Всеволод Всеволодович Добровольский
Геохимическое землеведение: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «География»

Предисловие

   Характерная черта современной географии – широкое использование методов и подходов смежных наук для решения географических проблем. Стремление использовать принципы геохимии для изучения и понимания отдельных географических явлений возникло одновременно с созданием геохимии как науки. Достаточно вспомнить идеи В.И. Вернадского о миграции химических элементов в биосфере, первые работы Ф.У. Кларка по определению химического состава основных компонентов природы, В.М. Гольдшмидта о дифференциации химических элементов на поверхности Земли. Геохимическое направление в географии особенно плодотворно развивалось в нашей стране, где оно приобрело форму учения о геохимии ландшафта, основы которого были разработаны выдающимся почвоведом, географом и геохимиком Б.Б. Полыновым.
   Современные представления о геосистемах разного ранга как о комплексах природных компонентов, находящихся в глубокой взаимосвязи, – крупное достижение географии. Эти представления вытекают из идей В.В. Докучаева о «генетической, вековечной и закономерной связи» между составными частями природы. Визуально измерить эти связи невозможно. Геохимический подход позволяет количественно определить их, выразить «числом и мерой», а в дальнейшем – перейти к их кодово-цифровой характеристике. Это открывает принципиально новые возможности в изучении ландшафтов и всей окружающей нас природной среды.
   Становление и прогресс любого научного направления в значительной мере обусловливаются запросами практики. Геохимическое направление в географии позволило разработать теоретическую базу для методики геохимических поисков многих полезных ископаемых, а также с успехом использовалось при исследованиях в лесном и сельском хозяйстве. Применение принципов и методов геохимии ландшафта особенно перспективно для изучения состояния окружающей среды, испытывающей нарастающее воздействие со стороны человека. В связи с этой проблемой весьма знаменательно обращение ученых многих стран к изучению геохимии географической оболочки.
   Оценка состояния окружающей среды и обоснованный прогноз возможных последствий любых хозяйственных мероприятий должны осуществляться с учетом выяснения закономерностей природных процессов перераспределения химических элементов в конкретных единицах географической оболочки. Никакое самое тщательное наблюдение за состоянием лишь одного компонента не может дать истинной картины геохимического состояния окружающей среды. Необходимы данные о всех компонентах геосистемы (почвах, растениях, водах и пр.) и учет их взаимосвязей. Геохимическое направление в географии подготовило теоретическое и методическое обоснование для организации контроля за состоянием окружающей среды и для разработки природоохранных мероприятий.
   Знакомство с геохимическим аспектом землеведения необходимо современным преподавателям естественно-научных дисциплин, в первую очередь преподавателям географии.
   В основу данного учебного пособия положены лекции по проблемам геохимии, многие годы читавшиеся автором на географическом факультете Московского педагогического государственного университета. В первых четырех главах последовательно рассмотрены геохимические особенности земной коры, гидросферы, атмосферы, живого вещества. В пятой главе дается представление о распределении масс химических элементов в наружных оболочках Земли и о планетарных геохимических циклах элементов. Одновременно эта глава также имеет важное значение в методическом плане, так как знакомит с практическими примерами перехода от традиционного оперирования величинами концентрации химических элементов к выяснению распределения их масс в географической оболочке и количественной оценке миграционных массопотоков, что необходимо для понимания закономерностей функционирования геосистем разного ранга. Специальная глава посвящена геохимическому ландшафтоведению. В последней главе суммированы данные о геохимии техногенеза и проанализированы последствия хозяйственной деятельности человечества с позиции геохимии.
   В заключении автор считает своим долгом выразить признательность научному сотруднику кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ С.В. Литкенс за помощь в подготовке настоящего пособия к изданию.

Глава I
ПЛАНЕТАРНАЯ ГЕОХИМИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ

   Одна из главных особенностей нашей планеты – ее оболочечное строение. При этом наружные оболочки: твердая (земная кора), жидкая (гидросфера) и газовая (атмосфера) тесно связаны между собой, а вещество каждой сферы проникает в пределы соседних. Известно, что подземные воды пронизывают верхнюю часть земной коры, что значительная часть газов находится не в атмосфере, а присутствует в растворенном состоянии в гидросфере и заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, вода и твердые частицы насыщают нижние слои атмосферы.
   Три наружные оболочки Земли связаны не только пространственно, но также генетически. Происхождение этих оболочек, равно как их развитие во времени, взаимообусловлено. Эта связь еще более усиливается тем, что значительная часть объема наружных оболочек охвачена проявлениями жизни.
   Представители разных наук, исходя из различных исходных позиций, пытались обосновать идею единства наружных оболочек Земли. Таковы взгляды В.И. Вернадского (1934) о земной коре, включающей в себя литосферу, гидросферу и атмосферу, концепции географов о единой природе земной поверхности (Марков, 1960), географической сфере (Рябчиков, 1973), географической или ландшафтной оболочке Земли (Калесник, 1955; Ермолаев, 1975).
   Современное общее состояние естествознания и успехи некоторых естественных наук, смежных с географией, позволяют вплотную приблизиться к количественной оценке взаимосвязи наружных оболочек. Один из возможных подходов – выяснение закономерностей распределения химических элементов между оболочками. Эта задача по методу решения, несомненно, геохимическая, но ее итог имеет важное значение для указанной фундаментальной проблемы физической географии.
   Для ее решения прежде всего необходимо возможно более точно оценить содержание химических элементов в оболочках. Обратимся к рассмотрению состава земной коры.

Средний химический состав земной коры и понятие о кларках

   Определение среднего химического состава земной коры было начато в конце XIX в. химиком Геологической службы США Ф.У. Кларком. Обоснование его работы сводилось к следующему: чем больше распространен какой-либо тип горных пород, тем в большем количестве отбираются образцы этих пород и чаще выполняются их анализы. Суммируя все имеющиеся анализы, можно получить представление о составе верхней части литосферы. Эту верхнюю часть Кларк условно ограничил глубиной в 10 миль (16 км). Более 40 лет Кларк работал над этой проблемой и несколько раз публиковал все более подробные сведения о содержании химических элементов в земной коре и других природных образованиях.
   Положения, из которых исходил Кларк, не были абсолютно правильны. Одна формальная статистика не может дать исчерпывающего ответа на сложный вопрос о составе земной коры. Строение земной коры в начале нашего века еще не было изучено настолько, чтобы это можно было учесть при расчетах. Последние цифры Кларка, опубликованные в 1924 г., базировались на внушительном фактическом материале – более пяти тысяч химических анализов. Но все пробы были отобраны на суше и, следовательно, не могли характеризовать земную кору в целом, а лишь ее континентальный тип. Тем не менее работы Кларка открыли новый этап изучения Земли – исследования по оценке количественной распространенности химических элементов в земной коре и других объектах.
   Кларк установил, что в составе земной коры преобладают восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Этот основной вывод был неоднократно подтвержден другими исследователями. В табл. 1 приведены данные, полученные разными учеными в разное время. Эти данные показывают развитие представлений о составе земной коры. В первой графе помещены цифры Кларка. Они вычислены при условном ограничении изученной мощности земной коры в 10 миль (16 км). Во второй графе находятся данные А.П. Виноградова, которые рассчитаны из условного соотношения двух частей гранита и одной части базальта. Это не отражает истинного соотношения горных пород в земной коре. Третья графа содержит цифры, впервые рассчитанные с учетом определения объема земной коры, нижней границей которой является поверхность Мохоровича. Данные А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского рассчитаны аналогичным образом, но на основании более точных сведений.

   Таблица 1
   Средний химический состав земной коры,%

   Как следует из данных, приведенных в таблице, колебания в цифрах разных ученых не меняют общую картину. В составе земной коры резко преобладают кислород и кремний, которые составляют примерно -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

всей массы коры.
   Внимание Кларка в основном было сосредоточено на главных десяти химических элементах, слагающих земную кору. В дальнейшем круг элементов был расширен, но для большей части элементов подсчеты средних содержаний встречали большие трудности. Во-первых, это имело отношение к металлам и, во-вторых, к малораспространенным химическим элементам.
   В Норвегии давно сложилась сильная научная школа минералогов, химиков и металлургов, длительное время настойчиво изучавших руды железа, меди и никеля, свинца и цинка. Крупный норвежский минералог И. Фогт определил соотношение между железом и некоторыми другими металлами (никелем, марганцем, кобальтом) и рассчитал среднее содержание этих металлов в земной коре. Для расчета содержания цинка, свинца, олова и некоторых других металлов Фогт оригинально использовал экономико-статистические сведения. Эти данные были напечатаны в 1899 г. в статье «Об относительном распространении элементов».
   Оставалась большая группа элементов, которые с трудом определялись методами химического анализа. На кафедре минералогии Московского университета под руководством В.И. Вернадского было начато использование спектроскопического анализа для определения элементов, содержащихся в незначительном количестве.
   В результате всех этих усилий ко второму десятилетию XX в. накопился достаточный фактический материал, чтобы получить общее представление о содержании и распространении химических элементов в земной коре, атмосфере, природных водах и даже в различных космических телах. В честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов, А.Е. Ферсман в 1933 г. предложил называть кларком среднюю величину концентрации элемента в Земле в целом или в других телах. Когда мы говорим, что кларк кремния в земной коре 29,5, это значит, что такова его средняя концентрация в процентах.
   В табл. 2 приведены кларки элементов земной коры в целом и «гранитного» слоя земной коры континентов. Из этой таблицы видно, что содержание разных элементов колеблется в огромном диапазоне и меняется в миллиард раз. В действительности контраст еще больше из-за совершенно ничтожного содержания неустойчивых радиоактивных элементов – таких, как радий, полоний и др.
   Кларк – важнейшая величина в геохимии. Анализ кларков позволяет понять многие закономерности химии распределения химических элементов на Земле, в Солнечной системе, доступной нашим наблюдениям части Вселенной.

   Таблица 2
   Кларки химических элементов литосферы (в порядке убывания величин в «гранитном» слое континентов)

Образование и распространение химических элементов

   Первые же обобщения химического состава земной коры показали, что соотношения элементов не случайны. Прежде всего, имеется четко выраженная тенденция к уменьшению содержания элементов по мере возрастания их порядкового номера в таблице Менделеева, т. е. массы атома.
   Масса атома обусловлена массой его ядра, т. е. количеством нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в его состав. Можно сказать, что кларки химических элементов, как правило, уменьшаются по мере усложнения строения ядра, с увеличением числа нуклонов. Правда, есть исключения из этой общей закономерности.
   В 1914 г. итальянский физик Дж. Оддо обратил внимание на то, что в земной коре преобладают элементы с четным порядковым номером и четной атомной массой. Более подробно это явление было изучено американским ученым У. Гаркинсом. Оно получило название правила Оддо – Гаркинса и формулируется так: из двух соседних элементов таблицы Менделеева содержание в земной коре четного элемента обычно больше. Это можно легко заметить на примере восьми главных элементов, образующих 99 % массы земной коры. Из них четные элементы составляют 86 %, а нечетные – всего 13 %.
   А.Е. Ферсман графически показал закономерности изменения кларков земной коры. Учитывая очень большой диапазон величин, этот ученый изобразил на графике не абсолютные величины кларков, а их логарифмы (рис. 1). Так, кларки величиной от 1 до 10 на логарифмической шкале находятся от 0 до 1, кларки величиной в десятки процентов будут находиться между горизонтальными линиями от 1 до 2. Малые кларки, измеряемые десятыми долями процента, располагаются ниже 0 до —1 измеряемые сотыми долями процента – от —1 до —2 и т. д. Четные элементы соединены жирной линией, нечетные – тонкой. Более высокое положение жирной линии иллюстрирует правило Оддо – Гаркинса. Из этого правила есть исключения, которые представлены на графике и причины которых мы рассмотрим.

   Рис. 1. Кривая логарифмов кларков химических элементов земной коры (по А.Е. Ферсману, 1934)

   Зависимость между массой химических элементов в земной коре, с одной стороны, и строением атомных ядер, с другой, позволили предположить, что эта связь отражает глубокие закономерности состава Вселенной. Напомним, что масса атомов практически вся сосредоточена в их ядрах. Ядра состоят из элементарных частиц. Эти частицы в свободном состоянии рассеяны в космическом пространстве, в то время как в ядрах атомов они соединены огромной энергией, которая была затрачена на синтез ядер. В условиях статического равновесия рассеянных частиц в межзвездном пространстве синтез ядер химических элементов невозможен. Условием термоядерных реакций, в процессе которых происходит синтез ядер, является очень высокая температура. Эта температура может быть достигнута лишь при сильном уплотнении вещества межзвездных туманностей под влиянием гравитационных сил. Толчок к конденсации рассеянных частиц, при которой с возрастающей интенсивностью начинают действовать гравитационные силы, создает ударная волна, возникающая при взрыве звезды, завершившей свою эволюцию. После достижения уплотнения вещества зарождающейся звезды до предела, при котором начинаются термоядерные реакции, наступает длительная стадия термоядерного «сгорания» ядер водорода и гелия, а после исчерпания запасов ядерного горючего звезда под воздействием гравитационных сил, не сдерживаемых термоядерными реакциями, сильно сжимается до небольших размеров и взрывается, порождая мощную ударную волну и оставляя «облако» рассеянных космических частиц. Таким образом, гибель звезды, завершившей свою эволюцию, является предпосылкой для образования звезд последующих генераций.
   Процесс образования и эволюции звезд охватывает всю Вселенную. По расчетам ученых в звездах сосредоточено около 97 % вещества Вселенной. Одной из звезд, средней по массе, является Солнце.
   Итак, окружающий нас мир состоит из атомов химических элементов, массы которых находятся в определенном соотношении. Атомы, точнее, их ядра образуются в процессе эволюции звезд. Образование и эволюция звезд – один из важнейших процессов, происходящих во Вселенной. Возникает естественный вопрос: что явилось причиной начала этого процесса и когда началось образование ядер атомов?
   Имеющиеся данные позволяют предполагать, что статическое равновесие элементарных частиц, заполнявших пространство Вселенной, около 15–20 млрд лет было нарушено грандиозным энергетическим импульсом. Вместе с тем, астрономы еще в начале XX в. обнаружили факты, свидетельствующие о расширении Вселенной, происходящем с большой скоростью. На основании теоретических соображений американские физики Г. Гамов, Г. Бете и Р. Альфер разработали гипотезу «Большого Взрыва» (Big Bang). Согласно этой гипотезе вещество Вселенной к моменту «Большого Взрыва» было представлено исключительно элементарными частицами. Ударная волна «Большого Взрыва» способствовала образованию флюктационных сгустков исходного рассеянного космического вещества, из которых стали формироваться первые примитивные водородно-гелиевые звезды. Под воздействием гравитационного сжатия в этих звездах стали возрастать давление и температура и начались термоядерные реакции. В итоге был запущен механизм образования звезд и в них – ядер атомов.
   Разумеется, наших знаний пока недостаточно, и в рассматриваемой проблеме больше вопросов, чем ответов. Так, например, наблюдения и расчеты показали, что в Галактике гелия в 20 раз больше, чем его могло образовываться в звездах. Следовательно большая часть массы этого химического элемента имеет дозвездное происхождение. Более или менее уверенно можно считать, что в истории Вселенной имели место две стадии: догалактическая стадия, на протяжении которой образовались элементарные частицы и ядра наиболее легких химических элементов, которые в дальнейшем послужили исходным материалом для первичных примитивных звезд, и галактическая стадия, характеризующаяся процессом возникновения и эволюции звезд, в которых путем термоядерных реакций создавались ядра всех известных химических элементов.
   Согласно имеющимся данным, основную массу вещества нашей Галактики образуют ядра водорода (75 %) и гелия (24 %). Более сложно устроенные ядра составляют в сумме около 1 %. Среди них наиболее распространены ядра элементов с порядковыми номерами не выше 27 (рис. 2).

   Рис. 2. Распространение химических элементов в Галактике
   (по А. Полянскому, 1961)

   Степень распространения ядер во Вселенной обусловлена процессами их образования. Наиболее распространенная термоядерная реакция – превращение водорода в гелий, сопровождающееся выделением огромной энергии. По мнению американского ученого О. Струве, весь свет, который исходит от звезд, возникает в результате этого процесса.
   Литий, бериллий и бор образуются иначе – в магнитных полях огромной интенсивности под воздействием быстро движущихся электронов. Такие условия предполагаются в «звездных пятнах» или при образовании сверхновых звезд. Эти элементы очень неустойчивы под воздействием ядер водорода. Поэтому при термоядерных реакциях они «сгорают», превращаясь в гелий. В результате этого кларки лития, бериллия и бора малы не только для земной коры, но и для всей нашей Галактики. Процесс термоядерного разрушения этих элементов может быть использован для определения относительной молодости звезд. Например, по содержанию лития, по степени его «выгорания» ученые судят о возрасте звезды.
   Реакция синтеза ядер не останавливается на образовании гелия. Этот элемент может «сгорать» с образованием ядер углерода, кислорода, неона, которые в результате захвата ядер гелия преобразуются в ядра магния, кремния, серы, аргона и кальция. Такие реакции происходят только в наиболее массивных звездах.
   Образование более тяжелых ядер, содержащих большое количество нуклонов, может происходить при последовательном захвате нейтронов. Особую группу составляют самые тяжелые и наиболее сложно устроенные ядра. Начиная с полония (порядковый номер 84), элементы радиоактивны. Их ядра непрерывно разрушаются, превращаясь в стабильные. Самые неустойчивые ядра давно разрушились и в земной коре отсутствуют. Некоторые из них получены искусственно. Таким образом, синтез ядер происходит как за счет усложнения более просто устроенных ядер атомов легких химических элементов, так и в результате распада тяжелых ядер.
   Образование ядер происходит в недрах «горячих» звезд, образование электронных оболочек вокруг ядер, т. е. формирование атомов – в условиях более низких температур на периферии этих звезд. Химические соединения атомов возникают на значительном удалении от поверхности звезд. Одна из схем распределения вещества по мере удаления от звезды показана на рис. 3.
   Закономерности распространения химических элементов во всей Галактике в значительной мере сохранены и унаследованы кларками земной коры. Но в процессе ее образования произошла существенная пересортировка атомов, что нашло выражение в особых и неповторимых значениях кларков каменной оболочки нашей планеты.
   Главная геохимическая особенность земной коры – необычайно высокий кларк кислорода. Ничего подобного не обнаружено ни на Солнце, ни на других звездах. Объяснение этого замечательного явления связано не со строением ядра кислорода, а со способностью этого элемента образовывать очень прочные связи с кремнием, алюминием и некоторыми другими элементами. В свою очередь, кремний и алюминий накапливаются в земной коре благодаря их способности образовывать легкоплавкие соединения со щелочами. В итоге была выплавлена и закреплена на поверхности нашей планеты уникальная по своему составу твердая кремнекислородная оболочка.

   Рис. 3. Схема распределения вещества вокруг горячей звезды
   (по Г. Уинн-Уильямсу, из книги Г.В. Войткевича, 1987) А – линии атомарного водорода (2–5 мкм); В – эмиссионные полосы СО (2,3 мкм); С – комплексные источники (2—20 мкм); D – эмиссия СО (2,3–4,5 мкм), Е – мазерное излучение H -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O (1,35 см), излучение Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

; F – эмиссия СО (узкий компонент 2,6 мкм)

   Мы уже отмечали низкие кларки инертных газов. Это явление отчасти объясняется их неспособностью связываться в химические соединения и закрепляться на планете. Но содержание одного из инертных газов – аргона – систематически пополняется за счет самопроизвольно протекающей реакции превращения радиоактивного изотопа калия (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). При этом около 12 % этого изотопа превращается в аргон (Аг -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

), а около 88 % – в кальций. В результате содержание аргона примерно в 100 раз больше, чем его можно ожидать по аналогии с другими инертными газами.

Главные и рассеянные химические элементы

   Кларк – количественная характеристика химического элемента. Вместе с тем различающиеся количества разных элементов сказываются на их качественно неодинаковой роли в литосфере. Как видно из данных табл. 2 основная масса литосферы слагается ограниченным числом элементов, имеющих кларки более 0,1 %. Их называют главными. Они образуют природные химические соединения – минералы, слагающие горные породы.
   Элементы с низкими кларками преимущественно распылены, рассеяны в массе химических соединений главных элементов и поэтому получили название рассеянных (синонимы: редкие, следовые, микроэлементы). Рассеяние химических элементов как особое состояние химических элементов было установлено знаменитым российским ученым В.И. Вернадским в 1909 г.
   Как известно, для образования любого химического соединения требуется концентрация исходных компонентов не меньше минимальной, ниже которой реакция невозможна. Исследователь, экспериментируя в лаборатории, может использовать исходные реактивы в любом количестве, необходимом для того, чтобы реакция произошла и образовалось желаемое соединение. Иное дело в природных условиях, где способность к минералообразованию в известной мере зависит от величины кларка: наибольшая вероятность достаточно высоких концентраций у элементов с высоким кларком. Естественно, что соединений этих элементов в земной коре очень много. Так, число минералов кремния – 500, алюминия и железа – около 350 каждого. Другая ситуация с низкокларковыми элементами. Они способны образовывать минералы только при очень высокой концентрации. Это возможно лишь в особых, более или менее редких условиях. Поэтому способность к минералообразованию рассеянных элементов неодинакова. Одни из них могут на небольших участках сильно увеличивать концентрацию и в определенных условиях даже приобретать значение главных элементов. В этом случае возникают их минералы. Другие очень редко или почти никогда не достигают необходимого уровня концентрации, при котором происходит образование их соединений. Прямая пропорциональность между величиной кларков и числом минералов отсутствует. Например, медь, кларк которой в 100 раз меньше кларка титана, образует в 2 раза больше минералов. Мышьяка содержится в земной коре примерно в 500 раз меньше, чем марганца, но первый образует одинаковое с этим элементом количество минералов. Ртути в земной коре в 1000 раз меньше, чем хрома, но количество минералов этих двух элементов почти одинаково.
   Со способностью к образованию самостоятельных минералов отчасти связаны наши обыденные представления о редкости или распространенности элементов. Эти представления часто не соответствуют фактическому соотношению кларков. Содержание галлия в земной коре в 300 раз больше, чем ртути. Но минералы галлия очень редки, а главный минерал ртути – киноварь – встречается во многих местах. Люди давно обратили на него внимание и научились извлекать из него всем хорошо известную металлическую ртуть.
   Имея в виду силикатный состав земной коры, ее часто сравнивают со шлаком, который образуется при плавке руды. Эта аналогия очень условна. Земная кора не просто легкая силикатная масса, отделившаяся от более тяжелых компонентов при расплавлении. В отличие от шлака, земная кора имеет кристаллическое строение. Основная масса (более 80 %) твердой оболочки Земли сложена силикатами главных элементов: алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия. Примерно 12 % массы коры составляет кварц (SiO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Силикатный состав и кристаллическое строение вещества земной коры играют особую роль в дифференциации элементов с малыми кларками. При этом сказываются уже не особенности строения ядер, а электронных оболочек атомов.
   Образование любых соединений, в том числе минералов, определенным образом регламентируется химическими свойствами элементов, из которых образуются эти соединения. Химические же свойства элементов обусловлены строением их электронных оболочек (энергетических уровней), главным образом внешней. Как известно, у атома на внешнем уровне может быть от одного до восьми электронов. Атомы всех элементов, кроме благородных газов, имеют незавершенные уровни и стремятся к их завершению. Это и осуществляется при образовании химических соединений. Имеется несколько типов химической связи. В минералах, из которых состоит земная кора, наиболее распространены сложные комбинации ионной и ковалентной связи.
   Строение энергетических уровней определяет не только химические свойства элементов, но и размер их атомов. Вокруг ядра имеется объем, внутрь которого другой атом не может проникнуть при химической реакции. Объем оценивается величиной радиуса, измеряемого нанометрами – миллиардными долями метра (10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м).
   Подавляющая часть массы земной коры имеет кристаллическое строение. Кристаллы состоят из бесконечно повторяющихся в определенном порядке атомов или ионов. Хотя связь химических элементов в породообразующих минералах сложная, ковалентно-ионная, известный норвежский геохимик В.М. Гольдшмидт предложил эту связь рассматривать как чисто ионную. Согласно концепции этого ученого, в кристаллохимических структурах ионы ведут себя как жесткие сферы (твердые шары). Поэтому радиус каждого конкретного иона рассматривается как постоянная величина.
   Главная особенность ионов в кристаллохимических структурах заключается в том, что радиусы отрицательно заряженных ионов (анионов) значительно больше радиусов положительно заряженных ионов (катионов). Представим себе анионы в виде крупных шаров, а катионы – в виде мелких. Тогда моделью кристаллического вещества с ионным типом связи будет пространство, заполненное плотно прилегающими большими шарами – анионами, между которыми должны размещаться мелкие шарики – катионы. Поразительная картина обнаруживается при пересчете химического состава земной коры на атомные объемы, исходя из взглядов Гольдшмидта о ионных радиусах: ионы кислорода занимают более 91 % объема. Земная кора оказывается состоящей из сплошного каркаса анионов кислорода, в пустотах которого располагаются мелкие катионы кремния и других элементов. По представлениям Гольдшмидта, этот каркас играет роль своеобразного геохимического фильтра, способствующего дифференциации химических элементов по величине их ионов.
   То обстоятельство, что породообразующие минералы состоят из ограниченного количества химических элементов, не означает простоты их кристаллохимического строения. Структуры силикатов очень разнообразны. Их основу составляют группировки из четырех анионов кислорода, окружающих катион кремния. Четыре отрицательные валентности такого кремнекислородного тетраэдра уравновешиваются дополнительными катионами или используются для комбинирования в кольца, цепочки, ленты, слои и трехмерные группы. Катионы, уравновешивающие отрицательный заряд этих групп, имеют вполне определенную величину радиуса. Следовательно, если существует конкретная кристаллохимическая структура, то в нее могут войти не любые элементы, а лишь те, ионы которых имеют соответствующую величину радиуса.
   Образование распространенных минералов сопровождается: своего рода сортировкой рассеянных элементов. Для пояснения этого процесса обратимся к распространенному минералу – полевому шпату. Его кристаллохимическая структура образована группировками, состоящими из трех катионов кремния и одного алюминия, каждый из которых связан с четырьмя анионами кислорода. Группировка в целом представляет собой комплексный анион, который имеет восемь ионов кислорода, три – кремния и один – алюминия. Это создает один отрицательный заряд, который уравновешивается одновалентным катионом калия. В итоге существует трехмерная структура, состав которой отвечает формуле: К[АlSi -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

0 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

]. Величина радиуса иона калия составляет 0,133 нм. Его место в структуре может занять только катион с близкой величиной радиуса. Таковым является двухвалентный катион бария, радиус которого равен 0,134 нм. Барий значительно менее распространен, чем калий. Обычно он присутствует в виде незначительной примеси в полевых шпатах. Только в особых случаях создается его значительная концентрация и образуется редкий минерал цельзиан (бариевый полевой шпат), имеющий формулу Ba[Al -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

Si -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

0 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

]. Подчеркнем, что главное условие вхождения бария в структуру полевых шпатов – величина ионного: радиуса, а не валентность.
   Аналогичным образом в распространенных минералах и горных породах избирательно задерживаются химические элементы, концентрация которых не так велика, чтобы они могли образовывать самостоятельные минералы. Взаимное замещение ионов в кристаллической структуре благодаря близости их радиусов называется изоморфизмом. Это явление было установлено еще в начале прошлого века, но его значение для глобальной дифференциации рассеянных химических элементов получило оценку только в текущем столетии.
   Различные химические свойства элементов с низкими кларками, неодинаковая их способность к образованию минералов и непостоянное содержание позволяют заключить, что в земной коре имеются различные формы нахождения рассеянных элементов.
   Относительно грубодисперсные проявления рассеяния характеризуются микрообразованиями химических соединений рассеянных элементов. К ним относятся мельчайшие включения акцессорных минералов, содержащиеся в таком незначительном количестве, что не оказывают влияния ни на состав, ни на свойства горных пород. В такой форме часто присутствуют циркон Zr[Si0 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

], рутил ТiO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, апатит Са -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

[РО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

] -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

F хромит Fe[Cr -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

0 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

], присутствие которых обусловливает примесь соответственно циркония, титана, фосфора, фтора, хрома. В некоторых минералах находятся соединения, обособившиеся от основной массы при понижении температуры (так называемые структуры распада твердого раствора). Примером служит эмульсионная вкрапленность халькопирита (CuFeS -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) и станнина (Cu -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

FeSnS -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) в сфалерите (ZnS), мелкие выделения минералов серебра в галените (PbS). Часть элементов-примесей содержится в маточных растворах, сохранившихся в микропустотах минералов.
   Проявление рассеяния на наиболее высокодисперсном, атомарном уровне фиксируется в виде перераспределения изолированных атомов и ионов. Если величина их радиусов соответствует параметрам кристаллохимической структуры породообразующих минералов, то атомы могут войти в структуры по законам изоморфизма, как это рассмотрено выше. Наряду с этим в минералах постоянно присутствуют элементы-примеси, не имеющие никакой связи с изоморфизмом. Установлено, что в кварце постоянно присутствуют свинец, цинк, некоторые другие металлы. Невозможно предполагать их изоморфное вхождение в структуру кварца, образованную комбинацией ионов кремния и кислорода. В этом случае элементы-примеси частично сорбированы на поверхности ультрамикроскопических трещин и других дефектов реальных кристаллов. Содержание этой формы довольно значительно и достигает 10–20 % общего количества рассеянных металлов, находящихся в породообразующих силикатах. Наконец, небольшое количество атомов беспорядочно рассеяно в кристаллических структурах минералов.
   В итоге проведенного обзора можно констатировать следующие формы нахождения рассеянных элементов в кристаллическом веществе земной коры.
   Микроминералогические формы – элементы:
   • входящие в акцессорные минералы;
   • содержащиеся в микроскопических выделениях в результате распада твердых растворов;
   • находящиеся во включениях остаточных растворов.
   Неминералогические формы – элементы:
   • сорбированные поверхностью дефектов реальных кристаллов;
   • входящие в структуру минерала-носителя по законам изоморфизма;
   • находящиеся в структуре минерала-носителя в неупорядоченном состоянии.
   Минералы, которые мы обычно воспринимаем как природные химические соединения, вместе с тем являются носителями рассеянных элементов. По этому поводу В.И. Вернадский указывал, что за элементами, учитываемыми химическими формулами минералов, находятся мириады рассеянных атомов. Земная кора в целом выступает перед нами как глобальный геохимический фильтр, в котором происходила сортировка и перераспределение атомов химических элементов.

