2.3.3.Круговорот фосфора

Фосфор - достаточно редкий элемент. Фосфор встречается лишь в немногих химических соединениях. Он циркулирует, переходя из органики в фосфаты, которые могут затем использоваться растениями (рисунок 2.5).

Фосфор является необходимым компонентом нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), выполняющих в биосистемах функции, связанные с записью, хранением и чтением информации о строении организма. Относительное количество фосфора, требуемое живым организмам, гораздо выше, чем относительное содержание его в тех источниках, откуда организмы черпают необходимые им элементы. То есть дефицит фосфора в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем дефицит любого другого вещества, за исключением воды.

Особенность круговорота фосфора в том, что в нем отсутствует газообразная фаза. То есть основным резервуаром фосфора является не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые эпохи. Породы эти подвергаются эрозии, высвобождая фосфаты в экосистемы. После неоднократного потребления его организмами суши и моря фосфор в конечном итоге выводится в донные осадки. Это грозит дефицитом фосфора. В прошлом морские птицы, по-видимому, возвращали фосфор в круговорот. Сейчас основным поставщиком фосфора является человек, вылавливая большое количество морской рыбы, а также перерабатывающий донные отложения в фосфаты.

Рисунок 2.5. Круговорот фосфора

2.3.4.Круговорот серы

Круговорот серы осуществляется через воздух, воду и почву (рисунок 2.6). Сульфат-ион SO₄^2- аналогично нитрату и фосфату - основная доступная форма серы, которая усваивается растениями и включается в белки. Сера является элементом, необходимым для синтеза многих белков. Для фито-и зоомасс ландшафтов требуется очень мало серы.

Основными источниками поступления соединений серы в биосферу являются вулканы, разложение органики, разложение серосодержащих руд и минералов, а также производственная деятельность человека (сжигание угля и серосодержащих углеводородов).

Рисунок 2.6. Круговорот серы

2.4.Процессы выветривания в природных ландшафтах

Выветривание - процесс механического разрушения и химического изменения горных пород и минералов на земной поверхности и в самых верхних частях земной коры под воздействием:

• различных атмосферных агентов (атмосферных осадков, ветра, колебаний температуры воздуха, воздействия на породы атмосферного кислорода и др.);

• грунтовых и поверхностных вод;

• жизнедеятельности растительных и животных организмов и продуктов их разложения.

Различают физическое и химическое выветривания, а также биологическое выветривание, которое сводится обычно к физическому и химическому воздействию организмов на горные породы.

Кора выветривания, континентальная геологическая формация, образующаяся на земной поверхности в результате выветривания горных пород.

Продукты изменения, оставшиеся на месте своего первичного залегания, называют остаточной корой выветривания, а перемещенные на небольшое расстояние, но не потерявшие связи с материнской породой - переотложенной корой выветривания.

В состав магматических и метаморфических горных пород входит большое количество разнообразных первичных минералов, но сравнительно немногие из них являются породообразующими, т.е. составляют основную массу пород и широко распространены. Именно породообразующие минералы являются источником поступления в ландшафт химических элементов в процессе выветривания и тем первичным материалом из которого образуются вторичные минералы осадочных пород, рыхлых отложений и педомасс (почв) ландшафта.

По химическому составу большинство породообразующих минералов представлены оксидами и силикатами.

Кварц SiO₂ – один из самых распространенных минералов изверженных пород (гранит – 70,18%, гранодиорит -65,1%, дунит – 40,5%), в состав которого входят два наиболее распространенных химических элемента литосферы – кислород и кремний.

Гематит Fe₂O₃ и рутил TiO₂ распространены в меньшей степени. На долю Fe₂O₃ в изверженных породах приходится от 1,5 до 3,8%, на долю рутила – до 1,5%.

К группе силикатов относятся очень широко распространенные минералы - полевые шпаты. Полевые шпаты делятся на кислые (соотношение SiO₂/Al₂O₃ = 5-6) и основные (соотношение SiO₂/Al₂O₃ = 2-3).

