Xem mẫu
- Ch ¬ng 8
h íng «xi ho¸, vßng tuÇn hoμn nguyªn tè
trong hå
8.1 Giíi thiÖu
Ch ¬ng nμy giíi thiÖu sù biÕn ®æi vμ di chuyÓn cña mét sè nguyªn tè kim lo¹i,
phi kim vμ nuclit phãng x¹ ®· ® îc lùa chän gi÷a c¸c thêi kú hoÆc gi÷a c¸c
phÇn trong hå, sù sinh ra tõ sinh häc vμ ho¸ häc th«ng qua ph¶n øng « xi ho¸.
ChÝnh sù liªn quan víi kh«ng gian vμ ph©n bè theo thêi gian vμ kh«ng gian cña
nguyªn tè ®¸nh dÊu trong dung dÞch hoμ tan, trong h¹t l¬ löng, vμ trong trÇn
tÝch. Nã ® îc cËp nhËt vμ bæ sung mét c¸ch kh¸ch quan (Scholkvit 1985) tÊt c¶
sÏ ® îc tÝnh ®Õn trong tr¹ng th¸i ph¶n øng «xi ho¸ cña c¸c kim lo¹i kiÒm vμ
137
Cs.
Tr íc ®©y ta ®· c«ng nhËn r»ng qu¸ tr×nh ho¹t ®éng c¬ b¶n cña sinh ho¸ trong
hå gièng trong ®¹i d ¬ng (Scholkvit 1985; Murray 1987), nh ng thùc chÊt
kh«ng gièng trong ®¹i d ¬ng, m« h×nh ®¬n gi¶n lμ theo sù t¸c ®éng vμ ph©n bè
cña nguyªn tè Ýt khi thÊy trong hå. §iÒu nμy ® îc cho lμ bëi qu¸ tr×nh ®éng lùc
tù nhiªn cña hå cao, ë ®ã nguån cung cÊp qu¸ tr×nh x¸o trén vμ qu¸ tr×nh di
chuyÓn vÒ c¨n b¶n cã thÓ kh¸c nhau trong nh÷ng kh«ng gian hiÖn t îng kh¸c
nhau, nh lμ sù biÕn ®æi lín h¬n cña viÖc läc s¹ch chÊt bÈn trong c¸c ph ¬ng
diÖn (vÝ dô, nh nh÷ng m¶nh vôn v« cïng nhá bÐ, thùc vËt næi vμ gi¸ng thuû
t¹i sinh), møc ®é biÕn ®æi thμnh phÇn ho¸ häc n íc hå, vμ ¸p suÊt theo tû lÖ ®é
s©u. Mét minh ho¹ gÇn ®©y vÒ sù thiÕu v¾ng ¶o cña ®íi «xÝt cã ho¸ trÞ thÊp
trong rÊt nhiÒu hÖ thèng hå, n¬i mμ sù chuyÓn tiÕp tõ ®íi «xÝt sang ®íi gi¸ng
thuû Sunfit lμ rÊt ®ét ngét.
Trong thùc tÕ quan s¸t c¸c ®Æc tÝnh ph©n bè vμ ho¹t ®éng cña c¸c nguyªn tè
trong hå lμ rÊt kh¸c nhau, mÆc dï nh÷ng hiÖn t îng nghi ngê ®· ® îc nãi râ ®Ó
cã c¨n cø v÷ng ch¾c cho sè liÖu nguyªn tè ®¸nh dÊu trong n íc s¹ch ®· ® îc
c«ng bè. Nh÷ng nghi ngê ®ã xuÊt ph¸t tõ sù ph¸t triÓn nh÷ng n¨m gÇn ®©y cña
"kü thuËt lμm s¹ch" t ¬ng ® ¬ng nh trong nh÷ng nghiªn cøu cña h¶i d ¬ng
häc, vμ kÕt qu¶ lμ sù gi¶m xuèng gi¸n tiÕp cña mËt ®é nguyªn tè ®¸nh dÊu
(Jonhson cïng céng sù, 1992a). H¬n n÷a viÖc ¸p dông c«ng nghÖ kü thuËt s¹ch
cho hÖ thèng n íc s¹ch ®· cung cÊp b»ng chøng trùc tiÕp cña mét sè b¸o c¸o
kh«ng ®óng tr íc ®©y vÒ mËt ®é nguyªn tè ®¸nh dÊu (Windom cïng céng sù,
1991). Mét nh©n tè kh¸c ®ãng gãp cho b¶n b¸o c¸o vÒ sù biÕn ®æi ho¹t ®éng cña
348 http://www.ebook.edu.vn
- nguyªn tè ®¸nh dÊu trong hå cã thÓ sÏ cung cÊp sù ®a d¹ng trong ph ¬ng ph¸p
nghiªn cøu.
Nh÷ng ph ¬ng ph¸p nμy bao gåm c¶ nh÷ng nghiªn cøu trong ph¹m vi phßng
thÝ nghiÖm, tõ lóc cßn Êp ñ trong nh÷ng thÝ nghiÖm cho ®Õn khi liªn tiÕp rót ra
® îc nh÷ng quy t¾c, ph¹m vi nh÷ng thÝ nghiÖm bao gåm c« lËp Mesocosma hay
toμn bé c¸c hå trong ®ã c¸c nguyªn tè hay c¸c chÊt phãng x¹ ®¸nh dÊu ® îc
céng thªm vμo vμ vËn ®éng trong ®iÒu kiÖn nh©n t¹o, vμ trªn ph¹m vi Synop
bao gåm lu«n phÐp ®o cña mét hay nhiÒu h¬n c¸c mÆt c¾t th¼ng ®øng cña dßng
ch¶y (vÝ dô, gradient mËt ®é) trong c¶ cét n íc vμ trÇm tÝch, dßng ch¶y l¾ng
®äng bëi trÇm tÝch, vμ dßng khuyÕch t¸n trªn mÆt tiÕp xóc trÇm tÝch - n íc
®ang ® îc sinh vËt ®¸y khoÐt thμnh hang.
Còng gièng nh hÇu hÕt c¸c nguyªn tè chÞu t¸c ®éng cña mét sè møc ®é trong
vßng tuÇn hoμn «xi ho¸ khö trong hå. Trong nghiªn cøu tæng qu¸t sím nhÊt
cña m×nh, Scholkvitz (1985) ®· nhÊn m¹nh vÒ mèi quan hÖ gi÷a ph¶n øng «xi
vμ tÝch l u ®éng cña nguyªn tè, nh÷ng nguyªn tè ph¸t triÓn trong m«i truêng
yÕm khÝ (thiÕu «xi) tÇng n íc hå s©u cña tÇng n íc h÷u Ých nh mét mÉu ®Ó
minh ho¹ cho ¶nh h ëng cña tr¹ng th¸i «xi ho¸ khö. Ch ¬ng nμy, víi mét sù
tham gia kh¸c nhau, mang ®Õn c¸i nh×n tæng qu¸t rÊt réng theo vßng tuÇn
hoμn «xi ho¸ trong hå vμ biÓu diÔn ¶nh h ëng cña ph©n bè nhiÒu lo¹i kh¸c
nhau.
Trong phÇn ®Çu tiªn cña ch ¬ng bao gåm nh÷ng môc víi vμi ®Ò tμi then chèt:
VÊn ®Ò quan t©m cña vßng tuÇn hoμn «xi ho¸ khö cña c¸c nguyªn tè, vai trß
®Æc biÖt cña Fe vμ Mn, dßng khuyÕch t¸n cña chiÒu h íng «xi ho¸ khö cña c¸c
nguyªn tè qua mÆt gianh giíi gi÷a trÇm tÝch - n íc. D íi ®©y cã 2 phÇn cung
cÊp nh÷ng vÊn ®Ò nghiªn cøu vÒ c¸c nguyªn tè ®· ® îc lùa chän, nh÷ng
nguyªn tè ho¸ sinh næi bËt nhÊt mét c¸ch trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp B (trong c¸c
qu¸ tr×nh biÕn ®æi «xi ho¸ khö). Sù liªn quan trùc tiÕp cã nghÜa lμ chÝnh b¶n
th©n c¸c nguyªn tè nμy tham gia vμo c¸c ph¶n øng «xi ho¸ khö (vÝ dô, As(U),
As(III)), cßn liªn quan gi¸n tiÕp cã nghÜa lμ sù ph©n bè cña c¸c nguyªn tè nμy
cã ¶nh h ëng ®Õn vßng tuÇn hoμn biÕn ®æi «xi ho¸ (vÝ dô, Zn). §Ó cã thªm
th«ng tin vÒ diÖn m¹o cña nh÷ng nguyªn tè riªng biÖt, ®éc gi¶ tham kh¶o
nh÷ng cuèn d íi ®©y: C¸c giai ®o¹n vËn chuyÓn chÝnh cña c¸c nguyªn tè ®¸nh
dÊu (Forntner 1982, Hart 1982, Sigg1985, Tessier 1992); C¸c qu¸ tr×nh ho¸ häc
trªn mÆt tiÕp xóc gi÷a n íc vμ trÇm tÝch (Santschi cïng céng sù 1990), vμ viÖc
sö dông nguyªn tè phãng x¹ Nurclit trong viÖc lý gi¶i vßng tuÇn hoμn ho¸ sinh
trong hå (Santschi 1988,1989).
8.2 chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ chÝnh vμ c¸c ® êng dÉn
Cã nhiÒu kh¶ n¨ng c¬ chÕ vËn ®éng cña qu¸ tr×nh «xi ho¸ khö cña c¸c nguyªn
tè trong hå lμ sù tæng hîp nh÷ng sinh vËt phï du trong n íc bÒ mÆt vμ sù
tho¸i ho¸ cña vËt chÊt h÷u c¬ do vi khuÈn g©y ra trong n íc ë líp d íi bÒ mÆt
vμ trÇm tÝch. Sù tho¸i biÕn vËt chÊt h÷u c¬ tiÕp tôc cïng víi chuçi ph¶n øng
349 http://www.ebook.edu.vn
- «xi ho¸ khö trong chÊt «xi ho¸ (bao gåm Mn(IV) vμ Fe(III)) ® îc gi¶ ®Þnh lμ hÕt
trong qu¸ tr×nh lμm gi¶m s¶n l îng n¨ng l îng tù do. Trong thùc tiÔn, «xi lμ
®èi t îng cã s½n ®Ó dïng ®èi víi d·y ph¶n øng vμ nÐn ®éng lùc, bao gåm sù
thèng trÞ vÒ mËt ®é cña nh÷ng vi khuÈn ®Æc tr ng. Nh÷ng ph¶n øng nμy lμ
nguyªn nh©n ®iÒu chØnh n¨ng l îng qu¸ tr×nh «xi ho¸ - khö cña m«i tr êng bé
phËn. Nh÷ng nguyªn tè cã thÓ bÞ t¸c ®éng bëi qu¸ tr×nh nμy trong sù ®a d¹ng
cña ® êng ®i kh¸c nhau. Chóng cã thÓ bÞ hót b¸m hoÆc ®ång ho¸ bëi sinh vËt
phï du trong n íc mÆt vμ sù phãng thÝch trë l¹i trong dung dÞch t¹i ®é s©u, cã
thÓ trong tr¹ng th¸i «xi ho¸ - khö kh¸c nhau. Nh mét sù lùa chän, c¸c nguyªn
tè cã thÓ t¸c ®éng trùc tiÕp khi chÊt nhËn electron ë giai ®o¹n cuèi trong sù
tho¸i biÕn vËt chÊt h÷u c¬ bëi vi khuÈn hoÆc tr¹ng th¸i «xi ho¸ - khö cña c¸c
nguyªn tè cã thÓ bÞ ph¶n øng qua chÊt ho¸ häc trung gian cïng víi sù tËp
trung v ît qu¸ giíi h¹n cña c¸c «xÝt v« c¬ hoÆc nh÷ng chÊt khö [vÝ dô, O2 hoÆc
S(-II)]. Mét phÇn ®¸ng kÓ cña ph¶n øng «xi ho¸ - khö cho tr íc lμ do chÊt ho¸
häc trung gian ® îc biÕt ®Õn qua kÕt qu¶ dÞ ho¸ cña vi khuÈn ho¹t ®éng, vÝ dô,
cïng víi sù biÕn ®æi cña U(VI) (Lovley cïng céng sù, 1991). T¸c dông cña vi
khuÈn tù d ìng mÆc dï cã thÓ cã ¶nh h ëng ®¸ng kÓ tíi t¸c ®éng cña nguyªn
tè trong hå, mμ n¨ng l îng thu ® îc tõ qu¸ tr×nh «xi ho¸ lμm gi¶m lo¹i chÊt v«
c¬, vÝ dô, Mn2+ vμ Fe2+.
