ДРЕВНИЙ ОКЕАН

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОКЕАНА. Закон Форчхаммера

Установлено, что изменения в земной биосфере, обусловленные климатом, были достаточно велики как по амплитуде, так и по скоросги. чтобы создать наблюдаемые циклы растворения карбонатов... Влияние океана на климатические колебания в плейстоцене никогда не будет понято. если моделировать только неизменяющиеся условия.

В этой главе описывается химический состав современного океана и обсуждаются различные методы определения палеосолености; эти темы ведут к разделу по химии океана в период времени от 4,6 до 2,0 млрд. лет назад; заканчивается глава кратким описанием изменений химического состава океана с 2,0 млрд. лет назад по настоящее время.

Как и процесс развития континентальной коры, изменения химического состава океана можно подразделить на долгопериодные (%10s лет) тенденции систематического характера и на короткопериодные 10* лет) тенденции циклического характера. Если бы наблюдатель исследовал 2 млрд. лет назад химический состав океана, заметил бы Он те явления, которые сейчас мы идентифицируем в качестве тенденции изменений химического состава океана?

Были ли бесконечно малые направленные изменения в течение очень тигельных периодов времени достаточными для того, чтобы превратиться в «эволюционные»? Следовательно, еще один вопрос данной главы: как была достигнута и как сохраняется устойчивость химического состава океана?

Химический состав современного океана

Океан служит резервуаром, в котором перемешиваются различные вещества. Это одна из стадий непрекращающегося процесса превращения изверженных пород в осадки и осадочные породы. При лом перемешивании химический состав океана регулируется, с одной стороны, привносом ионов реками, а с другой — удалением ионов в осадки и в конце концов в горные породы.

«Соленость» указывает на количество растворенных веществ в фиксированном объеме морской воды. Со временем значительно изменялись методы измерения солености. Традиционное определение, сформулированное еще в начале века, таково: соленость — это вес в I раммах растворенного неорганического вещества в 1 кг морской поды после того, как все бромиды и иодиды замещены эквива- к.'нтным количеством хлоридов, а все карбонаты переведены в окислы.

Это определение трудно применить для анализа большого количества проб с достаточной точностью. Однако хлорность (С1) можно определить довольно легко (титрованием со стандартным раствором нитрита серебра). Хлор является главным компонентом морской воды.

В последние 20 лет измерения электропроводности морской воды позволяют определять соленость с точностью 1 х 10"*. причем этот метод прост в использовании [917]. Его применили для измерения электропроводности 135 проб натуральной морской воды из всех океанов и четырех морей (Балтийского, Черного. Средиземного и Красного), и полученные результаты сравнили с измерениями солености традиционным методом. Современный рекомендуемый метод определения солености основан на измерениях электропроводности, стандартизованных по пробам воды, в которых соленость была определена титрованием с нитратом серебра.

Вообще говоря, соленость открытого океана изменяется от 33 до 37%„. Соленость больших регионов прибрежного континентального шельфа может понижаться до 29 %„ (как, например, в обширном районе пролива Хуан-де-Фуха, около штата Вашингтон). Однако фауна этого района, насколько известно, не меняется по разнообразию и физиологии по сравнению с формами, которые считаются «нормальными морскими». Следовательно, есть смысл говорить о полном диапазоне морской солености от 29 до 37 %0 на больших площадях. Действительно, специфические значения солености должны быть, вероятно, выше или ниже указанных предельных значений. По контрасту с медленными изменениями солености вод шельфа и открытого океана условия эстуариев характеризуются быстрыми изменениями солености в незначительном диапазоне глубины, расстояния и времени. Основное отличие эстуариев от океана заключается в пространственном и временном диапазонах происходящих изменений солености, а не в ее специфических значениях.

На расстоянии нескольких градусов по широте соленость откры- юго океана может измениться на 2—4^ вследствие изменений в количестве поступающих и испаряющихся осадков { 5-1, 5-2), вызванных изменениями характера циркуляции воздуха (стр. 101). В экваториальных зонах насыщенный влагой теплый воздух поднимается и затем охлаждается, что вызывает выпадение осадков (и уменьшение солености). Этот вновь сформированный холодный сухой воздух перемещается от экватора на север и юг и опускается примерно на широте 30 , где нагревается и насыщается водой, вызывая увеличение испарения (и солености). Этот воздух перемещается по направлению к полюсам и в интервале 50 — 60 опять поднимается. охлаждается, и в результате увеличивается количество выпадающих осадков (и понижается соленость).

В небольших по площади районах, где происходит интенсивное испарение, соленость может возрастать на несколько промилле на расстояние в несколько километров. Три примера: с подветренной стороны острова Андрос (Багамы) соленость увеличивается с 32 до 39 %D на расстояние 15 км [604]. в Персидском заливе — с 50 до •00%о на расстояние свыше 25 км [665] и в бассейне Хеймлин залива Шарк. Австралия,—от 45 до 65 %0 на расстояние свыше 75 км [354]. Эти расстояния — отнюдь не Сотни километров, предусматриваемые моделью эпиконтинентального моря ().

Только 12 растворенных в морской воде элементов имеют концентрацию свыше 1 млн"1 (CI. Na, Mg, S, Са, К, Вг, С, Sr, В, Si и F;  5-1). Эти элементы (как и большинство других) находятся примерно в одинаковых пропорциях по отношению друг к друту. Это соотношение по имени исследователя, впервые установившего его, называется законом Форчхаммера. Согласно Форчхаммеру описавшему это явление более ста лет назад оно формулируется так: «Таким образом, количество различных элементов в морской воде не пропорционально тому количеству элементов, которое реки приносят в море, а обратно пропорционально той легкости, с которой элементы в морской воде переходят в нерастворимое состояние при химических или биохимических реакциях». Позднее это было подтверждено Диттмаром, химиком экспедиции «Челленджера» (1872—1876). Хотя впоследствии было установлено несколько существенных отклонений от закона Форчхаммера (например, увеличение на 0,5% отношения Са/С1 в глубинных водах), этот закон остается незыблемым и является краеугольным камнем всех предположений о солености океанов геологического прошлого.

Хотя морская вода содержит все элементы, для которых проводились исследования, соленость вовсе не обусловлена равномерным вкладом каждого из них. Как следует из табл 5-2, 97% солености океана обусловлено четырьмя ионами: С1~ (55,2%), Na+ (30,4%), SOr (7,7%) и Mg2* (3,7%).