Геохимическая неоднородность земной коры

   Химические элементы находятся в земной коре в двух главных состояниях. Первое отвечает прочному связыванию атомов в кристаллические структуры с определенным соотношением их образующих химических элементов. Второе состояние характеризуется разреженным, но повсеместным распространением рассеянных атомов в кристаллическом веществе. Важной геохимической особенностью земной коры является то, что, независимо от состояния, распределение химических элементов в пространстве очень непостоянно.
   Главные химические элементы образуют минералы, слагающие горные породы. Последние сложено сочетаются в тектонических структурах земной коры. Смена типов горных пород сопровождается изменением концентрации главных элементов. Не менее сильным колебаниям подвержена величина концентрации элементов с низкими кларками. Сочетание всех ранее рассмотренных форм нахождения рассеянных элементов сильно меняется в зависимости от многих факторов. Соответственно меняется суммарное содержание элементов в разных участках земной коры. Поэтому для объективной оценки распределения их концентраций в пространстве необходимы методы математической статистики.
   Прежде всего, необходимо выяснить закон распределения содержаний. Как отмечалось выше, большое количество независимых причин вызывает варьирование содержания элемента в разных пробах. Когда распределение величины определяется достаточно большим числом примерно равнодействующих и взаимно независимых причин, то распределение подчиняется так называемому нормальному закону Гаусса. Его графическим выражением является кривая с симметричными ветвями по обе стороны максимальной ординаты. При нормальном распределении наиболее вероятным значением служит среднее арифметическое (х), которое совпадает с наиболее часто встречающимися значениями (модой). Растянутость симметричной кривой по оси абсцисс, т. е. разброс значений в большую и меньшую стороны от моды, характеризуется средним квадратичным отклонением, которое обозначается о.
   Нормальное распределение может также проявляться не для численного значения содержания элемента, а для его логарифма. Это называется логарифмически нормальным (логнормальным) законом распределения. В этом случае мода совпадает со средним геометрическим, а разброс значений характеризуется логарифмом о.
   В 1940 г. Н.К. Разумовский чисто эмпирически обнаружил, что содержание металлов в рудах соответствует логарифмически нормальному распределению. Л. Х. Аренс в 1954 г., обработав обширный материал, независимо от Разумовского, установил, что распределение рассеянных элементов в магматических породах приближается к логарифмически нормальному закону. Многочисленные факты указывают на то, что распределение элементов с высокими кларками обычно подчиняется нормальному закону, а рассеянных – логнормальному (рис. 4). Этим еще раз подчеркивается принципиальное различие главных и рассеянных элементов.

   Рис. 4. Распределение концентраций химических элементов:
   а – нормальное распределение Al -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в ледниковых глинах Норвегии; б – логарифмически-нормальное распределение никеля в четвертичных отложениях Хибин (1) и Мончетундры (2)

   Хотя нормальный и логнормальный – наиболее распространенные законы распределения химических элементов в земной коре, встречаются случаи и более сложных функций. Обычно это связано со взаимным наложением нескольких природных процессов.
   Среднее содержание химического элемента представляет собой норму, так называемый геохимический фон для данного типа пород в определенном районе. Отклонения от среднего значения в большую сторону указывают на тенденцию к аккумуляции элемента, а в меньшую – на усиление его рассеяния. Используя статистическую обработку массовых аналитических данных, во-первых, можно обнаружить участки повышенных концентраций и ореолы рассеяния месторождений; во-вторых, статистический анализ дает возможность установить закономерные изменения величины геохимического фона в пространстве и выявить геохимические провинции. В пределах этих провинций горные породы одного типа обладают выдержанными статистическими параметрами, в первую очередь величиной среднего содержания одного, или нескольких рассеянных элементов. Однотипные породы разных геохимических провинций могут различаться величиной среднего содержания некоторых рассеянных элементов в несколько раз. При этом химический состав этих пород, определяемый содержанием главных элементов, остается одинаковым или имеет очень слабые отличия. Например, в гранитах разных провинций, имеющих практически одинаковое количество кремния, алюминия, железа, концентрация олова, свинца, молибдена, урана может различаться в 2–3 раза. Это еще раз указывает на принципиальное различие элементов с высокими и низкими кларками.
   Кларк – это интегрированная величина, характеризующая общий уровень концентрации элемента. В реальных объектах встречаются постоянные отклонения от этой величины как в сторону меньших, так и больших значений. Аккумуляции некоторых необходимых для промышленности элементов (например, металлов) могут быть такими, что их экономически выгодно и технически возможно разрабатывать. В этом случае мы имеем дело с месторождениями руд.
   Способностью создавать очень высокие концентрации на небольших участках обладают только рассеянные элементы. Если максимальная степень концентрации металлов с высоким кларком (более 1 %) может достигать 10–20, то для металлов с низким кларком эта величина обычно составляет несколько сотен или даже тысяч. Степень концентрации рассеянных металлов в рудах промышленных месторождений может быть охарактеризована следующими показателями:
   Марганец, медь, цинк, ванадий, ниобий…… n·100
   Свинец, никель, литий, олово, вольфрам,
   бериллий, уран, хром……………………………….. n·100—1000
   Золото, молибден, кобальт……………………….. n·1000—10000
   Ртуть, сурьма……………………………………………. n·10000—100000
   В месторождениях сосредоточены громадные количества металлов. По состоянию на 1976 г. общемировые запасы руд (без данных для СССР и социалистических стран) составляли (в млн т): меди – 465; цинка – 214; свинца – 135; никеля – 96; молибдена – 8,4; олова– 6,7; кобальта – 4,0; сурьмы – 1,6; ртути – 0,4. В связи с этим возникает вопрос: не сконцентрирована ли основная масса металлов в месторождениях руд?
   Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо оценить массу этих металлов, находящихся в земной коре или хотя бы в ее верхней части, в «гранитном» слое.
   Приведенные в табл. 3 данные свидетельствуют о том, что только в километровом слое верхней части земной коры континентов содержатся такие количества металлов в рассеянном состоянии, по сравнению с которыми их массы, сконцентрированные в месторождениях руд, составляют тысячные доли процента.

   Таблица 3
   Соотношение масс рассеянных металлов и их рудных концентраций

Следовательно, основная масса металлов с низкими кларками находится в рассеянном состоянии, а в месторождениях руд сконцентрирована лишь ничтожно малая часть их массы.
Участки высоких (рудных) концентраций связаны с окружающими горными породами постепенными переходами. Рудные тела находятся как бы в чехле постепенно убывающей концентрации металлов. Такие образования получили название ореолов рассеяния. Первичные, так называемые сингенетические рудные ореолы возникают одновременно с рудными телами и в результате одних и тех же процессов. Они имеют разнообразную конфигурацию в зависимости от геологического строения, состава вмещающих пород и условий рудообразования (рис. 5).

   Рис. 5. Эндогенные ореолы рассеяния металлов вокруг рудных тел:
   1 – рудные тела; 2 – внутренняя часть ореола с повышенной концентрацией металлов; 3 – наружная часть ореола с ослабленной концентрацией; 4 – тектонические нарушения

   В рудах наряду с одним или несколькими главными рудообразующими элементами присутствуют сопутствующие элементы, концентрация которых также повышена, хотя и не так сильно, как главных. Элементы-спутники часто образуют изоморфные замещения главных. Например, в цинковых рудах постоянно содержится кадмий, в меньшем количестве – индий, галлий, германий. В медно-никелевых рудах присутствует значительная примесь кобальта, в меньшем количестве – селена и теллура. Все эти сопутствующие элементы также рассеиваются вокруг рудных тел. Обладая неодинаковой геохимической подвижностью, они образуют переходные зоны разной протяженности. В итоге состав и строение ореолов рассеяния очень сложны.
   Изложенный материал свидетельствует о неравномерном распределении рассеянных элементов в земной коре. Поэтому наряду с определением кларков, т. е. величины средней концентрации элементов в земной коре в целом, необходимо учитывать способность их концентрироваться или рассеиваться в различных объектах – разных типах горных пород или в однотипных породах, но находящихся в разных геохимических провинциях, в рудах и пр. Чтобы количественно оценить неоднородность распределения химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский ввел специальный показатель – кларк концентрации (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Его величина характеризует отклонение содержания элемента в данном объекте от кларка:

   где А – содержание химического элемента в горной породе, руде, минерале и пр., К – кларк этого элемента в земной коре.
   Если кларк концентрации больше 1, то это указывает на обогащение элементом, если меньше – означает снижение его содержания по сравнению с данными для земной коры в целом.
   Отклонение от нормы (кларка местного геохимического фона), повышенная и пониженная концентрация химических элементов на некоторых участках – не отдельные исключения, а характерная черта геохимии земной коры. Это имеет очень важное значение, так как кора служит основанием, на котором формируются природно-территориальные комплексы. Неодинаковые уровни концентрации рассеянных элементов в разных геохимических провинциях, наличие природных геохимических аномалий с очень высокой концентрацией элементов играли не последнюю роль в формообразовании и эволюции органического мира.

Контрольные вопросы

   1. Дайте определение термина «кларк химического элемента».
   2. Перечислите главные закономерности содержания химических элементов в земной коре.
   3. Расскажите о принципах геохимической классификации химических элементов.
   4. Каковы принципиальные различия главных и рассеянных химических элементов?
   5. Каким ученым разработано представление о рассеянном состоянии химических элементов?
   6. Какой смысл имеет геохимический параметр «кларк концентрации» (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Напишите его формулу.
   7. Каковы закономерности варьирования содержания химических элементов в земной коре?
   8. Дайте определение понятиям «геохимический фон», «геохимическая провинция», «геохимическая аномалия».

Задания для самостоятельной работы

   1. Рассчитайте кларки концентрации тяжелых металлов для распространенных типов магматических пород.
   2. По имеющимся данным постройте гистограммы распределения содержания двух химических элементов, определите их среднее арифметическое и модальное значения.
   3. Изложите историю открытия рассеянного состояния химических элементов.

Глава II
СОСТАВ И ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ГИДРОСФЕРЫ

Кларки Мирового океана

   Основную массу водной оболочки Земли образуют соленые воды Мирового океана. Их объем примерно равен 1370 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, в то время как объем всех вод суши (включая ледники и подземные воды до глубины 5 км) менее 90 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Так как океанические воды составляют около 93 % всех вод географической оболочки, можно считать, что их химический состав определяет основные черты состава гидросферы в целом.
   Химические элементы в гидросфере, так же как и в земной коре, представлены разнообразными формами нахождения, геохимия которых неодинакова. Наиболее характерные для гидросферы формы – простые и сложные ионы, а также молекулы, находящиеся в состоянии сильно разбавленных растворов. Весьма распространены ионы, сорбционно связанные с частицами коллоидных и субколлоидных размеров, находящиеся в морской воде в виде тонкой взвеси. Третью группу форм составляют элементы, входящие в состав мертвого органического вещества. Значительная масса химических элементов связана в живых организмах, населяющих Мировой океан. Элементы могут переходить из одной формы нахождения в другую. Например, ион, находящийся в растворе, может быть сорбирован частицей взвеси и в дальнейшем разделяет судьбу взвешенных частиц и не подчиняется законам растворов.
   Обратимся к элементам и соединениям, находящимся в океанической воде в растворенном состоянии. Общее количество растворенных соединений в морской воде называется соленостью (ее обозначают заглавной буквой латинского алфавита S). Соленость в поверхностных слоях океанов и окраинных морей колеблется от 3,2 до 4,0 %, т. е. в 1 кг воды содержится 32–37 г растворимых солей. Во внутриконтинентальных морях соленость меняется более сильно. В среднем соленость вод океана равна 33%о [1 - Содержание солей в морской воде измеряется в тысячных долях (промиллях), которые обозначаются знаком ‰.]. Нетрудно подсчитать, сколько всего растворенных солей в Мировом океане. Суммарный объем вод океана 1370 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, т. е. 1370-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

л. Так как в каждом литре содержится в среднем 35 г солей, то во всем объеме океанических вод будет 1370-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-35 г = 47950-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

г = 47950-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, или округлено около 50–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Еще в середине прошлого века ученые обнаружили замечательную геохимическую особенность океанической воды. Эта особенность заключается в том, что, несмотря на колебания солености, соотношение главных ионов остается постоянным. Солевой состав океана является своего рода геохимической константой.
   Как видно из табл. 4, основную массу солей составляют хлориды распространенных щелочных и щелочно-земельных элементов, меньше содержится сульфатов, еще меньше – бикарбонатов (и карбонатов). Кроме главных анионов и катионов, в морской воде присутствуют в растворенном состоянии элементы-примеси. Их концентрация на три математических порядка ниже, чем в горных породах, и измеряется не в миллиграммах/килограмм (1-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%), а в микрограммах/литр (1-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%). В качестве примесей выступают как главные элементы земной коры (например, алюминий, железо), так и элементы с малыми кларками (рассеянные). Несмотря на незначительное содержание и большие трудности анализа, в результате настойчивой работы ученых многих стран был накоплен обширный аналитический материал по содержанию элементов в воде морей и океанов. Наиболее обоснованные значения были опубликованы Э.Д. Голдбергом (1963), А.П. Виноградовым (1967), Б. Мейсоном (1971), Р. Хорном (1972), А.П. Лисициным (1978), К.Н. Турекианом (1969). В табл. 4 использованы данные преимущественно двух последних авторов.

   Таблица 4
   Содержание растворимых форм химических элементов в Мировом океане

Для определения некоторых геохимических показателей необходимо знать концентрацию элементов не только в морской воде, но также в твердой фазе растворимых веществ, т. е. в сумме солей морской воды. В таблице приведены соответствующие данные, для расчета которых величина средней солености принята равной 35 г/л. Исходя из данных о средней концентрации элементов в воде, рассчитана также общая масса каждого элемента, находящегося в растворенном состоянии во всем объеме Мирового океана. Из приведенных в таблице материалов следует, что многие химические элементы содержатся в океане в огромном количестве. Массы хлора и натрия оцениваются десятками тысяч триллионов тонн, серы и магния – тысячами триллионов тонн, кальция и калия – сотнями триллионов тонн. Кремния растворено в воде около 4 трлн т (в пересчете на SiO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– более 8 трлн т). Помимо главных элементов, в воде морей и океанов растворены триллионы тонн бора, стронция, брома, фтора. В значительном количестве присутствуют литий, рубидий, иод, барий. Их концентрация превышает 10 мкг/л, а их массы, растворенные в океане, составляют сотни и десятки миллиардов тонн. Часть рассеянных в воде металлов имеет концентрацию 1—10 мкг/л, а их массы оцениваются миллиардами тонн. Таковы молибден, цинк, уран, ванадий, титан, медь. Другие металлы имеют концентрацию в сотые и десятые доли мгк/л, а растворенную массу в сотни миллионов тонн каждый. Эту группу составляют никель, марганец, кобальт, серебро, хром, ртуть, кадмий. В то же время железо и алюминий, играющие роль главных элементов в земной коре, в Мировом океане присутствуют в меньшем количестве, чем молибден и цинк. В наименьшем количестве в гидросфере растворены такие элементы, как ниобий, скандий, бериллий, торий.

Состав речных вод

   Обратимся к источникам поступления растворимых соединений в Мировой океан. Его объем беспрестанно пополняется за счет речного стока, который оценивается величиной 37 тыс. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в год и стока ледников (около 7 тыс. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в год). Следовательно, менее чем за 50 тыс. лет в океан поступает столько же воды, сколько в нем имеется в настоящее время. Разумеется, круговорот воды обеспечивает примерно постоянный объем океана. Вместе с водой поступают растворенные вещества. Геохимия морских и речных вод неразрывно связана. Вовлечение рассеянных элементов в водную миграцию на суше является первым этапом этого взаимодействия.
   В речных водах содержатся разнообразные растворимые формы химических элементов. Текучие воды на поверхности суши обычно имеют величину рН от 4,5 до 8,5. При таких значениях рН многие металлы (цинк, хром, медь, бериллий, свинец, кадмий, никель, кобальт и др.) могут находиться в растворенном состоянии в форме ионов, выпадать в осадок и вновь переходить в раствор. Но их фактическое содержание в природных водах так незначительно, что регулирующее действие рН не сказывается.
   Концентрация металлов в чистой речной воде часто ниже их содержания в растворах после осаждения гидроксидов. В некоторых случаях, когда образуются ничтожно малые количества нерастворимых гидроксидов металлов, они находятся в виде субколлоидных сгустков, которые не выпадают в осадок, а в состоянии разбавленных коллоидных растворов активно мигрируют. В то же время находящиеся в растворе элементы могут активно сорбироваться гелями соединений макроэлементов (в первую очередь гидроксидами железа), высокодисперсными частицами глин и осаждаться в таких условиях, в которых теоретически этого не должно быть.
   Значительная часть рассеянных металлов присутствует в природных водах не в виде простых ионов, а в форме комплексных соединений. В этом случае устойчивость элементов в растворе сильно возрастает и не ограничивается теми щелочно-кислотны-ми и окислительно-восстановительными условиями, в которых может находиться в растворе простой ион. Весьма важное значение для водной миграции имеют комплексные органические, особенно внутрикомплексные (хелатные) соединения металлов.
   Геохимические и биоклиматические различия водосборных площадей и разнообразие форм химических элементов обусловливают сильную вариацию их концентраций в речных водах. Поэтому определение величины средней концентрации элементов в водах суши еще более условно, чем в океане. Наиболее обоснованные данные (А.П. Виноградов, 1967; А.П. Лисицин, 1978; Д. Голдберг, 1965; X. Боуэн, 1966; К. Турекиан, 1969) использованы нами для расчетов, приведенных в табл. 5. Минерализация воды в реках сильно меняется, поэтому средняя величина минерализации речных вод мира разными авторами определяется неодинаково. В соответствии с данными Д.А. Ливингстона (1963) мы приняли среднюю, равную 120 мг/л. Исходя из этой цифры и объема годового стока воды, количество растворенных соединений, ежегодно поступающих в систему Мирового океана, составляет около 4,9 млрд т. Масса элементов в пересчете на 120 мг/л сухого остатка приведена в третьей графе табл. 5.
   Хотя общая минерализация пресных вод значительно меньше морских, глобальный вынос химических элементов в растворенном состоянии с суши весьма значителен. Для кальция, натрия, магния, кремния, хлора, серы он равен сотням миллионов тонн, для калия – десяткам, для фтора, стронция, фосфора – нескольким миллионам тонн в год. Бром, иод, бор, а также цинк, марганец, медь, железо, алюминий выносятся водами суши в количестве сотен тысяч тонн в год. Значительная часть других металлов удаляется с водным стоком в количестве десятков тысяч тонн ежегодно. Лишь для некоторых элементов масса годового выноса измеряется тысячами тонн. Таковы кадмий, селен, торий, ртуть, галлий.

   Таблица 5
   Содержание растворимых форм химических элементов в речных водах и интенсивность их вовлечения в водную миграцию

   Представление о выносе растворенных масс элементов со всей суши мира должно быть дополнено характеристикой степени интенсивности их вовлечения в водную миграцию. Б.Б. Полынов в 1933 г. показал, что интенсивность водной миграции элемента определяется не его содержанием в воде, а отношением концентраций в воде и в дренируемой горной породе. А.И. Перельман в 1956 г. предложил для этой цели использовать коэффициент водной миграции К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, который равен отношению концентраций элемента в сухом остатке воды и в породе. Оценивая интенсивность вовлечения элемента в водную миграцию в глобальном масштабе, необходимо рассчитать отношение среднего содержания элемента в твердом остатке речных вод к его кларку в гранитном слое континентов.
   Произведенные расчеты показывают, что степень вовлечения элементов в водную миграцию не пропорциональна величине их масс, выносимых с речным стоком. Так, магний и натрий выносятся в количестве сотен миллионов тонн в год, а цинк и медь на три математических порядка меньше. В то же время интенсивность их вовлечения в водную миграцию имеет один порядок. Весьма активно вовлекаются в миграцию элементы, масса выноса которых очень мала: ртуть, кадмий, селен. Наиболее активными водными мигрантами в глобальном плане являются хлор, сера (в форме сульфат-иона), иод, бром, т. е. элементы, особенно характерные для морской воды. К выяснению причин столь активного участия элементов Мирового океана в стоке с мировой суши мы вернемся в следующей главе, посвященной геохимии атмосферы.
   По интенсивности вовлечения в водную миграцию химические элементы группируются следующим образом:
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 100n : Cl;
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 10n : N, S, J, Вr, Ag, Sb, Hg, Se, Cd;
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= n : As, B, Mo, Ca, Zn, Sr, Cu, Mg, Na, Sn, F;
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 0,1n : U, P, Ni, Li, Pb, K, Co, Ba, Cr, Y, Si, Fe, Mn, V, Zn;
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 0,01n : Th, Al, Ga, Sc, Ti.
   Все рассмотренные выше данные относятся исключительно к элементам, находящимся в растворенном состоянии. Но значительно большие их количества переносятся не в растворе, а вместе со взвешенными в воде механическими частицами. Исследования А.П. Лисицина показали, что основная масса рассеянных элементов, переносимых речными водами, связана со взвесями. В речном стоке в таком состоянии находится свыше 98 % массы титана, скандия, ниобия, галлия, ванадия, хрома, от 90 до 98 % – кобальта, никеля, рубидия, иттрия, циркония, бария и тория. Из данных табл. 6 видно, что даже элементы, обладающие высокой интенсивностью водной миграции в растворенном состоянии, и те преимущественно мигрируют не в растворе: 70–80 % всей массы меди, цинка, молибдена, серебра и стронция переносятся реками вместе с механической взвесью.
   Важно отметить, что относительное содержание химических элементов в речных взвесях не соответствует кларкам земной коры. Следовательно, взвешенное вещество рек – не механически измельченный материал земной коры, а результат его определенного преобразования.
   В водную миграцию на суше вовлекаются химические элементы, не захваченные в биологический круговорот. Возможно, что вынос значительных масс тяжелых металлов, прочно фиксированных на дисперсных продуктах выветривания и почвообразования, является одним из механизмов предохранения живого вещества суши от избыточных масс этих элементов.
   На участках высоких концентраций рассеянных химических элементов в горных породах поверхностные воды обогащаются элементами, присутствующими в избытке. Так образуются природные гидрогеохимические аномалии. Особенно заметное обогащение происходит в тех случаях, когда поверхностные и грунтовые воды контактируют с сульфидными рудами. Окисление сульфидов железа сопровождается гидролизом сульфатов, выпадением гидроксидов железа и образованием серной кислоты, которая усиливает растворяющую способность воды. Образующиеся при окислении сульфидов цинка, меди, никеля сульфаты хорошо растворимы, и поэтому эти металлы активно вовлекаются в водную миграцию.
   В результате реакций с другими растворенными соединениями и взаимодействия с поверхностью взвешенных частиц значительная часть мигрирующих металлов относительно быстро выводится из раствора, и их концентрация достигает уровня местного геохимического фона. По этой причине протяженность природных гидрогеохимических аномалий в речных водах небольшая и редко превышает несколько сотен метров.

   Таблица 6
   Вынос химических элементов, содержащихся во взвешенном веществе воды рек

На значительно большее расстояние – до нескольких километров – распространяются аномально высокие концентрации в донных осадках, представляющих собой осажденные частицы водных взвесей. Определение металлов в воде небольших водотоков и особенно в их донных отложениях успешно использовалось при рекогносцировочных геохимических поисках месторождений руд во многих районах нашей страны, а также в Канаде, США, Англии, Замбии, Уганде, на Филиппинах и в других странах.