ChiÒu h íng xuÊt hiÖn nhiÒu nguyªn tè thªm vμo qua viÖc lμm mê ® êng cña
chu tr×nh «xi ho¸ - khö. KÕt qu¶ quan träng nhÊt tõ sù liªn kÕt ho¸ häc (nghÜa
lμ, sù hót b¸m hoÆc kÕt tña) gi÷a c¸c nguyªn tè vμ chÊt mang pha nh¹y c¶m
trong qu¸ tr×nh «xi ho¸ - khö, «xÝt Fe, Mn vμ sulfide. Do ®ã, nh÷ng nguyªn tè
theo gi¶ thuyÕt cã thÓ ® îc huy ®éng qua chÊt khö hoμ tan cña «xÝt hoÆc qu¸
tr×nh «xi ho¸ cña sulfide. Ngoμi ra, chu tr×nh s¾t cã thÓ ¶nh h ëng râ rÖt tíi sù
tËp trung cña vËt chÊt thuéc ®Êt mïn, mμ thØnh tho¶ng t¨ng lªn trong n íc
yÕm khÝ bëi sù ph©n tÇng trong hå thay ®æi theo mïa, nh×n bªn ngoμi do sù
gi¶i phãng tõ sù hoμ tan cña «xÝt s¾t (tham kh¶o Davison 1993). V× vËt chÊt
trong ®Êt mïn ® îc biÕt ®Õn nhiÒu ®èi víi kh¶ n¨ng t¹o thμnh phøc hÖ kim
lo¹i cña chóng, kim lo¹i dÔ biÕn ®æi cã thÓ t¨ng lªn. Nh÷ng ® êng kh¸c ® îc
kÕt hîp cïng víi sù biÕn ®æi pH vμ t¨ng sù tËp trung cña nh÷ng chÊt chuyÓn
ho¸ (vÝ dô, NH 4 vμ HCO 3 / CO 32 ), kÕt qu¶ tõ sù tho¸i biÕn vËt chÊt h÷u c¬ bëi
vi khuÈn yÕm khÝ (vÝ dô, Sigg cïng céng sù, 1991). pH cã thÓ biÕn ®æi trong hå
cã líp ®Öm xÊu, theo thêi gian vμ theo ph ¬ng th¼ng ®øng, bëi nhiÒu h¬n 3 gi¸
trÞ pH trong s¶n phÈm t¹o ra, lý do ¶nh h ëng cña sù quang hîp vμ h« hÊp,
(Talling 1976).
Nh vËy, sù hót b¸m bëi c¸c nguyªn tè, vÝ dô, «xÝt Fe vμ Mn, vÒ c¨n b¶n cã thÓ
thay ®æi lý do còng nh sù biÕn ®æi cña pH. Sè l îng c¸c cation t¨ng thªm vμ
sù tËp trung b¾t buéc cña c¸c chÊt v« c¬ cã thÓ ¶nh h ëng t ¬ng tù nh nh÷ng
kim lo¹i cã tÝnh chÊt thay ®æi. VÝ dô, ¶nh h ëng cña NH 4 trong viÖc thay thÕ
137
Cs tõ bÒ mÆt vμ vÞ trÝ ®Æt cña c¸c h¹t kho¸ng s¶n ® îc x¸c minh râ rμng cho
hÖ thèng hå (tham kh¶o phÇn 8.6.1), vμ phøc hÖ cña CO 32 ®· ® îc dÉn chøng
350 http://www.ebook.edu.vn
- ®Ó gi¶i thÝch sù tËp trung kh¸c th êng cña actinit trong n íc mÆn, kiÒm trong
hå ë Caliornia (Anderson cïng céng sù 1982; Simpson cïng céng sù 1982).
Ranh giíi qu¸ tr×nh oxi ho¸ - khö, sù biÕn ®æi tiªu biÓu ë ®©y trong c« c¹n chÊt
ho¸ häc vμ kh¶ n¨ng quan s¸t qu¸ tr×nh oxi ho¸ - khö th êng lμ kh«ng g©y khã
kh¨n hoÆc hoμn toμn x¸c ®Þnh, vÝ dô lμ sù c©n b»ng chÊt ho¸ häc. NÐn ®éng lùc
cã thÓ lμm cho c¸c chÊt ho¸ häc kh«ng t ¬ng thÝch víi nhau ® îc t¹o thμnh
nh O2 vμ S(-II) cïng tån t¹i trong thÓ tÝch n íc, c¸c phÇn tö «xÝt s¾t vμ s¾t
sulphÝt cïng tån t¹i trong c¶ khèi n íc vμ trÇm tÝch. N íc ë c¸c lç nhá vμ ®Êt
bao xung quanh chóng cã thÓ xuÊt hiÖn lÖch pha trong sù c©n b»ng, v× tr¹ng
th¸i kh«ng æn ®Þnh kÕt hîp cïng víi sù ph¸t triÓn theo cïng mïa.
VÝ dô, n íc ë nh÷ng lç nhá cña trÇm tÝch mÆt trong mïa xu©n sím cã thÓ chøa
®ùng c¸c d¹ng biÕn ®æi riªng biÖt, nh ng c¸c vËt chÊt trÇm tÝch cã thÓ ®øng
yªn vμ xuÊt hiÖn mμu n©u ®á ®Æc tr ng cña «xÝt s¾t. §©y lμ tÝnh kh«ng ®ång
nhÊt t¹i ranh giíi cña qu¸ tr×nh oxi ho¸ - khö vμ nã cã xu h íng di chuyÓn theo
mïa lμm r¾c rèi h¬n vÒ tÝnh kh«ng ®ång nhÊt cña chÊt ho¸ häc trong sù biÕn
®æi cña qu¸ tr×nh oxi ho¸ - khö.
Ngay lËp tøc qu¸ tr×nh oxi ho¸ - khö bëi sù quang ho¸ cña c¸c nguyªn tè cã thÓ
xuÊt hiÖn trong hå. Mét vμi sù ph¶n øng ®· ® îc nhËn ra cho Fe vμ Mn, mÆc
dï d÷ liÖu cho hÖ thèng n íc ngät cã sù b¸o ®éng t ¬ng ®èi cïng víi sù quan
t©m tíi nguyªn tè Mn (Davison 1993). Nh÷ng ng êi t¹o ra ®· biÕt mét chót Ýt
vÒ b»ng chøng trùc tiÕp cho sù ph¶n øng quang ho¸ ¶nh h ëng tíi mét sè
nguyªn tè kh¸c trong n íc hå, mÆc dï còng nh ph¶n øng ®· ® îc thõa nhËn
hay dù b¸o trong vïng cöa s«ng vμ n íc biÓn bao gåm c¸c nguyªn tè Cu, Co,
Cr, V, Se, U (Waite 1988), vμ Pu (Mudge cïng céng sù 1988). Sù quang ho¸ g©y
ra ph¶n øng oxi ho¸ - khö xuÊt hiÖn lμ ®Æc biÖt quan träng trong vÊn ®Ò ®éng
lùc cña vßng tuÇn hoμn oxi ho¸ vμ sù khö cña Cu(II) - Cu(I) trong n íc biÓn
gÇn bÒ mÆt nh ng hÇu nh ch¾c ch¾n ®· cã nh÷ng ¶nh h ëng nhá trong hÖ
thèng n íc ngät (Moffett vμ Zike 1983; Moffett vμ Zika 1987). Sù khö bëi qu¸
tr×nh quang ho¸ cña Cr(VI) xuèng Cr(III) ®· thùc sù x¶y ra trong nhãm cïng
gèc cña n íc bÒ mÆt, bao gåm 2 hå n íc ngät (Kaczynski vμ Kieber 1993).
8.3. S¾t vμ Mangan
8.3.1 Sù biÕn ®æi vμ vßng tuÇn hoμn
Tr¹ng th¸i «xi ho¸ cña Fe vμ Mn trong hå ®· ® îc nghiªn cøu kü l ìng vμ bao
hμm toμn diÖn mét c¸ch tæng qu¸t (Davvsson 1993). Mét nghiªn cøu tæng qu¸t
kh¸c ® îc tuyªn bè vÒ vai trß cña h¹t ph©n tö Fe (Davision vμ De Vitre 1992)
vμ cña ph©n tö Mn (De Vitre vμ Davision 1993) trong n íc tinh khiÕt. Nh ng
ng îc l¹i Stumm vμ Sulzberger (1992) coi nh nh÷ng hiÓu biÕt hiÖn nay vμ
nh÷ng lý gi¶i vÒ c¬ chÕ biÕn ®æi «xi ho¸ lμ cña Fe.
Trong nh÷ng lç khoan b·o hoμ «xi tr¹ng th¸i æn ®Þnh cña Fe vμ Mn ® îc h×nh
thμnh trong tr¹ng th¸i «xi ho¸ cao h¬n (Fe(III), vμ Mn(III/IV)), sù thuû ph©n
351 http://www.ebook.edu.vn
- hoμn toμn c¸c «xÝt cã trong nh÷ng chÊt keo hay trong nh÷ng ph©n tö. ë ®©u
kh«ng cã mÆt cña «xi, ë ®ã phæ biÕn c¸c tr¹ng th¸i «xi ho¸ thÊp h¬n, Fe (II) vμ
Mn(II). Nh÷ng Ion ho¸ trÞ 2 lμ cã thÓ hoμ tan trong ph¹m vi pH tõ 4 - 8. Nh
kÕt qu¶ cña c¸c ®Æc tÝnh Fe vμ Mn lμ cã mÆt chñ yÕu trong nh÷ng giÕng pha
trén, qu¸ tr×nh «xi ho¸ hoμn toμn n íc hå nh ph©n tö trong mËt ®é biÕn thiªn
tõ 0,4 2 moll-1. Trong sù thay ®æi theo mïa hay ® îc ph©n tÇng hå vÜnhc cöu
ë ®ã ®¸y thuû vùc trë nªn yÕm khÝ, Fe(II) vμ Mn(II) cã thÓ tÝch luü l¹i vμ mËt
®é cao, ®«i khi ®¹t tíi 100 moll-1. Sù gi·n bít ion kim lo¹i ® îc cung cÊp bëi sù
khö cña «xÝt cã mÆt trong bÒ mÆt trÇm tÝch vμ ph©n tö ch×m trong cét n íc.
Mèi quan hÖ 2 nguån cung cÊp th êng xuyªn thay ®æi lμ nguyªn nh©n tiÕn tíi
ph¶n øng tõ trÇm tÝch quan träng ban ®Çu.
Khi ®iÒu kiÖn thiÕu «xi t¨ng lªn c¸c sulphua hßa tan cã thÓ tÝch lòy trong ®iÒu
kiÖn thiÕu oxi huyÕt ë c¸c hå, vμ lμm ¶nh h ëng tíi kÕt tña cña FeS (Davison
n¨m 1991). Nh÷ng ph¶n øng khö m¹nh cña c¸c ph©n tö FeS cã thÓ tån t¹i
cïng víi c¸c oxit s¾t (theo Davison vμ De Vitre n¨m 1992) vμ qu¶ thùc lμ
nh÷ng oxit S¾t kh«ng kÕt tinh th× cã mÆt ë trong nh÷ng nh÷ng líp trÇm tÝch ®·
gi¶m bít l îng c¸c chÊt giμu chÊt h÷u c¬ (theo Hilton vμ c¸c céng sù n¨m
1986).
