книги из ГПНТБ / Шишкина, Л. А. Гидрохимия учебное пособие

состава грунтов и горных пород, через которые она проникает. Вода, циркулирующая в гранитах, содержит растворенные соли, образующиеся из минералов, из которых состоит гранит,— кварца, ортоклаза, кремнезема, слюды. В такой воде будут находиться коллоидный кремний, щелочные карбонаты и бикарбонаты кальция. Вода, циркулирующая в базальтах, обогащается кремнием, желе­ зом, кальцием. В результате растворения осадочных пород в воде появляются ионы Са2+, Mg2+, Na+, H C03“, SO42' и др.

Повышение температуры, происходящее с увеличением глу­ бины, активизирует процесс растворения минеральных солей.

Большое влияние на химический состав природных вод оказы­ вают живые организмы и продукты их жизнедеятельности. Это влияние наиболее сказывается на растворенных в воде газах, осо­ бенно кислороде и двуокиси углерода. Летом активизируется дея­ тельность растительных организмов и они ассимилируют угле­ кислоту, выделяя кислород. Зимой процесс фотосинтеза замирает, и воды, обогащаясь углекислотой, становятся беднее кислородом.

Жизнедеятельность организмов изменяет также состав биоген­ ных и органических веществ в природных водах. Продукты жиз­ недеятельности и распада животных и растительных организмов постоянно обогащают воды биогенными и органическими соеди­ нениями.

Огромная роль в изменении химического состава воды принад­ лежит микроорганизмам, которые в процессе своей жизнедеятель­ ности превращают сложные органические вещества в более про­ стые неорганические соединения. Действие бактерий исключи­ тельно многообразно. Их жизнедеятельность может протекать как в присутствии кислорода (аэробные бактерии), так и при его пол­ ном отсутствии (анаэробные бактерии).

Большое непосредственное воздействие на химический состав природных вод оказывает хозяйственная деятельность человека, так как сбрасываемые в водоемы промышленные и бытовые воды резко изменяют естественный химический состав вод. Особенно большое влияние оказывают сточные воды атомной промышлен­ ности, предприятий химической промышленности, моющие веще­ ства, нефтепродукты.

Вторая группа — факторы, косвенно влияющие на формирова­ ние химического состава природных вод. Это климатические и погодные условия, водный режим и деятельность человека.

Из косвенных факторов, влияющих на химический состав при­ родных вод, наиболее важную и в то же время сложную роль иг­ рает климат. Климат прежде всего определяется гидрометеороло­ гическими условиями, соотношением баланса тепла и влаги, от которых зависит степень увлажненности местности и, следова­ тельно, водный режим водоемов.

Преобладание осадков над испарением создает большое ув­ лажнение и вместе с тем малую минерализацию вод. Наоборот, малое количество осадков при высоких температурах воздуха, создающих сильное испарение, определяет повышенную минера-'

40

лизацию вод. Кроме того, климатические условия определяют тип почвы.

Ввиду того, что климат зависит от широты местности, близо­ сти моря и морских течений, циркуляции воздушных масс, рельефа местности и т. д., зависимость химического состава вод от клима­ тических, а вместе с тем и физико-географических условий до­ вольно сложная. Влияние климата на химический состав при­ родных вод настолько велико, что является зачастую решающим фактором, определяющим минерализацию вод.

Важную роль в формировании химического состава воды иг­ рает водный режим водоемов. Минерализация вод в сильнейшей степени зависит от морфологических особенностей водоема (раз­ меры, глубины и др.), условий питания, характера водообмена (испарение, осадки, перемешивание, сток и т. п.) и динамики вод (течения, колебания уровня, волнение). Поэтому химический со­ став водоема на всем его протяжении всегда не будет одинаковым.

Деятельность человека влияет также и косвенно на химический состав природных вод. Влияние это сказывается главным образом путем изменения водного режима водоемов в результате гидро­ технического строительства, сооружения водохранилищ и каналов, забора воды для промышленности и на орошение.

