22कार्बोनेट, सिलिसियस और वाष्पनिक तलछट

इंग्लैंड और फ़्रांस के बीच की संकरी खाड़ी के दोनों ओर खड़ी सफ़ेद चॉक की चट्टानें सबसे साधारण चट्टानों जैसी लगती हैं। इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे वे कैल्साइट की असंख्य छोटी पट्टियों से बनी निकलती हैं, जिन्हें उस समुद्र में तैरते एककोशिकीय शैवालों ने छोड़ा था जो कभी उस क्षेत्र को ढकता था। नाव से दिखने वाली एक भित्ति पैमाने के दूसरे छोर पर वही कहानी है: एक बनता हुआ चूना-पत्थर, जिसे प्रवाल और शैवाल पानी से कैल्शियम और कार्बोनेट लेकर पत्थर में बदलते हुए बनाते हैं। सभी तलछट बहकर नहीं आतीं; बहुत-सी वहीं बनती हैं, जीवित प्राणियों द्वारा, या स्वयं पानी द्वारा जब वह वाष्पित होता है। यह अध्याय तलछटों के तीन बड़े परिवारों का अनुसरण करता है — कार्बोनेट, सिलिसियस ऊज़ और वाष्पनिक निक्षेप — उस समुद्र की रसायन-विद्या से लेकर उन चट्टानों तक जिन्हें वे पीछे छोड़ते हैं।

पहले से ज्ञात

चूना-पत्थर कैल्साइट से बनी एक अवसादी शैल है, प्रायः शंखों से, और तनु अम्ल में बुलबुले देती है (पुस्तक 1, कक्षा 6)। कैल्साइट और ऐरागोनाइट $\ce{CaCO3}$ के दो बहुरूप हैं, जिनके घनत्व $2.71\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$ और $2.93\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$ हैं, और डोलोमाइट $\ce{CaMg(CO3)2}$, जिसका घनत्व $2.84\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$ है, कैल्शियम और मैग्नीशियम का कार्बोनेट है (अध्याय 7)। समुद्री जल की लवणता उसके एक किलोग्राम में घुले नमक का द्रव्यमान है (पुस्तक 1, कक्षा 8)। जल में कार्बन डाइऑक्साइड, हाइड्रोजन कार्बोनेट और कार्बोनेट आयन अम्ल-क्षार साम्यों से जुड़े हैं, और क्षारकता उन क्षारकों का माप है जो हाइड्रोजन आयनों को ग्रहण कर सकते हैं (रसायन-विज्ञान की पुस्तकें); महासागर का कार्बोनेट तंत्र कार्बन-चक्र का भाग है (जीव-विज्ञान की पुस्तकें)। समुद्र-तल आयु के साथ $d = d_r + C\sqrt t$ के अनुसार गहरा होता है (प्रमेय 13.7)।

22.1 कार्बोनेट कारखाना

समुद्री जल में कैल्शियम और घुला अकार्बनिक कार्बन रहता है, अधिकतर हाइड्रोजन कार्बोनेट के रूप में। इन दोनों से कैल्शियम कार्बोनेट इन अभिक्रियाओं से बनता है:

पहली अभिक्रिया में बने हर कार्बोनेट के साथ एक अणु कार्बन डाइऑक्साइड निकलता है। उष्णकटिबंधीय उष्ण सतही जल कैल्शियम कार्बोनेट से अतिसंतृप्त है, फिर भी वह शायद ही स्वयं अवक्षेपित होता है: लगभग सब कुछ जीवित प्राणी बनाते हैं, जो अपने शंख और कंकाल बनाने की ऊर्जा चुकाते हैं और उस खनिज को नियंत्रित करते हैं जिसका वे उपयोग करते हैं। प्रवाल और हरे शैवाल ऐरागोनाइट बनाते हैं; लाल शैवाल और अनेक फ़ोरामिनिफ़ेरा कैल्साइट बनाते हैं, जिसका कुछ भाग मैग्नीशियम से समृद्ध होता है; मोलस्का इनमें से एक या दोनों का उपयोग करते हैं।

परिभाषा 22.1 (कार्बोनेट कारखाना)

किसी समुद्र का कार्बोनेट कारखाना वे जीव और प्रक्रियाएँ हैं जो कैल्शियम कार्बोनेट तलछट वहीं बनाती हैं जहाँ वह पाई जाती है, न कि उसे कहीं और से लाया जाता है। उसके उत्पाद हैं कंकाल-कण (साबुत या टूटे शंख और कंकाल), कार्बोनेट कीचड़, लेपित कण और भित्तियों के कठोर ढाँचे।

सबसे समृद्ध कारखाना गर्म, स्वच्छ, उथले और धूप वाले पानी में काम करता है, नदियों के कीचड़ से दूर, जो उत्पादकों को दबा देता और प्रकाश को धुँधला कर देता जिसकी शैवालों को ज़रूरत है। उसका तलछट समुद्र-तल स्वयं बनाता है: प्रवाल और शैवाल का मलबा, तल पर रहने वाले मोलस्का के शंख और एककोशिकीय फ़ोरामिनिफ़ेरा के खोल, और हरे शैवालों द्वारा छोड़ी गई ऐरागोनाइट की सुइयाँ, जो चूने के कीचड़ के रूप में बैठ जाती हैं। जहाँ पानी विक्षुब्ध और अतिसंतृप्त है, वहाँ लहरों और ज्वार से लुढ़कते कण एक केंद्रक के चारों ओर, जो बालू का एक कण या शंख का टुकड़ा हो सकता है, कार्बोनेट की परतें उगाते हैं और गोल ऊइड बन जाते हैं (परिभाषा 22.3)। एक दूसरा कारखाना खुले समुद्र में काम करता है, किसी तट से दूर: धूप वाली सतही परत में रहने वाले प्लवक छोटे कैल्साइट कवच और पट्टियाँ बनाते हैं जो गहरे समुद्र-तल पर बरसती हैं (अनुभाग 22.3)।

कारखाना कितनी तेज़ी से बनाता है, यह उसके कार्बोनेट बजट से मापा जाता है: एक वर्ग मीटर पर हर वर्ष उत्पादित और अपनी जगह रखा गया कार्बोनेट का द्रव्यमान, छेद करने वाले जीवों, चरने वालों और लहरों से होने वाली हानियों के बाद। वह द्रव्यमान-संतुलन से ऊर्ध्वाधर वृद्धि की दर में बदल जाता है।

प्रतिज्ञप्ति 22.2 (कार्बोनेट बजट से संचयन)

मान लीजिए एक समुद्र-तल प्रति इकाई क्षेत्रफल और प्रति इकाई समय में कैल्शियम कार्बोनेट का शुद्ध द्रव्यमान $G$ अपनी जगह रखता है, एक ऐसे निक्षेप के रूप में जिसके ठोस कणों का घनत्व $\rho_s$ है और जिसकी छिद्रता, यानी उसके आयतन का वह भाग जो छिद्र घेरते हैं, $\phi$ है। तब तल इस दर से ऊपर उठता है

$$a = \frac{G}{\rho_s\,(1-\phi)}.$$

गुणनफल $\rho_s(1-\phi)$ निक्षेप का शुष्क थोक घनत्व है। चागोस द्वीपसमूह के हिंद महासागर के प्रवालों पर 2015 में मापी गई 28 भित्तियों का औसत बजट प्रति वर्ग मीटर और प्रति वर्ष $3.7\,\mathrm{kg}$ $\ce{CaCO3}$ था, और जिन भित्तियों पर शाखादार एक्रोपोरा प्रवालों का प्रभुत्व था, उनका $8.4\,\mathrm{kg}$ था, जो लगभग $4.2\,\mathrm{mm}$ प्रति वर्ष बढ़ती थीं; संचयन के सूत्र के साथ ये दो संख्याएँ मिलकर $2000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ का शुष्क थोक घनत्व बताती हैं, यानी एक भित्ति-ढाँचा जिसका लगभग एक-तिहाई भाग रिक्त स्थान है (अभ्यास 22.3)। उन्हीं भित्तियों ने 1998 की ऊष्मन घटना में अपने प्रवालों का नौ-दसवाँ भाग से अधिक खो दिया था, और उनके बजट दिखाते हैं कि भित्ति कितनी तेज़ी से पुनर्निर्माण कर सकती है।

22.2 भित्तियाँ और मंच

जहाँ कारखाना एक कठोर ढाँचा बनाता है, वह लहरों के सामने समुद्र-तल से ऊपर खड़ा हो सकता है।

परिभाषा 22.3 (भित्ति, कार्बोनेट मंच, ऊइड)

