Процессы сорбции и десорбции (ионного обмена) приобретают в условиях маргинального фильтра особенно важное значение. Главные сорбенты здесь: гидроокислы железа, органическое вещество в разных его формах (взвешенное - терригенной, морской и солоноватоводной природы, растворенное - в форме новообразованных флоккул), глинистые минералы, кремнистые и карбонатные остатки организмов. Сорбционные свойства природных сорбентов определяются следующими физико-химическими характеристиками: удельная поверхность, заряд, рН нулевого заряда (изоэлектрическая точка), зарядная емкость [Амфлетт, 1966; Гельферих, 1962; Кокотов и Пасечник, 1970].

Имеются следующие данные об удельных поверхностях наиболее распространенных в маргинальных фильтрах сорбентов:

окисигидраты железа (гетит и др.) - 157 м²/г;

гидрооксиды марганца (бернессит и др.) - 70-350 м²/г.

Заряд поверхности зависит в первую очередь от потенциалопределяющих ионов ОН^- и Н⁺. В области низких значений рН природных вод (кислые почвы и воды) оксидные соединения Fe и Mn заряжены положительно. С повышением рН (рН морской воды около 8) положительный заряд снижается до нуля, происходит коагуляция коллоида и его поверхность приобретает отрицательный заряд. Значения рН нулевого заряда для оксигидроксидов марганца от 1.5 до 2.8, а для гидроксидов железа (гетит) 7.5-8.3.

В природных условиях сорбенты действуют обычно одновременно. Так соотношения сорбентов марганца и железа являются геохимическим критерием разделения разных генетических типов конкреций. Ионный обмен - способность или свойство твердой фазы обмениваться ионами с жидкими или газообразными электролитами без разрушения исходного ионита (при разрушении - изоморфное замещение).

Константа ионного равновесия определяет избирательность данного ионита (минерала или природного образования), определяет избирательность по отношению к ионам, находящимся в растворе, т.е. определяет способность разных ионитов избирательно извлекать из растворов и накапливать только определенные ионы. В условиях природных маргинальных фильтров это означает, что разные иониты могут накапливать и переводить в донные осадки определенные элементы, создавая геохимические аномалии.

Как и в химическом реакторе, здесь имеется система подачи реагентов, система их перемешивания, система удаления продуктов реакции и поступления новых порций реагентов.

Избирательность реакций ионного обмена определяется ситовым эффектом, т.е. размерами ионов, участвующих в реакциях замещения.

Ионнообменные свойства природных сорбентов определяются обменной (сорбционной) емкостью - количеством обменных ионов (мг-экв), приходящихся на 1 г сорбента. Для целей нашего исследования наиболее важной является динамическая (рабочая) обменная емкость - количество ионов поглощенных сорбентом (ионитом) при пропускании через него раствора до «проскока» сорбируемого иона. Для природных железо-марганцевых конкреций (сорбент оксигидраты Fe и Mn в разных соотношениях) типично возрастание сорбционной емкости от щелочных к цветным металлам и редким землям.

Так природные железомарганцевые конкреции дают следующий ряд сродства элементов к веществу сорбента (рост селективности - вправо) Na⁺ < Mn²⁺ < Ni²⁺ < Zn²⁺ < Со²⁺ < Са²⁺, Cu²⁺ < Рb²⁺ < Се²⁺ [Челищев и др., 1962]. Этим обеспечивается образование уникальных природных ассоциаций элементов в конкрециях и даже возможность их использования в промышленности для селективного извлечения ряда элементов из растворов.

Наибольшее значения для работы маргинальных фильтров имеют три компонента сорбционной системы: глинистые минералы, железо, органический углерод, меньшее значение имеют марганец и алюминий.

Общая поставка глинистого сорбента в зоны смешения составляет 16.8 млрд. т в год. Из них в гумидные зоны - 15.2 млрд. т [Лисицын, 1978]. Как отмечалось, в маргинальном фильтре задерживается 92% от этого количества, т.е. в качестве сорбента работает около 15.5 млрд. т тонкодисперсных и глинистых минералов.

Распределение и состав глинистых минералов в водосборах и в океане подчиняются закону зональности: наибольшее их количество (около 90%) поступает в океан из экваториальной зоны. Здесь характерный набор глинистых минералов включает минералы с наибольшими сорбционными емкостями: монтмориллонит (смектит), смешанно-слойные минералы, иллит, хлорит. Для умеренных гумидных зон, а также для ледовых типичен другой набор глинистых минералов: гидрослюды, хлорит. Эти зоны дают очень мало глинистых минералов. Зонально поступление также и других тонкодисперсных минералов (полевые шпаты, слюды и др.) [Лисицын, 1978].

По емкости катионного обмена (в мг-экв/100 г) глинистые минералы выстраиваются в следующий ряд: каолинит (3-15), иллит (10-40), хлорит (10-40), монтмориллонит (80-150), вермикулит (100-150). Таким образом, разница в емкости поглощения для разных глинистых минералов составляет десятки раз и в зависимости от их комплексов емкости поглощения природного маргинального фильтра существенно меняются; больше всего емкость там, где в составе взвеси речного стока больше всего монтмориллонита.

Высокими значениями емкости поглощения обладают также и некоторые наиболее распространенные в природе минералы при их тонком измельчении: полевые шпаты, слюды, амфиболы, кварц. Так тонкоизмельченные полевые шпаты имеют емкость поглощения 30-100, а слюды 50-70 мг-экв/100 г [Горбунов, 1957].

