Мировой океан представляет собой крупнейшую геохимическую систему планеты, где взаимодействуют литосфера, атмосфера, гидросфера и биосфера. В его водах сосредоточено около 97 % всей свободной воды Земли, и именно здесь протекают процессы глобального перераспределения химических элементов. Геохимическая роль океанов заключается в участии в круговороте веществ, формировании осадков, регулировании углеродного баланса и поддержании химического состава атмосферы.
Морская вода представляет собой сложный раствор, содержащий более 80 элементов. Основные ионы — Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, SO₄²⁻, Ca²⁺, K⁺, HCO₃⁻ — определяют её солёность и физико-химические свойства. Их суммарная концентрация стабильна в глобальном масштабе, однако локальные отклонения наблюдаются вследствие гидрологических и биологических процессов.
Минорные и микроэлементы — железо, медь, цинк, никель, марганец, кобальт, литий, йод и др. — играют решающую роль в биогеохимических циклах, несмотря на их ничтожное содержание. Некоторые из них поступают в океан из атмосферной пыли, вулканических источников, речного стока и гидротермальных систем.
Геохимические циклы в океанах отражают непрерывный обмен веществ между различными резервуарами Земли. Наиболее значимыми являются циклы углерода, азота, серы, кремния, фосфора и железа.
Цикл углерода реализуется через растворение CO₂ в воде, образование бикарбонат-ионов и осаждение карбонатов кальция и магния. Эти процессы регулируют кислотно-щелочной баланс океанов и напрямую связаны с атмосферным содержанием углекислого газа.
Азотный цикл включает стадии фиксации азота цианобактериями, нитрификации и денитрификации. Он контролирует продуктивность экосистем и количество доступных биогенных соединений.
Серный цикл характеризуется чередованием окислительных и восстановительных процессов. Сульфаты восстанавливаются до сульфидов в анаэробных условиях донных осадков, где образуются пирит и другие сульфидные минералы.
Кремниевый цикл связан с диатомовыми водорослями и радиоляриями, использующими растворённую кремнекислоту для построения панцирей. После отмирания организмов кремний возвращается в раствор или осаждается в виде опала.
Фосфорный цикл ограничен в биосфере океана низкой растворимостью фосфатов, что делает этот элемент лимитирующим фактором первичной продукции.
Гидротермальные источники, сосредоточенные вдоль срединно-океанических хребтов, представляют собой мощные центры геохимического обмена между океанической корой и морской водой. При контакте с магматическими телами вода нагревается до 350–400 °C, насыщается металлами, серой и кремнием, после чего выбрасывается в океан в виде гидротермальных струй — «чёрных курильщиков».
В этих системах формируются сульфидные и оксидные минералы, обогащённые медью, цинком, железом и свинцом. Гидротермальные процессы вносят значительный вклад в состав растворённых элементов океана и обеспечивают поступление питательных веществ в глубоководные экосистемы.
Океанические осадки подразделяются на терригенные, биогенные, химогенные и вулканогенные. Их состав определяется источником вещества и геохимическими условиями осаждения.
Биогенные осадки формируются из остатков морских организмов: известковые и кремнистые илы, радиоляриевые и диатомовые отложения. Химогенные осадки образуются в результате прямого выпадения из раствора — это главным образом марганцевые конкреции, фосфориты и гидроксиды железа.
Процессы диагенеза — уплотнение, цементация, перекристаллизация и редокс-преобразования — изменяют химический и минеральный состав осадков, превращая их в породы. Диагенетические реакции способствуют выделению метана, сероводорода и других газов, формируя особые геохимические зоны восстановления.
Живое вещество является активным участником морских геохимических процессов. Фотосинтезирующие организмы фиксируют углерод и регулируют газовый обмен между океаном и атмосферой. Планктонные сообщества участвуют в осаждении кальцита и арагонита, а бактерии управляют окислительно-восстановительными процессами, включая метаногенез и сульфатредукцию.
Биогенные структуры, такие как коралловые рифы, представляют собой важные геохимические резервуары кальция и углерода, а массовое разрушение рифов или изменение биопродуктивности напрямую отражается на химии океанической воды.
Распределение элементов в океане определяется системой геохимических барьеров — зон, где изменяются физико-химические параметры среды и происходит осаждение или сорбция веществ.
Главными барьерами являются:
Эти барьеры обеспечивают пространственную неоднородность химического состава океанической воды и формируют геохимическую стратификацию морской среды.
Океан служит главным регулятором состава атмосферы и климатической системы. Через процессы растворения, осаждения, газообмена и биогенной миграции он аккумулирует углерод, серу, азот и другие элементы, поддерживая их глобальный баланс.
Долговременные геохимические взаимодействия между океаном и литосферой, включая субдукцию осадков и дегазацию из магматических очагов, связывают океаническую геохимию с глубинными процессами Земли. Таким образом, океан представляет собой динамическую систему, в которой химические, физические и биологические процессы объединены в единый геохимический механизм планетарного масштаба.