книги / Основы геохимии

ПРИРОДНЫЕ ГАЗЫ ЗЕМНЫХ НЕДР

В разных частях земной коры и верхней мантии сосредоточены подземные газы как непременные составные компоненты. В связи с этим В. И. Вернадский указывал, что речь может идти о «подземных атмосферах», находящихся в среде разнообразных горных пород. Он подразделял природные газы на газы земной поверхности, газы, связанные с высокой температурой, и газы, проникающие в земную кору.

Состав подземных газов Земли связан с составом горных пород и термодинамическими условиями их нахождения. С повышением тем­ пературы ряд веществ переходит в газообразное состояние или в силу собственных физических свойств, или в связи с разложением некото­ рых минералов, в состав которых входит компонент в свободном виде, находящийся в газообразном состоянии. Существенной частью под­ земных газов являются инертные газы, некоторые из них имеют радио­ активное происхождение. В связи с повышением температуры и дав­ ления в глубинах Земли изменяется состояние газов и жидкостей. На глубинах, где температура превышает критическую точку воды (+374°С), вода находится только в газообразном состоянии, растворя­ ясь в силикатных расплавах или вырываясь на поверхность Земли при вулканических извержениях.

Газы в целом являются очень важной составной частью магмати­ ческих расплавов (летучие компоненты). Весь вулканизм нашей планеты можно представить себе как обширную дегазацию ее недр. В связи с этим особый интерес представляет состав вулканичес­ ких газов, наиболее верно отражающий состав газов глубинных го­ ризонтов земной коры и верхней мантии.

В зависимости от происхождения В. В. Белоусов (1937) выделил четыре типа подземных природных газов:

1. Газы биохимического происхождения. Они образуются при разложении микроорганизмами органических веществ и минеральных солей. К ним относятся СН4, С 02, тяжелые углеводороды, N2, H 2S,

Н2, 0 2.

2.Газы воздушного происхождения. Образуются при проникно­ вении в литосферу атмосферного воздуха.

3.Газы химического происхождения. Возникают при химических процессах, протекающих в литосфере. Могут быть подразделены на газы метаморфического происхождения, которые образуются при

воздействии на горные породы высоких температур и давлений (С02, H 2S, Н 2, СН4, СО, N2, НС1, HF, NH3 В(ОН)3, S 02,C1, S), и газы природных химических реакций, протекающих при низких темпера­ турах и давлениях.

4. Газы радиоактивного происхождения, которые возникают в результате распада радиоактивных элементов. К ним относятся Не, Аг, Rn.

Изучение природных газов показывает, что один и тот же газ может быть разного происхождения. Например, С 0 2 может выделять­

191

ся при метаморфизме карбонатных пород, при окислении органичес­ ких веществ и другими путями.

Классификация природных газов, предложенная советским гео­ химиком В. А- Соколовым (1966), основана на условиях их нахожде­ ния и образования в том или другом слое земной коры. Он выделил шесть типов природных газов: I — газы земной атмосферы, II — газы земной поверхности, III — газы осадочных горных пород, IV — газы метаморфических горных пород, V — газы гранитной и базальтовой оболочек, VI — газы мантии (вулканические газы).

Газы земной поверхности и подводных (субаквальных) отложе­ ний В. А. Соколов подразделяет на газы почв и подпочв, болотные и торфяные газы и газы морских подводных осадков.

Основными компонентами почвенных газов являются С 02, N2, 0 2 и другие газы атмосферы с небольшими примесями СН4, N20 , GO, Н2, Н, H2S, NH3 и некоторых летучих органических веществ. В резуль­ тате интенсивного газообмена с атмосферой основные газы почвы и микрокомпоненты примешаны к воздуху.

Почвенные газы преимущественно биохимического происхождения с примесью других газов. Болотные и торфяные газы содержат в ка­ честве ведущих компонентов СН4, С 02, N2 и небольших примесей Н2, СО, N20 , NH3 и летучие органические вещества. Эти газы преимущест­ венно биохимического происхождения, возникающие за счет разло­ жения органических остатков без доступа воздуха. Последний при­ сутствует лишь иногда, обогащая среду азотом.

Газы морских субаквальных осадков также преимущественно био­ химического происхождения. Они состоят главным образом из С 02, СН4, N2. В качестве микрокомпонентов присутствуют Н 2, NH3, H 2S и летучие органические вещества.