एक भित्ति एक कार्बोनेट उभार है जिसका ढाँचा, प्रवाल, शैवाल या अन्य जीव, अपनी जगह उगकर और एक-दूसरे से बँधकर और सीमेंटित होकर, आसपास के समुद्र-तल से ऊपर उठता है और लहरों का प्रतिरोध करता है। एक कार्बोनेट मंच उथले पानी के कार्बोनेट की एक मोटी राशि है जिसका सपाट शीर्ष समुद्र-स्तर के निकट है और जो गहरे पानी की ओर एक ढलान से घिरा होता है। एक ऊइड बालू के आकार का गोल कण है, जो कार्बोनेट की संकेंद्रित परतों से बना है, जो हिलते पानी में लुढ़कते समय एक केंद्रक के चारों ओर उगी हैं; ऊइडों से बनी चट्टान ऊलाइट है।

समुद्री प्रवालों की तीन किस्में हैं, जिनके नाम उन नाविकों ने रखे जिन्होंने उनका मानचित्र बनाया, बहुत पहले कि कोई उनके आर-पार ड्रिल करता। एक तटीय भित्ति किसी द्वीप या महाद्वीप के तट से जुड़ी होती है। एक अवरोधक भित्ति भूमि से एक लैगून द्वारा अलग होती है, जो चौड़ा हो सकता है और दसियों मीटर गहरा; उत्तर-पूर्वी ऑस्ट्रेलिया की अवरोधक भित्ति, जगह-जगह टूटी हुई, लगभग एक हज़ार मील तक चलती है और 10 से 25 फ़ैदम गहरे एक समुद्र को घेरती है, यानी लगभग $18\,\mathrm{m}$ से $46\,\mathrm{m}$। एक एटॉल भित्ति का एक वलय है, जिसके ऊपर निचले प्रवाल-रेत के द्वीप हैं, और जिसके भीतर एक लैगून है जिसमें कोई भूमि नहीं।

इतिहास — धँसती नींव पर भित्तियाँ, 1837–1842

बीगल की यात्रा के दौरान चार्ल्स डार्विन प्रशांत और हिंद महासागरों की भित्तियों के बीच घूमे। उन्होंने एक तथ्य से तर्क किया: प्रवाल-भित्ति बनाने वाले प्रवाल, उन्होंने निष्कर्ष निकाला, सामान्यतः 20 से 30 फ़ैदम के बीच की गहराई से गहरे नहीं पनपते, यानी लगभग 37 से $55\,\mathrm{m}$ तक। फिर भी अवरोधक भित्तियाँ और एटॉल उस सीमा से कहीं नीचे के गहरे पानी से उठते हैं। उनकी नींव, उन्होंने तर्क दिया, अवश्य धँसी होगी, इतनी धीरे कि प्रवाल ऊपर बढ़कर अपने शीर्ष सतह पर रख सकें: ज्वालामुखी द्वीप से सटी भित्ति, द्वीप के भीतर धँसने पर, अवरोधक बन जाती है, और द्वीप लुप्त होने पर एटॉल। उन्होंने अपना सिद्धांत 31 मई 1837 को लंदन की भूवैज्ञानिक सोसाइटी के समक्ष पढ़ा और 1842 में प्रवाल-भित्तियों की संरचना और वितरण नाम से प्रकाशित किया, जिसमें विश्व की सभी भित्तियों का एक मानचित्र था जो तीन किस्मों में छाँटी गई थीं। महासागरीय द्वीप क्यों और कितना धँसते हैं, यह उस प्लेट के ठंडे होने का विषय है जिसके ऊपर वे हैं, जिसे पुस्तक 4 में लिया गया है।

एक भित्ति तभी बचती है जब उसका शीर्ष उथले पानी में रहे, जहाँ उसके निर्माता जीते हैं। समुद्र-स्तर बदलता है, और नींव धँस सकती है; मायने यह रखता है कि दोनों का योग, यानी समुद्र-स्तर की सापेक्ष वृद्धि, क्या है।

प्रतिज्ञप्ति 22.4 (ऊपर उठो या डूबो)

मान लीजिए भित्ति का शीर्ष समुद्र-स्तर से नीचे $D_0$ गहराई पर है और वह दर $a$ से ऊपर बढ़ता है, जबकि सापेक्ष समुद्र-स्तर दर $r$ से बढ़ता है, दोनों स्थिर। तब समय $t$ के बाद भित्ति के ऊपर पानी की गहराई

$$D(t) = D_0 + (r - a)\,t .$$

यदि $a \ge r$, तो भित्ति समुद्र के साथ बनी रहती है (जब $a > r$ तो उसका शीर्ष सतह तक पहुँचता है, और उसके बाद वह केवल पार्श्वतः बढ़ सकती है); यदि $a < r$, तो वह पिछड़ती है, और यदि उसके निर्माता $D_{\max}$ से गहरे नहीं जी सकते, तो समय $(D_{\max} - D_0)/(r - a)$ के बाद वह डूब जाती है।

जिस भित्ति का शीर्ष डूब चुका है, वह तुरंत मरती नहीं, पर प्रकाश धुँधला पड़ता है, निर्माता बदल जाते हैं और कारखाना धीमा हो जाता है, इसलिए जो भित्ति पिछड़ने लगती है वह और पिछड़ती जाती है: डूबी हुई भित्तियाँ और मंच, जिनके ऊपर गहरे पानी के तलछट जमे हैं, कई महासागरीय द्वीपों की ढलानों पर और शैल-अभिलेख में मिलते हैं।

लाखों वर्षों में कारखाने कार्बोनेट मंच बनाते हैं, उथले पानी के कार्बोनेट की मोटी राशियाँ जो उनकी नींव के धँसने के साथ बढ़ती हैं। दो आकार बार-बार मिलते हैं (नीचे का चित्र देखिए)। एक किनारेदार शेल्फ़ का सपाट शीर्ष होता है, जो अपने किनारे पर भित्तियों और ऊइड-टीलों के एक घेरे से संरक्षित होता है, जो लहरों को तोड़ता है; उसके पीछे चूने के कीचड़ का शांत लैगून है, और सामने एक खड़ी ढलान, जहाँ घेरे से गिरे खंड और मलबा बेसिन तक जाते हैं। एक ढाल बिना किसी विराम के तट से बेसिन तक बहुत धीरे ढलती है: जहाँ लहरें तल को हिलाती हैं वहाँ ऊइड-टीले और शंख-पट्टियाँ, फिर तूफ़ानों द्वारा बहाए गए शंख-मलबे के बिस्तर, फिर लहरों की पहुँच के नीचे चूने का कीचड़। किनारेदार शेल्फ़ मुख्यतः अपने घेरे से ऊपर और बाहर की ओर बढ़ता है, और ढाल अपनी तलछट-पट्टियों को समुद्र के उठने या गिरने के साथ तट की ओर या समुद्र की ओर खिसकाकर।

22.3 पेलाजिक ऊज़ और कार्बोनेट क्षतिपूर्ति गहराई

तट से दूर, समुद्र-तल महाद्वीपों से लगभग कुछ नहीं पाता, सिवाय सबसे बारीक हवा-बहाई धूल के। उस पर इसके बजाय जो गिरता है वह उन प्लवकों के कंकाल हैं जो किलोमीटरों ऊपर धूप वाले पानी में रहते थे: कोकोलिथोफ़ोर की कैल्साइट पट्टियाँ और फ़ोरामिनिफ़ेरा के शंख, डायटम के ओपल के फ़स्टूल और रेडियोलेरियनों के कंकाल (जिनका चित्र आगे दिया गया है)। कोकोलिथों की लंबी वर्षा समुद्र-तल पर वह मुख्य प्रक्रिया है जो चॉक और दुनिया के अधिकांश चूना-पत्थर को बनाती है।

परिभाषा 22.5 (कैल्केरियस ऊज़, सिलिसियस ऊज़)

ऊज़ एक बारीक-कणों वाला पेलाजिक तलछट है, जो खुले समुद्र में जमता है और मुख्यतः प्लवकों के कंकालों से बना होता है। यह एक कैल्केरियस ऊज़ है जब कंकाल कैल्शियम कार्बोनेट के हों, मुख्यतः कोकोलिथ और फ़ोरामिनिफ़ेरा, और एक सिलिसियस ऊज़ है जब वे ओपल के हों, यानी जलयोजित अनाकार सिलिका, मुख्यतः डायटम और रेडियोलेरियन।