Значительна и емкость поглощения естественных смесей минералов и органического вещества почв, сносимых из водосбора. Больше всего она у черноземов (50-100), а в подзолистых таежных и тундровых почвах снижается до 10-50, в красноземах 10-20 мг-экв/100. Состав глинистых и тонкодисперсных обломочных минералов и их количество, поставляемое с суши в зону смешения вод, определяется климатической зональностью коры выветривания и почв, т.е. условиями среды в водосборе [Лисицын, 1978; Ратеев и др., 1968].

Главная форма поставки Fe с суши в океан реками - взвешенная (98% от суммы взвешенное + растворенное), однако в океанской воде главная форма растворенная, а взвесь составляет всего 6.3% от содержания [Гордеев и Лисицын, 1978]. Смена главных форм распространения этого элемента происходит в маргинальном фильтре.

Наибольшее значение для сорбционных процессов имеют свежеобразованные частицы гидроксидов, которые по наблюдениям под сканирующим микроскопом и по определениям мессбауэровской спектроскопией имеют размеры частиц в основном от 100 до 300 Å, т.е. попадают в пелитовую фракцию вместе с глинистыми минералами. Часть железа, связанная с обломочными минералами, для процессов сорбции несущественна, поскольку железо в кристаллических решетках не реакционноспособно, оно освобождается только в ходе выветривания на суше. Пространственная локализация поступления Fe в океан поэтому тесно связана с корами выветривания (максимальное количество этого сорбента поставляется из экваториальной гумидной, много меньше из умеренных гумидных зон).

Свежеобразованные оксигидраты железа - один из сильнейших и наиболее распространенных природных сорбентов. Их образование идет из растворенных форм железа в речной воде, хотя часть железа в форме оксигидратов содержится также и во взвеси (по наблюдениям за формами железа во взвеси до 40-47%) [Гордеев, 1983].

Представление о вкладе Fe-сорбента в процессы в маргинальном фильтре можно получить по разнице между его содержанием в речной воде до зоны смешения и после этой зоны, т.е. по потерям в зоне смешения. Ежегодно в маргинальных фильтрах из растворенных форм Fe образуются 1,28 млн. т Fe-сорбента (около 80% от растворенной формы). Если к этому прибавить еще аморфную и раскристаллизованную части, а также форму, связанную с органическим веществом, т.е. около 50% от взвешенного Fe, то можно получить представление о крупных масштабах работы этого сорбента в маргинальном фильтре. К 1.28 млн. т свежеобразованного оксигидрата Fe, из раствора добавляется еще 470 млн. т реакционноспособных форм из взвеси.

Содержание растворенного Fe в речных водах по крайней мере на порядок выше, чем в морских. Эксперименты и полевые наблюдения показали, что флоккуляция растворенного железа идет на начальных стадиях смешения, при солености меньше 5‰, а при солености около 15‰ она заканчивается практически полностью. Средние потери Fe из раствора и из взвеси близки - 80 и 90% соответственно. Зона массового выпадения флоккул Fe совпадает с зоной выпадения гуминовых кислот, что приводит к возникновению железогуматного сорбента, часто с примесью флоккул алюминия и обогащенного фосфором [Гордеев, 1983].

Сорбенты, связанные с органическим веществом (ОВ-сорбент), в условиях маргинального фильтра имеются как во взвеси, так и образуются из растворенных форм органики.

Лабораторные эксперименты и полевые наблюдения показывают, что общие потери растворенного органического вещества в маргинальных фильтрах невелики - от 3 до 11%, однако разные по составу компоненты органики ведут себя по-разному. Выясняются две закономерности: 1 - при смешении избирательно флоккулируют гуминовые кислоты (на 60-80% от их общего содержания, которое составляет чаще всего 3-5% от общего количества РОВ); 2 - избирательно флоккулирует коллоидная часть РОВ, составляющая 10-15% от растворенного С_орг. Коллоидная часть в условиях фильтра удаляется практически полностью, превращается в сорбент. Главная часть растворенного С_орг выпадает при соленостях 0-5 ‰. На самых начальных стадиях смешения вместе с коллоидной органикой происходит флоккуляция растворенного алюминия (30-50% от исходного его содержания в водах). В некоторых эстуариях отмечалась и десорбция алюминия при смешении речных и океанских вод.

Взвешенное органическое вещество, являющееся сорбентом для ряда элементов (в том числе урана, ванадия, германия, молибдена и др.), удаляется пропорционально общим потерям взвеси, т.е. в эстуариях осаждается около 90% этого сорбента, что составляет 352 млн. т в год. Содержание взвешенного органического углерода в речных водах связано с зональностью. Обычно цифры находятся в пределах от 2 до 20% от взвеси (в среднем 2.5% С_орг). Максимальные значения отмечаются для рек таежной и тундровой зоны (детрит древесины, коры, торф, споры и пыльца и др.).

Заметную добавку к взвешенному органическому веществу фильтра дает еще речной галофобный планктон, который, попадая в соленую воду, погибает и заменяется солоноватоводными и морскими формами. Таким образом, ОВ-сорбент в маргинальном фильтре представлен в двух формах: во взвеси (352 млн. т) и в форме флоккул (20-25 млн. т, 1/10 от растворенной органики) в год.

Главная часть растворенного марганца «проскакивает» маргинальный фильтр (задерживается только около 20%) и сорбционные свойства оксигидратов Mn реализуются в основном в пелагиали. Часть марганца, осажденная в фильтре в процессе диагенеза, может переходить в придонную воду.