Газы осадочных горных пород имеют довольно широкое распростра­ нение. К ним относятся горючие газы, используемые промышленностью и в бытовых нуждах. Основным компонентом газов осадочных пород является метан СН4 с примесью тяжелых углеводородов, иногда азота, С 02, инертных газов. Газы осадочных пород преимущественно химического, редко биохимического или иного происхождения. На значительных глубинах при повышенных температурах деятельность микроорганизмов прекращается и биохимические газы отсутствуют.

Среди газов осадочных пород выделяют: 1) газы нефтяных место­ рождений, 2) газовых месторождений, 3) угольных месторождений, 4) соленосных отложений и 5) рассеянные. В рассеянных газах пре­ обладает СОг с примесью благородных газов, иногда с примесью тя­ желых углеводородов.

По оценке В. А. Соколова, общая масса всех газов в осадочных гор­

в том числе СН4 и других углеводородов — 3,7-Ю 11 т, СОг — 0,12 х X 1011, N2 — 0,2 -1011, H2S — 0,004 • 1011 т.

Таким образом, масса углеводородных газов составляет весьма незначительную долю (10-3 часть) от всех газов, рассеянных в осадоч­ ных породах.

192

Газы метаморфических горных пород содержат СОг, N2, Н2, бла­ городные газы. Это главным образом газы химического происхожде­ ния с примесью газов радиационно-химического и радиоактивного Происхождения. Газы гранитной и базальтовой оболочек литосферы Имеют тот же химический состав и происхождение. Гранитная обо­ дочка в связи с повышенным содержанием калия, урана и тория от­ личается относительно повышенным количеством радиогенных газов — нргона и гелия.

Вулканические газы можно подразделить на собственно магмати­ ческие из лавовых озер и фумарольные. Эти газы представляют собой

И радиоактивного происхождения. К настоящему времени имеются довольно многочисленные данные по составу вулканических газов, полученные главным образом советскими и японскими исследователя­ ми в Тихоокеанском вулканическом поясе.

Главными составляющими вулканических газов являются вода (водяной пар) и углекислота СОг. В течение деятельности одного вул­ кана соотношения между компонентами газа изменяются.

Наибольший геохимический интерес представляет химический

193

каналов лавовых потоков и различной степенью окисления газовых компонентов. Кроме того, состав вулканических газов зависит от температуры среды, из которой они выделяются.

Изучение химических равновесий в газах из лавового озера Килауэа позволяет предположить шесть возможных химических реакций:

С. Матсуо (1961) вычислил для этих реакций температуры равновесия. По Матсуо, отсутствие сероводорода в газах Килауэа связано с тем, что первоначально присутствующий H2S при понижении темпера­ туры, когда равновесие быстро сдвигается вправо, разлагается соглас­ но реакции

вычисленные для определенных заданных температур, в общем совпа­ ли с реально установленными содержаниями по данным анализов (Матсуо, 1961).

Учитывая данные по содержанию газов в атмосфере, гидросфере и горных породах, можно подсчитывать, какая масса газов имеется в верхних оболочках Земли. Расчеты такого рода выполнены В. А. Со-

ких газов. Из данных табл. 61 совершенно очевидно следует, что боль­ шая часть газов Земли сосредоточена в литосфере и верхней мантии и значительно меньшая в самой атмосфере. Содержание газов в раз­ ных сферах можно выразить следующим соотношением: атмосфера: литосфера и гидросфера: верхняя мантия = 1 : 2 : ~80 .

194

Т абли ц а 61

Общее количество газов в оболочках Земли (по В. А. Соколову)

резким изменениям и в большинстве случаев переходят в другое сос­ тояние и другие химические соединения: Н20 конденсируется и дает жидкую воду, пополняющую гидросферу, С 02 быстро потребляется в процессе фотосинтеза и способствует образованию карбонатных по­ род, НС1 и HF также поступают в гидросферу, переходя в ионы С1~ и F", СН4 окисляется с образованием С 02 и Н20 . Если учесть, что вул­ каническая деятельность продолжается в течение всей истории Земли, нетрудно прийти к заключению, что вулканические газы принимали непосредственное участие в формировании состава атмосферы, гидро­ сферы и большого числа осадочных горных пород.

