Процессы в дельтах и эстуариях

Очень интересна химия морской воды вблизи континентальных областей — в переходной зоне между средами обитания суши и от­крытого океана.

Дельта - устьевая часть реки, в которой происходит разгрузка переносимого материала. Очертания такого участка отдаленно напо­минают букву Δ греческого алфавита. Условия образования дельты: небольшая глубина предустьевой акватории, обилие обломочного материала, переносимого рекой, отсутствие приливов, отливов и сильных вдольбереговых течений.

Эстуарии - воронкообразный в плане залив, образующийся при затоплении морем устья крупной реки в условиях высоких приливов и отливов, при небольшом количестве обломочного материала, при­носимого рекой.

Существует много различий между химизмом континенталь­ных поверхностных вод и морской водой. В частности, морская вода обладает гораздо большими концентрациями ионов натрия и хлора (Na⁺ и Сl^-) в отличие от континентальных вод с преобладанием гид­рокарбоната кальция. Морская вода является настолько концентри­рованным химическим раствором, что смешивание только 1 % (по объему) морской воды с речной водой среднего состава дает раствор, где отношение между большинством ионов практически такое же, как в морской воде. Таким образом, химические градиенты в дельтах очень высоки и относятся к ранним стадиям перемешивания.

Кроме высокого градиента по ионной силе, в некоторых дель­тах существует также градиент по рН.

Однонаправленный поток воды в реках заменяется на приливно-отливные (обратные) потоки в дельтах. Во время полной и малой воды скорость течения падает до нуля, что позволяет осаждаться и откладываться более 95 % тонкозернистого взвешенного осадка (в основном представленного глинистыми минералами и органическим веществом).

Высокий градиент ионной силы в воде дельт приводит к де­стабилизации коллоидного материала (т. е. суспензии тонкозернистого материала), вызывая его флокуляцию и выпадение на дно. Лучше можно понять этот процесс на примере глинистых минера­лов — наиболее распространенных неорганических коллоидов в дельтовых водах.

Глинистые минералы несут на поверхности отрицательный за­ряд, частично компенсированный адсорбированными катионами. Ес­ли поверхностные заряды не нейтрализованы путем адсорбции ио­нов, глинистые минералы проявляют тенденцию к сохранению со­стояния взвеси, поскольку одноименные заряды отталкиваются. Эти силы отталкивания велики по сравнению с силами притяжения Ван-дер-Ваальса и предотвращают агрегирование и выпадение частиц. Следовательно, носитель заряда, нейтрализующий поверхностные заряды, будет способствовать флокуляции частиц. Многие коллоиды флокулируют в среде электролита, и морская вода — гораздо более сильный, электролит, чем речная, — выполняет эту роль в дельтах. Катионы морской воды притягиваются к отрицательно заряженным поверхностям глин. Они формируют в растворе подвижный слой, примыкающий к поверхности глин (рис. 17), и образующийся ком­бинированный «электрический двойной слой» близок к состоянию электронейтральности. Соседние частицы могут после этого при­ближаться друг к другу и агрегировать.

Фиксированный чистый отрицательный заряд ([поверхность частицы)

Подвижный слой катионов в растре

Рис. 17. Двойной электрический слой, включающий в себя неподвижном слой отрицательных зарядов на частице и подвижный слой ионов из раствора

 

Отложение осадка в дельтах локализовано в областях с низкой соленостью за счет названных физических и химических эффектов. Осадок, однако, постоянно возвращается во взвешенное состояние вследствие приливно-отливных течений, которые движутся вверх во время прилива и вниз во время отлива. Так образуются области с высокой концентрацией взвешенно­го твердого вещества, известные как максимумы мутности. Макси­мум мутности является важной областью, поскольку многие реакции в химии окружающей среды включают обмен формами между рас­творенными и твердыми фазами. Такие реакции могут оказать существенное влияние на потоки речного материала в океаны.

Процессы перемешивания в дельтах. Поток воды в дельтах не однонаправлен; он подвержен обратным течениям во время при­ливов. В результате не существует постоянной связи между фикси­рованной географической точкой и свойствами воды (например, кон­центрацией иона кальция, Са²⁺). По этой причине данные, получен­ные в дельтах, обычно сравнивают с соленостью, а не местополо­жением. В основе лежит допущение, что соленость в дельте — это просто результат физического перемешивания, а не химических из­менений. Если в дельту впадает только одна река и не существует другого источника, то поведение любого компонента можно оценить, построив зависимость его концентрации от солености.

Если концентрация измеряемого компонента, как и соленость, контролируется простым физическим перемешиванием, их взаимо­связь будет линейной. Такое поведение компонента называется кон­сервативным. В отличие от этого, если добавлен компонент, не имеющий отношения к изменению солености, экспериментальные данные будут располагаться выше линии консервативного переме­шивания. Аналогично, если произошло удаление компонента, данные будут располагаться ниже линии консервативного перемешивания (рис. 18).

В большинстве случаев удаление или привнес компонента происходит при низких значениях солености, и можно оценить сте­пень удаления или высвобождения компонента.

Электрохимические реакции, которым подвергаются глинистые минералы речного происхождения, привнесенные в морскую воду, не заканчиваются флокуляцией частиц или осаждением агре­гатов. Способность глинистых минералов к ионному обмену озна­чает, что их перенос из речной воды с низкой ионной силой и доми­нированием Са²⁺ и НСОз^- в морские воды с высокой ионной силой и преобладанием хлорида натрия (NaCI) требует протекания реакции с новым раствором для восстановления химического равновесия. Многочисленные измерения катионного обмена на речных глинах в морской воде показали, что глинистые минералы обменивают адсорбированный Са²⁺ на ионы натрия (Na⁺), калия (К⁺) и магния (Mg²⁺) из морской воды. В целом компоненты, обладающие высоким сродством к твердым фазам такие, как растворенный фос­фор (Р) или железо (Fe), удаляются из раствора.

 

 

Концентрация

Соленость

Рис. 18. График перемешивания в дельтах рек, иллюстрирующие консервативное и неконсервативное перемешивание. Ср и См — концентрации ионов в речной и морской воде соответственно

Как и в большинстве природных сред, биологические, а осо­бенно, микробиологические процессы имеют большое значение в дельтах. Во многих дельтах высокие концентрации твердых частиц делают воду слишком мутной, что не позволяет развиваться фито­планктону. Однако в мелководных дельтах или в дельтах с низкой мутностью, а также у их направленных к морю окраин, где концен­трации взвешенных твердых частиц низкие, степень освещения мо­жет быть достаточной для поддержания роста фитопланктона. В ди­намичной среде дельты разбавление ее богатой фитопланктоном во­ды удаленными от берега водами с низким содержанием фитопланк­тона происходит с большей скоростью, чем могут расти клетки (по­пуляции фитопланктона при оптимальных условиях удваиваются во временном масштабе, равном дню или около того). Таким образом, рост популяций фитопланктона часто ограничивается скорее этим процессом разбавления, чем доступностью света или питательных веществ.

Процесс, в результате которого накапливаются отложения в дельтах, приводит к накоплению также частиц органического веще­ства. Если в дельте присутствуют большие количества его, скорости потребления кислорода вследствие аэробного процесса потребления органического вещества бактериями могут превысить скорость по­ступления кислорода. В результате уменьшаются концентрации рас­творенного кислорода.