Fontes de matéria particulada e dissolvida no oceâno Aporte fluvial - principais tipos químicos de água. Factores que controlam a química das águas fluviais. Principais reacções de alteração química nos continentes. Partilha dos elementos químicos entre os diferentes componentes da matéria particulada fluvial orgânica e inorgânica. Equilíbrios entre componentes iónicos e partículas suspensas na água. Nutrientes em águas fluviais. Alteração antrópica e variações naturais da carga dissolvida e particulada dos rios. Caracterização da carga dissolvida e suspensa nos rios: Amazonas, Yang-Tze, Zaire, Lena, Ganges-Brahmaputra, Douro e Guadiana. Mudanças da razão isotópica 87 Sr/ 86 Sr em longa escala de tempo como indicador de fontes de alimentação. Alteração estuarina do aporte fluvial, comportamento dos elementos químicos nos estuários; gráficos de mistura. Mudanças de especiação elemental, processos de remoção, adição e estabilização dos componentes dissolvidos. Exemplos de comportamento conservativo e não conservativo de alguns elementos (Si, Al, Fe, Mn, Zn, Cu, Ba, Pb e nutrientes) durante a mistura estuarina. Aporte e transporte atmosférico de partículas de origem desértica, vulcânica, biótica, cósmica e antrópica. Composição química dos aerosóis marinhos. Padrão global de circulação atmosférica e transporte de aerosóis marinhos. Marcadores estratigráficos resultantes de transporte atmosférico. Sistemática global das dorsais medio-oceânicas. Caracterização geoquímica dos magmas gerados nas margens divergentes das placas litosféricas. Distribuição global das nascentes hidrotermais. Processos físico-químicos sub-superficiais e superficiais. Aspecto químico do funcionamento das comunidades bacterianas associadas ao hidrotermalismo dos riftes. Diagénese térmica da matéria orgânica. Contribuição do estudo de isótopos estáveis como traçadores de processos. Balanço químico de intercâmbio da crosta oceânica com água oceânica, aportes particulados e dissolvidos. Nascentes frias das zonas de subducção. Nascentes frias (“cold seeps”) nas margens continentais passivas. Caracterização físico-química e comunidades faunísticas associadas a nascentes frias. Estimação quantitativa da contribuição das principais fontes primárias da matéria particulada e dissolvida.
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Fontes de matéria particulada e dissolvida no oceâno
Aporte fluvial - principais tipos químicos de água. Factores que controlam a química das águas fluviais. Principais reacções de alteração química nos continentes. Partilha dos elementos químicos entre os diferentes componentes da matéria particulada fluvial orgânica e inorgânica. Equilíbrios entre componentes iónicos e partículas suspensas na água. Nutrientes em águas fluviais. Alteração antrópica e variações naturais da carga dissolvida e particulada dos rios. Caracterização da carga dissolvida e suspensa nos rios: Amazonas, Yang-Tze, Zaire, Lena, Ganges-Brahmaputra, Douro e Guadiana.
Mudanças da razão isotópica 87Sr/86Sr em longa escala de tempo como indicador de fontes de alimentação. Alteração estuarina do aporte fluvial, comportamento dos elementos químicos nos estuários; gráficos de mistura.
Mudanças de especiação elemental, processos de remoção, adição e estabilização dos componentes dissolvidos. Exemplos de comportamento conservativo e não conservativo de alguns elementos (Si, Al, Fe, Mn, Zn, Cu, Ba, Pb e nutrientes) durante a mistura estuarina.
Aporte e transporte atmosférico de partículas de origem desértica, vulcânica, biótica, cósmica e antrópica. Composição química dos aerosóis marinhos. Padrão global de circulação atmosférica e transporte de aerosóis marinhos. Marcadores estratigráficos resultantes de transporte atmosférico.
Sistemática global das dorsais medio-oceânicas. Caracterização geoquímica dos magmas gerados nas margens divergentes das placas litosféricas. Distribuição global das nascentes hidrotermais. Processos físico-químicos sub-superficiais e superficiais. Aspecto químico do funcionamento das comunidades bacterianas associadas ao hidrotermalismo dos riftes. Diagénese térmica da matéria orgânica. Contribuição do estudo de isótopos estáveis como traçadores de processos. Balanço químico de intercâmbio da crosta oceânica com água oceânica, aportes particulados e dissolvidos.
