упрощенно). Условные обозначения: 1-поле распространения взвеси по разрезу водной толщи на станциях 2,3,6,8,10,11,12,13 и 15 в Атлантическом океане; 2-на геологических станциях 8,13,11, 10 и 6 получены пробы взвеси на глубинах более 3000 м. На врезке показано положение геологических станций.