Трансформация состава речных вод на контакте река – море

Огромные массы вещества, выносимого реками с суши, выпадают в пределах шельфа в приконтинентальных морях в результате механических, химических и биологических процессов. Вместе с осаждением относительно крупных обломков и соединений главных элементов осаждаются рассеянные металлы, часто образующие крупные месторождения. Значительная часть запасов руд марганца, меди, ванадия и некоторых других металлов имеет осадочное происхождение. Еще большее количество металлов выпадает в рассеянном состоянии, соосаждаясь с распространенными соединениями. Например, быстрое разрушение комплексных железоорганических соединений в щелочной морской воде и энергичное осаждение образовавшихся сгустков гидрооксидов железа сопровождается одновременным осаждением скандия, кобальта, никеля, меди, ванадия и др. При осаждении фосфатов накапливается другой комплекс рассеянных элементов. Таким образом, периферийная зона Мирового океана служит глобальной геохимической ловушкой, задерживающей большую часть вещества, сносимого с континентов. Тем не менее крупные массы рассеянных элементов проходят этот фильтр и поступают в открытый океан.
При сопоставлении элементного состава континентальных и океанических вод хорошо видно 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 рис. 6.

Рис. 6.Соотношение средних концентраций химических элементов в речных и океанских водах

Трансформация состава при переходе речных вод в океанические отражается не только на изменении концентрации элементов, но и на их соотношениях. Давно было замечено, что концентрация многих тяжелых металлов в океанической воде ниже, чем в речной. Однако то обстоятельство, что наряду с уменьшением абсолютного содержания металлов коренным образом меняется их соотношение, долгое время не было оценено. Тот факт, что концентрация железа в океанической воде по сравнению с речной меньше почти в 200 раз, в то время как концентрация меди – только в семь, а цинка – в четыре, означает относительное обогащение океанической воды двумя последними металлами. Хотя осаждение основной массы растворимого железа при поступлении речных вод в бассейн Мирового океана и вызывает разное возрастание относительной концентрации почти всех других элементов, но их соотношение в океанической воде не остается неизменным. Наиболее сильно возрастает относительная концентрация у тех элементов, у которых значительно увеличивается абсолютная концентрация в океане (бром, бор, иод, стронций). У молибдена, ртути, урана абсолютная концентрация увеличивается всего в несколько раз, но относительная – в тысячи. Так же сильно возрастает относительная концентрация мышьяка, сурьмы, серебра, кадмия, селена, хотя их абсолютная концентрация в морской воде ниже, чем в речной, или почти одинакова, как у мышьяка. Относительная концентрация слабо изменяется лишь у тех элементов, которые при поступлении речных вод столь же активно, как железо, осаждаются в периферийной зоне Мирового океана. Таковы торий, скандий, цирконий, титан, иттрий и марганец.

Процессы выведения растворенных рассеянных элементов из океана

   Неотъемлемой частью океанической воды являются мелкие механические взвеси. Наиболее дисперсные частицы, вынесенные с суши и не осевшие в приконтинентальной зоне, во взвешенном состоянии переносятся на большие расстояния. К ним добавляются тонкие продукты вулканических выбросов и атмосферной пыли, а также остатки планктонных организмов в виде карбонатных и опаловых панцирей, органического вещества. Нерастворимые взвеси являются не только носителями крупных масс рассеянных элементов, но и активными сорбентами. Медленно опускаясь сквозь толщу воды, высокодисперсные частицы сорбируют рассеянные элементы, способствуя их удалению из океана и длительному захоронению в донных осадках. Часть элементов предохраняется от выведения в осадок благодаря их захвату организмами планктона и систематическому вовлечению в биологический круговорот. В силу этого содержания многих рассеянных элементов в поверхностном слое океана больше, чем в более глубоких слоях.
   Среди пелагических илов (глубоководных отложений океана) можно выделить две группы. Первые состоят преимущественно из биогенных образований планктона, вторые образованы в основном частицами небиогенного происхождения. В первой группе наиболее распространены известковые (карбонатные) илы, во второй – глинистые илы. Карбонатные илы занимают около трети площади дна Мирового океана, глинистые – более четверти. В карбонатных осадках возрастает концентрация не только кальция и магния, но также стронция и иода; в илах, в которых преобладают глинистые компоненты, – значительно больше металлов. Некоторые элементы очень слабо выносятся из раствора в илы и постепенно накапливаются в морской воде. Их следует называть талассофильными. Рассчитав отношение между концентрациями в сумме растворимых солей морской воды и в илах, мы получим величину коэффициента талассофильности (К), показывающего, во сколько раз данного элемента больше в солевой части океанической воды по сравнению с осадком. Талассофильные элементы, аккумулирующиеся в растворенной солевой части воды, имеют следующие значения коэффициента К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, приведенные в табл. 7.

   Таблица 7
   Значения коэффициента К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

талассофильных элементов

   Зная массу элемента в Мировом океане и величину его годового поступления, можно определить скорость его удаления из океанического раствора. Например, количество мышьяка в океане составляет примерно 3,6·109 т, с речным стоком приносится 74·103 т/год. Следовательно, за период, равный 490 тыс. лет, происходит полное удаление всей массы мышьяка из Мирового океана.
   Оценку времени нахождения элементов в растворенном состоянии в океане предпринимали многие авторы: Т.Ф. Барт (1961), Э.Д. Гольдберг (1965), Х.Дж. Боуэн (1966), А.П. Виноградов (1967) и др. Данные разных авторов имеют большие или меньшие расхождения. Согласно нашим расчетам, периоды полного удаления растворенных химических элементов из Мирового океана характеризуются следующими интервалами времени (в годах):

   n·10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: Th(l,6); Zr(3,5); Y(6,8); Al(7,7); Sc(9,3);
   n·10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: Pb(l,l); Sn(l,4); Mn(l,5); Fe(2,2); Co(3,7); Cu(4,7); Cr(7,4); Zn(9,3); Ni(9,3);
   n·10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: Sb(l,2); Ga(1.3); Ti(l,3); Ag(l,3); Se(l,7); Si(l,9); Cd(2,0); Ba(3,9); V(7,9); Hg(7,9);
   n·10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: U(2,3); Mo(3,7); J(4,7); As(4,8); F(5,4); N(6,9);
   n·l0 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: Ca(l,2); Rb(2,2); Li (3,3); Sr(4,3); S(8,3); K(6,9);
   n·10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: Mg(l,5); В(1,7); P(5,7); Na(8,9);
   n·10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и больше: Cl(l,l); Br(l,26).
   При всей ориентировочности таких расчетов порядки полученных величин позволяют выделить группы рассеянных элементов, различающихся длительностью нахождения в океаническом растворе. Элементы, наиболее интенсивно концентрирующиеся в глубоководных илах, имеют наименьшую длительность нахождения в океане. Таковы торий, цирконий, иттрий, скандий. К ним близки периоды нахождения в океаническом растворе свинца, марганца, кобальта. Большая часть металлов полностью выводится из океана на протяжении нескольких тысяч или десятков тысяч лет. Талассофильные элементы находятся в растворенном состоянии сотни тысяч лет и более.
   Совершенно особый тип аккумуляции рассеянных элементов в океане связан с формированием железо-марганцевых конкреций.
   Скопления конкреций распространены очень широко. В некоторых районах они покрывают 50 % дна и их содержание достигает 40 кг на 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. По подсчетам Дж. Л. Меро, на поверхности дна Тихого океана находится примерно 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т конкреций, причем на протяжении года их образуется около 6 млн т. Исходя из этой цифры, мы рассчитали величину годового захвата рассеянных металлов растущими конкрециями. Несмотря на ориентировочность полученных данных, очевидно, что аккумуляция металлов весьма внушительна. В процессе образования конкреций только в Тихом океане ежегодно в их состав входят извлеченные из морской воды десятки тысяч тонн никеля, кобальта, меди, титана, бария, тысячи тонн свинца, молибдена, ванадия, цинка.
   Для глобальной оценки эти цифры должны быть увеличены по крайней мере вдвое. В океане, как и на суше, возможны геохимические аномалии. Их возникновение связано с проявлением эндогенных процессов. При океанологических исследованиях были обнаружены действующие подводные вулканы и выходы гидротермальных вод, обогащенных металлами. Естественно, что вокруг таких источников формируются участки аномально высоких концентраций.
   Более обширные площади занимают так называемые металлоносные осадки. В них концентрация рассеянных металлов выше, чем в обычных донных осадках океана, хотя значительно ниже, чем в железо-марганцевых конкрециях. А.П. Лисицин, исходя из представлений глобальной тектоники плит, образование металлоносных осадков связывает с формированием океанической коры из базальтовой лавы в срединных хребтах океана. При взаимодействии горячей лавы с водой происходит частичное растворение железа и ряда других элементов (марганца, меди, никеля). В дальнейшем эти металлы соосаждаются с гелями гидроксидов железа или сорбируются другими взвешенными дисперсными частицами. Металлоносные осадки образуют линзы, пласты, а иногда протяженные пояса длиной в тысячи километров.
   В итоге действия многих факторов распределение рассеянных элементов в донных осадках Мирового океана изменяется еще более сильно, чем в покрове рыхлых переотложенных продуктов выветривания на поверхности суши.
   Значительные массы рассеянных элементов в океане связываются дисперсным органическим веществом. Его основным источником служат отмирающие планктонные организмы. Процесс разрушения их остатков наиболее активно происходит до глубины 500—1000 м. Поэтому в осадках шельфовых и неглубоких приконтинентальных морей скапливаются огромные массы дисперсного органического вещества морских организмов, к которым добавляются органические взвеси, вынесенные речным стоком с суши.
   Основная часть органического вещества океана находится в растворенном состоянии и лишь 3–5 % в виде взвеси (Виноградов, 1967). Хотя концентрация этих взвесей в воде невелика, но их общая масса во всем объеме океана весьма значительна: 120–200 млрд т. Ежегодное накопление высокодисперсного органического детритуса в осадках мирового океана по В.А. Успенскому превышает 0,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Дисперсное органическое вещество сорбирует и увлекает в осадки определенный комплекс рассеянных элементов. Об их содержании с известной условностью можно судить по микроэлементному составу крупных аккумуляций органического вещества: залежей каменного угля и нефти. Концентрация элементов в этих объектах обычно приводится по отношению к золе; не менее важны данные по отношению к исходному, неозоленному материалу.

   Таблица 8
   Средняя концентрация рассеянных элементов в каменном угле и нефти, 1—10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%

   Как видно из данных табл. 8, микроэлементный состав каменных углей и нефти принципиально различается. В нефти иное соотношение и значительно более высокая концентрация многих рассеянных элементов. Высокое содержание титана, марганца и циркония в каменных углях обусловлено минеральными примесями. Среди рассеянных металлов наибольшая концентрация характерна для цинка, хрома, ванадия, меди и свинца. Важно отметить, что в органическом веществе активно накапливаются многие токсичные элементы (мышьяк, ртуть, свинец и др.) которые беспрестанно удаляются из океанической воды. Следовательно, дисперсное органическое вещество, как и минеральные взвеси, выполняют роль глобального сорбента, регулирующего содержание рассеянных элементов и предохраняющего среду Мирового океана от опасных уровней их концентрации. Количество рассеянных элементов, связанное в дисперсном органическом веществе, весьма значительно, учитывая, что масса этого вещества в осадочных породах в сотни раз превышает суммарное количество всех залежей каменных углей, углистых сланцев и нефти. Общее количество органического вещества в осадочных породах в соответствии с данными Д. Ханта (1972), Н.Б. Вассоевича (1973), А.Б. Ронова (1976) составляет 15–20–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Массы рассеянных элементов, аккумулированные в органическом веществе осадочной толщи Земли, измеряются многими миллиардами тонн.
   Отмеченные геохимические закономерности характеризуют современное состояние Мирового океана. Несомненно, что оно является итогом длительной истории. На первый взгляд эта история достаточно проста: речные воды выносили выщелоченные из горных пород химические элементы, которые с течением времени накапливались в морской воде или выводились в осадок. Логичность такого подхода только кажущаяся, так как он не дает возможности объяснить ни образование океана, ни его солевого состава.
   Напомним, что основную массу солей морской воды составляют хлориды и сульфаты натрия, магния, кальция и калия. Такое сочетание катионогенных и анионогенных 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 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%, кларк серых – 4,7-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%). 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 горных пород. Расчеты показывают, что из того количества хлора, который в настоящее время имеется в океане, всего лишь 1/2900 часть могла быть извлечена из земной коры. По-видимому, катионы и анионы морской воды имеют разное происхождение. Помимо упомянутых хлора и серы, к анионогенным элементам относятся азот, бром, иод, бор, мышьяк, селен, молибден, серебро, ртуть. Именно для этих элементов характерно повышенное значение коэффициента водной миграции (см. табл. 5).
   В настоящее время на суше известно около 850 активных вулканов. Их еще больше на дне морей и океанов. С вулканическими газами выходят огромные массы соединений хлора, серы, фтора, брома, иода, но главным и основным компонентом этих газов служат пары воды. Проявления этих процессов в отдаленном прошлом были значительно более мощными. При выплавлении твердого вещества земной коры выносилось огромное количество паров воды и газов. Если сравнить отношение масс гидросферы и земной коры, то окажется, что вода составляет 6–7 % от массы земной коры. Примечательно, что при излиянии базальтов пары воды выделяются примерно в таком же количестве. Таким образом, выплавление первичной коры базальтового состава сопровождалось выносом паров воды, за счет которых был образован древний океан.
   Процесс дегазации мантии и поступавшего метеоритного вещества осуществлялся наиболее активно на первых этапах развития планеты. В образовавшейся газовой оболочке помимо паров воды преобладали газы типа На, HF, HJ, НВг, H -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

S, H -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, CH -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, NH -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, B(OH) -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. В дальнейшем пары воды и некоторые газы сконденсировались и образовались древняя атмосфера и первичный океан, в водах которого было растворено большое количество соляной и других кислот. По мнению одних ученых, основной объем современного Мирового океана был сформирован на первом этапе истории Земли, на протяжении 1 млрд лет. Другие предполагают, что этот процесс был более длительным. В любом случае под воздействием кислых вод гидросферы происходило энергичное выщелачивание катионов из первичной коры и в океанической воде постепенно эволюционировало соотношение анионов и катионов.
   Приведенные данные показывают, насколько тесно взаимосвязано образование трех наружных оболочек Земли. Поэтому современное геохимическое состояние Мирового океана можно понять лишь ознакомившись с геохимией атмосферы. Этой проблеме посвящена следующая глава.

Контрольные вопросы

   1. Что понимают под термином «соленость морской воды» и в каких пределах этот показатель меняется в разных точках Мирового океана?
   2. Перечислите главные катионы и анионы морской воды. Меняется ли их соотношение при изменении солености?
   3. Каковы источники поступления катионов и анионов в систему Мирового океана?
   4. Укажите отличительные особенности состава речных вод по сравнению с морскими.
   5. Как определяется интенсивность вовлечения химических элементов в водную миграцию? Напишите формулу коэффициента водной миграции (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

).
   6. Какие процессы происходят при преобразовании речной воды в морскую на контакте река – море?
   7. Каковы интервалы времени полного выведения массы («время жизни») разных химических элементов, растворенных в объеме Мирового океана?
   8. Какие химические элементы называются талассофильны ми? Приведите примеры.

Задания для самостоятельной работы

   1. Сопоставьте данные о составе рек Восточно-Европейской равнины, впадающих в Черное и Каспийское моря, и в Белое и Баренцево. Сделайте выводы об общих чертах состава речных вод и имеющихся отклонениях.
   2. По имеющимся данным рассчитайте коэффициенты водной миграции химических элементов, содержащихся в воде рек из разных районов, и сделайте выводы об общих закономерностях интенсивности водной миграции.
   3. Кратко изложите развитие взглядов на процесс формирования состава воды Мирового океана.

Глава III
ГЕОХИМИЯ АТМОСФЕРЫ И ПОНЯТИЕ О ЦИКЛАХ МИГРАЦИИ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ

Массообмен газов и паров в географической оболочке

   Газовое вещество атмосферы на 99,8 % состоит из трех химических элементов: азота (75 %), кислорода (23,01 %) и аргона (1,28 %). Кроме того, присутствуют в сильно варьирующем количестве пары воды, оксид углерода (в среднем около 0,04 %), незначительная примесь неона, гелия, криптона, ксенона, метана, озона, оксидов азота и др.
   Масса атмосферы около 5,27–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Основная часть газового вещества (80 %) заключена в тропосфере, верхняя граница которой расположена на высоте около 17 км на экваторе, а к полюсам снижается до 8—10 км. Тропосфера является областью активного взаимодействия с океаном и сушей, в ней сосредоточена основная масса паров воды и мелких твердых частиц, переносимых воздушными массами. Выше, на протяжении стратосферы и мезосферы, нарастает разреженность газов, сложно меняются термические условия. На высоте 25–30 км под воздействием солнечной радиации происходит фотодиссоциация молекул кислорода и образуется озон. Молекулы озона сильно рассеяны. Если бы они находились в условиях, обычных для поверхности Земли, под давлением в 1 атм., то мощность озонового слоя была бы меньше 1 см. Тем не менее этот очень разреженный слой озона поглощает 97 % ультрафиолетовой части солнечной радиации. Без этого экрана существование жизни на поверхности Земли было бы невозможно.
   На удалении от 80 до 800 км от поверхности Земли располагается ионосфера – область сильно разреженного, ионизированного газа. Самая наружная часть газовой оболочки – экзосфера – простирается до 1800 км. Из этой сферы происходит диссипация – потеря Землей наиболее легких атомов, главным образом водорода.
   Таково строение самой наружной оболочки Земли, состоящей преимущественно из свободных газов. Но газы находятся не только в свободном состоянии. В воде морей и океанов содержится в растворимом состоянии 4,32–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

газов. Этот объем в три раза больше всего объема воды Мирового океана.
   Между атмосферой, точнее тропосферой, и поверхностным слоем воды океана существует подвижное равновесие. Растворение газов в воде зависит от температуры и солености. Холодные воды растворяют больше газов. Поэтому океан в холодное время года поглощает газы из атмосферы, а в теплое время – выделяет их. В пресных водах газы растворяются больше, чем в соленых. В среднем в 1 л океанической воды содержится растворенных газов: азота – 13 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, кислорода – от 2 до 8 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, аргона – 0,32 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, а углекислого газа – до 50 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Столь большое количество углекислого газа имеет весьма важное значение. Растворяясь в воде, он вступает в химическое взаимодействие с Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О. При этом образуется угольная кислота: СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

+ H^ ^ H -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

CO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Эта кислота как двухосновная диссоциирует ступенчато. Сначала идет реакция Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

^ Н+ + [НСО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

] – и только потом [НСО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

] – диссоциирует на на Н+ и СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   В океанической воде растворяется СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

+ Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

около 1 мг/л, а с продуктами диссоциации содержится как указано выше до 50 мг/л. Согласно подсчетам известного геохимика А.П. Виноградова, в атмосфере находится 2,6-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

г СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. В океанической воде суммарное содержание СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

+ [НСО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

] – + [СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

] -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

около 1,4-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

г, т. е. почти в 60 раз больше, чем в атмосфере. По нашим подсчетам количество СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в океане даже несколько больше.
   Присутствие в воде двухосновной угольной кислоты создает химическую буферную систему карбонат-бикарбонатного равновесия:

   Приведенная реакция является лишь схемой сложных химических и биохимических превращений, в значительной мере происходящих под воздействием жизнедеятельности планктонных оганизмов.
   Если в воду поступает избыточное количество кислот (например, при подводных вулканических извержениях), то происходит растворение СаСО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, кислоты нейтрализуются и кислотность (рН) воды поддерживается на исходном уровне. Если же увеличивается щелочность воды (например, при усиленном поступлении натрия), то сразу же усиливается растворение углекислого газа и образующаяся при этом угольная кислота нейтрализует щелочи. Кислотность (рН) воды и в этом случае сохранится на исходном уровне. Итак, благодаря присутствию углекислого газа в воздухе и ионов кальция в воде, действует буферный механизм, обеспечивающий стабильность рН океанической воды и тем самым устойчивость условий жизни морских организмов.
   Углекислый газ интенсивно растворяется холодными водами приполярных районов. Охлаждаясь, эти воды увеличивают свою массу и опускаются на глубину. Перемещаясь к экватору, они постепенно нагреваются, поднимаются наверх и освобождаются от избытка СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. По образному выражению А.П. Виноградова, «океан действует как грандиозный насос, забирая СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

из атмосферы в холодных областях и отдавая ее в тропических областях» [2 - Виноградов А.П. Введение в геохимию океана. М., 1969. С. 68.].
   Итак, в результате растворения газов в воде между гидросферой и атмосферой происходит непрерывный циклический обмен, благодаря которому существует динамическое равновесие. В этом глобальном процессе участвует также сама вода в результате испарения и конденсации. Согласно данным М.И. Львовича (1986), на протяжении года с поверхности Мирового океана испаряется около 456 тыс. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

воды, с поверхности дренируемой части суши – 62 тыс., выпадает атмосферных осадков на акваторию 411 тыс., на дренируемую часть суши – 106 тыс. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Баланс поддерживается за счет 44 тыс. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

воды, стекающей ежегодно с суши в моря и океаны. Эти данные условны, другие авторы приводят иные величины, однако их порядки подтверждаются. Наиболее точно определена величина стока с суши.
   Таким образом, в кругооборот через атмосферу вовлекается примерно 500 тыс. км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

воды ежегодно. Значение этого глобального процесса трудно переоценить: благодаря ему осуществляется регулирование теплового режима планеты и сохраняются условия существования жизни. Вместе с тем природные воды – не только химическое соединение, обладающее определенными физическими свойствами, но также активный носитель химических элементов. Поэтому движение огромных масс воды в системе океан – атмосфера – суша – океан имеет весьма важное значение для геохимии географической оболочки.

Атмосфера как дисперсная система и геохимия аэрозолей

   Массообмен химических элементов в океане осуществляется на фоне глобального кругооборота воды. Благодаря этому процессу возможна непрекращающаяся миграция и дифференциация вещества на поверхности Земли. Этот процесс циклический. Движение химических элементов в одной половине этого цикла (суша – океан) достаточно ясно. Каково участие элементов в другой его половине – от океана к суше? Долгое время эта проблема не вызывала интереса, так как в геохимии атмосферы внимание ученых было направлено на изучение газов, включая пары воды. Такой на первый взгляд логичный подход к познанию газовой оболочки содержал существенный просчет.
   Идея взаимопроникновения наружных оболочек при изучении атмосферы длительное время воспринималась как некое философское положение, а не явление, подлежащее изучению. В связи с этим следует обратить внимание на то, что подобно тому, как в Мировом океане присутствуют растворенные вещества и тонкие взвеси, в газовой оболочке содержатся не только свободные молекулы и ионы, но также распыленные частицы твердых веществ. Хотя познание их геохимии началось совсем недавно, уже ясно, что они играют в атмосфере не менее важную роль, чем дисперсные взвеси твердого вещества в Мировом океане.
   Взвеси твердых частиц в газообразной среде называются аэрозолями. Аэрозольные частицы играют очень важную роль, являясь ядрами конденсации паров воды. Размеры этих частиц колеблются от нескольких микрометров [3 - 1 микрометр (мкм) = 1-10 4 см.] до их сотых и даже тысячных долей. Более мелкие частицы самостоятельно существовать не могут и присоединяются к другим. Есть электронейтральные и заряженные частицы. Последние состоят из нейтральных молекул, группирующихся вокруг иона. Количество электронейтральных частиц меньше 0,1 мкм (так называемых ядер Айткена) очень большое, но в силу своих ничтожных размеров они составляют всего 10–20 % от общей массы аэрозолей.
   Как суша, так и океан находятся в состоянии непрерывного циклического обмена с нижними слоями атмосферы, поставляя аэрозольные частицы в воздух и получая их обратно в составе атмосферных осадков и в форме сухих осаждений. Частицы континентального происхождения относительно крупные, их средняя величина около 2–3 мкм. Над океанами преобладают более мелкие частицы, согласно А.П. Лисицину (1978), размером около 0,25 мм.
   Концентрация аэрозольных частиц над континентами обычно измеряется десятками микрограммов в 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

воздуха, над океанами на один – два математических порядка меньше. X. Юнге (1965) указывает, что содержание частиц в тропосфере быстро уменьшается до высоты 5 км, далее до 12 км остается более или менее постоянным и от 12 до 16 км вновь сильно убывает. По данным Е.С. Селезневой (1966), концентрация частиц на высоте 2 км в 10 раз меньше по сравнению с высотой 250 м.
   Дисперсные частицы, поступившие в тропосферу, могут быть удалены из нее либо в результате осаждения под действием силы тяжести, либо путем вымывания атмосферными осадками. В нижней тропосфере над континентами длительность нахождения частиц в воздухе («время жизни аэрозолей») колеблется от двух дней до двух недель, наиболее обычна длительность около пяти – семи суток (Абрамовский и др., 1976). Время жизни аэрозольных частиц морской соли над океаном – от одних до трех суток (Юнге, 1965). В верхней тропосфере частицы находятся обычно от двух до четырех недель.
   Крупные частицы аэрозолей выпадают очень быстро и вблизи от того места, где они вошли в тропосферу. Частицы величиной 3–5 мкм и мельче попадают под действие циркуляции воздуха в тропосфере и переносятся на значительные расстояния.
   Хотя миграция основных масс аэрозолей происходит в тропосфере, очень небольшая их часть поступает в стратосферу. В ней отсутствуют пары воды. Предполагается, что удаление частиц связано с образованием хлопьев сульфатов («сульфатное вымывание»). Аэрозольные частицы задерживаются в стратосфере на время от четырех до 14 лет.
   Состав и процессы образования континентальных и океанических аэрозолей сильно отличаются. На суше в тропосферу поступают твердые частицы с поверхности почвы, на море – растворимые в воде соли. Переход солей из морской воды в атмосферу широко известен, однако его механизм окончательно не выяснен. Долгое время ученые считали, что главная роль в этом процессе принадлежит сильным волнениям и штормам, во время которых усиленно разбрызгивается вода. В дальнейшем было обнаружено оригинальное явление, возможно имеющее весьма важное значение. За счет растворенных и сорбированных газов в воде океанов образуются микропузырьки, которые, соединяясь, достигают величины около 1 мм. Пузырьки поднимаются со все возрастающей скоростью к поверхности и, достигая ее, лопаются. При разрыве пузырьков в воздух выбрасываются остатки его пленки, которые подхватываются даже слабым ветром и увлекаются в более высокие слои тропосферы. Общее количество солей, поступающее в атмосферу в результате разрыва пленки воздушных пузырьков, по расчетам Д. Бланшера и Э. Эриксона, составляет около 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

г/см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в сутки, т. е. со всей поверхности Мирового океана миллиарды и десятки миллиардов тонн в год.
   Представление о массообмене между атмосферой, Мировым океаном и сушей можно получить путем количественного определения растворимых веществ, мигрирующих с атмосферными осадками. Средняя величина минерализации осадков над океаном близка к 10 мг/л, над сушей – 25 мг/л. Следовательно, с учетом данных о кругообороте воды на поверхности Земли с поверхности океана в атмосферу переходит около 4,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год солей, суши – более 1,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Кроме того, некоторое количество солей выпадает из атмосферы не в составе водных осадков, а в виде так называемых «сухих» осаждений, количество которых оценивается в 20 % от массы солей в осадках. Можно предполагать, что с учетом «сухих» осаждений с поверхности океана в атмосферу поступает более 5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год солей, а с поверхности суши более 2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Так как с океана на сушу переносится с воздушными массами 44–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

атмосферных осадков, то одновременно с ними переносится около 0,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год солей океанического происхождения. Следовательно, в океан возвращается не вся масса солей, поступившая за год в атмосферу, а на 0,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т солей меньше, а на сушу – больше на это количество.
   Напомним, что величина выноса минеральных солей со всей суши, исходя из средней минерализации речных вод по Д.А. Ливингстону, составляет 4,9-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Следовательно, примерно 10 % солей, выносимых с суши в океан, ежегодно возвращается обратно из океана на сушу через атмосферу. Таким образом глобальный кругооборот воды сопровождается циклической миграцией миллиардов тонн солей.
   Возвратная миграция крупных масс водорастворимых соединений не означает того, что химические элементы, вынесенные в форме ионного стока в океан, возвращаются на сушу в тех же соотношениях. Состав речных вод интенсивно трансформируется при поступлении в океан. По этой причине в океанических слоях соотношение элементов иное, чем в растворимой части речных вод. Кроме того, в последние годы установлено, что при образовании океанических аэрозолей и переходе химических элементов из океана в атмосферу также имеет место их фракционирование. Химический состав солей атмосферных осадков и солей морской воды не одинаков.
   Зная концентрацию химических элементов в атмосферных осадках и в континентальном стоке, можно определить, какую часть стока элементов составляет их возврат с океана на сушу (табл. 9). Не все элементы водного баланса достаточно хорошо изучены, поэтому неизбежны некоторые отклонения в расчетах разных исследователей. В то же время порядки величин хорошо согласуются.

