Реферат: В. Д. Т. А. Айзатулин и проблема эволюции элементного состава океана

Корж В.Д.


Т.А. АЙЗАТУЛИН И ПРОБЛЕМА ЭВОЛЮЦИИ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ОКЕАНА


Фундаментальная проблема формирования и эволюции элементного состава океана является одной из наиболее трудноразрешимых. Большая роль в решении этой актуальной проблемы принадлежит известному океанологу Тамерлану Афиатовичу Айзатулину.

Самые общие ориентиры успешного ее решения представлены в работах академика В.И. Вернадского. Он утверждал: "В целом весь океан должен рассматриваться – в каждом его месте – как неразрывная связь мертвой, инертной материи и непрерывно изменчивого и химически меняющего мертвую окружающую водную среду живого вещества. В нем постоянно идет ток атомов из косной материи в живую и обратно…".

Однако для адекватного восприятия идей Вернадского долгое время не было соответствующих методологических оснований. Поэтому преобладающая масса исследователей искала решение этой проблемы в иных направлениях.

Виноградов А.П. в своей работе "Введение в геохимию океана"(1967) полагал, что "Содержание элементов в океанической воде определяется распространенностью данного элемента и его физико-химическими свойствами". Связь между распространенностью элементов и их содержанием в океане традиционно априори считалась линейной, следовательно не заслуживающей внимания. Основное внимание научного сообщества было сосредоточено на исследовании зависимости между содержанием элементов в морской воде и их физико-химическими свойствами. При этом обычно использовался аппарат равновесной термодинамики.

Яркую и точную характеристику этой ситуации дал Хорн, который писал: "Теоретики обычно воспринимают любой намек на бессилие термодинамики в решении реальных проблем как личное оскорбление, тогда как исследователи, постоянно и непосредственно связанные с проблемами моря, предпочитают использовать в работе таблицы и эмпирические уравнения... Термодинамика начинается с множества изящных, кажущихся, парциальных, дифференциальных величин, но кончается эмпирическими выражениями. Существует по меньшей мере четыре очень веские причины явной непригодности термодинамики для решения практических вопросов морской химии: система неидеальна, многокомпонентна, редко находится в равновесии. Четвертая причина неожиданна: основные термодинамические свойства морской воды не могут быть измерены с достаточной точностью и надежностью"(Хорн, 1972, с.51).

Одна из последних наиболее обстоятельных работ, посвященных роли физико-химических процессов в формировании элементного состава океанской воды, представлена Ли (Li, 1991). Он утверждает, что состав морской воды всецело контролируется составом твердой фазы и физико-химическими процессами, регулирующими адсорбцию. Однако эмпирический материал не дает достаточных доказательств для такого утверждения.

Известно, что на геохимическую судьбу элементов оказывает большое влияние их участие в биохимических процессах. Однако этот вопрос, в основном, сводился к изучению концентрационной функции организмов (Саенко Г.Н., 1992). Исследования соотношения между элементными составами растительных и животных организмов, с одной стороны, и средой их обитания —с другой, не прояснили вопроса о формировании элементного состава океанской воды (Yamamoto, 1972; Spaargaren, Ceccaldi, 1984).

В книге "Океан как динамическая система" Т.А.Айзатулин с соавторами (Лебедев В.Л., Айзатулин Т.А., Хайлов К.М. 1974) развил новые представления об океане. Эти представления, созвучные идеям В.И.Вернадского, оказались чрезвычайно плодотворными.

Вот некоторые цитаты из этой книги.

"Вся история изучения океана – это в сущности постепенный переход от идеи царящего в нем беспорядка и случайности к мысли о том, что он представляет собой совокупность определенным образом взаимосвязанных и, следовательно, упорядоченных физических, химических и биологических явлений, обладающих и относительно постоянной структурой, и вполне закономерным развитием. На одном из этапов, ведущих к такой идее, возникло представление об океане как открытой динамической системе."

"Океан, как и клетка, является открытой системой для обмена веществом и энергией с окружающей средой (для внешнего метаболизма) и, следовательно, он должен обдадать определенными свойствами, характерными для любых открытых систем, делающими их похожими друг на друга." (Там же с.121).

