Các quá trình vật lý và hóa học của hồ - Chương 9 pdf

nên bị cắt đứt từ phía kết nối với đại d‡ơng, vì vậy trở thμnh các hồ n‡ớc biển.Hồ Solar, hồ Ras Mohammad, lagoon Bardawil vμ các phá liên quan tất cả đều nằm trên bờ biển Sinai, vμ nhiề

Ch €ơng 9

So sánh tính chất địa hoá của các hồ n €ớc mặn

9.1 Giới thiệu

Hồ n‡ớc mặn có thể đ‡ợc phân loại thμnh 2 nhóm dựa trên cơ sở của nguồn n‡ớc nguyên thuỷ trong hồ Những nhóm nμy thuộc hồ n‡ớc mặn không bắt nguồn từ đại d‡ơng vμ bắt nguồn từ đại d‡ơng Hồ n‡ớc mặn không bắt nguồn

từ đại d‡ơng nhận n‡ớc ngọt lμm đầu vμo vμ trở nên mặn bởi tốc độ bốc thoát hơi n‡ớc cao của vùng khí hậu khô hoặc bán khô hạn, nơi mμ hệ thống hồ nμy

đ‡ợc tìm thấy nhiều nhất Nhóm nμy của hồ bao gồm phần lớn những hồ n‡ớc mặn nhỏ nội địa cũng nh‡ những hồ lớn, ví dụ nh‡ Biển Chết ở Israel vμ hồ n‡ớc mặn Great của Mỹ Nhóm thứ hai của hồ n‡ớc mặn lμ hồ đại d‡ơng, nơi

đ‡ợc lμm đầy chủ yếu cùng với n‡ớc đã có n‡ớc biển hoặc thμnh phần hoá học của n‡ớc biển đã bị thay đổi Những hồ nμy đ‡ợc tìm thấy thuộc miền ven biển th‡ờng có quy mô diện tích nhỏ vμ tính chất đa dạng về phạm vi của vùng khí hậu từ ôn đới tới khô cằn Vì vậy, hồ đại d‡ơng thay đổi trong các đặc tr‡ng của chúng Đã có rất nhiều nghiên cứu về loại hồ nμy Hầu hết lμ những nghiên cứu toμn diện về hồ Solar, Sinai (Friedman cùng cộng sự, 1973; Cohen cùng cộng sự 1977; Krumbein cùng cộng sự, 1977; Jorgensen cùng cộng sự, 1977; Friedman cùng cộng sự, 1982; Lyons cùng cộng sự, 1984) vμ hồ Ngập n‡ớc, Bermuda (Neumann, 1969; Hatcher, 1978; Hatcher cùng cộng sự, 1982; Hatcher cùng cộng sự, 1983; Orem cùng cộng sự, 1986; Sharma cùng cộng sự, 1988; Stolz, 1989; Boudreau cùng cộng sự, 1992)

Những nghiên cứu khác bao gồm hồ Eil Malk, Palau (Hamner cùng cộng sự, 1982; Burnett cùng cộng sự, 1989), những bể khác nhau đ‡ợc tìm thấy trên đảo Christmas, Kiribati (Schoonmaker cùng cộng sự, 1985), vμ vμi hệ thống hồ ven biển ở phía tây vμ phía nam Australia vμ dọc vùng ven biển Sinai (Warren, 1982; Playford, 1983; Edward, 1982; Burke, 1989; Kushnir, 1981; Levy, 1974, 1977; Gat vμ Levy, 1978)

Trong ch‡ơng nμy, có vμi nghiên cứu toμn diện về tuần hoμn động lực trong thuỷ địa hoá vμ sinh địa hoá của hồ n‡ớc mặn đại d‡ơng

Tất cả các hồ n‡ớc mặn đại d‡ơng đều đ‡ợc hình thμnh hay lấp đầy n‡ớc biển khoảng gần 4000 vμ 6000 năm tr‡ớc đây Tại thời điểm nμy sự gia tăng nhanh chóng mực n‡ớc biển trên toμn cầu đã dẫn tới ngập lụt ở các vùng ven biển nằm ở vị trí thấp Các hồ đại d‡ơng đã đ‡ợc hình thμnh theo hai cách Trong cách đầu tiên, khi mực n‡ớc biển tăng lên n‡ớc biển trμn ngập vμo các vùng trũng, ban đầu hình thμnh nên các lagoon Qua thời gian các lagoon nμy trở

nên bị cắt đứt từ phía kết nối với đại d‡ơng, vì vậy trở thμnh các hồ n‡ớc biển.

Hồ Solar, hồ Ras Mohammad, lagoon Bardawil vμ các phá liên quan (tất cả đều nằm trên bờ biển Sinai), vμ nhiều hồ ở Australia đã đ‡ợc hình thμnh theo cách thức nμy Ví dụ, hồ Solar trở nên bị cắt đứt từ đại d‡ơng khi một bar cát ngầm hình thμnh ngang qua miệng của nó Bar cát nμy sau đó đ‡ợc lμm ổn định bởi

sự hình thμnh của một vỉa đá ngầm trên rìa về phía biển của hồ Bar cát nμy vẫn có độ rỗng, vμ hồ Solar hiện thời nhận đầu vμo n‡ớc biển bởi việc thấm qua bar cát đó