Chu tr×nh oxi hãa khö cña Fe vμ Mn kh«ng ph¶i lμ cã giíi h¹n víi c¸c khèi
n íc thiÕu oxi huyÕt. Khi mμ c¸c ph©n tö h¹ xuèng møc gÆp trÇm tÝch ë trong
nh÷ng khèi n íc cã tÝnh oxi hãa cao, sù ph©n hñy gi¶m bít cã thÓ x¶y ra, c¶ hai
chÊt Mn(II) vμ Fe(II) cã thÓ ® îc gi¶i phãng khái bÒ mÆt c¸c khèi n íc ®ã. Sù
gi¶i phãng cña Fe(II) th× râ rμng h¬n, nh ng nã x¶y ra ë trong c¸c m«i tr êng
h÷u Ých n¬i mμ Fe(II) ® îc t¹o ra gÇn bÒ mÆt cña c¸c trÇm tÝch. Tuy nhiªn,
Fe(II) bÞ oxi hãa nhanh h¬n ë trªn mÆt n íc vμ quay trë l¹i c¸c trÇm tÝch do
chóng thùc sù ® îc gi÷ l¹i. Sù gi¶i phãng lín h¬n cña Fe(II) vμ tèc ®é oxi hãa
chËm h¬n cña chóng cho phÐp nã cã thÓ ph©n bè ®Òu tíi tÊt c¶ c¸c khèi n íc
(Davison n¨m 1993). Tuy nhiªn, bëi v× sù ph©n t¸n theo chiÒu th¼ng ®øng ® îc
diÔn ra trong suèt thêi kú cña sù pha trén trän vÑn, do ®ã thËt khã ®Ó cã thÓ
kh¸m ph¸ ra sù gi¶i phãng cho ®Õn khi cã sù tÊn c«ng vμo c¸c thí tÇng khi mμ
sù pha trén thùc sù gi¶m bít.
C¸c vËt chÊt h÷u c¬, ®Æc biÖt lμ trong sù cã mÆt cña ¸nh s¸ng mÆt trêi, cã thÓ
lμm gi¶m bít c¸c oxit Fe vμ oxit Mn ë bÒ mÆt cña n íc (Collienne 1983). Nh÷ng
¶nh h ëng ®ã lμ nh÷ng g× ® îc quan s¸t ®¬n gi¶n nhÊt trong m«i tr êng n íc
cã tÝnh axit n¬i mμ Fe(II) trong c¸c ®iÒu kiÖn trªn cã h¬n mét nöa cuéc sèng vμ
c¸c chu tr×nh hμng ngμy cã thÓ quan s¸t ® îc (Sulzberger vμ c¸c céng sù n¨m
1990).
Trong khi c¸c qu¸ tr×nh oxi hãa khö l¹i cã xu h íng chiÕm u thÕ trong c¸c
ho¹t ®éng cña Mn trong c¸c hå, th× nhiÒu chu tr×nh ho¹t ®éng cña Fe l¹i
th êng chØ t¸c ®éng ch a ®Õn 10%. Mét l îng nhá Fe cã mÆt trong kho¸ng sÐt
sÏ t ¬ng øng víi c¸c oxit kh«ng cã ¶nh h ëng mμ kh«ng h¹ xuèng. Tuy nhiªn, ë
®ã th êng cã mét sù cung cÊp dåi dμo cña c¸c oxit Fe cã thÓ khö ® îc, trong khi
352 http://www.ebook.edu.vn
- sù cung cÊp cña oxit Mn ®· trë nªn c¹n kiÖt h¬n.
8.3.2 C¸c giai ®o¹n di chuyÓn cña c¸c hîp chÊt s¾t vμ mangan
8.3.2.1 C¸c oxit
D íi c¸c ®iÒu kiÖn oxi hãa cña c¸c oxit Fe vμ Mn, cïng víi c¸c vËt chÊt h÷u c¬,
th êng quan t©m tíi c¸c qu¸ tr×nh läc s¹ch vμ c¸c thêi kú vËn chuyÓn tíi mét
l îng nhá kh«ng bÒn v÷ng cña c¸c nguyªn tè trong m«i tr êng n íc (Hart
1982, Forstner 1982, Sigg 1985, Tessier 1992). Nh÷ng hiÓu biÕt cña con ng êi
vÒ sù hót b¸m c¸c nguyªn tè cña c¸c oxit Fe vμ Mn d íi c¸c ®iÒu kiÖn t ¬ng tù
trong c¸c phßng thÝ nghiÖm ®ñ ®Ó cho chóng ta cã thÓ ph¸t triÓn më réng, ®Ó
x©y dùng nh÷ng m« h×nh cã quy m« lín vÒ lý thuyÕt h×nh th¸i bÒ mÆt
(Dzombak vμ Morel n¨m 1990).
Bøc tranh vÒ hiÖn thùc c¸c hÖ thèng hå ®· kh«ng trän vÑn cho l¾m. Nh÷ng
b¶n b¸o c¸o sau nμy ® îc chê ®îi ®Ó chøng minh t×nh tr¹ng thay ®æi lín cña
c¸c b»ng chøng biÓu thÞ mét vai trß quan träng cña oxit Fe vμ oxit Mn trong
chu tr×nh ho¹t ®éng cña c¸c nguyªn tè ë trong hå. Tuy nhiªn tÝnh ho¹t ®éng
cña mét l îng nhá c¸c nguyªn tè ® îc t¨ng lªn mét c¸ch cÇn thiÕt bëi sù gi¶m
bít l îng ph©n hñy cña c¸c oxit, bëi v× c¸c nguyªn tè cã thÓ ® îc läc s¹ch trong
c¸c giai ®o¹n kh¸c nhau, vÝ dô nh kÕt tña sunphua.
Laxen (1984, 1985), Laxen vμ Sholkovitz (1981) ®· tiÕn hμnh mét lo¹t c¸c thÝ
nghiÖm vÒ sù thÊm hót bÒ mÆt ë trong phßng thÝ nghiÖm ®èi víi oxit Fe, c¸c
«ng ®· tËn dông nh÷ng nguyªn liÖu tù nhiªn trong c¸c ®iÒu kiÖn hiÖn thùc tÕ ë
trong hå. C¸c oxit ® îc cung cÊp bëi c¸c qu¸ tr×nh oxi hãa chËm trong ®iÒu kiÖn
thiÕu oxi huyÕt tù nhiªn cã trong n íc hå. Mét sè l îng quan träng c¸c nguyªn
tè Pb, Cu, Cd vμ l îng Ni nhá h¬n ® îc thÊm hót ë hÇu hÕt c¸c ®iÒu kiÖn.
Mét sè l îng lín c¸c kim lo¹i t¹o thμnh c¸c giíi h¹n xuyªn suèt c¸c vïng kÕt
tña (nghÜa lμ sù oxi hãa vμ sù thÊm hót bÒ mÆt ®ång thêi cïng x¶y ra mét lóc)
th× th«ng th êng lín h¬n lμ chØ riªng qua sù hót b¸m (nghÜa lμ sù thÊm hót bÒ
mÆt ë phÝa trªn sù t¹o thμnh oxit s¾t tr íc). Sù thÊm hót bÒ mÆt vÒ c¨n b¶n
th× bÞ gi¶m bít trong sù cã mÆt cña c¸c lo¹i vËt chÊt cã mïn, víi sù thÊm hót
bÒ mÆt cña Cd vμ Ni ® îc t¨ng lªn vμ sù thÊm hót bÒ mÆt cña Cu bÞ gi¶m
xuèng. §©y lμ mét thuéc tÝnh, theo thø tù cã s½n, theo h íng liªn kÕt bÒn v÷ng
cña Cu vμ Ni ®Ó hót c¸c chÊt mïn (cã nghÜa lμ ho¹t ®éng Ligand - Like) vμ mèi
quan hÖ lín h¬n cña Cu víi c¸c m¶ng mïn hßa tan. Sù thÊm hót bÒ mÆt Cd
ngoμi ra còng dÔ bÞ hñy h¬n ®èi víi sù c¹nh tranh cña Ca2+.
C¸c th«ng tin trong liªn kÕt c¸c nguyªn tè bëi c¸c oxit Fe vμ Mn lu«n cã thÓ
dïng ® îc tõ c¸c nghiªn cøu vÒ sù läc hay sù ph©n hñy ë trong c¸c phßng thÝ
nghiÖm kh¸c nhau cña c¸c ph©n tö vμ trÇm tÝch ë hå. Sù läc liªn tiÕp cña c¸c
trÇm tÝch ®¸ Trap, gi¨ng b¾t c¸c mÉu sinh vËt phï du, c¸c côm trÇm tÝch bÒ
mÆt vμ ®· gi¶i thÝch r»ng ë trong hå Michigan hai ®ång vÞ Pu vμ 241Am ®Çu
tiªn ® îc liªn kÕt víi c¸c líp phñ ngoμi oxit cã n íc (Alberts vμ c¸c céng sù
n¨m 1989). C¸c ph©n tÝch thèng kª cña mét l îng tËp trung kim lo¹i nhá HCL
353 http://www.ebook.edu.vn
- 1M ®· chØ ra r»ng tÝnh l u ®éng cña c¸c nguyªn tè Cd, Zn, Co, Pb, Cr, vμ Ni cã
thÓ ® îc ®iÒu hßa bëi c¸c oxit s¾t trong hå Eric vμ trÇm tÝch s«ng Detroit (Lum
vμ Gammon 1985).
Sù läc liªn tiÕp cña c¸c quÆng « nhiÔm trong bÓ chøa (Schintu vμ c¸c céng sù
n¨m 1991) ®· chØ ra r»ng c¸c oxit s¾t vμ oxit Mn lμ c¸c chÊt hÊp thô chiÕm u
thÕ dμnh cho Pb vμ cïng víi c¸c m¶ng Cacbonat, cho Cd, cho ®ång ®á, vμ cho
c¸c nguån kh¸c, mÆc dï cã mÆt trong c¸c m¶nh oxit, ® îc giíi h¹n bëi c¸c vËt
chÊt h÷u c¬. Aggett vμ Roberts (1986) ®· sö dông tû lÖ cña sù ph©n hñy c¸c
nguyªn tè trong sù hßa tan Etylen Diamin Tetra Axetat (EDTA) ®Ó chøng tá
r»ng As ® îc giíi h¹n bëi oxit s¾t trong c¸c líp trÇm tÝch ë hå Ohkuri (New
Zealand). C¸c nhμ nghiªn cøu ®· gi¶i thÝch tÝnh bÊt biÕn cña tû sè Fe/As trong
suèt qu¸ tr×nh ph©n hñy nh lμ biÓu hiÖn cña vïng kÕt tña t¹i thêi ®iÓm cña sù
h×nh thμnh oxÝt.
Khèi kÕt Fromangan thuéc hå bao gåm nh÷ng l îng quan träng cña c¸c l îng
kim lo¹i nhá, mÆc dï chóng bÞ bμo mßn dÇn bëi c¸c sinh vËt biÓn t ¬ng øng cña
chóng. (Harriss vμ Troup 1970, Calvert vμ Price 1977). Nh÷ng l îng nhá c¸c
nguyªn tè còng ® îc liªn kÕt víi sù t¨ng c êng tËp trung c¸c oxit s¾t vμ oxit
mangan th êng th êng ® îc quan s¸t thÊy ë bÒ mÆt c¸c trÇm tÝch hå (t ¬ng tù
nh ë bªn trªn qu¸ tr×nh oxi hãa khö); theo vÝ dô cña Lovell vμ Farmer 1983,
Kepkay 1985 Cornwell 1986, Williams 1992). C¸c m¹ch n íc phô cña hÇu hÕt
c¸c tæ hîp d÷ liÖu cã tÝnh thuyÕt phôc cao mμ dïng cho mét hå ë Scottish trong
mçi mÆt nghiªng cña trÇm tÝch vμ m¹ch n íc cña nguyªn tè Co, Zn vμ mét
l îng Cu nhá h¬n theo s¸t nguyªn tè Mn (H×nh 8.1). William (1992) ®· cho
r»ng mét m¾t xÝch liªn quan tíi sù quan s¸t vμ c¸c ®Ò xuÊt mμ sù ph©n bè
nh÷ng l îng nhá kim lo¹i ® îc qu¶n lý bëi chu tr×nh oxi hãa khö cña Mn.