Потери растворенных форм элементов в зоне смешения, как подчеркивается многими исследователями, определяются степенью сродства (по константам стабильности) элемента с сорбентами: фульво- и гуминовыми кислотами, гидроокисью железа, глинистыми минералами. Эти ряды стабильности элементов следующие [Гордеев, 1983].

1. Комплексы фульвокислот с металлами Fe3⁺ > Аl³⁺ > Cu²⁺ > Ni²⁺ > Со²⁺ > Са²⁺ > Zn²⁺ > Mg²⁺

2. Комплексы гуминовых кислот с металлами Fe³⁺ > Аl³⁺ > Cu²⁺ > Zn²⁺ > Ni²⁺ > Со²⁺ > Mn²⁺

3. На свежей гидроокиси железа Cu²⁺ > Zn²⁺ > Ni²⁺ > Cd²⁺ > Со²⁺ > Са²⁺ > Mg²⁺

4. Потери элементов в маргинальном фильтре река-море Fe > Cu > Аl > Ni, Mn, Si > Со > Cd > Са, Mg, К.

Итак, массы сорбентов в маргинальных фильтрах мира располагаются следующим образом. Больше всего (15.2 млрд. т) глинистого сорбента, на 2-3 порядка меньше ОВ-сорбента (352 млн. т во взвешенной и 20-25 млн. т в форме флоккул), на третьем месте Fe-сорбент (470 млн. т в раскристаллизованной и 1.28 млн. т - в свежеосажденных оксигидратах). Процессы сорбции в маргинальном фильтре идут во всей толще воды подобно химическим реакциям в «кипящем слое», сорбированный материал удаляется на дно организмами зоопланктона, что обеспечивает кратковременное пребывание веществ в фильтре - первые сутки - десятки суток.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МАРГИНАЛЬНОГО ФИЛЬТРА

Биологическая часть маргинального фильтра включает деятельность живых организмов от бактерий до зоопланктона, бентоса и макрофитов по преобразованию растворенных и взвешенных форм элементов речной воды и воды в зоне смешения и переводу растворенных форм элементов во взвесь (клеточное вещество, панцири), а также по биофильтрации, т.е. извлечению взвеси из воды и переводу ее в донные осадки. Рассмотрению этого посвящен ряд статей и монографий [Биогеохимия океана, 1983; Виноградов и Лисицын, 1981; Лисицын и Гордеев, 1974]. Суть этой работы состоит в том, что, используя растворенные формы элементов и газы, фитопланктон создает значительные количества взвешенного вещества. Расцвет фитопланктона в маргинальном фильтре, таким образом, отвечает массовому переводу растворенных форм во взвесь. После отмирания организмов планктона органическое вещество, а также остатки панцирей (хитин, кремнезем, карбонаты) являются сильным селективным сорбентом для ряда металлов - это вторая функция биологической части фильтра. Третья состоит в том, что флоккулы железо-гумматного состава являются питательной средой для бактерий, которые захватывают элементы из воды и также переводят растворенные их формы во взвесь. Четвертая функция - процессы биофильтрации - безвыборочное отделение взвешенных частиц от воды организмами зоопланктона. При этом мелкая рассеянная в воде взвесь связывается в крупные комки-пеллеты и переводится в донные осадки. Количественной характеристикой мощности ассимиляционной системы фитопланктона служат биомасса и первичная продукция. Количественной характеристикой бактериальной части - данные прямого счета бактерий и их биомасса. О мощности биологического насоса-фильтра, обеспечивающего динамику процесса фильтрации, судят по биомассе зоопланктона.

Интересные данные по этим показателям в применении к Карскому морю для маргинального фильтра Арктики приведены в работах М.Е. Виноградова и др. [1994].

Мощность системы биофильтра Мирового океана такова, что весь объем вод океана профильтровывается с удалением тонкой взвеси за полгода, а объем вод верхнего деятельного слоя за 18-20 суток [Биогеохимия океана, 1983]. Большая часть Карского моря по глубинам относится к деятельному слою, т.е. его объем за год профильтровывается 10-20 раз.

Мощностью фильтрационной биологической системы определяется то, что время пребывания взвеси в условиях маргинального фильтра определяется в пределах первых суток - первых десятков суток.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРОЕНИЯ И РАБОТЫ МАРГИНАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ

Схематический разрез через эстуарий или дельту показан на рис. 1 с учетом физико-химических условий среды, которые удобнее всего выражать через один показатель - соленость. Обычно в пределах зоны смешения речных и морских вод выделяют три главные части: пресноводную (соленость до 1‰), солоноватоводную (от 1 до 20 - 30‰) и соленую (более 30‰).  

Для пресноводной части характерны высокие содержания взвеси, причем на долю взвешенных форм элементов (кроме щелочных) приходится 65-95% от общего их содержания в воде; значительно содержание гуминовых и фульвокислот, железа. Характерен речной планктон и значительное содержание бактерий в воде, присутствие взвешенной и растворенной форм, органическое вещество континентального типа (по изотопному составу и другим маркерам).

Главные процессы в маргинальном фильтре идут в его второй, солоноватоводной части, причем особенно в ее начале, в интервале солености 1-5‰. Здесь возникают уникальные участки, где концентрация взвеси выше, чем в конечных членах смешения - в речных и морских водах. Это связано с процессами коагуляции и флоккуляции, когда под влиянием электролита растворенная органика, железо, алюминий и ряд других элементов переходят из раствора во взвесь. При солености около 2‰ в эстуариях обычно возникает так называемая «иловая пробка» - участки с аномально высокими содержаниями взвеси, когда коагуляция глинистых минералов совпадает в пространстве с флоккуляцией органических кислот и железа. Последние процессы более растянуты (до солености 7-8‰), но депоцентр обычно близок к 5‰. Поэтому обычно мористее иловой пробки располагается «элементорганическая пробка», где идет флоккуляция органики и оксигидратов Fe (Al), захват при соосаждении и сорбции из воды значительного количества растворенных металлов, перевод их из раствора в донные осадки.

