2.3 Гидросфера

Гидросфера — водная оболочка, состоящая из природных вод. Включает в себя воды океанов, морей, рек, подземные во­ды, насыщающие горные породы, льды и снега полярных и высокогорных областей, а также атмосферную воду и воду, содержащуюся в живых организмах, т.е. всю химически не связанную воду вне зависимости от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную. Постоянное изменение агрегатного состояния воды обеспечивает процесс влагооборота. Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах (71% земной поверхности, или 96% объема гидросферы), второе место по объему водных масс занимают подземные воды (около 2%), третье — льды и снега поляр-ных областей (главным образом ледниковые щиты Антарктиды и Гренландии, около 2%), около 0,02% — поверхностные воды суши (реки, озера, болота). Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, играют важнейшую роль как в развитии биосферы, так и в хозяйственной деятельности человека, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения.

2.3.1 Природная экогидрохимия

Наличие воды контролирует развитие живых организмов. Вода является основным природным растворителем минералов, газов и техногенных соединений. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. Геохимическая обстановка развития жизни в Океане отличается от обстановки на континентах, т.к. водная среда содержит большинство химических элементов в наиболее доступной для ор­ганизмов форме — в ионных растворах. Кроме ионов в океанической воде растворены газы, минеральные и органические коллоиды и от­дельные молекулы различных веществ. Наи­большее значение для живых организмов имеют молекулы кисло­рода, поступающие в воды из атмосферы, а также за счет фотосин­теза водных растений. Расходуется кислород при дыхании живых организмов, а также при окислении различных веществ, главным образом органического детрита. Относительное насыщение верхнего слоя океанических вод кислородом — от 10 до 90%. Содержание в воде азота, Ar, He, Ne все­гда близко к насыщению и не зависит от глубины. Средняя общая концентрация СО₂ в морской воде — 2,3 ммоль/л.

Для одних и тех же атомов водорода и кислорода вода не яв­ляется постоянной формой нахождения. Растения в процессе фо­тосинтеза разлагают воду, выделяя кислород в биосферу. Разло­жение воды происходит в условиях биосферы и при процессах хи­мического выветривания минералов. Например, изменения в условиях биосферы плагиок­лазов можно выразить следу­ющей реакцией: 2Ca [Al₂Si₂O₈] + 6Н₂О = Al₄ [Si₄O₁₀] (OH)₈ + 2Са²⁺ + 4ОН^- Выветривание других силикатов, а также сульфидов, карбона­тов, сульфатов тоже идет с разложением воды. Обозначив метал­лы через «Me», эти реакции можно представить так:

Me₂SiO₄ + 4H₂O  H₄SiO₄ + 2Me (OH)₂;

МеСО₃ + 2Н₂О  Ме (ОН)₂ + Н₂О + СО₂;

2MeS₂ + 7О₂ + 2H₂O  2(Me)SО₄ + 2H₂SO₄;

2MeSО₄ + О₂ + 2Н₂О  2 Ме (ОН)₂ + 2H₂SO₄.

Большое влияние на растворимость минералов оказыва­ет широко распространенная в биосфере углекислота. Однако и в ее присутствии продолжается разложение воды:

MeS + СО₂ + Н₂О + 2О₂  2 МеСО₃ + H₂SO₄ и т.п.

Этот процесс идет в биосфере и при образовании (за счет вы­ветривающихся минералов магматических пород) карбонатов, ги­дрослюд, глин. Количество раз­ложившейся, а затем связанной воды составляет для глин не ме­нее 15—20% их массы. Довольно распространенными процессами разложения воды являются радиолиз и гидратация, которая мо­жет идти с участием бактерий.

Процессов синтеза воды в биосфере меньше, чем приводящих к ее разложению. Выделение воды происходит при разложении органических веществ путем окисления (вода выделяется в объеме, равном объему воды, разложившей­ся при фотосинтезе этих веществ). Однако зна­чительная масса органических соединений (примерно 3 • 10¹⁵ т - такая масса ор­ганики покроет сплошным слоем мощностью 20 м всю поверхности Земли) за­хоронена в литосфере неокислившись, а это существенно нару­шает теоретический баланс вод.

Некоторое количество воды выделяется при определенных восстановительных реакциях, но в условиях биосферы для мно­гих из них опять же необходимо органическое вещество:

2Fe₂O₃ • ЗН₂О + C  4FeO + СО₂ + ЗН₂О.

Т.о., получается, что в пределах биосферы, суще­ствование которой невозможно без воды, преобладают процессы ее разложения. Но вода постоянно поступает из глубинных частей Земли. Содержание H₂O в магме — около 4%, а в изверженных по­родах, составляющих земную кору,— около 1%. Т.о., только при кристаллизации магмы 3% ее массы выделяются в ви­де воды, поступающей в конечном счете в биосферу. Если исхо­дить из мощности земной коры 40 км, то рассматриваемый про­цесс вполне объясняет образование современного количества во­ды в биосфере. Поступление же магматической воды с парами го­рячих источников, вулканов и фумарол продолжается. Значи­тельное количество воды поступает в биосферу и из зоны мета­морфизма за счет Н₂О и ОН^-, связанных минералами.

На основании данных о поступлении химических элементов в Океан различными способами (вынос с континентов, подвод­ные гидротермы и извержения вулканов) было высказано мне­ние, что катионы преимущественно поступают с материков, а анионы — при извержении вулканов как через атмосферу, так и непосредственно в морскую воду.

Для сравнения распределения элементов в земной коре и во­дах Океана широко используются данные о талассофильности элементов - отношении кларковых содержаний элементов в Океане и земной коре. Для С1 оно равно 111, Вг - 30, Na - 0,42, Fe – 4,3^.10^-8. Элементы с высокой талассофильностью дольше находятся в водах Океана: С1, попав в Океан, находится в растворе более 300 млн. лет, Na около 190 млн. лет, а Fe менее 600 лет.

Океаническая вода представляет собой ненасыщенный раствор, поэтому выпадение в осадок из пересыщенных растворов не может быть основным механизмом, поддерживающим опреде­ленную концентрацию химических элемен­тов. Считается, что преобладает осаждение в результате механи­ческого опускания частиц, сорбции и биогенной аккумуляции. Эти три основных вида извлечения химических элементов (их соеди­нений) из вод тесно переплетены между собой и не являются постоянными во времени и про­странстве. Поэтому в зависимости от времени, глубины вод­ного слоя и местоположения в Мировом океане концентрация од­ного и того же элемента может изменяться в широких пределах (для С, N, О, Р, S и Si они достигают трех порядков).