Sù liªn kÕt gi÷a vÕt tÝch c¸c kim lo¹i vμ c¸c oxit s¾t vμ mangan cã thÓ sÏ cμng
phøc t¹p h¬n, tuy nhiªn, vμ cã lÏ lμ kh«ng liªn quan tíi bÊt cø mét nh©n tè nμo
víi viÖc ph©n bè c¸c nguyªn tè cã sè l îng nhá trong hÇu hÕt c¸c tr¹ng th¸i cña
chóng. Trong mét nghiªn cøu gÇn ®©y cña trÇm tÝch hå Superior (McKee vμ c¸c
céng sù 1989a, b), mÆt nghiªng cña c¸c trÇm tÝch quan s¸t ® îc bao gåm c¸c
tÇng theo sau ë nh÷ng n¬i cã ®é s©u t¨ng lªn, mét khu vùc oxi hãa cã l îng tËp
trung trung b×nh cña Fe vμ Mn, vμ víi mét khu vùc oxi hãa cã l îng tËp trung
Fe vμ Mn cùc ®¹i, chóng cã nguyªn nh©n lμ do cã sù oxi hãa kÕt tña côc bé theo
sau c¸c chu tr×nh oxi hãa khö h¹ng nhÊt tõ mét khu vùc s©u h¬n cña sù biÕn
®æi, bao gåm c¶ tæng l îng tËp trung Fe vμ Mn thÊp nhÊt.
C¸c tÇng nhÑ th× tËp trung nhiÒu nhÊt sù tËp trung cña Zn, Cu, Pb vμ C¸c bon
h÷u c¬, nh ng kh«ng cã nhiÒu l¾m trong Fe vμ Mn. C¸c tÇng oxi hãa còng bao
gåm c¶ sù tËp trung lín dÊu tÝch c¸c kim lo¹i bëi v× tr íc ®©y ng êi ta cho r»ng
®Ó cã sù t¨ng lªn do c¸c nguån kim lo¹i ® îc ® a vμo. Nguyªn tè Zn ® îc giíi
h¹n bëi c¸c m¶ng oxit, kÓ c¶ mét l îng Ýt h¬n cña Pb vμ Cu ® îc kÕt hîp chñ
yÕu víi c¸c m¶ng cã tÝnh oxi hãa (t ¬ng tù nh vËt chÊt vμ sunphua). B»ng sù
so s¸nh hai mÉu oxit s¾t vμ mangan l ìng tÝnh ë c¸c mÆt nghiªng thÊp h¬n
354 http://www.ebook.edu.vn
- trong c¸c khu vùc oxi hãa nh ng kh«ng tÝch tô mét l îng quan träng c¸c
nguyªn tè Zn, Pb, vμ Cu. MÆc dï c¸c d÷ kiÖn kh«ng lo¹i trõ ¶nh h ëng tõ con
ng êi nh ng mét l îng nhá c¸c kim lo¹i xuÊt hiÖn ph¶i tr¶i qua nh÷ng biÕn
®æi cña c¸c qu¸ tr×nh h×nh thμnh ®¸ trÇm tÝch ®Çy quan träng, ®Ó tíi mét vμi
møc ®é ®éc lËp nhÊt ®Þnh cña qu¸ tr×nh t¸i sinh s¾t vμ mangan.
Theo McKee vμ c¸c céng sù (1989 a, b) ®· ®i tíi mét kÕt luËn hoμn chØnh r»ng
sù ph©n r· cña c¸c vËt chÊt h÷u c¬ gÇn bÒ mÆt c¸c trÇm tÝch ®· ® a ra nh÷ng
sù bæ khuyÕt cÇn thiÕt cña c¸c kim lo¹i cã dÊu vÕt quan träng, vμ chóng cã thÓ
trë thμnh danh giíi víi c¸c oxit trong c¸c khu vùc oxi hãa, nh ng kh«ng ph¶i lμ
ë tÊt c¶ c¸c ®é s©u. Do ®ã, hμm l îng nhá kim lo¹i trong c¸c oxit s¾t vμ
mangan h×nh thμnh t¹i ®é s©u trong c¸c khu vùc oxi hãa lμ kÕt qu¶ cña qu¸
tr×nh t¨ng lªn cã hiÖu lùc cña c¸c l îng nhá kim lo¹i. Nh÷ng nghiªn cøu ®· chØ
ra r»ng mÆt nghiªng cña l îng nhá kim lo¹i trong c¸c trÇm tÝch ë hå cã thÓ bÞ
¶nh h ëng nghiªm träng bëi sù kÕt hîp cña c¸c chÊt hãa häc, v× vËy nh÷ng mÆt
nghiªng cã thÓ kh«ng th êng xuyªn cung cÊp c¸c d÷ liÖu lÞch sö chÝnh x¸c cña
nh÷ng nguån kim lo¹i do con ng êi ® a vμo.
Mét ph ¬ng ph¸p míi l¹ ®Ó nghiªn cøu sù liªn kÕt cña oxit s¾t vμ l îng nhá
c¸c nguyªn tè trong bÒ mÆt c¸c trÇm tÝch ® îc ph¸t triÓn bëi Tessier vμ c¸c
céng sù (1985, 1989). C«ng viÖc nμy rÊt quan träng, bëi v× nã chøng minh mèi
liªn hÖ gi÷a c¸c m« h×nh lý thuyÕt bÒ mÆt phøc t¹p víi nh÷ng m« h×nh thö
nghiÖm trong phßng thÝ nghiÖm (tøc lμ øng víi thêi kú cã nh÷ng ®Þnh nghÜa
tæng hîp tèt) vμ ngμy cμng xa h¬n c¸c ph ¬ng thøc phøc t¹p thuéc m«i tr êng.
Nã kÕt hîp c¸c mÉu trÇm tÝch vμ m¹ch n íc, nh÷ng c¶i tiÕn liªn tiÕp cña
Tessier ®· x¸c lËp nªn c¸c kÕ ho¹ch, vμ mét lo¹t c¸c m« h×nh liªn hîp bÒ mÆt
®¬n gi¶n. Sù ph©n chia cña c¸c nguyªn tè Cd, Cu, Ni, Pb vμ Zn gi÷a c¸c m¶ng
danh giíi cña Fe – oxit , ® îc ®Þnh nghÜa bëi c¸c sù läc liªn tiÕp, vμ c¸c m¹ch
n íc trong c¸c hå th× cã ®é pH rÊt kh¸c nhau, th êng th× chØ phï hîp víi
nh÷ng lý thuyÕt bÒ mÆt ®¬n gi¶n (Tessier vμ c¸c céng sù n¨m 1985).
V¶ l¹i, t¹i nh÷ng phÇn chia cã ®é pH cao cña Cd, Ni vμ Zn ®Òu t ¬ng tù gi¸n
tiÕp trong c¸c tμi liÖu cho sù hót b¸m kh«ng cã ®Þnh h×nh cña hydroxit Fe trong
sù hßa tan NaNO3. Liªn kÕt gi÷a Cu vμ Pb ë ®é pH cao th êng nhá h¬n ë trong
c¸c hÖ thèng m« h×nh trong phßng thÝ nghiÖm quan s¸t ® îc, liªn kÕt mμ ® îc
quy kÕt víi c¸c ho¹t ®éng c¹nh tranh cña c¸c Ligand hßa tan. ë t¹i n¬i cã ®é pH
thÊp th× sù hót thÊm bÒ mÆt th êng lín h¬n sù thÊm hót gi¸n tiÕp thay cho m«
h×nh oxit s¾t vμ cho tÊt c¶ c¸c kim lo¹i, vμ nã t îng tr ng cho sù h×nh thμnh
cña ba yÕu tè phøc t¹p gi÷a oxit vμ mét vμi nhãm metal- ligand. §©y lμ lêi gi¶i
thÝch t ¬ng tù, nghÜa lμ ho¹t ®éng cña Ligan - gièng nh mét l îng nhá kim
lo¹i gièng nh c¸c dÉn chøng cña Laxen trong c¸c cuéc thÝ nghiÖm thÊm hót bÒ
mÆt cña anh ta víi c¸c vËt chÊt tù nhiªn trong hå. C¸c ph ¬ng ph¸p kÕt hîp
cña Tessier lu«ng ® îc sö dông ®Ó kh¼ng ®Þnh r»ng liªn kÕt As bëi c¸c oxit s¾t
trong hå ë ®é pH tõ 4.0 – 8.4 lu«n phï hîp víi c¸c quan s¸t cña hydroxit s¾t v«
®Þnh h×nh trong c¸c m« h×nh thÝ nghiÖm (Belzile vμ Tessier 1990).
355 http://www.ebook.edu.vn
- H×nh 8.1. Profile th¼ng ®øng cña sù tËp trung kim lo¹i trong chÊt trÇm tÝch vμ n íc khe hë cña Loch
Ba, Anh (Williams 1992)
Råi sau ®ã Tessier vμ nh÷ng ®ång nghiÖp cña «ng ®· n¾m b¾t ® îc nh÷ng
ph ¬ng ph¸p cao h¬n, cã mét b íc tiÕn xa h¬n trong viÖc dïng thªm c¸c tÊm
Teflon ®Ó xÐt nghiÖm mét c¸ch riªng rÏ nh÷ng oxit Fe vμ Mn tù nhiªn xuÊt
hiÖn trong c¸c trÇm tÝch hå (Theo Belzile vμ c¸c céng sù n¨m 1989). §iÒu nμy
®· dÉn tíi mét ph ¬ng ph¸p cao h¬n ®Ó kh¾c phôc sù xuÊt hiÖn kh«ng ch¾c
ch¾n tõ viÖc sö dông c¸c qu¸ tr×nh läc liªn tiÕp ®Ó x¸c ®Þnh râ sù h×nh thμnh
c¸c trÇm tÝch. Ph ¬ng ph¸p më réng nμy ®· ® îc sö dông trong mét nghiªn
cøu tû mØ vÒ sù liªn kÕt Cd trong c¸c trÇm tÝch ë 38 hå thuéc Canada (Theo
Tessier vμ c¸c céng sù n¨m 1993).
Mét m« h×nh h×nh th¸i bÒ mÆt ®¬n gi¶n mét lÇn n÷a l¹i m« t¶ thμnh c«ng sù
liªn kÕt cña kim lo¹i, nh ng m« h×nh ®ã l¹i cÇn thiÕt ®Ó më ®Çu cho mét chÊt
hÊp thô thªm vμo, vËt chÊt h÷u c¬, ®Ó gi¶i thÝch ®Çy ®ñ cho d÷ liÖu ®· quan s¸t
® îc. Nh÷ng nghiªn cøu chØ ra r»ng mÆc dï cã ý nghÜa quan träng nh ng liªn
kÕt Cd g©y bëi oxit S¾t (Fe) th× Ýt quan träng h¬n lμ liªn kÕt g©y ra bëi m¶ng
nhá trÇm tÝch h÷u c¬.
MÆt c¾t cét n íc sù tËp trung mét l îng nhá c¸c nguyªn tè hßa tan trong hå,
chÝnh nã liªn kÕt c¸c ho¹t ®éng cña c¸c nguyªn tè trùc tiÕp víi c¸c oxit Fe vμ
oxit Mn lμ t ¬ng ®èi khan hiÕm. Cã thÓ sù liªn kÕt ®Çy ®ñ trän vÑn nhÊt n»m ë
gi÷a sù tËp trung lín mét l îng Co hßa tan vμ mét l îng ph©n hñy bít c¸c oxit
Mn trong tÇng n íc s©u cña mét vμi hå cã sù thiÕu oxi huyÕt thay ®æi theo mïa
(Heslein n¨m 1987 vμ Balistrieri vμ c¸c céng sù 1992a). Gièng nh lμ sù tËp
356 http://www.ebook.edu.vn
- trung cao cña 210Pb vμ 210Po hßa tan ® îc cho lμ cã nguyªn do tõ sù ph©n
hñy c¸c oxit Fe vμ oxit Mn (Theo Benoit vμ Hemond n¨m 1990, theo dâi phÇn
6.2).
