Химический состав поверхностных и подземных вод

Среди разнообразных форм химических элементов в гидросфере наиболее типичными являются простые и сложные ионы и молекулы, находящиеся в состоянии сильно разбавленных растворов. Также распространены ионы, которые сорбционно связаны с частицами коллоидных и субколлоидных размеров, присутствующими в морской воде в виде тонкой взвеси.

Общее количество растворенных соединений в морской воде, называемое соленостью, колеблется в поверхностных слоях океанов и окраинных морей в интервале от 3,2 до 4 %. Соленость внутриконтинентальных морях изменяется в более широких пределах. Для Мирового океана принято среднее значение солености, равное 35 ‰.

Океаническая вода характеризуется замечательной геохимической особенностью, которая заключается в том, что соотношение главных элементов остается всегда постоянным независимо от колебаний солености, т.е. солевой состав океана представляет собой своего рода геохимическую константу.

Анализ кларкового содержания элементов в океане показывает, что основную массу растворенных соединений образуют хлориды распространенных щелочных и щелочноземельных элементов, намного меньшая масса приходится на сульфаты и еще меньше – на гидрокарбонаты. Концентрации рассеянных элементов в океанических водах (мкг/л) на три математических порядка меньше, чем в горных породах. При этом так же, как и в земной коре, диапазон значений кларков рассеянных элементов в Мировом океане лежит в пределах 10 математических порядков, однако имеют место существенные отличия в соотношениях элементов. В океанической воде преобладают бром, стронций, бор и фтор – концентрация этих элементов выше 1000 мкг/л. В большом количестве содержатся литий, рубидий, иод, барий, концентрация которых превышает 10 мкг/л. Рассеянные в воде молибден, цинк, уран, ванадий, титан, медь характеризуются значениями концентрации, лежащими в интервале от 1 до 10 мкг/л. Никель, марганец, кобальт, хром, ртуть, кадмий представлены в количестве от сотых до десятых долей мкг/л. Главные элементы земной коры – железо и алюминий – имеют в океане концентрацию более низкую, чем молибден и цинк. Такие элементы, как ниобий, скандий, бериллий и торий растворены в океане в наименьших количествах.

На протяжении геологической истории суммарная биогеохимическая деятельность живых организмов была ведущим фактором эволюции химического состава океана. И сегодня организмы играют важную роль в процессе дифференциации химических элементов в океане и выведения их масс в осадок. Согласно биофильтрационной гипотезе А.П. Лисицына, планктонные (главным образом зоопланктонные) организмы ежедневно профильтровывают через свои тела около 17 млн. км3 воды, что составляет около 1 % объема Мирового океана. В процессе фильтрации минеральные частицы размером 1 мкм и менее связываются в комочки (пеллеты) размером от десятков микрометров до 1 – 4 мм. При этом одновременно в телах организмов часть растворенных в воде химических элементов трансформируется в нерастворимые соединения. Связывание тонких взвесей в комочки способствует более быстрому оседанию взвешенных частиц на дно (пеллетный транспорт). Яркими примерами биогеохимической трансформации растворенных элементов в нерастворимые соединения служат образование известковых (кальцитовых) и кремниевых (опаловых) скелетов планктонных организмов, а также извлечение карбоната кальция известковыми водорослями и кораллами.

Среди глубоководных отложений океана (пелагических илов) выделяются две группы. Отложения первой группы состоят в основном из биогенных образований планктона, а отложения второй группы – из частиц небиогенного происхождения. Для первой группы наиболее характерны известковые (карбонатные) илы, для второй группы – глинистые илы. Примерно треть площади дна Мирового океана занимают карбонатные илы и более четверти – глинистые. В карбонатных отложениях относительно велика концентрация кальция, магния, стронция и иода. В глинистых илах значительно больше металлов.

Элементы, которые очень слабо переносятся из раствора в илы и постепенно накапливаются в океанической воде, называют талассофильными. Отношение между концентрациями в сумме растворимых солей морской воды и в илах называют коэффициентом талассофильности Кт. Этот коэффициент показывает, во сколько раз этого элемента больше в солевой части океанической воды по сравнению с осадком.

Таллассофильность можно оценивать по времени нахождения элемента в воде: чем больше, тем талассофильней. Скорость удаления химического элемента из океанического раствора определяют, исходя из величины его годового прихода (стока). Например, масса мышьяка, находящегося в океане, оценивается примерно в 3,6 млрд. тонн, речной сток приносит ежегодно 74 тыс. тонн этого элемента. Следовательно, полное удаление всей массы мышьяка из Мирового океана происходит за промежуток времени, равный 49 тыс. лет.