   Таблица 9
   Атмосферный перенос масс главных ионов, растворенных в воде Мирового океана, на сушу

   Примечание: графы под № 1 – расчеты Р. Гаррелса и Ф. Маккензи, 1974; под № 2, 3, 4 – расчеты автора.

   Из данных таблицы видно, что основная масса ионов хлора и натрия, присутствующих в речном стоке, поступила с атмосферными осадками океанического происхождения. Совершенно иначе ведет себя кальций. Огромные массы этого элемента, мобилизованные в результате растворения из горных пород и почвы, выносятся с речным стоком и поступают в систему Мирового океана, в осадках которого прочно закрепляются. Промежуточное положение занимают сульфатная сера, магний и калий. Их большая часть аккумулируется в океане, но 10–20 % от масс, выносимых с речным стоком, вновь вовлекается в циклическую атмосферную миграцию между океаном и континентами.
   Не только отмеченные в табл. 9 элементы активно поступают через атмосферу на сушу. Особенно значительна доля возврата многих анионогенных элементов: азота, брома, бора, серебра, молибдена, мышьяка, селена. По-видимому, именно за счет возврата на сушу большой части вынесенных речными водами масс и включения их в континентальный сток эти элементы обладают высокими коэффициентами водной миграции (см. табл. 5). Следовательно, многие анионогенные элементы являются циклическими мигрантами, массы которых активно циркулируют в системе суша – океан – атмосфера – суша.
   На суше в процесс обмена с атмосферой вовлекаются не только испаряющиеся поверхностные воды, но также твердое вещество земной коры. Если среди аэрозольных частиц морского происхождения преобладают растворимые в морской воде соли, то с поверхности континентов преимущественно выносятся мелкие частицы почвы, горных пород, вулканического пепла. Как показали наблюдения А.П. Лисицина (1978), обломки величиной 0,1–0,01 мм обычно переносятся в нижних слоях тропосферы на расстояние в сотни – первые тысячи километров. Частицы величиной 1—10 мкм мигрируют во всей толще тропосферы, дальность их переноса достигает от 5–7 до 10 тыс. км. Количественно оценить массу твердых частиц, поступающих с поверхности суши в атмосферу на протяжении года, в настоящее время нельзя. Можно лишь предположить, что эта масса не меньше величины ионного стока, т. е. измеряется миллиардами тонн.
   Атмосферная миграция взвешенных частиц происходит не только от океана на сушу, но и в обратном направлении. Красная пыль, захватываемая ветром с поверхности засушливых районов Африки, пассатами переносится на 2–3 тыс. км в Атлантический океан. Участники первой экспедиции Колумба были поражены и напуганы, когда палубы их судов посреди безбрежного океана за ночь были покрыты кроваво-красной пылью. Лишь значительно позже было установлено, что эта пыль вынесена из красноцветных почв Африки. Оценки массы эоловой пыли, поступающей с континентов в Мировой океан, сильно различаются. Р. Гаррелс и Ф. Маккензи (1974) приводят цифру 60 млн т, А.П. Лисицин (1978) – в несколько раз больше, 1,6 млрд т, по нашей оценке – еще больше, не менее 1,8 млрд т.
   В 60-х годах XX в. было обнаружено, что в тропосфере присутствуют значительные массы рассеянных металлов. Их концентрация ничтожна: она в 100 раз меньше, чем в природных водах, и в миллион, чем в земной коре. Поэтому она измеряется в нанограммах [4 - Нанограмм (нг) – одна миллиардная часть грамма = 1-10 9 г.] в 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

воздуха. Наибольшая концентрация металлов приурочена к самому нижнему слою тропосферы вблизи с поверхностью суши или воды. Для выяснения закономерностей распределения химических элементов в тропосфере было проведено ее зондирование. Исследование проб воздуха, отобранных на разной высоте от 50 м до 15 км, показало, что основная масса рассеянных элементов сосредоточена в километровом слое воздуха над поверхностью Земли. По направлению вверх концентрация быстро убывает на один – два математических порядка.
   Содержание и распределение элементов над континентами и океанами неодинаково. Несмотря на большие колебания аналитических данных, можно заключить, что концентрация в приземном слое над континентами значительно выше, чем над океанами. На современном уровне наших знаний можно считать, что в приземном слое воздуха над областями, свободными от воздействия промышленных предприятий, имеют место следующие порядки концентраций (в нг/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

):

   n·10: Zn > Cu > Mn > Cr > Pb > V > Ni > As;
   n : Cd > Se > Co; Hg – 1–2; Sb – около 1; Sc – 0,1–1,0.
   Следовательно, в столбе воздуха высотой в 1 км над площадью суши в 1 км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

содержание какого-либо из указанных металлов будет равно:
   от 1 до n-10-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

г/м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

х 109 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= от 1 до n-10 г.
   Единицы и десятки грамм – величина небольшая, но суммарная площадь всей суши составляет 150 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. В итоге тысячи тонн металлов и мышьяка, сотни тонн селена, ртути, сурьмы находятся в километровом слое воздуха над континентами. Следует подчеркнуть, что наши расчеты относятся к чисто природному явлению, независимо от производственной деятельности людей.
   Над поверхностью океана концентрация большей части рассеянных элементов примерно в 10 раз меньше, чем над сушей. Так как суммарная поверхность Мирового океана в два раза больше суши, то в воздухе над океаном также содержатся многие сотни тонн рассеянных элементов.
   Носителями рассеянных элементов служат аэрозольные частицы. В них концентрация некоторых рассеянных металлов больше, чем в литосфере. Для оценки степени аккумуляции рассеянных элементов в аэрозолях мы используем коэффициент аэрозольной концентрации (Добровольский, 1980):

   где: К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– коэффициент;
   А – содержание элемента в твердой фазе аэрозоля;
   К – кларк элемента в «гранитном» слое континентальной земной коры.
   Расчет производится на твердое, прокаленное при +400 °C вещество аэрозолей. Из табл. 10 следует, что при формировании аэрозолей концентрация одних элементов в твердых частицах возрастает на один – два математических порядка по сравнению с «гранитным» слоем литосферы, а концентрация других уменьшается.

   Таблица 10
   Коэффициент концентрации некоторых рассеянных элементов в континентальных аэрозолях (Добровольский, 1980)

   Поступая в тропосферу и являясь ядрами конденсации, эти частицы подвергаются неоднократному (в среднем десятикратному) воздействию конденсирующейся воды и растворенных в ней хлор-и сульфат-ионов. При этом значительная часть рассеянных элементов накапливается на поверхности в состоянии сорбированном или способном к растворению.
   Каждый литр атмосферной воды при падении капель средней величины на протяжения 1 км омывает около 300 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

воздуха, а при очень мелких каплях – значительно больший объем. При этом часть элементов, находящихся в аэрозолях, растворяется. Соотношение растворимых и нерастворимых форм рассеянных элементов в тропосфере очень изменчиво и, по-видимому, зависит от многих факторов. Изучение этого соотношения привело исследователей к заключению о том, что в атмосферных осадках над континентами примерно 50 % всей массы рассеянных элементов находится в водорастворимом состоянии, а 50 % – в нерастворимых формах (Миклишанский и др., 1978). Этот вывод подтверждают наблюдения за выпадением тяжелых металлов из атмосферы на поверхность суши. Не менее 50 % металлов поступает с атмосферными осадками в водорастворимой форме (Жигаловская и др., 1974). Конечно, поведение каждого элемента индивидуализировано: медь преимущественно поступает в водорастворимой форме (80 % от всей массы), а для свинца более типичны нерастворимые формы (60 % и более).
   Аэрозольные частицы разного происхождения отличаются неодинаковой концентрацией рассеянных элементов. Так как концентрация некоторых металлов больше в частицах континентального происхождения, то и в атмосферных осадках на континентах этих металлов больше, чем в осадках над океанами.
   В массообмене некоторых элементов между атмосферой и поверхностью суши и океана важную роль играют процессы испарения. Наиболее ярким примером этого служит геохимия иода. В морской воде образуется молекулярный иод J -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, который выделяется в атмосферу. Японские геохимики И. Мияке и С. Тсуногаи еще в 1963 г. обнаружили, что из океана в атмосферу переходит иода в результате его испарения в 10 раз больше, чем при захвате ветром брызг морской воды, и в 40 раз больше, чем этот элемент выносится газами всех вулканов мира. Позже ученые разных стран установили, что часть содержащихся в атмосфере ртути, мышьяка, селена, сурьмы, возможно цинка и кадмия, выделяется из океана в виде паров, а затем частично сорбируется на поверхности аэрозольных частиц и растворяется в атмосферной влаге.

Геохимическая неоднородность поверхности суши, образующаяся под действием аэральной миграции химических элементов

   Различия в составе аэрозолей и паров в воздушных массах континентального и океанического происхождения сказывается на закономерном изменении концентрации химических элементов в атмосферных осадках, поступающих на сушу. В приморских районах с атмосферными осадками поступает повышенное количество химических элементов, которые наиболее интенсивно выносятся из морской воды в атмосферу. Например, над морем в 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

воздуха содержится около 0,5 мкг иода. По мере удаления в глубь материка его содержание снижается до 0,001 мкг. Соответственно уменьшается содержание иода в атмосферных осадках, что видно из следующих данных: в Париже – 50 мкг/л, в Мюнхене – 2 мкг/л, в Московской области – 0,9 мкг/л.
   На картах (рис. 7) показано распределение элементов, в наибольшем количестве поступающих из океана в атмосферу, – натрия и хлора в атмосферных осадках на территории США. Хорошо видно, что области повышенных концентраций приурочены к приморской полосе континента, причем особо сильный принос этих элементов происходит со стороны Атлантического океана.
   Зная годовое количество атмосферных осадков и концентрацию в них элемента, можно оценить его поступление на единицу площади. Еще Ф. Кларк подсчитал, что на поверхность всей суши с атмосферными осадками ежегодно поступает 1800 млн т солей. Близкая величина получена нами: 1,83 млрд т солей континентального и 0,44 млрд т океанического происхождения, т. е. 2,27 млрд т. Это составляет около 15 т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Согласно подсчетам М.Е. Берлянда (1975), на территории России вне городов с атмосферными осадками в разных районах поступает от 5 до 15 т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

минеральных веществ. По данным В.П. Зверева и В.З. Рубейкина (1973), на территорию России и сопредельных государств в год с атмосферными осадками поступает всего 259 млн т солей, что составляет около 12 т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Поступление солей из атмосферы в среднем равно в лесных ландшафтах 7—11 т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, в степных до 17–18 т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, в сильно засушливых повышается до 22 т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Особенно велико поступление солей в прибрежных районах, где оно, по данным американского геофизика Р.Д. Кэдла (1976), достигает 340 и даже 470 т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в год. Приведенные сведения показывают, что атмосферная миграция и массообмен солей между сушей, океаном и атмосферой способствуют геохимической неоднородности поверхности суши.
   Эта неоднородность становится еще более отчетливой, если мы перейдем от рассмотрения распределения суммы солей к распределению отдельных элементов. Как ранее отмечено, из главных ионов морской воды наиболее активно мигрирует из океана на сушу хлор, наименее – кальций. По этой причине на территории Восточно-Европейской равнины наибольшие поступления хлора, намечающиеся изолинией 10 кг/га (или 1 т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

), ограничены прибрежными полосами на севере и юге, наименьшие же поступления приходятся на внутриконтинентальные районы (рис. 8). Совершенно иное распределение поступления кальция с атмосферными осадками. Наибольшие массы этого элемента выпадают примерно на территории Украины (более 30 кг/га), а южнее и севернее, в центральных районах европейской части России, это количество уменьшается до 8—16 кг/га, в северных же районах еще ниже – до 3 кг/га.

   Рис. 7. Распределение концентрации хлора и натрия в атмосферных осадках на территории США в г/л
   (по Р. Гаррелсу и Ф. Маккензи, 1974)

   Не только главные, но и рассеянные элементы, содержащиеся в атмосферных осадках, неравномерно распределяются по площади суши. Обнаружено, что в аэрозолях соотношение некоторых рассеянных металлов (меди, кадмия, никеля) с железом увеличивается при переходе от внутриконтинентальных территорий к прибрежным и далее к открытому океану (Добровольский, 1980). Таким образом, изначальная геохимическая неоднородность литосферы не сглаживается, а усиливается на поверхности суши в результате атмосферной миграции химических элементов.
   Следует отметить, что поступление с атмосферными осадками химических элементов не приводит к их прогрессирующему накоплению на суше в целом или на ее отдельных участках. Это объясняется цикличностью обмена массы в системах суша – атмосфера – суша и суша – океан – атмосфера – суша. В общепланетарном аспекте определенное превышение выноса веществ с континентальным стоком над поступлением на сушу океанических солей обеспечивает динамическое равновесие океана, поддерживает массообмен химических элементов в системе океан – атмосфера – океан и формирование осадочных отложений. При более детальном рассмотрении очевидно, что глобальные миграционные циклы состоят из менее протяженных циклов, охватывающих конкретные территории.
   Разные территории характеризуются неодинаковыми массами химических элементов, вовлеченных в циклические – водную и атмосферную – миграции. Например, на приморских территориях, получающих большое количество океанических солей, соответственные массы этих солей захватываются в водную миграцию и включаются в цикл системы суша – океан – атмосфера – суша. Мигрирующие элементы транзитом проходят эту территорию, лишь частично задерживаясь на небольших участках. Внутриконтинентальные хорошо увлажняемые области получают небольшое количество солей с атмосферными осадками, но соответственно небольшие массы солей вовлекаются в водную миграцию. Третий пример относится также к внутриконтинентальным, но засушливым регионам, которые получают большое количество солей с атмосферными осадками. Может сложиться впечатление, что это способствует их нарастающему засолению. В действительности примерно такое же количество солей захватывается ветром и включается в циклическую миграцию суша – атмосфера – суша. В частности, это типично для Казахстана и Средней Азии, где с атмосферными осадками поступает в год в среднем около 20 т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

солей, что более чем в два раза больше поступления в лесостепных и южнотаежных районах Западной Сибири. Изучение движения пылевых масс на равнинах Средней Азии и Казахстана показало, что основная масса пыли циркулирует внутри этого региона. По-видимому, аналогичное положение имеет место и для солей.

Рис. 8. Годовое количество (кг/га) ионов кальция и хлора, поступающих на поверхность почвы с атмосферными осадками на территорию Восточной Европы

Итак, геохимическая неоднородность поверхности суши обусловлена двумя группами факторов. Первая группа связана со сложным геологическим строением земной коры континентального типа и закономерностями распределения химических элементов в минералах и горных породах. Вторая группа обусловлена неодинаковыми массами химических элементов, участвующими в водной и аэральной миграции в пределах конкретных регионов.

Контрольные вопросы

   1. Какой химический состав имеет современная атмосфера?
   2. В какой части газовой оболочки Земли сосредоточена основная масса газов?
   3. Какой объем газов, растворенных в Мировом океане? Какие газы растворены в океане в наибольшем количестве?
   4. Напишите схему бикарбонат-карбонатного равновесия и проанализируйте значение этой обратимой ступенчатой реакции.
   5. Что собой представляют природные аэрозоли? Каков состав аэрозольных ядер морского и континентального происхождения?
   6. Какова длительность нахождения («время жизни») твердых аэрозольных частиц в тропосфере?
   7. Напишите формулу коэффициента аэрозольной концентрации (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Какие рассеянные химические элементы концентрируются в аэрозолях?
   8. Приведите примеры аэральной миграции химических элементов из океана на сушу и с материков в пределы Мирового океана.

Задания для самостоятельной работы

   1. Используя опубликованные данные, сопоставьте химический состав атмосферных осадков и речной воды своего региона. Установите, какие химические элементы и соединения наиболее влияют на состав речного стока.
   2. Исходя из количественных данных, приведенных в настоящем пособии о глобальном круговороте воды и средней минерализации атмосферных осадков морского происхождения, определите массу водорастворимых солей, ежегодно переносимых из Мирового океана на континенты.
   3. Сопоставьте массы ионов в наибольшем количестве выносимых с глобальным речным стоком, с ионным составом воды Мирового океана. Объясните причину изменения соотношения ионов после поступления речного стока в систему Мирового океана.

Глава IV
СОСТАВ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА И ГЛОБАЛЬНЫЙ БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Химический состав живого вещества планеты

   В начале 20-х годов XX в. В.И. Вернадский сформулировал представление о живом веществе как о совокупности живых организмов, выраженной массой и химическим составом. Это открыло возможности для сопоставления живых организмов с другими компонентами природы – горными породами, водами, атмосферным воздухом – и позволило приступить к количественному изучению взаимосвязи между ними. Для этого в первую очередь потребовалось выяснение кларков живого вещества.
   Установление величины кларков живого вещества – очень сложная задача. С одной стороны, концентрация химических элементов в живых организмах очень изменчива. Она меняется в зависимости от их систематического положения, среды обитания, стадии развития организма. Даже в одном организме концентрация одного и того же элемента в разных тканях и органах неодинакова. С другой стороны, массы разных групп организмов сильно различаются. Учет этого обстоятельства особенно важен, так как величина среднего содержания элемента в живом веществе планеты зависит не столько от его концентрации во всех организмах, сколько от тех, которые составляют преобладающую часть биомассы Земли.
   Как же распределяется масса живого вещества в географической оболочке? На основании тщательных многолетних исследований Н.И. Базилевич и Л.Е. Родина (1967, 1974) можно считать, что естественная биомасса суши, до активного воздействия человека равная 2,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т сухого вещества, примерно в 200 раз больше суммарной массы организмов Мирового океана. В настоящее время под воздействием человека биомасса сократилась примерно на 25 %. Даже с учетом этого обстоятельства состав биомассы Земли определяется живым веществом суши. В последнем основную роль играет масса растений, так как зоомасса составляет менее 1 %.
   Живое вещество в основном состоит из элементов, образующих газовую и водную оболочки планеты. Кислород, углерод и водород составляют в сумме 98,5 % массы живого вещества. Однако эти элементы в атмосфере и гидросфере содержатся в иных соотношениях. В частности, кислорода в живом веществе содержится значительно больше (70 %), чем в воздухе. Содержание основного газа атмосферы – азота – в живом веществе всего 0,3 %. В живом веществе в большом количестве содержится вода. В растительности суши вода составляет 60 %, в живом веществе моря – 80 %. Но и в обезвоженном органическом веществе углерод составляет лишь около 40 %, остальное в основном кислород и водород. Подсчитано, что для создания современной биомассы Земли в процессе фотосинтеза должно быть расщеплено на построение органического вещества около 4,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т воды (Добродеев и Суетова, 1976). Это количество в 3,5 раза превышает массу воды всех рек мира. Если из живого вещества не только удалить воду, но и сжечь органические соединения, то можно избавиться от кислорода, углерода и водорода. Это позволит более точно выяснить соотношение зольных элементов, к которым относится большая часть химических элементов, входящих в состав живых организмов.
   С учетом изложенного понятно, почему существует несколько вариантов выражения химического состава биологических объектов. Состав можно рассчитать на живую (сырую) массу организмов, на массу их сухого органического вещества, а также на золу, т. е. на сумму твердых минеральных веществ, остающихся после сжигания. Каждый из этих трех вариантов используется для определенных целей. Живая масса наиболее полно характеризует массу организма, но содержание непрочно связанной воды в различных биологических объектах так сильно меняется, что это затрудняет сопоставление концентрации в них рассеянных элементов. Например, в планктоне содержится более 99 % слабо связанной воды, а в стволах деревьев около 60 %. Расчет на абсолютно сухое органическое вещество, т. е. высушенное до постоянной массы при температуре +102–105 °C, делает такое сопоставление возможным. Для сравнения соотношений элементов в организмах, с одной стороны, и в горных породах и почвах, с другой, необходимо знать величину концентрации в золе. Правда, в золу не входит азот, который теряется гари сжигании органического вещества, так же как углерод, кислород и водород.
   При дальнейших расчетах с учетом данных Н.И. Базилевич (1974), О.П. Добродеева, И.А. Суетовой (1976) принято: масса живого вещества планеты (сырая масса) – 6,25–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т; содержание абсолютно сухого органического вещества – 40 % от живой биомассы; суммарная масса сухого вещества планеты – 2,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т; средняя зольность – 5 % от массы сухого органического вещества; суммарное количество золы в живом веществе планеты – 0,125-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   В табл. 11 приведены наиболее обоснованные данные о составе живого вещества, полученные разными авторами. Имеющиеся расхождения отражают современное состояние изученности проблемы. Количество углерода, связанного во всей биомассе Земли, превышает 1 трлн т. Суммарная масса зольных элементов, содержащихся в живом веществе, составляет 125 млрд т. Количество кальция, азота, калия исчисляется миллиардами тонн, кремния, фосфора, серы, магния, хлора, натрия – сотнями миллионов, алюминия и железа – десятками миллионов тонн.

   Таблица 11
   Химический состав живого вещества Земли, %

Микроэлементы

   Перечисленные главные химические элементы входят в состав органических соединений, из которых состоят разнообразные ткани живых организмов, их тела. Наряду с главными, в живом веществе присутствуют рассеянные элементы с настолько низкими кларками, что их концентрацию неудобно рассчитывать ни на живую массу и даже ни на сухое органическое вещество, а только лишь на золу (табл. 12).

   Таблица 12
   Содержание рассеянных элементов в ежегодном приросте растительности континентов

   Биологическое значение разных рассеянных элементов неодинаково. Одни из них совершенно очевидно играют большую или меньшую роль в жизнедеятельности организмов, физиологическое значение других пока неясно. Первые следует называть микроэлементами, за вторыми сохранить термин «рассеянные элементы». В роли микроэлементов могут выступать также некоторые главные элементы, например, магний, железо и др.
   Низкая концентрация рассеянных элементов в организмах не означает того, что количество этих элементов в суммарной массе живого вещества незначительно. В растительности суши связано сотни миллионов тонн марганца, около ста миллионов тонн цинка и стронция (каждого), десятки миллионов тонн титана, бария, брома, меди, циркония. Большая группа элементов, преимущественно тяжелые металлы (свинец, никель, кобальт, хром, ванадий), а также рубидий, фтор, литий характеризуются средним содержанием в золе в количестве тысячных долей процента. Масса каждого из этих элементов в суммарной массе растительности измеряется несколькими миллионами тонн. К этой группе примыкают содержащиеся в несколько меньшем количестве молибден, олово, иод, мышьяк, редкоземельные элементы.
   Следует подчеркнуть, что физиологическая значимость рассеянного элемента не определяется величиной его концентрации. Например, кобальт, содержащийся в количестве n-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

—10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

% от массы сухого вещества, в физиологии нормальных здоровых организмов играет более важную роль, чем стронций, содержание которого в тысячу раз больше.
   Можно привести условную аналогию между нахождением рассеянных элементов в живом и кристаллическом веществе. В кристаллах одна часть этих элементов находится в неупорядоченном состоянии, а другая входит в кристаллохимические структуры, подчиняясь законам изоморфизма. В живых организмах одни рассеянные элементы также являются варьирующими примесями, но другие входят в состав соединений, играющих очень важную роль. Эти соединения, хотя и содержатся в небольшом количестве, но обеспечивают и регулируют жизненно необходимые биохимические процессы. Таковы ферменты, гормоны, витамины и близкие им вещества, являющиеся катализаторами этих процессов.
   Ферменты – высокоспециализированные белковые молекулы. Они принимают участие в таких важных биохимических процессах, как дыхание, фотосинтез, синтез белков, образование крови, белковый, углеводный и жировой обмены и пр. Активирующие свойства многие ферменты приобретают благодаря соединению белка с небелковыми группами. В качестве последних могут присутствовать микроэлементы (часто поливалентные металлы) или сложные органические соединения (коферменты). Известно большое количество металлоферментов. Среди них с цинком – карбоангидраза, алкогольдегадрогеназа; с марганцем – аргиназа, фосфортрансфе-разы; с медью – тирозиназа, цитохромокеидаза; с железом – пероксидаза, каталаза и др. Присутствие иона микроэлемента в комплексе с ферментом способствует удивительно интенсивной активности этих биокатализаторов. Например, одна молекула карбо-ангидразы на протяжении минуты способствует превращению 36 млн молекул субстрата, на который воздействует этот фермент (Ленинджер, 1974). Интересно, что, находясь отдельно, ни белковая часть фермента, ни металл не обладают высокой энергией активации.
   Действие разных микроэлементов, как правило, сложно взаимообусловлено. Ферменты, участвующие в превращении вещества в клетке в связи с процессом дыхания, активируются медью, цинком, марганцем и кобальтом, а процесс окисления стимулируется бором и титаном. В состав ферментов, обеспечивающих фотосинтез, входят марганец, железо и медь, но на интенсивность этого процесса влияет присутствие бора, кобальта, молибдена и некоторых других (Ковальский, 1974).
   Ответственная роль принадлежит микроэлементам в гормонах. Биосинтез тироксина [5 - Тироксин – гормон щитовидной железы человека.] невозможен без иода. Содержание иода в щитовидной железе у здорового человека составляет 5—15 мг, причем за 30–50 суток происходит полное обновление всего иода. Медь стимулирует деятельность гормона гипофиза, а цинк – половых гормонов. Микроэлементы необходимы также для синтеза некоторых витаминов, которые в организме животных превращаются в важные коферменты. Кобальт – обязательный компонент витамина B -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, марганец входит в витамин С, цинк и марганец – в витамин В -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и т. д.
   Рассмотренные особенности состава живого вещества Земли, обобщенные в табл. 11 и 12, одновременно характеризуют состав растительного покрова суши, поскольку именно он составляет основную часть (более 90 %) общепланетарной биомассы.
   Отметим отличительные черты состава морской растительности (табл. 13). По сравнению с наземной растительностью в водорослях содержится значительно больше главных элементов морских солей. Особенно велико содержание натрия, которого в 27 раз больше, чем в растениях суши. В предыдущей главе отмечено, что из морской воды в атмосферу поступает больше ионов хлора, чем ионов натрия. Возможно, что это в какой-то мере балансируется усиленным поглощением натрия растительностью моря. Кальций, наоборот, концентрируется в водорослях меньше, чем в наземной растительности.

