§ 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?