Trong tr‡ờng hợp của nhiều hồ ở Australia, các đụn cát calcium carbonate đã

đ‡ợc lắng đọng ở rìa bờ biển mới đ‡ợc tạo nên bởi sự nâng cao mực n‡ớc biển,

do đó cắt dời các hồ khỏi đại d‡ơng Một sự hạ thấp cục bộ mực n‡ớc biển hay

sự nâng lên kiến tạo của một vùng cũng có thể tách các lagoon ra khỏi đại d‡ơng từ kết nối trực tiếp với đại d‡ơng để hình thμnh nên các hồ đại d‡ơng

Có một bằng chứng lμ sự hình thμnh của các hồ siêu mặn trên đảo Rottnest (miền tây Australia) xảy ra theo cách thức nμy (Playford 1983)

Trong tr‡ờng hợp thứ hai, các hồ n‡ớc mặn đại d‡ơng đã hình thμnh mμ không

có bất kỳ kết nối trực tiếp với đại d‡ơng ban đầu nμo Ví dụ, ở các vùng mμ đã

có sự hình thμnh các đụn cát ven biển, sự nâng lên của mực n‡ớc biển gây ra mực n‡ớc tầng ngậm n‡ớc đụn cát từ n‡ớc biển cũng tăng theo Những chỗ lõm xuống giữa các đụn cát mμ đã nằm bên d‡ới mực n‡ớc biển từ 6000 năm tr‡ớc thì trở nên đ‡ợc lấp đầy n‡ớc biển từ tầng ngậm n‡ớc vμ các hồ đã hình thμnh Lịch sử của thông tin nμy đã đ‡ợc dẫn chứng bằng số liệu cho các hồ ở nam Australia (Warren 1982) cũng nh‡ cho ngập mặn(Neumann 1969) vμ các

hồ Lovers ở Bermuda Trái ng‡ợc với các hồ đại d‡ơng khác, bằng chứng trầm tích từ hồ ngập mặn chứng tỏ rằng hồ nμy đã đ‡ợc hình thμnh gần 10000 năm tr‡ớc đây nh‡ một hồ n‡ớc ngọt nông Hồ nμy, nằm bên trong một vùng trũng giữa các đụn cát, đ‡ợc lμm đầy n‡ớc biển thông qua sự thấm qua các đụn cát xung quanh gần 4000 năm tr‡ớc đây (Hatcher vμ những ng‡ời khác 1982) Mặc dù một số hồ hiện nay tiếp nhận đầu vμo n‡ớc biển qua các khe hở lớn, nh‡ lμ các kênh trên mặt ở Eil Malk (Hamner vμ những ng‡ời khác 1982) cũng nh‡ lagoon Bardawil (Levy 1974) vμ các hang động ngầm ở hồ Lovers, hầu hết các hồ tiếp nhận đầu vμo thông qua sự thấm đơn thuần Không có hồ đại d‡ơng nμo đ‡ợc tìm thấy có bất kỳ đầu vμo dòng n‡ớc ngọt cố định Thuỷ văn của những hồ nμy bị ảnh h‡ởng bởi độ rỗng vμ khả năng thấm của đá gốc xung quanh, vμ các quá trình thay đổi mực n‡ớc hoặc của đại d‡ơng hoặc của hồ Hai quá trình nổi trội ảnh h‡ởng đến mực n‡ớc lμ những sự thay đổi thuỷ triều trong mực n‡ớc biển vμ tốc độ bốc hơi của n‡ớc từ các hồ Những sự thay đổi tại một tần suất thuỷ triều trong mực n‡ớc của một vμi hồ đã đ‡ợc ghi nhận Nh‡

đ‡ợc mong đợi, các hồ đó với các kênh kết nối với đại d‡ơng, ví dụ hồ Lovers vμ Eil Malk, có n‡ớc đ‡ợc bơm tới vμ từ hồ đó đáp lại thuỷ triều Tuy nhiên cả hai

hồ nμy đều vẫn còn bị phân tầng trong suốt chu kỳ triều, vμ do vậy, d‡ờng nh‡

lμ phần lớn n‡ớc vμo mỗi hồ trong suốt một thời kỳ triều dâng bị loại bỏ ra

trong thời kỳ triều rút Những sự dao động thuỷ triều cũng đã đ‡ợc ghi nhận vμo năm 1971 ở hồ ngập mặn, mμ tiếp nhận đầu vμo chỉ thông qua sự thấm (Hatcher vμ những ng‡ời khác 1982) Gần 10 năm sau, không quan trắc thấy

sự thay đổi nμo nh‡ vậy, tuy nhiên, chứng tỏ rằng các đụn cát đã hình thμnh

đá chia tách hồ với đại d‡ơng đã trở nên ít có khả năng thấm hơn vì sự tập trung của calcium carbonate (Sharma 1988) Trong tất cả các tr‡ờng hợp đã đề cập đến tr‡ớc đây, sự dao động trong mực n‡ớc hồ bị loại trừ vμ lμm giảm với chú ý tới những sự thay đổi thuỷ triều của đại d‡ơng liền kề

Chu trình thuỷ văn của các hồ đại d‡ơng mμ hoặc nằm ở cách xa đại d‡ơng hoặc bị chia cắt bởi một hμng rμo khả năng thấm nhỏ hơn so với đã đề cập tr‡ớc đây đ‡ợc chiếm ‡u thế bởi chu trình bốc hơi/giáng thuỷ theo mùa của khu vực khí hậu mμ các hệ thống nμy nằm trong đó Nh‡ một chu trình đã