   Таблица 13
   Содержание главных химических элементов в морской растительности

Еще более контрастно распределение микроэлементов. На рис. 9 показано, как меняется величина отношения концентрации элементов в растениях моря и суши. В левой части графика расположена область повышенных концентраций в растительности Мирового океана, справа – суши. В морских водорослях в десятки раз выше концентрация иода, брома, лития, стронция, в несколько раз – хрома, серы, свинца, бора и бария. Содержание цинка, кобальта, никеля, ванадия и кадмия в растительной массе континентов и океана близки. В фитомассе суши более высоки концентрации марганца, рубидия, молибдена, вольфрама.

Биологический круговорот химических элементов

Живое вещество постоянно находится в состоянии самообновления. Возобновляются отмирающие клетки и ткани; закончившие свой жизненный путь организмы сменяются новыми поколениями. Этот процесс цикличен по самой своей природе.
Высшие растения, составляющие основную массу живых организмов, являются мощным генератором органического вещества.

Рис. 9.Соотношение средних концентраций рассеянных элементов в растительности моря и суши

Растительность суши синтезировала до ее нарушения человеком около 170 млрд т сухого вещества ежегодно. Наиболее важной стороной геохимической деятельности растений является перераспределение газов на поверхности Земли. Как известно, органическое вещество образуется в результате фотосинтеза, совершающегося в зеленых растениях по схеме:

   Синтезирование органического вещества сопровождается выделением в атмосферу кислорода за счет разложения воды. Принимая среднее содержание углерода в органическом веществе растительности равным 40 % от массы сухого материала и имея в виду, что связывание 1 г углерода в процессе фотосинтеза сопровождается выделением 2,7 г кислорода, можно ориентировочно рассчитать продуцирование кислорода основными типами растительности. При этом следует учитывать, что 15 % синтезированного органического вещества «сгорает» – окисляется и разрушается в результате дыхания растений. Годовая продукция органического вещества (в пересчете на сухую массу) на Земле до воздействия человека составляла около 250 млрд т. В них содержится около 125 млрд т углерода. В процессе связывания этого количества в органическое вещество в атмосферу должно поступать примерно 330 млрд т свободного кислорода. Если же учесть 15 %, которые расходуются на физиологические потребности растений, то эта величина возрастет до 380 млрд т.
   Обмен газов в системе живое вещество – атмосфера – живое вещество имеет циклический характер. Растения не могут синтезировать органическое вещество, если в воздухе не будет углекислого газа. По реакции фотосинтеза для выделения определенного объема кислорода требуется поглощение такого же объема СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Основная масса углекислого газа восполняется путем разложения органического вещества, происходящего в процессе жизнедеятельности животных и микроорганизмов. Таким образом, значительная часть углекислого газа возвращается в атмосферу, чтобы снова быть вовлеченной в биологический круговорот.
   В грандиозном общепланетарном биогеохимическом круговороте веществ участвуют не только газы, но также все химические элементы земной коры и гидросферы. Годовой прирост естественной растительности континентов оценивается в 172,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т сухого органического вещества. Исходя из имеющихся данных, можно ориентировочно определить количество химических элементов, ежегодно захватываемых наземной растительностью до ее нарушения человеком и в настоящее время. Разумеется, среднепланетарные показатели нивелируют сильные колебания концентрации, которые обнаруживаются в многообразных растительных объектах. Цель таких расчетов – оценить порядок масс разных химических элементов, вовлекаемых в годовой глобальный биологический цикл. Результаты приведены в табл. 14 в двух вариантах: в расчете на всю площадь суши (около 150 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) и на 1 км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Общая масса зольных элементов, вовлекаемая ежегодно в биологический круговорот на суше, составляет около 8 млрд т. Это в несколько раз превышает величину ионного стока с континентов или массу продуктов извержений всех вулканов мира на протяжении года. Биологический круговорот на суше кальция и калия превышает 1 млрд т каждого, кремния, фосфора, серы, магния, натрия, хлора измеряется сотнями миллионов тонн в год.

   Таблица 14
   Захват и интенсивность биологического поглощения главных химических элементов растительностью Мировой суши

   Примечание. В скобках указана масса элементов, захватываемая природной растительностью, уменьшенной на 25 % под воздействием хозяйственной деятельности людей.

   Весьма значительные массы рассеянных элементов принимают участие в биологическом круговороте на суше. Миллионы тонн марганца, цинка, стронция, титана, меди, сотни тысяч тонн свинца, никеля, хрома, ванадия, кобальта, молибдена, десятки тонн иода, мышьяка, олова ежегодно захватываются и возвращаются в почвенный покров континентов благодаря деятельности растительности. Соответствующие данные приведены в табл. 15.
   Иная картина имеет место в Мировом океане. Его биомасса значительно меньше таковой суши. Преобладающую часть первично синтезируемого органического вещества океана обеспечивает фитопланктон. Его сухая масса составляет всего 0,2—10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, но биологические циклы в океане совершаются очень быстро. Основная масса живого вещества обновляется примерно каждые 25 дней, оборот вещества фитопланктона происходит в течение суток (Добродеев, Суетова, 1976). По этой причине в океане на протяжении года синтезируется и разрушается органического вещества значительно больше, чем его находится в биомассе, а одни и те же массы химических элементов многократно оборачиваются в системе биогеохимических циклов.

   Таблица 15
   Интенсивность биологического поглощения и ежегодный захват рассеянных элементов растительностью суши

   Точное определение массы органического вещества, фотосинтезируемого на протяжении года в Мировом океане, весьма затруднительно. Данные разных авторов сильно расходятся.
   Последние определения позволяют предполагать, что сухая масса фитопланктона близка к 3,4-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Еще менее ясны пределы колебаний и суммарное содержание зольных элементов в фитопланктоне, хотя известно, что оно значительно выше, чем у наземных растений. Если вслед за Н.И. Базилевич принять эту величину равной 20 %, то суммарное количество зольных элементов, захватываемых фитопланктоном в биологический круговорот, будет больше массы зольных элементов, принимающих участие в годовом биологическом круговороте растительности на поверхности Мировой суши.

Абиогенные предшественники живого вещества

   Среди «вечных» проблем проблема происхождения жизни является одной из наиболее сложных. Наука и вера имеют свои подходы к решению этой проблемы. Главный закон биологии – теория эволюции живых организмов Ч. Дарвина – убедительно объясняет процесс их направленного развития, но не затрагивает вопрос о том, как возникла жизнь. Не дают ответа на этот вопрос и достижения молекулярной биологии в области изучения структуры микробиологических систем и протекающих в них процессов репликации и передачи генетической информации последующим поколениям.
   Между тем еще у истоков научного естествознания натуралисты обнаружили многочисленные факты, позволившие им сделать вывод о том, что самозарождение живых организмов из неживой субстанции невозможно и живое происходит только от живого. Этот вывод в дальнейшем получил название «принципа Реди» в честь ученого, который первый обратил внимание на значимость указанного явления (Ф. Реди – флорентийский ученый, врач и поэт, живший в XVII в.). Из принципа Реди следовало, что если живое происходит только от живого, а на Земле присутствуют живые организмы, то жизнь на нашей планете была всегда.
   Это заключение несомненно находится в противоречии с фактами, свидетельствующими о том, что первые стадии формирования земной коры сопровождались высокими температурами на поверхности Земли, при которых существование органических (углеродистых) форм жизни невозможно. В.И. Вернадский, придававший принципу Реди большое значение, сформулировал тезис о том, что жизнь на Земле геологически вечна. Такая, более корректная в научном отношении, формулировка принципа Реди допускает возможность предположения о возникновении жизни на предгеологическом этапе истории нашей планеты. К сожалению, именно этот этап наименее изучен.
   Геологический этап истории Земли начинается с момента перехода парообразной воды в жидкое состояние, возникновения первых водоемов и отложения первых осадков. Возраст древнейших осадочных пород заключается в интервале 3,6–3,9 млрд лет. Возраст образования Земли как планеты – около 4,5–4,6 млрд лет. Что происходило между двумя этими событиями на протяжении примерно 0,5 млрд лет – достоверно неизвестно. На основании данных, полученных при изучении Луны, можно предположить, что в это время имело место интенсивное поступление метеоритов – «метеоритная бомбардировка», сыгравшая важную роль в образовании наружных оболочек Земли.
   Метеориты подразделяются на каменные (аэролиты), составляющие более 90 % всех метеоритных выпадений, железокаменные (сидеролиты) и железные (сидериты). В составе каменных метеоритов постоянно присутствуют H -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O и соединения углерода. В частности, в одной из разновидностей аэролитов – углистых хондритах [6 - Хондры – сферические образования силикатного состава размером от долей миллиметров до нескольких миллиметров в диаметре.] – содержание молекул воды достигает 5–7 %, содержание углерода 3–4 %. Многие геохимики склоняются к мысли, что состав первичной атмосферы Земли образовался не только за счет дегазации мантии, но и в результате поступления паров воды и легколетучих органических соединений, выделявшихся при соударении метеоритов с планетой. Согласно имеющимся данным с метеоритами поступало до миллиона тонн воды ежегодно и близкое количество углерода.
   В каменных метеоритах обнаружены весьма разнообразные органические вещества: углеводороды, кислород-и азотсодержащие соединения, в том числе аминокислоты – основной структурный элемент молекул белков, сахариды, фосфорорганические соединения и даже некоторые наиболее простые нуклеотидные основания, являющиеся необходимыми компонентами нуклеиновых кислот.
   Живое вещество находится в состоянии непрерывного и закономерного обмена веществом с окружающей средой. Это достигается с помощью непрерывного необратимого взаимодействия мо лекулярно-биологических систем посредством последовательных реакций синтеза и распада. Для осуществления цепи этих реакций необходимо столь же непрерывное обеспечение их энергией. Без подведения энергии реакция не происходит. Формы энергии на поверхности Земли разнообразны: энергия электрических разрядов, вулканических извержений, радиоактивного распада, ударная энергия и пр., но наиболее важной является световая энергия Солнца. Для осуществления упомянутых реакций световая энергия должна быть преобразована в химическую. Универсальным преобразователем световой энергии в химическую, необходимую для протекания реакций в молекулярно-биологических системах организмов, служит аденозинтрифосфат. Молекула этого вещества синтезирована из нуклеинового основания (аденина), сахара (рибозы) и фосфатных групп (рис. 9, а).

   Рис. 9, а. Молекула аденозинтрифосфата

   Аденозинтрифосфат (АТФ) играет роль химического аккумулятора, освобождающего при гидролизе энергию, необходимую для реакций синтеза. При гидролизе отщепляется одна фосфатная группа и образуется аденозиндифосфат (АДФ): АТФ + Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О → АДФ + Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

РО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Затраченная энергия восстанавливается путем сложной реакции синтеза АТФ из АДФ и (РО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

с помощью фермента АТФ-синтетазы.
   По мнению выдающегося российского геохимика Э.М. Галимова молекула АТФ, имеющая основополагающее значение для динамики молекулярно-биологических систем, могла быть синтезирована абиогенно из исходных простых соединений: формальдегида и фосфорной кислоты, содержавшихся в первичных водоемах, обогащенных органическими соединениями, и цианистого водорода, который присутствовал в первичной атмосфере наряду с метаном, аммиаком и монооксидом углерода. Он считает, что молекулярно-органические стационарные системы возникли в конце предгеологического этапа истории Земли и рассматривает синтез аденозинтрифосфата в качестве первой предпосылки зарождения жизни (Галимов, 2001).
   Второй предпосылкой было возникновение молекулярно-органических систем, способных к самовоспроизведению. В живых организмах эта функция связана с нуклеиновыми кислотами. Рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) образована протяженными цепочками из закономерно сочетающихся четырех нуклеотидов, каждый из которых состоит из одного из четырех нуклеотидных оснований, сахара (рибозы и дезоксирибозы) и фосфатной группы. Образование этих соединений, также как и аминокислот, происходило абиогенно. Наиболее простой формой самовоспроизведения мономеров является полимеризация. Полимеризация аминокислот, обеспеченная участием АТФ, способствовала возникновению белков, в том числе белков-ферментов, катализирующих реакции воспроизведения. Синтез нуклеиновых кислот создал условия для воспроизведения строго определенной, кодированной структуры.
   Таким образом, этапу существования на Земле самых примитивных организмов предшествовал этап образования стационарных молекулярно-органических систем, которые могли осуществлять основные функции живого вещества: непрерывного материального обмена с окружающей средой и непрерывного самовоспроизведения. Эти системы, эволюционировавшие в сторону усложнения, могут рассматриваться как предшественники молекулярно-биологических систем, составляющих основу живого вещества.
   Согласно концепции Э.М. Галимова, возникновение и направленное развитие молекулярно-органических систем обусловливалось процессом возрастающего упорядочения или, используя термины термодинамики, – стремлением к производству минимума энтропии (меры беспорядка). При этом конечный продукт одной стационарной системы становится исходным последующей, что обуславливало возрастающее упорядочение. С этих позиций жизнь представляется определенной стадией этого процесса. Но акт перехода абиогенных молекулярно-органических стационарных систем в молекулярно-биологические системы живого вещества пока не поддается экспериментальному изучению (возможно по причине длительности этого процесса) и феномен жизни остается тайной.

Интенсивность биологического поглощения

   Учитывая неодинаковое физиологическое значение разных элементов, можно предполагать, что интенсивность их вовлечения в процесс биологической миграции также неодинакова. Чтобы оценить интенсивность биологического поглощения элемента, надо величину его содержания в растениях сравнить с содержанием в источнике, из которого этот элемент поступает. За исключением элементов-тазов – углерода, кислорода, водорода, поступающих в живое вещество из атмосферы, источником большей части элементов в наземной растительности служит земная кора. Исходя из этого, Б.Б. Полынов (1943) предложил характеризовать интенсивность биологического поглощения химического элемента частным от деления его содержания в золе на содержание в горных породах. Этот показатель А.П. Перельман (1956) назвал коэффициентом биологического поглощения (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Степень интенсивности не зависит от массы этого элемента, захваченной приростом растительности. Рассмотрим величину коэффициентов биологического поглощения главных химических элементов живого вещества, ранее приведенных в табл. 14. Судя по этим данным, наиболее интенсивно вовлекаются в миграцию хлор и сера, т. е. те анионогенные элементы, которые в наибольшем количестве содержатся в морской воде. Среди катионогенных элементов наиболее активно поглощается калий, а не натрий и магний, которые преобладают в Мировом океане.
   Вероятно, что столь высокая интенсивность поглощения хлора и серы связана с усиленной миграцией этих элементов в системе суша – океан – атмосфера – суша, в силу чего растения должны активно противостоять их энергичному выносу. Высокие значения К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

также свойственны главным элементам почвенного питания растений – азоту, фосфору и калию. Следует заметить, что расчет К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

азота несколько условен, так как он занимает своеобразное положение между элементами, захватываемыми живым веществом суши из атмосферы и литосферы. В результате деятельности почвенных микроорганизмов из воздуха связываются значительные массы азота (сотни килограммов на 1 км), которые затем поглощаются высшими растениями и вводятся в биологический круговорот. Азот, фосфор и калий необходимы для построения органических веществ, в первую очередь белков. По причине высокой интенсивности биологического поглощения этих элементов, их недостаток в почве сдерживает урожайность культурных растений. Поэтому при интенсивном земледелии широко используются внесение в почву именно этих трех элементов в виде удобрений. Кальций также является необходимой частью органических веществ, из которых состоят ткани растений и животных. Величина его К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

близка к таковой калия.
   Столь же неодинакова интенсивность вовлечения в эту форму миграции рассеянных элементов. Как видно из данных табл. 15, величина их К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

изменяется в пределах трех математических порядков. Так же активно, как главные элементы почвенного питания, захватываются растительностью суши бор, бром, иод, цинк и серебро. С меньшей интенсивностью захватываются молибден, медь, марганец, стронций, свинец, кобальт. Их важная физиологическая роль твердо установлена (подгруппа а). Наряду с ними активно поглощаются ртуть, селен, мышьяк и некоторые другие, являющиеся ядовитыми для животных даже в небольших дозах (подгруппа б). Это обстоятельство требует дальнейшего изучения и объяснения. Многие рассеянные элементы очень слабо поглощаются растительностью. Некоторые из них присутствуют в земной коре преимущественно в формах, трудно доступных для растений (подгруппа а). Таковы, например, галлий, цирконий, титан, иттрий, лантан. Другие (подгруппа б) – токсичны и поэтому ограниченно поглощаются (фтор, кадмий, уран).
   По величине К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

все элементы можно разделить на следующие группы:
   более 100 n: C1, S;
   10 n: N, P, К, Са, В, Br, J, Zn, Ag;
   n: a) Mo, Cu, Mn, Mg, Sr, Pb, Co, Ni, Na;
   б) Hg, Se, As, Sn, Cr;
   0,1 n и меньше: a) Zr, Si, Y, La, Ti, Al, Fe, Ga;
   б) Li, Cs, Rb, Se, Cd, Sb, U, F.
   Интенсивность вовлечения химических элементов в биологический круговорот в Мировом океане отличается от того, что имеет место на суше. Для наземных растений источником и резервом большей части элементов служат почвообразующие породы. Поэтому для расчета глобальных величин К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

используется отношение между концентрациями элемента в минеральной части растений (т. е. в золе) и в земной коре. В море средой, содержащей элементы, является вода. Следовательно, для определения коэффициента К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

морских организмов надо рассчитать величину отношения между концентрациями в сырой биомассе и в морской воде.
   Аналитических данных о составе морских фотосинтезирующих организмов несравнимо меньше, чем для растений суши.
   Имеющиеся сведения обобщены Х.Дж. Боуэн (1966) в виде содержания в сухом веществе. Эти данные мы пересчитали на сырую биомассу. При расчетах мы исходили из вывода В.Г. Богорова о том, что фитопланктон и фитобентос океана состоят на 20 % из сухого вещества и на 20 % из слабо связанной воды.
   Химические элементы группируются следующим образом по интенсивности поглощения продуцентами Мирового океана:
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 10000 л: Pb, Fe, Mn, A1;
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 1000 л: P, J, As, Zn, Co, Cu, Ti, Cr;
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 100 л: Cd, Si, Ag, Hg, Ba, V;
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 10 л: Sr, К, Мо;
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= л: Ca, В, S, Br, Mg;
   К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= 0,l л: Na, Fe, Cl.
   Приведенные данные показывают, что химические элементы, которые поглощаются морскими организмами в наибольшем количестве, вместе с тем обладают наименьшей величиной К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Таковы хлор, натрий, магний, бром, сера, кальций, калий, стронций. Эти элементы – талассофилы, преобладающие в морской воде среди растворенных веществ и обладающие наиболее длительными периодами нахождения в океане. Они имеются в избытке и в любой момент могут быть получены из окружающей среды. По-видимому, в процессе зарождения и эволюции живые организмы моря приспособились использовать именно эти элементы без выработки особых биохимических механизмов, позволяющих их накапливать и сохранять в своих телах.
   Морские организмы активно поглощают также другие химические элементы, имеющие важное физиологическое значение. Если их концентрация в воде очень низкая, то за счет этого величина К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

сильно увеличивается, что типично для железа, марганца, в меньшей мере кобальта, ванадия и др. Концентрация некоторых элементов не так мала, но они настолько активно поглощаются, что величина их К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

измеряется величинами 1000 л (иод, фосфор, цинк) или 100 л (кремний, серебро и др.). Интересно, что многие токсичные для живых организмов суши элементы весьма сильно поглощаются морскими организмами. Мышьяк, кадмий, ртуть имеют величину К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в 100—1000 л.
   В силу ограниченного количества аналитических данных пока невозможно произвести обоснованную количественную оценку массообмена химических элементов в биологических циклах океана. Очень ориентировочно можно считать, что на протяжении года в биологическую миграцию вовлекаются миллионы и десятки миллионов тонн брома, бора, иода, стронция, цинка, марганца, меди, титана, сотни тысяч тонн кобальта, никеля, свинца, ванадия, хрома, десятки тысяч тонн молибдена, серебра и других элементов.

Контрольные вопросы

   1. Раскройте понятие «живое вещество» в соответствии с концепцией В.И. Вернадского.
   2. Какие химические элементы образуют основную часть массы живого вещества?
   3. Какие организмы составляют преобладающую часть живого вещества Земли?
   4. Какие формы выражения состава живого вещества приняты в геохимии?
   5. Какие химические элементы образуют группу зольных элементов?
   6. Какие химические элементы относятся к микроэлементам? Каково их биологическое значение?
   7. Раскройте понятие о биологическом кругообороте.
   8. В чем заключаются главные различия биологического кругооборота в океане и на суше?
   9. Каким геохимическим параметром оценивается интенсивность вовлечения химического элемента в биологический кругооборот?
   10. Как классифицируются химические элементы по величине коэффициента биологического поглощения (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

)?

Задания для самостоятельной работы

   1. По результатам определения содержания зольных элементов в вегетирующих органах деревьев своего региона рассчитайте интенсивность вовлечения этих элементов в биологический кругооборот.
   2. Сопоставьте сведения о массах зольных элементов, вовлекаемых в биологический кругооборот в лесных и луговых фито-ценозах умеренного пояса и определите где емкость кругооборота больше.
   3. Изложите сведения о значении микроэлементов для живых организмов и приведите примеры дефицита отдельных микроэлементов.

Глава V
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАСС ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

Геохимическая эволюция географической оболочки и суммарный геохимический эффект жизнедеятельности организмов

   Главная геохимическая особенность географической оболочки Земли заключается в тесной взаимосвязи литосферы, гидросферы и атмосферы, которая осуществляется в форме закономерного массообмена. Этот обмен имеет циклический характер. Планетарные циклы миграции химических элементов не только связывают три наружные оболочки планеты в единое целое, но также обусловливают непрерывную эволюцию их состава.
   Геохимические циклы нельзя представлять как круговые процессы, замкнутые в непроницаемых границах. Скорее, это вихри материи, неразрывно связанные с окружающей средой. Огромное количество атомов непрерывно вовлекается в эти миграционные потоки и свободно выходит из них. Именно в силу своей незамкнутости геохимические циклы способствуют закономерному перераспределению химических элементов и направленному изменению состава наружных оболочек Земли.
   Циклический обмен химическими элементами между земной корой, гидросферой и атмосферой претерпел определенную эволюцию от момента их обособления до настоящего времени. Геологической истории Земли предшествовала стадия образования ядра, мантии и горячей газовой оболочки, состоявщей из углекислого газа, аммиака и паров воды с подчиненным количеством хлористого водорода, сероводорода и метана. На этой стадии по-видимому, уже существовала первичная земная кора, обладавшая небольшой мощностью и в составе которой было почти в два раза меньше кремния и значительно больше магния и железа, чем в гранитном слое современной коры.
   Начало геологической истории знаменуется охлаждением газовой оболочки до температуры, допускающей присутствие жидкой воды и образование первичного океана. Наличие жидкой воды явилось одним из условий широкого развития процесса гранитизации земной коры, возникновение первых фрагментов коры континентального типа и образования первых осадочных отложений.
   Присутствие обломков сульфидов и отсутствие минералов класса кислородных солей и оксидов в этих отложениях свидетельствует о том, что свободного кислорода на поверхности Земли в то время не было. Единственным источником кислорода служили реакции фотодиссоциации молекул Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О в верхних слоях атмосферы под воздействием солнечной радиации. Интенсивность этого процесса была невелика, но к нему подключился новый фактор: жизнедеятельность примитивных организмов.
   Последние открытия, сделанные на дне глубоководных впадин океанов, позволяют предполагать, что наиболее древние примитивные формы органической жизни, существовавшие в первичном океане, имели биогеохимические механизмы, выполнявшие работу по синтезу органического вещества за счет тепловой энергии многочисленных подводных вулканов и некоторых экзотермических химических реакций. Однако в пределах Солнечной системы самым энергетически выгодным видом энергии является световая энергия Солнца. По этой причине в процессе длительной эволюции древними формами жизни были выбраны механизмы, позволявшие для синтеза органического вещества использовать солнечную фотоэнергию. Первые достоверные следы жизни обнаружены в отложениях, имеющих возраст 2–3 млрд лет. К ним относятся следы деятельности сине-зеленых водорослей в известняках Южной Африки, остатки организмов в кварцитах Канады и др. Нет сомнения, что этим формам жизни предшествовали какие-то другие, более примитивные. Под воздействием фотосинтеза живых организмов началось активное выделение кислорода.
   Существо реакции фотосинтеза заключается в расщеплении молекулы воды, водород которой соединяется с молекулой углекислого газа, а кислород как физиологический отход выделяется в окружающую среду. Солнечного света и исходных материалов – углекислого газа и воды – было достаточно много, поэтому масса фотосинтезирующих организмов нарастала, а вместе с этим прогрессивно увеличивалось поступление кислорода в окружающую среду.
   Здесь необходимо краткое отступление. В настоящее время фотосинтезирующие организмы находятся в определенном соотношении с организмами, разрушающими органическое вещество и при этом поглощающие выделенный фотосинтетиками кислород, связывая его с углеродом в углекислый газ. Древние примитивные организмы могли лишь синтезировать органическое вещество, в результате чего окружающая среда непрерывно обогащалась кислородом. Следы древнейших форм жизни в виде огромной массы рассеянного органического вещества находятся в метаморфизированных осадках древних морей.
   Появление нового мощного геохимического фактора – непрерывного поступления биогенного кислорода – повлекло за собой ряд последовательных глубоких изменений в системе миграционных циклов и составе наружных оболочек Земли.
   Напомним, что ультрафиолетовое излучение Солнца смертельно для любых форм жизни. Ни три, ни два млрд лет назад еще не существовало озонового экрана, и жизнь могла развиваться лишь в водной среде, так как даже небольшой слой воды поглощал ультрафиолетовые лучи. По этой причине древнейшие фото-синтезирующие организмы существовали в приповерхностном слое морей, а выделявшийся ими кислород поступал прежде всего в систему Мирового океана.
   Следствием непрерывного поступления кислорода было окисление сероводорода и его производных с образованием серной кислоты и изменение кислотно-щелочных условий первичного океана в сторону понижения рН и усиления кислотности. При этом под воздействием кислорода водонерастворимые формы сульфидного железа были преобразованы в хорошо растворимую форму двухвалентного катиона Fe -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

+, а кислая реакция морской воды способствовала коагуляции и осаждению коллоидов оксида кремния, присутствовавших в первичном океане, и образованию так называемых первичных кварцитов.
   В то же время, на суше под влиянием теплых кислых дождей происходило энергичное разрушение вулканических пород, сопровождавшееся активной миграцией кальция, магния, натрия, содержание которых в морской воде постепенно возрастало. Катионы кальция, соединялись с анионом [SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

] -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, осаждались в виде мощных пластов гипса, а благодаря нейтрализации серной кислоты кислая реакция морской воды стала изменяться до щелочной. Это, в свою очередь, обусловило выпадение в осадок крупных масс двухвалентного железа в форме сидеритов (FeCO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

), а затем, по мере поступления кислорода – магнетита (Fe -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

Fe -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

).
   К середине протерозоя состав атмосферы существенно изменился по сравнению с составом газовой оболочки в начале геологической истории Земли. Газы типа аммиака, сероводорода, метана были практически полностью окислены, значительно возросло содержание химически инертного молекулярного азота, сократилось количество углекислого газа, хотя его концентрация оставалась в сотни раз выше, чем в современном воздухе, но кислород еще продолжал расходоваться на окисление железа в системе Мирового океана. В сложившихся к этому времени в океане кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условиях активизировался процесс удаления углекислого газа из атмосферы путем связывания его в карбонатных осадках. Огромные массы СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

были связаны в толщах доломитов (Са, Mg, CO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) и известняков на протяжении позднего протерозоя. К этому времени завершилось окисление соединений двухвалентного железа до трехвалентного, о чем свидетельствует замещение седерита и магнетита гематитом (Fe -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

), а на суше прекратилась миграция железа, которое стало повсеместно переходить в водорастворимую, предельно окисленную форму оксида Fe(III). Следовательно, около 0,5–0,7 млрд лет назад в атмосфере уже присутствовал в заметном количестве свободный кислород, а в стратосфере началось формирование озона, создающего возможность распространения живых организмов из океана на сушу.
   Итак, на протяжении протерозоя под воздействием развивающегося живого вещества принципиально изменился массообмен химических элементов между наружными оболочками планеты и составом газовой и водной оболочек. Так как наиболее важной стороной планетарного геохимического эффекта жизнедеятельности организмов является перераспределение газов, то эта деятельность наиболее сильно отразилась на атмосфере, состав которой был полностью изменен.
   Не менее важное значение имело живое вещество для океана. Поверхностный слой воды являлся наиболее благоприятной средой для фотосинтезирующих организмов. Перестройка состава газовой оболочки Земли была совершена в итоге жизнедеятельности простейших, населявших тонкий поверхностный слой океана. Именно в нем сосредоточена основная часть живого вещества Мирового океана в настоящее время. По расчетам О.П. Добродеева и П.А. Суетовой (1976), общая живая биомасса океана составляет около 29–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, в том числе 21,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т – зоопланктон и 0,9-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т – фитопланктон.
   Основная часть массы планктона приходится на первые 100 м глубины. Это область наибольшей биогенной насыщенности океана, активного продуцирования кислорода и интенсивного биологического захвата химических элементов. Согласно упомянутым авторам, фитопланктон Мирового океана ежегодно поглощает из атмосферы 82,7-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углекислого газа и выделяет 60,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т кислорода.
   Благодаря быстрой воспроизводимости планктонных организмов, скорость биологического круговорота очень большая. В результате этого годовая продукция фитопланктона в живом весе почти равна продукции фотосинтезирующих организмов суши, хотя биомасса суши больше в 100–200 раз. Большая часть растворенных в воде химических элементов, необходимых для организмов (азот, фосфор, кремний и др.), захватывается и в значительной мере не выпускается из системы биологического круговорота. За счет выходящих из этого круговорота масс элементов, их концентрация постепенно увеличивается вглубь.