कैल्केरियस ऊज़ समुद्र-तल के लगभग आधे भाग को ढकते हैं, पर केवल एक निश्चित गहराई तक: लगभग $4500\,\mathrm{m}$ से नीचे वे लुप्त हो जाते हैं। कंकाल वहाँ गिरना बंद नहीं करते; वे घुल जाते हैं। गहरा समुद्र ठंडा है और दाब ऊँचा है, और कैल्साइट की विलेयता गहराई के साथ बढ़ती है, मुख्यतः दाब के कारण, जबकि पानी में कार्बोनेट आयन की सांद्रता सामान्यतः गहराई के साथ घटती है (इन साम्यों की रसायन-विद्या रसायन-विज्ञान की पुस्तकों से स्मरण की गई है)। एक निश्चित गहराई से नीचे गहरा पानी कैल्साइट के प्रति अल्पसंतृप्त है, और तल तक पहुँचने वाले कंकाल जितना गहरे पड़े हों उतनी तेज़ी से घुलते हैं।

परिभाषा 22.6 (लाइसोक्लाइन, कार्बोनेट क्षतिपूर्ति गहराई)

लाइसोक्लाइन वह समुद्री गहराई है जिसके नीचे समुद्र-तल पर कैल्साइट का घुलना तलछट में पहली बार दिखने लगता है और उसकी दर तेज़ी से बढ़ती है। कार्बोनेट क्षतिपूर्ति गहराई (CCD) वह गहराई है जिस पर कैल्साइट के घुलने की दर उस दर के बराबर होती है जिस पर कैल्साइट समुद्र-तल पर बरसता है; उसके नीचे कैल्शियम कार्बोनेट जमा नहीं होता। व्यवहार में उसे वहाँ रखा जाता है जहाँ सतही तलछट में कैल्शियम कार्बोनेट का भार $10\,\%$ से नीचे गिर जाता है।

CCD आम तौर पर लाइसोक्लाइन से सैकड़ों मीटर नीचे है। वह कोई स्थिर स्तर नहीं है: उसे आपूर्ति और घुलने के संतुलन से तय किया जाता है, इसलिए वह वहाँ गहरा होता है जहाँ प्लवक अधिक कार्बोनेट बनाते हैं और जहाँ गहरा पानी कम संक्षारक है। अटलांटिक में वह प्रशांत की तुलना में लगभग $500\,\mathrm{m}$ गहरा है, जिसका कारण कार्बोनेट की अधिक आपूर्ति और धीमा घुलना दोनों हैं; पश्चिमी प्रशांत के भीतर ही वह उत्तर-पश्चिम में लगभग $4000\,\mathrm{m}$ और मध्य प्रशांत में लगभग $5100\,\mathrm{m}$ पर है। ऐरागोनाइट, जो कैल्साइट से अधिक विलेय है, और भी उथली गहराइयों पर घुल जाता है। भूवैज्ञानिक समय में आपूर्ति, उत्पादकता और घुलने में बदलावों ने CCD को $2000\,\mathrm{m}$ से अधिक खिसकाया है।

विधि 22.7 (लाइसोक्लाइन और CCD का पता लगाना)

1. एक ही क्षेत्र में भिन्न गहराइयों वाले स्थानों से तलछट की ऊपरी कुछ सेंटीमीटर परत एकत्र कीजिए, इतनी दूर कि भूमि और ऊपर उठते जल से दूर रहें, ताकि मृत्तिका या ओपल से तनुकरण छोटा रहे।
2. हर नमूने का $\ce{CaCO3}$ भार-प्रतिशत मापिए और उसे जल की गहराई के विरुद्ध आलेखित कीजिए।
3. लाइसोक्लाइन वह गहराई है जहाँ मात्रा तीव्रता से गिरने लगती है, और जहाँ खोल घुलने के पहले चिह्न दिखाते हैं (टूटे, खुरचे हुए फ़ोरामिनिफ़ेरा)।
4. CCD वह गहराई है जहाँ मात्रा $10\,\%$ तक गिरती है: दोनों ओर के दो नमूनों के बीच रैखिक अंतर्वेशन से उसे पढ़िए।

समुद्र-तल के मध्य-महासागरीय कटक की ढलान पर, अक्ष के पास समुद्र-तल युवा और उथला होता है और आयु के साथ, जैसे-जैसे वह अक्ष से दूर जाता है, डूबता है। CCD के ऊपर जन्मा तल का एक टुकड़ा तब तक कैल्केरियस ऊज़ जमा करता है जब तक वह CCD के नीचे न डूब जाए; उसके बाद उसे वही मिलता है जो नहीं घुलता: ऊपर से हवा में जमी धूल, लोहे और मैंगनीज़ के ऑक्साइड, मछलियों के दाँत। यह धीमा, भूरा निक्षेप गहरे द्रोणियों की लाल मृत्तिका है।

प्रतिज्ञप्ति 22.8 (CCD पार करना)

आयु $t$ के समुद्र-तल को गहराई $d(t) = d_r + C\sqrt t$ पर मान लीजिए (प्रमेय 13.7), जिसमें कटक-अक्ष की गहराई $d_r$ है, जो एक स्थिर कार्बोनेट क्षतिपूर्ति गहराई $z_c$ से उथली है। तब तल उस आयु पर CCD के नीचे से गुज़रता है

$$t_c = \left(\frac{z_c - d_r}{C}\right)^2 ,$$

और आयु $t > t_c$ वाला एक स्थान नीचे से ऊपर की ओर रखता है: ज्वालामुखी क्रस्ट, समय $t_c$ के दौरान जमा कैल्केरियस ऊज़, और समय $t - t_c$ के दौरान जमी लाल मृत्तिका।

$d = 2500 + 350\sqrt t$ के साथ (मीटर में, $t$ दस लाख वर्षों में), $4500\,\mathrm{m}$ पर रखा CCD आयु $(2000/350)^2 = 32.7\,\mathrm{Myr}$ पर पार होता है; $25\,\mathrm{mm}$ प्रति वर्ष की अर्ध-प्रसार दर पर यह अक्ष से $816\,\mathrm{km}$ दूर है (नीचे का चित्र)। पुराने महासागर-तल में ड्रिल करने पर यही क्रम बार-बार मिलता है: बेसाल्ट, फिर कैल्केरियस ऊज़ या चॉक, फिर लाल मृत्तिका, तल की ढलान पर उतरने की यात्रा का अभिलेख। जहाँ प्लेट बाद में उच्च उत्पादकता की पेटी के नीचे, भूमध्य रेखा के पास, खिसक गई है, वहाँ मृत्तिका के ऊपर ऊज़ की नई परत जम सकती है; इसी से क्रोड प्लेटों की गति के साथ-साथ CCD की गहराई भी दर्ज करते हैं।

22.4 सिलिसियस ऊज़ और चर्ट

डायटम, प्लवक के एककोशिकीय शैवाल, और रेडियोलेरियन, प्राणिप्लवक के एककोशिकीय सदस्य, अपने कंकाल ओपल से बनाते हैं, जो वे समुद्री जल के घुले सिलिसिक अम्ल से लेते हैं। सतही महासागर के कैल्साइट के विपरीत, ओपल अतिसंतृप्ति से सुरक्षित नहीं है: समुद्री जल सभी गहराइयों पर उसके प्रति अल्पसंतृप्त है, और अधिकांश ओपल जीव की मृत्यु के तुरंत बाद घुल जाता है, पहले पानी में जब वह नीचे गिरता है और फिर समुद्र-तल पर। विश्व महासागर के प्लवक हर वर्ष ओपल में जो 255 टेरामोल सिलिकॉन बनाते हैं, उसमें से केवल लगभग 9.2 हमेशा के लिए तलछट में दबते हैं: $3.6\,\%$ का संरक्षण। नदी द्वारा समुद्र में लाया गया एक सिलिकॉन परमाणु दफ़न होने से पहले प्लवक द्वारा लगभग सोलह बार लिया और फिर छोड़ा जाता है, और वह महासागर में लगभग $8000$ वर्ष रहता है।

तो सिलिसियस ऊज़ वहाँ बनते हैं जहाँ ओपल का उत्पादन इतना अधिक हो कि उसका $3.6\,\%$ भी जुड़ जाए, और जहाँ कुछ और उसे तनु न करे: दक्षिणी महासागर के आसपास, उत्तरी प्रशांत में, प्रशांत में भूमध्य रेखा के साथ, और महाद्वीपीय किनारों पर, वे स्थान जहाँ पोषक-तत्वों से समृद्ध गहरा पानी सतह पर उठता है (अध्याय 29)। वे उत्पादक जलों के नीचे, कार्बोनेट क्षतिपूर्ति गहराई के नीचे भी प्रभावी हैं, जहाँ उनके साथ गिरा कैल्साइट घुल चुका है।

