Химический состав гидросферы

     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).