Ориентировочные оценки периодов полного удаления растворенных химических элементов из Мирового океана выполняли многие исследователи. Согласно расчетам В.В. Добровольского, рассеянные элементы можно разбить на следующие группы в соответствии с длительностью их нахождения в океаническом растворе (в годах, в последовательности увеличения периода в каждом ряду):

n·102  –  Th,  Zr,  Al,  Y,  Sc;

n·103  –  Pb,  Sn,  Mn,  Fe,  Co,  Cu,  Ni,  Cr,  Ti,  Zn;

n·104  –  Ag,  Cd,  Si,  Ba,  As,  Hg,  N;

n·105  –  Mo,  U,  I;

n·106  –  Ca,  F,  Sr,  B,  K;

n·107  –  S,  Na;

n·108  –  Cl,  Br.

Для элементов, которые имеют наименьший период полного удаления из океана, характерна наиболее интенсивная концентрация в глубоководных илах. К ним относятся торий, цирконий, алюминий, иттрий, скандий (порядок лет – 102). Близкие к ним периоды полного удаления имеют свинец, олово, марганец, железо, кобальт (порядок лет – 103). Для большей части металлов периоды полного удаления из океана составляют несколько тысяч или десятков тысяч лет. Время нахождения талассофильных элементов в растворенном состоянии – сотни тысяч лет и более.

Дисперсное органическое вещество океана, основным источником которого являются отмирающие планктонные организмы, связывает большие массы рассеянных элементов. Разрушение остатков планктонных организмов наиболее интенсивно происходит на глубине до 500 – 1000 м. В результате в осадках шельфовых и неглубоких приконтинентальных морей накапливаются значительные массы дисперсного органического вещества морских организмов, к которым добавляются органические взвеси, выносимые с суши речным стоком.

 

4. Химический состав поверхностных вод суши

Химический состав природных вод является функцией целого ряда прямых и косвенных факторов. К прямым факторам, оказывающим непосредственное влияние на формирование состава вод, относятся: химический состав и свойства горных пород и почв, жизнедеятельность живых организмов и деятельность человека. К косвенным факторам относятся условия, определяющие протекание процессов взаимодействия веществ с водой, такие как климат, рельеф, растительность и др.

По окисляемости воды можно разделить по следующим зонам:

Окисляемость	мгО/л	Зона
Очень малая	0 - 2	Высокогорье
Малая	2 - 5	Горные районы
Средняя	5 - 10	Зоны широколиственных лесов, степи, полупустыни и пустыни, а также тундра
Повышенная	15 - 20	Северная и южная тайга

 

В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого водопользования величина окисляемости не должна превышать 15 мгО/дм3; в зонах рекреации в водных объектах допускается величина окисляемости до 30 мгО/дм3.

Биохимическое потребление кислорода (БПК4). Степень загрязнения воды органическими соединениями определяют как количество кислорода, необходимое для их окисления микроорганизмами в аэробных условиях. Биохимическое окисление различных веществ происходит с различной скоростью. К легкоокисляющимся («биологически мягким») веществам относят формальдегид, низшие алифатические спирты, фенол, фурфурол и др. Среднее положение занимают крезолы, нафтолы, ксиленолы, резорцин, пирокатехин, анионоактивные ПАВ и др. Медленно разрушаются «биологически жесткие» вещества гидрохинон, сульфонол, неионогенные ПАВ и др.

Полным биохимическим потреблением кислорода (БПКПОЛН.) считается количество кислорода, требуемое для окисления органических примесей до начала процессов нитрификации. Количество кислорода, расходуемое для окисления аммонийного азота до нитритов и нитратов, при определении БПК не учитывается.

Для бытовых сточных вод (без существенной примеси производственных) определяют БПК20, считая, что эта величина близка к БПКПОЛН.

В лабораторных условиях наряду с БПКПОЛН. определяется БПК5 – биохимическая потребность в кислороде за 5 суток. В поверхностных водах величины БПК5 изменяются обычно в пределах 0,5-4 мгO/дм3 и подвержены сезонным и суточным колебаниям.

Сезонные изменения зависят в основном от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода. Влияние температуры сказывается через ее воздействие на скорость процесса потребления, которая увеличивается в 2-3 раза при повышении температуры на 10°C. Влияние начальной концентрации кислорода на процесс биохимического потребления кислорода связано с тем, что значительная часть микроорганизмов имеет свой кислородный оптимум для развития в целом и для физиологической и биохимической активности.