Sù thay ®æi cña c¸c cét n íc trong nguyªn tè As còng ® îc liªn kÕt víi Fe vμ
Mn, nh ng nh÷ng sù thay ®æi ®ã l¹i kh¸ phøc t¹p do cã sù thay biÕn ®æi cña
qu¸ tr×nh oxi hãa khö cña As [ nghÜa lμ As(V) vμ As(III) vμ sù pha chÊt
metanoa (theo dâi phÇn 5.1). C¸c mÆt c¾t cña kim lo¹i ®Æc biÖt vμ cè kÕt ® îc
quan s¸t ë trong hå Antartic ®Òu cã chøa mét l îng muèi, sù thiÕu oxi huyÕt
thay ®æi cã tÝnh th êng xuyªn, tÇng n íc s©u (H×nh 8.2) n¬i mμ nguyªn tè Mn
chiÕm u thÕ h¬n nguyªn tè Fe. Coban ®«i khi còng theo s¸t sau Mn, nguyªn tè
mμ ® îc quy kÕt bëi Green vμ c¸c céng sù vμo n¨m 1989 tiÕn tíi sù ph©n hñy
bít mét l îng Mn vμ sù cã mÆt cña Co(III) trong c¸c l íi oxit Mn.
Trïng víi l îng cùc ®¹i phô thuéc cña c¸c nguyªn tè Mn, Co, Ni, Cu vμ Cd, tÊt
c¶ ®Òu biÓu diÔn l îng cùc ®¹i t¹i c¸c ®é s©u thÊp h¬n. C¸c gi¸ trÞ cùc ®¹i cña
c¸c nguyªn tè Ni, Cu vμ Cd ® îc gi¶i thÝch nh lμ do sù t¨ng lªn cña oxit Mn,
nh ng lμ ë trong mét giíi h¹n Ýt ch¾c ch¾n h¬n (vÝ dô hÊp thô th× t ¬ng ph¶n
trong danh giíi l íi m¾t c¸o). C¬ chÕ cña viÖc gi¶i phãng lμ ® îc liªn kÕt víi sù
ph©n hñy bít cña c¸c oxit trong n íc cã ®é oxi hãa thÊp, mÆc dï nã ® îc l u ý
r»ng nh÷ng nhãm nguyªn tè cã tÝnh hßa tan gièng nhau cã thÓ ® îc t¹o nªn
ngay sau sù t¨ng lªn c¸c qu¸ tr×nh tËp trung cña c¸c vËt chÊt h÷u c¬ vμ v« c¬
x¶y ra trong nh÷ng tÇng s©u n íc mÆn. Nãi tãm l¹i , t×nh tr¹ng hiÖn t¹i cña
n íc mÆn, danh giíi bªn trªn (48m) n¬i mμ trïng víi giíi h¹n phÝa trªn cña
mét l îng cùc ®¹i kim lo¹i (H×nh 8.2) ® a ra mét sè gi¶i thÝch kh¸c cho nh÷ng
mÆt c¾t cña kim lo¹i quan s¸t ® îc.
TÇng s©u n¬i mμ ®é muèi t¨ng lªn ® îc liªn kÕt víi c¸c tÇng kh¸c nhau trong
sù ho¹t ®éng m¹nh mÏ cña sinh vËt (vÝ dô: l îng quang hîp cùc ®¹i t¹i ®é s©u
58 m, mét d¶i cña c¸c vi khuÈn Niterat hãa t¹i ®é s©u 54m), sù t¨ng lªn ®¸ng
kÓ trong viÖc c« c¹n kh«ng chØ cña ligands mμ cßn cã c¶ Ca2+, vμ ®é gi¶m trong
pH tõ xÊp xØ 8 xuèng cßn cã xÊp xØ 5,5 (H×nh 8.2).
N íc mÆn ë tÇng s©u vÒ b¶n chÊt bao gåm n íc mÆn CaCl2 víi mét sù c« l¹i Ca
t¹i møc xÊp xØ 8moll-1 so víi møc xÊp xØ 5*10moll-3 t¹i bÒ mÆt cña hå. V× vËy, cã
vÝ dô r»ng, l îng cùc ®¹i trïng khíp cña c¸c nguyªn tè Ni, Cu, Cd, Mn vμ Co
t¹i ®é s©u xÊp xØ 55 m cã thÓ cã nguyªn nh©n lμ do sù di chuyÓn cña nh÷ng kim
lo¹i tõ oxit Mn vμ bëi c¸c ion H+ vμ Ca2+ [mét vμi nguyªn tè Mn liªn kÕt víi oxit
Mn b»ng víi l îng mμ chóng hÊp thô, theo vÝ dô cña Tipping n¨m 1984.
ViÖc nghiªn cøu trÇm tÝch Trap ngoμi ra còng lu«n ® a ra nh÷ng chøng cí vÒ
dÊu vÕt c¸c qu¸ tr×nh l¾ng ®äng trÇm tÝch cña c¸c nguyªn tè th«ng qua oxit Fe
vμ oxit Mn. Trong nh÷ng khu vùc n íc s©u thiÕu oxi huyÕt th êng xuyªn cña
nh÷ng hå ®Çy chÊt dinh d ìng vμ meromictic, mét sù liªn kÕt trän vÑn ®Çy ®ñ
lμ mét ®iÒu hiÓn nhiªn gi÷a Ir vμ Cu (Baccini vμ Joller n¨m 1981).
357 http://www.ebook.edu.vn
- H×nh 8.2 Profile th¼ng ®øng cña sù tËp trung kim lo¹i vμ phô thuéc vμo d÷ liÖu trong cét n íc cña
meromicjtic hå Antarctic, hå Vanda. Sù tËp trung kim lo¹i kh«ng läc ® îc tr×nh bÇy khi chu tr×nh më
vμ ® îc läc khi chu tr×nh kÝn, cïng víi h¹t kim lo¹i ® îc miªu t¶ bëi miÒn tèi (Green cïng céng sù
1989)
Chóng cao h¬n xÊp xØ kho¶ng 50% cña c¸c dßng ch¶y l¾ng ®äng cña Cu mÆc dï
lμ do c¸c líp Cu l¾ng xuèng tíi c¸c oxit Fe kh«ng kÓ tíi sù cã mÆt cña c¸c líp
n íc ®¸y thiÕu oxi huyÕt. Trong hå Zurich, sù läc s¹ch vμ qu¸ tr×nh l¾ng ®äng
358 http://www.ebook.edu.vn
- trÇm tÝch cña Cu, Zn, Pb, Cd, vμ Cr ® îc kÕt nèi víi thuyÕt ph¸t sinh sinh vËt
quan träng, vμ tíi mét ph¹m vi cña c¸c oxit Fe nhá h¬n, nh ng ng îc l¹i víi
oxit Mn lμ kÕt qu¶ tõ mét chu tr×nh oxi hãa khö ho¹t ®éng cña Mn, cã mÆt ®Ó
läc s¹ch c¸c nguyªn tè Cu, Zn, vμ Pb tõ c¸c tÇng n íc ®¸y. (Theo Sigg vμ c¸c
céng sù n¨m 1987)
V× vËy, tõ nh÷ng d÷ kiÖn cã gi¸ trÞ quan träng, nã ®· chØ ra r»ng sù t ¬ng quan
quan träng cña c¸c oxit Fe vμ oxit Mn gièng nh lμ viÖc mang nh÷ng l îng nhá
c¸c nguyªn tè trong c¸c hÖ thèng hå th× cã tÝnh biÕn thiªn cao h¬n, c¶ hai sù
quan t©m tíi mçi giai ®o¹n hay nh÷ng giai ®o¹n kh¸c nhau cña c¸c chÊt mang
(vÝ dô nh lμ c¸c vËt chÊt h÷u c¬) ®Òu phô thuéc vμo c¸c ®iÒu kiÖn cô thÓ cña
tõng vïng. Tuy nhiªn, nh÷ng sù kh¸i qu¸t ch¾c ch¾n ®ã cã thÓ xuÊt ph¸t tõ
mèi t ¬ng quan quan träng trong mèi liªn quan cña c¸c oxit víi c¸c nguyªn tè
kh¸c. C¸c oxit s¾t cã mÆt sÏ cã mét mèi quan hÖ lín h¬n thay cho c¸c nguyªn tè
As (Batterson vμ McNabb n¨m 1983, Lovell vμ Farmer n¨m 1983, Agget vμ
Roberts n¨m 1986, Freeman vμ c¸c céng sù n¨m 1986, Belzile vμo n¨m 1989,
De Vitre n¨m 1991) vμ Cu (Baccini vμ Joller n¨m 1981, Cornwell 1986, Belzile
vμ c¸c céng sù n¨m 1989), trong khi ®ã, c¸c Oxit Mn xuÊt hiÖn l¹i cã mét mèi
quan hÖ tèt h¬n cho c¸c nguyªn tè Ba (Cornwell n¨m 1986, Sugiyama vμ c¸c
céng sù n¨m 1992), nguyªn tè Co (Hesslein n¨m 1987, Balistrieri 1992a),
nguyªn tè Zn (Jaquet n¨m 1982, Belzile vμ c¸c céng sù n¨m 1989), vμ cho
nguyªn tè Ni (theo Kepkay n¨m 1985, Belzile n¨m 1989, Balistrieri vμ c¸c céng
sù 1992a). Tuy nhiªn, ë ®ã cã mét tr êng hîp kh«ng ch¾c ch¾n cho l¾m vÒ mçi
sù tæng hîp ®ã. LÊy mét vÝ dô, trong hå Biwa giμu nguyªn tè Mn, gièng nh ë
c¸c phÇn lín danh giíi cña c¸c m¶nh oxit Mn (theo Takamatsu vμ c¸c céng sù
n¨m 1985, vμ c¶ Anderson vμ Bruland n¨m 1991).
8.3.2.2 Sulphide
Sù di chuyÓn sulphide kim lo¹i trong anoxic cña hÖ thèng hå ® îc thõa nhËn
réng r·i (Forstner, 1982), mÆc dï h íng cã giíi h¹n. Davison cïng céng sù
(1992) míi ®©y ®· c«ng bè kh¸ nhiÒu d÷ liÖu vÒ cÊu t¹o trªn phÇn tö sulphide
s¾t, vÝ dô tiªu biÓu tõ anoxic hypolimnetic n íc vμ ph©n tÝch sö dông m¸y quÐt
c¸c h¹t proton. Nã chøng tá r»ng nh÷ng phÇn tö sulphide giμu h¬n trong Cu
(4000 pmm) vμ Zn (6000 pmm) lμ nhiÒu h¬n «xÝt s¾t ban ®Çu. Chèng l¹i chøng
minh nμy cho sulphide kim lo¹i kÕt tña lμ chñ yÕu tõ nghiªn cøu hoμ tan kim
lo¹i trong n íc vμ chÊt trÇm tÝch hå, theo c¸ch th«ng th êng sù liªn kÕt nμy
cïng víi tÝnh to¸n nhiÖt ®éng lùc vÒ tÝnh tan ® îc cña chóng, dùa vμo mét c¸ch
th«ng th êng sö dông chÊt ho¸ häc ® îc t¹o thμnh theo quy t¾c (WATEQ).
Nh÷ng yÕu tè cho sulphide kÕt tña ®· ® îc ®Ò xuÊt còng quan träng trong viÖc
kiÓm so¸t As, Cd, Cu, Co, Ni, Pb, vμ Zn (Matisoff cïng céng sù, 1980;
Batterson vμ McNabb 1983; Pedersen 1983; Aggett vμ O'Brien 1985; Carignan
vμ Nriagu 1985; Carignan vμ Tessier 1985; Morfett 1988; Green cïng céng sù
1992). Nãi chung kh«ng xo¸ hÕt sù ph©n biÖt gi÷a viÖc m« t¶ sulphide kim lo¹i
tinh khiÕt kÕt tña hoÆc kh«ng kÕt tña cïng víi sulphide s¾t. §iÒu kiÖn hoμ tan
359 http://www.ebook.edu.vn
- Ýt khi xuÊt hiÖn gÇn nh c©n b»ng vÒ phÇn sulphide kim lo¹i tinh khiÕt, vμ chØ
ra sù h×nh thμnh quy t¾c chung v ît qu¸ b·o hoμ. Nh vËy sù kh¸c nhau ® îc
quy cho lμ nh©n tè chÝnh ®èi víi phøc hÖ, thiÕu bëi sù h×nh thμnh quy luËt (vÝ
dô, phøc hÖ kim lo¹i h÷u c¬), ¶nh h ëng hoμ tan ®Êt, nh÷ng vÊn ®Ò giíi h¹n
kh¸m ph¸, ®Æc biÖt vÒ phÝa phÐp ®o sulphide.
