Вклад ионообменной трансформации поглощенного комплекса атмосферных аэрозолей в формирование солевого состава морской воды
- Авторы: Савенко В.С.1, Савенко А.В.1
-
Учреждения:
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
- Выпуск: Том 59, № 4 (2019)
- Страницы: 553-557
- Раздел: Химия моря
- URL: https://journals.eco-vector.com/0030-1574/article/view/16086
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0030-1574594553-557
- ID: 16086
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Обобщены данные по общей обменной емкости и составу поглощенного комплекса терригенных аэрозолей, генерируемых в аридных и семиаридных областях суши. Рассчитано, что 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 Ca2+ и удаляется соответственно 2.45–4.51, 0.73–1.34 и 0.08–0.14 млн т/год растворенных Na+, K+ и Mg2+.
Полный текст
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
- 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%.
- 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+.
Об авторах
В. С. Савенко
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Автор, ответственный за переписку.
Email: Alla_Savenko@rambler.ru
географический факультет
Россия, МоскваА. В. Савенко
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: Alla_Savenko@rambler.ru
геологический факультет
Россия, МоскваСписок литературы
- Боровский В. М., Аханов Ж. А. Об эффективности орошения в степных засушливых районах Северного Казахстана // Аридные почвы, их генезис, геохимия, использование. М.: Наука, 1977. С. 56-71.
- Бунеев А. Н. Основы гидрогеохимии минеральных вод осадочных отложений. М.: Медгиз, 1956. 228 с.
- Горбунов Н. И. Почвенные коллоиды и их значение для плодородия. М: Наука, 1967. 160 с.
- Горбунов Н. И. Минералогия и коллоидная химия почв. М.: Наука, 1974. 314 с.
- Добровольский В. В. Почвы Кении, Танзании и Уганды и их геохимические особенности // Геохимия тропических и субтропических почв и ландшафтов. М.: Изд-во МГПИ, 1973. С. 5-116.
- Кимберг Н. В. Почвы пустынной зоны Узбекской ССР. Ташкент: Фан, 1974. 298 с.
- Кожевников К. Я. О факторах образования соды в почвах // Почвоведение. 1974. № 4. С. 68-78.
- Лисицын А. П. Осадкообразование в океанах. М.: Наука, 1974. 438 с.
- Полузеров И. А., Ассинг И. А., Андреева Н. П. и др. Геохимия и минералогия пустынно-степных почв Казахстана. Алма-Ата: Наука КазССР, 1975. 158 с.
- Полузеров И. А., Султанбаев Е. А., Ассинг И. А., Андреева Н. П. Геохимия и минералогия почв сухих степей Казахстана. Алма-Ата: Наука КазССР, 1978. 168 с.
- Попов В. Г. Аридные почвы Джелалабадской долины Афганистана и их освоение // Аридные почвы, их генезис, геохимия, использование. М.: Наука, 1977. С. 226-238.
- Родин Л. Е., Базилевич Н. И., Градусов Б. П., Ярилова Е. А. Засушливая саванна Раджпутана (пустыня Тар). Почвы, продуктивность, биогеохимия // Аридные почвы, их генезис, геохимия, использование. М.: Наука, 1977. С. 196-225.
- Розанов А. И. Почвы глинистых пустынь и орошаемых районов Средней Азии. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1939. 100 с.
- Савенко А. В., Савенко В. С. Поглощенный комплекс твердых веществ речного стока и его роль в геохимическом балансе океана // Литология и полезн. ископаемые. 2016. № 1. С. 16-41.
- Савенко В. С. Роль эолового терригенного материала в осадкообразовании // Литология и полезн. ископаемые. 1988. № 1. С. 29-40.
- Савенко В. С. Геохимические проблемы глобального гидрологического цикла // Проблемы гидрологии и гидроэкологии. Вып. 1. М.: Геогр. ф-т МГУ, 1999. С. 48-72.
- Савенко В. С. Геохимия континентального звена глобального гидрологического цикла // Глобальные изменения природной среды-2001. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. С. 274-287.
- Санин С. А. Химические и агрохимические особенности пустынных почв Туркменистана. Ашхабад: Ылым, 1977. 247 с.
- Фаизов К. Ш. Почвы пустынной зоны Казахстана. Алма-Ата: Наука КазССР, 1983. 239 с.
- Kelly W. P., Liebig G. F. Base exchange in relation to composition of clay with special reference to effect of sea water // Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol. 1934. V. 18. P. 358-367.
- Kennedy V. C. Mineralogy and cation-exchange capacity of sediments from selected streams // U. S. Geol. Surv. Prof. Pap. 1965. № 433-D. P. D1-D28.
- Moberg J. P., Esu I. E., Malgwi W. B. Characteristics and constituent composition of Hartmattan dust falling in Northern Nigeria // Geoderma. 1991. V. 48. № 1-2. Р. 73-81.
- Ramsperger B., Peinemann N., Stahr K. Deposition rates and characteristics of Aeolian dust in the semi-arid and sub-humid regions of the Argentinean Pampa // J. Arid Environments. 1998. V. 39. № 3. P. 467-476.
- Sayles F. L., Mangelsdorf P. C. The equilibration of clay minerals with seawater: Exchange reactions // Geochim. et Cosmochim. Acta. 1977. V. 41. № 7. P. 951-960.
- Sayles F. L., Mangelsdorf P. C. Cation-exchange characteristics of Amazon River suspended sediment and its reaction with seawater // Geochim. et Cosmochim. Acta. 1979. V. 43. № 5. P. 767-779.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)