परिभाषा 22.9 (चर्ट)

एक चर्ट एक कठोर, सघन अवसादी शैल है जो सूक्ष्म-क्रिस्टलीय क्वार्ट्ज से बनी है, अधिकतर दफ़न के बाद घुले और पुनः क्रिस्टलित हुए जैविक ओपल से; यह परतों के रूप में मिलती है, जो प्रायः सिलिसियस ऊज़ से बनती हैं, या गाँठों के रूप में, जिनमें चॉक में मिलने वाला फ़्लिंट सबसे प्रसिद्ध है।

एक डायटम ऊज़ जो पुनः क्रिस्टलित नहीं हुआ, डायटोमाइट बन जाता है, एक हल्की, सफ़ेद, छिद्रमय शैल, लगभग शुद्ध ओपल। दफ़न और समय के साथ ओपल सिलिका के अन्य रूपों में और अंततः क्वार्ट्ज में बदलता है, और सिलिका स्थानांतरित होती है: वह चॉक से निकलती है, उदाहरण के लिए, और कुछ परतों के साथ फ़्लिंट की गाँठों में जमा हो जाती है। यह कैसे होता है, वह डायाजेनेसिस का विषय है (अध्याय 23)।

22.5 वाष्पनिक निक्षेप

जहाँ समुद्री जल का कोई भाग वाष्पन से अपने प्राप्त जल से अधिक पानी खोता है, वहाँ उसके लवण तब तक सांद्रित होते हैं जब तक वे एक-एक करके अवक्षेपित न हों। समुद्री जल की संरचना उसके मुख्य आयनों में सभी महासागरों में एक ही है (Table 22.1)।

आयन	समुद्री लवण का द्रव्यमान-अंश	$\mathrm{g}$ प्रति $\mathrm{kg}$ समुद्री जल	$\mathrm{mmol}$ प्रति $\mathrm{kg}$
क्लोराइड $\ce{Cl-}$	0.5503	19.353	545.9
सोडियम $\ce{Na+}$	0.3066	10.781	469.0
सल्फ़ेट $\ce{SO4^2-}$	0.0771	2.712	28.2
मैग्नीशियम $\ce{Mg^2+}$	0.0365	1.284	52.8
कैल्शियम $\ce{Ca^2+}$	0.0117	0.412	10.3
पोटैशियम $\ce{K+}$	0.0113	0.399	10.2
हाइड्रोजन कार्बोनेट $\ce{HCO3-}$	0.0030	0.105	1.72
ब्रोमाइड $\ce{Br-}$	0.0019	0.067	0.84
सभी विलेय	1	35.165

परिभाषा 22.10 (वाष्पनिक निक्षेप, वाष्पन-क्रम, सबखा)

एक वाष्पनिक निक्षेप एक तलछट या अवसादी शैल है जो प्राकृतिक ब्राइन से अवक्षेपित लवणों से बनी है, जो वाष्पन से सांद्रित हुई है: मुख्यतः जिप्सम $\ce{CaSO4.2H2O}$ और एनहाइड्राइट $\ce{CaSO4}$, हैलाइट $\ce{NaCl}$, और पोटैशियम और मैग्नीशियम के लवण। वाष्पन-क्रम वह क्रम है जिसमें खनिज वाष्पित होते समुद्री जल से अवक्षेपित होते हैं, सबसे कम विलेय पहले: पहले कैल्शियम कार्बोनेट, फिर जिप्सम, फिर हैलाइट, फिर पोटैशियम और मैग्नीशियम के लवण। एक सबखा एक तटीय लवण-मैदान है, उच्चतम ज्वार के स्तर पर या ठीक उसके ऊपर, जहाँ जिप्सम, एनहाइड्राइट और हैलाइट उस वाष्पित होते ब्राइन से तलछट के भीतर उगते हैं जो उसे भिगोता है।

इस अनुक्रम को 1849 में ही उसिग्लियो ने देखा था, जिन्होंने समुद्री जल का एक पात्र सूखने तक वाष्पित किया; सबसे सटीक माप बहामास के ग्रेट इनागुआ के नमक-कारखानों से आते हैं, जहाँ समुद्री जल बढ़ती सांद्रता वाले तालाबों की शृंखला से गुज़ारा जाता है। कैल्शियम कार्बोनेट तब अवक्षेपित होने लगता है जब ब्राइन समुद्री जल से 1.8 गुना सांद्र होता है, जिप्सम 3.8 गुना पर, हैलाइट 10.6 गुना पर; प्रयोगशाला में मैग्नीशियम सल्फ़ेट लगभग 70 गुना पर और पोटैशियम लवण 90 गुना से ऊपर आते हैं। चूँकि पहले अवक्षेपित लवण द्रव्यमान का नगण्य भाग हैं, 10.6 का सांद्रण गुणक इसका अर्थ है कि $1/10.6$, लगभग $9\,\%$, पानी शेष रहता है: हैलाइट तब आता है जब पानी का नौ-दसवाँ भाग जा चुका हो (नीचे का चित्र, पैनल a)। ब्राइन सांद्र होने पर अधिक घनी होती है, समुद्री जल के $1.03\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$ से जिप्सम बनने पर लगभग $1.13$, हैलाइट के साथ $1.22$ और कड़वे लवणों के साथ $1.30$ से अधिक, जो सबसे अंतिम लवण हैं।

समुद्री जल का कितना किलोग्राम हर लवण दे सकता है, यह Table 22.1 से उस आयन को गिनकर निकलता है जो सबसे पहले समाप्त होता है। कैल्शियम कार्बोनेट कार्बोनेट और हाइड्रोजन कार्बोनेट से सीमित है, $1.10\,\mathrm{mmol}$, लगभग $0.11\,\mathrm{g}$। जिप्सम शेष कैल्शियम लेता है, $9.18\,\mathrm{mmol}$, $1.58\,\mathrm{g}$, सल्फ़ेट अधिक है। हैलाइट सारा सोडियम लेता है, $469\,\mathrm{mmol}$, $27.4\,\mathrm{g}$, क्लोराइड अधिक है। जो बचता है, लगभग $6.3\,\mathrm{g}$ मैग्नीशियम, पोटैशियम, सल्फ़ेट, क्लोराइड और ब्रोमाइड का, वह बिटर्न लवण बनाता है। हैलाइट पूरे का $78\,\%$ है: सूखी हुई वाष्पनिक द्रोणी मुख्यतः चट्टानी नमक का द्रव्यमान होती है।

इन द्रव्यमानों से, किसी दी गई जल-राशि जो नमक छोड़ सकती है, उसकी मोटाई तुरंत निकलती है।

प्रतिज्ञप्ति 22.11 (समुद्री जल के स्तंभ से नमक)

ऊँचाई $H$ और घनत्व $\rho_{sw}$ वाला समुद्री जल का स्तंभ, सूखने तक वाष्पित होकर, घनत्व $\rho_x$ वाले एक खनिज की ऐसी परत छोड़ता है जिसकी मोटाई

$$h_x = \frac{\rho_{sw}\,H\,m_x}{\rho_x},$$

जहाँ $m_x$ उस खनिज का द्रव्यमान है जो समुद्री जल के प्रति इकाई द्रव्यमान से जमा होता है।

$\rho_{sw} = 1030\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ और $m = 27.4\,\mathrm{g}\,\mathrm{kg}^{-1}$ लेकर, तथा हैलाइट का घनत्व $2170\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ लेकर, $1000\,\mathrm{m}$ ऊँचा समुद्री जल का स्तंभ $13.0\,\mathrm{m}$ हैलाइट छोड़ता है; जिप्सम, जिसका घनत्व $2300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ है, के साथ वह $0.71\,\mathrm{m}$ जिप्सम छोड़ता है। यह वाष्पनिक निक्षेपों की मोटाई की समस्या है: सैकड़ों मीटर या किलोमीटर मोटी नमक की परतें किसी भी एक भराव का अवशेष नहीं हो सकतीं, चाहे द्रोणी कितनी भी गहरी हो।

उत्तर उस द्रोणी का है जो समुद्री जल प्राप्त करती रहती है। एक द्रोणी, जो महासागर से एक देहली, एक उथली जलसंधि या एक अवरोध द्वारा अलग है, शुष्क जलवायु में अपने पूरे क्षेत्रफल पर वाष्पन से पानी खोती है; उसकी जगह लेने के लिए समुद्री जल देहली के ऊपर से बहता है, नया नमक लाते हुए, और सघन ब्राइन गहराई में देहली के ऊपर से बाहर बह सकती है (नीचे का चित्र)। ब्राइन की सांद्रता इन प्रवाहों के संतुलन से तय होती है।