Кислые полевые шпата содержат в основном калий и натрий. К ним относятся ортоклаз и микроклин (K[AlSi₃O₈]) и альбит (Na[AlSi₃O₈]).

К основным полевым шпатам относится кальциевый полевой шпат – анортит Сa[Al₂Si₂O₈]).

К группе алюмосиликатов принадлежат также слюды – мусковит KAl₂[AlSi₃O₁₀][OH]₂, биотит K(Mg,Fe)₃[AlSiO₁₀][OH]₂.

Среднее содержание слюд в изверженных минералах составляет 4 - 5%.

Следующую группу силикатов составляют пироксены и амфибиолы, к которым относятся широко распространенные минералы – авгит и роговая обманка.

К группе силикатов принадлежит и широко распространенный минерал изверженных пород – оливин (Mg,Fe)[SiO₄].

Кроме оксидов и силикатов к числу первичных минералов относятся апатит Ca₅(Cl,F)(PO₄)₃ и пирит (марказит) FeS₂. Они встречаются в породах в рассеянном состоянии и их содержание не превышает 0,3 – 0,5%.

В изверженных породах в значительно меньших количествах встречаются аксессорные минералы – циркон ZrO₂SiO₂ , ильменит FeTiO₃ , сфен CaTiSiO₅, плавиковый шпат CaF₂, эпидот Ca₂(AlFe³⁺)Al₂[O(OH)SiO₄(Si₂O₇)] .

Физическое разрушение (физическое выветривание) горных пород на земной поверхности вызвано главным образом температурным фактором – периодическим их нагреванием и охлаждение (суточные, сезонные изменения температуры). Коэффициент температурного расширения разных минералов (и даже одного минерала по разным кристаллоптическим осям) неодинаков. Различия в расширении и сжатии усиливается разной теплоемкостью минералов. Неравномерное расширение и сжатие приводит к деформации зерен минералов и образованию микротрещин. Попадающая в трещины вода усиливает процесс механического разрушения пород (капиллярное давление, давление льда при замерзании воды).

Одновременно с физическим разрушением начинается химическое изменение горных пород. Атмосферная вода, насыщенная кислородом, контактируя с породой, вызывает гидратацию, окисление и растворение ряда минералов. Резко усиливает химическое выветривание деятельность живых организмов. Попадающая с вводов на поверхность породы и в микротрещины разнообразная микрофлора (синезеленые и диатомовые водоросли, грибы, бактерии) и поселяющиеся на поверхности породы лишайники и мхи в процессе своей жизнедеятельности и разложения отмерших остатков образуют углекислый газ и органические кислоты. Растворение углекислого газа и органических кислот в воде приводит к образованию угольной кислоты, усиливающей химическое воздействие воды на минералы вследствие увеличения концентрации ионов водорода.

Таким образом, агентами биохимического выветривания минералов являются:

• вода;

• кислород;

• угольная кислота;

• органические кислоты.

Чем больше физическое выветривание пород, тем большая поверхность минералов подвергается воздействию агентов биохимического выветривания.

В процессе выветривания различные промежуточные и конечные продукты разложения могут растворяться и выноситься приповерхностными водами. Их миграция осуществляется в виде взвесей, коллоидных и истинных растворов.

Биохимическое выветривание сводится в конечном итоге к процессам гидратации, окисления и гидролиза первичных минералов, вследствие чего, изменяется их химический состав и образуются новые (вторичные) минеральные образования.