"…так же как клетки или организмы для того, чтобы поддержать свою жизнь, потребляют из окружающей среды и выделяют в нее многообразные химические вещества, твердые, жидкие, газообразные ( то, что мы называем внешним метаболизмом), океан осуществляет приличествующий его масштабам гигантский обмен химическими веществами с окружающей средой." (Там же с. 137).

"…наряду с энтропийными тенденциями, стремленнием к рассеянию и хаосу, химическая океаническая система, начиная с ее основы – воды, проявляет стремление к упорядоченности, имеет механизмы, способные поддержать эту упорядоченность на протяжении длительного времени…. Задавшись вопросом, из-за чего упорядоченный химический облик океана не рушится со временем гигантским вихрем обмена веществ внутри и вне системы, как того требуют всесильные законы термодинамики, мы пришли к выводу, что именно из за этого гигантского вихря обмена веществ. Благодаря ему и благодаря обмену энергией океан, как и клетка способен затратить работу, необходимую, чтобы поддержать свою химическую жизнь - термодинамически неравновесное состояние, менее вероятное, менее устойчивое, чем равновесное состояние, которым для него, как и для клетки, является химическая смерть. Единая суть, важнейшее обстоятельство, объединяющее и клетку и организм и океан, заключается в том, что все это – единые упорядоченные открытые динамические системы." (с.137-138).

Теория открытых динамических систем стала бурно развиваться в конце 20 века, вовлекая в свою орбиту все новые научные дисциплины.

"Этот путь от пародоксального математического объекта к обнаружению новых явлений природы в самых разных областях становится все более традиционным для неклассической науки. Именно это позволило создать новый междисциплинарный подход – теорию самоорганизации или синергетику." (Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М. 2001. С.34.)

В настоящее время синергетика как новая научная парадигма включает в себя три основные идеи: нелинейность, открытость, диссипативность. Более общей является следующая трактовка: "Синергетика является теорией эволюции и самоорганизации сложных систем мира, выступая в качестве современной (постдарвиновской) парадигмы эволюции." (Князева Е.В., Курдюмов С.П. Синергетика об условиях устойчивого равновесия сложных систем// Синергетика. Труды семинара. Выпуск 1. М. : Изд-во МГУ. 1998.) В статье "Синергетическая концепция самоорганизации Суворов В.В. дает следующее определение: "Синегетика – (от греч. Synergetikos – совместный, согласованный, действующий), научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и других) благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень ее упорядочкнности, т.е. уменьшается энтропия (самоорганизация). Основа синергетики – термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн." (Синергетика. Труды семинара. Выпуск3. М.:Изд-во МГУ. 2000.)

В книге "Океан как динамическая система" (Лебедев В.Л., Айзатулин Т.А., Хайлов К.М., 1974) есть раздел под названием "Порядок против хаоса". В нем авторы отмечают следующее.

"При первом знакомстве с океаном человек обращает внимание на его подвижную поверхность, на внешние часто кажущиеся хаотичными проявления его деятельности. Однако того, кто ближе знакомится с океаном, поражает регулярность и упорядоченность многочисленных – физических, химических, биологических – процессов, протекающих в нем, его геологическая деятельность, климатическая роль, его хозяйственный потенциал. Такому человеку океан напоминает гигантскую химическую лабораторию или метаболическую клетку. В этом образном выражении выдающегося морского микробиолога Зо-Белла прежде всего привлекает внимание верное по существу сравнение океана со сложными организованными, благодаря деятельности человека или благодаря эволюции, системами. Понятие "система" многоаспектно. При множестве определений этого понятия принципиально важно одно: система- это организованная совокупность взаимодействующих элементов (подсистем).

Из множества свойств систем, описываемых в общей теории сложных систем, важно выделить всего лишь два положения, главных для существа вопроса.

Благодаря тому, что составляющие систему элементы (подсистемы) взаимодействуют и организованы, являя собой единую совокупность, система приобретает качественно новые свойства, не присущие ни одному из составляющих ее элементов, и, следовательно, система – иное, новое качество по сравнению с ее элементами (подсистемами).

