3.3.1. G iới thiệu chung
Các hợp phần vô cơ của Cacbon tồn tại trong nước biển dưới dạng khí Cacbonic (CO2), axit Cacbonic (H2CO3) và các dẫn xuất phân ly của nó (HCO3-, CO3-2). Các tiểu phần này liên hệ tương hỗ với nhau trong mối cân bằng động và cùng nhau tạo thành hệ cacbonat. Quan điểm hiện đại cho rằng đại dương là một hệ động lực hở phức tạp và thống nhất, trong đó bao gồm nhiều hệ thành phần mà hệ cacbonat là một trong các hệ thành phần phức tạp nhất. Nồng độ tổng cộng các hợp phần của hệ cácbonat (ký hiệu ∑C) được biểu diễn dưới dạng:
∑C = [CO2] + [H2CO3] + [HCO3-] + [CO32-]
Đại lượng ∑C tỷ lệ với độ muối nước biển, song mối quan hệ này không chặt chẽ lắm, nhất là ở những vùng có độ muối thấp. Đối với nước đại dương có độ muối cao và nhiệt độ 8÷12oC, khi áp suất khí CO2 hoà tan trong nước cân bằng với áp suất riêng của khí CO2 trong khí quyển và có giá trị PCO2=(270÷320)10-6at, thì mối quan hệ của ∑C với độ Clo nước biển (theo Buch K.) được biểu diễn gần đúng là:
∑C= 0,108 Cl%o (±1,5%) mM/l
Như đã đề cập đến ở các mục 3.1 và 3.2 chương này, khí CO2 hoà tan, ion Hydro và độ kiềm là các thành phần có liên quan trực tiếp tới hệ cacbonat. Nhìn
tổng quát hơn nữa, hệ cacbonat của biển còn có quan hệ trực tiếp và có vai trò rất quan trọng trong cả ba quá trình tương tác: thuỷ quyển-khí quyển, thuỷ quyển-thạch quyển và thuỷ quyển-sinh quyển. Bởi vậy nghiên cứu hệ cacbonat của biển rất có ý nghĩa đối với nhiều lĩnh vực khoa học như: lịch sử trái đất, lịch sử khí quyển, lịch sử sinh quyển, địa chất học, địa hoá học, khí tượng học... Bức tranh tổng quát về mối cân bằng động của hệ cacbonat trong biển mô tả trên hình 3.4.
CO2(khí quyển)
⎯⎯⎯↓↑⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Mặt biển ⎯⎯⎯ CO2(hoà tan) + H2O ⇔ H2CO3
↓↑ ↓↑
Hô Quang OH- + + HCO3-
hấp hợp H+ ↓↑
+ CO3-2
Sinh vật +
CaCO3(hoà tan) ⇔ Ca+2 (hoặc Mg+2...)
⎯⎯⎯Đáy biển⎯⎯↓↑⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
CaCO3(rắn)
Hình 3.4: Sơđồ hệ cacbonat trong biển
Trong mối cân bằng động, các tiểu phần của hệ cacbonat liên hệ tương hỗ với nhau và chuyển hoá cho nhaụ Bất cứ một sự biến đổi dù nhỏ của một tiểu phần nào cũng kéo theo sự biến đổi của các tiểu phần khác và làm cho hệ chuyển sang trạng thái cân bằng mớị
Sơ đồ trên còn chỉ rõ sự cân bằng giữa áp suất khí CO2 trong khí quyển và trong nước đã duy trì nồng độ tất cả các hợp phần của hệ cacbonat trong những giới hạn nhất định. Trong các giới hạn đó, đối với mỗi trường hợp cụ thể, nồng độ các tiểu phần trước hết được xác định bởi tương quan giữa quá trình sản sinh và tiêu thụ CO2. Ví dụ, giảm nồng độ CO2 xuống không nhiều lắm (thường xẩy ra trong quá trình quang hợp ở lớp nước tầng trên) thì một phần ion hydrocacbonat sẽ chuyển sang ion cacbonat và pH sẽ tăng. Ngược lại, ở các lớp nước sâu và gần đáy nồng độ CO2 có thể tăng cao do qúa trình phân huỷ chất
hữu cơ, đã làm chuyển gần hết ion cacbonat sang hydrocacbonat và pH giảm. Như vậy, về nguyên tắc không thể xác định nồng độ các tiểu phần của hệ bằng phương pháp phân tích hoá học, bởi vì nếu tách riêng bất kỳ một tiểu phần nào ra đểđo đạc sẽ làm thay đổi ngay trạng thái cân bằng của hệ. Chỉ có thể tính toán chúng thông qua một số yếu tố khác dễ xác định như độ kiềm, pH và các hằng số nhiệt động như hằng số nồng độ, hoạt độ, hệ số hoạt độ.