Contribution of ion-exchange transformation of the adsorbed complex of atmospheric aerosols to the formation of seawater salt composition

Full Text

Процессы ионообменной трансформации поглощенного комплекса взвешенных и влекомых наносов в зоне смешения речных и морских вод приводят к ощутимым изменениям количеств растворенных веществ, поступающих в океан в составе материкового стока [2, 16, 20, 21, 24, 25]. Согласно последним оценкам [14], в результате ионного обмена сток растворенного Ca²⁺ увеличивается на 45.5 млн т/год, а растворенных Na⁺, K⁺ и Mg²⁺ — снижается на 37.3, 12.8 и 3.9 млн т/год, что в относительных величинах соответствует изменению стока этих элементов на +7.5, -12.3, -22.4 и -2.6%. То же самое должно происходить при поступлении в океан терригенных аэрозолей, представленных преимущественно почвенными частицами. Количественная оценка результатов этого процесса никогда не делалась и стала целью настоящей работы.

Самым простым и наиболее надежным способом оценки ионообменного баланса служит сравнение составов поглощенного комплекса терригенных аэрозолей и морских донных отложений, однако практическое использование этого приема ограничено небольшим числом определений состава поглощенного комплекса аэрозолей. Нам удалось найти только две работы [22, 23], содержащие результаты подобных определений, где также были приведены сведения о составе поглощенного комплекса верхних горизонтов почв, с которыми изучавшиеся аэрозоли были генетически связаны. Сравнение составов поглощенного комплекса аэрозолей и верхних горизонтов почв указывает на их схожесть (табл. 1). По содержанию в поглощенном комплексе аэрозолей и почв адсорбированные катионы располагаются в ряд: Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺>Na⁺, причем в обоих случаях Са²⁺ резко преобладает и на его долю приходится около 70% общей обменной емкости. Если допустить соответствие составов поглощенного комплекса терригенных аэрозолей и верхних горизонтов почв засушливых областей, для которых данных значительно больше, то, зная состав поглощенного комплекса морских осадков [14], можно приближенно оценить баланс ионообменных реакций, протекающих при поступлении терригенного аэрозольного материала в морскую среду.

 

Таблица 1. Общая обменная емкость (Е) и состав поглощенного комплекса аэрозолей и верхних горизонтов почв засушливых областей

Тип почв, место отбора	Е, мг-экв/100 г	Состав поглощенного комплекса, %-экв					Ссылка
		Ca2+	Mg2+	K+	Na+	Сумма
Воздушная пыль, северная Нигерия	35.25	67.5	12.5	10.6	9.4	100.0	[22]
Верхний горизонт почвы, там же	6.21	71.0	24.2	4.5	0.3	100.0	То же
Воздушная пыль, саванна Аргентины	22.8	77.8	11.0	8.2	2.9	99.9	[23]
Верхний горизонт почвы, там же	14.7	70.0	18.4	11.3	0.3	100.0	То же
Средние значения
Воздушная пыль	29.0	72.7	11.8	9.4	6.2	100.0	Данная работа
Верхние горизонты почв	10.5	70.5	21.3	7.9	0.3	100.0	То же

 

В табл. 2 приведены сведения об обменной емкости и составе поглощенного комплекса верхних горизонтов почвенного покрова аридных и семиаридных областей и вычислены средние значения для незасоленных и засоленных почв. Включение в выборку засоленных почв почти не отражается на средних концентрациях Ca ²⁺, Mg ²⁺ и K⁺ и немного (менее чем на 10%) увеличивает вклад Na⁺. Для среднего состава поглощенного комплекса верхних горизонтов почв засушливых территорий и, соответственно, терригенных аэрозолей можно, по-видимому, принять следующие значения (%-экв): Ca ²⁺ — 65, Mg ²⁺ — 24, K⁺ — 8, Na⁺ — 3.