đ‡ợc mô tả cho một số hồ muối, ruộng muối ven biển nằm ở bờ biển nam Australia (Warren 1982) Vμo mùa đông, các hồ nông nμy đ‡ợc lμm đầy n‡ớc lợ tới một mực không đáng kể bên trên mực n‡ớc biển Trong suốt mùa xuân vμ mùa hè, n‡ớc hồ bốc hơi tới các mực bên d‡ới mặt n‡ớc ngầm của các đụn cát xung quanh N‡ớc thuộc giếng n‡ớc ngầm đụn cát thoát vμo trong các hồ muối Khi mặt n‡ớc ngầm đụn cát giảm xuống d‡ới mực n‡ớc biển, n‡ớc biển sau đó thấm vμo trong các đụn cát Vμo cuối mùa hè, do tốc độ bốc hơi cao cực độ của vùng nμy, mực n‡ớc của các hồ nμy lμ 20 -40 cm bên d‡ới bề mặt trầm tích Trong suốt mùa thu vμ mùa đông, khi tốc độ bốc hơi giảm vμ giáng thuỷ trên vùng đó tăng, mực n‡ớc của các hồ nμy lại tăng lên tới mực n‡ớc cao hơn một trút trên mực n‡ớc biển Bởi vì khả năng thấm cao của cát trong các đụn cát, mặt n‡ớc ngầm của các đụn cát, vμ do đó mực n‡ớc hồ, về cơ bản không thể chênh lệch với mực n‡ớc biển

Độ muối của các hồ đại d‡ơng thay đổi từ xấp xỉ độ muối n‡ớc biển tới lớn hơn

100 psu Nhiều hồ đại d‡ơng mμ có độ sâu lớn hơn 2 m bị phân tầng suốt phần lớn của năm đó Trong các hồ siêu mặn sự phân tầng mật độ đ‡ợc xác định chủ yếu lμ bởi các thay đổi về độ muối của n‡ớc đi vμo, hơn lμ những thay đổi nhiệt

độ xung quanh Không giống các hồ bị phân tầng bởi nhiệt độ, sự phân tầng trong các hồ nμy đ‡ợc tuyên bố trong các thời kỳ l‡ợng m‡a rơi đ‡ợc gia tăng

vμ phá vỡ trong các thời kỳ khô hạn Chu trình hμng năm của sự phân tầng vμ các holomixis đã đ‡ợc ghi nhận ở ba hồ trên đảo Rottnest, miền tây Australia (Bunn vμ những ng‡ời khác, 1984) vμ ở hồ Solar, Sinai (Cohen vμ những ng‡ời khác 1977a) Các sự kiện nói chung đ‡ợc quan trắc ở các hồ nμy lμ nh‡ sau: Vμo mùa đông epilimnion ở bên trên lạnh hơn vμ độ muối nhỏ hơn tầng n‡ớc sâu ở bên d‡ới Khi mùa hè tới tốc độ bốc hơi tăng cho tới cuối cùng nó cao hơn

đáng kể so với tốc độ của n‡ớc biển cung cấp cho hồ Điều nμy dẫn đến một sự tăng độ muối dần dầncủa lớp n‡ớc trên mặt hồ Gradient nhiệt độ của hồ biến mất Các xáo trộn toμn phần xảy ra vμ kết thúc trong một vμi tuần ở hồ Solar

vμ một vμi tháng ở các hồ Rottnest Không lâu sau khi những cơn m‡a mùa

đông đầu tiên rơi trên Rottnest, sự phân tầng lại tiếp tục phát triển khi n‡ớc ngọt hơn đi vμo lớp bề mặt của hồ từ những sự thấm xung quanh hồ ở hồ

Solar những trận bão ph‡ơng nam trong suốt mùa m‡a lμm cho n‡ớc biển dồn

về cạnh ở phía biển của bar cát có độ rỗng, mμ chia tách hồ Solar với đại d‡ơng

Sự gia tăng mực n‡ớc biển địa ph‡ơng nμy lμm gia tăng áp suất thuỷ tĩnh trên

hệ thống n‡ớc ngầm của bar cát đó dẫn tới dòng n‡ớc biển vμo trong hồ đ‡ợc tăng c‡ờng N‡ớc đi vμo t‡ơng đối ngọt hơn nμy nằm trên n‡ớc siêu mặn chứa trong hồ dẫn tới sự phân tầng độ muối N‡ớc của các hồ nμy cực trong vμ kết quả lμ tia sáng mặt trời có thể đạt tới đáy hồ Trong suốt sự phân tầng mùa

đông một dị th‡ờng nhiệt độ cũng phát triển Năng l‡ợng mặt trời đ‡ợc hấp thụ tại vμ bên d‡ới đ‡ờng tỷ trọng dẫn tới một profile nhiệt độ đảo ng‡ợc Lớp d‡ới đáy của các hồ nμy có thể ấm hơn lớp trên mặt tới 500C Tuy nhiên, mật độ của n‡ớc biển siêu mặn lμ đủ cao mμ hồ không đảo lộn, mặc dù những chênh lệch nhiệt độ giữa epilimnion vμ tầng n‡ớc d‡ới sâu lμ cực đại Khoảng thời gian của các thời kỳ xáo trộn vμ phân tầng có thể đ‡ợc hiệu chỉnh bằng những thay đổi địa ph‡ơng vμ giữa các năm về l‡ợng m‡a rơi vμ nhiệt độ trung bình; tuy nhiên chuỗi các sự kiện nói chung vẫn nh‡ nhau