प्रतिज्ञप्ति 22.12 (अवरुद्ध द्रोणी)

मान लीजिए क्षेत्रफल $A$ की एक सुमिश्रित द्रोणी प्रति इकाई समय शुद्ध वाष्पन से पानी का आयतन $EA$ खोती है, समुद्री जल आयतन-दर $Q_{\mathrm{in}}$ पर प्राप्त करती है और ब्राइन महासागर को आयतन-दर $Q_{\mathrm{out}}$ पर लौटाती है, एक स्थिर अवस्था में। एक ऐसे आयन के लिए जो अवक्षेपित नहीं होता, ब्राइन इस गुणक से सांद्रित होती है

$$k = \frac{Q_{\mathrm{in}}}{Q_{\mathrm{out}}} = \frac{Q_{\mathrm{in}}}{Q_{\mathrm{in}} - EA}$$

समुद्री जल के सापेक्ष (आयतनों को समान घनत्व का मानकर गिना गया)।

बहिःप्रवाह नियंत्रित करता है कि द्रोणी क्या जमा करती है। यदि अंतःप्रवाह का दसवें से अधिक भाग ब्राइन के रूप में महासागर लौटता है, तो $k$ 10.6 से नीचे रहता है और द्रोणी कार्बोनेट और जिप्सम जमा करती है, पर कभी हैलाइट नहीं; यदि बहिःप्रवाह छोटा है, तो ब्राइन हैलाइट संतृप्ति तक पहुँचती है और द्रोणी नमक से भर जाती है; यदि जलसंधि पूरी तरह बंद हो, तो द्रोणी सूख जाती है और उसका स्तर दर $E$ पर गिरता है।

सबसे बड़ा युवा वाष्पनिक निक्षेप भूमध्य सागर के तल के नीचे है। 5.97 और 5.33 दस लाख वर्ष पूर्व के बीच, मेसीनियन युग में, भूमध्य सागर और अटलांटिक के बीच जल-विनिमय सीमित था, और सबसे गहरी द्रोणियों में $2\,\mathrm{km}$ तक मोटे वाष्पनिक निक्षेप बने, जिनका हैलाइट अधिकतर 5.60 और 5.55 दस लाख वर्ष पूर्व के बीच के एक छोटे अंतराल में जमा हुआ। यह कैसे हुआ, यह अब भी विवादित है। एक मॉडल में सागर बड़े पैमाने पर कट गया था और उसका स्तर लगभग $1500\,\mathrm{m}$ गिर गया, गहरी द्रोणियाँ नमक-झीलें बन गईं और नदियों ने सूखे किनारों में गहरी घाटियाँ काट दीं; अन्य में द्रोणी जुड़ी रही और भरी रही, एक विशाल पैमाने की अवरुद्ध द्रोणी। दोनों को किलोमीटरों नमक की व्याख्या करनी होगी, जो समुद्र के एक भराव से कभी नहीं मिल सकता।

22.6 अभ्यास

अभ्यास 22.1 ★

समुद्री जल जिसमें संदर्भ संघटन है, उसके प्रति किलोग्राम $35.165\,\mathrm{g}$ लवण है, जिसमें क्लोराइड, सोडियम, सल्फ़ेट और मैग्नीशियम के द्रव्यमान-अंश 0.5503, 0.3066, 0.0771 और 0.0365 हैं। समुद्री जल के एक किलोग्राम में हर आयन का द्रव्यमान परिकलित कीजिए, और वह भाग भी जो लवण का सोडियम और क्लोराइड मिलकर बनाते हैं।

हल

हल — अभ्यास 22.1.

क्लोराइड $0.5503\times35.165 = 19.35\,\mathrm{g}$; सोडियम $0.3066\times35.165 = 10.78\,\mathrm{g}$; सल्फ़ेट $2.711\,\mathrm{g}$; मैग्नीशियम $1.284\,\mathrm{g}$। सोडियम और क्लोराइड मिलकर $0.5503 + 0.3066 = 0.857$ हैं, यानी लवण का $85.7\,\%$।

अभ्यास 22.2 ★

कैल्शियम कार्बोनेट, जिप्सम, हैलाइट और मैग्नीशियम सल्फ़ेट समुद्री जल से तब अवक्षेपित होने लगते हैं जब वह 1.8, 3.8, 10.6 और 70 गुना सांद्र हो। हर एक के लिए, मूल पानी का कितना भाग बचा है और कितना पहले ही वाष्पित हो चुका है, परिकलित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 22.2.

बचा हुआ अंश $1/\mathrm{CF}$ है: कैल्शियम कार्बोनेट $1/1.8 = 0.556$ बचा, $44.4\,\%$ वाष्पित; जिप्सम $0.263$ बचा, $73.7\,\%$ वाष्पित; हैलाइट $0.094$ बचा, $90.6\,\%$ वाष्पित; मैग्नीशियम सल्फ़ेट $0.014$ बचा, $98.6\,\%$ वाष्पित।

अभ्यास 22.3 ★

एक्रोपोरा प्रवालों से प्रभुत्व वाली भित्तियों पर कार्बोनेट बजट $8.4\,\mathrm{kg}$ प्रति वर्ग मीटर और प्रति वर्ष $\ce{CaCO3}$ है, और भित्ति लगभग $4.2\,\mathrm{mm}$ प्रति वर्ष बढ़ती है। (क) प्रतिज्ञप्ति 22.2 से भित्ति का शुष्क थोक घनत्व परिकलित कीजिए। (ख) उसकी छिद्रता क्या है, यदि उसके कण ऐरागोनाइट के हों, जिनका घनत्व $2.93\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$ है? कैल्साइट के हों, जिनका घनत्व $2.71\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$ है? (ग) उसी थोक घनत्व पर, $3.7\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{yr}^{-1}$ के औसत बजट वाली भित्ति कितनी तेज़ी से बढ़ेगी?

हल

हल — अभ्यास 22.3.

(क) $\rho_s(1-\phi) = G/a = 8.4/0.0042 = 2000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$। (ख) ऐरागोनाइट के साथ, $1 - 2000/2930 = 0.32$, यानी $32\,\%$ छिद्रता; कैल्साइट के साथ, $1 - 2000/2710 = 0.26$। (ग) $a = 3.7/2000 = 1.85 \times 10^{-3}\,\mathrm{m}$, यानी प्रति वर्ष $1.85\,\mathrm{mm}$।

अभ्यास 22.4 ★

किसी महासागरीय क्षेत्र के समुद्र-तल की सतही तलछट में $\ce{CaCO3}$ का भार-प्रतिशत इतना है: $3000\,\mathrm{m}$ पर 88, $3500\,\mathrm{m}$ पर 85, $4000\,\mathrm{m}$ पर 80, $4300\,\mathrm{m}$ पर 62, $4500\,\mathrm{m}$ पर 35, $4700\,\mathrm{m}$ पर 12, $4800\,\mathrm{m}$ पर 6 और $5000\,\mathrm{m}$ पर 2। विधि 22.7 से लाइसोक्लाइन और CCD का पता लगाइए।

हल

हल — अभ्यास 22.4.

$4000\,\mathrm{m}$ तक मात्रा केवल धीरे गिरती है (88 से 80); $4000\,\mathrm{m}$ के नीचे वह तीव्रता से गिरती है: लाइसोक्लाइन लगभग $4000\,\mathrm{m}$ पर है। मात्रा $4700\,\mathrm{m}$ (12) और $4800\,\mathrm{m}$ (6) के बीच $10\,\%$ से गुज़रती है: $4700 + 100\times(12-10)/(12-6) = 4733\,\mathrm{m}$, यानी CCD लगभग $4730\,\mathrm{m}$ पर, लाइसोक्लाइन से लगभग $700\,\mathrm{m}$ नीचे।

अभ्यास 22.5 ★★

(क) कैल्शियम और हाइड्रोजन कार्बोनेट आयनों से कैल्शियम कार्बोनेट के अवक्षेपण का संतुलित समीकरण लिखिए, और बने प्रति किलोग्राम $\ce{CaCO3}$ पर निकली कार्बन डाइऑक्साइड का द्रव्यमान परिकलित कीजिए (मोलर द्रव्यमान $100.09\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$ और $44.01\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$)। (ख) $3.7\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{yr}^{-1}$ बजट वाली एक भित्ति इसी समीकरण से प्रति वर्ग मीटर और प्रति वर्ष कितनी कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ेगी? (ग) भित्ति, जो घुले कार्बन को चट्टान में बदलती है, कार्बन डाइऑक्साइड क्यों छोड़ती है?