Отсюда следует, что нельзя изучить систему, исследуя лишь свойства и существо ее элементов, без знания их взаимодействия и организации их в систему. Так, одно лишь знание свойств водорода и кислорода не дает никакого знания или может дать ложное представление о свойствах и сути воды. Иными словами, изучение системы – это анализ и синтез сисиемы.

Изучение океана до последнего времени шло по пути анализа этой сложной природной системы. Среди множества обособившихся наук, изучающих подсистемы океана (физической океанологии, геологии океана, химии океана, биологии океана), на их стыке стали возникать пограничные науки об океане, являющиеся по существу первыми попытками на пути к синтезу из двух подсистем (геохимия и биохимия океана) или из трех подсистем (биогеохимия океана). Эти тенденции отнюдь не являются данью моде. Они свидетельствуют о том, что пора исключительно анализа в изучении океана заканчивается и что частные науки об океане созрели для перехода к синтезу в системы. Одновременно же в соответствии с известной логикой эволюции науки и практической деятельности человека наиболее острые современные практические запросы, предъявляемые человечеством к науке об океане,-проблемы эксплуатации ресурсов океана и охраны его от загрязнения – требуют не дифференцированного, но комплексного, точнее сказать, системного подхода и обнаруживают явную недостаточность знаний об океане, которыми располагают и могут располагать частные науки о нем.

Очевидно, что механически сведенные вместе знания, накопленные частными науками об океане, не могут дать представления о его функционировании как единой сложной системы. Необходимая, адекватная природной, система наук об океане, как и всякая система, не может быть сведена к составляющим ее подсистемам – частным наукам об океане – она должна быть качественно новым построением из составляющих ее элементов. В последнее десятилетие отмечается постепенное переключение генерального направления научных исследований от проникновения в микромир, в глубину и интимные свойства материи, с чем связаны наиболее выдающиеся успехи недавнего прошлого (овладение атомной и ядерной энергией в физике и технике; генетина в биологии; механизмы реакций в химии; проникновение в подсознание в"человековедении"), к изучению сложных ансамблей – систем (теория автоматов и кибернетика в физике и механике; экология в биологии; динамика и макрокинетика в химии; изучение организации, функционирования и управления коллективами в социологии). Кардинальными вопросами при изучении сложных систем оказываются следующие: организация и функционирование; динамика и стационарные состояния; механизмы саморегулирования и управления; устойчивость и эволюция; пространственная и видовая структура. Не случайно во всех оеанологических дисциплинах в последнее время на первый план выходят вопросы динамики подсистем, с которыми связаны эти дисциплины. Именно от этого генерального направления наук вообще ожидают наиболее выдающихся успехов науки и практики."

^ ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ОКЕАНСКОЙ ВОДЫ
Изучение химического элементного состава океанской воды имеет длительную историю, насчитывающую более трех столетий. Первые данные по количественной характеристике суммы солей в океане принадлежат Бойлю, опубликовавшему в 1676 г. «Трактат о наблюдениях над соленостью моря». Определение плотного остатка производилось выпариванием проб морской воды. Первые анализы солевого остатка морской воды были осуществлены в конце XVIII века знаменитым французским химиком А.Лавуазье в 1772 г. и шведским химиком Т.Бергманом в 1777 г. В XIX веке значительно возросли темпы исследования состава морской воды.

В 1819  г. Марсет (Marcet, 1819) опубликовал работу по изучению вод Ледовитого и Атлантического океанов, Средиземного, Черного, Балтийского, Восточно-Китайского, Южно-Китайского и Белого морей. Результаты анализов привели его к выводу о том, что «пробы морской воды во всех регионах земного шара содержат одни и те же компоненты в очень близких пропорциях, и поэтому различия в химическом составе вод различных морей состоят только в общем количестве присутствующих солей»(цит. по Хорн, 1972, с.121). В кругосветном плавании под командованием Коцебу в 1823—1826 г.г. регулярные наблюдения над соленостью вод Мирового океана проводил Э.Х.Ленц методом ареометрирования (Ленц, 1950). Несколько ранее Ленца соленость морской воды исследовал Гей-Люссак в 1812 г. Ленц, знакомый с работами Гей-Люссака, в отчете о морской экспедиции 1823—1826 г.г., опубликованном в 1831 г., указывал на то, что соотношение различных солей, присутствующих в морской воде, на всех широтах одинаково и только общее их содержание по отношению к воде, в которой они растворены, изменяется в зависимости от географического положения местности.