Nh÷ng cuéc thÝ nghiÖm trong phßng thÝ nghiÖm kh¸c nhau ®· cung cÊp nhiÒu
h¬n b»ng chøng vÒ sù kÕt tña cña sulphide kim lo¹i. Frevert (1987) ®· thùc
hiÖn hμng lo¹t tõ khi b¾t ®Çu h×nh thμnh trong phßng thÝ nghiÖm cña h¹t nh©n
chÊt trÇm tÝch hå kh«ng ® îc ph©n phèi, trong ®ã H2S vμ pH ®· ® îc kiÓm
so¸t. D íi ®iÒu kiÖn m«i tr êng thùc anoxic, Zn, Cd, Pb vμ Cu ®· nhanh chãng
di chuyÓn tõ tr¹ng th¸i ® îc hoμ tan sang kÕt tña sulphide. Nh÷ng cuéc thÝ
nghiÖm t ¬ng tù cïng víi homogenize chÊt trÇm tÝch hå ®· cho biÕt sù kÕt tña
cña sulphide As(III) (Batterson vμ McNabb 1983). Di Toro vμ Coworkers (1992)
cã tr×nh bμy vÒ ®Æc tÝnh ®éc cña kim lo¹i (Cd vμ Ni) trong chÊt trÇm tÝch hå ®·
® îc lμm gi¶m bít bëi kÕt tña sulphide. Sù liªn kÕt cña chóng ¶nh h ëng tíi
axÝt lμm thay ®æi sulphide (AVS) bÒ mÆt cña chÊt trÇm tÝch, vμ sù quan tr¾c
cña chóng cho r»ng ®èi víi sù thay thÕ cña s¾t tõ monosulphide bëi kim lo¹i
lμm gi¶m tÝnh tan cña sulphide (vÝ dô, Ni, Zn, Cd, Pb, Cu, vμ Hg).
T ¬ng tù, sù t ¬ng quan cïng víi s¶n phÈm tan cña sulphide mÆc dï ®· cã sù
quan tr¾c trong nh÷ng thÝ nghiÖm t¹i phßng thÝ nghiÖm theo dÊu hiÖu hót b¸m
cña kim lo¹i vμ sù kh«ng kÕt tña theo Mackinawite, mét biÕn ®æi æn ®Þnh cña
sulphide s¾t bao gåm sù thay ®æi sulphide trªn bÒ mÆt chÊt trÇm tÝch trong
nh÷ng hå nhá (Morse vμ Arakaki 1993). Ph¹m vi cña sù di chuyÓn bëi c¶ hót
b¸m vμ kÕt tña nãi chung xuÊt hiÖn trong d·y Ni > Co > Mn. Cadmium, Cr,
Cu, vμ Zn lμ kh¸c tõ tÝnh tan tíi mét vμi quy m« lín h¬n, nh ng sù kÕt hîp
kh¸c kh«ng thÓ lμ kh¸c biÖt tõ kÕt tØa cña sulphide kim lo¹i nguyªn chÊt.
8.3.2.3 Nh÷ng giai ®o¹n kh¸c
S¾t carbonat, Mn carbonat vμ s¾t phosphate ®· ® îc b¸o c¸o trong hÖ thèng
hå, nh ng mÆt kh¸c h íng chøng minh lμ giíi h¹n vμ th«ng tin trªn dÊu vÕt bÒ
mÆt nguyªn tè cña chóng nã gÇn nh hoμn toμn lμ kh«ng cã. Buffle cïng céng
sù (1989) ®Þnh râ ®Æc ®iÓm sù liªn kÕt giμu phÇn tö s¾t tõ qu¸ tr×nh «xi ho¸
khö trong ranh giíi hå giμu chÊt dinh d ìng bëi ho¸ trÞ cña s¾t trong
hydroxophosphate Fe(II/III). S¾t carbonat, Mn carbonat vμ phosphate cã nhiÒu
h¬n pháng ®o¸n b×nh th êng tõ nghiªn cøu chÊt trÇm tÝch trong mao dÉn
(Emeson 1976; Matisoff cïng céng sù 1980). Mét nghiªn cøu t ¬ng tù ®Ò nghÞ
thõa nhËn lμ sù tËp trung mao dÉn cña hoμ tan Pb trong chÊt trÇm tÝch hå
Erie co thÓ kiÓm so¸t bëi phosphate ch×, chloropy-romorphite (Matisoff cïng
céng 1980).
8.4. MÆt tiÕp xóc gi÷a trÇm tÝch vμ n íc
Sù trao ®æi c¸c phÇn tö gi÷a trÇm tÝch ®¸y vμ cét n íc n»m ë bªn trªn lμ mét
360 http://www.ebook.edu.vn
- ®iÒu ®¸ng chó ý ®Æc biÖt bëi v× sù ®¸ng kÓ cña nã víi chó ý tíi ®iÒu tÊt yÕu c¬
b¶n cña c¸c phÇn tö trong hå. MÆt tiÕp xóc gi÷a tr©m tÝch vμ n íc ® îc ®Æc
tr ng bëi sù t¨ng ®ét ngét trong mËt ®é ph©n tö vμ sù gi¶m ®ét ngét trong vËn
tèc vËn chyÓn khuÕch t¸n so víi líp n íc n»m trªn. C¸c phÇn tö t¸i ho¹t ®éng
cao, nh lμ vËt liÖu t¶o vμ «xÝt metan, cã xu thÕ ® îc tËp trung ë ®ã. Nh÷ng
thø nμy cã thÓ bÞ ph¸ huû nhanh chãng vμ h×nh thμnh c¸c d¹ng míi (nh lμ
sunphat). Nh÷ng nguyªn tè vÕt do ®ã cã thÓ ® îc gi¶i phãng tõ qu¸ tr×nh hoμ
tan hay l¾ng ®äng t¹o cho khu vùc tiÕp xóc nμy mét nguån ®Þa ph ¬ng quan
träng tiÒm n¨ng hoÆc sù l¾ng xuèng cña c¸c phÇn tö. VÊn ®Ò nμy ® îc xem xÐt
vμ chøng minh b»ng thùc nghiÖm vÒ møc biÕn ®éng cao vÒ h íng vμ tÇm quan
träng t ¬ng ®èi cña dßng khuÕch t¸n cña c¸c phÇn tö bÞ hoμ tan ë mÆt tiÕp xóc
gi÷a trÇm tÝch vμ n íc. Nã còng thÓ hiÖn ra ® îc gi÷ liÖu vÒ sù trao ®æi trÇm
tÝch - n íc (xem c¸c vÝ dô trong nh÷ng môc sau vμ tr êng hîp nghiªn cøu víi
Pu vμ 137Cs trong môc 8.6).
8.4.1 Dßng khuÕch t¸n tõ c¸c trÇm tÝch
Trong nh÷ng xem xÐt ban ®Çu cña m×nh Sholkovitz (1985) ®· kÕt luËn r»ng
kim lo¹i kiÒm (Na, K vμ cã thÓ c¶ 137Cs) vμ kim lo¹i kiÒm thæ (Mg, Ca, Ba) cïng
víi nh÷ng vÝ dô phæ biÕn cña Fe, Mn, P, Si, NH3 vμ c¸c chÊt cã tÝnh kiÒm
nh÷ng mÉu vËt nμy ®· t¨ng c êng c¸c dßng ch¶y qua giao diÖn trÇm tÝch - n íc
trong suèt mïa thiÕu oxi, ®iÒu mμ ®· diÔn ra ë mét sè hå. Nh÷ng dßng ch¶y
nμy dÉn ®Õn t¨ng mËt ®é dßng ph©n tö trong tÇng n íc hå s©u thiÕu oxi tõ qu¸
tr×nh quan hÖ oxi ho¸ khö, vμ ® îc cho lμ do Sholkovitz ph¸t hiÖn, trong tõng
phÇn (Na, K, Mg, Ca, vμ Ba) hay trong tæng thÓ. B»ng chøng chøng tá nh÷ng
¶nh h ëng t ¬ng tù víi c¸c phμn tö kh¸c lμ rÊt hiÕm x¶y ra vμ h¬n n÷a,nãi
chung lμ khã ®Ó v¹ch ra sù kh¸c biÖt gi÷a sù khuÕch t¸n ngang qua bÒ mÆt
tiÕp xóc gi÷a trÇm tÝch - n íc vμ sù hoμ tan cña c¸c phÇn tö ch×m l¾ng nh mét
nguån cña sù t¨ng mËt ®é ®ã. Nh÷ng vÝ dô ®· cho trong môc 3.2.1 cña As,
210
Pb, vμ 210Po cung cÊp b»ng chøng hÊp dÉn cña viÖc gi¶i phãng tõ c¸c trÇm
tÝch, trong ®ã nh÷ng gi¶I thÝch dùa trªn tÝnh biÕn ®æi mËt ®é phô thuéc vμo
thêi gian vμ ®é s©u cña cét n íc vμ n íc trong khe, sè liÖu trÇm tÝch ®¸ Trap
vμ tÝnh to¸n khèi n íc dù tr÷ (Aggett vμ O’brien 1985, Benoit vμ Hemond
1990). Tuy nhiªn, trong tr êng hîp cña As vμ 210Pb t×nh huèng phøc t¹p vμ mét
thay ®æi cña ®Æc tr ng vßng tuÇn hoμn sinh ho¸ ®· d îc tr×nh bμy (xem môc
5.1 vμ 6.2). §ã lμ b»ng chøng tõ nh÷ng ®iÒu nμy vμ d íi vÝ dô vÒ sè kiÑu nh
vËy th× kh«ng cã nghÜa lμ ®· râ rμng.
Esthwaite water cña Anh ®· cã méy n¬i dμh cho nh÷ng nghiªn cøu do
Mortimer s¸ng lËp ra (1941,1942) vμ nh÷ng kÕt qu¶ ban ®Çu lμ chñ chèt trong
viÖc ph¸t triÓn quan ®iÓm vÒ sù gi¶i phãng vμ sù hoμ tan thu gän cña Mn vμ Fe
tõ c¸c trÇm tÝch ®¸y trong toμn bé khèi n íc d íi ®IÒu kiÖn yÕm khÝ (xem
Sholkovitz 1985). Sù biÓu hiÖn néi t¹i cña Esthwaite water dùa trªn c¬ së nång
®é Mn phô thuéc thêi gian vμ ®é s©u cña cét n íc, c¸c mÆt c¾t däc cña trÇm
tÝch ®¸y vμ nh÷ng kinh nghiÖm tõ nh÷ng thÝ nghiÖm sö dông n íc vμ trÇm
361 http://www.ebook.edu.vn
- tÝch hå tù nhiªn cßn ch a c«ng bè (Mortimer 1941, 1942). Nh÷ng nghiªn cøu
gÇn ®©y ® îc tæng kÕt trong Davison (1993) bao gåm nh÷ng ®o ®¹c trÇm tÝch
®¸ Trap, m¹ch n íc vμ nh÷ng tÝnh to¸n m« pháng l îng tr÷ cña khèi n íc nhê
nh÷ng ®iÒu nμy ®· dÉn tíi nh÷ng hiÓu biÕt ®Çy ®ñ vÒ toμn bé hÖ thèng. MÆc dï
hiÖn nay gi¶i thÝch r»ng sù gi¶i néi t¹i cña Mn diÔn ra tõ c¸c trÇm tÝch ®¸y tíi
c¸c líp n íc bªn trªn vμo ®Çu mïa xu©n chØ tån t¹i trong mét thêi gian ng¾n.
