ГЕОХИМИЯ, 2007, № 9, с. 999-1007
ЭЛЕМЕНТЫ КРУГОВОРОТА ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА В БАЙКАЛЕ
© 2007 г. Л. 3. Гранина*, Е. Каллендер**
*Лимнологический институт СО РАН 664033, Иркутск, п/я 4199, e-mail: liba@lin.irk.ru
**Геологическая служба США Рестон, Вирджиния, e-mail: eccallender@cox.net Поступила в редакцию 10.04.2006 г.
На основании данных, полученных в последние годы, рассмотрен внешний баланс масс и оценены элементы внутриводоемного круговорота железа и марганца в Байкале (биологическое потребление, минерализация, седиментационный и диффузионный потоки, аккумуляция в осадке, время оборота и т.д). Критическому анализу подвергнуты некоторые прежние результаты и сложившиеся представления.
От других глубоких озер мира лимносистему Байкала отличает постоянная обогащенность водной толщи кислородом до самого дна. Она обусловлена как низкой биопродуктивностью водоема, из-за чего образуется небольшое количество способного разрушаться органического вещества [1], так и регулярным поступлением богатых кислородом поверхностных вод в глубинную зону [2, 3]. Относительное содержание кислорода в поверхностных водах колеблется от 94 до 104% насыщения [1, 3]. На глубине 20-50 м над дном концентрация кислорода составляет 10-12 мг/л [4], но и в 2-5 мм над поверхностью дна она не бывает ниже 6 мг/л [5]. Кислород проникает в донные отложения, в результате поверхностные осадки окислены на большей части дна Байкала, что является одной из важнейших особенностей озера. В современной окисленной зоне, мощность которой в глубоководном Байкале 2-5 см, а в отдельных районах до 10-15 см и выше, происходит интенсивное диагенетическое накопление железа и марганца. Химическая дифференциация этих элементов ведет к образованию вторичных форм их концентрирования в виде обогащенных Бе/Мп прослоев, корочек и конкреций.
Однако Бе и Мп накапливаются не только в донных осадках, но и в живых организмах. Известно, что доступность растворенного в воде железа лимитирует рост фитопланктона на больших площадях Мирового океана, она может влиять на мощность биологического "углеродного насоса" (например, [6]). Диатомовые водоросли интенсивно извлекают из водной толщи не только железо, но и марганец [7]. В Байкале диатомеи доминируют в планктонном сообществе, поэтому биологическое потребление может играть заметную роль во внут-
реннем круговороте этих элементов. Коэффициенты их биологического накопления в фитопланктоне составляют 4 для Бе и 8 для Мп [8]. Обширный фактический материал, накопленный за многие годы изучения озера, в совокупности с новыми данными о потоках химических веществ в Байкал, составе поровых вод, речных и озерных взвесей позволяют подойти к оценке основных элементов внутреннего круговорота Бе и Мп в озере, по-новому оценить внешний баланс масс, критически пересмотреть некоторые прежние результаты, что и является целью настоящей работы.
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Поскольку Бе и Мп поступают в водоем во взвешенном и растворенном состоянии, оценка баланса масс базируется на водном балансе озера и балансе поступающих в него твердых частиц. Обширные литературные данные, обзор которых приведен в [9], свидетельствуют о том, что основную роль в питании озера химическими элементами играет поверхностный речной сток, поступление из атмосферы невелико, а ролью подземного питания можно пренебречь. Таким образом, характеристика баланса масс предполагает оценку поступления Бе и Мп в растворенном и взвешенном состоянии с речным стоком, а также их сухое и мокрое осаждение из атмосферы. Сток химических элементов осуществляется с водами Ангары - единственной реки, вытекающей из озера. Разница между поступлением и стоком представляет собой накопление элементов, которое может происходить в донных осадках и водных организмах.
Накопление (по балансу масс) 160
Рис. 1. Боксовая диаграмма для железа: баланс масс и элементы внутреннего круговорота. Все единицы в тыс. тонн/год, запас в водной толще в тыс. тонн. Поступление из атмосферы рассчитано как сумма сухих и влажных выпадений: а - по данным [8]; б - по данным [17].
Растворенные и коллоидные формы Бе и Мп в водной толще частично потребляются биотой, при отмирании которой образуется биогенный поток частиц, оседающих на дно. Уровень их минерализации может быть оценен по разности между биологическим потреблением и биогенным потоком. Осаждение частиц на дно, или седиментация, осуществляется в форме биогенного и литогенно-го потоков. Литогенный поток состоит преимущественно из частиц, образовавшихся в водной толще за счет коагуляции гидроксидов, а также из наиболее мелких частиц литогенного происхождения. Например, в Индийском океане на долю аморфных гидроксидов приходится до 24% взвешенного Мп, в Тихом - на долю адсорбированных форм и аморфных гидроксидов Мп - до 28% [10]. Навстречу седиментационному потоку направлен диффузионный поток растворенных форм Бе и Мп из донных осадков. Хотя в Байкале осадки окислены, однако небольшая мощность окисленной зоны, интенсивное растворение ее нижней части на редокс границе приводят к тому, что концентрации Бе2+ и Мп2+ в поровых водах поверхностных осадков превышают концентрации в придонной
воде [11, 12]. Возникает градиент концентраций на поверхности раздела вода-дно, который может, при определенных условиях, способствовать диффузионному потоку в водную толщу.