Работы по уточнению солевого состава океанской воды проводили Фреми в 1837 г., Моррен в 1843 г., Хейс в 1861 г. В 1855 г. американский исследователь Мори подтвердил мнение Гей-Люссака и Ленца о постоянстве солевого состава вод океана.

В 1865 г. датским геологом и химиком Г.Форххаммером был опубликован большой фактический материал по анализу основного солевого состава вод Мирового океана и некоторых морей (Forchhammtr, 1865). Следующий крупный этап в изучении солевого состава океана состоял в исследовании 77 проб воды, отобранных в кругосветной экспедиции НИС «Челенджер»(1873— г.г.). Пробы были отобраны химиком Томпсоном и затем переданы проф.В.Диттмару. Из этих 77 проб 12 были взяты с поверхности, 10 —с глубины 46— м, 21 —с глубины 183— м, 43 —с глубин более 1800 м. Данные, полученные Диттмаром в 1878— г.г., и до настоящего времени наиболее репрезентативно представляют основной солевой состав вод Мирового океана (Dittmar, 1884). Подробный обзор данных Диттмара произведен Лейменом и Флемингом (Lyman, Fleming, 1940), а затем Кэрритом и Карпентером (Carritt, Carpenter, 1959). Обзор данных по солевому составу морских вод до экспедиции «Челенджера», включая работы Форххаммера, выполнен Ротом (Roth, 1879), а затем Кларком (Clarke, 1924).

Наиболее полную для своего времени сводку по отношению катионов и анионов морских вод к хлорности привели Томпсон и Робертсон (Thompson, Robertson, 1932). Постоянство солевого состава океанской воды детально исследовано и доказано с точностью 1-2% (Culkin, 1965; Culkin, Cox,1966). По мере накопления нового материала по элементному составу океанской воды появились обобщающие работы Гольдшмита (Goldschmidt, 1954), Виноградова (1944, 1967), Ваттенберга (Wattenberg, 1938), Вернадского (1983), Свердрупа, Джонсона, Флеминга (Sverrup et al., 1942), Бруевича (1965), Бревера (Brevwer, 1975), Бруланда (Bruland, 1983), Попова и др. (1979).

Лимитирующим условием изучения элементного состава океана часто является сложность выделения и определения элементов, содержащихся в воде в микроконцентрациях. Со времени появления обобщающей работы Бревера (Brewer, 1975a) было установлено, что некоторые микроэлементы в океане имеют концентрации в 100— раз меньше, чем отмечалось прежде. В основном это было следствием преодоления ошибок отбора проб воды и подготовки ее к исследованию. Значительно усовершенствованы в последнее время инструментальные методы анализа, такие как атомно-адсорбционная спектрофотометрия, жидкостная хроматография, масс-спектрометрия и т.д. Наряду с достижением высокой чувствительности определения элементов с помощью новой техники получили развитие методы отбора проб и предварительного концентрирования. Среди них можно, например, отметить получение гидридов для выделения следовых количеств металлоидов, электрохимические методы концентрирования, жидкостная хроматография с хелатирующими агентами, такими как дитиокарбаматы, 8 гидроксихинолин и дитизон, ионный обмен и соосаждение.

Подробно сведения о классических методах отбора проб и исследования морской воды изложены в книге Барнса (Barnes, 1959). Требования к технике отбора и контролю за источниками загрязнения для разных элементов различны. Это в основном связано с различной растворимостью и распределением элементов в морской воде, а также с задачами исследований. Например, во время отбора проб морской воды используемый сосуд может быть источником загрязнения для многих микроэлементов (от пароходного дыма, стальных лопастей, краски, медного оборудования, гальванических элементов, отходов цинковых анодов и т.д.). Для некоторых микроэлементов (например, Ba, Ag, Sc) можно относительно легко обеспечить контроль за загрязнением, однако для других (например, Pb, Zn, Fe) нужно тщательно соблюдать сверхчистые условия для того, чтобы получить надежные результаты. Например, понижение оценки концентрации свинца в морской воде на три порядка за последние четыре десятилетия является результатом отбора глубоководных проб, контроля за уровнем загрязнения во время отбора, хранения и анализа проб (Schaule, Patterson, 1981).

