Источники, стоки и время пребывания

Источники и стоки

  В таблице 7.2 восемь основных консервативных ионов разбиты на два класса — катионы и анионы.

Таблица 7.2. Основные компоненты морских солей

Катионы Анионы
 Натрий  Хлорид
 Магний  Сульфат
 Кальций  Бромид
 Калий  Борат

  Катионы. Катионы определяются как положительно заря­женные частицы. Они попадают в океаны благодаря вывет­риванию континентальных пород. Основной элемент, по­ставляющий катионы, — натрий. Хотя эрозия пород явля­ется непрерывным процессом в пределах гидрологического цикла, это не означает, что катионы накапливаются в морс­кой воде. Все перечисленные в таблице катионы постепенно удаляются из морской воды, так как попадают в состав донных осадков.

  Важно отметить, что скорости поступления и удаления катионов определяются различными процессами. Скорость эрозии зависит главным образом от того, как быстро эле­менты переходят в растворенное состояние в ходе гидроло­гического цикла — непрерывного процесса, происходящего в «тепловой машине» Земли. В отличие от этого скорость удаления определяется в основном концентрацией элемента в морской воде, поскольку скорости многих химических ре­акций зависят от числа атомов или молекул, которые спо­собны вступать в реакцию. Поэтому концентрация соли рас­тет до тех пор, пока скорость ее удаления не сравняется со скоростью поступления; эта концентрация будет «равновес­ной». Так, по оценкам геохимиков, для того чтобы концент­рация натрия достигла своего современного равновесного значения, должно было пройти 600 млн. лет; для калия эта величина составляет лишь 30 млн. лет.

  Анионы. Анионы — это отрицательно заряженные ионы. Основными поставщиками анионов, растворенных в морс­кой воде, являются фумаролы и горячие подводные источ­ники, сопровождающие вулканическую деятельность. Благо­даря фумаролам и горячим источникам производится «дега­зация» мантийного материала. Вода сама является продук­том дегазации, и океаны образовались в результате ее акку­муляции. Если из глубин Земли постоянно поступает новый материал, логично полагать, что объем океанской воды уве­личивается, хотя и с исключительно малой скоростью. По одной из оценок скорость образования воды равна 0,4 км3/год; при такой скорости депрессии, образующие современные океаны, могли бы заполниться лишь за 4 млрд. лет.

  В отличие от катионов концентрации анионов, по-видимому, не достигают равновесного состояния. Элемен­ты, образующие анионы и не включенные в осадки, называ­ются «избыточными летучими», и основным среди них яв­ляется хлор. Состав избыточных летучих, вероятно, менял­ся во время охлаждения земной коры, когда из верхней ман­тии избирательно выделялись различные составляющие. В противоположность этому состав веществ, образующихся при выветривании из континентальных пород, является бо­лее постоянным; правда, скорость выветривания на протя­жении геологического времени, возможно, менялась. Отме­ченные неопределенности означают, что отношения кон­центраций катионов и анионов в прошлом могли меняться, но временные шкалы таких вариаций велики. Чтобы этот вопрос прояснился, необходимо провести новые всесторон­ние исследования; это особенно важно теперь, когда на дне океанов обнаружены гидротермальные источники. Здесь мы будем считать, что отношения концентраций восьми основ­ных ионов остаются постоянными.

Время пребывания

  Каждый тип ионов, проходящий через такой резервуар, как океан, имеет свой собственный, характерный именно для него цикл обращения и, следовательно, свой временной мас­штаб этого цикла, называемый «временем пребывания». Цикл обращения некоторых ионов, например натрия, охва­тывает миллионы лет. В то же время железо и алюминий проходят через океаны всего лишь за несколько сотен лет. В силу того что оба этих иона играют заметную роль в био­логических процессах, они, вероятно, быстро связываются с осадками.

  В целом ионы с низкой реактивной способностью имеют наибольшие времена пребывания; примерами служат на­трий, магний, калий и литий. Они встречаются, как прави­ло, в виде свободных ионов, не связанных с другими эле­ментами, и поэтому не принимают в превращениях органи­ческого вещества столь активного участия, как алюминий и железо. По многим причинам полезно знать среднее значе­ние времени пребывания каждого элемента. Для определе­ния этих величин используются два метода.

  Время пребывания, определяемое по скорости речного сто­ка. В самом первом методе определения времени пребыва­ния, предложенном Бартом (Barth T.F.), требуется знать как общее количество данного иона в Мировом океане, так и ско­рость, с которой он поступает в океаны. Положим для при­мера, что X = 150 млн. т — общее количество растворен­ного золота в современных океанах. Вычислим теперь сум­марное количество золота, которое приносится в океаны всеми реками земного шара, скажем, за год; пусть оно рав­но х = 600 т. Тогда 600 т/год — это скорость поступления золота в море. Поделив полное количество золота X на скорость его поступления х, получим 250 000 лет — среднее время пребывания, определяющее, как долго один атом зо­лота находится в растворенном состоянии в морской воде, прежде чем переходит в донные осадки.

  Однако не все соли, переносимые реками, попадают в океан впервые. Основная часть большинства солей, выноси­мых реками, участвует в циклах многократно. Возьмем наш пример с золотом. Предположим, что половина «ново­го» золота попадает в океан вместе с продуктами эрозии континентальных пород, а вторая половина — это золото, проходящее уже не первый цикл. Тогда скорость, которую мы должны принять для оценки времени пребывания, равна 300 т/год. Вновь находя отношение Х/х, получим, что вре­мя пребывания золота должно составлять около 0,5 млн. лет. В таблице 7.1 приведены времена пребывания ряда эле­ментов, вычисленные по методу Барта.

  Также может возникнуть вопрос: как вовлекаются соли в многократный цикл обращения? Каков его меха­низм? Насколько сейчас известно, основную роль здесь играют морские брызги, образующиеся как в открытом мо­ре, так и у берега при опрокидывании волн. Если капля морской воды, оказавшаяся в воздухе, достаточно мала и может пребывать во взвешенном состоянии, то после испа­рения воды остается маленький кристаллик морской соли, который воздушные потоки способны перенести на большие высоты. Такие частички соли в действительности являются основным типом ядер, на которых конденсируется влага, давая начало дождевым каплям, т. е. они играют важную роль во всем гидрологическом цикле. Другим источником капель является «вспенивание» морской воды. Когда волна в море разрушается, вода захватывает мельчайшие пузырь­ки воздуха и образует, выражаясь поэтическим языком, «со­леную пену». После выхода на поверхность моря пузырек воздуха лопается и силы поверхностного натяжения застав­ляют его схлопнуться; при этом в воздух с силой выбрасы­вается одна или несколько капель воды. Если эти капли на­ходятся в воздухе во взвешенном состоянии, вода может ис­паряться, оставляя ядра конденсации в виде кристалликов соли.

  Время пребывания, определяемое по скорости включения в осадки. Во втором методе, описанном Голдбергом и Аррениусом (Goldberg E.D., Arrhenius G.O.), для определения времени пребывания использу­ется скорость, с которой данная соль включается в осадки морского дна. Взяв колонки донных осадков, Голдберг и Аррениус измерили годовой прирост отложений и относи­тельное содержание данной соли в определенном слое осад­ков. Зная пространственное распределение выбранного слоя, они оценили годовую скорость отложения этой соли. Раз­делив известное полное количество солей, растворенных в морской воде, на скорость их осаждения, они нашли време­на пребывания ряда элементов. Их результаты близки к ре­зультатам Барта, так что полученные оценки времени пре­бывания основных ионов мы можем считать достаточно надежными.