हल

हल — अभ्यास 22.5.

(क) $\ce{Ca^2+ + 2 HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O}$: एक मोल $\ce{CO2}$ प्रति मोल $\ce{CaCO3}$, इसलिए $44.01/100.09 = 0.440\,\mathrm{kg}$ $\ce{CO2}$ प्रति किलोग्राम $\ce{CaCO3}$। (ख) $3.7\times0.440 = 1.63\,\mathrm{kg}$ $\ce{CO2}$ प्रति वर्ग मीटर और प्रति वर्ष। (ग) प्रयुक्त दो हाइड्रोजन कार्बोनेट आयनों में से केवल एक कार्बन खनिज में जाता है; दूसरा कार्बन डाइऑक्साइड के रूप में निकलता है। कैल्सीकरण पानी से क्षारकता निकालता है और उसकी घुले कार्बन को धारण करने की क्षमता घटाता है; कितना $\ce{CO2}$ वायु तक पहुँचता है, यह समुद्री जल की बफ़रिंग पर निर्भर है, जो रसायन-विज्ञान की पुस्तकों के कार्बोनेट साम्यों का विषय है।

अभ्यास 22.6 ★★

समुद्र-तल को गहराई $d = 2500 + 350\sqrt t$ पर लीजिए ($t$ दस लाख वर्षों में, मीटर में), जो अपने कटक से $25\,\mathrm{mm}$ प्रति वर्ष की अर्ध-दर पर फैलता है। (क) किस आयु पर और कटक-अक्ष से किस दूरी पर वह $4500\,\mathrm{m}$ के CCD को पार करता है? (ख) यही $5100\,\mathrm{m}$ के CCD के लिए, जैसा मध्य प्रशांत में है। (ग) $60\,\mathrm{Myr}$ पुराना तल हर स्थिति में कितने समय तक लाल मृत्तिका प्राप्त करता रहा होगा?

हल

हल — अभ्यास 22.6.

(क) $t_c = (2000/350)^2 = 32.7\,\mathrm{Myr}$; $25\,\mathrm{km}$ प्रति दस लाख वर्ष पर, $25\times32.7 = 816\,\mathrm{km}$ अक्ष से दूर। (ख) $t_c = (2600/350)^2 = 55.2\,\mathrm{Myr}$, $1380\,\mathrm{km}$। (ग) $60\,\mathrm{Myr}$ पुराने तल ने पहले मामले में $60 - 32.7 = 27.3\,\mathrm{Myr}$ तक लाल मृत्तिका पाई है, और दूसरे में केवल $60 - 55.2 = 4.8\,\mathrm{Myr}$ तक।

अभ्यास 22.7 ★★

एक भित्ति $4.2\,\mathrm{mm}$ प्रति वर्ष बढ़ती है। (क) क्या वह $3\,\mathrm{mm}$ प्रति वर्ष की सापेक्ष समुद्र-स्तर वृद्धि से तालमेल रख सकती है? (ख) जब सापेक्ष वृद्धि $10\,\mathrm{mm}$ प्रति वर्ष हो जाती है, तब उसका शीर्ष समुद्र से $2\,\mathrm{m}$ नीचे है। यदि उसके निर्माता $50\,\mathrm{m}$ से गहरे नहीं रह सकते, तो उसके डूबने में कितना समय लगेगा? (ग) वह वास्तव में पहले क्यों डूब सकती है?

हल

हल — अभ्यास 22.7.

(क) हाँ: $a = 4.2 > r = 3$, और भित्ति समुद्र पर $1.2\,\mathrm{mm}$ प्रति वर्ष लाभ करती है जब तक उसका शीर्ष सतह तक न पहुँचे। (ख) $D$ हर वर्ष $10 - 4.2 = 5.8\,\mathrm{mm}$ बढ़ता है; $2\,\mathrm{m}$ से $50\,\mathrm{m}$ तक जाने में $48/0.0058 = 8300$ वर्ष लगते हैं। (ग) क्योंकि जैसे-जैसे पानी गहरा होता है, उसकी वृद्धि दर घटती है: प्रवालों में रहने वाले और उन्हें पोषण देने वाले शैवालों तक कम प्रकाश पहुँचता है, इसलिए $a$ घटता है और भित्ति और तेज़ी से पिछड़ती जाती है।

अभ्यास 22.8 ★★

जिप्सम $\ce{CaSO4.2H2O}$ ($172.17\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$, घनत्व $2.30\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$), जो कुछ सौ मीटर तलछट से दबे होने पर अपना जल खोकर एनहाइड्राइट $\ce{CaSO4}$ ($136.14\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$, घनत्व $2.97\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$) बन जाता है। (क) अभिक्रिया लिखिए। (ख) दोनों खनिजों के मोलर आयतन और ठोस के आयतन का परिवर्तन परिकलित कीजिए। (ग) जिप्सम के द्रव्यमान का कितना भाग जल के रूप में निकलता है? इस जल के चट्टानों के आसपास क्या प्रभाव हो सकते हैं?

हल

हल — अभ्यास 22.8.

(क) अभिक्रिया है $\ce{CaSO4.2H2O -> CaSO4 + 2 H2O}$। (ख) मोलर आयतन हैं $172.17/2.30 = 74.9\,\mathrm{cm}^{3}$ और $136.14/2.97 = 45.8\,\mathrm{cm}^{3}$, इसलिए ठोस अपने आयतन का $1 - 45.8/74.9 = 38.8\,\%$ खोता है। (ग) $2\times18.02/172.17 = 0.209$: $20.9\,\%$ द्रव्यमान जल के रूप में निकलता है। गहराई पर निकला यह जल आसपास की चट्टानों में छिद्र-दाब बढ़ाता है; एक सील के नीचे वह चट्टानों को कमज़ोर कर सकता है और भ्रंशों को सरकने में मदद कर सकता है, और वह अन्य लवणों को घोल और ढो सकता है।

अभ्यास 22.9 ★★

विश्व महासागर के प्लवक हर वर्ष ओपल में 255 टेरामोल सिलिकॉन बनाते हैं, और 9.2 दबते हैं। (क) संरक्षित भाग और घुला हुआ भाग परिकलित कीजिए। (ख) सिलिसियस ऊज़ फिर भी क्यों बन सकता है, और कहाँ? (ग) तलछट में डायटम का अभिलेख पानी में रहने वाले डायटमों का एक पक्षपाती चित्र क्यों है?

हल

हल — अभ्यास 22.9.

(क) $9.2/255 = 3.6\,\%$ संरक्षित, $96.4\,\%$ घुला। (ख) जहाँ उत्पादन बहुत अधिक है, उसका कुछ प्रतिशत भी एक बड़ा प्रवाह है, और जहाँ थोड़ी मृत्तिका या कार्बोनेट उसे तनु करता है: दक्षिणी महासागर, उत्तरी प्रशांत और भूमध्यरेखीय प्रशांत के ऊपर उठते जल के नीचे, और CCD के नीचे। (ग) पतले, नाज़ुक फ़स्टूल पहले घुलते हैं और मज़बूत बचते हैं: तलछट सबसे कठोर प्रजातियों का चयन रखता है, उस समुदाय को नहीं जो पानी में रहता था।

अभ्यास 22.10 ★★★

क्षेत्रफल $10\,000\,\mathrm{km}^{2}$ की एक अवरुद्ध द्रोणी शुद्ध वाष्पन से हर वर्ष $1.5\,\mathrm{m}$ पानी खोती है। (क) हर वर्ष वाष्पित आयतन परिकलित कीजिए। (ख) प्रतिज्ञप्ति 22.12 से, जब जलसंधि के ऊपर अंतःप्रवाह $1.8 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$ प्रति वर्ष हो, और जब वह $1.575 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$ प्रति वर्ष हो, तब ब्राइन का सांद्रण गुणक परिकलित कीजिए। हर स्थिति में कौन से खनिज अवक्षेपित हो सकते हैं? (ग) किस अंतःप्रवाह तक द्रोणी हैलाइट जमा करती है?

हल

हल — अभ्यास 22.10.