Вопрос о методах отбора и анализа микроэлементов в морской воде подробно освещен в работах Славина (Slavin W., 1980) и Коржа (Корж В.Д. Геохимия элементного состава гидросферы. М. Наука, 1991).

Современный уровень знания среднего элементного состава океанской воды представлен на рис.1. Он оказался вполне достаточен для количественного определения закона эволюции элементного состава морской воды и характера зависимости между содержанием химических элементов в океане и их свойствами и распространенностью.

Р
ис 1.
^ Средние концентрации химических элементов в океане и типы их распределения: 1 – консервативный, 2 – биогенный, 3 – литогенный.


ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СОДЕРЖАНИЕ И ХАРАКТЕР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
^ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОКЕАНЕ

В.М.Гольдшмидт рассмотрел роль выветривания магматических пород в формировании элементного состава гидросферы, приняв, что весь натрий, содержащийся в океанской воде, является продуктом выветривания (Goldschmidt, 1954). Он подсчитал, что на 1 кг морской воды приходится 600 г первичной породы, прошедшей цикл выветривания, разложения и осаждения. Из представленных им данных следует, что поступление в океанскую воду основных катионов могло происходить главным образом при разрушении первичных пород, анионов —при дегазации мантии.

Фундаментальное значение в геохимических исследованиях гидросферы имеет факт постоянства солевого состава океанской воды, а также постоянство характера распределения концентрации отдельных химических элементов в океане. Выявлены и изучены три основных типа распределения концентраций элементов (Корж, 1991).

1. Консервативный —элементы имеют одинаковую и неизменную во времени и пространстве концентрацию, отнесенную к общей солености.

2. Биогенный —содержание элементов в поверхностных водах уменьшается вплоть до полного исчезновения в результате «выедания»растительными и животными организмами.

3. Литогенный —сложный характер распределения концентраций элементов, которые, попадая в океан с речным стоком и эоловым материалом, выводятся практически полностью в осадок.

В соответствии с устоявшимися традициями геохимики много внимания уделяли поиску возможности построения модели химического состава морской воды на основе физико-химических характеристик растворенных в ней компонентов. Заметное оживление таких исследований произошло после появления работ Гаррелса и Томпсона (Garrels, Thompson, 1962), Гаррелса и Крайста (1968) по термодинамике минералов и водных растворов электролитов. Это работы Ван-Бремена (Van Breemen, 1973); Миллеро (Millero, 1982); Миллеро, Шрайбера (Millero, Schreiber, 1982). Результаты расчета форм существования главных компонентов морской воды показывают, что все компоненты воды в океане находятся в ненасыщенном состоянии и следовательно никакие элементы не могут выделяться самопроизвольно в виде твердых осадков.

Достаточно ясно и строго возможности и реальные достижения химической термодинамики в океанологических исследованиях рассмотрены в работе Стащюка и Тищенко (1989). Реальные достижения в решении поставленных задач далеко отстают от тех надежд и ожиданий, которые питали исследователей, использующих методы химической термодинамики в решении океанологических проблем.

Большое внимание методологии исследования элементного состава морской воды уделял основатель биогеохимии В.И.Вернадский. Он отмечал, что «состав воды океана, поскольку он сейчас пополняется новым веществом, в главной своей части регулируется жизнью, живым веществом, его энергией».

Спектр факторов, используемых авторами при построении гипотез и моделей формирования элементного состава океанской воды, чрезвычайно широк. Однако ранжирование факторов осуществлялось соответственно авторским предпочтениям. Это являлось результатом несоответствия, неадекватности общего методологического подхода исследуемому сложному биосферному об'екту, каким является океан, и заводило в тупик работы по исследованию общих закономерностей формирования элементного состава океанской воды. Выход из тупика был намечен методологическими принципами В.И.Вернадского и работами Т.А.Айзатулина.
МЕТОДОЛОГИЯ
Иэ системы методологических принципов В.И.Вернадского выделяются два, определяющих необходимую стратегию изучения формирования элементного состава океанской воды.

