Трансформация геохимического состава

Природных растворов на контакте речных и

Океанических вод

 

С суммарным речным стоком в океан поступают огромные массы химических элементов. Ежегодно с речным стоком выносится в составе взвесей и растворенных форм соответственно (млн т): железа — 963 и 27; марганца — 20,5 и 0,41; цинка — 5,86 и 0,82; меди— 1,51 и 0,28; свинца — 2,8 и 0,04; никеля — 1,58 и 0,12; кобальта — 0,34 и 0,01. Согласно данным А. П. Лисицина и др. (1983), из этого количества более 92 % выпадает в краевых морях и особенно в устьях рек, лишь 7,8 % достигает глубоководных областей океана.

Вместе с осаждением значительной части взвесей и соединений главных химических элементов осаждаются и рассеянные металлы, часто образующие крупные месторождения. Значительная часть запасов руд марганца, меди, ванадия и других металлов имеет осадочное происхождение.

Еще большее количество металлов выпадает в рассеянном состоянии, осаждаясь с распространенными соединениями. Например, быстрое разрушение комплексных железоорганических соединений в щелочной морской воде и энергичное осаждение образовавшихся сгустков гидроксидов железа сопровождаются сорбционным захватом скандия, кобальта, никеля, меди, ванадия и др

При осаждении фосфатов накапливается другой комплекс рассеянных элементов.

Таким образом, периферийная зона Мировою океана служит глобальной геохимической ловушкой, задерживающей большую часть вещества, сносимого с континентов. Тем не менее значительные массы рассеянных элементов проходят этот фильтр и поступают в открытый океан.

Проблема геохимии океана рассмотрена в монографии В.Коржа (1991). Для выяснения влияния океана на некоторые биогеохимические процессы, протекающие на суше, необходимо отметить следующее. Геохимическая структура состава океанических и континентальных вод принципиально различается. Если в речных водах преобладающая часть рассеянных элементов сосредоточена в материале взвесей, то в океане возрастает удельное значение растворенных форм. Количество форм элементов в составе взвесей в океанической воде в сотни и тысячи раз меньше их растворимых форм. Даже такие не склонные к нахождению в растворе элементы, как свинец, скандий, иттрий, цирконий, титан, хром, присутствуют в океане преимущественно в растворенном состоянии.

Кроме того, состав Мирового океана формируется под воздействием не только речного стока, но и поступлений из недр Земли в результате вулканической деятельности и процессов формирования океанической коры в тектонически активных зонах дна.

Сопоставление состава континентальных и океанических вод также выявляет их различие. В речной воде в тысячи раз меньше хлора, брома, натрия, в сотни раз — бора, сульфатной серы, магния, калия, в десятки — стронция, кальция, лития, рубидия, фтора, иода. В то же время, в речных водах в десятки раз больше марганца, иттрия, свинца, тория, значительно больше кремния, титана, цинка, меди. Следовательно, при поступлении речных вод в Мировой океан происходит существенная перегруппировка растворимых масс рассеянных элементов. Это наглядно представлено на графиках (рис. 4.1). Столь сильное различие в составе воды океана и суши в значительной мере обусловливает неодинаковую концентрацию химических элементов в живом веществе океана и суши, отмеченную в гл. 2.

Современный состав Мирового океана является итогом длительной истории. Как показано в подразд. 4.1, основную массу солей морской воды составляют хлориды и сульфаты натрия, магния, кальция и калия. Такое соотношение катионогенных и анио-ногенных химических элементов с позиций геохимии парадоксально. Первые содержатся в земной коре в количестве нескольких процентов каждый, вторые — в сто раз меньше (кларк хлора- 1,7×10-² %, кларк серы - 4,7×10^-2 %).

Так как катионы и анионы находятся в морской воде в эквивалентных количествах, то они не могли поступать из одного источника, в частности за счет выщелачивания из земной коры континентов. Расчеты показывают, что из того количества хлора, который в настоящее время имеется в океане в форме ионов, всего лишь 1 — 2 % могли быть извлечены из земной коры. Следовательно, катионы и анионы морской воды имеют разное происхождение. Помимо упомянутых хлора и серы к анионогенным элементам океана относятся азот, бром, иод, бор, мышьяк, селен, некоторые металлы, в частности ртуть. Есть все основания предполагать, что поступление основной массы этих элементов связано с дегазацией вещества мантии Земли.

Соотношение масс гидросферы и земной коры близко к соотношению паров воды и силикатного расплава при излиянии базальтов. Очевидно, выплавление первичной земной коры базальтового состава сопровождалось выносом паров воды, из которых после конденсации был образован древний океан. Одновременно в газообразной форме выносились перечисленные выше анионо-генные элементы. В дальнейшем в результате выветривания и почвообразования, при нарастающем воздействии биогеохимических процессов происходило выщелачивание катионогенных элементов из земной коры и в океане постепенно установилось существующее ныне равновесие анионов и катионов.