(क) $EA = 1.5\times1 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{2} = 1.5 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$ प्रति वर्ष। (ख) $Q_{\mathrm{in}} = 1.8 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$, $Q_{\mathrm{out}} = 0.3 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$ और $k = 6$ के साथ: जिप्सम की देहली (3.8) से आगे, पर हैलाइट की (10.6) से नीचे, इसलिए कैल्शियम कार्बोनेट और जिप्सम अवक्षेपित होते हैं। $Q_{\mathrm{in}} = 1.575 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$, $Q_{\mathrm{out}} = 0.075 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$ और $k = 21$ के साथ, मैग्नीशियम जैसे एक आयन के लिए जो घोल में रहता है: ब्राइन हैलाइट की देहली पार करती है, इसलिए हैलाइट भी अवक्षेपित होता है, पर मैग्नीशियम लवण (70) नहीं। (ग) हैलाइट के लिए $Q_{\mathrm{in}}/(Q_{\mathrm{in}} - EA) \ge 10.6$ आवश्यक है, अर्थात् $Q_{\mathrm{in}} \le 10.6\,EA/9.6 = 1.104\,EA = 1.66 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$ प्रति वर्ष: अंतःप्रवाह वाष्पन से अधिक से अधिक लगभग एक-दसवाँ भाग हो सकता है।

अभ्यास 22.11 ★★★

समुद्री जल में प्रति किलोग्राम $0.0673\,\mathrm{g}$ ब्रोमाइड है। जब हैलाइट अवक्षेपित होता है, वह ब्रोमाइड को ब्राइन में उसकी सांद्रता के अनुपात में लेता है: हैलाइट में ब्रोमाइड की मात्रा ब्राइन की $D = 0.032$ गुना है। (क) जब ब्राइन समुद्री जल से 10.6 गुना सांद्र है, तब ब्राइन में ब्रोमाइड की मात्रा मिलीग्राम प्रति किलोग्राम में, और पहले हैलाइट में, परिकलित कीजिए। (ख) वही, जब ब्राइन 30 गुना तक पहुँच चुकी हो। (ग) हैलाइट ब्राइन से ब्रोमाइड को लगभग नहीं हटाता: क्यों? (घ) हैलाइट की एक मोटी परत में ब्रोमाइड की मात्रा ऊपर की ओर बढ़ती है, फिर अचानक नीचे गिर जाती है। द्रोणी के साथ क्या हुआ?

हल

हल — अभ्यास 22.11.

(क) समुद्री जल में प्रति किलोग्राम $67.3\,\mathrm{mg}$ ब्रोमाइड है; 10.6 गुना पर, ब्राइन में $67.3\times10.6 = 713\,\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}$ और पहले हैलाइट में $0.032\times713 = 22.8\,\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}$। (ख) 30 गुना पर, $67.3\times30 = 2019\,\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}$ ब्राइन में और हैलाइट में $64.6\,\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}$। (ग) हैलाइट ब्राइन की सांद्रता का केवल 3.2 सौवें भाग लेता है, इसलिए लगभग सारा ब्रोमाइड घोल में रहता है और पानी के वाष्पित होने के साथ सांद्र होता जाता है। (घ) वृद्धि ब्राइन की सांद्रता अंकित करती है; अचानक गिरावट उसके तनुकरण को अंकित करती है, द्रोणी में समुद्री जल के नए अंतःप्रवाह या ताज़े पानी द्वारा, इससे पहले कि हैलाइट बढ़ता रहे।

अभ्यास 22.12 ★★★

कटक की ढलान पर एक स्थान की गहराई $d = 2500 + 350\sqrt t$ है और वह अब $70\,\mathrm{Myr}$ पुराना है। मान लीजिए कैल्केरियस ऊज़ CCD के ऊपर हर हज़ार वर्ष में $2\,\mathrm{cm}$ और उसके नीचे लाल मृत्तिका हर हज़ार वर्ष में $1\,\mathrm{mm}$ जमा होती है, और संपीड़न की उपेक्षा कीजिए। (क) $4500\,\mathrm{m}$ के CCD के लिए स्थान पर ऊज़ और लाल मृत्तिका की मोटाई परिकलित कीजिए। (ख) वही, एक $500\,\mathrm{m}$ गहरे CCD के लिए, जैसा अटलांटिक में है। (ग) स्थान पर एक क्रोड में लाल मृत्तिका के भीतर ऊज़ की एक पतली परत दिखती है। इसकी दो संभव व्याख्याएँ दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 22.12.

(क) $t_c = 32.65\,\mathrm{Myr}$, इसलिए $0.02\times32\,650 = 653\,\mathrm{m}$ ऊज़ ($32\,650$ हज़ार-वर्षीय अंतराल, प्रत्येक $2\,\mathrm{cm}$ पर) और $0.001\times37\,350 = 37\,\mathrm{m}$ लाल मृत्तिका। (ख) $t_c = (2500/350)^2 = 51.0\,\mathrm{Myr}$: $1020\,\mathrm{m}$ ऊज़ और $19\,\mathrm{m}$ लाल मृत्तिका। गहरा CCD कहीं अधिक मोटा ऊज़ देता है, और गहरे अटलांटिक तल की लाल मृत्तिका उसी आयु के प्रशांत की तुलना में पतली है। (ग) CCD कुछ समय के लिए और गहरा रहा होगा, इसलिए स्थान उसके ऊपर फिर उठ गया; या प्लेट ने स्थान को एक उच्च उत्पादकता की पेटी के नीचे पहुँचाया, जैसे भूमध्य रेखा, जहाँ अधिक कार्बोनेट बरसा; या परत किसी ढलान-खिसकन या टर्बिडिटी धारा से समुद्र-तल के ऊँचे भाग से लाई गई।

22.7 समस्या: एक लुप्त सागर का नमक

समस्या 22.1

सप्ताहांत समस्या — एक नमक-द्रोणी बनाने में कितना समुद्री जल लगता है, और कितना समय

एक आंतरिक सागर, जिसका क्षेत्रफल $A = 1.0 \times 10^{5}\,\mathrm{km}^{2}$ है, $1000\,\mathrm{m}$ गहरा है, और एक उथली देहली पर एक जलसंधि से महासागर से जुड़ा है। उसका तल, अब दबा हुआ, $1.5\,\mathrm{km}$ हैलाइट लिए है। समुद्री जल के लिए घनत्व $1030\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ लीजिए, और अध्याय में परिकलित प्रति किलोग्राम जमा द्रव्यमान: $0.110\,\mathrm{g}$ $\ce{CaCO3}$, $1.581\,\mathrm{g}$ जिप्सम, $27.41\,\mathrm{g}$ हैलाइट और $6.34\,\mathrm{g}$ बिटर्न लवण; खनिजों के लिए घनत्व: कैल्साइट $2710\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, जिप्सम $2300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, एनहाइड्राइट $2970\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, हैलाइट $2170\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$। समुद्र को ऊर्ध्वाधर दीवारों वाला एक बक्सा मानिए।

भाग I — एक भराव।

1. समुद्री जल के एक वर्ग मीटर तल के ऊपर का द्रव्यमान, और उसमें रखे लवण का द्रव्यमान ($35.165\,\mathrm{g}\,\mathrm{kg}^{-1}$) परिकलित कीजिए।
2. जब सागर सूखने तक वाष्पित होता है, तब एक वर्ग मीटर पर जमा जिप्सम और हैलाइट का द्रव्यमान परिकलित कीजिए।
3. प्रतिज्ञप्ति 22.11 से कैल्शियम कार्बोनेट, जिप्सम और हैलाइट की मोटाई परिकलित कीजिए।
4. दबने पर जिप्सम एनहाइड्राइट बन जाता है। तब सल्फ़ेट परत की मोटाई क्या है?
5. सूखे नमक का कितना भाग हैलाइट है? एक सूखा हुआ सागर अधिकतर चट्टानी नमक क्यों होता है?
6. नीचे से ऊपर की ओर परतें किस क्रम में पड़ी हैं? क्यों?

भाग II — सागर सूखने के साथ ब्राइन।

7. ब्राइन की किस गहराई पर, बक्से में, कैल्शियम कार्बोनेट, जिप्सम और हैलाइट अवक्षेपित होने लगते हैं?
8. जब हैलाइट प्रकट होता है, तब पानी का कितना भाग वाष्पित हो चुका होता है?
9. मैग्नीशियम और पोटैशियम लवण किस ब्राइन-गहराई से नीचे अवक्षेपित होने लगते हैं?
10. हर चरण पर ब्राइन कितनी घनी है? ताज़े समुद्री जल के भीतर बहकर आने पर सांद्र ब्राइन के लिए इसका क्या अर्थ है?
11. द्रोणी के वाष्पनिक निक्षेप में कैल्शियम कार्बोनेट, पहला निक्षेप, अलग परत के रूप में शायद ही क्यों दिखता है?
12. एक भराव की हैलाइट परत के आधार से शिखर तक हैलाइट का ब्रोमाइड अंश क्यों बढ़ता है?