Duy nhất một hồ, Eil Malk, đã đ‡ợc thuật lại lμ bị phân tầng th‡ờng xuyên Hồ nμy không phải lμ siêu mặn, nh‡ng bị phân tầng bởi những sự thay đổi độ muối giữa n‡ớc đ‡ợc chứa th‡ờng xuyên trong hồ vμ n‡ớc biển đ‡ợc trao đổi do thuỷ triều qua các kênh dẫn kết nối n‡ớc bề mặt hồ với đại d‡ơng xung quanh Tuy nhiên hồ nμy không phát triển profile nhiệt độ đảo ng‡ợc nh‡ ở hồ Solar

vμ các hồ ở đảo Rottnest Lý do của sự khác biệt nμy có lẽ lμ bởi vì sự trao đổi n‡ớc theo thuỷ triều giữa trên mặt hồ vμ đại d‡ơng loại bỏ l‡ợng nhiệt từ hồ vì thế việc đốt nóng d‡ới mặt n‡ớc không diễn ra

Có lẽ một trong những đặc tr‡ng tiêu biểu nhất của các hồ đại d‡ơng trong sự

so sánh với các hồ khác lμ thμnh phần ion của n‡ớc Các thμnh phần của một vμi n‡ớc hồ đại d‡ơng đ‡ợc so sánh với n‡ớc biển vμ n‡ớc sông trung bình trong Bảng 1 Bởi vì các hồ đại d‡ơng chủ yếu đ‡ợc lμm đầy bằng n‡ớc biển hơn lμ n‡ớc ngọt, hoá học n‡ớc hồ đ‡ợc đặc tr‡ng bởi Na vμ Cl cùng với các nồng độ ít hơn, mặc dù lμ quan trọng, của Ca, SO4, Mg, vμ K Mặc dù một số n‡ớc ngọt bị bay hơi n‡ớc biển có cấu tạo , các tỷ lệ t‡ơng đối của các phần tử

lμ khác nhau Sự bốc hơi của n‡ớc ngọt sẽ dẫn tới một sự đa dạng của thμnh phần n‡ớc hồ có tính kiềm, trong khi đó sự bốc hơi của n‡ớc hồ đại d‡ơng theo một cách t‡ơng tự với sự cô bốc hơi của muối từ n‡ớc biển thông th‡ờng Calcium carbonate vμ thạch cao lμ các chất lắng đọng phổ biến hình thμnh trong suốt sự cô bay hơi của n‡ớc hồ đại d‡ơng; các muối độ tan cao hơn th‡ờng không đ‡ợc tìm thấy bằng các sản phẩm bốc hơi (Cohen vμ những ng‡ời khác 1977a; Krumbein vμ những ng‡ời khác 1977; Levy 1977; Gat vμ Levy 1978) Ví

dụ, muối mỏ có thể hình thμnh theo mùa quanh vμnh đai của một số hồ đại d‡ơng, nh‡ng th‡ờng hoμ tan lại trong các thời kỳ m‡a (Levy 1977) Trong các tr‡ờng hợp cá biệt mμ các hồ đại d‡ơng bị chia cắt từ một nguồn n‡ớc biển, thμnh phần của n‡ớc biển lμm đầy hồ vμ các chất lắng đọng có thể thay đổi

đáng kể Ví dụ, n‡ớc biển calcium chloride đã phát triển trong các hồ muối ở trong đất liền của lagoon Bardawil, do t‡ơng tác của thμnh phần n‡ớc biển vμ

các trầm tích calcium carbonate mịn ở khu vực nμy Sự t‡ơng tác nμy dẫn tới một sự hình thμnh đá trầm tích đolomit trong các trầm tích của các hồ muối nμy (Levy 1977a, b)

Các quần xã sinh học của các hồ đại d‡ơng, đặc biệt lμ các hồ siêu mặn, bị chi phối bởi các sinh vật nguyên sinh, chủ yếu lμ các vi khuẩn lục vμ vi khuẩn sulfur Các động lực học quần xã cột n‡ớc đã đ‡ợc nghiên cứu tốt nhất ở hồ Solar vμ hồ Eil Malk Trong các hồ phân tầng nμy "các mảng" vi khuẩn th‡ờng

an do vi khuẩn

ộ sâu của dị th‡ờng

‡ớc lớn hơn với đại

/hệ động vật của một vùng mμ tồn tại trong các hồ n‡ớc mặn đại d‡ơng lμ rất hiếm hoi Rất ít những nghiên cứu thoả đáng đ‡ợc lμm ở các vùng nμy; những ngoại lệ đáng chú ý nhất lμ với hồ ngập mặn vμ hồ Solar Các trầm tích của hồ ngập mặn lμ bùn giμu chất hữu cơ mμ bên trong đó

có một sự phân bố theo độ sâu đ‡ợc xác định tốt của các vi khuẩn khác nhau (Stolz 1990) Trong tối đa 10 cm có một sự phong phú của vi khuẩn lục coccoid,

