
- •С.А. Герус
- •Предисловие
- •Глава I. Введение в геохимию.
- •§1. Предмет, история и методология геохимии
- •§2. История геохимии
- •§ 2. Распространённость химических элементов в оболочках Земли.
- •§ 3. Геохимия планет земной группы и космохимия.
- •§ 4. Факторы и общие характеристики миграции элементов.
- •§ 5. Механическая миграция (механогенез).
- •Глава 2. Физико-химическая миграция.
- •§ 6. Общие закономерности физико-химической миграции.
- •§ 7. Миграция газов.
- •§ 8.Общие закономерности водной миграции.
- •§ 9. Магматические и гипергенные физико-химические системы.
- •Глава 3. Биогенная миграция.
- •§ 10.Общие особенности биогенной миграции.
- •§ II. Геохимия ископаемых органических веществ, биологические системы.
- •§ 12. Геохимия биокосных систем.
- •Глава 4.Техногенная миграция.
- •§13. Характеристика техногенной миграции.
- •Глава 5. Геохимия отдельных элементов.
- •§ 14. Геохимия элементов I группы.
- •§ 15. Геохимия элементов II группы.
- •§ 16. Геохимия элементов III группы.
- •§ 14. Г.Какие принципы положены в основу геохимической классификации элементов?
- •§ 15. I.Охарактеризуйте геохимию отдельных элементов II группы.
- •§ 16. I. Охарактеризуйте геохимию нескольких контрактных элементов Периодической системы д.И. Менделеева.
- •§ 14. Г.Какие принципы положены в основу геохимической классификации элементов?
- •§ 15. I.Охарактеризуйте геохимию отдельных элементов II группы.
- •§ 16. I. Охарактеризуйте геохимию нескольких контрактных элементов Периодической системы д.И. Менделеева.
§ 12. Геохимия биокосных систем.
I. Общие особенности геохимии биокосных систем.
Во второй половине XIX века В.В. Докучаев открыл новый класс природных систем, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно между собой связаны, взаимообусловлены и образуют единое целое. Такие системы он назвал почвами. Открытие Докучаева привело к развитию новой естественноисторической науки о Земле - почвоведения. Развивая идеи своего учителя, В.И. Вернадский сформулировал понятие о биокосных системах («телах» по Вернадскому). Биокосные естественные тела характерны для биосферы, они сострят из косных и живых тел (например, почвы), их физико-химические свойства иногда требуют больших поправок, если при исследовании не учтено проявление живого вещества.
Геохимическое своеобразие биокосных систем определяется сочетанием биогенной, физико-химической и механической миграций. Системы различаются по уровням организации: к более низкому относятся почвы, илы, коры выветривания, водоносные горизонты, к более высокому - ландшафты, к ещё более высокому - артезианские бассейны, моря и океаны и к самому высокому - биосфера в целом.
Биокосные системы имеют много общих черт. Так, десульфуризация протекает и в почвах, и в водоносных горизонтах, и в морской воде (в Чёрном море, фиордах Норвегии). То же можно сказать об оглении, окислении сульфидов, засолении, огипсовании, карбонатизации и многих других процессах. Во всех биокосных системах литосферы происходит взаимодействие горных пород с природными водами в близких термодинамических условиях. Это определяет некоторые общие особенности физико-химической миграции, которая складывается из двух противоположных процессов - выветривания и цементации. Миграция элементов при выветривании в свою очередь складывается из противоположных процессов: выщелачивания из пород и минералов водных (Ca, Mg, K, Na и др.) и присоединения воздушных (в первую очередь O2, H2O, CO2) мигрантов. Выветривание протекает в почвах, илах, корах выветривания, водоносных горизонтах.
Для другой группы процессов - цементации, наиболее характерны аккумуляция водных мигрантов на геохимических барьерах, уменьшение пористости и увеличение объёмной массы пород. В результате образуются конкреции, плотные горизонты ожелезнённых, карбонатизированных, огипсованных песчаников.
Выветривание и цементация - разные стороны единого процесса миграции: первый порождает второй. В каждой биокосной системе литосферы развиваются оба процесса, однако соотношение между ними неодинаково. Выветривание особенно широко развито в почвах, где почти все первичные минералы неустойчивы. В коре выветривания также преобладает выветривание, хотя наблюдается и цементация в результате образования щелочных и других барьеров с накоплением и других соединений. В водоносных горизонтах, особенно глубоких, выветривание выражено слабее, иногда его называют глубинным выветриванием.
Все биокосные системы литосферы богаты свободной энергией и неравновесны, дифференцированы в пространстве (разделяются на горизонты), в них формируется окислительно-восстановительная и щёлочно-кислотная зональность. Геохимическая систематика этих систем имеет много общего. Изучение геохимии биокосных систем привело к становлению геохимии почв, коры выветривания, осадочных пород подземных вод (гидрогеохимии), ландшафта, поверхностных вод (гидрохимии).