Рис. 10. Цикл кремния в море (по Р.А. Хорну, 1972)

На рис. 10 показана схема биологического круговорота кремния в планктонном слое океана и частичный выход из этого цикла в воду и в осадок на дно. На рис. 11 представлено изменение концентрации кремния с глубиной. Хорошо видно, что в слое до 100 м глубины почти вся масса элемента связана в живом веществе. В свободном состоянии (в растворе) кремний практически отсутствует.

   Рис. 11. Профили изменения концентрации кремния с глубиной в Атлантическом океане (по Р.А. Хорну, 1972)

   Несмотря на благоприятные условия, жизнедеятельность организмов моря имеет предел, который обусловлен низкой концентрацией многих необходимых элементов. Живому веществу океана просто не хватает элементов питания для роста свыше определенного уровня. Возможно, по этой причине примерно 600 млн лет назад живое вещество начало активно осваивать сушу. С этого момента геохимия географической оболочки приобрела современные черты.
   Образование живого вещества суши существенно изменили миграцию химических элементов в системе суша – океан. Наземная растительность не только обеспечивает планетарный кругооборот кислорода и углекислого газа, но также играет роль геохимического фильтра, через который проходит значительная часть химических элементов, вовлекаемых в миграцию с водным стоком.
   Масштабы деятельности живого вещества на суше значительно больше, чем в пределах океана. Не удивительно, что в результате деятельности наземного живого вещества на поверхности суши возник биогенный слой, еще более активный, чем планктонный слой океана. Речь идет о почвенном покрове, педосфере. В.И. Вернадский удачно назвал почву биокосным телом, противопоставив ее косному, инертному веществу горных пород. Почвенный покров континентов – зона наиболее напряженных биогенных геохимических процессов. В ней тесно сочетается деятельность, с одной стороны, высших растений, составляющих основную массу живого вещества Земли, а с другой – почвенных животных и микроорганизмов. По данным В.А. Ковды, в почве сосредоточено -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

всей биомассы лесов и более -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

массы степной растительности. Черви, насекомые и другие беспозвоночные содержатся в почве в количестве десятков млн т на 1 км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Биомасса микроорганизмов педосферы составляет около 1 млрд т.
   Наибольшего напряжения биохимические процессы достигают в самом верхнем горизонте почвы. Соответственно, сверху вниз происходит убывание содержания гумуса, численности животных и микроорганизмов, концентрации химических элементов, вовлекаемых в биологический круговорот. Конечно, это лишь общепланетарная закономерность, которая в разных типах почв определенным образом видоизменяется.
   Образование планктонного слоя в океане и почвенного покрова на суше обусловило появление новых факторов глобальной миграции химических элементов в географической оболочке. В массообмене между атмосферой и поверхностью суши в настоящее время принимает участие не столько земная кора, сколько педосфера. В дифференциации химических элементов на границе раздела океан – атмосфера важную роль играет жизнедеятельность планктона.
   Как следует из всего изложенного, современное геохимическое состояние географической оболочки, функционирование глобального механизма массообмена, поддерживающего единство этой оболочки, в значительной мере определяется деятельностью живого вещества.

Концепция биосферы В.И. Вернадского

   Учение о биосфере и живом веществе, разработанное замечательным российским ученым Владимиром Ивановичем Вернадским (1863–1945), является одним из крупнейших достижений научной мысли. Концепция биосферы была сформулирована В.И. Вернадским в начале XX в., хотя термин «биосфера» появился значительно раньше и был введен в научный лексикон профессором Венского университета Э. Зюссом в 1875 г. Э. Зюсс подразумевал под биосферой область обитания живых организмов. В.И. Вернадский вложил в данный термин принципиально иной смысл.
   Согласно идеям В.И. Вернадского под биосферой подразумевается наружная оболочка Земли, охваченная непрерывным массообменом химических элементов между геохимически активным живым веществом планеты и инертным веществом земной коры, гидросферы и атмосферы. Указанный массообмен, происходящий в процессе жизнедеятельности организмов, осуществляется на разных уровнях – от обмена веществ между индивидуальным организмом и средой его обитания, до обмена между закономерным комплексом организмов (биоценозом) и окружающей средой, между сочетанием биоценозов и средой в пространстве природной зоны и так далее до общепланетарного массообмена между живым веществом планеты, с одной стороны, и веществом ее наружных разнофазных оболочек, с другой. При этом процесс массообмена сопровождается направленным изменением состава окружающей среды, что стимулирует эволюцию организмов, жизнедеятельность которых, в свою очередь, способствует дальнейшему изменению состава среды. Таким образом, биосфера представляет собой саморазвивающуюся систему.
   К сожалению, концепция биосферы, впервые изложенная В.И. Вернадским на лекциях в Парижском университете весной 1923 г. и опубликованная в виде книги «Биосфера» в 1926 г. на русском, а в 1929 г. на французском языке, не вызвала интереса в научных кругах европейских стран и США. Замечательные идеи В.И. Вернадского опередили свое время и более полувека оставались неизвестными на Западе, а в нашей стране подверглись критике по идеологическим соображениям.
   Но в конце 60-х – начале 70-х годов XX в. под влиянием многочисленных и разнообразных проявлений негативных последствий техногенного прогресса стала очевидной острая необходимость изучения геохимического состояния окружающей среды. Люди начали осознавать важное экологическое значение живых организмов не только для себя, но и для последующих поколений. Возникло стремление к научному осмысливанию феномена жизни. В этой ситуации английский физико-химик Джеймс Лавлок (1979) выдвинул гипотезу Геи [7 - Гея – богиня Земли в древнегреческой мифологии.]. Ее суть заключается в следующем. Исходя из идеи о том, что все живые организмы произошли от некого отдаленного общего предка, гипотезой предполагается, что история развития органического мира представляет собой не что иное, как длительную эволюцию этого гипотетического предка, постепенно превратившегося в общепланетарный сверхорганизм. Этот гиперорганизм пронизывает своими разветвлениями и метостазами наружные оболочки Земли и обуславливает коэволюцию (взаимосвязанную эволюцию) организмов и окружающей среды. По поводу степени воздействия Геи на среду сложились две точки зрения. Согласно одной воздействие Геи направлено на сохранение природных условий, благоприятных для большей части организмов («слабая Гея»). Вторая точка зрения допускает, что организмы способны направленно изменять окружающую среду («сильная Гея»).
   Гипотеза Геи приобрела широкую популярность в странах Запада, где труды В.И. Вернадского были до конца XX в. неизвестны. Если отвлечься от элементов фантастичности в терминологии, то гипотеза Геи, базирующаяся на признании важной роли жизнедеятельности организмов, близка к учению В.И. Вернадского о живом веществе, а идеи о коэволюции организмов и окружающей среды полностью вписываются в концепцию биосферы. В 1997 г книга В.И. Вернадского «Биосфера» была издана в США и его труды получили всеобщее признание.
   Рассматривая биосферу как глобальную термодинамическую систему, следует остановиться на проблеме термодинамики живого вещества и биосферы.
   Процессы, протекающие в неорганической природе и в живом веществе, глубоко различаются в энергетическом плане. Любой процесс объединяет его участников в целостное единство, называемое системой. Для выполнения работы система должна быть обеспечена энергией. При осуществлении работы используется лишь часть энергии. Величина этой части зависит от уровня организации системы: чем более упорядочена система, чем сложнее и совершеннее ее организация, тем энергетически более выгодна система. Мерой упорядочения, или правильнее – мерой беспорядка, служит функция состояния системы – энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение). Примитивно организованные системы обладают низким коэффициентом полезного действия, значительными потерями энергии и соответственно высокой энтропией. По мере упорядоченности систем, повышения уровня их организации, потери энергии уменьшаются и соответственно снижается энтропия в конечных продуктах этих систем.
   Наиболее просто устроены так называемые изолированные системы, которые лишены возможности обмениваться энергией и веществом с окружающей средой. Они широко используются в технике (тепловые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. п.). Более сложную структуру имеют системы, которые могут обмениваться энергией с окружающей средой, хотя не способны к обмену веществом. Такие системы называемые закрытыми, встречаются в неорганической природе. В этих системах при совершении работы энергия также довольно активно теряется, что сопровождается накоплением энтропии в произведенных продуктах.
   Во второй половине XX в. было обнаружено, что в окружающем нас мире преобладают не закрытые системы, в которых действуют закономерности физико-химических равновесий, а сложно связанные между собой открытые неравновесные системы. Теория открытых систем была разработана выдающимся бельгийским физико-химиком русского происхождения И.Р. При гожиным. Согласно этому ученому, структура и динамика открытых систем имеют статистическую основу и непрерывно флуктируют (изменяются). В некоторых случаях (так называемых точках бифуркации) эти флуктации могут быть столь значительными, что разрушают организацию системы и тогда возникновение полного беспорядка (хаоса) также вероятно, как образование высоко организованной структуры.
   Учение о термодинамике открытых систем, получившее название синергетики (от греч. synergetikos – совместный, согласованно действующий), имеет весьма важное значение для понимания геохимических процессов, происходящих в биосфере.
   Среди открытых неравновесных систем особое место принадлежит биологическим системам. Их организация базируется на сложных, взаимообусловленных реакциях биохимического катализа, осуществляемого закодированными полипептидными ферментами, и специализированными нуклеиновыми кислотами (РНК), производящими кодирование. Таким образом, биологические системы непрерывно осуществляют самоподдержание и самовосстановление.
   Но этим замечательные свойства биологических систем не ограничиваются. Жизнь, в отличие от неживой, неорганической, природы на протяжении всей геологической истории развивается в сторону усложнения. По мнению Э.М. Галимова, весьма сложная организация биологических систем и статистический характер процесса их самовоспроизведения способствует образованию все более низкоэнтропийного продукта и, следовательно, совершенствованию организации этих непрерывно воспроизводимых систем. Можно предполагать, что именно это обстоятельство является главным фактором направленности эволюции живых организмов.
   Биосфера как природная система имеет весьма сложную организацию. Попытки вскрыть закономерности функционирования биосферы с позиции классической термодинамики и теории химических равновесий не увенчались успехом, так как в этом случае рассматриваются закрытые системы с ограниченным количеством переменных. Более перспективными оказались разработки в области теории открытых неравновесных систем И.Р. Пригожина.
   Исходя из идей В.И. Вернадского и учитывая установленные в последующем факторы и сделанные открытия, можно считать, что функционирование биосферы как планетарной системы обеспечивается циклическим массообменом между всеми ее компонентами. Процессы циклического масообмена неразрывно связаны с суммарным геохимическим коэффициентом жизнедеятельности организмов. Некоторые циклы полностью обусловлены жизнедеятельностью, другие – биогенны в той или иной мере.
   Характерная часть геохимических циклов – их незамкнутость, позволяющая избыточной для данного цикла части мигрирующих масс выходить из миграции и аккумулироваться в составе какого-либо компонента системы («резервуара») или переходить в другой миграционный поток. Незамкнутость циклов обуславливает замечательное свойство самовосстановления отдельных нарушенных геосистем и самоподдержание всей биосферы в целом.
   Среди циклических процессов массообмена, происходящих в биосфере, наиболее очевидным и изученным является биологический круговорот в пределах Мировой суши, под которым подразумевается ежегодный циклический обмен масс химических элементов между почвой и растительностью. Количество химических элементов, мобилизуемых в процессе выветривания и почвообразования, так велико, что не может быть полностью включено в биологический круговорот. Большая часть этого «остатка» вовлекается в водную миграцию и удаляется с речным стоком за пределы суши, меньшая часть включается в аэральную миграцию и участвует в циклах массообмена между поверхностью континентов и тропосферой. Не менее активно происходит циклический обмен масс, но других химических элементов, между поверхностью океанов и тропосферой, а также аэральная миграция масс с акватории на сушу и в обратном направлении.

Распределение масс и главные миграционные массопотоки химических элементов

   Имеющиеся данные позволяют наметить основные черты планетарных геохимических циклов отдельных химических элементов. Для построения модели будем рассматривать три наружные оболочки Земли, а также живое вещество планеты как резервуары элементов, связанные миграционными потоками.
   Как отмечено ранее, современные геохимические циклы захватывают не всю литосферу и даже не всю кору континентов, а лишь ее самую поверхностную часть на суше (зону гипергенеза) и главным образом педосферу.
   Все расчеты в этой главе проведены, по возможности, с исключением воздействия хозяйственной деятельности человечества с целью установления природных циклов. Случаи, когда указанное исключение невозможно, специально отмечаются.
   Для расчета масс, содержащихся в резервуарах географической оболочки, принимаются следующие величины:Атмосфера, масса – 5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Мировой океан, объем —1370-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

(86 % всей гидросферы, объем которой равен 1600-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

).
   Земная кора:
   • толща осадочных пород (стратисфера), масса —2400-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т,
   • «гранитный» слой земной коры, масса – 8200-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Живое вещество – биомасса:
   • живая суши (до нарушения человеком) – 6,25–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т,
   • живая океана – 30–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т,
   • сухая суши – 2,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т,
   • сухая океана – 7,0-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Органическое вещество почвы (педосферы):
   • лесные подстилки (сухая масса) – 0,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

,
   • аккумуляции торфа (сухая масса) – 0,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

.
   Общая масса органического углерода в педосфере – органическое вещество:
   • Мирового океана, растворенное и высоко-дисперсное органическое вещество, сухая масса – 4-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т,
   • погребенное в толще осадочных пород, сухая масса – 14,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Величины, принятые для расчета массообмена между резервуарами:
   • сток воды с дренируемой суши в океан – 37–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/год,
   • сток воды, включая сток с ледников – 4,4-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/год,
   • испарение с поверхности океана – 456-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/год,
   • испарение с дренируемой части суши – 62–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/год,
   • испарение с бессточной части суши – 8-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/год,
   • осадки на поверхность океана – 412-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/год,
   • осадки с дренируемой части суши—106-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/год (включая 44–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год осадков морского происхождения),
   • «сухое» осаждение из атмосферы – 20 % от массы элемента, содержащегося в водных атмосферных осадках.
   Биологический круговорот:
   • годовая продукция живого вещества суши, до воздействия человека (сухая масса) – 172-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т,
   • с учетом антропогенного сокращения на 25 % – 129-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т,
   • зольность – 5 % сухой массы вещества,
   • биологический круговорот фотосинтезирующих организмов океана (сухая масса) – 110-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год,
   • зольность – 20 % сухой массы вещества.
   Годовое поступление органического вещества с водным стоком с суши в океан, сухая масса – 0,710 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Вывод дисперсного органического вещества из океана в осадки – 0,02–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год.
   Годовой вынос твердых частиц и взвесей с водным стоком с суши в океан – 20,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Годовой вынос твердых частиц ветром через атмосферу с суши в океан – 1,9-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.

Сравнительный анализ распределения масс и геохимических циклов натрия и хлора в географической оболочке

   Геохимический цикл натрия. Натрий – типичный представитель элементов, накапливающихся на поверхности планеты в процессе выплавления земной коры из вещества мантии. Основная масса этого элемента выпадает на последних стадиях магматической кристаллизации и остается в постмагматических растворах. Подобно кальцию, натрий занимает в кристаллохимических структурах силикатов позиции между прочными алюмокремне-кислородными группировками, легко освобождается при выветривании кристаллических пород и в отличие от калия не входит в структуры распространенных глинистых минералов. В то же время натрий весьма активно сорбируется и поэтому аккумулируется в осадочных породах. Концентрация Na -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O в «гранитном» слое – 2,71 %, в толще осадочных пород – 1,5 %. Соответственно в «гранитном» слое содержится натрия 138-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, а в осадочной толще – 22,3-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Освобождаясь из кристаллического вещества земной коры, натрий в форме хорошо растворимого катиона переносится с континентальным стоком в океан, в водах которого содержится 14,74–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т этого элемента. Огромное количество натрия, сосредоточенное в осадочных породах и в океане (37–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т), составляет всего лишь 21 % той массы элемента, заключенной в исходном «гранитном» слое литосферы, откуда он постепенно вовлекался в миграцию в географической оболочке.
   В организмах натрий является обязательным компонентом жидких тканей животных и человека (плазмы, крови, лимфы) и клеточного сока растений, играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, регулирует осмотическое давление, поддерживает необходимое количество воды в тканях и пр. В силу важной физиологической роли натрий в большом количестве поглощается растительными и особенно животными организмами, его недостаток вызывает тяжелые заболевания.
   В оценке средней концентрации натрия в живом веществе нет единого мнения. Согласно А.П. Виноградову, эта величина около 0,05 %, по X.Дж. Боуэн, – 0,12 % сухой массы. Исходя из последней величины, в биомассе суши содержится около 3-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т натрия. Концентрация в живом веществе океана значительно выше – 3,3 % сухого вещества, но в океанической биомассе находится всего 0,18–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, т. е. в 10 раз меньше, чем на суше.
   Из растительных остатков натрий легко выщелачивается, поэтому его концентрация в мертвом органическом веществе и гумусе педосферы невелика – 0,01 %, а величина содержащейся массы близка к (0,2–0,3) – 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В педосфере содержатся значительные массы натрия в форме солей и сорбированных ионов, однако эта величина пока не поддается обоснованному определению.
   Распределение масс натрия в географической оболочке показано на рис. 12.

   Рис. 12. Модель распределения масс натрия в географической оболочке
   (цифры – масса элемента в т)

   Главным миграционным потоком натрия в географической оболочке является водный сток с суши, с которым ежегодно выносится 0,066-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т ионов этого элемента. Одновременно с твердым стоком натрий выносится преимущественно в сорбированном состоянии. Принимая концентрацию натрия в глинистых породах по А.П. Виноградову, 0,66 % для выносимых реками твердых частиц и взвесей, получим массу 0,135-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Живое вещество Земли на протяжении года пропускает через себя около 4,6-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т натрия, причем на суше в биологический круговорот вовлекается 0,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, а в океане почти в 20 раз больше. Огромная аккумуляция натрия в океане и значительное превышение океанического биологического круговорота над континентальным характеризуют натрий как типичный талассофильный элемент.
   Концентрация натрия в атмосферных осадках над океаном 2,24 мг/л, над сушей – около 2 мг/л. Соответственно над океаном находится 1003,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т плюс 20 % на «сухое» осаждение (200-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т), всего 1203-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Около 100-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т из этого количества переносится на континенты, и в океан возвращается 1103-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т натрия. В атмосферу над сушей поступает около 0,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, но из атмосферы на поверхность суши выпадает большее количество благодаря переносу океанического натрия в количестве около 280-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В то же время с поверхности суши в океан выносится с ветровой пылью примерно 0,013-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т натрия в сорбированном состоянии. Как следует из приведенных данных, распределение масс натрия и структура его планетарного геохимического цикла (рис. 12 и 13) свидетельствует о мобилизации масс этого элемента из пород гранитного слоя в процессе их гипергенного перераспределения.

   Рис. 13. Глобальный геохимический цикл натрия:
   1 – биологическая миграция, 2 – миграция ионов, 3 – миграция в сорбированном состоянии на твердых частицах или в виде обломков натрийсодержащих минералов. Цифры – масса элемента в т/год

   Геохимический цикл хлора. Распределение хлора в географической оболочке характеризуется ясно выраженной аккумуляцией в водах Мирового океана, где в форме растворенных ионов СI -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

содержится преобладающая часть массы этого элемента. Хлор – наиболее талассофильный элемент. Его сравнительно небольшое количество находится в живом, еще меньше – в мертвом органическом веществе. Средняя концентрация хлора в сухой массе живого вещества суши, по Х.Дж. Боузн, равна 0,2 %, океана значительно выше – 4,7 %. Но в силу того, что суммарная масса живых организмов океана в 100 раз меньше массы организмов суши, в живом веществе суши связано на два математических порядка больше хлора. Количество хлора, содержащегося в органическом веществе суши и океана примерно одинаково.
   В областях непромывного водного режима почв хлор накапливается в почвах. В этих условиях миграция элемента осуществляется в процессе массообмена суша – атмосфера. Количественная оценка этого процесса пока неосуществима. Можно лишь отметить, что содержание ионов хлора в атмосфере не имеет существенного значения в балансе его масс. Распределение масс хлора показано на рис. 14.

   Рис. 14. Модель распределения масс хлора в географической оболочке
   (цифры – масса элемента в т)

   Содержание хлора в толще осадочных пород характеризуется, по А.Б. Ронову, средней концентрацией 0,27 % и массой 6,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В «гранитном» слое земной коры концентрация в 10 раз меньше – 0,021 %, а общее количество элемента равно 1,7-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Таким образом, даже если бы вся огромная масса «гранитного» слоя земной коры была разрушена, то освободившегося хлора не хватило бы для океана, не говоря уже об осадочных породах.
   В географической оболочке хлора почти в 20 раз больше, чем в «гранитном» слое. Это обстоятельство ясно указывает на поступление элемента из подкорковых областей мантии в результате ее дегазации.
   Сравнение распределения масс натрия и хлора в географической оболочке представлено в табл.16.

   Таблица 16
   Распределение масс натрия и хлора в биосфере, 1-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т

   Доминирование хорошо растворимых в воде ионов хлора над ЭГО другими формами нахождения определяют основные черты глобального геохимического цикла этого элемента, среди которых главная – исключительно высокая способность к водной миграции. Значительные количества хлора многие миллионы лет выносятся с континентальным стоком в океан (рис. 15). Замечательной особенностью его геохимического цикла является активная миграция в атмосфере в составе аэрозолей и возврат значительных масс на сушу. В атмосферных осадках над океаном содержание хлора в среднем 4 мг/л. Следовательно, на протяжении года из океана в атмосферу переходит 1792-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т хлора плюс 358-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т «сухих» осаждений, а возвращается с осадками и в форме «сухих» осаждений 1972-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Разница в 178-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т переносится с воздушными массами на сушу и выпадает там. Таким образом, значительная часть хлора циркулирует в системе суша – океан – атмосфера – суша, в силу чего хлор именуется циклическим элементом.

   Рис. 15. Глобальный геохимический цикл хлора:
   1 – биологическая миграция, 2 – миграция ионов, 3 – миграция в сорбированном состоянии на твердых частицах. Цифры – масса элемента в т/год

   Растения поглощают хлор из почвы, точнее, из почвенных вод. Ежегодно в биологический круговорот на суше захватывается около 0,3-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т элемента. В морской воде его концентрация значительно выше и он соответственно в большем количестве входит в синтезируемые ткани организмов. На протяжении года биос океана вовлекает в круговорот примерно 4,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т хлора, это в 15 раз больше, чем на суше.
   Сопоставление структуры планетарных миграционных циклов натрия и хлора представлено в табл. 17.
   Проведенный сравнительный анализ распределения миграции масс в географической оболочке двух элементов, тесно связанных своей геохимической историей, показал, что по источнику масс, поступающих в систему планетарных геохимических циклов, различаются две группы химических элементов. Массы одних, представителем которых является хлор, поступали в систему миграционных циклов, в результате процессов дегазации вещества мантии. Массы других элементов мобилизовывались в процессе гипергенного преобразования вещества верхнего слоя земной коры континентов. К ним относится натрий.
   Рассмотрим характерные черты распределения и миграции масс других представителей установленных двух групп элементов.