vi khuẩn lục sợi nhỏ, vμ vi khuẩn sulfur oxy hoá mμu tía với những số tảo cát nhỏ hơn vμ mμu tía mμ vi khuẩn quang d‡ỡng mμu xanh Các khóm giữa 10

vμ 30 cm của vi khuẩn quang d‡ỡng mμu tía trở nên phong phú hơn, mặc dù vi

oá trong lớp trên

hình thμnh trong lớp dị th‡ờng nhiệt độ Các quá trình trung gi

dẫn tới sự thiết lập của một dị th‡ờng nhiệt độ ở xấp xỉ đ

nhiệt độ trong các hồ Trong hồ Solar cho các lớp xen kẽ của chủ yếu lμ quang d‡ỡng (các cơ thể sử dụng ánh sáng nh‡ một nguồn năng l‡ợng) vi khuẩn sulfur hay vi khuẩn lục, cũng nh‡ vi khuẩn chemolithotrophic (các tổ chức sử dụng CO2 nh‡ lμ một nguồn carbon vμ nhận đ‡ợc năng l‡ợng từ sự oxy hoá các thμnh phần vô cơ) vμ chemoorganotrophic (các tổ chức sử dụng vật chất hữu cơ nh‡ một nguồn carbon vμ nhận đ‡ợc năng l‡ợng từ sự oxy hoá các thμnh phần chất hữu cơ) ở các tầng thấp hơn Thμnh phần sinh học của hồ Eil Malk có phần nμo đó lμ biến động hơn Bên cạnh đó một mảng vi khuẩn sulfur quang hợp tại lớp dị th‡ờng nhiệt độ, cũng có mật độ của các động vật thân giáp, một loμi cá vμ hai loμi sứa hiện có ở hμng n‡ớc bên trên (Hamner vμ những ng‡ời khác 1982)

Mật độ đ‡ợc gia tăng so với hồ Solar có lẽ lμ do sự trao đổi n

d‡ơng vμ độ muối thấp hơn của hồ nμy Hồ ngập mặn không bị phân tầng vμ do

đó không phát triển những loại mảng vi khuẩn nμy; tuy nhiên, việc lμm trội sinh vật cột n‡ớc đó lμ vi khuẩn lục vμ các động vật thân giáp Cả hồ Eil Malk

vμ ngập mặn đều rất phong phú (Hamner vμ những ng‡ời khác 1982; Hatcher

vμ những ng‡ời khác 1982)

Những sự kết hợp trầm tích

khuẩn lục coccoid vμ vi khuẩn sulfur oxy hoá vẫn lμ các tổ chức phong phú nhất vi khuẩn sulfate-giảm đi lμ chiếm ‡u thế bên d‡ới một độ sâu bằng 30

cm trong các trầm tích Sự có mặt của vi khuẩn sulfur oxy h

cùng của những trầm tích nμy lμ có phần ngạc nhiên Những trầm tích nμy vô cùng thiếu oxy vμ do đó chứa nồng độ sulfide rất cao Thông th‡ờng ng‡ời ta mong đợi sẽ tìm thấy các tổ chức quang d‡ỡng thiếu oxy trong những môi tr‡ờng nh‡ vậy; tuy nhiên, trong hồ nμy, bởi vì dị th‡ờng nhiệt độ sulfur nằm

bên d‡ới độ sâu đền bù ánh sáng, vi khuẩn sulfur oxy hoá đ‡ợc đ‡ợc chiếu cố Trong hồ Solar, nh‡ ở các hồ đại d‡ơng siêu mặn khác, các trầm tích đ‡ợc dμn xếp của các mảng vi khuẩn lục thạch tầng dát mỏng Khi n‡ớc biển bị bốc hơi

n giảm

hạch

thạch cao vμ cacbornate đã lắng đọng (Krumbein vμ những ng‡ời khác 1977)

9.3 Những phản ứng trầm tích-lỗ hổng-n}ớc t}ơng đối

Trong mục nμy hệ thống trầm tích-lỗ hổng-n‡ớc của hồ ngập mặn, Bermuda,

vμ hồ Solar, Sinai, đ‡ợc thảo luận chi tiết Những hệ thống hồ nμy đã đ‡ợc chọn phân tích vì có sẵn cơ sở dữ liệu vμ các điều kiện t‡ơng phản của hai hệ thống hồ (Bảng 2) Cũng nh‡ vậy, các loại trầm tích đ‡ợc tìm thấy ở hai hồ nμy

lμ rất khác nhau; hệ quả lμ, những phản ứng thình thμnh đá trầm tích ban đầu trong hai hệ thống, mặc dù t‡ơng tự về một số điểm, nh‡ng khác nhau về mặt

định l‡ợng Những sự khác nhau nμy cung cấp một số cảm nhận cho phạm vi của các phản ứng trầm tích - lỗ hổng - n‡ớc có thể diễn ra trong các hồ n‡ớc mặn đại d‡ơng

