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

CaAl2Si2O8 + 3H2O +2CO2= Al2Si2O5(OH)4 + Ca++ + 2HCO3-

3 KAlSi3O8 + 2H2O = KAl2(AlSi3)O10(OH)2 + 6SiO2 + 2K + + 2OH-

Alteração dos aluminosilicatos - clima tropical

Pode chegar a etapa final de hidrólise, isto é a formação de oxi/hidroxidos livres de Al, Fe e Ti

KAlSi3O8+2H2O = Al (OH)3 + 3SiO2 + K + + OH -

Solubilidade de sílica

Cadeias montanhosas expõem uma grande massa de rochas a alteração química que absorve CO2 atmosférico....

CaAl2Si2O8 + 3H2O +2CO2= Al2Si2O5(OH)4 + Ca++ + 2HCO3-

T.Boski 2002

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)

Observe faixas secas frias (NE Siberia), temperadas (Asia Central, Patagonia, Australia) ou quentes (Sahara / Arabia ; Kalahari)

Subdivisão das superfícies continetais de acordo com o tipo de drenagem

Exo(%) Endo(%)

25,7 9,0 34,8 Areico

60,1 5,2 65,2 Reico

85,8 14,2 100%

Rede de drenagem

Vörösmarty et al. 2000 a & b, modified and adapted

Global figures

area total 133 M km2

Erosão fluvial t/km2/ano

>

<

Erosão continental

Total (sólido e dissolvido) dos aportes fluviais para o oceano global

Rio Comprimento (km)

Área de Drenagem

(1000km2)

Descarga anual (km3)

Caudal Sólido (M ton/a)

Nilo 6670 2960 30 0 Amazonas 6570 6150 6300 1000 Yangtze 6300 1808 976 478 Missisipi 5970 3270 580 210 Yenisei 5870 2580 560 13 Amarelo 5464 752 49 1080

Caudal sólido dos principais rios do globo

Suspensos

(kg/m3)

0 0.14

0.49

0.36 0.02

22.04

Acreçaão do delta de Huang-Ho

• 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

elementos traços©

Pluma túrbida do Rio Guadiana 12/2002

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

Antropogénico • Poeiras industriais 30 • Conversão de compostos gasosos • Sulfato 200

• Outros 50

• Natural • Combustão de biomassa 5 • Vulcões (muito variável) 25 • Poeiras (fund. desertos) 250 • Sal marinho 500 • Conversão de compostos gasosos • Sulfato 335 • Outros 135

280

1250

Fluxos para oceano comparação de magnitudes