Таковы составляющие внешнего баланса масс и внутреннего круговорота железа и марганца в Байкале, которые мы оцениваем. В расчетах использованы сведения о площади озера и его отдельных районов, а также об объеме водной массы, взятые из [13]. Учитывая оценочный характер расчетов, мы в большинстве случаев округляли исходные данные и получаемые результаты до двух значащих цифр.
I. Внешний баланс масс для обоих элементов (рис. 1, 2) рассчитан нами ранее, расчеты подробно изложены в работе [14]. Они базируются на данных о поступлении растворенных и взвешенных форм Бе и Мп с речным стоком в Байкал и на литературных материалах о потоке этих элементов из атмосферы. Суммарное поступление взвешенных и растворенных форм железа с речным стоком составляет 160 тыс. тонн/год. Из них на растворенные формы приходится 1.3 тыс. тонн/год. Расчеты, выполненные другими авторами по
Сток с р. Ангарой 0.4 (суммарный) <0Л(растворенный)
Поступление из атмосферы
0.1а/0.2б
Поступление с притоками .у 5.0 (суммарное)
0.4 (растворенное)
Осадок Аккумуляция 7.50
Накопление (по балансу масс) 160
Рис. 2. Боксовая диаграмма для марганца: баланс масс и элементы внутреннего круговорота. Все единицы в тыс. тонн/год, запас в водной толще в тыс. тонн. Поступление из атмосферы рассчитано как сумма сухих и влажных выпадений: а - по данным [8]; б - по данным [17].
осредненным данным, дают близкую величину растворенного стока - 2.7 тыс. тонн Бе в год [8]. (Согласно более ранним оценкам, эта величина была значительно выше: примерно 28 тыс. тонн/год [15, 16].) С водами реки Ангары из озера ежегодно выносится 3,6 тыс. тонн железа [14], в том числе 0.6 тыс. тонн растворенного [16]. Суммарное поступление марганца с речным стоком составляет 5.0 тыс. тонн/год [14]. При этом с растворенными формами поступает 0.3 [8]-0.4 [16] тыс. тонн Мп/год. Ежегодный вынос марганца с водами Ангары оценен в 0.4 тыс. тонны [14], в растворенной форме выносится всего 0.02 [8]-0.04 [16] тыс. тонн/год.
Из данных, приведенных в [8], следует, что с атмосферным потоком в течение года в озеро поступает 0.1 тыс. тонн Мп и 3.6 тыс. тонн Бе. Попытка учесть выпадение элементов на водное зеркало озера не только в виде атмосферных осадков, но и в форме аэрозолей приводит к удвоению этих величин: 0.2 тыс. тонн Мп и 7.7 тыс. тонн Бе соответственно [17]. Авторы считают, что сухое выпадение примерно равно влажному.
Суммарное поступление элементов в Байкал, как с речным стоком, так и с потоком из атмосферы составляет, таким образом, около 170 тыс. тонн Бе и 5.2 тыс. тонн Мп в год. Если вычесть из него сток из озера с водами р. Ангары, то получим, что ежегодно в Байкале остается немногим более 160 тыс. тонн Бе и 4.8 тыс. тонн Мп - эти величины представлены на рис. 1 и 2 как "накопление (по балансу масс)".
II. Внутренний цикл элементов охарактеризован следующим образом.
1) Биологическое потребление элементов. Известно, что основная масса Бе и Мп биологически аккумулируется в Байкале планктоном и лишь незначительная доля - высшими звеньями трофической цепи [8, 16]. В байкальском фитопланктоне содержится от 950 до 1400 мкг Бе/г [8], в среднем около 1200 мкг Бе на грамм сухого веса, и это значение мы использовали в расчетах. Согласно [18], концентрации могут достигать 3000-6000 мкг Бе/г. Все приведенные величины сопоставимы с данными по морям и океанам: концентрация Бе в океаническом фитопланктоне в
среднем 900 мкг/г [19], а в морских диатомовых водорослях она достигает 1000-6000 мкг/г [7]. Содержание Mn в байкальском планктоне составляет от 40 до 100 мкг/г [18], по другим данным [8] - в среднем 80 мкг/г. Эти значения также согласуются с уровнем концентраций в планктоне морей и океанов: в суммарном фитопланктоне океанов 10-30 мкг Mn/г, морей - до 220 мкг Mn/г [10].
В частицах, взвешенных в поверхностных слоях байкальских вод, содержится примерно 12% [20]-15% [21] органического углерода (Сорг). В поверхностных водах взвесь представлена главным образом биологическим материалом [22], поэтому допускаем, что C/Fe = 15 : 0.12 = 125. В фитопланктоне Мирового океана отношение С/Mn составляет в среднем 2000 (Лисицын, 1964; цит. по [10]). Согласно [7], в пресноводном водоеме уровень биологической аккумуляции должен быть несколько ниже, поэтому допускаем, что в Байкале С/Mn = 3000.
Для расчета биологического потребления элементов решающее значение имеет величина первичной продукции, оценки которой для Байкала выполнены преимущественно К.К. Вотинцевым. Однако опубликованные значения варьируют в работах автора от 3.2 х 106 до 6.9 х 106 тонн Сорг в год [1, 15, 23, 24]. Анализ этих оценок, базирующийся на расчетах продукционно-деструкцион-ных характеристик озера [25], показывает, что наибол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.