9.3.1 Hồ ngập mặn Bermuda

Hồ ngập mặn nằm ở ven biển phía nam Bermuda trong một vị trí hạ thấp giữa các đụn cát N‡ớc hồ bắt nguồn chú yếu từ n‡ớc đại d‡ơng thấm qua các vỉa đá vôi có lỗ hổng của đảo (Hatcher vμ những ng‡ời khác 1982) Bờ đại d‡ơng cách gần 100 m tới phía đông nam của hồ Hatcher vμ những ng‡ời khác (1982) đã quan trắc những dao động thuỷ triều lên tới 15 cm, biểu lộ một sự trao đổi n‡ớc

rõ rμng lμ lớn qua vỉa đá vôi Hơn nữa, không có hang động nμo kết nối đại d‡ơng trực tiếp tới hồ đ‡ợc tìm thấy đóng vai trò nh‡ những ống dẫn hiệu quả của sự trao đổi n‡ớc Nguồn n‡ớc ngọt duy nhất lμ m‡a rơi vμ dòng chảy theo sau từ các s‡ờn cỏ dốc xung quanh; không có dòng chảy th‡ờng xuyên hay các suối n‡ớc ngọt chảy vμo trong chỗ trũng nμy Do đó hồ lμ một môi tr‡ờng mặn

vμ không phải lμ một khối n‡ớc ngọt hay lợ Độ muối thực sự thay đổi không

n‡ớc hồ trở thμnh quá bão hoμ đầu tiên với các khoáng chất carbonate vμ sau

đó với thạch cao Những khoáng chất nμy có thể bị lắng đọng từ sự hoμ tan vμ chìm lắng trong các trầm tích Bởi vì ánh sáng có thể xuyên qua tới đáy của các

hồ nμy, các tổ chức tự d‡ỡng chịu mặn cũng có thể sống ở bề mặt trầm tích Trong hồ Solar vμ hồ ngập mặn những tổ chức nμy lμ vi khuẩn lục, mặc dù các khóm vi khuẩn khác cũng sống trên vμ bên trong các trầm tích Những nồng độ sulfate cao trong cột n‡ớc lμm thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩ

sulfate nh‡ Desulfovibrio Hoạt động của Desulfovibrio trong hồ Solar đã đ‡ợc chỉ ra cho giảm nồng độ sulfate của n‡ớc lỗ hổng tới một phạm vi mμ không đạt tới sự bão hoμ thạch cao (Jorgense vμ những ng‡ời khác 1977) Vì vậy, t cao có thể bị lắng đọng trong các trầm tích chỉ trong những thời kỳ sản sinh tảo trong hồ Hệ quả lμ, các profile độ sâu qua các trầm tích của những hồ nμy biểu hiện ng‡ỡng kích thích d‡ới hμng năm của các mảng tảo., mμ không chứa thạch cao, nh‡ng chứa carbonate đ‡ợc tạo ra do vi khuẩn xen vμo giữa các lớp

đáng kể vμ ng‡ợc lại với l‡ợng m‡a rơi, ví dụ một sự tăng độ muối lên xấp xỉ

10/00 trong suốt một tình trạng khô hạn 2 tuần đã đ‡ợc ghi nhận bởi Hatcher vμ những ng‡ời khác (1982)

Cột n‡ớc lμ trong vμ nói chung không sâu hơn 1.5 - 2 m trên khắp toμn bộ hồ Nền đá vôi của chỗ hạ thấp xuống nμy đ‡ợc tìm thấy ở độ sâu bằng vμi centimeter tới 20 m vμ hoμn toμn đ‡ợc phủ len bởi một tầng than bùn, có độ dμy trung bình lμ 2 m Trầm tích nằm bên trên tầng than bùn gồm có một lớp mùn nằm ngang, rất giμu chất hữu cơ Các lớp trên cùng của lớp mùn lμ kết bông vμ độ rỗng cao (độ rỗng 80-90%); các lớp sâu hơn có một độ đặc có vẻ cao Những nghiên cứu về những cốt lõi trầm tích từ hồ bởi Hatcher vμ những ng‡ời khác (1982) bao gồm một phân tích chi tiết về thμnh phần hữu cơ của các

Caulera vμ các tảo xanh khác Hệ động vật bao gồm

chủ yếu lμ cá nhỏ, gồm có Gambusia, giun, loμi chân bụng, vμ loại hầu đ‡ớc Quần xã sinh vật phù du hầu nh‡ toμn gồm các động vật thân giáp vμ vi khuẩn lục Không tìm thấy tổ chức nμo có thể bioturbate hay lμm ẩm sinh học một cách đáng kể theo ph‡ơng thẳng đứng

Các vi sinh vật đóng một vai trò chủ đạo trong chu trình hoá địa sinh của C, S,

vμ các loại hoá chất khác Sự phân tầng của các vi sinh vật trong trầm tích đã

đ‡ợc mô tả ở một phần tr‡ớc Điều nhấn mạnh trong mục nμy đặt vμo chu trình hoá địa sinh của carbon vμ sulfur trong hệ thống trầm tích-lỗ hổng-n‡ớc Một mô hình đ‡ợc hiện diện để giúp đỡ cho việc định l‡ợng quan hệ giữa các chất không hoμ tan của n‡ớc kẽ vμ sự phân huỷ vật liệu hữu cơ do sự giảm sulfate gián tiếp về mặt vi sinh học Một mô hình t‡ơng tự cũng đ‡ợc lμm bởi Boudreau vμ những ng‡ời khác (1992)