Развитие планктона на этом участке ослаблено, поскольку очень высокие содержания взвеси в воде затрудняют проникновение света, что тормозит развитие фитопланктона (рис. 2). За пределами первых двух пробок, после просветления поверхностного слоя воды при массовом осаждении взвеси, начинается участок зоны смешения, где света достаточно и имеется много биогенных элементов. Здесь возникает участок с максимальным развитием планктона - «биологическая пробка». Развитие солоноватоводного фитопланктона обеспечивает питание зоопланктона, т.е. организмов-фильтраторов. Расцвет жизни в этой части фильтра выявляется по высоким биомассам также и в донных осадках, поскольку поток органического вещества в этих частях зоны смешения очень значителен.  

Распределение солености в реальных эстуариях и дельтах сложнее, чем показано на принципиальных схемах. Обычно выделяется поверхностный слой пресных вод толщиной до 10- 15 м , который в условиях спокойной погоды протягивается на десятки и сотни километров от устья, ниже его располагается клин соленых морских вод, т.е. вся показанная на схеме картина оказывается растянутой, что не меняет существа дела.

Важные закономерности установлены также в изменении геохимического облика взвеси и растворов на границе река-море, т.е. в области маргинального фильтра.

1. В речных водах главная форма существования элементов - взвешенная. Для большой группы элементов-гидролизатов она составляет 97-99.9%. Только небольшая группа щелочных элементов мигрирует в речных водах в основном в форме растворов.

2. На границе река-море происходит коренное изменение структуры стока для большинства элементов: основная часть элементов, находящихся во взвешенной форме, на 90-95% выпадает в осадок в маргинальном фильтре. С этим веществом уходит из воды также и до 20-40% растворенных форм элементов. Главное значение для взвешенной части имеют процессы коагуляции и флоккуляции, а также механического подпруживания речных вод при впадении их в море. Под воздействием электролита - морской воды происходит выпадение в виде флоккул также растворенного органического вещества и железа, возникают сильные сорбенты. Чаще всего это сорбенты смешанного глинисто-железистого состава с органическим веществом, что устанавливается при окрашивании флоккул соответствующими реагентами.

3. Для осаждения элементов из растворенной части главное значение имеют сородство этих элементов с главными сорбентами: органическими кислотами (гуминовые и фульвокислоты), а также с железом и глинистыми минералами.

4. В маргинальном фильтре большое значение имеют также биологические процессы - биоассимиляция (извлечение элементов из растворов и концентрация их в тысячи раз для построения клеток и панцирей организмов) и далее процессы биофильтрации. Количественной характеристикой процессов биоассимиляции являются первичная продукция и биомасса фитопланктона. Количественной характеристикой мощности биологической фильтрационной системы служит биомасса зоопланктона. Деятельность организмов по переводу растворенных форм элементов во взвеси, а далее в поток пеллетного материала и «морского снега» носит название биологического насоса. Существенную роль в маргинальном фильтре играют бактерии. Флоккулы-сорбенты захватывают из воды также и биогенные элементы и превращаются как бы в питательные гранулы, на которых развивается бактериальный слой, часто они слипаются в крупные хлопья «морского снега», которые представляют пищевую ценность для организмов-фильтраторов.

5. Совместная работа процессов механического осаждения взвеси, коагуляции под влиянием электролита, флоккуляции растворенного органического вещества, а также работы бионасоса приводят к тому, что после прохождения маргинального фильтра происходит коренное изменение как количества, так и форм существования элементов: в речных водах преобладание взвешенных форм, в морских (за пределами фильтра) - растворенных. Континентальная форма существования элементов (с преобладанием взвеси) здесь сменяется на морскую - с преобладанием растворов [Гордеев и Лисицын, 1978].

6. Таким образом, в маргинальном фильтре сочетаются: 1) механическое выпадение взвеси с удалением элементов, заключенных в кристаллические решетки минералов; 2) сорбция из растворов на взвешенной органике, на флоккулах органического вещества возникших при смешении; 3) соосаждение со свежеобразованными оксигидратами железа; 4) биоассимиляция (включая организмы планктона, бентоса и макрофиты) и биофильтрация. Все эти процессы избирательные (сорбция, соосаждение и др.), что приводит к разделению (селекции)элементов в фильтре.

7. Особенно большое значение работа фильтра имеет для удаления из воды и переводу в донные осадки взвешенных в воде и растворенных загрязнений, в том числе радионуклидов.

Размеры маргинальных фильтратов, их сорбционная емкость и пространственная локализация определяются подачей вещества с континентов и его освоением водоемом. Распределение жидкого и твердого стока на поверхности Земли крайне неравномерно. Главная часть растворенных, взвешенных и коллоидных веществ приносится реками, часть осадочного вещества поступает также эоловым путем, при абразии берегов и из глубинных слоев коры в областях спрединга. Биогенный материал, играющий важную роль в работе маргинального фильтра, возникает за счет растворенных в воде солей и газов при деятельности организмов. В настоящее время представляется возможным определить масштабы глобального фильтра, его материальные резервы.