TrÇm tÝch trong tÇng n íc hå s©u ë Esthwaite lμ sù gi¶m l îng Mn vμ l îng
cßn l¹i cña oxit Mn trong trÇm tÝch nhanh chãng trë thμnh cùc h¹n trong suèt
mïa hÌ. V× vËy, sù t¨ng lªn liªn tôc cña mËt ®é Mn hoμ tan trong cét n íc ® îc
cung cÊp bëi sù hoμ tan t ¬ng ®èi cña nh÷ng ph©n tö oxit ch×m xuèng, vμ
kh«ng tõ c¸c trÇm tÝch. §iÒu ng îc l¹i, nh mét kÕt qu¶ cña sù t¨ng liªn tôc
cña mËt ®é Mn hoμ tan trong tÇng n íc hå s©u, Mn khuÕch t¸n trë l¹i trÇm
tÝch trong suèt thêi gian cßn l¹i cña giai ®o¹n ph©n tÇng.
H×nh 8.3 Sù thay ®æi cïng víi ®é s©u n íc cña ph©n huû 137Cs vμ sù tËp trung Fe, còng nh nhiÖt ®é
vμ «xy hoμ tan, trong Esthwaite Water, Anh, ngμy 27/8/1986 trong suèt thêi kú cña sù ph©n tÇng mïa
hÌ , sau ®ã lμ sù l¾ng ®äng trong khÝ quyÓn cña vô næ Chernobyl xuÊt ph¸t tõ 137Cs trong th¸ng 5/1986
(Davison cïng céng sù 1993)
Nh÷ng nguy c¬ dùa trªn mét m×nh profile cét n íc khi cã thÓ lμm s¸ng tá sù
gi¶i phãng tõ chÊt trÇm tÝch ®¸y lμ râ rμng bëi hμng lo¹t profile th¼ng ®øng cã
liªn quan trong Esthwaite Water (H×nh 8.3). Nh÷ng profile nμy thu ® îc trong
suèt giai ®o¹n ph©n tÇng cña mïa hÌ sau ®ã lμ b»ng chøng ® îc cung cÊp bëi
vô næ Chernobyl b¾t nguån tõ c¸c nuclit phong x¹ xung quanh vμo ngμy 6
th¸ng 5 n¨m 1986 (Davison cïng c«ng sù 1993). Nghiªn cøu ban ®Çu cña
profile ® îc ®Ò xuÊt lμ nguyªn nh©n liªn kÕt gi÷a sù tËp trung 137Cs cao d íi 11
m vμ sù ph©n huû s¾t trong n íc d íi ®¸y khö «xy, kÕt qu¶ ® îc biÕt ®Õn tõ sù
362 http://www.ebook.edu.vn
- khuÕch t¸n chÊt trÇm tÝch ®¸y.
Tuy nhiªn, m« h×nh chÆt chÏ cña mét lo¹t thêi kú tËp trung 137Cs cña n íc d íi
®¸y vμ bÒ mÆt trong hå ® îc biÕt ®Õn nh lμ ®é muèi cña 2 profile lμ trïng
khíp (Davison cïng céng sù 1993). Ban ®Çu 137Cs lμ ®Çu vμo trong ngμy 6
th¸ng 5 xuÊt hiÖn tr íc khi ph©n tÇng ®Õn møc 137Cs ®· x¸o trén ®ång nhÊt
qua hå. Sau ®ã, 137Cs tËp trung trong bÒ mÆt n íc x¸o trén tèt ®· tõ tõ gi¶m
bít bëi dßng n íc ngang, läc bëi c¸c phÇn tö, vμ khuÕch t¸n cã thÓ x¶y ra trong
chÊt trÇm tÝch ®¸y, trong khi ®ã sù tËp trung 137Cs ë tÇng n íc hå s©u ®· ¶nh
h ëng Ýt bëi c¸c tiÕn tr×nh nμy, v× vËy ®· quan tr¾c ® îc profile cña 137Cs trong
líp ho¹t ®éng m¹nh.
8.4.2 B»ng chøng vÒ cã mét Ýt hoÆc kh«ng cã th«ng l îng khuÕch t¸n
tõ chÊt trÇm tÝch
DÊu vÕt cña c¸c nguyªn tè th êng ® îc tr×nh bμy ®Ó chøng minh cã mét Ýt
hoÆc kh«ng cã sù liªn kÕt vËn chuyÓn khuÕch t¸n tõ chÊt trÇm tÝch vμo trong
cét n íc. NhiÒu nghiªn cøu c¨n cø vμo profile cét n íc vμ n íc mao dÉn vμ t¹i
vÞ trÝ ®Æt dông cô ®o ch×m xuèng ®· cho thÊy kh«ng trùc tiÕp gi¶i phãng Cu, Pb
vμ Zn tõ chÊt trÇm tÝch trong hå khi Mn vμ Fe ®· ® îc gi¶i phãng, v× chÊt khö
®· ph©n huû «xy cña chóng (Drake vμ Ackerly 1983; Pedersen 1983; Sakata
1985; Sigg cïng céng sù 1987; Morfett cïng céng sù 1988; Morfett 1988;
Santschi 1989). Nh÷ng ghi nhí nμy th êng ® îc cho lμ do sù kÕt tña cña
sulphide kim lo¹i ë ®é s©u (Pedersen 1983; Morfett cïng céng sù 1988).
H×nh 8.4 tr×nh bμy sù tËp trung cña Fe, Cu vμ Zn ph©n huû t¹i mÆt ph©n giíi
gi÷a n íc - chÊt trÇm tÝch th¸ng 7 vμ th¸ng 10, bao bäc bëi giai ®o¹n trÔ cña sù
ph©n tÇng mïa hÌ, ng îc l¹i, mïa ®«ng x¸o trén trong mïa thiÕu «xy cña
Esthwaite Water. Tr¸i ng îc víi tr×nh bμy sù huy ®éng l¹i tËp trung Cu vμ Zn
lμ Ýt quan träng h¬n trong suèt thêi kú thiÕu «xy (th¸ng 8 vμ ®Çu th¸ng 9), nã
quy cho lμ do sù kÕt tña sulphide (Morfett cïng céng sù 1988).
Kh«ng ®ñ ®Ó chøng minh nguyªn tè gi¶i phãng tõ chÊt trÇm tÝch cã thÓ tr íc
kia ®· bÞ l¹c h íng, tuy nhiªn, khi gi¶i phãng nguyªn tè cã thÓ ®ñ x¸o trén rÊt
nhanh qua cét n íc mμ kh«ng khoanh vïng t¨ng lªn trong sù tËp trung, cã thÓ
bÞ ph¸t hiÖn. Do ®ã, Sù tÝch tô cña c¸c nguyªn tè ë vïng n íc s©u cã thÓ kÕt
qu¶ hoμn toμn tõ sù ph©n t¸n h íng lªn trªn gi¶m trong suèt thêi kú ph©n
tÇng (Sholkovitz 1985).
VÝ dô, Davison cïng céng sù (1982) ®Ò xuÊt r»ng Mn ® îc gi¶i phãng tõ chÊt
trÇm tÝch cña Esthwait Water liªn tôc trong n¨m, tuy nhiªn nh÷ng ®Ò xuÊt
nμy kh«ng râ rμng ®Ó lμm næi bËt n íc d íi ®¸y trong mïa ®«ng, v× x¸o trén
theo chiÒu th¼ng ®øng nhanh suèt thêi gian nμy trong hå.
363 http://www.ebook.edu.vn
- H×nh 8.4 Sù tËp trung ph©n huû cña Fe, cu vμ Zn t¹i mÆt ph©n giíi n íc - chÊt trÇm tÝch trong
Esthwaite Water, Anh, gi÷a th¸ng 7 vμ th¸ng 12 n¨m 1986. Thêi kú bao gåm tr¹ng th¸i ph©n tÇng muén
nhÊt trong mïa he.
8.4.3 Sù huy ®éng l¹i t¹m thêi
T ¬ng ph¶n víi sù biÕn ®æi theo mïa trong sù tËp trung, khi ® îc xem xÐt
cïng víi Fe vμ Mn trong nhiÒu hå, cã mét vμi b»ng chøng víi gi¶ thuyÕt r»ng
vÕt tÝch tËp trung kim lo¹i ® îc biÓu lé kh¸c nhau tån t¹i trong mét thêi gian
ng¾n (ngμy hoÆc tuÇn), vïng cùc ®¹i ë t¹i mÆt ph©n giíi gi÷a n íc vμ chÊt
trÇm tÝch. Morfett cïng céng sù (1988) nghiªn cøu sù tËp trung kim lo¹i trong
miÒn ph©n giíi cña bÒ mÆt chÊt trÇm tÝch cña Esthwaite Water cã sè l îng
t ¬ng ®¸ng kÓ. Zn, vμ ®èi víi ph¹m vi nhá h¬n cña ®ång, ® îc tr×nh bμy tho¸ng
qua gi¸ trÞ lín nhÊt xÊp xØ 1 cm ë trªn mÆt ph©n giíi n íc - chÊt trÇm tÝch,
cïng nh÷ng liªn kÕt nμy ®èi víi sù thay ®æi thêi gian trong tèc ®é thay thÕ cña
h¹t kim lo¹i, qua qu¸ tr×nh l¾ng ®äng chÊt trÇm tÝch, vμ trong tû lÖ x¸o trén
th¼ng ®¸ng trong cét n íc (xem phÇn 6.3 víi nh÷ng th¶o luËn chi tiÕt h¬n).
Morfett (1988) mÆc dï thùc hiÖn mét chuçi c¸c thÝ nghiÖm cã liªn quan tr íc
®ã, cïng chÊt trÇm tÝch tù nhiªn cña Esthwaite vμ n íc ®· bÞ l«i cuèn tíi ®iÒu
kiÖn m«i tr êng gi¶ cã thÓ x¶y ra. Mét quan tr¾c chñ yÕu ®· cho thÊy sù gi¶i
phãng nhanh cña sù ph©n huû dÊu vÕt kim lo¹i khi chÊt trÇm tÝch chÞu sù «xi
ho¸ khö qu¸ giíi h¹n («xi tíi thiÕu «xi), trong khi kh«ng ph¸t hiÖn ra kim lo¹i
(Zn, Cd hoÆc Pb) sù huy ®éng l¹i th êng xuÊt hiÖn tõ h¹t nh©n cè ®Þnh tr íc
d íi ®iÒu kiÖn «xi hoÆc thiÕu «xi kh¸c. Sù gi¶i phãng t¹m thêi ® îc quy cho lμ
®èi víi sù ph©n huû h¹t cña mét giai ®o¹n «xi ho¸ khö tr íc khi h×nh thμnh
364 http://www.ebook.edu.vn
- c¸c lo¹i kh¸c.
Mét sè nghiªn cøu kh¸c cung cÊp chøng minh cho sù kiÖn x¶y ra cña viÖc gi¶i
phãng nhanh t¹i mÆt ph©n giíi n íc - chÊt trÇm tÝch. Sè liÖu tËp trung Co vμ
Zn tõ mïa thiÕu «xi t¹i hå Biel ë Thuþ Sü ® îc biÕt ®Õn trong kho¶ng thêi gian
ng¾n víi gi¸ trÞ cùc ®¹i t¹i thêi kú kh¸c nhau trong suèt n¨m mμ kh«ng cã sù
t ¬ng quan râ rμng cïng víi chÊt khö ® îc huy ®éng l¹i cña Mn (Santschi
1989). Trong mét nghiªn cøu vÒ chu tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc cña 210Pb vμ 210Po
trong hå Wisconsin thiÕu dinh d ìng, Talbot vμ Andren (1984) ®· ph¸t hiÖn ra
r»ng c¶ nuclit phãng x¹ ® îc ® a ra trong thêi kú ng¾n cña sù vËn chuyÓn tõ
cét n íc, liªn kÕt víi sù hÊp thô cñ t¶o vμ qu¸ tr×nh l¾ng ®äng trÇm tÝch. 210Pb
xuÊt hiÖn l©u dμi ® îc di chuyÓn tíi chÊt trÇm tÝch, trong khi 210Po ph¶i tr¶i
qua sù gi¶i phãng nhanh chãng trë l¹i cét n íc sau ®ã lμ t¶o vμ kÕt qu¶ lμ qu¸
tr×nh l¾ng ®äng trÇm tÝch. Gunkel vμ Sztraka (1986) quan tr¾c sù ph©n huû
®¸ng kÓ kim lo¹i xuÊt hiÖn (Zn, Cr, Cd vμ Pb) t¨ng v ît qu¸ ph¹m vi nhá hÑp ë
®é s©u kho¶ng 1,5 cm hoÆc h¹n chÕ ®èi víi mÆt ph©n giíi chÊt trÇm tÝch trong
2 hå thμnh phè. Nh÷ng sù t¨ng nμy xuÊt hiÖn trong vïng l©n cËn cña viÖc t¹o
ra gradient ph¶n øng «xi ho¸ khö vμ mÆc dï chóng ®· ® îc liªn kÕt bëi nh÷ng
nh©n tè kh¸c ®èi víi viÖc huy ®éng trë l¹i chÊt khö cña «xÝt Fe vμ Mn, t ¬ng tù
kÜ thuËt cung cÊp c¬ b¶n kh«ng thÓ bÞ lo¹i trõ.