1) Не делать никаких гипотез, а «стоять на прочной и незыблемой почве —на эмпирических обобщениях»(Вернадский, 1994, с. 315).

2) Главным из эмпирических обобщений является холическое (системное): океан, даже мысленно изолированный от атмосферы, литосферы и его живого вещества («живых пленок и сгущений») «есть фикция».

В работе «Биогеохимические очерки» В.И.Вернадский отмечал:

«Твердые массы, непрестанно, закономерно выделяющиеся из воды океана, образующие сотни минеральных видов и строящие горные породы, не могут быть об'яснены и численно определены, исходя из представления об океанической воде как о простом растворе. Из раствора такого состава при температуре и давлении океана и составе его дна и берегов ничего бы не выделялось в форме твердых фаз. Минералы, выделяющиеся в океане, суть продукты биогеохимических явлений; это органогенные образования, создаваемые геохимической энергией жизни в ее живых пленках и сгущениях»

Отсюда следует необходимость новой стратегии геохимических исследований и новых методологических подходов в изучении общих закономерностей формирования элементного состава как биосферы в целом, так и гидросферы —с учетом интегрального участия в этом «живого вещества».

Ключевым моментом исследования специфики формирования элементного состава биосферы является определение закономерностей перераспределения средних концентраций элементов между различными фазамти —твердой —жидкой —газообразной (литосфера —гидросфера —атмосфера), происходящего в результате глобального непрерывного процесса переработки косной материи живым веществом.

Наш поиск новых методологических принципов геохимического изучения океана проходил под влиянием работ Т.А.Айзатулина и практически под его непосредственным руководством. Этот поиск приводит к необходимиости определения принципиального различия причин, обусловивших постоянство элементного состава океанской воды и геологических захоронений. Постоянство состава захоронений обусловлено завершенностью в них химических, биохимических и физико-химических процессов.

Океанская вода, как доказывал Т.А.Айзатулин, принципиально отличается от таких химически инертных систем именно наличием сложнейших биохимических, физико-химических и других процессов трансформации вещества, его вывода из водной среды в осадок и в атмосферу. Непрерывность и сбалансированность этих процессов поддерживается относительно стабильной поставкой в моря и океаны растворенных и взвешенных веществ с речным стоком, эоловой взвесью и с другими источниками.

Непрерывность и сбалансированность процессов как поставки вещества в моря и океаны, так и их переработки (трансформации) и вывода из водной среды при высокой инерционности системы являются основной причиной относительного постоянства ее элементного состава. Нарушение этого баланса вследствие чрезмерного потока антропогенных веществ с речным стоком, из атмосферы или вследствие чрезмерного из'ятия элементов из водоемов или водотоков, а также других антропогенных воздействий может привести к сдвигу (возможно, необратимо) всей химической системы морской и океанской воды. Отсюда следует вывод о принципиальной несостоятельности позиции исследователей и практиков, рассматривающих морскую и океанскую воду в качестве «жидкой руды»с практически неисчерпаемым запасом химических элементов, а моря и океаны —в качестве систем с неограниченной способностью выдерживать антропогенные нагрузки.

Процессы трансформации и миграции вещества в таких подвижных, далеких от состояния равновесия системах обычно изучают с использованием аппарата макрокинетики. Задачей макрокинетики является изучение влияния на скорость химических реакций массо- и теплопереноса. Принципы макрокинетики применимы для изучения не только химических реакций, но и любых других превращений (например, фазовых), осложненных одновременно протекающими процессами массопереноса.

В морской химии аппарат макрокинетики обычно применяют для исследования поведения отдельных химических элементов, реже —совместного поведения двух взаимодействующих элементов.

Изменение концентрации таких элементов (dC/dt) в любой точке вычисляется как сумма скорости реакции (r) и скорости массообмена C:

dC/dt = C + r ,   (1)

где  —оператор массопереноса, учитывающий тем или иным способом турбулентный обмен, адвективный и седиментационный перенос в одномерном, двумерном или же в полном трехмерном его представлении в уравнении концентрационного поля.