Гидратация заключается в присоединении к безводным минералам молекул воды и превращению их в гидраты. Наиболее обычны процессы гидратации минеральных оксидов:

Fe₂O₃ +H₂O2FeO(OH) + H₂O  Fe₂O(OH) + n H₂O  2Fe(OH)₃ nH₂O

гематит

гетит

гидрогетит

лимонит

Окисление обычно характерно для сульфидов (пирит), которые при выветривании легко окисляются с образованием свободной серной кислоты:

FeS₂ +7O₂ + 2H₂O  2FeSO₄ + 2H₂SO₄

FeSO₄ + O₂ + H₂O  Fe(OH)₃ + H₂SO₄

Образующаяся в процессе окисления сульфидов серная кислота воздействует в свою очередь на близлежащие минералы, разлагая их с образование различных сернокислых солей:

CaAl₂SiO₈ + H₂SO₄ + 2H₂O  H₂Al₂SiO₈2H₂O + CaSO₄

анортит

каолин

гипс

Гидролиз силикатов происходит путем замещения ионов металлов (оснований) водородным ионом с гидратацией промежуточных и конечных продуктов распада первичных минералов. Конечным продуктом разложения полевых шпатов и слюд при условии свободного удаления подвижных продуктов и подкисления среды являются глинистые минералы (каолинит, галлуазит, боксит, монтмориллонит, гибсит, бемит):

Na[AlSi₃O₈] + H₂CO₃ +H₂O  H₂Al₂SiO₈2H₂O + Na₂CO₃

Вынос химических элементов из зоны выветривания связан с наличием воды и растворимостью промежуточных продуктов разложения минералов. В условиях земной поверхности подвижность химических элементов в водных потоках рассеивания может быть охарактеризована коэффициентом водной миграции (Км), представляющим собой отношение содержания химического элемента в солевом остатке воды (С_х^в) к его содержанию в литосфере (С_х^л) :

На рисунке 2.7 приведены значения коэффициентов водной миграции для химических элементов, входящих в основные породообразующие минералы.

Рисунок 2.6. Коэффициента водной миграции химических элементов основных породообразующих минералов.

В результате различия в коэффициентах водной миграции, в процессе химического выветривания часть химических элементов (для которых Км 1) будут выносится из зоны выветривания. И, наоборот, те химические элементы, для которых Км меньше 1 будут в зоне выветривания накапливаться.

Механический вынос порошковатых продуктов коры выветриания водой, хотя в некоторых случаях и имеет существенное значение, однако мало влияет на изменение её валового химического состава.

Корам выветривания различного профиля свойственна зональная смена минерального и химического состава по вертикали от коренных слабо измененных пород до выходящих на земную поверхность интенсивно измененных пород.

Образование коры выветривания зависит от климата, состава коренных пород, гидрогеологических условий, рельефа местности, тектонической структуры, длительности образования, эпохи формирования и степени мобильности земной коры.

Согласно современным представлениям, выветривание горных пород проходит 4 стадии:

1. Обломочная стадия.

2. Стадия обизвесткования.

3. Сиалитная стадия.

4. Аллитная стадия.

Прохождение выветривания до той или иной стадии зависит решающим образом от соотношения между количеством осадков, испаряемостью и среднегодовой температурой (рисунок 2.8).

Обломочная стадия характеризуется разрушением горной породы, ее дезинтеграцией. Химический состав породы практически не изменен. Эта первая стадия выветривания, при которой наиболее интенсивно протекают процессы физического выветривания.

Стадия обизвесткования связана с началом химического выветривания, когда из зоны выветривания вынесены наиболее подвижные химические элементы (Cl, S, Na). В продуктах выветривания увеличивается относительное содержание Са в виде малорастворимого карбоната СаСО₃.

Сиалитная стадия характеризуется выносом всех подвижных химических элементов и увеличением относительного содержания Si и Al.

Аллитная стадия является конечной стадией выветривания и характеризуется увеличением содержания алюминия и железа по сравнению с кремнием (вследствие выноса части кремния в виде кремнезема).

Рисунок 2.8. Схема образования коры выветривания гранитов на тектонически неактивных площадях (по Н. М. Страхову):

1 – свежая порода; 2 – зона дресвы, химически малоизмененной (обломочная стадия); 3 – гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовая зона (стадия обизвесткования); 4 - каолинитовая зона (сиаллитная стадия); 5 – аллитная стадия; 6 — панцирь Fe₂О₃ + А1₂О₃