По ту сторону границы раздела вода - дно

Поверхность раздела вода -донные отложения служит границей, по-видимому, наибольшего в природе биогеохимического контраста. В океане глубина проникновения организмов в грунт ограничивается, как правило, всего десятком сантиметров. В песчаный грунт простейшие организмы заходят чуть глубже 10 см, а нематоды- лишь на несколько сантиметров. В илистом же песке около 90% биомассы грунта сосредоточено в верхнем пограничном слое толщиной всего 1 - 2 см [Arlt, 1973]. Даже бактерии на 50% сосредоточиваются в верхнем сантиметровом слое. Неудивительно, что он же - слой наивысшей ферментативной активности. Эта особенность обусловлена тем, что основной способ переноса вещества в донных осадках -молекулярная диффузия. Поскольку на дне осаждается и окисляется органический детрит, а молекулярно-диффузионный поток растворенного кислорода в толщу осадков слишком слаб, очень близко к их поверхности подступает бескислородная (анаэробная) зона, содержащая сероводород. В осадках уже на глубине 10 - 20 см количество аэробных бактерий падает на 2 порядка, а ниже встречаются в изобилии только анаэробные бактерии, на глубине около 1 м и они начинают исчезать.

На границе аэробной и анаэробной зон резко уменьшается величина окислительно-восстановительного потенциала - редоксклин (рис. 29). Редоксклин отделяет верхний пограничный слой донных осадков, в котором вещества находятся в окислительной форме, от слоя с восстановительными условиями, где биохимически образуются из сульфатов - сероводород, из нитратов - аммиак, из кислородсодержащих органических соединений- углеводороды, а металлы переходят в низшее валентное состояние.

Поскольку на расстоянии всего нескольких сантиметров по вертикали концентрация окисленных органических и неорганических соединений (AO_x) падает от значительных величин практически до нуля, т. е. отрицательный градиент концентрации

очень высок, существует довольно сильный молекулярно-диффузионный поток

направленный вниз (ось z направляем от границы вниз, в толщу осадка).

Рис. 29. Биогеохимический фронт в верхнем слое осадков обозначен редоксклином. Граница наибольших контрастов в океане.

Попав в анаэробный слой, окисленные соединения теряют кислород - восстанавливаются,

и тут же начинают перемещаться вследствие диффузии в обратном направлении, вверх, так как существует столь же значительный положительный градиент концентрации восстановленных соединений тех же элементов

Попав в аэробный слой с высоким значением окислительно-восстановительного потенциала, эти восстановленные соединения окисляются

и все повторяется сначала.

Однако эти биогеохимические микроциклы углерода, серы, азота, металлов, показанные на рис. 29, не изолированы от окружающей среды. Для придонных экологических систем очень важен обмен вод с осадками соединениями органогенных элементов - углерода, азота, серы, а также фосфора. Восстановленное соединение фосфора, аналогичное восстановленным соединениям азота и серы, т. е. аммиаку и сероводороду,- фосфин РН₃ обнаружили только один раз (в Каспийском море). Видимо, в подобном окислительно-восстановительном микроцикле фосфаты не участвуют. Частично они связываются ионами кальция и переходят из воды в донные отложения. Но в анаэробных условиях они высвобождаются и значительная их часть возвращается в толщу вод. Причем скорость высвобождения фосфатов пропорциональна активности бактерий, восстанавливающих сульфаты до токсичного сероводорода.

Толщина пограничного слоя осадков зависит не только от динамических факторов (например, взмучивания при волнении и т. д.), но и от массы самых разных обстоятельств, например, от организмов, взрыхляющих грунт. В то же время условия жизни этих организмов зависят от близости и мощности анаэробного слоя. Другой важный фактор - характер грунта. В плотном и заиленном грунте редоксклин располагается почти на самой его поверхности, и в верхнем миллиметровом слое, где редокс-потенциал падает до критической величины 0,2 мВ, нитрифицирующие бактерии грунта не в состоянии окислить аммиак, он свободно выделяется в воду с поверхности осадков, ухудшая условия жизни бентоса и кислородный режим придонных вод.

При обеднении придонного пограничного слоя вод кислородом (менее 0,14 мл О₂/л),аэто бывает при слабой циркуляции и обильном поступлении органических веществ, например, при загрязнении, начинается генерация сероводорода из сульфатов, редоксклин «отрывается» от поверхности осадков и поднимается все выше в толщу вод, оставляя за собой, внизу, почти безжизненное пространство, содержащее сероводород и аммиак и населенное, как первобытный океан, лишь анаэробными бактериями. В Черном море и во впадине Кариако оно занимает более чем километровую толщу вод. В связи с загрязнением окружающей среды возникли опасения, что «отрыв» редоксклина от поверхности осадков может начаться повсеместно в Мировом океане в ближайшее время, а, возможно, незаметно для нас уже и начался.

С процессами, протекающими на границе раздела вода - дно, в пограничном слое осадков и в их толще, связаны и две другие жизненно важные научные проблемы: рудо- и нефтеобразования.

Несмотря на важность этих проблем, как отмечает Р. Хорн [1972], «наши знания относительно химизма взаимодействия морской воды с осадками находятся пока, очевидно, на самом низком уровне, и предположения относительно процессов, вызывающих различие в составе иловых вод, остаются в основном в области умозрительных заключений».