9.3.1.1 Hoá học n‡ớc lỗ hổng có tính mô tả

Các gradient n‡ớc lỗ hổng của pH, độ kiềm tổng cộng, tổng l‡ợng giảm sulfur, bisulfide, vμ sunfat hoμ tan cho mùn hồ Ngập mặnđ‡ợc chỉ ra trong Hình 1 Đó

lμ bằng chứng từ gradient pH dốc đ‡ợc quan sát ở trên 5 cm của trầm tích mμ các phản ứng trầm tích-lỗ hổng-n‡ớc tiến hμnh nhanh chóng vμ có thể đi kèm với sự lắng đọng ban đầu của trầm tích giμu chất hữu cơ Sự giảm pH gấp lμ do

sự có mặt của CO2 vμ H2S, cả các thμnh phần "axit", đ‡ợc tạo ra nh‡ một kết quả của sự oxy hoá vật liệu hữu cơ thông qua phản ứng sulfate gián tiếp do vi khuẩn Sự tăng tổng độ kiềm gần nh‡ đều đều cùng với sự tăng độ sâu của trầm tích n‡ớc lỗ hổng thể hiện rằng carbon vô cơ hoμ tan đ‡ợc bổ xung cho n‡ớc lỗ hổng khi carbon hữu cơ không bền bị tiêu thụ tăng dần dần (Hình 9.1b) Sự gia tăng trong tổng độ kiềm nμy chỉ cân bằng sự thiếu hụt điện trở của n‡ớc lỗ hổng gây ra bởi sự giảm sulfate Kết luận nμy rõ rμng đ‡ợc chứng minh trong Hình 9.1c, biểu thị rằng gần nh‡ tất cả sulfate bị giảm về mặt số l‡ợng cho HS- vμ H2S trong khi carbon vô cơ hoμ tan (chủ yếu lμ HCO3

-) đ‡ợc

trầm tích ở 5m trên cùng của trung tâm, hoá học n‡ớc lỗ hổng sâu, vμ sự thảo luận về những nguồn có thể của các vật chất hữu cơ

Đới ven biển của hồ đ‡ợc bao gồm một vòng dμy các cây đ‡ớc vμ sự phân bố không đều của tảo, gồm có

tạo ra bỏi sự oxy hoá của vật liệu hữu cơ (Các hình 1b,c) Những phản ứng nμy

lμ đặc tr‡ng của nhiều hệ thống trầm tích-lỗ hổng-n‡ớc kỵ khí (ví dụ Berner 1980) Tuy nhiên, tính duy nhất của các trầm tích chôn vùi nông của hồ Ngập mặnmμ chúng lμ vật liệu vμ mùn gần nh‡ nghèo chất hữu cơ , vμ các phản ứng liên quan đến các mảnh vụn silic vμ carbonate lμ không quan trọng về mặt số l‡ợng, nh‡ lμ các phản ứng hoá học dẫn tới sự tạo ra của các trầm tích bay hơi Vì vậy, những trầm tích nμy đối lập sâu sắc với các trầm tích của, ví dụ, hồ Solar, Sinai (xem mục 3.2), vμ đảo Christmas, Kiribati (Schoonmaker vμ những ng‡ời khác 1985), trong đó sự hình thμnh khoáng chất hữu cơ lμ một quá trình quan trọng

Hình 9.1 Các gradient lỗ hổng n‡ớc của (A) độ pH, (B) độ kiềm tổng cộng, vμ (C) tổng l‡ợng sulfur bị

ở lớp mùn hồ Ngập n‡ớc Sự giảm độ pH nhanh vμ tăng monotonic trong độ kiềm tổng cộng biểu hiện

n‡ớc lỗ hổng Sự giảm sulfate vμ tăng các loμi giảm sulfurthể hiện rằng sự phân huỷ vật liệu hữu cơ chủ yếu lμ bởi sự giảm sulfate.

3.1.2 Mô hình trầm tích-lỗ hổng-n€ớc

Hệ thống trầm tích-lỗ hổng-n‡ớc của hồ Ngập mặnchính nó thêm phần cho sự phát triển của một mô hình định l‡ợng minh hoạ những phản ứng trong hệ thống Các phản ứng hoá học, trừ các phản ứng liên quan đến chu trình hoá địa sinh carbon vμ sulfur, lμ không quan trọng về mặt định l‡ợng, vμ các trầm tích gần nh‡ lμ một hệ thống một thμnh phần của vật liệu hữu cơ không bền cao

Primosten, Nam T‡, vμo tháng 5 năm 1988 Mô hình nμy lμ một sự mở rộng

Profile lỗ hổng n‡ớc nhận đ‡ợc từ các trầm tích thể hiện rằng sự phân bố theo ph‡ơng thẳng đứng của phần tử hoμ tan đ‡ợc kiểm soát tới một mức độ đáng

kể bởi các phản ứng địa hóa học liên quan đến sự lμm giảm giá trị vật chất hữu cơ do phản ứng sulfate gián tiếp do vi khuẩn

Mô hình đ‡ợc mô tả ở đây đầu tiên đ‡ợc đ‡a ra bởi Roland Wollast ở Hội nghị chuyên đề quốc tế lần thứ 10 về "Hoá học của biển Địa Trung Hải" tổ chức tại

của công việc của Ben Yaakov (1973) vμ Leeper (1975) vμ những mô tả về mặt

định l‡ợng quá trình của sự phân hủy chất hữu cơ bởi vì sự giảm sulfate trong một hệ thống địa hoá học đóng kín Sự phân bố vi khuẩn sulfur oxy hoá cho

tích của hồ Ngập

a hồ nμy hầu nh‡

tr‡ớc nằm trên vi khuẩn lμm giảm sulfate trong các trầm

mặnđã mô tả tr‡ớc đây, hệ thống trầm tích-lỗ hổng-n‡ớc củ

chắc chắn đ‡ợc đóng kín với chú ý tới các loại sulfur Phản ứng mô tả lực điều khiển toμn bộ lμ:

S H HCO SO

O

Vì vậy, sự hô hấp của một mole của carbon hữu cơ tạo ra một mole của carbon vô cơ hoμ tan vμ t‡ơng ứng với một sự t‡ơng đ‡ơng của độ kiềm trong n‡ớc lỗ hổng ở xung quanh Sự phân bố của các loại carbon, sulfur vμ Bo vô cơ hoμ tan

bị kiểm soát bởi các ph‡ơng trình cân bằng sau:





H HCO CO

(2) (3)







H CO



HS S



O

Trong hệ thống nμy chó tám biến đ‡ợc liên hệ với nhau bằng 4 ph‡ơng trình cân bằng ở trên, cộng 4 sự rμng buộc cân bằng khối l‡ợng khác:

0

T

B

x C

(6)



(8)

x A

A T T0  2

x

S T

trong đó B

(9)

vμo trong tính toán ảnh h‡ởng của

Tlμ nồng độ tổng cộng của muối Bo; CT lμ tổng nồng độ của carbon vô cơ; ATlμ độ kiềm tổng cộng; ST lμ tổng nồng độ của các loại sulfur bị giảm đi; vμ

x lμ số nguyên tử carbon hữu cơ đã phân huỷ trên một đơn vị thẻ tích n‡ớc lỗ hổng Ký hiệu bên trên 0 biểu thị giá trị ban đầu của nồng độ của các loại do n‡ớc tạo thμnh trong n‡ớc biển bị giữ lại nguyên thuỷ Hệ thống nμy dẫn tới một ph‡ơng trình bậc 6 với chú ý tới aH+, mμ có thể dễ dμng đ‡ợc giải số Vì vậy, có thể mô tả tiến trình của thμnh phần n‡ớc khe trong suốt quá trình giảm sulfate nếu hệ thống địa hoá học nμy gần nh‡ lμ khép kín

Mô hình có thể đ‡ợc cải tiến bằng việc lấy

nitrogen hữu cơ, mμ đ‡ợc giải phóng nh‡ amoniac trong toμn bộ sự phân huỷ chất hữu cơ d‡ớc các điều kiện kỵ khí theo:









 o

53

Vì vậy, với một sự tăng của một đơn vị carbon vô cơ đ‡ợc bổ sung cho hệ thống bởi sự phân huỷ của vật liệu hữu cơ mμ thμnh phần của nó có một tỷ lệ Redfield điển hình C/N bằng 6.6, sự tăng t‡ơng ứng về độ kiềm sẽ lμ 1.15 Trong tr‡ờng hợp của trầm tích hồ Ngập n‡ớc, tỷ số C/N nh‡ đ‡ợc xác định bởi

Hatcher vμ những ng‡ời khác (1982) lμ bằng 12; vì vậy, sự gia tăng t‡ơng đối của độ kiềm sẽ lμ 1.08 Chúng ta đã sử dụng tỷ số nμy trong các tính toán mô hình của chúng ta

Những kết quả tính toán mô hình đ‡ợc thể hiện trong các hình 9.2-9.6 T‡ơng quan tốt giữa tổng độ kiềm đo đạc vμ tổng carbon vô cơ hoμ tan đ‡ợc thể hiện trong hình 9.2 Thật ra tính toán mô hình (đ‡ờng thẳng) thích hợp với số liệu

ệu hữu cơ lμ hợp lý Hơn nữa, tỷ số C/N bằng 12, nh‡ đã đ‡ợc Hatcher vμ những ng‡ời khác đo đạc (1982), lμ đ‡ợc dự đoán từ quan hệ giữa tổng độ kiềm quan trắc vμ tổng carbon vô cơ hoμ tan (cũng xem Hatcher vμ những ng‡ời khác 1982)

tốt chứng tỏ rằng sự lựa chọn của tỷ số C/N bằng 12 cho sự phân huỷ vật li

mô hình vμ phân tích lỗ hổng - n‡ớc trong hồ Ngập n‡ớc Sự đồng ý chặt chẽ giữa các tính toán mô

phân huỷ vật liệu hữu cơ đ‡ợc giả thiết cho lμ gần 12 cho các tính toán mô hình lμ đúng đắn.

Hình 9.3 thể hiện rằng sự gia tăng tổng độ kiềm có quan hệ tuyến tính với sự tạo ra tổng sulfide trong n‡ớc lỗ hổng của lớp mùn hồ ngập n‡ớc Các giá trị đã

đo đạc, mặc dù phần nμo phân tán ở những nồng độ cao, giảm một cách hợp lý gần tới quan hệ tuyến tính đã dự đoán bằng mô hình T‡ơng quan nμy chứng minh hơn nữa giả thiết của một hệ thống địa hoá học gần nh‡ khép kín bằng một sự xấp xỉ tốt Cũng nh‡ vậy, ở các vùng tốc độ trầm tích cao, chẳng hạn nh‡ hồ ngập n‡ớc, giả thiết của một hệ thống trầm tích-lỗ hổng-n‡ớc gần khép kín lμ có giá trị trong nhiều tr‡ờng hợp (Berner 1980)