 

 

 

Рис. 4.1. Соотношение средних концентраций рассеянных

химических элементов в океанических и речных водах:

 

 

Рекомендуемая литература

Биогеохимия океана / Под ред А. С. Монина, А.П.Лисицина. — М • Наука, 1983. - 368 с.

Вернадский В. И. Живое вещество в химии моря // Избр. соч.: В 5 т. — М.: Изд-во АН СССР, 1960. — Т. 5. — С. 160-183.

Виноградов А. П. Введение в геохимию океана. — М.: Наука, 1967 — 213с.

Гордеев В. В. Речной сток в океан и черты его геохимии. — М.: Наука 1983. -160с.

Корж В. Д. Геохимия элементного состава гидросферы. — М.: Недра 1991. -243 с.

Контрольные вопросы

 

1. Как изменялся состав Мирового океана под влиянием биогеохимической деятельности организмов на протяжении геологической истории?

2. Изложите основные положения биофильтрационной теории А.П.Лисицина.

3. Какие биогеохимические факторы влияют на состав речных вод?

4. Перечислите главные формы нахождения химических элементов в речных водах.

5. Какова роль продуктов метаболизма живых организмов и их остатков в миграции тяжелых металлов в поверхностных водах суши?

6. Как оценивается, согласно Б.Б.Польшову, интенсивность водной миграции химических элементов?

7. Как группируются (классифицируются) химические элементы по значениям коэффициента водной миграции К₆ Полынова — Перельмана?

8. Изложите существо теории биорексистазии Г. Эрара.

9. Почему ионная концепция недостаточна для объяснения закономерностей водной миграции химических элементов?

10. Каково соотношение масс элементов, мигрирующих в растворимой форме и в составе взвесей в речных водах в настоящее время?

Темы для самостоятельной работы

 

1. По опубликованным материалам гидрохимических ежегодников Гидрометеорологической службы для выбранного района рассчитайте вынос Са²⁺, С1^- и Fе_общ с единицы площади.

2. Используя литературные данные о концентрации нескольких химических элементов в воде, значении сухого остатка[13] и средней концентрации этих же элементов в почвообразующих породах выбранного района, определите значения коэффициента водной миграции К_В элементов. Полученные значения сравните с группировкой (классификацией) химических элементов по интенсивности вовлечения их в водную миграцию.

Глава 5

БИОГЕОХИМИЯ ПЕДОСФЕРЫ

 

Почва — уникальная природная система. Главным свойством почвы является неразрывная связь входящих в нее живых и неживых (косных) компонентов. Их искусственное разделение делает невозможным существование почвы и полностью разрушает ее как систему. В.И.Вернадский удачно назвал почву «биокосным телом».

Состав почвы весьма сложен. В ней имеется не только твердая фаза, но также жидкая (почвенный раствор) и газовая (почвенный воздух). Твердая фаза представляет собой полидисперсную систему, в которой присутствуют относительно крупные обломки размером более 0,01 мм и высокодисперсные частицы размером менее 1 мкм. Компоненты разной крупности различаются механическими и физико-химическими свойствами. Минеральная часть очень разнородна и помимо обломков минералов исходных горных пород представлена также различными почвенно-гипергенными новообразованиями. Почва состоит не только из минеральных, но и из органических соединений. Главное своеобразие почвы в том, что среди ее разнородных компонентов есть живые организмы.

Почва образуется и функционирует как система при сочетании взаимообусловленной жизнедеятельности разных групп организмов. Среди них организмы, осуществляющие фотосинтетическое продуцирование органического вещества (высшие растения); организмы, обеспечивающие деструкцию ежегодно отмирающих органов растений (почвенная мезофауна и животные); организмы, производящие глубокую трансформацию продуктов деструкции, вплоть до их полной минерализации с выделением СО₂ и образованием специфических органических соединений почвы (микроорганизмы).

Обеспечение фотосинтезирующих организмов элементами почвенного питания связано с двумя важнейшими компонентами почвы. Первым из них является мертвое органическое вещество, из которого в результате жизнедеятельности мезофауны и микроорганизмов постепенно выделяются элементы, аккумулированные фотосинтетиками и необходимые для их воспроизводства. Благодаря взаимодействию фотосинтетиков и гетеротрофных организмов происходит циклическая миграция элементов в системе растительность— органическая часть почвы. Второй компонент почвы, являющийся источником доступных форм химических элементов Для высших растений, — дисперсные минеральные частицы, кото-Рые благодаря огромной поверхности в единице объема содержат значительное количество сорбированных химических элементов.

Эти элементы не могут вымываться фильтрующимися через почву атмосферными осадками, но легко поглощаются корнями растений. Высокодисперсное минеральное вещество играет ответственную роль в механизме биологического круговорота элементов.