2. Геохимия почв.
Геохимические идеи проникли в почвоведение в начале.XX века. Основоположниками геохимии почв были В.И. Вернадский и К.К. Гедройц. Почва - верхний горизонт литосферы, вовлечённый в биологический круговорот при участии растений, животных и микроорганизмов, область наивысшей геохимической, энергии живого вещества. Именно в почвах наиболее сосредоточена геологическая работа живого вещества; именно в почвах готовится тот материал континентальных и морских отложений, из которого в дальнейшем образуются новые породы. Но в то же время в почвах сосредоточены и те процессы, совокупность которых обусловливает эволюцию органического мира. Здесь разыгрываются многообразные формы борьбы за существование и приспособления организмов к изменякщимся условиям их жизни, создаются многообразные сообщества (биоценозы) и формируются новые виды многочисленных низших организмов и высших растений.
Геохимическая сущность почвообразования заключается в разложении органических веществ микроорганизмами. Эти процессы интенсивны во влажных тропиках, слабы в тундре. Разлагая остатки растений и животных, микроорганизмы поставляют в почву растворы органические кислоты и другие химические высокоактивные соединения. Чем больше разлагается органического вещества, тем богаче почва химически работоспособной энергией, тем дальше она от равновесия. Почвы - это особо неравновесные, чрезвычайно динамичные биокосные системы.
Корни растений, как насос, «перекачивают» элементы из нижних горизонтов почвы в верхние. Это относится к P, S, Ca, K, многим микроэлементам. В результате такой биогенной аккумуляции создаётся возможность обогащения этими элементами верхних горизонтов почв, улучшения среды существования растений. Биогенное накопление Be, Co, Ni, Zn, Ge, As, Cd, Sn и других редких элементов в гумусовом горизонте лесной почвы впервые обнаружил в 30-х годах В.М. Гольдшмидт. Позднее эти явления были установлены и в других почвах. Поглощая катионы, корни выделяют H+, а поглощая анионы – ОН-. Возможно, что в результате минерального питания растений в почву непрерывно поступает H+ - важный фактор выветривания.
Наряду с биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх, в почвах наблюдается и нисходящая миграция водных растворов. Поэтому реальное распределение элементов в почвах определяется не только биогенной аккумуляцией, но и выщелачиванием. В результате почва расчленяется на горизонты с особыми физико-химическими условиями. Имеются почвы, в которых верхний горизонт кислый, нижний - щелочной, в верхнем горизонте господствует окислительная среда, в нижнем - восстановительная и т.д.
Таким образом, почвообразование приводит к дифференциации элементов - однородная горная порода превращается в неоднородный почвенный профиль со многими горизонтами. Поэтому в почве накапливается не только энергия, но и информация.
Разложение органических веществ - это окислительно-восстановительный процесс, так как C, H и другие элементы, входящие в состав органических соединении, при их разложении окисляются до простых минеральных соединений, а главный окислитель O2 восстанавливается. Окислителями и восстановителями могут быть и Fe, Mn и другие элементы, но суть процесса от этого не меняется. С геохимических позиций сущность почвообразования состоит в окислительно-восстановительных реакциях. Поэтому и главные различия между почвами связаны с этими реакциями. Для всех почв характерна окислительно-восстановительная зональность, которая наиболее наглядна, когда в почве окислительная обстановка сменяется восстановительной, - глеевой или сероводородной.
Геохимический анализ почвообразования позволяет выделить три основных ряда почв. Почвы первого ряда - с окислительной обстановкой. Они образуются там, где атмосферный воздух легко проникает в почву, где глубоко залегают грунтовые воды. Это горные почвы, многие водораздельные почвы равнин. К ним относятся чернозёмы, краснозёмы, каштановые почвы, бурозёмы, большинство почв пустынь и т.д. Почвы второго ряда - с глеевой обстановкой распространены на заболоченных равнинах в районах влажного климата. В глеевых почвах часто содержится растворимое органическое вещество, в том числе различные органические кислоты, которые образуются при неполном окислении растительных остатков. Почвы третьего рода - с восстановительной сероводородной обстановкой распространены не столь широко. К ним относятся многие солончаки и некоторые другие почвы. В пределах рядов выделяются чернозёмные, подзолистые, бурые лесные, коричневые, серозёмные, краснозёмные и другие типы почв. Размещение их подчиняется климатической зональности. Типы почв – это, прежде всего, типы разложения органических веществ, типы биогенной аккумуляции химических элементов, типы окислительновосстановительной зональности.