§3. Классификация природных вод

Врезультате совокупного воздействия непосредственных и кос­ венных факторов химический состав природных вод очень разно­ образен и изменчив. Все это разнообразие требует классификации. Существует много различных классификаций, но одной из важ­ нейших является классификация по степени минерализации, т. е. по сумме растворенных в воде солей в граммах на килограмм воды (для природных, морских и озерных вод) или в миллиграм­ мах на литр воды (для речных вод).

По степени минерализации природные воды подразделяются (по ГОСТу 17403-72) следующим образом:

1 ) пресные воды — от 0 до 1,0 г/кг,

2)солоноватые воды — от 1,0 до 25 г/кг,

3)соленые воды — от 25 до 50 г/кг,

4)рассолы — более 50 г/кг.

Предел пресных вод 1,0 г/кг основан на восприятии человеком вкуса солености при минерализации свыше 1 г/кг.

Граница между солоноватыми и солеными водами установлена Н. М. Книповичем на том основании, что при минерализации 25 г/кг (24,695) температура замерзания и температура наиболь­ шей плотности морской воды совпадают и меняются многие свой­ ства воды, влияющие на гидрологический режим.

Граница 50 г/кг между солеными водами и рассолами при­ нята потому, что соленость выше этой в морях не наблюдается,

41

а характерна она только для соленых озер и высокоминерализо­ ванных подземных вод.

Речные воды по величине минерализации подразделяются (по

Озерные воды по степени минерализации подразделяются на три группы:

Классификация вод по их минерализации систематизирует воды в общих чертах и не учитывает содержания отдельных ионов и газов.

Вопросы для обучения и самоконтроля

Карточка № 12

Химический состав природных вод

Вопросы Элементы ответов

42

Глава III. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МОРСКОЙ ВОДЫ

§ 1. Особенности химического состава морской воды

Химический состав морской воды определяется главным обра­

ленными частями Мирового океана при помощи системы горизон­ тальных и вертикальных движений водных масс, что способствует хорошему перемешиванию.

Эти черты Мирового океана и определяют особый химический состав морской воды, резко отличный от химического состава вод других водоемов.

Особенностями химического состава вод Мирового океана яв­ ляются:

1 ) значительная минерализация морской воды, которая обра­

зовалась вследствие того, что, собирая воды со всей земной по­ верхности, океан аккумулирует различные химические элементы, так как убыль воды из океана происходит только в результате ис­ парения;

2 ) однородность и постоянство химического состава морских

вод, что является следствием хорошего водообмена (горизонталь­ ного и вертикального) между отдельными частями океана;

3) медленное изменение химического состава во времени и

пространстве вследствие огромной массы воды.

Таким образом, воды Мирового океана имеют довольно значи­ тельную минерализацию. Средняя минерализация поверхностных вод Мирового океана 35 г/кг. Морские воды отличаются от речных и озерных вод стабильностью химического состава, своеобразным соотношением между ионами и более богатым качественным со­ ставом (табл. 9).

Так же как и в материковых водах, химический состав морских вод подразделяется на пять групп:

1 ) главные ионы,

2 ) растворенные газы,

3) биогенные вещества,

4) микроэлементы,

5) органическое вещество.

В морских водах непрерывно протекают многочисленные физи­ ческие, химические, биологические, биохимические и геологические процессы, направленные к изменению химического состава и со­ отношения между отдельными ионами.

Физические процессы меняют в основном общую концентрацию, не изменяя качественный состав воды. Это процессы, повышающие

43

Таблица 9

Концентрация и весовое содержание элементов в морской воде (по Гольдбергу)

ление, фотосинтез, минерализация органического вещества, регене­ рация биогенных веществ и др.) изменяют состав, а следовательно, и соотношение между растворенными в морской воде веществами. Эти процессы существенно изменяют содержание газов, биоген­ ных и органических веществ, микроэлементов, но количественный состав группы главных ионов не затрагивают. Изменения в группе главных ионов морской воды зависят главным образом от воздей­ ствия внешних факторов, определяемых наиболее существенными составляющими солевого баланса Мирового океана.