Nascentes frias das zonas de subducção. Nascentes frias (“cold seeps”) nas margens continentais passivas. Caracterização físico-química e comunidades faunísticas associadas a nascentes frias.
Estimação quantitativa da contribuição das principais fontes primárias da matéria particulada e dissolvida.
Alteração química nos continentes
As águas continentais são mineralisadas por causa das reacções químicas de interacção entre água e rochas tais como:
• Dissolução • Hidrólise de silicatos • Quelação
Alteração de calcários
CaCO3 +H2O+ CO2 --> Ca++ + 2HCO3-
<--
FeS2 + 7/2H2O+ 15/4O2 >> Fe(0H)3 + 2H2SO4
Dissolução Oxidação Hidrólise Lixiviação
Alteração dos aluminosilicatos - clima temperado processo hidrolítico incompleto
Gambelas - pefil de solo com 3 horizontes desenvolvidos - exemplo de quelação
A
B
Composição de águas fluviais
Composição de águas fluviais Os principais classes químicas de água fluvial:
(de acordo com Gibbs, 1970)
Controlada por precipitação, caracteriza-se por muito baixo conteudo iónico, racios Na/(Na+Ca) e Cl/(Cl+HCO3) elevados. Áreas de fraca alteração química e baixa evaporação.
Controlada por rochas aflorantes, caracteriza-se por intermédio teor iónico, ratios Na/(Na+Ca) e Cl/(Cl+HCO3) baixos. Áreas de intensa alteração química e baixa evaporação. 98% do total das águas de superficie.
Controlada por processos de ev aporação-cristalização, caracteriza-se por muito elevado conteúdo iónico, racios Na/(Na+Ca) e Cl/(Cl+HCO3) elevados. Áreas de intensa alteração química e alta evaporação.
Composição de águas fluviais
As principais classes químicas de água fluvial ( dados de Meybeck,1981):
Catiões Aniões %Total
Ca+2>Na+>Mg+2>K+ HCO3->Cl->SO4
-2 33.1 HCO3
->SO4-2>Cl- 2.5
SO4-2>HCO3
->Cl- 1.0
Ca+2>Mg+2>Na+>K+ HCO3->SO4
-2>Cl 46.7 HCO3
->Cl->SO4-2 15.0
Na+>Ca+2>Mg+2>K+ HCO3->Cl->SO4
-2 1.4 SO4
-2>Cl->HCO3- 0.1
Cl->HCO3->SO4
-2 0.1
Aportes para o oceano global [108 ta-1] e períodos de residência dos principais
componentes químicos
Estimação de fluxos (caudais) f = C *D
Os valores do fluxo particulado e dissolvido são fáceis de obter momentaneamente, para os períodos mais prolongados trata-se apenas de estimativas. Caudal do rio - simples para pequenas descargas e rios pequenos, muito complexo para grandes rios Concentrações - amostragens e análises por sistemas automatizados ou manualmente. A mais difícil de estimar é a carga de fundo
Estimação de fluxos (caudais)
descarga [m3sec-1]
Alt
ura
[m
]
A estação de medida do caudal de rio converte o nível de água em descarga momentânea
Média anual de escoamento superficial com 0.5° resolução
Database : Fekete et al. 1999, 2001
O limite reico-areico é colocado em 3 mm/a (tipicamente uma cheia em cada 10 anos)
• 30% menos de sedimento • 700% aumento de retenção hídrica • triplicação do tempo de escoamento
Vörösmarty et al. 2003
Defice de sedimento ameção muita zonas costeiras
IMPACTE GLOBAL DAS BARRAGENS : capacidade de captura dos sedimentos
Rio Amazonas
• 20% da descarga global de água doce
• Embocadura fixada tectonicamente
• Marés sentidos até 100km no interior
• Água doce até 100 km no oceano
Rio Amazonas principais bacias
tributárias
Parámetros químicos de água do Rio Amazonas