   Таблица 17
   Миграция масс ионов натрия и хлора в биосфере

Распределение масс и циклы элементов, поступивших в географическую оболочку в результате дегазации вещества мантии

   Геохимический цикл углерода. Геохимия углерода – один из наиболее ярких примеров циклического массообмена внутри географической оболочки. Распределение этого элемента следующее. В атмосфере имеется 2,45–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углекислого газа, в котором связано около 0,6-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углерода. В океане, помимо живого вещества, углерод присутствует в двух главных формах: во-первых, в составе растворенного и дисперсного органического вещества, рассеянного в воде, и, во-вторых, в виде ионов НСО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Масса углерода, содержащегося в растворенном и дисперсном органическом веществе, близка к 2,1-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Количество углерода, связанного в форме гидрокарбонат-карбонатных ионов, можно оценить величиной 38,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Как отмечено ранее, основная масса живого вещества находится на суше и имела до воздействия человека сухую массу 2,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, а в настоящее время уменьшилась на 25–30 %. Соответственно в биомассе суши до антропогенного воздействия содержалось более 1,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углерода, а в настоящее время около 0,9-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Кроме того, на суше присутствует неживое органическое вещество: отмершие растительные остатки на поверхности почвы и торф, а также почвенный гумус (2,4-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т), по оценке Н.И. Базилевич. В органическом веществе суши и гумусе связано примерно 2,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

углерода.
   Наименьшее количество углерода находится в атмосфере, в полтора раза больше – в живом веществе. Примерно в два раза больше, чем в живом веществе содержится углерода в неживом органическом веществе педосферы. В водах Мирового океана углерода в 10 раз больше, чем во всех других резервуарах модели. Но главным резервуаром углерода служит осадочная толща земной коры (стратисфера). Концентрация углерода в осадочной оболочке на порядок выше, чем в гранитном и базальтовом слоях литосферы. Несмотря на то, что объем осадочной оболочки составляет всего -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

часть земной коры, в осадочной толще сосредоточено 75 % массы карбонатного и 75 % массы органического углерода. При этом основная масса органического углерода представлена рассеянным органическим веществом. Концентрированные скопления органического углерода в виде залежей нефти и каменных углей имеют подчиненное значение. По данным Д.М. Ханта (1965), в месторождениях нефти находится 0,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, каменного угля – 6-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углерода. В сумме это на три порядка ниже массы углерода рассеянного органического вещества, содержащегося в осадочной оболочке. Общая картина распределения масс углерода в географической оболочке выглядит следующим образом (табл. 18).
   Приведенные данные являются ориентировочными и отражают современный уровень наших знаний. Данные о распределении масс углерода в биосфере, полученные другими авторами и другими путями, принципиально не расходятся с нашими результатами, хотя численно отличаются (А.П. Виноградов, 1967; А.И. Иванов и др., 1988; Е.А. Романкевич, 1988; Б. Болин, 1979; и др.).
   Закономерности распределения углерода в земной коре показывают, что существуют две главные группы форм нахождения углерода: карбонатные и органические соединения. Следует подчеркнуть, что и те и другие биогенны. Карбонаты небиогенного происхождения – довольно редкое исключение из общего правила (например, вулканические карбонатиты). Связующим звеном между карбонатами и органическими соединениями служит СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, который является необходимым исходным материалом как для фотосинтеза органического вещества, так и для образования карбонатов организмами.

   Таблица 18
   Распределение масс углерода в географической оболочке

   Глобальный геохимический цикл углерода состоит из двух крупных циклов более низких рангов. Первый из них обусловлен связыванием углекислого газа в органическое вещество в процессе фотосинтеза и новым его образованием при биохимическом разрушении органического вещества организмами-гетеротрофами. Если бы этот процесс был замкнутым, то все количество синтезированного органического вещества разлагалось бы и уровень поглощенного углекислого газа полностью восстанавливался бы. Годовая продуктивность живого вещества суши до ее нарушения человеком составляла 172,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, сухого вещества, т. е. более 80–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углерода. В настоящее время содержание углерода в продукции природной растительности близко к 60–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. По данным Е.А. Романкевича (1988) в продукции фотосинтезирующих организмов Мирового океана содержится близкое количество углерода.
   Количество ежегодно разрушающегося органического вещества пока не поддается точному определению. Тем не менее можно утверждать, что из рассматриваемого цикла постоянно выводится значительное количество углерода в составе органического вещества. Только на суше, в почвенном покрове, всего за 1–2 тысячи лет накоплено углерода в два раза больше, чем его содержится в атмосфере.
   Не вся масса углерода, выведенная из цикла атмосфера – живое вещество, сохраняется в педосфере в виде растительных остатков и гумуса. Значительная часть окисляется, а затем в составе ионов НСО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

выносится с континентальным стоком в океан. Годовой вынос бикарбонатов равен 2,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, соответственно углерода более 0,4-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Одновременно выносится около 0,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углерода в составе взвешенных и растворенных органических соединений.
   Таким образом, с суши, преимущественно из педосферы, в океан движется поток углерода в количестве 0,9-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Некоторое количество бикарбонатов возвращается на сушу с атмосферными осадками морского происхождения. Концентрация в них ионов НСО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

равна 0,36 мг/л, их общий объем 448-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

л. На сушу переносится около 10 % НСО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, т. е. 16–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, в том числе 0,003-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углерода. Этот возврат в 300 раз меньше выноса и не может, конечно, компенсировать общего выноса этого элемента с суши в океан.
   Океан является основным вместилищем углекислоты, которая через бикарбонат-карбонатную систему находится в подвижном равновесии с углекислым газом атмосферы. Так намечается второй крупный цикл углерода, обусловленный обменом углекислого газа между атмосферой и океаном. Холодные воды приполярных районов океана поглощают углекислый газ из атмосферы, а теплые воды тропической акватории возвращают его избыток в атмосферу. Есть предположение, что за год около 100-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

растворяется в океане и вновь возвращается в атмосферу. Этот цикл также не замкнут, так как на протяжении 2,5 млрд лет из вод морей и океанов систематически осаждались карбонаты кальция и магния.
   Следовательно, живое вещество и бикарбонат-карбонатная система играют роль геохимических двигателей, обеспечивающих обмен углерода между атмосферой, сушей и океаном, причем в последнем накапливаются массы углерода, освобождающиеся из обменных циклов.
   Как ни велик Мировой океан, его геохимическая емкость не беспредельна. Избыточные массы углекислых солей кальция и магния, а также взвешенные органические частицы уходят в осадки в форме рассеянного органического вещества. В глинистых отложениях морей и океанов сосредоточены миллиарды тонн рассеянного органического вещества. Еще большие количества углерода (около 8-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т) содержатся в мощных толщах карбонатных пород – известняках, доломитах, мергелях. Ориентировочно можно считать, что в осадок уходит 0,08–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год углерода с рассеянным органическим веществом и 0,16–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т с карбонатами. Структура общепланетарного геохимического цикла углерода приведена в табл. 19.

   Таблица 19
   Миграция масс углерода в биосфере

   Непрерывный вывод углерода из глобального цикла и захоронение его в осадках морей имеет кардинальное значение для развития, географической оболочки. На основании тщательных расчетов А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского (1976) можно считать, что в «гранитном» слое земной коры содержится углерода: 4-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т в составе органических соединений и 18–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т в форме карбонатов (всего 22–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т). Это количество примерно в 4 раза меньше, чем в осадочной толще. Следовательно, углерод в географическую оболочку не мог поступить в результате гипергенного преобразования пород «гранитного» слоя литосферы. Резервуаром, откуда на протяжении более 3 млрд лет черпался углерод, служит атмосфера. Непрекращающееся выведение углерода из атмосферы могло бы обусловить постепенное убывание СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в атмосфере, а следовательно, уменьшение биологического круговорота, т. е. нарастающее сокращение воспроизводства живых организмов, а затем и полное прекращение жизни на нашей планете. К счастью, в действительности этого нет. Данные геологии и биологии неопровержимо свидетельствуют не об угнетении, а о развитии и распространении жизни на Земле. Следовательно, мы должны заключить, что углерод постоянно поступает на поверхность планеты и количество СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в атмосфере поддерживается на достаточно высоком уровне. Единственным источником такого пополнения атмосферы могут служить вулканические газы.
   Известный геохимик А.Б. Ронов определил объемы всех типов осадочных горных пород и рассчитал количество углерода, содержащегося в карбонатных породах и рассеянном органическом веществе. Одновременно он установил объем вулканических лав, которые изливались в те периоды, когда отлагались осадки. Было обнаружено, что массы СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, связанного в карбонатных толщах, и углерода, содержащегося в рассеянном органическом веществе древних пород, изменяются согласно с колебаниями величин объемов вулканических пород. В те эпохи, когда происходили бурные извержения вулканов и изливалось огромное количество лавы, отлагалось особенно много карбонатных пород и рассеянного органического вещества (рис. 16). По-видимому, объем лав отражает интенсивность выноса вулканических газов. На протяжении фанерозоя продолжительностью в 570 млн лет в осадочных отложениях было погребено 71300-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углерода, связанного в составе карбонатов, и 9100-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т – в рассеянном органическом веществе. Приведенные данные показывают, с одной стороны, что существование и развитие жизни неразрывно связаны с глобальным геохимическим циклом углерода, который обеспечивается поступлением углекислого газа из недр Земли. С другой стороны, создание современной географической оболочки, поддержание ее функционирования обусловлены геохимической деятельностью живого вещества. Если бы живые организмы не обеспечивали геохимический цикл углерода, поддерживающий невысокую концентрацию СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в атмосфере, то захороненное количество углерода (около 1-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т) находилось бы в виде 4-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углекислого газа в атмосфере, т. е. в тысячи раз больше, чем сейчас. Это имело бы самые серьезные последствия.

   Рис. 16. Изменение во времени массы вулканических пород, суммарной массы СО карбонатных пород и массы органического углерода С, погребенного в осадочных толщах (по А.Б. Ронову, 1976)

   Как известно, молекулы СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в атмосфере поглощают инфракрасное (тепловое) излучение Земли и излучают поток энергии к земной поверхности. Столь сильное повышение содержания углекислого газа могло вызвать разогревание поверхности планеты, повышение температуры до 400 °C, испарение Мирового океана и создание обстановки, подобной той, которая имеет место на Венере.
   Усиление притока углекислого газа в периоды активного вулканизма, по-видимому, сопровождалось общим потеплением климата, уменьшением контрастности температур высоких и низких широт. Возможно, что широкое распространение от экватора до 51° с. ш. переотложенных красноцветных продуктов выветривания в неогене и затем их полное исчезновение на внетропической территории в плейстоцене обусловлено уменьшением поступления вулканического СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в связи с окончанием основных фаз альпийского тектогенеза.
   Некоторые ученые предполагают, что смена ледниковых и межледниковых периодов в плейстоцене обусловлена колебаниями содержания углекислого газа в атмосфере. По мнению О.П. Добродеева, распространение материкового льда и сильное сокращение площади лесной растительности с характерной для них высокой биомассой способствовало повышению углекислоты в воздухе и относительному потеплению. Сокращение ледников и распространение лесов сопровождалось изъятием углерода из атмосферы и связыванием его в биомассе и органическом веществе педосферы. Это вызывало постепенное похолодание и появление очередного материкового оледенения.
   Подчеркнем, что все рассмотренные колебания глобального геохимического цикла углерода происходили естественным путем, без влияния хозяйственной деятельности человека.
   Взаимосвязь геохимических циклов углерода и кислорода. Как показано в предыдущих разделах, геохимический цикл углерода, обусловленный геохимическим эффектом жизнедеятельности организмов, неразрывно связан с глобальной миграцией масс кислорода. Распределение масс этого элемента в географической оболочке следующая: в земной коре содержится 18500-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, в гидросфере – 1200-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, в атмосфере – 1,18–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, в живом веществе – 0,009-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Как видно из приведенных данных, основная масса кислорода находится в составе кристаллического вещества земной коры. Кратко рассмотрим основные черты геохимии кислорода в земной коре.
   Благодаря высокой геохимической активности, свободный кислород в этой оболочке отсутствует. Он преимущественно входит в кристаллохимические структуры силикатов и кварца. Эти легкоплавкие соединения, по-видимому, были выплавлены из мантии. На фоне расслоения Земли на оболочки и сопровождающую этот процесс дифференциацию химических элементов, ясно прослеживается постепенная концентрация кислорода в земной коре в исходном веществе планеты, за которое можно принять каменные метеориты (хондриты), в которых среднее содержание кислорода – 35 %, в веществе верхней мантии (породы ультраосновного состава) – 42,5 %, в базальтах, слагающих нижнюю часть земной коры, – 43,5 %, в гранитоидах, составляющих верхнюю часть коры континентов, – 48,1 %.
   Основной структурный элемент кристаллического вещества земной коры – группировка из четырех ионов кислорода, окружающих ион кремния или алюминия. Глубинные горные породы на поверхности суши подвергаются воздействию физико-географических факторов. Кристаллохимическая структура минералов перестраивается, происходит изменение координации ионов кислорода и алюминия. При этом новообразованные гипергенные силикаты поглощают солнечную энергию. Поступая в глубинные части земной коры, они подвергаются перекристаллизации. Предполагается, что в этом процессе аккумулированная энергия освобождается и трансформация кристаллохимических структур кислородных соединений играет определенную роль в обмене энергии между верхней мантией и поверхностью земной коры, получающей солнечную радиацию.
   Входя в состав воды, кислород составляет большую часть гидросферы – 86 % ее массы. Вода – одно из самых главных химических соединений наружной части нашей планеты. Круговорот воды обеспечивает температурно-влажностные условия существования живого вещества и вместе с тем способствует связыванию литосферы, гидросферы и атмосферы в единую географическую оболочку. Высокая диэлектрическая проницаемость воды обусловливает ее сильную растворяющую способность, благодаря чему в водную миграцию вовлекаются огромные массы химических элементов. Вода служит единственным исходным «сырьем» для образования свободного кислорода посредством реакций фотосинтеза и фотолиза.
   Свободный кислород сконцентрирован в атмосфере, где он составляет У -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

объема, или 23,15 % массы. Несмотря на то, что свободный кислород составляет менее 0,001 % общего количества этого элемента в географической оболочке, его значение трудно переоценить. Будучи порождением жизни, он служит одним из основных условий существования главных ее форм.
   В живом веществе кислород составляет 70 % благодаря высокому содержанию воды (60 %); в пересчете на сухую массу – около 40 %. Это количество ничтожно по сравнению с общей массой кислорода в географической оболочке. В то же время с деятельностью живого вещества связан главный цикл миграции свободного кислорода.
   Связывание 1 г углерода в процессе фотосинтеза сопровождается выделением примерно 2,7 г кислорода за счет расщепления молекул Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О. Часть синтезированного органического вещества «сгорает», окисляется и разрушается в результате дыхания растений. На это расходуется около 15 % синтезированного вещества. Исходя из величины годовой продукции живого вещества, можно считать, что ежегодное продуцирование кислорода живым веществом планеты составляет примерно 300—350-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Около -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

этого количества выделяется растительностью суши и немногим более -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– организмами моря, главным образом фитопланктоном. Величины, определенные О.П. Добродеевым, составляют соответственно 258-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т и 60–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т в год. В сумме это несколько больше 0,003 % массы атмосферного кислорода.
   При такой производительности фотосинтезирующие организмы менее чем за 4 тыс. лет могли бы удвоить количество свободного кислорода в атмосфере. Однако этого не происходит, так как на протяжении года разлагается такое количество органического вещества, которое почти равно приросту, и при этом поглощается почти весь выделившийся кислород. Тем не менее за счет консервирования части органического вещества свободный кислород постепенно накопился в атмосфере,
   Второй миграционный цикл свободного кислорода связан с массообменом в системе атмосфера – гидросфера. В 1 л воды растворено от 2 до 8 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

кислорода. Следовательно, в водах Мирового океана находится от 3 до 10 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

растворенного кислорода. Холодные воды приполярных районов поглощают кислород, теплые тропические воды его отдают в атмосферу. Поглощение и возврат кислорода происходит также при смене холодных и теплых сезонов года. Согласно А.П. Виноградову, в массообмен вовлекается около 0,5 % атмосферного кислорода, т. е. 6000-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Это в 20 раз больше биогенного продуцирования кислорода.
   По расчетам А.Б. Ронова, на протяжении последних 570 млн лет из недр Земли должно было выделиться 24,3-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т свободного кислорода. В современной атмосфере содержится 1,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Значит, 95 % выделившегося кислорода было затрачено на преобразование состава газовой и водной оболочек, а также верхних слоев земной коры, где были окислены огромные массы железа, марганца, серы и других многовалентных элементов. В результате этого из океана осаждались большие количества катионов, до тех пор находившиеся в растворе, а на суше сильно замедлилась миграция железа, марганца и их металлов-спутников.
   Геохимический цикл азота. В отличие от ранее рассмотренных элементов, основная масса азота в форме N -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

сосредоточена в атмосфере, где он находится в количестве около 3900-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В живом веществе суши, главным образом растительности, среднее содержание близко к 1 % от сухой биомассы, т. е. находилось до антропогенного воздействия порядка 25–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В органическом веществе педосферы средняя концентрация азота близка к 3 %, а общая масса элемента более 100-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. В фотосинтезирующих организмах океана при средней концентрации азота 6 % его масса будет 0,1–0,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В организмах-консументах при средней концентрации азота 7 % его масса составляет 0,32–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   В океане азот присутствует в виде растворенных ионов, в составе неживого органического вещества и в форме растворенного в воде газа N -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Масса азота в форме растворенных ионов равна 685-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Массу азота в дисперсном и органическом веществе океана в первом приближении можно принять равной 300-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Кроме всего перечисленного в океане растворен молекулярный азот атмосферы. Согласно А.П. Виноградову, при равновесии газов атмосферы с водой океана в нем растворено около 0,5 % всего свободного N -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, т. е. около 20 0 00–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Масса азота, находящегося в толще осадочных пород, ориентировочно составляет около 600-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В «гранитном» слое земной коры концентрация азота 0,002 %, а общая масса 164-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Это значительно меньше, чем в других резервуарах географической оболочки. В осадочной толще азота больше в несколько раз, а в атмосфере – в 20 раз по сравнению с «гранитным» слоем литосферы. Следовательно, суммарное количество азота, содержащееся в географической оболочке, не может быть объяснено его извлечением из «гранитного» слоя земной коры, а, вероятно, обусловлено поступлением в атмосферу в составе вулканических газов, выделявшихся при выплавлении вещества земной коры из мантии. Распределение масс азота в географической оболочке приведено в табл. 20.

   Таблица 20
   Распределение масс азота в географической оболочке

   В глобальном геохимическом цикле азота наиболее важное значение имеют массообмен газов между педосферой и атмосферой, биологический круговорот и миграция солей в системе суша – океан – атмосфера – суша. Особенно ответственна роль первого из указанных циклов, так как в результате его поддерживающих процессов обеспечивается поступление доступных для растений форм азота. Азот – необходимая составная часть белков, без белков нет жизни. Следовательно, количество азота лимитирует развитие живого вещества. Оригинальность ситуации заключается в том, что огромная масса этого элемента, находящаяся в атмосфере, недоступна для главных продуцентов – зеленых растений суши. Химическая инертность молекулярного азота обусловила его постепенную аккумуляцию в газовой оболочке Земли, где он составляет более 75 %. Молекулярный азот могут использовать лишь немногие организмы – азотфиксаторы. К ним относятся почвенные микроорганизмы, живущие свободно или в симбиозе с высшими растениями, частично – сине-зеленые водоросли. В результате деятельности этих организмов синтезируются соединения азота, без которых невозможно развитие высших растений, т. е. функционирование системы биологического круговорота.
   Предполагается, что до вмешательства в природные процессы человека, на суше азотфиксаторы ежегодно связывали более 30–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т азота (Делвич, 1972). Если бы вся эта масса сохранялась, то растительность не могла бы ее использовать, и избыточные количества в форме солей азотной кислоты начали бы быстро накапливаться на суше и в океане. Одновременно избыточная продуктивность растений нарушила бы баланс биологического круговорота, суша и океан оказались бы перегруженными гниющими массами органических остатков. Эти гибельные последствия предупреждаются деятельностью микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности освобождают азот из химических соединений, и в молекулярной форме возвращают его в атмосферу. Поэтому большая часть биологически фиксируемого азота балансируется его возвратом в атмосферу. Однако некоторая часть фиксированного азота выводится из рассмотренного цикла и включается в биологический круговорот.
   В настоящее время на суше из почвы в биологический круговорот ежегодно вовлекается 3,4-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т этого элемента (с учетом сельскохозяйственных культур). Большая часть этой массы возвращается в составе растительных остатков и включается в серию различных биологических процессов, в итоге которых органическое вещество разрушается, азот переходит в формы, доступные для растений, и вновь захватывается растительностью. Часть азота выводится из биологического круговорота, будучи законсервированной в мертвом органическом веществе. Этот своеобразный запас азота сохраняется в педосфере и свидетельствует о некоторой заторможенности биологического круговорота. В океане масса живого вещества значительно меньше, чем на суше, но в три раза больше концентрация в них азота. Кроме того, как отмечено ранее, биологический круговорот в океане происходит значительно быстрее. Поэтому через биологический круговорот в океане проходят значительно большие массы этого элемента, чем на суше, а именно около 6-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Участие организмов-консументов в миграции масс азота в океане пока еще не получило обоснованной оценки.
   Обратимся к рассмотрению миграции масс азота в системе суша – океан – атмосфера – суша. С континентальным водным стоком в океан поступает от 30 до 60–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год элемента в составе растворимых солей. Предполагается, что в процессе испарения, высыхания морских брызг и т. д. в атмосферу над океаном при средней концентрации в морской воде азота 0,5 мг/л захватывается значительное количество азота в форме растворимых солей. Их подавляющая часть возвращается в океан, а около 10 % переносится на сушу и выпадает с атмосферными осадками в количестве около 20–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. При всей ориентировочности расчетов видно, что азот – один из типичных компонентов циклических солей и вынос растворимых форм азота с континентальным стоком в значительной мере балансируется его возвратом из океана через атмосферу.
   С поверхности суши азот смывается не только в растворимой форме, но также в составе органического вещества, масса которого равна 700-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. При средней концентрации азота в этом веществе около 1 % вынос элемента составляет 7-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Органическое вещество, вынесенное с суши, и мельчайшие остатки планктонных организмов образуют дисперсное органическое вещество океана, в котором содержится около 120-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т азота. Частицы органического вещества постепенно опускаются на дно и входят в осадки Мирового океана. На основании расчетов А.Б. Ронова, можно считать, что во всем Мировом океане в год осаждается около 20–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т дисперсного органического вещества как морского, так и континентального происхождения. В осадок уходит очень небольшая часть азота, приносимого с суши в океан и освобождающегося из живого вещества океана. Большая часть элемента подвергается процессам денитрофикации и возвращается в атмосферу. Количество захороняемого азота уравновешивается массами этого элемента, поступающими в географическую оболочку из недр Земли с продуктами вулканической деятельности.
   Наконец, значительные массы азота принимают участие в газовом обмене с Мировым океаном. В 1 л океанической воды содержится в среднем 13 см -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

N -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, а во всем Мировом океане около 18 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, т. е. почти 1,5 % объема океана. Это огромное количество находится в состоянии динамического равновесия с азотом атмосферы и постоянно обменивается вместе с другими газами.
   Следует отметить, что изучение массообмена азота связано с большими трудностями, поэтому количественные оценки отдельных миграционных потоков и круговоротов азота, выполненные разными учеными, сильно различаются.
   Имеющиеся данные о миграции масс азота, происходящей в географической оболочке, приведены в табл. 21.
   Геохимический цикл серы. Сера входит в число шести элементов, принимающих участие в строении белков. Без участия серы проявления земной жизни невозможны. В силу этого глобальный миграционный цикл серы в географической оболочке, так же как циклы ранее рассмотренных элементов, определяется деятельностью живого вещества. В то же время в результате высокой растворимости сульфат-иона и соответственно очень сильной его водной миграции основная масса серы аккумулирована не в живом или мертвом органическом веществе, как углерод, и не в атмосфере, как азот, а в Мировом океане.

   Таблица 21
   Миграция масс азота в биосфере

   * С учетом сельскохозяйственных культур

   В процессе фракционирования элементов при магматическом процессе сера вместе с металлами отщепляется от силикатного расплава и уходит в пневматолитово-гидротермальные флюиды, из которых затем выпадает в виде аккумуляций сульфидов железа, меди, цинка, свинца и некоторых других металлов. Заметим, что месторождения сульфидных руд составляют всего лишь тысячные доли процента от массы сульфидов металлов, рассеянных в верхней части гранитного слоя земной коры континентов мощностью 1 км.
   Часть диффундирующих через земную кору газообразных соединений серы, а также сернистые газы вулканических выбросов и газово-жидких выделений наземных и подводных гидротерм поступает в систему Мирового океана и педосферу. При этом значительная часть газов захватывается бактериями в своеобразный микробиологический круговорот. Таким образом, дегазируемые соединения серы по пути в атмосферу должны преодолевать двойной фильтр: физико-химический в земной коре и биогеохимический на поверхности суши и на дне океана.
   Глобальный массоперенос серы в биосфере не ограничен миграцией газообразных соединений, но также включает в себя миграцию водорастворимых соединений этого элемента в поверхностных и грунтовых водах. Образование водорастворимых форм серы связано с гипергенной трансформацией нерастворимых сульфидов, содержащихся в горных породах, в хорошо растворимые сульфаты. Сульфиды металлов в зоне гипергенеза подвергаются гидролизу и окислению, в результате чего образуется серная кислота, нерастворимые гидроксиды железа III, марганца IV, а также легко растворимые сульфаты. Образование сульфатов также происходит в почвах в результате микробиологических процессов. Водорастворимые сульфаты выщелачиваются из выветривающихся горных пород и выносятся с поверхности суши с речным стоком. Концентрация ионов [SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

] -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в морской воде 2,7 г/л. В системе Мирового океана аккумулировано 3,7-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

[SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

] -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, в том числе 1,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т серы.
   Сера – обязательный компонент живого вещества в силу того, что она входит в состав белков, в молекулярной структуре которых играет важную роль. В составе живого вещества Мировой суши, образованного в основном высшими растениями, концентрация серы невелика – по данным Х. Боуэна 0,34 % сухой биомассы. В животных и бактериях из-за большого содержания в биомассе белков концентрация серы значительно выше. Отношение QS: в белках – около 16, в углеводах – 80, в наземных растениях – более 200, в животных – около 70. Отметим, что в живом веществе океана среднее содержание серы составляет 1,20 % сухого вещества. Отношение QS в морских растениях – около 50, почти такое же, как у наземных животных.
   Количество серы, находящейся в биомассе суши, равно 8,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, в фотосинтетиках океана – 0,06–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, в консументах океана – 0,09–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Концентрация серы в неживом органическом веществе суши (лесных подстилках, торфе, гумусе почв), по-видимому, близка к 0,5 % сухого вещества. Если эта цифра верна, то масса серы, находящаяся в органическом веществе педосферы, близка к 25–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Несмотря на интенсивное дегазирование серы из недр Земли, природные уровни концентрации сернистых газов в атмосфере весьма незначительны благодаря активному связыванию рассматриваемого элемента в земной коре, гидросфере и живом веществе.
   По данным Дж. П. Френда (1976), в атмосфере содержится менее 2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т серы. В океане серы в форме растворимых сульфат-ионов в миллион раз больше, чем в живом веществе, и в миллиард раз больше, чем в атмосфере. Благодаря постепенному выводу избыточного количества серы в осадки, в осадочных породах накоплено огромное количество этого элемента. Он в основном находится в виде сульфатов. Исходя из данных А.Б. Ронова (1976), можно считать, что в осадочной толще заключено 5,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т сульфатной и 4,1-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т сульфидной серы, всего 8,7-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В то же время во всем «гранитном» слое земной коры содержится 3,28–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

сульфатной и 5,3-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т сульфидной серы, т. е. примерно столько же. Если же учесть растворимую в океане сульфатную серу, то окажется, что в географической оболочке этого элемента имеется больше, чем его могло быть извлечено при гипергенной переработке полностью «гранитного» слоя земной коры, чего, конечно, не могло быть. Рассмотрение распределения масс серы в географической оболочке (табл. 22) позволяет заключить, что этот элемент не вынесен из «гранитного» слоя в процессе его выветривания, а привнесен в оболочку в результате дегазации мантии.