Общая площадь водосбора Мирового океана составляет 116.86 млн. км², а на бессточные области и области внутреннего стока приходится 31.12 млн. км². Для наиболее важных рек в настоящее время имеются данные по твердому и жидкому стоку [Лисицын, 1974]. Суммарный жидкий сток рек мира по последним данным - 35 000 км³ в год [Амфлетт, 1966].

Сток взвешенных и коллоидных веществ с материков в океан составляет по последним определениям 18.29 млрд. т [Holeman, 1968], 18.53 млрд. т [Лисицын, 1974], 15.0 млрд. т [Milliman, 1991] в год.

Поступление взвешенного вещества из рек резко меняется в зависимости от климатической, вертикальной и тектонической зональности - оно максимально в юго-восточной Азии и Океании. Именно здесь располагаются самые крупные по масштабам на планете маргинальные фильтры рек Хуанхе, Ганга и Брахмапутры, Янцзы, рек Тайваня, Новой Гвинеи и др. (до 80% стока взвеси рек мира).

В связи с зональностью кор выветривания суши, распределения органического вещества и значений модуля смыва главное значение в обеспечении маргинальных фильтров веществом имеет экваториальная зона. Именно здесь сочетаются высокая температура с выпадением значительного количества атмосферных осадков, что приводит к наибольшим скоростям подготовки осадочного вещества выветриванием и к максимальным скоростям его смыва с суши в океан. Из общего поступления осадочного вещества с континентов в океан на долю экваториальной зоны приходится 76% [Лисицын, 1978], хотя по площади эта зона составляет всего около 26% от площади водосбора Земли. На долю ледовых зон приходится всего 6%, на долю двух умеренных гумидных - 12%, аридных - 6% [Лисицын, 1974; 1978]. Таким образом, пространственное распределение вещества, создающего материальную основу маргинальных фильтров, крайне неравномерно. Они в наибольших масштабах развиты в экваториальном поясе. Количественная неравномерность распределения осадочного вещества маргинальных фильтров дополняется еще различиями качественными (состав вещества), его сорбционными свойствами, ролью коллоидов и др.

Быстрые процессы перемешивания речных и морских вод существуют в тех частях эстуариев и дельт, где сохраняется турбулентность, т.е. там где сказывается скорость течения реки. За пределами этой границы легкие речные воды разливаются по поверхности более тяжелых морских и скорость перемешивания резко снижается. Эти линзы пресных вод на поверхности очень характерны для Арктики, они обеспечивают очень дальнее их распространение особенно при длительной затишной погоде. При возникновении штормов происходит перемешивание поверхностного слоя, отрыв отдельных его частей и другие нарушения. Причем полнота этого процесса находится в зависимости от силы и продолжительности штормов.

Главная часть маргинального фильтра не выходит обычно за пределы шельфа, но иногда протягивается также и до глубин 1- 2 км , т.е. захватывает верхнюю часть материкового склона.

Маргинальные фильтры, таким образом, контролируют распределение и баланс элементов в океане: в конечном счете только около 5-7% элементов, поставляемых реками с континентов, достигает открытого океана, а 93-95% осаждается по периферии в маргинальных фильтрах. Время пребывания элементов в океане сокращается благодаря фильтрам на 1-4 порядка.

Маргинальные фильтры поглощают также и часть элементов, приносимых из открытых частей океанов (из клина соленых вод).

Расположение маргинальных фильтров на шельфах делает их исключительно чувствительной системой, связанной с глобальными изменениями климата. Изменения климата во время позднекайнозойского оледенения вызывали колебания уровня, смещения фильтра то ближе к континенту, то к верхней части континентального склона (при снижении уровня во время оледенений на 120- 140 м ). Сброс вещества фильтра в глубокие части океана, а не накопление его на шельфе, мог иметь «курковый эффект». При повышении уровня океана на 1 м площадь шельфа возрастает приблизительно на 1 млн. км², при понижении - соответственно сокращается.

Таким образом, при подъеме уровня КПД работы фильтра возрастает, поскольку возрастает его площадь, возрастает расстояние от устьев рек до края материкового склона, т.е. в межледниковье фильтры захватывали максимум вещества. Маргинальные фильтры в прошлом были регуляторами климатических изменений через подъем или опускание уровня и через изменение КПД фильтра, захват органики и СO₂. Таким образом, сказывается влияние тектоники (изменений уровня) через маргинальные фильтры на климат.

МАРГИНАЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ АРКТИКИ

Для Арктики работа маргинального фильтра имеет свои уникальные особенности, связанные с развитием на протяжении большей части года льдов на поверхности моря и впадающих рек, снежного покрова, а также мерзлоты на водосборе. В зимнее время (до 7-8 месяцев в году) речной сток и поступление реагентов в маргинальные фильтр резко снижаются, резко падает также биологическая активность.

Большая часть водосборов Оби и Енисея принадлежат к тундровому и таежному ландшафтам с вечной мерзлотой. По продукции они близки к пустыням, а отношение биомасса/первичная продукция равно 0.56-0.60. Тундра возникает в условиях холодного и влажного климата со средней годовой температурой самого теплого месяца ниже +10°С. Характерен недостаток необходимых для растений элементов, что отмечается по малой зольности. Почти все растения и образующийся при их отмирании опад богаты Fe, Mn и Al. Возникают подвижные комплексы фульво- и гуминовых кислот с Fe и Аl.