Солевой баланс океана складывается в основном из элементов приходной и расходной частей.

44

Приходная часть баланса (поступление ионов в Мировой океан)

1. С водами материкового стока (поверхностными и подзем­

ными) . Это наиболее существенный элемент приходной части ба­ ланса. В процессе стока с материков в океан выносится большое количество растворенных солей, биогенных и органических ве­ ществ, микроэлементов. Общий вынос растворенных веществ мате­ риковым стоком может быть ориентировочно оценен в 3200 млн. т

вгод (по О. А. Алекину).

2.Продукты дегазации мантии (продукты вулканических из­

вержений, излившейся лавы, горячих источников, ювенильных

вод). В состав этих продуктов обычно входят сернистые соедине­ ния (S 0 3, S 0 2, S, H2S), соединения углерода (СО и С 02), гало­

гены (Cl, F), водород и водяной пар. Количественно учесть по­ ступление продуктов дегазации мантии очень трудно.

сферных осадков, выпадающих на поверхность океана, очень огра­ ниченны, но при ежегодном выпадении на поверхность океана 324 тыс. км3 осадков с ними в Мировой океан поступает довольно

значительное количество солей, уступающее всего в 2,5 раза при­ ходу солей с материковым стоком.

С эоловыми взвесями (большие массы песка и пыли, выноси­ мые с континента ветром) при их растворении в океан поступают ионы, приход которых учесть трудно.

4. Приход ионов при растворении пород берегов и осадков дна моря. В прибрежной зоне при разрушении волнами берега по­

роды, слагающие берег, обрушиваются в воду, дробятся и раство­ ряются. Состав растворенных веществ зависит от состава берего­ вых пород.

В придонном слое происходит растворение и переход в состав воды главным образом карбонатных ионов, в меньшей степени соединений других элементов.

Подсчитать количественно эту часть прихода трудно.

Расходная часть баланса (потеря ионов Мировым океаном)12

1. Выпадение солей в осадок. Этот элемент расходной части

баланса является наиболее существенным. Ежегодно из вод оке­ ана выпадают в осадок огромные количества солей, главным об­ разом карбонатов, а также минеральных коллоидов (Si02, Fe20 3 и А120 3) и некоторая часть микроэлементов. Большая часть кар­

бонатов, поступающих в океан с материковым стоком, выпадает в осадок. Ежегодное выпадение в осадок карбонатов и минераль­ ных коллоидов, поступающих в океан с речным стоком, состав­

45

заливы, после которых на континентах остались залежи солей

внесколько сотен метров.

Вполуизолированных заливах, лиманах, лагунах при засуш­

ливом климате мы и в настоящее время наблюдаем потерю солей при испарении в этих мощных естественных испарителях.

В заливе Кара-Богаз-Гол годовой вынос солей из Каспийского моря составляет, по С. В. Бруевичу, 260 млн. т. Такую же роль играют и лиманы Черного (Куяльницкий, Хаджибеевский и др.)

иАзовского (Сиваш) морей.

3.Вынос солей ветром во время шторма с брызгами морской воды на сушу. Эти потери довольно значительны; по О. А. Але-

кину, количество солей, выносимых ветром, составляет 300— 400 млн. т. в год.

4.Потеря солей на пропитывание грунта морского дна и ин­ фильтрацию учету не поддается.

5.Расход солей при адсорбции взвесями. Выносимые в океан

сречными водами взвеси являются преимущественно продуктами механического истирания пород, глинистыми минералами. Вслед­ ствие их измельченности частицы обладают способностью адсор­ бировать (поглощать, увлекать) посторонние тела.

Особенно энергично адсорбируются взвеси тяжелых металлов. Обмен веществ между сушей и океаном подвержен непре­ рывным колебаниям, но при огромной массе океана изменение

массы растворенных веществ практически незаметно.