Amazonas -Curso Médio confluência do Rio Solimões e Rio Negro
Rio Solimões
Manaus
Nasa JPL, Terra
Manaus – Amazonas águas do Rio Negro, sem matéria suspensa devem a sua cor aos AH lixiviados dos solos florestais não se misturam com as águas ricas em sólidos
suspensos do Rio Solimões, durante
dezenas de kms após a confluência
Rio Amazonas - composição mineralógica da carga suspensa e forma de transporte dos
Do ponto de vista do teor dos elementos traços, a matéria fluvial particulada (MFP) pode ser dividida arbitrariamente em dois grupos :
a) constituída por partículas de diámetro > 2 m, pobre em elementos traços, que contídos na estrutura cristalina, exibem pouca mobilidade ambiental b) constituída por partículas de diámetro < 2 m, de superfície activa, dominada por argilas, matéria otgânica e oxi/hidróxidos de Fe e Mn. Enriquecida em elementos traços facilmente mobilizáveis (dissociáveis)
O comportamento dum elemento químico é caracterizado pelo Índice de Transporte em Solução ou razão (%) entre parte dissolvida e contida em partículas sedimentares
ITS Elemento 90 – 50% Br, I, Cl, Ca, Na, Sr 50 – 10% Li, N, Sb, As, Mg, B, Mo, F, Cu, Zn, Ba, K 10 – 1% P, Ni, Si, Rb, U, Co, Mn, Cr 1 – 0.1% Fe, Al, Ti, TR
Especiação de elementos durante transporte fluvial
Fluxo de água regul.
Água contaminada
Toalha freática
F1
LG FLPL
F4
EST
F5
WL
F3
Safra Solo
IND URB
AGRI
MINERAÇÂO
ENERGiA
TRANSP Acumulação
Fo
ATMOSPHERA LRAP
J
COSTA
B C D E
SLP
F1 F2
A
I H
Vegetação
G
F6 F7 Filtros artif. Rios artificializados
Fluxes of contaminants
Sistema Socio economico
Não impactado
Impactado/regulado
Filtros naturais F0 / F5 Água limpa
Fluxos em antroposfera
Agroquímicos
Ambiente de transição
STP WD
F6
RESERV
Plantio
Sedimento
F5 Costa
F3 F2
F0
F4
F1
F6
F7
D
H
E
H
C
F1
LRAP
Filtros J
CAMPO IRRIGADO F7
PLANTIO A
Fev
Evaporação
Fluxos materiais num sistema fluvial impactado
Exportação fluvial do carbono orgânico
Total DOC anual 0.4*1015g Total POC anual 0.2*1015g
(números de compromisso)
Gradientes de
salinidade nos
estuários
Diagramas elementais de mistura nos estários
Processos que envolvem a carga fluvial dissolvida/suspensa no reactor estuarino
Subtracção para sedimento via:
A) floculaçãoB) adsorçãoC) precipitaçãoD) consumo biológicoE) biodeposição
Adição para agua via:
A) desorçãoB) complexaçãoC) cons, part. organ.
Limite químico entre estuario e rio Cl-= 0.01‰Limite entre carga dissolvida e particulada = 0.45μm
Tendência de contaminação em testemunhos estuarinos nos países industrialmente
desenvolvidos
• Metais pesados - A
• Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos B
• Bifenilos policlorados(xenobioticos) C
•
TE3
RIO TINTO, Os mais antigos impactes antropogénicos (Pb, Cu, As…) : 2500 BP
Leblanc et al, 1999
PF33
• Lavra de ouro desde 4500 cal BP
• Factores de enriquecimento :
Hg 100, Pb 1500, As 50
6 000 BP
3 000 BP
2 550 BP
1930 BP
1 10 1000 0,01
• Foram efectuadas análises dos
seguintes elementos traços: Ag,
As, Au, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn,
Ba, Sr, Zr, V e Y.
• Ba, Zr, Zn, Sr y Rb, valores médios
superam os 100 ppm.
• Destacam-se elementos
contaminantes: Cu, Cr, Ni, Pb, As e
Cd (de toxicidade elevada) com
valores médios de 46, 35, 29, 26, 23
e 0,23 ppm.