В. Руби (1951) впервые обратил внимание на то, что ряд компо­ нентов, ныне слагающих осадочные породы, органические вещества и гидросферу, может быть отнесен к так называемым летучим компо­ нентам Земли в широком смысле слова. Они поступили из глубоких недр нашей планеты на ее поверхность. Если сравнить массу летучих компонентов в составе атмосферы, гидросферы и осадочных горных по­ род с той их массой, которая могла освободиться при выветривании кристаллических пород, то увидим, что они значительно отличаются.

вании кристаллических пород, представлены в табл. 62. Из данных этой таблицы следует, что так называемый «избыток» летучих по отдельным компонентам в десятки и даже сотни раз превышает массу летучего материала, возникающего при выветривании горных пород. Все это свидетельствует о том, что природные газы глубин Земли

195

Отношение В:А

играли исключительно большую роль в формировании важнейших верхних оболочек нашей планеты. Эта роль становится еще более очевидной, если мы сравним состав «избытка» летучих с составом вул­ канических газов и газов изверженных пород (табл. 63).

Т а б л и ц а 63

Состав газов из вулканов, изверженных пород, горячих источников и «избыток» летучих

196

Данные таблицы представляют исключительный интерес. Не­ трудно видеть, что состав «избытка» летучих в главных чертах бли­ зок к составу вулканических газов, возникающих и выделяющихся из мантии Земли. Это обстоятельство послужило серьезным основанием для одного из важных выводов геохимии — о происхождении Мирово­ го океана и атмосферы Земли за счет дегазации мантии. Эта идея сейчас все более утверждается и нашла дальнейшее развитие в фунда­ ментальных работах А. П. Виноградова о происхождении океана.

Таким образом, история Земли, связанная с вековой дегазацией ее глубинных частей, органически включает в себя историю глубинных природных газов, океана и атмосферы. Ведущие компоненты глубин­ ных газов образовали гидросферу. Переработанная фотосинтезом угле­ кислота с освобождением свободного кислорода, азот и аргон созда­ ли газовую оболочку — современную атмосферу Земли. С 02 во многом определила ход осадкообразования, обусловив появление карбонат­ ных пород, а соединения серы и хлора определили важнейшую анион­ ную составную часть Мирового океана.

Литература

Б е л о у с о в В. В. Очерки геохимии природных газов. М., ОНТИ, 1937.

Ви н о г р а д о в А. П. Газовый режим Земли. — Сб. «Химия земной коры», т. 2. М., «Наука», 1964.

Ль в о в и ч М. И. Круговорот воды и водные ресурсы. — В сб. «Круговорот воды», М., «Знание», 1966.

Ни к о л е А. Аэрономия. М., Физматгиз, 1964.

Со к о л о в В. А. Геохимия газов земной коры и атмосферы. М., «Недра», 1966.

Со к о л о в В. А. Геохимия природных газов. М., «Недра», 1971.

Фе д о р о в а Н. Е. Химический и изотопный состав атмосферных осадков на территории СССР. Новочеркасск, 1954.

Ю нге X. Химический состав и радиоактивность атмосферы, М., «Мир», 1965. B r a n c a z i o Р. J., C a m e r o n A. G. W. (editors). The Origin and evoluti­

on of the Atmospheres and Oceans. New-York, London, Sydney, 1964.

Г л а в а V I I I

ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО В БИОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

ЖИЗНЬ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

Проявления органической жизни охватывают все пространство верхних горизонтов Земли, которое принято называть биосферой. Термин «биосфера» был введен в науку знаменитым французским натуралистом Ж . Б. Ламарком (1744— 1829) для обозначения мира живых существ, населяющих Землю. Геологическое определение био­ сферы как определенной оболочки Земли было дано Э. Зюссом (1875). Современное представление о биосфере и ее значении разработал

В. И. Вернадский в своих классических трудах по биогеохимии.

Впределах атмосферы, гидросферы и поверхности литосферы мы неизбежно сталкиваемся с различными проявлениями жизни и ее

197

активным воздействием на геохимический круговорот элементов. В состав организмов в первую очередь входят те химические элементы, которые относятся к газовым компонентам Земли и за пределами ор­ ганизма образуют летучие и легкоподвижные химические соединения, с которыми связан баланс вещества атмосферы и гидросферы. Правиль­ ное представление о геохимических процессах поверхности Земли со­ вершенно немыслимо без учета деятельности живых существ, которые прямо или косвенно обусловливают все химические процессы гипер­ генной зоны.

