Đề tài Nguồn gốc tạo nên các thành phần độ muối của đại dương và giải thích tỷ lệ giữa nồng độ của các thành phần độ muối trong đại dương là không thay đổi

Đề tài: Nguồn gốc tạo nên các thành phần độ muối của đại dương. Giải thích tỷ lệ giữa nồng độ của các thành phần độ muối trong đại dương là không thay đổi. Nguồn gốc tạo nên thành phần độ muối của nước biển Hiện nay vẫn còn nhiều vấn đề chưa sáng tỏ liên quan đến nguồn gốc hình thành thành phần hoá học biển. Có 2 quan điểm trái ngược nhau về nguồn gốc này. Quan điểm thứ nhất cho rằng thành phần nước biển lúc sơ sinh đã gần giống như ngày nay . Quan điểm thứ 2 cho rằng thành phần hoá học của thuỷ quyển nói chung và nước biển nói riêng buổi ban đầu rất nghèo nàn, phải trải qua nhiều thời đại mới được như ngày nay. Hiện nay người ta khẳng định được rằng các quá trình biến đổi của lớp vỏ đất đá và quá trình tiến hoá của khí quyển hành tinh đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình tích luỹ và biến đổi thành phần hoá học nước tự nhiên, trong đó có nước biển; đây là cơ sở vững chắc cho quan điểm thứ hai. Với cơ sở đó, người ta cho rằng nguồn gốc của phần lớn các anion trong nước biển có liên quan đến các khí thoát ra từ Manti và sau đó khí thâm nhập vào nước biển. Như vậy các anion được tạo ra chủ yếu ngay trong lòng nước biển bằng các quá trình oxi hoá các khí hoà tan. Còn với các cation, vì chúng là sản phẩm của quá trình phong hoá trên lục địa nên sự có mặt của chúng trong nước biển chủ yếu là do sông mang đến. Như vậy nguồn gốc độ muối của nước biển có thể được tìm hiểu qua nguồn gốc của chính các anion và cation trong thành phần độ muối của biển. I.1 Quá trình tiến triển của khí quyển hành tinh và nguồn gốc các anion trong nước biển Chúng ta phải nghiên cứu quá trình hình thành của bầu khí quyển vì theo nguyên lý của quy luật Henri- Dalton, một chất khí khi xuất hiện trong bầu khí quyển nó sẽ có mặt trong nước biển. Do đó thành phần của nước biển chịu sự chi phối rất lớn của khí quyển bên trên. Các nhà khoa học đã chứng minh và trình bày khá đầy đủ về quá trình hình thành của khí quyển. Chúng ta có thể tóm tắt quá trình đó như sau: Trái đất của chúng ta đã hình thành cách đây khoảng 4,5 đến 5 tỷ năm. Khi đó khí quyển sơ sinh nghèo nàn không có hơi nước, oxi và nhiều khí khác; chỉ có chủ yếu là Hidro, Hêli, bụi vũ trụ. Những biến động của trái đất sau đó đã làm thoát ra từ Manti nhiều loại khí như HBr, HI, HCL, HF, NH3, S, SO2, H2S, CH4, CO2, CO và cả hơi nước cùng với hiđro, argon…Bầu khí quyển như vậy hoàn toàn đặc trưng mang tính khử và duy trì khoảng 3 tỷ năm. Sau đó dưới tác động của quá trình quang hoá, quang hợp và oxi hoá, bầu khí quyển dần xuất hiện nhiều khí N2, O2, CO2, H2 và đặc biệt đặc trưng tính khử của khí quyển dần sang đặc trưng oxi hoá. Trong 4 khí trên chỉ có Nitơ là ổn định, 3 khí còn lại giảm trong suốt quá trình chúng xuất hiện. Cách đây khoảng 1 tỷ năm, lượng oxi trong khí quyển đạt được 0.6%, trong khoảng 300 năm tiếp theo đạt tới 8% và cho đến cách đây 400-600 triệu năm đạt 20.94%. Sau đó bầu khí quyển dần ổn định, hoàn toàn chuyển từ đặc trưng khử sang đặc trưng oxi hoá và thành phần định tính của khí quyển tương tự ngày nay. Với quá trình hình thành của khí quyển như vậy có thể chắc chắn rằng đại dương cũng trải qua các quá trình biến đổi tương tự. Trong nước biển trước đây đã có mặt hầu hết các khí mang tính khử của khí