3. Илы.
В.И. Вернадский писал, что ил - это природное тело, аналогичное почве, где гидросфера занимает место атмосферы. Как и почвы, илы - неравновесные динамические биокосные системы, богатые свободной энергией. Сущность илообразования заключается в разложений органических веществ, в окислительно-восстановительных реакциях. И для илов характерен профиль, расчленяющийся на горизонты, окислительно-восстановительная зональность, геохимические барьеры. Однако в отличие от почв илы растут снизу вверх и, следовательно, не имеют «материнской природы». Для них характерно, постоянное увлажнение. В образовании илов, как правило, не принимают участие, высшие растения. Всё это определяет меньшее разнообразие илов, их большую однородность в пространстве. Выделяют три ряда илов. Окислительные илы образуются в океанах, морях, озёрах и реках - всюду, где господствуют кислородные воды, создаются условия для перемешивания вод. В морях и океанах окислительная среда характерна для. прибрежных песков, зоны волнений, а также для больших глубин, где мало органических остатков, а холодная вода богата растворённым O2. Около 50% дна Тихoro океана покрыто красной глубоководной глиной, которая осаждается на глубинах более 4500 м с очень малой скоростью (за 1000 лет образуется лишь несколько миллиметров ила). Окислительные илы имеют преимущественно жёлтую, бурую, красную окраску, обусловленную гидроксидом трёхвалентного железа.
Глеевые илы особенно характерны для озёр районов влажного климата. Здесь разлагается много органического вещества, сульфатов в водах мало. В результате развивается глеевая обстановка, Fe3+, Mn4+ восстанавливаются, илы приобретают сизую, зеленоватую, серую окраску. В глеевых илах не хватает O2 для окисления органических веществ, их разложение замедляется. В лесной зоне постепенно на дне накапливается «гнилой озёрный ил». Он богат органическими соединениями (до 29%), среди которых обнаружены витамины и другие биологически активные вещества. Он используется как удобрение, подкормка для животных (белок, витамин В12), как лечебная грязь.
Сероводородные (сульфидные) илы широко распространены в морях и океанах, озёрах степей и пустынь, где преобладают сульфатные воды, развивается десульфуризация, продуцируется HgS, образуются сульфиды железа. Илы имеют серый, чёрный и синеватый цвет (за счёт сульфидов). Сульфидные илы солёных озёр степей и пустынь представляют большую ценность в бальнеологическом отношении и используются как лечебные грязи. Процессы превращения ила (осадка) в осадочную породу называются диагенезом.
4. Коры выветривания.
Корой выветривания, или элювием, называются рыхлые продукты изменения горных пород, образующиеся под почвой за счёт поступающих из неё растворов. От почвы кора выветривания отличается отсутствием биогенной аккумуляции элементов под влиянием растений. По остальным признакам кора выветривания близка к почве. Как и для почвы, для неё характерны инфильтрация атмосферных осадков, выщелачивание растворимых соединений, выветривание первичных силикатов с образованием глинистых минералов, формированиепрофшга, расчленённого на горизонты, окислительно-восстановительная и щёлочно-кислотная зональность, геохимические барьеры.
Биокосная природа коры выветривания проявляется в деятельности микроорганизмов, окисляющих органические соединения, поступающие из почвы. Наиболее благоприятные условия для формирования коры выветривания создаются во влажном и жарком климате при равнинном или холмистом рельефе и спокойном тектоническом режиме. В этом случае её мощность может достигать нескольких десятков, а по трещинам и зонам дробления - сотен метров. В сухом климате мощность элювия не превышает нескольких метров.
Поведение элементов в коре выветривания определяется их химическими свойствами, типом ландшафта и особенностями пород. Минералы не одинаковы по податливости к выветриванию, и это во многом определяет различную интенсивность миграции элементов. Так, если U входит в состав трудноразрушаемого циркона, его миграционная особенность низкая, если в состав урановых черней - высокая.
Для коры выветривания характерны процессы окисления. Fe, Mn и S в изверженных породах в основном находятся в форме Fe3+, Mn4+, S6+. Не менее характерны и процессы гидротации: почти все вторичные минералы содержат воду (гидратнуга, кристаллизационную и др.), в то время как в большей части первичных минералов её нет. 3 районах с засушливым климатом образуются карбонаты (СаСО3).
Классы коры выветривания в общем аналогичны классам почв и илов (окислительный и глеевый ряды, а для нижних горизонтов – сероводородный). Классы коры выветривания вы общем аналогичны классам и илов (окислительный и глеевый ряды, а для нижних горизонтов – сероводородный).
5. Биосфера.