Методические вопросы использования аппарата макрокинетики для моделирования процессов трансформации веществ и концентрационных полей в океане, а также некоторые результаты макрокинетических исследований рассмотрены в работах Т.А.Айзатулина и в монографии (Корж, 1991). Здесь отметим лишь некоторые полученные выводы, методологически и методически важные для изучения наиболее общих закономерностей формирования элементного состава океанической воды.

Процесс обычно находится в диффузионной области, т.е. определяется в основном массопереносом. Решающими звеньями, определяющими биогеохимическую структуру и функционирование океана, являются его пограничные зоны —биогеохимические барьеры. Жизнь океана осуществляется в виде иерархии биогеохимических циклов, внутренних и внешних: океан —атмосфера —литосфера —океан. Поведение большинства химических элементов в океане и особенно в биогеохимических барьерах существенно усложнено процессами седиментации, адсорбции, диспергирования и агрегироывания веществ, поверхностными явлениями, химическими и ферментативными реакциями, наконец, вовлечением в состав живого вещества и биотрансформацией, особенно микробиологической трансформацией.

Практичекая необозримость химических, биохимических, физико-химических и других процессов трансформации веществ в морской воде не позволяет достаточно эффективно применить для решения морских геохимических проблем аппарат химической кинетики в ее классическом виде и при генерализации геохимического знания, обобщениях закономерностей формирования элементного состава океанической воды делает целесообразным отказ от детального описания и моделирования концентрационных полей, процессов массопереноса и трансформации веществ. Необходимо использовать информацию в совокупной интегральной обобщенной форме. То есть здесь необходима разработка новых методологических подходов.

Нами разработана и предложена методология кибернетического подходаа к изучению закономерностей формирования элементного состава морской воды. Аналогичная методология разработана и уже применяется для исследования сложных диффузных систем в химической технологии (Налимов, 1971; Кузнецов, Зайцева, 1984). Суть ее состоит в следующем. Когда работу сложного химического предприятия, перерабатывающего сырье и выдающего новый продукт, хотят поддерживать в определенном режиме или изменить его работу в нужном направлении, ставится задача прогнозирования отклика системы на любое воздействие. При этом оставляют в стороне вопрос о процессах в реакторах и других частях системы, оперируя только понятиями «сигнал-отклик»или «вход-выход». Моря и океаны мы рассматриваем как сложные системы с многочисленными процессами трансформации вещества, поступающего через геохимические барьеры, такие, как река-море, атмосфера-океан и т.д. Результатом этих процессов является, например, средний элементный состав океана, средний элементный состав донных осадков и т.п. Важно подчеркнуть, что выбор входов и выходов зависит от поставленной задачи.

Применение кибернетического подхода к решению геохимических задач нами осуществлено в 1971 г. (Корж, 1971). В последующих работах эта методология получила дальнейшее развитие (Корж, 1985, 1987, 1988, 1991).


^ ОСНОВНЫЕ ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ОКЕАНСКОЙ ВОДЫ

Содержание и характер (тип) распределения элементов в океане обусловлены, в частности, их собственными свойствами, такими как биофильность, растворимость их химических соединений, их химическая инертность или, наоборот, высокая реакционная способность и т.д. Названные и другие свойства элементов и химических соединений, проявляющиеся в процессах трансформации и переноса веществ в гидросфере, в итоге создают своеобразный феномен —элементный состав океанской воды, являющийся фундаментальной геохимической константой. Многочисленные попытки разгадать феномен постоянства состава и характера распределения элементов в океане на основе традиционных методов исследования, рассмотренные в разделе «Факторы, влияющие на содержание  ...»не привели к желаемым результатам.

Для того, чтобы выявить основные общие закономерности формирования элементного состава гидросферы, необходимо выйти за рамки сложившихся стереотипов и занять новые позиции в отношении океана как объекта исследования.