भाग III — कितने भराव?

13. सूखने तक हर बार वाष्पित होने वाले, द्रोणी के कितने भराव $1.5\,\mathrm{km}$ हैलाइट जमा करने के लिए चाहिए होंगे?
14. उसके साथ कितना एनहाइड्राइट होगा, और खंड में वह कैसे वितरित होगा?
15. यदि सभी बिटर्न लवण रखे जाएँ, औसत घनत्व $2000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ लेकर, तो उनकी मोटाई क्या होगी? वे इतनी बार क्यों गायब मिलते हैं?
16. हैलाइट का ब्रोमाइड अंश हर पुनर्भराव को कैसे दर्ज करेगा?
17. मेसीनियन वाष्पनिक निक्षेप $2\,\mathrm{km}$ तक पहुँचते हैं। यदि वे सभी हैलाइट हों, तो $1000\,\mathrm{m}$ के सागर के कितने भराव उनके हैलाइट के लिए चाहिए होंगे?

भाग IV — प्रवाह और समय।

18. समुद्री जल $5000\,\mathrm{m}^{3}\,\mathrm{s}^{-1}$ पर देहली के ऊपर से बहता है और कोई ब्राइन बाहर नहीं बहती; स्तर स्थिर रहता है। सागर पर शुद्ध वाष्पन दर मीटर प्रति वर्ष में परिकलित कीजिए (एक वर्ष $365.25$ दिनों का)।
19. हर वर्ष सागर में प्रवेश करने वाले नमक का द्रव्यमान परिकलित कीजिए।
20. यदि उसका सारा हैलाइट तल पर समान रूप से जमा हो, तो हर वर्ष हैलाइट की कितनी मोटी परत बनती है?
21. $1.5\,\mathrm{km}$ हैलाइट बनने में कितना समय लगता है?
22. जलसंधि बंद हो जाती है। यदि वाष्पन दर वही रहे, तो स्तर कितनी तेज़ी से गिरता है, और सागर के सूखने में कितना समय लगता है?
23. बंद होने के बाद कितने समय पर हैलाइट अवक्षेपित होने लगता है?
24. निकटतम पूर्णांक तक, उसके नमक के लिए द्रोणी के कितने भराव चाहिए थे?

हल

हल — समस्या 22.1.

1. $1030\times1000 = 1.03 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}$ समुद्री जल का, जिसमें $1.03\times10^6\times0.035165 = 36\,200\,\mathrm{kg}$ लवण है।

2. जिप्सम $1.03\times10^6\times1.581\times10^{-3} = 1628\,\mathrm{kg}$; हैलाइट $1.03\times10^6\times0.02741 = 28\,230\,\mathrm{kg}$।

3. कैल्शियम कार्बोनेट $113.3/2710 = 0.042\,\mathrm{m}$; जिप्सम $1628/2300 = 0.71\,\mathrm{m}$; हैलाइट $28230/2170 = 13.0\,\mathrm{m}$।

4. एनहाइड्राइट का द्रव्यमान $1628\times136.14/172.17 = 1288\,\mathrm{kg}$ है और मोटाई $1288/2970 = 0.43\,\mathrm{m}$।

5. सूखा नमक $0.110 + 1.250 + 27.41 + 6.34 = 35.11\,\mathrm{g}$ प्रति किलोग्राम है, जिसमें हैलाइट $27.41/35.11 = 78\,\%$ है: सोडियम और क्लोराइड अधिकांश घुले लवण बनाते हैं, और हैलाइट लगभग सब कुछ ले लेता है।

6. नीचे से ऊपर: कैल्शियम कार्बोनेट, जिप्सम, हैलाइट, बिटर्न लवण। हर खनिज तब अवक्षेपित होना शुरू करता है जब ब्राइन उसकी संतृप्ति तक पहुँचती है, सबसे कम विलेय पहले, और पहले जमे हुए पर बैठता है।

7. ब्राइन की गहराई $1000/\mathrm{CF}$ है: कैल्शियम कार्बोनेट के लिए $556\,\mathrm{m}$, जिप्सम के लिए $263\,\mathrm{m}$, हैलाइट के लिए $94\,\mathrm{m}$।

8. $1 - 1/10.6 = 90.6\,\%$।

9. मैग्नीशियम सल्फ़ेट के लिए $1000/70 = 14\,\mathrm{m}$, पोटैशियम लवणों के लिए $1000/90 = 11\,\mathrm{m}$।

10. कैल्शियम कार्बोनेट बनने पर लगभग $1.10\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$, जिप्सम के साथ 1.13, हैलाइट के साथ 1.22 और बिटर्न लवणों के साथ 1.30 से अधिक, समुद्री जल के 1.03 के मुकाबले। भीतर बहता समुद्री जल सघन ब्राइन पर तैरता है, जो तल पर रहती है; अवरुद्ध द्रोणी में ब्राइन अंतःप्रवाह के नीचे महासागर को लौट सकती है।

11. वह केवल $4\,\mathrm{cm}$ मोटी है, $13\,\mathrm{m}$ हैलाइट के मुकाबले; और वह किनारों पर बनती है, जहाँ आने वाला पानी पहले सांद्र होता है, केंद्र से अधिक, इसलिए वह जिप्सम के आधार में मिल जाती है या उसकी जगह ले लेती है।

12. हैलाइट ब्राइन के ब्रोमाइड का केवल छोटा भाग लेता है (अभ्यास 22.11), इसलिए हैलाइट बढ़ने के साथ ब्राइन ब्रोमाइड में और समृद्ध होती है, और हैलाइट की हर नई परत और अधिक लेती है।

13. $1500/13.01 = 115.3$: 116 भराव।

14. $116\times0.434 = 50\,\mathrm{m}$ एनहाइड्राइट, एक परत के रूप में नहीं बल्कि 116 परतों के रूप में, हर एक आधा मीटर से कुछ कम मोटी, अपने भराव की हैलाइट के आधार पर: एनहाइड्राइट और हैलाइट का एक चक्रीय अनुक्रम।

15. प्रति भराव, $1.03\times10^6\times6.34\times10^{-3}/2000 = 3.3\,\mathrm{m}$, इसलिए 116 भरावों के लिए $379\,\mathrm{m}$। वे सबसे विलेय लवण हैं: समुद्री जल का अगला अंतःप्रवाह उन्हें फिर से घोल देता है, और वह द्रोणी जिसकी ब्राइन अंत से पहले बह जाती है, उन तक कभी नहीं पहुँचती।

16. हर पुनर्भराव पर ब्राइन तनु होती है: नई हैलाइट के आधार पर ब्रोमाइड की मात्रा तेज़ी से गिरती है और ऊपर की ओर फिर बढ़ती है, एक आरी-दाँत जैसी रूपरेखा, हर भराव के लिए एक दाँत।

17. $2000/13.01 = 154$ भराव।

18. $5000\times365.25\times86400 = 1.578 \times 10^{11}\,\mathrm{m}^{3}$ प्रति वर्ष, जो $1.0 \times 10^{11}\,\mathrm{m}^{2}$ पर फैला है: $E = 1.58\,\mathrm{m}$ प्रति वर्ष।

19. $1.578\times10^{11}\times1030\times0.035165 = 5.72 \times 10^{12}\,\mathrm{kg}$ लवण प्रति वर्ष।

20. $1.578\times10^{11}\times1030\times0.02741/2170 = 2.05 \times 10^{9}\,\mathrm{m}^{3}$ हैलाइट प्रति वर्ष, यानी $0.0205\,\mathrm{m}$, तल पर लगभग $2\,\mathrm{cm}$ प्रति वर्ष।

21. $1500/0.0205 = 73\,000$ वर्ष।

22. स्तर $1.58\,\mathrm{m}$ प्रति वर्ष गिरता है; $1000\,\mathrm{m}$ पानी $1000/1.578 = 634$ वर्षों में चला जाता है।

23. हैलाइट तब प्रकट होता है जब पानी का $90.6\,\%$ जा चुका हो, $905.7/1.578 = 574$ वर्ष बाद।

24. $1.5\,\mathrm{km}$ हैलाइट में द्रोणी के 116 भरावों का नमक लगा (115.3, ऊपर की ओर पूर्णांकित), चाहे वे एक के बाद एक आए हों जब द्रोणी सूखती और फिर भरती थी, या देहली के ऊपर से लगातार, जैसा प्रश्न 21 में है, समुद्री जल की एक द्रोणी हर $1000/1.578 = 634$ वर्ष में।