Элементы современной концепции биосферы были развиты в начале XIX века Ж.Б. Ламарком. Затем выделили в качестве самостоятельной оболочки Земли биосферу - сферу жизни (наряду с атмосферой, гидросферой и литосферой).
Биосфера - сложная динамическая система с огромным числом случайных факторов и вероятностным характером многих процессов. В её состав входит тропосфера. Мировой, океан, литосфере до слоёв с температурой, ограничивающей деятельность бактерий.
В формировании биосферы несомненна роль солнечной энергии, поднятий и опусканий земной коры, горообразования, ледников и других внешних факторов. Все они приводят в движение мощные внутренние механизмы биосферы, которая развивается по специфическим законам. Главный механизм, определяющий единство и целостность биосферы, - биологический круговорот атомов. Большую роль играет и круговорот воды.
Биосфера представляет собой гигантский «химический комбинат», на котором из смеси веществ (изверженные породы, морская вода и т.д.) получаются простые и чистые соединения, состоящие порой из двух-трёх главных элементов. Продукцией этого «комбината» являются и целые горы поваренной соли, образованной из двух элементов - Na и Cl - и толщи известняков (Ca, C, O), латериты (Fe, Al, O, H) и т.д. Следовательно, поступление в биосферу солнечной энергии и её преобразование в энергию геохимических процессов приводит к дифференциации химических элементов, росту разнообразия, накоплению информации, уменьшению энтропии.
Биосфера чрезвычайно разнообразна. Что же позволяет рассматривать атмосферу, почву, океан и другие природные системы как части единого целого? Существуют ли «сквозные» природные процессы, характерные для всех частей биосферы? Таким процессом является разложение органических веществ. Действительно, и в организмах, и в почвах, и в илах, и в поверхностных водах, и в глубоких водоносных горизонтах происходит разложение органических веществ, выделение аккумулированной в них солнечной энергии. В результате в окружающую среду поступает химическая энергия, носителями которой по преимуществу являются природные воды. Отсюда понятно геохимическое сходство почв, илов, коры выветривания, водоносных горизонтов и поверхностных вод. Все эти биокосные системы характеризуются одинаковыми или близкими термодинамическими условиями – температурой и давлением, в них развивается биологический, круговорот, основной средой миграции служит вода. По существу, во всех случаях классифицируют одно и то же образование -г природные воды в их различных формах. Поэтому, отмечая существование в биосфере отдельных биокосных систем, необходимо учитывать не только их различия, но и то общее, что их объединяет в одну категорию природных образований.
Большой научный и практический интерес представляет вопрос о центре биосферы, то есть такой её части, которая играет ведущую роль, определяет своеобразие биосферы в целом, «управляет» этой сложной системой. Таким центром являются ландшафты суши, а точнее – лесные ландшафты. Это объясняется тем, что именно здесь сосредоточена основная масса живого вещества планеты – главного геохимического агента биосферы. Именно в ландшафтах протекают процессы разложения органических веществ, формирующие химический состав поверхностных и грунтовых вод. Сток этих вод оказывает глубокое влияние на процессы, протекающие в морях и океанах. Ландшафт – это «клеточка биосферы», для которой характерны основные особенности этой системы. Возможно, что к центру биосферы следует отнести и верхние горизонты океана, где протекает фотосинтез.
Вопросы для самостоятельной работы.
§ 10.
1. Чем отличается концепция Вернадского о геологической роли организмов от ранее тлевшихся представлений?
2. Дайте определение понятию «живое вещество», чем оно отличается от «живого существа»?
3. Охарактеризуйте фотосинтез с геохимических, позиций.
4. Каковы закономерности кларков живого вещества?
5. Геохимическая роль хемосинтеза.
6. Каково значение процессов разложения органических веществ для формирования химического состава поверхностных и подземных вод на материках?
7. В чём состоит сероводородная функция бактерий?
8. Обоснуйте, почему разложение органических веществ - процесс энтропийный.
§ 11.
1. Что является предметом органической геохимии, каково практическое значение геохимии нефти, угля?
2. Охарактеризуйте биологический круговорот элементов.
3. В чём заключается окислительно-восстановительная зональность биокосных систем?
4.Дайте определение «закону Вернадского».
5. Охарактеризуйте геохимический аспект изучения биологических систем.
§ 12.
1. Что такое биокосная система, приведите примеры, кто ввёл в науку это понятие и когда?
2. Что такое биогенное накопление элементов в почвах?
3. Что общего в геохимии почв, илов и коры выветривания, в чём отличия?
4. Дайте определение понятию «биосфера», охарактеризуйте её важнейшие геохимические особенности.
5. Какие процессы в биосфере характерны для всех её частей?
6. Что понимают под центром биосферы?
7. Каково значение геохимии ландшафта для изучения биосферы?