Слабая активность микроорганизмов при низкой температуре приводит к накоплению опада на поверхности почвы, к его смыву весной. Для тундры типична значительная заболоченность с возникновением особого типа вод - болотных. Эти воды имеют очень низкую минерализацию и близки к водам атмосферных осадков. Обычен дефицит азота и фосфора, а также кальция [Перельман, 1975]. Наиболее распространены в этих ландшафтах отрицательно заряженные коллоиды (гумусовые, вещества, глинистые минералы, гель кремнекислоты, гидроксиды марганца). Значительно реже - положительно заряженные, среди которых особенно важны оксигидраты Fe, в меньших количествах - алюминия.

Вечная мерзлота резко сокращает деятельный слой почвы, затрудняет движение вод, благоприятствует оглеению. Вымораживание способствует концентрации солей, в частности, в ряде мест отмечается выпадение карбонатов.

Растворенное органическое вещество в водах этой зоны является ведущим геохимическим фактором, между его содержанием и содержанием в воде таких сорбентов как Fe, Al, а также медью и цинком существует прямая корреляция. Главная форма миграции металлов - в комплексах с фульвокислотами, а также в коллоидной форме, с гумусом и детритом древесины и торфа. Для водосборов таежной и тундровой зон, как отмечалось, характерно образование глеевых почв, в которых железо находится в восстановленной двухвалентной форме, т.е. подвижно в водной среде, может интенсивно мигрировать. При быстром окислении этого железа образуется гетит, при медленном - лепидокрокит. Главный перенос железа идет с фульвокислотами в форме хелатов, а также в коллоидных частицах, защищенных органическим веществом. И в том, и в другом случаях очевидна связь с органическим веществом.

В донных осадках озер и рек таежной и тундровой зоны практически единственным из окислов железа является гетит (в других зонах чаще ферригидрит), который возникает при разложении органических соединений железа [Гипергенные…, 1975].

Для маргинального фильтра р. Енисей большое значение имеют многочисленные водохранилища в его верхнем течении (крупнейшие Иркутское, Братское, Усть-Илимское, Красноярское, Саяно-Шушенское - всего 8 водохранилищ общим объемом 474 км³). Они регулируют вместе около 23% стока Енисея. Их влияние не только сокращает водный сток, но в еще большей степени твердый сток, который за последние годы сократился почти в 3 раза. Так по наблюдениям близ п. Игарка в 1961 г . твердый сток равнялся 13 млн. т, а в 1970 - 1980 гг. сократился до 4.1 млн. т. В районе Подкаменной Тунгуски (выше Игарки) соответственно 16 млн. т и 5.4 млн. т. До постройки водохранилищ дельта Енисея наращивалась за счет причленения устьевых кос и баров со скоростью 10- 30 м в год [Алабян и др., 1991].

На р. Оби построено 8 водохранилищ (объемом более 100 млн. м³ каждое) с общей емкостью 75.2 км³ [Авакян и др., 1979].

Летний режим Оби продолжается с июня по август включительно, за это время сток воды 59% от годового. Зимний режим - с ноября до марта со стоком 14% годового. Переходные (весенний и осенний) дают 11 и 14% от годового соответственно.

У г. Салехарда максимальные расходы воды во время весеннего паводка 42800 м³/с, а зимой - 2000 м³ , т.е. в 20 раз меньше. Летнее питание снего-дождевое, зимнее - за счет грунтовых вод, в связи с чем минерализация зимой намного выше.

Половодье начинается на юге водосбора и достигает устья в начале июня. Продолжается с постепенным спадом до ледостава в конце октября. Зимний режим фильтра для Оби около 220 дней.

Для Енисея также характерно весенне-летнее половодье продолжительностью 2-3 месяца (с начала июня). За это время проходит около 59% годового стока, а зимний составляет 12% стока. Зимнее состояние маргинального фильтра Енисея - 200-230 дней. В это время содержание солей в воде максимально.

Для водосборных бассейнов Арктики типичны исключительно низкие значения модуля жидкого и твердого стока, что связано с малым поступлением атмосферных осадков (влияние Сибирского максимума в Российской Арктике), вечная мерзлота и низкие температуры сковывают верхний слой почвенного покрова большую часть года. Существенно также и влияние рельефа: значительная часть водосбора р. Енисея и Оби расположена в области равнинного тундрового рельефа. Все это приводит к тому, что модуль твердого стока составляет здесь 4-9 т/км² в год при среднем для поверхности Земли 150 т км^-2 год^-1, а максимальные значения установлены для о. Тайвань - 14000 т км^-2 год^-1 [Milliman, 1991]. Существенное значение для смыва вещества из водосборов рек Сибири играет и слабая их хозяйственная освоенность.

Первая особенность огромных водосборов рек Сибири, таким образом, состоит в малой мощности коры выветривания, малом твердом стоке, малом смыве осадочного вещества с поверхности тундры и тайги.

Вторая особенность - резкая неравномерность поставки вещества к устьям рек на протяжении года, что дает возможность выделять зимний режим (200-300 дней в году) и более кратковременный летний, с поставкой главной части вещества фильтра.

Маргинальный фильтр сочетает в себе как особенности водосбора (минеральная и органическая часть речной взвеси, растворенные формы, биота), так и акватории (минеральная и органическая части морской взвеси, растворы, биота).

Маргинальные фильтры, таким образом, также как и процессы в водосборах и конечных водоемах стока, зональны.

Одна из особенностей акватории Карского моря - ее ледовитость. Ледовый покров не только сковывает водосбор, но и предохраняет поверхностные слои вод от ветрового перемешивания и потому под коркой льда слой пресных вод распространяется под припаем на значительные расстояния. Это зимнее состояние маргинального фильтра (малое поступление речных вод, низкое содержание взвеси в них, дальнее распространение верхнего слоя распресненных вод, отключение биологической части фильтра).