 

Таблица 2. Общая обменная емкость (Е) и состав поглощенного комплекса верхних горизонтов почв аридных и семиаридных областей

Тип почв, место отбора	Е, мг-экв/100 г	Состав поглощенного комплекса, %-экв					Ссылка
		Ca2+	Mg2+	K+	Na+	Сумма
1	2	3	4	5	6	7	8
Незасоленные почвы
Бурые, Северный Казахстан	27.1	90.7	9.0	0.3	100.0	100.0	[1]
То же, Казахстан	15.66	72.3	24.2	3.0	0.5	100.0	[9]
Каштановые, Казахстан	13.43	72.2	20.6	4.1	3.1	100.0	То же
То же, Казахстан	26.3	85.9	12.8	1.3	(0)	100.0	[10]
Серо-бурые, Туркмения	6.46	54.0	34.1	8.8	3.0	99.9	[18]
То же, Узбекистан	11.77	47.3	35.0	9.9	7.8	100.0	[6]
Сероземы, Узбекистан	8.55	91.2	5.3	1.2	2.5	100.2	[3]
То же, Средняя Азия	10.46	74.1	16.6	7.1	2.3	100.1	[13]
То же, Афганистан	5.6	77.0	11.5	8.3	3.3	100.1	[11]
Пустынные песчаные, Узбекистан	5.90	82.0	8.3	8.1	1.6	100.0	[6]
То же, Кызылкумы	5.13	60.7	9.6	17.0	12.7	100.0	[7]
То же, Центральные Каракумы	2.93	58.7	25.0	14.4	1.9	100.0	[18]
То же, Туркмения	3.16	68.0	11.3	20.8	(0)	100.1	То же
То же, Заунгузские Каракумы	3.53	66.1	22.1	11.7	(0)	99.9	«
Пустынные среднесуглинистые, Казахстан	8.7	72	23	5		100.0	[19]
То же, легкосуглинистые, Казахстан	8.4	75	22	3		100.0	То же
То же, суглинистые, Казахстан	7.2	75	21	5		101.0	«
Такырные, Узбекистан	9.40	73.7	20.1	6.2	(0)	100.0	[6]
То же, Туркмения	7.27	61.3	27.2	9.9	1.6	100.0	[18]
То же, Юго-Западная Туркмения	18.36	36.7	52.7	7.2	3.4	100.0	То же
То же, Мургабский оазис	8.03	50.3	39.7	7.0	2.9	99.9	«
Такыры, Узбекистан	12.88	51.1	23.1	6.4	19.4	100.0	[6]
То же, Центральные Каракумы	10.54	36.9	49.6	7.9	5.7	100.0	[18]
То же, Юго-Восточное Заунгузье	11.54	63.3	26.6	5.0	5.1	100.0	То же
То же, Туркмения	5.49	71.7	10.4	12.9	4.9	99.9	«
То же, Мургабский оазис	9.10	67.9	21.5	6.2	4.5	100.1	«
То же, Юго-Западная Туркмения	14.15	40.1	48.7	7.2	4.0	100.0	«
Черноземы, Курская обл.	53.75	81.7	17.9	0.3	0.2	100.1	[3]
Почвы саванн, Индия	6.30	51.4	40.8	4.4	3.3	99.9	[12]
Почвы сухих саванн, Африка	29.5	72.4	6.9	20.0	0.7	100.0	[5]
Карбонатные черные почвы, Африка	56.5	36.2	58.7	4.3	0.8	100.0	То же
Засоленные почвы
Пустынные солонцеватые, Казахстан	9.1	66	24	10		100.0	[19]
Солонцы, Казахстан	8.8	57.4	25.9	3.7	13.0	100.0	[10]
То же, Херсонская обл.	17.4	59.2	29.4	8.6	2.9	100.1	[3]
Солонец осолоделый, Херсонская обл.	16.0	71.9	15.6	10.0	2.5	100.0	То же
Средние значения
Незасоленные почвы	13.65	65.1	24.4	8.2	3.5	101.1	Данная работа
Засоленные почвы	12.83	63.6	23.7	7.4	6.1	100.9	То же
Общее среднее	13.55	64.9	24.3	8.1	3.8	101.1	«

 

Эти соотношения в совокупности с данными о составе поглощенного комплекса морских осадков позволяют получить хотя и приближенную, но все же количественную оценку химической трансформации поглощенного комплекса терригенных аэрозолей при их поступлении в морскую среду. В результате этой трансформации происходит снижение доли поглощенного Ca ²⁺ на 50.5%-экв и увеличение долей Na⁺, K⁺ и Mg ²⁺ на 40.8, 7.2 и 2.5%-экв (табл. 3). Эти цифры, взятые с обратным знаком, соответствуют поступлению в океан или удалению указанных ионов из морской воды. Следует отметить, что расчеты трансформации состава поглощенного комплекса терригенных аэрозолей в результате их взаимодействия с морской водой хорошо согласуются с аналогичными данными для терригенного материала речного стока твердых веществ.