Общее количество всех живых организмов Земли — всех живот­ ных и растений — образует единое целое — живое вещество планеты. Иногда это количество живого вещества называют биосферой, что нель­ зя признать правильным. Мы должны четко различать живое веще­ ство— массу живых существ (или биомассу) и биосферу—среду их оби­ тания. Другие представления о биосфере вносят только путаницу. Биосфера — это пространство, где присутствуют живые организмы в любых возможных концентрациях — от единичных бактерий на ку­ бометр воздуха до мощных тропических лесов экваториального пояса и следов жизни в придонных слоях Мирового океана.

По способу питания и отношению к внешней среде различаются организмы автотрофные, потребляющие неорганические минеральные вещества, и гетеротрофные, питающиеся другими организмами или их остатками. К автотрофным организмам относятся зеленые растения, к гетеротрофным — все животные и часть растений. Большинство организмов аэробные, т. е. живущие в среде с присутствием воздуха. Значительно меньшая часть, преимущественно микроорганизмы, от­ носится к анаэробным, обитающим вне кислородной среды. Для них воздух является ядом.

Размеры отдельных организмов колеблются от бактерий, изме­ ряемых микрометрами, до гигантских водорослей, достигающих 300 м длины (Macrocystis), и эвкалиптов высотой до 150 м, от мельчайших инфузорий (десятки микрометров) до наиболее крупных синих китов с длиной тела 33 м.

Организмы предъявляют определенные требования к условиям обитания: температуре, давлению, влажности и солевому составу воды. Наиболее выносливые простейшие организмы — бактерии, за­ нимающие крайние пределы расселения живого на Земле. Минималь­ ная температура, при которой возможно развитие морских бактерий,

— 7,5°С. Верхним пределом, при котором может протекать жизне­ деятельность микроорганизмов, хотя и в ослабленном виде, следует считать +80°С (Кузнецов и др., 1962).

Микроорганизмы могут выдерживать относительно высокие гидро­

Влажные почвы и породы — непременное условие развития микро­ организмов. Однако потребность в воде не у всех организмов одинако­ вая. Все микроорганизмы, по Г. Вальтеру, могут быть разделены на три экологические группы: 1) ксерофилы, рост которых начинается при относительной влажности воздуха в пределах 85—90%, 2) мез0-

198

филы, с началом роста при влажности 90—95% и 3) гигрофилы, ко­ торые развиваются при относительной влажности свыше 95%. К ксерофилам и мезофилам относятся плесневые грибы, к гигрофилам — бактерии. В большинстве случаев в почвах и породах содержится дос­ таточно влаги для развития микроорганизмов.

Микроорганизмы приспосабливаются к определенным по степени солености водам. Так, некоторые солеустойчивые формы не могут расти, если содержание хлорис­ того натрия в воде ниже 1,5%. Целый ряд микроор­ ганизмов может обитать в весьма соленой воде при концентрации солей до 300 г/л(в лиманах Черно­ морского побережья и Сивашах).

Из изложенного выше можно сделать вывод, что организмы могут расселять­

росфере и стратисфере, по­ этому реальная современ­

ная биосфера включает в себя гидросферу, верхнюю часть литосфе­ ры и нижнюю часть атмосферы (тропосферу). Схематически взаимо­ отношения биосферы с этими оболочками Земли представлены на рис. 41.

Население биосферы в морфологическом и видовом отношении чрез­ вычайно разнообразно. Общее число видов растений и животных, вероятно, приближается к двум миллионам. В настоящее время на Земле живет до полумиллиона видов растений и около 1,5 миллиона видов животных. В растительном царстве ориентировочно виды сле­ дующим образом распределяются по отдельным типам растений:

199

шении форм и большее число видов. Ориентировочно по типу живот­ ных они распределяются следующем образом:

Жизнь растений и животных тесно связана с водой. Все типы жи­ вотных имеют представителей, для которых вода — среда обитания. Если в атмосфере мы встречаем рассеянную жизнь в виде взвешенных

Чтобы понять химическую эволюцию поверхности Земли, для нас чрезвычайно важно проследить, как давно возникла биосфера во времени. С возникновением фотосинтезирующих организмов,

200