Еще одна особенность связана с тем, что при замерзании морской воды происходит отжим рассольной части, что приводит к образованию тяжелых соленых вод, которые стекают во внешние части шельфа по понижениям подобно тяжелым жидкостям, а далее ниспадают по материковому склону и распространяются в глубоководных частях океана. По этим каналам происходит дальнее распространение части осадочного вещества фильтра при осенне-зимнем его состоянии. Это очень важный глобальный механизм дальнего распространения осадочного вещества из ледовых зон (ледовых маргинальных фильтров).

Другая часть фильтра - поверхностная (пресная) - захватывается при замерзании льдов (верхние 2- 4 м ) и далее в ходе их дрейфа под влиянием течений и ветров, льда уносятся на значительные расстояния. Льды препятствуют перемешиванию поверхностных вод. Далее льды морей Лаптевых и Карского пересекают Арктику и попадают в северную часть Атлантики, где происходит их разгрузка от осадочного вещества (в том числе от вещества маргинальных фильтров) в проливе Фрама и к востоку от Гренландии. Осадочный материал из фильтров ледовых зон, таким образом, имеет сверхдальнее (более 1 тыс. км) распространение как по поверхности океана (со льдами), так и в придонных слоях - с водами сточных (контурных) течений. В этом уникальная особенность ледовых зон - они питают осадочным материалом и загрязнениями другие зоны и потому их изучение имеет первостепенное значение [Лисицын, 1994].

Итак, для летнего состояния маргинального фильтра в морях Арктики характерна наибольшая интенсивность работы всех его систем (седиментационных, сорбционных, биологических), максимальное прохождение речной воды и взвешенных и растворенных в ней веществ (55-65% от годового). Зимнее состояние характеризуется появлением льдов на поверхности рек и конечных водоемов стока, прекращением поверхностного стока в водосборе, резким сокращением поставки взвешенных и растворенных веществ и, следовательно, приводит к ослаблению работы фильтра с его седиментационными, сорбционными и биологическими насосами. В это время поступает только 10-15% от вещества речного стока (и загрязнений). Возникают и новые особенности, связанные с образованием льдов. Под ледовым покровом пресные воды распространяются на значительное расстояние к северу (частично намораживая льды снизу), льды защищают пресноводный слой от перемешивания волнами и потому именно в это время пресные воды проникают дальше всего. Другая их часть (пресноводный верхний слой), связывается в лед при льдообразовании и в ходе дрейфа может заноситься в северную часть Атлантического океана. Таким образом, зимой работа фильтра идет иначе, она изучена пока недостаточно.

Вещество маргинального фильтра в конечном счете осаждается на дно или в форме концентрированных скоплений (летний режим фильтра) или незначительная его часть распространяется на большие расстояния (зимний режим).

Существенные поправки в работу механизма распространения вещества фильтра вносят течения.

В Карское море воды Гренландского течения заходят с севера, проходят вдоль восточного побережья Новой Земли, в том числе над областями захоронения радиоактивных материалов, и далее поворачивают на восток - к проливу Вилькицкого (см. рис. 3). На этом пути они проходят через огромные маргинальные фильтры Оби, а затем Енисея, т.е. подвергаются двукратной очистке от загрязнений (том числе от радиоактивных). Работа в 49-м рейсе НИС «Дмитрий Менделеев» на четырех меридиональных разрезах, расположенных восточнее области захоронений радиоактивных материалов, доказали, что региональных, т.е. характерных для значительных площадей, загрязнений водной толщи и осадков Карского моря радиоактивными изотопами установить не удается.  

Другой важнейший вероятный источник радиоактивных загрязнений - воды Оби и Енисея, в водосборах которых расположены главные производства радиоактивных материалов, заводы по производству оружейного плутония, испытательные полигоны и участки взрывов «в мирных целях». Предварительные данные, полученные в рейсе, показывают, что в нижнем течении р. Обь и Енисей (в эстуариях), а также в прилегающих частях моря, где действует маргинальный фильтр, сколько-нибудь существенных отклонений от фона не устанавливается. Все это показывает, что ассимиляционная и сорбционная емкости маргинальных фильтров Карского моря достаточны для удаления поступающих сюда загрязнений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авакян А.Б., Овчинникова С.П., Фортунатов М.А. и др. Общая характеристика водохранилищ Мира // Водохранилища Мира. М.: Наука, 1979. С. 3-38.

2. Алабян A.M., Бабич Д.Б., Богомолов A.Л. и др. Современные процессы дельтообразования и история развития дельты Енисея. М.: Мир, 1991. 151 с.

3. Амфлетт В. Неорганические иониты М.: Мир, 1966. 207 с.

4. Антонов B.C. Устьевая область реки Лены. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 107 с.

5. Биогеохимия океана. М.: Наука, 1983. 366 с.

6. Виноградов М.Е., Лисицын А.П. Глобальные закономерности распределения жизни в океане и их отражение в составе донных осадков // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1981. № 3. С. 5-25.

7. Виноградов М.Е., Шушкина Э.А, Лебедева Л.П. и др. Мезопланктон восточной части Карского моря и эстуариев Оби и Енисея // Океанология. 1994. Т. 34. № 5. С. 716-723.

8. Гельферих Ф. Иониты. М.: Иностр. литерат., 1962. 191 с.

9. Гипергенные окислы железа в геологических процессах. М.: Наука, 1975. 206 с.