Elementos traços em sedimentos superficiais
Mínimo Mediana Máximo Media SSD MSD
Ag 0,10 0,10 0,20 0,13 0,04 0,01
As 1,10 20,70 81,80 23,14 14,01 2,14
Au 0,50 4,65 15,20 4,73 2,87 0,44
Ba 58,90 385,60 495,90 379,31 56,16 4,41
Cd 0,10 0,20 0,70 0,23 0,14 0,02
Co 0,30 16,50 23,70 15,59 5,20 0,79
Cr 1,00 37,00 49,00 34,73 10,79 1,65
Cu 0,80 45,75 69,60 45,62 16,67 2,54
Hg 0,02 0,26 4,43 0,73 1,17 0,18
Mo 0,10 0,80 2,70 0,90 0,54 0,08
Ni 0,70 29,75 41,60 28,31 9,17 1,40
Pb 1,00 27,00 40,10 26,21 8,68 1,32
Rb 19,40 106,50 129,30 101,16 25,13 3,83
Sr 15,40 132,60 175,60 128,13 30,13 4,59
Zn 3,00 128,00 311,00 133,68 59,76 9,11
Zr 20,10 222,60 321,8 0 211,16 62,47 9,53
Cu & Ni
Diagrama Eh - Ph
Relações entre compostos de ferro dissolvidos e e fases sólidas. Limites entre as fases estabelecidas para 10-6 mol/l
Fluxo hidrotermal do fundo marinho
Composição das águas hidrotermais
Black smokers (fumarolas pretas)- sulfuretos de Fe, Cu, Zn ...
White smokers (fumarolas brancas) - silica, baritina, anhidrite
Nascentes hidrotermais
Mecanismos de controle dos fluxos dos mais importantes componentes químicos
Elemento Fonte Reacção de controle em meio aquoso
Si rocha Equlibração com quartzo em altas temperatura e pressão
Na água marinha Remoção durante a albitização dos feldspatos
K rocha Equilibração com com feldspatos alcalinos (subst. Na)
Mg água marinha Remoção para formação dos silicatos magnesianos hidratados
Ca principalmente rocha Remoção durante a albitização dos feldspatos ou remoção para formar anhidrite
S principalmente rocha Remoção para formar anhidrite e sulfuretos metálicos
H+ água marinha Liberto durante formação dos minerais hidroxilados e oxidação dos sulfuretos
Fe rocha Removido para formar principalmente sulfuretos, em grau menor silicatos
Mn rocha Incorporação em aluminosilicatos e sulfuretos
Sr rocha Remoção idéntica a Ca
Cu rocha Remoção para formar sulfuretos
Zn rocha Remoção para formar sulfuretos
Nascentes hidrotermais - origem dos componentes
HT
M
Comparação dos aportes fluviais e das nascentes hidrotermais
•Itinerário potencialmente mais longo para as partículas de 10μm a 0.1 μm (aerosolos)
Via atmosférica de deposição
0.002 0.01 0.1 1 10 100 μm
Predominam produtos de combustão
Predominam coagulalados
Poeiras naturais e industriais, sal
2 m
Tipos de partículas
•Partículas biogénicas - produzidas fundamentalmente pelas florestas.São mistura heterogénea de pólenes, espores, fragmentos de folhas, insectos, excrementos..., produzida pela erosão eólica associada a transpiração, degradação bacteriana.Importante fonte de nutrientes!!! •Aerossol marinho - produzido pelo arrebentação das bolhas de ar, forçado em água pelo cizalhamento eólico. Mais concentrados nas cristas de ondas, sobretudo apartir de 4 m/sec ve velocidade do vento •Produtos de combustão (carbono orgânico tº oxid.<400ºC carbono negro tº oxid.>400ºC •Sulfato - introduzido com sal marinho ou atravês de precursores SO2 e DMS.
Aerossol de sal marinho variação sazonal ( gm-3)
julho
Dados de Erickson, 1986)
A distribuição da frequência de tamanhos de
partículas do aerossol do sal tem 3 modas:
•0.2 m - preponderante número de partículas •2 m - o grosso da superfície •15 m - o grosso de volume e massa
janeiro
Principais áreas de formação do aerosol terrígeno
•Al, Ti, Fe, Mn, Co - fontes naturais são predominantes
•Cr, V, Ni - fontes atrópicas são mais importantes
•Sn, Cu, Cd, Zn, As, Se, Mo, Hg, Pb,-fontes antrópicas são predominantes
Tempestade de area 23 Fev 2001
Aerossol mineral terrígeno
Fontes de aerossol atmosférico Mt/ano - estimativas