quyển ban đầu, song theo thời gian chúng đã mất dần trong các phản ứng oxi hoá xảy ra trong nước, hoặc thoát trở lại khí quyển trong quá trình giảm dần chính loại khí đó ở khí quyển. Các anion xuất hiện trong biển muộn hơn. Cũng có thể ngay từ đầu khi trong nước biển có khí HCl, HF… từ Manti trực tiếp thoát vào biển bằng các đường ngầm thì các ion Cl- và F- đã được tạo thành. Từ khi trong khí quyển xuất hiện nhiều oxi và do đó trong nước biển giàu có dần oxi ( cách đây 2,3 tỷ năm ), các phản ứng oxi hoá cũng xuất hiện cả trong khí quyển lẫn trong biển. Hầu hết các anion có mặt trong nước biển đều do quá trình này tạo ra, ví dụ: H2S + 2O2 = H2SO4 = 2H+ + SO42- NH3 + 2O2 = NO3 + H2O + H- NH3 + H2O = NH4(OH) = NH4- + OH NH4+ + 2O2 = NO3- + H2O + 2H+ 2NO2 + O2 = 2NO3 CO2 + H2O = H2CO3 = H+ + HCO3- 2BH3 + 3O2 = 2H3BO3 = 2H+ + 2H2BO3 Các anion còn có thể được tạo ra do phong hoá, hoà tan, thuỷ phân các đá trầm tích, phun trào trên lục địa, sau đó được sông mang ra biển( nhưng lượng này chiếm không nhiều), ví dụ: CaCO3 + H2O + CO2 = Ca2+ + 2HCO3 Kết quả của quá trình oxi hoá các khí có nguồn gốc từ Manti đã làm xuất hiện trong nước tự nhiên nói chung, nước biển nói riêng các anion SO42-, NO2, NO3-, H2BO3, HCO3-, CO32-… Khí quyển sơ sinh: H2, He Các khí thoát ra từ Manti Khí quyển khử: HBr, HI, HCL, HF, NH3, S, SO2, H2S, CH4, CO2, CO… Khí quyển oxi hoá: N2, O2, CO2, H2 và các khí khác Quang hoá Quang hợp Oxy hoá KHÍ QUYỂN Các khí trong nước biển Các anion trong nước biển Oxy hoá BIỂN Những quá trình cơ bản thành tạo anion trong nước biển I.2 Quá trình phong hoá đất đá và nguồn gốc các cation trong nước biển Tiếp theo giai đoạn hình thành trái đất ( cách đây chừng 4,5 đến 5 tỷ năm) là giai đoạn tạo lớp vỏ ban đầu của nó, diễn ra trong vòng 0,5 đến 1 tỷ năm. Từ khi có khí quyển và thuỷ quyển, lớp vỏ trầm tích dần xuất hiện. Trải qua nhiều thời đại địa chất, vỏ trái đất ngày nay đã ổn định. Kể từ khi hình thành như vậy, các loại đất đá phải chịu những tác động của quá trình vật lý, hoá học, gọi chung là quá trình phong hoá. Quá trình phong hoá đá macma đã tạo ra 2 loại sản phẩm: Loại thứ nhất: sản phẩm không hoà tan gồm các loại sét như caolinit, monorionit, hazolit, hiđromica… và các dạng oxit khác nhau như thạch anh, opan… Loại thứ hai: sản phẩm tan được gồm các độ muối hiđro silicat, hiđro cacbonat, sunfat( hoặc cũng có thể là clorua). Các sản phẩm tan được có thể bị hoà tan trực tiếp trong nước tự nhiên và phân ly để tạo ra các cation, mặt khác chúng có thể tiếp tục bị biến đổi về mặt hoá học (giống như quá trình phong hoá) để tạo ra những sản phẩm dễ phân ly hơn. Cùng với quá trình phong hoá đất đá có nguồn gốc phun trào, quá trình phong hoá và hoà tan những đất đá, vỉa muối có nguồn gốc trầm tích cũng diễn ra. Sản phẩm của nó lại theo các dòng chảy trở lại nước tự nhiên và nước biển dưới dạng muối dễ tan và các ion. Ví dụ sự phong hoá đôlômít như sau: CaCO3.MgCO3 + 2CO2 + 2H2O = Ca+2 + Mg+2 + 4HCO3 Tóm lại quá trình phong hoá và hào tan đất đá ở bề mặt trái đất đã tạo ra các cation Na+, K-, Mg2+, Ca2+, Fe2+, Fe3+ và nhiều cation khác. Theo các dòng chảy, các sản phẩm của quá trình phong hoá đất đá, trong đó có các cation dần được chuyển ra biển. Mặc dù một phần trong số các cation có thể đi vào biển bằng các con đường khác (từ Manti chẳng hạn), song phong hoá đất đá vẫn là quá trình chủ yếu tạo nên chúng Quá trình phong