Нельзя сказать, что эта недостаточность знаний процессов взаимодействия на границе раздела вода - дно и в прилегающих пограничных слоях проистекает от недостаточного внимания к ним исследователей. Например, поток литературы о железомарганцевых конкрециях - рудных агрегатах на дне океана - измеряется уже не по количеству страниц, а на вес (около 500 кг литературы в год - столько же марганца откладывается за минуту на дне всего Мирового океана). Исследователи сталкиваются с большим количеством поверхностных явлений в осадках. Каждое из них могло бы послужить темой специального расказа. Упомянем лишь некоторые физико-химические поверхностные явления, способные влиять па скорость обмена, переноса и трансформации веществ в донных осадках.

Самым важным физико-химическим обменом через границу раздела морская вода - дно Р. Хорн [1972] считает, и, по-видимому, справедливо, ионный обмен. Известно, что многие компоненты донных осадков (глинистые минералы, гуминовые кислоты и др.), как и почв, являются ионитами, т. е. нерастворимыми, но проницаемыми для раствора веществами со множеством ионов, способных обмениваться на ионы раствора (ионный обмен):

Иониты, открытые в середине прошлого века в почвах, давно с успехом используются в технике - для извлечения солей, ценных металлов, радиоизотопов, органических загрязнений. Предпринимаются попытки использовать их и для извлечения золота из морской воды. Американский ученый П. Вейс [Weisz, 1975] подсчитал даже время, необходимое дли достаточно полного извлечения следовых элементов из морской воды, оно оказалось очень большим и, конечно, зависящим от поверхности частиц ионита.

Диффузия ионов в воде, пропитывающей иониты осадков, может существенно тормозиться из-за электростатического взаимодействия зарядов ионита и диффундирующих ионов, причем торможение возрастает с увеличением заряда иона. Для трехзарядных катионов А³₊ коэффициент диффузии может составлять всего 10^-10см²/с. Повсеместным процессом в осадках, конечно, является сорбционное разделение веществ. С другой стороны, адсорбированные органические вещества могут закупоривать поры твердых частиц осадков и этим резко сокращать их активную поверхность. На скорость диффузии веществ существенное влияние, по мнению Р. Хорна, оказывает упорядочивание структуры воды вблизи твердой поверхности. Еще больше замедляет диффузию биологическая пленка на твердых частицах. Наконец, на нее влияет и температура.

Математические модели распределения веществ собственно в поровых водах осадков пока не учитывают эти сложности и очень просты. Их можно свести к стационарным и нестационарным моделям профилей распределения неконсервативных и консервативных компонент, представленным в гл. 2 и в этой главе. Нужно только вместо коэффициента турбулентной диффузии К использовать коэффициент молекулярной диффузии D, а вместо составляющей скорости течения W_x-скорость седиментации w (скорость движения границы раздела вода - осадки).

Так, в 1966 г. О. В. Шишкина для расчета коэффициента диффузии хлорид-ионов в осадках и потока этих ионов через поверхность осадков использовала простую нестационарную модель диффузии консервативной компоненты в предположении w = 0 (аналитическое решение, аналогичное решению (108); эту же задачу А. Г. Колесников и А. В. Фокин [1975] решали с условием w = const. Полученное Шишкиной значение коэффициента диффузии порядка 10^-6см²/с мы использовали в этой главе для оценки толщины пограничного слоя осадков; оценка толщины (1 см) оказалась правильной. Колесников и Фокин получили другие значения коэффициента диффузии - порядка 10^-4см²/с. Это привело бы к оценке толщины пограничного слоя осадков около 10 см. Таким образом, генерализованная модель позволила верно оценить этот важный элемент пространственной структуры, располагая жестким минимумом информации об осадках. Оказалось, что и профили распределения, построенные на ее основе, хорошо отражают типовые профили вертикального распределения в осадках разнообразных компонент, хотя никакие особенности условий в осадках, кроме наличия границ раздела, не учитывались.

Исследуя образование марганцевых конкреций и распределение их в осадках, Г. Эльдерфильд [Elderfield, 1976] использует простую стационарную модель диагенеза глубоководных осадков [Anikouchine, 1967]:

Решение этой краевой задачи легко получить классическим методом, подробно описанным выше (гл. 2 и 3). Автор даже упрощает задачу, полагая w = 0, и получает решение, прийти к которому читатель сможет совсем без труда:

Выделяя в осадках несколько внутренних границ раздела, автор получает графики вертикальных профилей распределения марганца, являющиеся комбинацией модельных профилей, построенных в гл. 2.

Простое диагенетическое уравнение используется [Vanderborght, Billen, 1975] и для построения стационарной двухслойной модели распределения нитратов в осадках с толщиной слоя, в котором протекает окисление аммиака, равной z_H:

с граничными условиями:

Решения раздельно для слоев также просто получаются классическим методом.

Особенность этих моделей заключается в предположении, что трансформация вещества, как и диффузия его, не зависит от концентрации других веществ или организмов. Однако учет взаимодействия компонент усложняет модель и реализовать ее удается, как правило, только с помощью ЭВМ.

Например, простейшая модель окисления сероводорода в осадках [Bella е. а., 1972] включает два уравнения- для концентрации сероводорода (S) и кислорода (О):

где k_s>0 - константа скорости реакции второго порядка, a γ>0 - стехиометрический коэффициент.

Аналогичная этой система уравнений турбулентной диффузии, но с учетом адвекции, описывает окисление сероводорода, а следовательно, и перемещение редоксклина в толще вод, например, Черного моря [Айзатуллин, Скопинцев, 1979]. Такие задачи встают сегодня перед морскими химиками и биологами. Они становятся теперь особенно важными в связи с проблемой прогноза последствий загрязнения морей.