Величины БПК5 в водоемах с различной степенью загрязненности

Степень загрязнения (классы водоемов)	БПК5
Очень чистые	0,5 – 1,0
Чистые	1,1 – 1,9
Умеренно загрязненные	2,0 – 2,9
Загрязненные	3,0 – 3,9
Грязные	4,0 – 10,0
Очень грязные	> 10,0

 

Для водоемов, загрязненных преимущественно хозяйственно-бытовыми сточными водами, БПК5 составляет обычно около 70% БПКПОЛН.

В зависимости от категории водоема величина БПК5 регламентируется следующим образом: не более 3 мгO/дм3 для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мгO/дм3 для водоемов хозяйственно-бытового и культурного водопользования. Для морей (I и II категории рыбохозяйственного водопользования) пятисуточная потребность в кислороде (БПК5) при 20°С не должна превышать 2 мгO/дм3.

Мощный геохимический поток, создаваемый речными водами, играет важную роль в общепланетарном массообмене между сушей и океаном. Речные воды представляют собой сложные растворы, которые содержат как дисперсные взвеси, так и соединения, находящиеся в истинно растворимом состоянии. В составе растворимых соединений в речных водах преобладают анионы HCO3–, SO42–, Cl–, на долю которых приходится более 50 % от суммы растворенных веществ. Среди катионов присутствуют кальций – 12,5 %, натрий – 5 %, магний – 3,5 % и калий – 2 %. Все остальные элементы присутствуют в варьирующих микроколичествах.

В речных водах различают следующие главные формы нахождения химических элементов:

1. Ионы простые и комплексные (размер 1 нм и менее).

2. Нейтральные молекулы (размер 1 нм и менее).

3. Частицы коллоидных  размеров от 0,001 до 0,1 мкм, на поверхности  которых находятся сорбированные ионы.

4. Высокодисперсные частицы, которые состоят преимущественно  из глинистых минералов и имеют  размеры от 0,5 мкм до 1–2 мкм.

5. Более крупные взвешенные  частицы, которые представлены обломочными  минералами размером от 2–3 до 10 мкм.

Реки планеты сильно различаются минерализацией воды и содержанием взвешенных дисперсных частиц (мутностью). Средняя минерализация вод рек равна примерно 120 мг/л. С учетом этой цифры и объема годового речного стока воды в Мировой океан, количество растворимых соединений, ежегодно выносимых с суши, составляет 5,3 млрд. тонн. Среднее содержание взвешенных дисперсных частиц в континентальном стоке оценивается в 500 мг/л. Следовательно, ежегодный вынос тонкодисперсного вещества составляет 22 млрд. тонн, что в 4,2 раза превышает вынос растворимых соединений.

В речных водах содержатся также растворимые формы рассеянных элементов, которые не захвачены в биологический круговорот. На поверхности суши текучие воды характеризуются значениями рН от 4,5 до 8,5. Многие металлы (цинк, хром, медь, бериллий, свинец, кадмий, никель, кобальт и др.) при таких значениях рН могут находиться в растворенном состоянии, выпадать в осадок и вновь переходить в раствор.

В природных водах значительная часть рассеянных элементов находится не в форме простых ионов, а входит в состав неорганических комплексных соединений. Широко распространены также комплексные органические соединения металлов, особенно внутрикомплексные (хелатные), в которых ион металла имеет ионную и координационную связи с отдельными функциональными группами внутри молекулы. В комплексообразовании участвуют аминокислоты, кислоты жирного ряда, гуминовые и фульвокислоты, полифенолы и др. Образование комплексных соединений характерно для кобальта, меди, никеля, хрома, цинка, урана. При этом резко возрастает устойчивость элемента в растворе, которая уже не ограничивается щелочно-кислотными и окислительно-восстановительными условиями, необходимыми для существования в растворе простого иона.

По сравнению с водой океана определение величины средней концентрации элементов в водах суши характеризуется некоторой условностью, так как разнообразие растворимых форм элементов в речных водах, геохимические и биоклиматические различия водосборных площадей приводят к значительной вариации концентраций элементов. Общая минерализация пресных речных вод намного меньше соленых морских, тем не менее ежегодный глобальный вынос с суши рассеянных элементов в растворенном состоянии характеризуется значительными массами: для кальция, кремния, магния, натрия, сульфатной серы, хлора – сотнями миллионов тонн; для калия – десятками миллионов тонн; для алюминия, железа, стронция, фтора – миллионами тонн; для бора, брома, иода, марганца, меди, цинка – сотнями тысяч тонн. Вынос многих рассеянных элементов составляет десятки тысяч тонн и только отдельные элементы выносятся в меньших количествах.