hoá đất đá Phong hoá vật lý làm tăng diện tích tiếp xúc của đất đá với môi trường, tạo điều kiện tăng cường phong hoá hoá học Phong hoá hoá học làm biến đổi bản chất của đất đá Đối với đá macma, sản phẩm phong hoá gồm: Đối với đá trầm tích, sản phầm phong háo bao gồm: Sản phẩm không hoà tan ( cao lanh, thạch anh… ) Sản phẩm hoà tan( hiđro cacbonat, clorua…) Sản phẩm không hoà tan ( cao lanh, thạch anh…) Tiếp tục biến đổi thành các chất dễ hoà tan hơn Các cation và các sản phẩm khác Phân ly thành các cation Theo các dòng chảy ra biển Tóm lược quá trình thành tạo cation trong nước biển Giải thích tỷ lệ giữa nồng độ của các thành phần muối trong đại dương là không đổi Theo phát hiện của Marxét được Đitmar tổng kết và diễn đạt thành quy luật như sau: “ Trong địa dương xa bờ, tỷ lệ giữa nồng độ của các ion chính luôn không đổi, không phụ thuộc vào nồng độ tuyệt đối của chúng”. Kết luận này là quy luật cơ bản của Hoá học biển. Để giải thích quy luật này có thể căn cứ vào cơ sở nguồn gốc hình thành của các thành phần của lượng muối trong đại dương là anion và cation như đã nêu ở phần I và căn cứ vào thời gian lưu tồn của từng thành phần. Căn cứ vào nguồn gốc hình thành a. Nguồn gốc hình thành anion Như đã trình bày ở phần nguồn gốc hình thành, các anion trong đại dương có nguồn gốc từ khí quyển, chính thành phần của khí quyển là yếu tố chi phối sâu sắc thành phần khí hoà tan cũng như các anion của đại dương. Hiện nay bầu khí quyển trái đất đang trong thời kỳ ổn định. Do đó theo quy luật Henri- Dalton, với thành phần khí quyển ổn định như vậy sẽ làm cho tỷ lệ các thành phần của lượng muối trong đại dương ổn định ít thay đổi. Ngoài ra do bầu khí quyển đã ổn định( đặc trưng oxi hoá) được gần 1 tỷ năm, với thời gian ổn định lâu dài như vậy nên các thành phần trong đại dương có cơ hội chuyển hoá lâu dài để tạo được tỷ lệ các thành phần không thay đổi như hiện nay. Theo lịch sử đã chứng minh, khi khí quyển ở giai đoạn đặc trưng khử thì đại dương thời đó cũng có các thành phần mang tính khử; như vậy sự ổn định về tỷ lệ của các thành phần anion hiện nay không phải là tuyệt đối trong tất cả các thời kỳ mà nó chỉ là sự ổn định tương đối trong giai đoạn hiện nay mà thôi, tuy nhiên do thời gian đó là rất dài( 1 tỷ năm ) nên có thể xem như tỷ lệ đó là không đổi trong đại dương theo thời gian. b. Nguồn gốc hình thành các cation Nguồn gốc hình thành của các cation như đã trình bày ở phần I chủ yếu là do quá trình phong hoá hoà tan đất đá vào các dòng chảy và chảy vào đại dương. Quá trình phong hoá này nằm trong quá trình tuần hoàn của nước, với vòng tuần hoàn như vậy vật chất liên tục được đưa vào đại dương. Tuy nhiên do đại dương có khối lượng nước và lượng muối cực lớn so với lượng nước và lượng muối hàng năm từ lục địa đổ ra, do đó cần phải có thời gian rất dài để đại dương tích luỹ được lượng muối như hiện nay, đồng thời với thời gian rất dài như vậy nên sự thay đổi về lượng muối cũng như tỷ lệ giữa các thành phần trong lượng muối đó rất chậm chạp và rất ít thay đổi, điều đó có thể giải thích phần nào nguyên nhân sự giống nhau về tỷ lệ nồng độ của các thành phần. Ngoài ra, chúng ta biết biển và đại dương có sự trao đổi rất rộng rãi, thường xuyên của các vùng nhờ các quá trình động lực học như nước trồi, sóng biển…; chính các quá trình động lực đó đã hoà trộn tốt các thành phần đặc biệt là ngoài đại dương khơi. Bên cạnh quá trình tích