10. Горбунов Н.Н. Почвенные коллоиды. М.: Изд. АН СССР, 1957. 145 с.

11. Гордеев В.В. Речной сток в океан и черты его геохимии. М.: Наука, 1983. 159 с.

12. Гордеев В.В., Лисицын А.П. Средний химический состав взвеси рек мира и питание океанов речным осадочным материалом // Докл. АН СССР. 1978. Т. 238. № 1. С. 255-258.

13. Глебов Б.В., Мединец В.И., Соловьев В.Г. Интенсивность процессов биогенной седиментации // Исследование экосистем Берингова и Чукотского морей. Вып. 43. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. С. 421 -432.

14. Демина Л.Л. Формы миграции тяжелых элементов в океане. М.: Наука, 1982. 118 с.

15. Залогин Б.С., Родионов Н.А. Устьевые области рек СССР. М.: Мысль. 1969. 312 с.

16. Кокотов Ю.А., Пасечник В.А. Равновесие и кинетика ионного обмена. Л.: Химия, 1970. 218 с.

17. Лисицын А.П. Осадкообразование в океанах. М.: Наука, 1974. 435 с.

18. Лисицын А.П. Терригенная седиментация, климатическая зональность и взаимодействие терригенного и биогенного вещества в океане // Литология и полезные ископаемые. 1977. № 6. С. 3-21.

19. Лисицын А.П. Процессы океанской седиментации. М.: Наука, 1978. 390 с.

20. Лисицын А.П. Общие закономерности строения осадочных толщ океана // Геологическая история океана. М.: Наука, 1980. С. 36-104.

21. Лисицын А.П. Лавинная седиментация // Лавинная седиментация в океане. Ростов-на-Дону: Изд. Ростовск. ун-та, 1982. С. 3-59.

22. Лисицын А.П. Осадочное тело океана // Геология дна океанов по данным глубоководного бурения. М.: Наука, 1984. С. 12-62.

23. Лисицын А.П. Лавинная седиментация и перерывы в осадконакоплении в морях и океанах. М.: Наука, 1988. 308 с.

24. Лисицын А.П. Седиментосистемы океана: новый подход к изучению глобальных и региональных загрязнений // Вестник АН СССР. 1989. № 4. С. 58-67.

25. Лисицын А.П. Ледовая седиментация в морях и океанах. М.: Наука, 1994. 450 с.

26. Лисицын А.П., Виноградов М.Е. Глобальные закономерности распределения жизни в океане и их отражение в составе донных осадков. 2. Образование и распределение биогенных осадков // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1982. № 4. С. 5-24.

27. Лисицын А.П., Гордеев В.В. О химическом составе взвеси и воды морей и океанов // Литология и полез. ископаемые. 1974. № 3. С. 38-58.

28. Михайлов В.Н., Рогов М.М., Чистяков А.А. Речные дельты. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 278 с.

29. Найду А.С., Меватт Т.К. Обстановка осадконакопления и характеристика отложений дельты р. Колвилл и других рек севера Арктической Аляски // Дельты - модели для изучения. М.: Недра, 1979. С. 135-175.

30. Нестерова И.Л. Формы миграции элементов р. Оби // Геохимия. 1960. № 4. С. 355-362.

31. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа, 1975. 339 с.

32. Ратеев М.А., Горбунова З.И., Лисицын А.П., Носов Г.И. Климатическая зональность размещения глинистых минералов в осадках Мирового океана // Океанологические исследования. М.: Наука, 1968. № 18. С. 282-310.

33. Самойлов И.В. Устья рек. М.: Географгиз, 1952. 526 с.

34. Симонов А.И. Гидрология и гидрохимия устьевого взморья. М.: Гидрометеоиздат, 1969. 230 с.

35. Челищев Н.Ф., Грибанова Н.К., Новиков Г.В. Сорбционные свойства океанических железомарганцевых конкреций и корок. М.: Недра, 1962. 313 с.

36. Чухров Ф.В. Коллоиды в земной коре. М.: Изд. АН СССР, 1955. 652 с.

37. Holeman J.N. Sediment yield of major rivers of the world // Water Resources Res. 1968. V. 4. P. 737-747.

38. Milliman J.D. Flux and Fate of Fluvial Sediment and Water in Coastal Seas // Ocean Margin Processes in Global Ghange. Ed. Manteura R.F.S., Martin J.-M. and Wollast. Wiley and Sons, Chichester , 1991. P. 69-109.

39. Ocean Margin Processes in Global Change // Ed. Mantoura R.F.C., Martin J.-M., Wollast R. Wiley and Sons Chichester , 1991. 454 p.

A Marginal Filter of the Oceans

A.P. Lisitzin

Marginal filters are formed within the river and sea water mixing zones in river mouths. Intensive processes of flocculation and coagulation of dissolved (colloidal) and suspended matter, the formation of fresh ferrous and aluminium oxihydrates take place in these zones. The action of the sedimentation and sorption parts of the filter is supplemented with bioassimilation and biofiltration. All these processes result in that 93-95% of suspended matter and 20-40% of dissolved matter of river discharge (pollution included), on the average for the World rivers, are deposited in the zone. The most important role belongs to the clay sorbent (deposition of 15.2 billion tons per year), the second comes for the OM-sorbent (352 million tons of suspended matter and 20-25 million tons as organic floculii) and the third is Fe-sorbent (1.28 million tons of freshly formed and 170 million tons of crystallized oxihydrates). Peculiarities of the Arctic filters in action are considered.