Весьма важное значение имеет микроморфология почв. Агре-гированность почвенных частиц способствует сохранению и регулированию поступления воды и элементов питания в высшие растения. Система межагрегатных пустот и пор способствует свободному газообмену между почвой и приземным слоем тропосферы, выделению газообразных продуктов почвообразования, в первую очередь СО₂.

Планетарное значение педосферы

 

Почва — такой же компонент природной среды Мировой суши, как горные породы, воды, растительность и др. Вместе с тем почва является результатом их взаимодействия. Изменение одного или нескольких из этих компонентов влечет за собой соответствующее изменение почвы. Поэтому каждому природному ландшафту соответствует определенная почва.

Основоположник генетического почвоведения выдающийся ученый и мыслитель В.В.Докучаев называл почву естественно-историческим телом, имея в виду, что природные условия (следовательно, и почвы) изменяются не только в пространстве, но и во времени. Эта идея подтверждается палеогеографическими и палеогеохимическими фактами.

С началом освоения живым веществом суши на ее поверхности стало формироваться особое биогеохимическое образование, отсутствующее в океане, — почва. Возникновение почвы как биокосного тела связано с определенным этапом развития живого вещества на Земле.

Одно из основных свойств живого вещества — стремление к прогрессирующему увеличению постоянно возобновляемой живой массы и к максимальному заполнению доступного пространства (закон Вернадского). Рост массы живого вещества в океане сильно затруднен: фотосинтезирующие организмы локализованы в поверхностном слое океана; увеличение их массы ограничено низкой концентрацией элементов питания в морской воде. Это ограничение компенсируется высокой скоростью жизненных циклов организмов, составляющих массу живого вещества океана. По этой причине большая часть массы химических элементов, необходимых для живого вещества, не выпускается из системы тесно связанных биологических круговоротов разных групп организмов. Через сравнительно небольшую массу фотосинтетиков на протяжении года многократно проходит одно и то же количество химических элементов.

Трофические условия на суше более благоприятны. Практически неограниченное количество большинства химических элементов в земной коре создает возможность для существенного увеличения массы живого вещества на суше по сравнению с океаном. Следовательно, распространение живого вещества на пространство Мировой суши было детерминировано. В то же время освоение суши живыми организмами встретило значительные затруднения.

Рост живой массы на суше лимитируется, с одной стороны, гидротермическими условиями, в первую очередь атмосферным увлажнением, так как без воды жизнь невозможна, а с другой — наличием доступных форм химических элементов, необходимых для организмов, фотосинтезирующих первичное органическое вещество.

Затруднения в освоении суши были связаны, во-первых, с низкой концентрацией доступных форм химических элементов в некоторых горных породах. Во-вторых, длительные сезоны недостаточного увлажнения или полного отсутствия воды не только сами по себе отрицательно влияют на организмы, но также нарушают регулярное поступление элементов питания.

Почва возникла как природный механизм, нейтрализующий неблагоприятные условия окружающей среды и создающий возможность для развития фотосинтезирующих организмов. С течением геологического времени этот механизм совершенствовался и способствовал «расползанию» живого вещества по поверхности суши. Первоначально локализованная на отдельных участках вблизи берегов морей и внутренних водоемов почва постепенно покрыла всю сушу тонкой, почти непрерывной оболочкой, названной В.И.Вернадским (1936) педосферой.

Образование педосферы и освоение Мировой суши живым веществом повлекло за собой изменение его количества и структуры, а также всей динамики глобальных биогеохимических процессов. Биокосная система почвы сложилась как оптимальный природный механизм обеспечения жизнедеятельности фотосинтезирующих растений, создающих основу функционирования биоценозов — первичное органическое вещество. В дальнейшем благодаря разнообразным взаимосвязанным биогеохимическим процессам в почве стало осуществляться взаимодействие всех факторов и компонентов, образующих конкретную биогеосистему (ландшафт). Это взаимодействие происходит путем непрерывной циклической миграции масс химических элементов.

Распространившись на всю поверхность Мировой суши, педосфера приобрела значение главного звена и регулятора глобальных циклических процессов массообмена химических элементов. Педосфера в равной мере связана массообменом элементов с земной корой, живым веществом и атмосферой. В педосфере происходит мобилизация химических элементов, вовлекаемых в водную миграцию и затем выносимых в океан. С поверхности педосферы захватываются мелкие почвенные частицы, формирующие континентальные аэрозоли, частично выносимые за пределы суши. В то же время на поверхность педосферы поступают атмосферные осадки, переносящие химические элементы, в том числе выделенные с поверхности океана. И главное — в педосфере начинается и заканчивается грандиозный кругооборот химических элементов: педосфера — растительность Мировой суши. Все перечисленные процессы являются в основе биогеохимическими. Современные данные позволяют рассматривать педосферу как планетарный механизм, который благодаря сложной системе взаимообусловленных процессов регулирует биосферные циклы массообме-на химических элементов.