luỹ, đại dương còn xảy ra quá trình làm giảm các thành phần của độ muối như quá trình pha loãng, tạo khoáng, trầm tích, theo các soil khí bay hơi, hay sinh vật sử dụng… Chính các quá trình đó làm cân bằng một phần lượng muối mà đại dượng nhận được, điều đáng chú ý ở đây là do từng thành phần của lượng muối có một sự tích luỹ cũng như giải phóng riêng, chính sự khác nhau đó làm cho giữa các thành phần có một tỷ lệ với nhau. Để giải thích cho sự giống nhau về tỷ lệ giữa các thành phần này trong các quá trình tích luỹ và làm giảm độ muối có thể trình bày kỹ hơn ở phần tiếp theo là phần “ thời gian lưu tồn” tuy nhiên với việc hiểu rỏ quá trình hình thành cation như trên có thể giải thích tỷ lệ giữa các thành phần không đổi cũng do các nguyên nhân như đại dương hiện tại có lượng nước, lượng muối rất lớn, độ hoà trộn tốt, sự thay đổi là rất chậm chạp so với qúa trình thành tạo nên hầu như ít nhận thấy, do đó có thể xem các thành phần của độ muối trong đại dương là không đổi theo không gian và thời gian. c. Thời gian lưu tồn Đối với điều kiện cân bằng bền thì đầu ra cân bằng với đầu vào. Ngoài các nguyên nhân như đã nêu ở 2 phần trên chúng ta có thể thấy phải còn có một điều kiện cân bằng nào đó thì nước biển mới có thể giữ một tỷ lệ ổn định giữa các thành phần trong độ muối theo không gian và thời gian. Phải có điều kiện như thế nào mà ion Natri và Clo chiếm tỷ lệ lớn trong độ muối, hay các ion khác chiếm tỷ lệ nhỏ hơn, tuy nhiên khi so sánh các tỷ lệ đó thì lại ổn định giống nhau theo không gian và thời gian dài. Đó chính là đặc điểm về thời gian lưu tồn của từng thành phần của độ muối. Thời gian lưu tồn là thời gian trung bình mà ion đó tồn tại trong nước biển trước khi đi vào các quá trình khác như: Cacbonat Canxi là thành phần tạo nên khung xương của sinh vật, Silic là thành phần chính tạo nên bộ xương chứ opan. Kim loại rời khỏi nước đại dương và chuyển sang khoáng vật thành tạo mới như sét tự sinh, oxit, sunphit tự sinh, zeolit. Một vài muối đi vào lổ rỗng trong trầm tích… Vậy nếu giả định đại dương không thay đổi thành phần của nó, chúng ta có thể tính được thời gian trung bình một thành tố của nước biển tồn tại trong nước trước khi nó tách ra khỏi trầm tích. Khoảng thời gian đó gọi là khoảng thời gian lưu tồn. Theo E.D. Goldberg(1965), thời gian lưu tồn là tỷ số giữa lượng hiện có trong bồn chứa và lượng nhập vào hằng năm: T = A/r ở đây: A là lượng hiện có và r là lượng bổ sung. Ta có bảng thời gian lưu tồn một vài nguyên tố trong nước biển( triệu năm) Na 210 Cl >200 Mg 22 K 10 Ca 1 Si 0.04 Từ bảng thời gian lưu trên chúng ta đã có thể giải thích nguyên nhân ion Natri và Clo chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần của đại dương là do thời gian lưu tồn rất dài; đồng thời nguyên nhân mà các thành phần của độ muối có tỷ lệ giống nhau về nồng độ từng thành phần theo không gian và thời gian là do nguyên nhân về thời gian lưu tồn này. Như vậy qua nguồn gốc hình thành và thời gian lưu tồn đã giải thích được nguyên nhân mà tỷ lệ nồng độ các thành phần của độ muối trong đại dương là không đổi theo không gian và thời gian. Tài liệu tham khảo: Đoàn Bộ, 2003, Hoá học biển, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. Nguyễn Chu Hồi, 2005, Cơ sở tài nguyên và môi trường biển, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. Nguyễn Văn Phòng, 1997 , Hải dương học và Biển Việt Nam, NXB Giáo Dục.