 

Таблица 3. Баланс ионов поглощенного комплекса при взаимодействии терригенных аэрозолей с морской водой, %-экв

Материал	Na+	K+	Mg2+	Ca2+
Терригенные аэрозоли (данная работа)	3	8	24	65
Донные отложения Мирового океана [14]	43.8	15.2	26.5	14.5
Баланс ионов при взаимодействии терригенных аэрозолей с морской водой	-40.8	-7.2	-2.5	50.5
Баланс ионов при взаимодействии терригенного материала речного стока твердых веществ с морской водой [14]	-40.2	-11.2	-8.9	60.3

 

Чтобы перейти к количественной оценке влияния на состав морской воды ионообменной трансформации поглощенного комплекса терригенных аэрозолей, необходимо также знать их общую обменную емкость. Средняя емкость поглощенного комплекса терригенных аэрозолей составляет 29.8 мг-экв/100 г (по пяти образцам [22, 23]). Поскольку обменная емкость почвенной фракции ≤1 мкм находится в пределах 30–50 мг-экв/100 г [4], а основная масса терригенного аэрозоля приходится на размерный диапазон 1–5 мкм, величину 30 мг-экв/100 г, по-видимому, можно принять в качестве среднего значения. Тогда, исходя из этого значения емкости поглощенного комплекса и изменения состава последнего при взаимодействии с морской водой (табл. 3), 1 тонна терригенных аэрозолей выделяет в морскую воду 3.04 кг Ca ²⁺ и удаляет из нее 2.82, 0.84 и 0.09 кг Na⁺, K⁺ и Mg ²⁺.

По данным разных авторов, количество поступающих в океан терригенных аэрозолей варьирует от 870 [15] до 1600 [8] млн т/год. Из приведенных выше оценок следует, что поступление в океан терригенных аэрозолей приводит к увеличению материкового стока растворенного Ca ²⁺ на 2.64–4.86 млн т/год и снижению стока растворенных Na⁺, K⁺ и Mg ²⁺ соответственно на 2.45–4.51, 0.73–1.34 и 0.08–0.14 млн т/год.

Материковый сток Na⁺, K⁺, Mg ²⁺ и Ca ²⁺ составляет 300, 58, 152 и 613 млн т/год [17]. В процентном отношении трансформация поглощенного комплекса поступающих в океан терригенных аэрозолей приводит к изменению материкового стока этих ионов соответственно на -0.8–1.5, -1.3–2.3, -0.05–0.09 и 0.4–0.8%. Это небольшие величины, которыми допустимо пренебречь при рассмотрении геохимического баланса современного океана в целом. Вместе с тем для морей со значительно более высоким отношением интенсивности выпадений терригенных аэрозолей к речному стоку, таких как, например, Средиземное море, роль трансформации поглощенного комплекса терригенных аэрозолей в геохимическом балансе может быть весьма ощутимой.

ВЫВОДЫ

1. В поглощенном комплексе терригенных аэрозолей преобладает Са ²⁺, на долю которого приходится в среднем около 65% общей обменной емкости. Вклад Mg ²⁺, K⁺ и Na⁺ составляет соответственно 24, 8 и 3%.
2. В результате изменения состава поглощенного комплекса аэрозолей, происходящего при их взаимодействии с морской водой, в океан дополнительно поступает 2.64–4.86 млн т/год растворенного Ca ²⁺ и удаляется 2.45–4.51, 0.73–1.34 и 0.08–0.14 млн т/год растворенных Na⁺, K⁺ и Mg ²⁺.

About the authors

V. S. Savenko

M.V. Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: Alla_Savenko@rambler.ru

Faculty of Geography

Russian Federation, Moscow

A. V. Savenko

M.V. Lomonosov Moscow State University

Email: Alla_Savenko@rambler.ru

Faculty of Geology

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files