Мы рассматриваем элементный состав океана как динамическую систему, которая наиболее адекватно может быть формализована путем количественной оценки скоростей процессов трансформации и обмена с окружающей средой. Для выявления общих закономерностей таких

процессов необходимо включить в рассмотрение все исследованные химические элементы. Основное условие успеха —достаточно надежная изученность их основного массива. При этом наиболее удобной и продуктивной для таких исследований является графическая форма представления эмпирического материала. Величины концентраций различных элементов в гидросфере находятся в пределах 100 –1012 моль/л, т.е. различие достигает двенадцати порядков. Поэтому графическое сопоставление концентраций элементов в океане возможно лишь в том случае, если они выражены в логарифмической форме (рис.1). Таким способом впервые удалось обнаружить, что характер распределения элементов в океане практически безошибочно раскрывается через отношение их средних концентраций в океанской и речной воде (Корж,1988), а именно (см. рис.2):

Рис.2.

Относительные концентрации растовренных форм элементов в океанской и речной воде.






Консервативный тип распределения в океане — С  А(океан)  >  С  А(реки)
^ Биогенный тип распределения в океане — С А(океан)  ~  С А(реки)
Литогенный тип распределения в океане — С А(океан) <<  С А(реки)

Динамика отношения между содержанием элементов в океане, речной воде и литосфере может быть раскрыта путем исследования положения химических элементов на плоскости, представленной графиками с координатами: lgСА(ок)-lgСА(лит) ; lgСА(реки)-lgСА(лит) ; lgСА(ок)-lgСА(реки), где СА(ок) и СА(реки) - средние концентрации растворенных  форм элементов (г моль/л) в океане и речном стоке, соответственно; СА(лит)   средние концентрации элементов в литосфере (г моль/кг).


Здесь мы предлагаем использовать кибернетический подход к изучению геосферных

объектов. При этом рассматриваем океан как сложную систему с многочисленными физическими, химическими, биологическими процессами, которые перерабатывают вещество, поступающее в океан через геохимические барьеры, такие как река-море, атмосфера-океан и т.п. Результатом этих процессов является, например, относительное постоянство элементного состава океана, средний химический состав донных осадков и т.п.

Использование этой методологии начнем с исследования системы литосфера - океан. Коэффициент корреляции для 67 изученных элементов равен 0,68. Зависимость между содержанием элементов в океане и в литосфере в общем случае нелинейна. Геометрическое место точек, соответствующее равным концентрациям в океане и литосфере,помогает выявить наиболее гидрофильные элементы, к которым относятся хлор, бром, сера, натрий, бор, иод, углерод. Рассмотрим зависимость между средним содержанием растворенных форм элементов в речном стоке и литосфере. При количестве изученных элементов, равном 64, коэффициент корреляции равен 0.79. Прямые, параллельные линии, проходящей через алюминий, железо, титан и др., выявляют группы элементов, содержание которых в речном стоке линейно зависит от их содержания в литосфере с одним и тем же коэффициентом, т.е. группы элементов, содержащихся в литосфере в соединениях, основная часть которых обладает одинаковой растворимостью.

График зависимости среднего элементного состава океанской и речной воды представлен на рис.3. При количестве изученных элементов, равном 64, коэффициент корреляции равен 0,94.


Рис. 3

сотношение между средними концентрациями растворенных форм элементов в океанской и речной воде.

Линия, соответствующая уравнению, полученному методом линейной регрессии, составляет с осью абсцисс угол 370 , tg a = 0,75. Обращает на себя внимание тот факт, что все элементы расположены по одну сторону от линии (или на самой линии) образующей с осью абсцисс угол, тангенс которого равен 0,70. Эта линия описывается уравнением:

СА(реки) = 10-3,4  СА(ок)0,7   (2)


Для выяснения геохимического фактора, обусловившего именно такой характер распределения элементов на графике (см. рис.3), следует обратиться к вопросу о генезисе элементов, содержащихся в речном стоке. Естественный химический состав речного стока формируется двумя основными источниками вещества. Один из них —вещество земной поверхности (горные породы, почвы, осадочные породы континентов и т.п.), другой —поверхность океана. С поверхности океана соли поступают в атмосферу с микробрызгами и с парами воды. Они переносятся воздушными массами на континенты, где участвуют в формировании солевого состава речных вод. Если принять предположение о п