§ 2. Группа главных солеобразующих ионов

Минерализация морской воды определяется в основном содер­ жанием главных ионов. Главными они названы потому, что все вместе составляют 99,99% всех растворенных веществ, а концен­ трация каждого из них выше 1 мг/кг. •

Главными ионами являются ионы растворенных твердых ве­

Суммарное содержание в граммах всех твердых минеральных растворенных веществ в 1 кг морской воды, при условии, что бром и иод замещены эквивалентным количеством хлора, все углекис­ лые соли переведены в окиси, а все органические вещества сож­ жены при температуре 480° С, называется соленостью.

Соленость принято выражать в тысячных долях весовых еди­ ниц (промилле) и обозначать S%0. Это определение предложено Серенсеном и Кнудсеном и принято Международным советом по

46

Таблица 10

Содержание главных ионов в морской воде (по Лаймену и Флемингу, 1940 г.)

Таблица 11

Солевой состав морских (по Диттмару) и речных (по Юстусу и Роту) вод

противоположный.

Средняя соленость поверхностных вод Мирового океана до­ вольно значительна — 35% 0 (34,695), вследствие чего общее коли­

чество растворенных в Мировом океане солей достигает колос­ сальных значений — 56 • 1015 т.

Наличие в Мировом океане мощной динамики вод (волнение, течения, приливы, конвекция и пр.), создающей хороший водооб-

47

мен между его отдельными частями, обусловливает хорошее пере­ мешивание и как следствие однородность состава главных ионов. Установлено, что состав веществ, определяющих соленость мор­

В результате исследования химического состава морской воды было обнаружено, что процентное соотношение между растворен­ ными в морской воде веществами довольно стабильно для различ­

стабильность, названная постоянством солевого состава морской воды, в настоящее время установлена твердо и является главней­ шей закономерностью в химии океана (табл. 1 2 ).

в 1899 г. В Стокгольме была создана специальная комиссия в со­ ставе Кнудсена, Форха, Серенсена, Петерсена, Нансена, Крюммеля, Диксона и Макарова для разработки более простого метода определения солености морских вод на основе постоянства соле­ вого состава, который позволил бы по анализу одного какого-либо компонента определить общую сумму солей, т. е. соленость мор­ ской воды.

Комиссией в качестве основной составляющей, по анализам ко­ торой рассчитывается соленость морской воды, был выбран ион хлора, который сравнительно легко определяется аргентометрическим методом:

S V o o = / ( C l ° / o o ) .

48

В результате длительной и кропотливой работы комиссией была установлена для вод морской солености зависимость между соленостью и хлорностью типа

S°[00= x -\-y C \.

Были найдены точные значения коэффициентов х и у:

S°l„0=0,030+1,8050 С1°/00,

а также определено соотношение между хлорностью и плотностью воды:

а0= _ о , 069+1,4708 С 1 - 0,001570 С12+ 0 ,0000398 С13.

По найденным соотношениям М. Кнудсеном, К. Форхом и С. Серенсеном были составлены таблицы соответствия величин, которые в СССР вошли в «Океанологические таблицы», издавав­ шиеся в 1931, 1940 и 1957 гг. под редакцией Н. Н. Зубова.

В 1959 г. Лаймен и Флеминг на основе всех накопленных ра­ нее материалов вывели следующую зависимость суммы ионов (2 °/оо) от хлорности:

ЗЧоо^обэ+сзтсн/оо.

А в 1963 г. на основании работ Р. Кокса на сессии в Беркли (США) было рекомендовано соотношение между хлорностью и соленостью представить формулой

S J/00= l , 80655 СК/00.

Все эти формулы несколько более точные, но для сравнимости с ранее накопленным материалом принято пользоваться формулой Кнудсена—Серенсена.

Уравнение связи между соленостью и хлорностью применимо только к водам морской солености для открытых районов океана и морей, имеющих хороший водообмен. Моря, частично или пол­ ностью отчлененные от океана, находятся под сильным влиянием пресного материкового стока, вследствие чего они имеют иной солевой состав и иное соотношение между главными ионами. По­ этому для таких морей (заливов) найдены свои хлорные коэффи­ циенты:

По этим формулам Государственным океанографическим ин­ ститутом были составлены таблицы соответствия величин для от­ дельных морей.