8.4.4 Th«ng l îng khuÕch t¸n vμo trong chÊt trÇm tÝch
Cã sù xuÊt hiÖn cña mét sè tr êng hîp gi¶i phãng ®èi víi ®iÒu kiÖn ph¶n øng
«xi ho¸ khö ë d íi mμ nguyªn tè khuÕch t¸n tõ líp n íc phÝa trªn vμo trong
chÊt trÇm tÝch. Sù khuÕch t¸n ®i xuèng cña Mn trong suèt phÇn phÝa sau cña
thêi kú ph©n tÇng trong mét vμi hå cã mïa thiÕu «xi ®· ® îc th¶o luËn (xem
phÇn 4.1). Mét vÝ dô kh¸c quan träng lμ sù liªn kÕt ¶nh h ëng cña pH trong
nguyªn tè t¸c ®éng. Sù axÝt ho¸ hå th êng lμ kÕt hîp cïng víi sù tËp trung kim
lo¹i cao trong cét n íc, vμ tr¶ lêi cã hay kh«ng cã sù axÝt ho¸ ch× ®èi víi sù ph¶i
phãng kim lo¹i tõ chÊt trÇm tÝch ®¸y ®· g©y ra sù chó ý ®¸ng kÓ (Forstner
1982).
Nh÷ng thÝ nghiÖm ë trong phong thÝ nghiÖm (Stokes vμ Szokalo 1977) vμ t¹i vÞ
trÝ trung gian (Santschi cïng céng sù 1986) c¶ hai ®Òu ch¾c ch¾n chØ ra r»ng cã
sù gi¶i phãng kim lo¹i (vÝ dô, Zn vμ Co) tõ chÊt trÇm tÝch « nhiÔm cã thÓ mang
l¹i mét kho¶ng nhá d íi nång ®é pH thÊp cña líp n íc phñ phÝa trªn. Thªm
vμo, profile tæng l îng kim lo¹i trong chÊt trÇm tÝch cña hå cã tÝnh chÊt axÝt
th êng cho thÊy sù tËp trung suy yÕu trong líp cao nhÊt, mμ trong mét vμi
tr êng hîp ®· cho r»ng ®èi víi viÖc läc axÝt (tham kh¶o Forstner 1982). Sù
t ¬ng ph¶n ®· ® îc t×m thÊy, t¹i vÞ trÝ profile n íc mao dÉn ®· ® îc biÕt ®Õn
kh«ng râ rμng, ë ®©y ®iÒu kiÖn biªn O2 - H2S xuÊt hiÖn hoÆc h¹n chÕ ®èi víi
mÆt ph©n giíi n íc - chÊt trÇm tÝch, sù vËn chuyÓn khuÕch t¸n xuèng phÝa
d íi vμo trong chÊt trÇm tÝch xuÊt hiÖn theo quy t¾c cho tû lÖ cña kim lo¹i, ®Æc
biÖt nhÊt lμ trong hå cã tÝnh axÝt (h×nh 8.5, Pederson 1983; Carignan vμ Nriagu
1985; Carignan vμ Tessier 1985; Tessier cïng céng sù 1989; Pedersen cïng
365 http://www.ebook.edu.vn
- céng sù 1993). Sù t ¬ng ph¶n nμy bao gåm nh÷ng kim lo¹i nh¹y axÝt nh Zn
vμ Cd (Carignan vμ Tessier 1985; Tessier cïng céng sù 1989; Pedersen cïng
céng sù 1993; tÊt c¶ tham kh¶o ë phÇn 6.3). TrÇm tÝch l¾ng xuèng lμ do chñ
yÕu bëi kÕt tña sulphide, nh ng dï sao cã thÓ ®ã t¸c ®éng lªn viÖc sinh ra kiÒm
mμ kÌm theo ®ã lμ sù ph©n huû vËt chÊt h÷u c¬ kþ khÝ. Do ®ã, kÕt qu¶ tÊt
nhiªn gradient pH ngang qua mÆt ph©n giíi n íc - chÊt trÇm tÝch cña hå cã
tÝnh axÝt (h×nh 5) cã thÓ kÕt qu¶ lμ t¨ng sù hót b¸m vμ cã thÓ tån t¹i kho¸ng
chÊt d¹ng gibbsit trong chÊt trÇm tÝch (Carignan vμ Nriagu 1985). Sù ph©n
huû gradient kim laäi, vμ do ®ã th«ng l îng ®i xuèng phÝa d íi, h íng vÒ lín
nhÊt trong sù liªn kÕt cïng víi n íc cã tÝnh chÊt axÝt phñ phÝa trªn (pH 4,5
5,5; Carignan vμ Nriagu 1985; Tessier cung céng sù 1989), mÆc dï gradient lín
cã thÓ ® îc quan tr¾c thÊy trong hå cïng víi cét n íc cã pH > 7 (Carignan vμ
Nriagu 1985; Pedersen cïng céng sù 1993).
H×nh 8.5 Profile th¼ng ®øng cña sù ph©n huû (chu tr×nh ®ãng) vμ tËp trung tæng l îng chÊt trÇm tÝch
2
SO4
(chu tr×nh më) cña Cu, Ni, Fe, Mn, vμ Al, còng nh sù ph©n huû vμ pH, trong chÊt trÇm tÝch vμ
líp n íc phñ bªn trªn ë ®é s©u 15 m trong hå Clearwater, Ontario (Carignan vμ Nriagu 1985).
366 http://www.ebook.edu.vn
- Th«ng l îng khuÕch t¸n cã thÓ lμ nh©n tè chÝnh biÓu thÞ trong sè h¹ng cña
phÐp ®o tèc ®é tÝch luü cña kim lo¹i trong chÊt trÇm tÝch, vμ bëi vËy sÏ cã hiÖu
lùc ¶nh h ëng quan träng tíi profile chÊt trÇm tÝch vμ mét vμi gi¶i thÝch sau ®ã
ghi nhËn sù l¾ng ®äng cña kim lo¹i xuÊt hiÖn trong hå. Nh÷ng th«ng l îng ®Æc
biÖt nμy cã thÓ ® a phÇn nμo gi¸ trÞ cùc ®¹i cña kim lo¹i xuÊt hiÖn ë bÒ mÆt
hoÆc s¸t mÆt trong chÊt trÇm tÝch (xem profile cña Cu vμ Ni trong h×nh 8.5) mμ
cho r»ng ®· cã tr íc ®©y ®èi víi sù thay ®æi tr íc trong ®Çu vμo lμ sù t¸c ®éng
cña con ng êi hoÆc ®èi víi axÝt di chuyÓn vμo trong cét n íc (Carignan vμ
Nriagu 1985). Còng nh sù cã hiÖu lùc cña viÖc lμm gi¶m chÊt trÇm tÝch, trong
mét sè t¸c ®éng xuÊt hiÖn kim lo¹i ch×m xuèng theo h íng nμy, nã ®· ® îc
h íng dÉn bëi Pedersen cïng céng sù (1993) ®èi víi nghiªn cøu trªn viÖc sö
dông kh¸c nhau khi vÞ trÝ cã sù dù tr÷ l©u dμi cho cÆn cña r¸c th¶i má.
Nã ® îc chó ý xem xÐt lý do cã thÓ x¶y ra gi¸n tiÕp kh¸c nhau gi÷a phßng thÝ
nghiÖm vμ nh÷ng thÝ nghiÖm trung gian, bao gåm sù läc kim lo¹i vμ huy ®éng
trë l¹i cña sù axÝt ho¸, vμ quan s¸t profile n íc mao dÉn trong hÖ thèng tù
nhiªn, mμ cho thÊy sù di chuyÓn kim lo¹i vμo trong chÊt trÇm tÝch. §èi víi sù
nh©n biÕt cña chóng cã mét Ýt trªn thùc tÕ hoÆc kh«ng cã d÷ liÖu mμ gi¶i thÝch
râ rμng sù läc kim lo¹i tõ trÇm tÝch hå d íi ®iÒu kiÖn tù nhiªn. Nã cã thÓ lμ ë
d íi ®iÒu kiÖn thÝch hîp ®èi víi nh÷ng thÝ nghiÖm läc kim lo¹i thó vÞ sÏ x¶y ra.
Nh mét sù lùa chän, nã cã thÓ vèn cã sù kh¸c nhau gi÷a thÝ nghiÖm vμ t¹i vÞ
trÝ tù nhiªn, còng nh sù v¾ng mÆt cña khö sulphate vμ kÕt tña sulphide trong
thÝ nghiÖm hoÆc kh¸c nhau trong c¸c nh©n tè thuû lùc. Trong phßng thÝ
nghiÖm vμ nh÷ng thÝ nghiÖm trung gian ®· t¸c ®éng lμm x¸o trén hÖ thèng
kÝn, ® a ra ®iÒu kiÖn tr¹ng th¸i kh«ng bÒn v÷ng. Trong nh÷ng axÝt vμ baz¬
trung gian ®· thªm vμo vμ ®iÒu kiÖn quan tr¾c trong cïng thÝ nghiÖm ®¬n le
kho¶ng 90 ngμy. Trªn thùc tÕ ®iÒu kiÖn hå ®· ®¹t ® îc "tr¹ng th¸i tù nhiªn"
v ît qu¸ giai ®o¹n cña n¨m trong mét hÖ thèng më. Sù tËp trung kim lo¹i
t ¬ng ®èi cao trong cét n íc cã thÓ cã nh÷ng ®iÓm ®Æc tr ng cña n íc cã tÝnh
axÝt ®i vμo trong hå, vμ ngoμi ra t ¬ng øng víi sù xuÊt hiÖn kim lo¹i thÊp h¬n
® îc läc bªn trong cét n íc, h¬n n÷a thu ® îc kÕt qu¶ cña viÖc huy ®éng l¹i tõ
chÊt trÇm tÝch. MÆc dï ®¹t gi¸ trÞ lín trong viÖc chuÈn bÞ chu ®¸o cña nh÷ng
tiÕn tr×nh sinh ®Þa ho¸ häc vμ vËn chuyÓn cã thÓ x¶y ra, mét vμi miªu t¶ kh¸c
nhau cao cña giíi h¹n cã thÓ x¶y ra trong tÝnh gÇn ®óng cña thÝ nghiÖm khi cè
g¾ng øng dông kÕt qu¶ nμy vμo vÞ trÝ x¸c ®Þnh.
8.5 con ® êng ph¶n øng «xi ho¸ khö trùc tiÕp: Nh÷ng tr êng hîp
nghiªn cøu
PhÇn 8.5 vμ phÇn 8.6 cung cÊp hμng lo¹t nh÷ng tr êng hîp nghiªn cøu ® îc
lùa chän trªn c¬ së vÒ b¶n chÊt cña chóng vμ cã gi¸ trÞ vÒ chÊt l îng d÷ liÖu
tèt. Tiªu chuÈn chÊt l îng ®· ® îc sö dông trong kÜ thuËt lμm s¹ch thuéc h¶i
d ¬ng häc hoÆc tÝnh bÒn v÷ng trong ®Þa ho¸ häc, v..v., d÷ liÖu lμ t ¬ng ®èi phï
hîp vμ cã khuynh h íng tr×nh bμy chÆt chÏ mμ cã thÓ liªn quan tíi tiÕn tr×nh
367 http://www.ebook.edu.vn
nguon tai.lieu . vn