   Таблица 22
   Распределение масс серы в географической оболочке

   Средняя величина концентрации серы в наземной растительности, по Х.Дж. Боуэн – 0,34 % сухой массы, по А.П. Виноградову – 0,125 %. Для расчетов принимаем промежуточную величину 0,2 %. Общее количество серы в живом веществе суши равно 8,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, в фотосинтезирующих организмах океана серы – 0,07–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, в организмах-консументах – 0,09–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Средняя концентрация элемента в мертвом органическом веществе суши и в почвенном гумусе близка к 0,5 % сухого вещества, запас серы в органическом веществе педосферы – около 25–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Своеобразие глобального цикла серы в географической оболочке обусловлено способностью этого элемента под влиянием микробиологической деятельности образовывать газообразные соединения (SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, H -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

S) и благодаря этому активно участвовать в массообмеие между сушей и океаном, с одной стороны, и атмосферой, с другой. Газообразные соединения серы под воздействием свободного кислорода атмосферы быстро окисляются до сульфата, который энергично вовлекается в водную миграцию.
   Определить глобальную производительность сернистых газов микроорганизмами очень сложно. По данным Дж. П. Френда (1976), в результате деятельности микроорганизмов океана в атмосферу выделяется 48–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год серы. Одна часть ее в виде не до конца окисленных газов типа SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

захватывается водой (25–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т), другая часть (23–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т) окисляется и входит в состав сульфатов, выпадающих с атмосферными осадками в океан. Массообмен между океаном и атмосферой уравновешен. В атмосферу над океаном поступает около 0,31–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год серы в разных формах, в том числе в форме H -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

S и SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, которые полностью окисляются, и 0,28–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год сульфатной серы выпадает с атмосферными осадками на поверхность Мирового океана, а 0,03–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год переносится с воздушными массами на сушу.
   Почвенные микроорганизмы на континентах выделяют в атмосферу в виде газов 58–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т серы, из которых, по данным Дж. П. Френда, 15–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т захватывается растительностью, а оставшиеся 43–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т серы окисляются в атмосфере до сульфата. Это количество вместе с принесенными с океана 30–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т выпадает на сушу из атмосферы на протяжении года. Кроме того, с поверхности континентов в нижнюю часть атмосферы ветром захватывается значительная масса сульфатов в виде дисперсных твердых частиц, которые входят в состав аэрозолей и затем выпадают на поверхность суши. Оценить эту массу в настоящее время можно лишь приблизительно.
   На суше из атмосферы выпадает несколько больше серы, чем ее захватывается. Причина этому – перенос сульфатной серы с океана на континенты. Это обстоятельство дает возможность рассматривать серу как один из так называемых циклических элементов, миграция которых происходит в системе суша – океан – атмосфера – суша. В засушливых и пустынных территориях сульфаты накапливаются в почве. Масса этих аккумуляций пока не поддается количественному определению, хотя можно предполагать, что она значительно превышает количество серы, сосредоточенной в мертвом органическом веществе суши.
   Значительное количество серы захватывается фотосинтезирующими организмами в биологический круговорот: около 590-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т на суше и свыше 1300-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год в океане, а затем частично связывается в живом и мертвом органическом веществе. Как показывают приведенные цифры, биологический круговорот серы в океане превышает таковой на суше. В этом еще раз проявляется талассофильность этого элемента.
   За счет водорастворимых соединений серы, поступающих из атмосферы, освобождающихся из биологического круговорота и мертвого органического вещества и отчасти образующихся при выветривании горных пород, с континентальным стоком в океан выносится более 160-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т серы в форме сульфат-иона. На два математических порядка меньшее количество серы поступает в океан с твердым стоком. В океане происходят сложные трансформации соединений серы, среди которых особо важное значение имеют процессы анаэробного разложения органического вещества с выделением сероводорода в атмосферу, захоронение серы в осадках в составе дисперсного органического вещества, гипса и сульфидов металлов.
   Глобальный цикл серы в том виде, в каком он существует, отвечает современному состоянию географической оболочки. Некоторые изменения относятся к последним векам и даже десятилетиям. В частности, объем мигрирующей серы к концу XX в. увеличился более чем на 60–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т за счет выбросов производственных газов в атмосферу и сбросов промышленных и бытовых стоков в гидросеть и океан, но главные изменения в структуре геохимического цикла серы произошли около 2 млрд лет назад в конце архея. В архейское время в силу отсутствия в атмосфере свободного кислорода среди газообразных соединений серы преобладал сероводород и, возможно, присутствовала двуокись серы. Накопление свободного кислорода повлекло за собой окисление упомянутых газов в сульфаты и растворение последних в водах океана. Как следствие этого, около 2 млрд лет назад началось выделение огромного количества сульфатов кальция из океана, и его солевой состав приобрел современный характер. С учетом масс серы, находящихся в главных резервуарах – в океане и в толще осадочных пород, – можно считать, что в процессе дегазации из мантии вынесено более 10–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т этого элемента.
   Общие черты распределения и миграции масс дегазированных химических элементов. Рассмотренные геохимические циклы при отчетливой индивидуальности каждого имеют общие черты. Во-первых, они поддерживаются непрекращающимся поступлением элементов в газообразной форме из мантии. В процессе эволюции географической оболочки в нее из мантии было дегазировано: Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О – 1600-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, углерода – 96–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, хлора – 33–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, серы – 10,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, азота – 4,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Приведенные цифры имеют те же порядки, что и полученные другими авторами, хотя численно имеют некоторые отличия.
   Во-вторых, почти все эти элементы (исключение составляет хлор) входят в состав главной части живого вещества – белков. В силу этого их история и поведение в географической оболочке определяются глобальной деятельностью живого вещества. В дальнейшем в зависимости от преобладающих форм нахождения эти элементы неодинаково распределяются в географической оболочке. Как видно из данных табл. 23, основная масса углерода связана в составе органического вещества и карбонатов и соответственно аккумулируется в толще осадочных отложений. Преобладающая часть азота концентрируется в атмосфере. Сера и хлор накапливаются в воде и осадках Мирового океана.

   Таблица 23
   Распределение масс химических элементов, поступивших в географическую оболочку в результате дегазации мантии

   В-третьих, все рассмотренные элементы в большей или меньшей мере талаософильны. В миграционных циклах это проявляется в том, что в биологический круговорот в океане вовлекаются большие количества элементов, чем на суше, хотя годовая продуктивность живого вещества суши в два раза больше по сравнению с живым веществом океана. Наиболее талассофилен хлор, для глобального геохимического цикла которого главную роль играет кругооборот воды, а не деятельность живого вещества. Тем не менее хлор имеет определенное значение для физиологии организмов, которые поглощают его в зависимости от уровня содержания в окружающей среде. В результате этого в биологический круговорот в Мировом океане вовлекается хлора в 10 раз больше, чем на суше.
   На фоне отмеченных общих черт глобальные циклы массообмена каждого элемента ясно индивидуализированы. Элементы-газы активно участвуют в биологических процессах, вовлекаются и выводятся из жизненных циклов. При этом происходит изменение форм нахождения элементов, что влечет за собой закономерное распределение их масс в биосфере.
   Как следует из данных (см. табл. 21), 99,9 % всей массы дегазированного в виде СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

углерода было связано в продуктах жизнедеятельности организмов: 15,6 % в форме рассеянного в осадочной оболочке органического вещества и 84,3 % в составе биогенных карбонатов. Одновременно протекал процесс расщепления молекул жидкой воды и выделения свободного кислорода, что постепенно коренным образом изменило геохимическое состояние наружной оболочки Земли и превратило ее в современную биосферу.
   Значительная часть всей массы серы также находится в осадочных отложениях, хотя в процентном отношении меньше, чем это имеет место для распределения масс углерода. В осадочной оболочке сосредоточено 88,6 % всей массы серы, а 11,4 % содержится в океане в форме растворенных сульфатов. В осадочной оболочке сульфатная сера (55,9 %) преобладает над сульфидной (44,1 %).
   Формы нахождения хлора в меньшей мере, по сравнению с другими элементами-газами, подверглись биогеохимической трансформации. Большая часть массы этого элемента (80,3 %) аккумулирована в форме ионов СI -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в Мировом океане и 19,7 % – в осадочной оболочке.
   Основная часть азота благодаря функционированию системы биологических круговоротов находится в атмосфере (86,5 %), а в осадочной оболочке – лишь 13,4 %.
   В заключение отметим, что хотя деятельность организмов обусловила существующее распределение масс дегазированных химических элементов, в живом веществе содержится лишь ничтожная часть – миллионные доли всей массы каждого из этих элементов, находящейся в биосфере. Следовательно, живое вещество планеты не столько играло роль резервуара, сколько мощного активатора миграции масс дегазированных элементов и их перераспределения в географической оболочке.
   Заканчивая обзор геохимических циклов рассмотренных элементов, необходимо обратить внимание на то, что динамика и эволюция географической оболочки тесно связаны с развитием земной коры. Значительные массы химических элементов выносились из верхней мантии и земной коры в атмосферу, а затем в гидросферу, из гидросферы – в осадочную толщу земной коры. Огромные объемы осадочных пород были гранитизированы, в связи с чем В.И. Вернадский рассматривал «гранитный» слой в качестве следов былых биосфер.

Распределение масс и циклы элементов, вовлекаемых в миграцию в результате гипергенного преобразования земной коры

   Геохимический цикл кальция. Кальций относится к главным элементам земной коры, его кларк – 3,6 %. Содержание этого элемента уменьшается от глубин к «гранитному» слою литосферы. В «базальтовом» слое его средняя концентрация – 5,8 %, в «гранитном» – 2,7 %. Кальций выпадает в осадок в ранние стадии кристаллизации магмы, но содержится и в остаточных после кристаллизации растворах. Высокое содержание кальция в земной каре обусловливает наличие многочисленных минералов (385 видов), около половины которых относится к глубинным силикатам. В то же время из-за больших размеров катион Са -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

+ не может войти в структуру гипергенных силикатов. Поэтому в зоне выветривания, где происходит преобразование глубинных силикатов в глинистые минералы, освобождается большое количество этого элемента. Его водорастворимые соединения, главным образом бикарбонат Са(НСО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

) -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, поступают в природные воды и мигрируют с ними в океан. Хотя этот процесс развивается на протяжении более 2 млрд лет, концентрация элемента в океанической воде всего лишь в 30 раз больше по сравнению с водами рек. Это обусловлено ограниченной растворимостью карбоната кальция, а главное, активным поглощением элемента живыми организмами в океане. Указанные процессы способствуют обильному накоплению кальция в составе мощных толщ известняков, доломитов, мергелей, известковых глин и пр. Средняя концентрация СаО в осадочной толще, по А.Б. Ронову, равна 15,91 %, в «гранитном» слое земной коры – 2,71 %. Масса кальция в осадочной толще так велика, что превышает его содержание во всем «гранитном» слое литосферы. Выяснение причины несбалансированности масс кальция в географической оболочке представляет одну из нерешенных проблем геохимии.
   Кальций играет ответственную роль в физиологии организмов. В растениях он участвует в углеводном и азотном обмене, для животных элемент необходим для построения наружного или внутреннего скелета. Он участвует во многих других физиологических процессах, в частности, в свертывании крови. Средняя величина концентрации кальция в наземной растительности 0,9 %, в планктоне, по Х.Дж. Боуэн, – 1 %. Масса кальция в живом веществе суши равна (22,5—45) – 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Это количество на три математических порядка больше по сравнению с массой кальция, находящейся в составе фотосинтезирующих организмов океана (34–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т). Принимая среднюю концентрацию элемента в мертвом органическом веществе около 0,5 %, можно считать, что масса кальция, содержащаяся в растительных остатках, торфе и гумусе педосферы, имеет тот же порядок, что масса элемента во всем живом веществе.
   Благодаря динамическому равновесию углекислого газа в атмосфере с анионами [НСО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

] – и [СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

] -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в океанической воде, в океане содержится огромная масса растворенных катионов кальция. Средняя концентрация кальция в океане 408 мг/л, общая масса 559-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Эта масса на четыре математических порядка превышает количество элемента, связанного в живом и мертвом органическом веществе планеты.
   В структуре планетарного геохимического цикла кальция главное значение имеют биологический круговорот и водная миграция ионов в системе суша – океан. В биологический круговорот на суше вовлекается (1,5–3,1) – 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год, кальция, в среднем 2,3-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год; в первичной биологической продукции океана этого химического элемента содержится в два раза меньше. Таким образом, кальций – типоморфный элемент живого вещества суши. Масса вовлеченного в общепланетарный годовой биологический круговорот кальция составляет 3,4-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. С континентальным стоком выносится в форме катионов Ca -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

+ несколько более 0,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Значительное, хотя и меньшее количество удаляется с твердым стоком – 0,47–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Если принять концентрацию элемента в твердых продуктах водного стока равной концентрации в глинах по А.П. Виноградову (2,53 %), то вынос кальция с твердым стоком оценивается примерно в 0,51–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Кроме того, с поверхности суши в океан с ветровой пылью выносится 0,048-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год кальция.
   Средняя концентрация кальция в океанических атмосферных осадках, согласно В.С. Савенко (1976), равна 0,36 мг/л. Следовательно, в осадках, образующихся в течение года над мировым океаном, содержится около 160-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т кальция. Общая масса кальция, поступающая на протяжении года из океана в атмосферу, с учетом 20 % «сухих осаждений» составляет около 197-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Примерно 20–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т переносится с океаническими воздушными массами на сушу, а остальные вновь возвращаются в океан. Средняя концентрация кальция в атмосферных осадках над сушей близка к 3 мг/л. Следовательно, в осадках, выпадающих на поверхность Мировой суши, содержится 3 39–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. С учетом 20 % на «сухое» осаждение (68–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т) общая масса кальция, участвующая в годовом обмене суша – атмосфера, составляет примерно 400-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Геохимический цикл калия. Калий вместе с другими щелочными и щелочно-земельными химическими элементами накапливался в земной коре в процессе ее выплавления. Основная масса элемента включается в кристаллическое вещество на последних стадиях магматической кристаллизации. Он входит в состав самых распространенных силикатов. В «гранитном» слое концентрация К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О – 2,89 %, а общая масса калия – 197,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Модель распределения масс калия в географической оболочке определяется его высокой биогенностью, хорошей растворимостью его ионов и значительным содержанием в высокодисперсных глинистых минералах.
   В зоне выветривания при перестройке кристаллохимических структур силикатов большая часть калия остается в составе новообразованных гипергенных минералов и лишь частично переходит в форму свободных ионов, которые могут вовлекаться в водную миграцию или захватываться живым веществом. Этим рассматриваемый элемент отличается от кальция и натрия, которые активно выносятся из продуктов выветривания.
   Калий играет важную роль в жизни растительных и животных организмов. Он принимает участие в фотосинтезе, влияет на обмен углеводов, азота, фосфора. В растениях он концентрируется в плодах и семенах, в интенсивно растущих органах. При недостатке калия в почве урожай сельскохозяйственных культур резко снижается. В силу изложенных причин калий жадно поглощается растениями и весьма активно включается в биологический круговорот. Его кларк в живом веществе такой же высокий, как у азота, – 0,3 %. Средняя концентрация калия в сухом веществе фитомассы суши – 0,7 %, океана – 1,4 %. Можно предполагать, что в растительности суши до ее нарушения человеком содержалось около 25–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т калия. В мертвом органическом веществе педосферы средняя концентрация калия близка к 0,1–0,2 %. Следовательно, содержащаяся в органическом веществе масса элемента в несколько раз меньше, чем в живом веществе и ориентировочно составляет (5—10) – 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Часть освобождающегося при выветривании калия захватывается растительностью суши и частично сохраняется в мертвом органическом веществе. Некоторое количество солей калия и весьма крупные его массы, связанные в глинистых минералах, составляют главный запас этого элемента в педосфере. К сожалению, обоснованная оценка этих масс в настоящее время затруднительна. Несмотря на то, что живое вещество суши и продукты выветривания прочно удерживают значительную часть освобождающегося калия на суше, некоторая его часть вовлекается в водную миграцию в растворимой форме и поступает в океан, где имеется 530190-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т элемента в форме растворенных ионов. Во всей толще осадочных пород содержится 3 8 2 0 0 0 00–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т калия. Если суммировать все количество калия, содержащееся в «гранитном» слое, осадочной толще, океане и пр., то полученная величина будет характеризовать исходную массу калия в «гранитном» слое. Нетрудно подсчитать, что в процессе развития географической оболочки из «гранитного» слоя было извлечено примерно 16 % калия. Вынос этого элемента осуществлялся с большим трудом, чем натрия, которого за тот же период времени было извлечено 21 % от исходного количества.
   В биологический круговорот на суше вовлекается около 1,8-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т калия. В океане через многократно возобновляемую массу фотосинтезирующих организмов проходит около 1,27–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год калия. Освобождающаяся из биологического круговорота на суше масса калия частично задерживается в мертвом органическом веществе и сорбируется педосферой, частично вовлекается в водную миграцию. Ежегодно с континентальным водным стоком выносится в океан более 60–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т свободных ионов калия. Значительно большая масса элемента переносится в составе дисперсных, преимущественно глинистых, частиц в форме взвесей – около 2 8 3-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год, которые выпадают в осадок значительно быстрее, чем ионы выводятся из раствора.
   Калий активно мигрирует в системе океан – атмосфера в составе аэрозолей. В сумме атмосферных осадков над океаном при средней концентрации элемента в 0,15 мг/л содержится примерно 65–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т калия. Вместе с 20 % «сухого осаждения» это составляет 78–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т калия, ежегодно вовлекаемых в обмен между океаном и атмосферой. Из этого количества около 0,005-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т переносится на сушу.
   Концентрация ионов калия в континентальных атмосферных осадках в среднем близка к 0,7 мг/л, что составляет 0,05–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т элемента. С учетом 20 % «сухого осаждения» (0,01–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т) в атмосферу с суши захватывается около 0,06–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т ионов калия, а выпадает несколько больше за счет переноса океанических масс – 0,065-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Значительное количество элемента выносится с суши в океан с пылью. Приняв концентрацию калия в пыли равную таковой в глинистых отложениях, можно определить пылевой вынос элемента в 0,043-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Геохимический цикл кремния. Кремний – второй (после кислорода) по массе элемент земной коры. Он интенсивно накапливался в веществе земной коры в процессе ее выплавления. Содержание элемента в верхней мантии около 19 %, в базальтах – 24,0 %, в гранитах – 32,3 % (Виноградов, 1962). Прочная группировка – сочетание катиона кремния с четырьмя анионами кислорода – является основной структурной единицей кристаллического вещества земной коры. В «гранитном» слое земной коры SiO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

составляет 63,08 %, что соответствует 2427,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т кремния.
   Рассматриваемый элемент повсеместно содержится в природных водах и широко используется организмами растений, животных и человека для построения оболочек клеток, прочных тканей и скелета. Средняя концентрация кремния в наземной растительности – 0,5 % сухого вещества, в планктоне – 5 %, что соответствует массе 12,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т и 0,17–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В биологический круговорот на суше ежегодно захватывается 0,86–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т, в океане – 0,80–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. По мнению некоторых ученых, последняя величина должна быть значительно больше. Неопределенность связана с неодинаково определяемой скоростью биологического оборота в океане (см. главу IV). В мертвом органическом веществе суши концентрацию кремния можно ориентировочно принять за 1 %, а массу около 50–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   В природных водах элемент присутствует в виде нейтрального гидрата Si(OH) -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, в меньшем количестве в виде анионов типа Si[(OH) -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

O] —. Для его водной миграции характерно преобладающее движение от суши к океану, которое не компенсируется в обратном направлении. С континентальным стоком выносится 0,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год растворимых соединений кремния, а в океане их масса составляет 4110-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Заметим, что концентрация элемента в морской воде в два раза ниже, чем в речной.
   Среднюю концентрацию элемента в твердом веществе континентального стока оценить трудно. Она, безусловно, превышает концентрацию в глинистых отложениях, так как с суши выносится большое количество алевритово-песчаного, существенно кварцевого материала. Можно предполагать, что масса кремния, выносимого с твердым стоком, близка 5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год или несколько больше. С ветровым выносом суша теряет в год около 0,47–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т элемента. Несмотря на миграцию значительного количества растворимого кремния, в составе обломков его выносится почти в 30 раз больше, а в Мировом океане его растворимые формы составляют менее 0,001 % от его массы в осадочных породах. По расчетам А.Б. Ронова (1976), в толще осадочных пород содержится 44,03 % SiO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, что соответствует количеству кремния 493,6-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Следовательно, за геологическое время через глобальный цикл в географической оболочке прошло около 17 % кремния от его массы, изначально содержавшейся в гранитном слое земной коры.
   Геохимический цикл фосфора. Хотя фосфор не является главным элементом земной коры (его кларк около 0,1 %), но в географической оболочке он играет очень важную роль. Элемент выносится из мантии в составе выплавленного вещества земной коры. Его дальнейшая история в литосфере весьма сложна и в некоторых ситуациях противоречива. Концентрация фосфора в базальтах – 0,14 %, в гранитах – в два раза ниже, что сближает его распределение с кальцием. Несмотря на обилие минералов фосфора (около 200 видов), по причине невысокого кларка эти минералы не являются породообразующими. Суммарная масса элемента в «гранитном» блоке земной коры равна 6,33–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Это в 1000 раз меньше массы кремния.
   Важное значение в географической оболочке фосфор приобретает не в силу большого содержания, а в результате того, что без этого элемента невозможен синтез белков. Наряду с углеродом, кислородом, водородом, азотом и серой фосфор является элементом, необходимым для существования живого вещества, и одновременно условием, часто лимитирующим его биомассу и продуктивность.
   Среднюю концентрацию элемента в сухом веществе растительности суши можно принять равной 0,2 %, в биомассе океана значительно выше – 1,1 % (Х.Дж. Боуэн, 1966). В живом веществе суши находится 5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т фосфора, в биомассе фотосинтезирую-щих организмов океана – (0,03—0,04) – 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т – всего 0,077-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Значительная часть элемента сохраняется в органическом веществе педосферы, в котором средняя концентрация фосфора около 0,15 %, а масса близка к 7-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т.
   Огромное количество фосфора растворено в Мировом океане, где элемент находится в виде анионов типа РО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, НРО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и т. п., в составе органических соединений. По причине острой необходимости фосфора для растений и животных этот элемент многократно захватывается организмами, и соотношение органического и неорганического фосфора, а также фосфора, находящегося в живом веществе, очень динамично. Поэтому цифры, характеризующие количество разных форм элемента в океане, имеют условное значение, хотя их сумма достаточно достоверна. Концентрация фосфора в речных и морских водах довольно близка; хотя в воде рек она несколько ниже (0,04 мг/л), чем в океане (0,088 мг/л). Несмотря на низкую растворимость, фосфор долго задерживается в океане благодаря живым организмам, стремящимся не выпускать этот дефицитный элемент из системы пищевых цепей. Тем не менее в толще осадочных пород сосредоточено 1,311-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т элемента. Суммарное количество фосфора в осадочной толще и «гранитном» слое континентов равно 7-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Следовательно, за 600–700 млн лет через глобальные миграционные циклы прошло 18,5 % массы фосфора, находившейся в «гранитном» блоке литосферы.
   Распределение масс фосфора в географической оболочке показано в табл. 24.

   Таблица 24
   Распределение фосфора в географической оболочке

   Для глобального цикла фосфора главное значение имеет миграция элемента в тесно связанных системах биологического круговорота и континентального стока. До вмешательства человека на суше в биологический круговорот ежегодно вовлекалось 350-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т фосфора, в настоящее время – 345-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В океане через биологический круговорот фотосинтезирующих организмов на протяжении года проходит около 1,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т этого элемента. Фосфор, так же как азот и сера, значительно активнее участвует в биологическом круговороте в океане, чем на суше. Это свидетельствует об ограниченности указанных элементов в океане; на суше живое вещество более обеспечено и не ощущает необходимости в столь интенсивном их использовании.
   Фосфор поступает в систему Мирового океана с континентальным стоком. В нем фосфор находится в составе комплексных анионов, дисперсного органического вещества и минеральных взвесей. С учетом приведенной выше величины средней концентрации в ионной форме в океан поступает около 1-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год элемента. Средняя концентрация фосфора в дисперсном и частично растворенном органическом веществе ориентировочно равна 0,5 % от сухой массы. С этим веществом в океан выносится примерно 2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т элемента, что в 10 раз меньше выноса аналогичной формы азота. Несмотря на небольшие массы, эти формы обладают высокой реагентной способностью и образуют основной резерв для участия в биологическом круговороте.
   Количество фосфора, выносимое с взвешенными твердыми частицами, оценивается в 21–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Ветровой вынос с континентов в балансе существенного значения не имеет. Следует заметить, что эта масса представляет собой прочно связанный фосфор, лишь небольшая часть которого может быть освобождена и вовлечена в биологический круговорот. Общая масса фосфора, ежегодно выводимая в осадочную толщу, ориентировочно составляет (2—10) – 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. В осадочной толще аккумулировано около 1,3-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т элемента. Данные о геохимическом цикле фосфора приведены в табл. 25.

   Таблица 25
   Миграция масс фосфора в географической оболочке

   * С учетом сельскохозяйственных культур

   Характерная особенность глобального цикла фосфора – отсутствие постоянно действующего геохимического потока, возвращающего крупные массы элемента на сушу. Перенос его через атмосферу в форме аэрозолей незначителен и не может компенсировать вынос элемента с водным стоком с суши в океан. Медленное, но непрекращающееся осаждение в океане неуклонно выводит этот элемент из миграционных циклов низшего ранга. Глобальный цикл фосфора является наименее замкнутым по сравнению со всеми ранее рассмотренными элементами. Единственный источник поступления элемента в глобальный цикл – выветривающиеся горные породы суши. Прогрессирующая потеря фосфора континентами может быть восполнена только поступлением осадочных пород, в которых был аккумулирован элемент, в зону гипергенеза. Учитывая длительный период его выведения из океана (десятки миллионов лет), можно предполагать, что глобальный цикл фосфора поддерживается тектоническими процессами, перемещающими обогащенные фосфором осадочные породы в зону выветривания.
   Общие черты распределения и миграции масс элементов, выщелоченных из земной коры. Геохимические циклы рассмотренных в этом разделе элементов имеют хорошо заметные общие черты. Во-первых, все эти циклы поддерживаются поступлением вещества из одного источника: земной коры или, точнее, из «гранитного» ее блока, образующего континентальные сгустки земной коры. На протяжении последних 600 млн лет из «гранитного» слоя земной коры было извлечено калия 16 %, кремния и фосфора – около 17 % каждого, натрия – 19 %. Во-вторых, основные миграционные потоки рассматриваемых элементов связаны с континентальным стоком и биологическим круговоротом. Атмосферная миграция более ограничена по сравнению с элементами, поступающими в географическую оболочку в результате дегазации мантии. По этой причине элементы рассматриваемой группы интенсивно аккумулируются в осадках Мирового океана. В осадочной толще земной коры аккумулировано 99 % массы кремния, фосфора, кальция, 98 % массы калия, более 60 % натрия, вовлеченных в циклическую миграцию из земной коры континентов на протяжении последних 600–700 млн лет. Эти факты свидетельствуют о сильной незамкнутости планетарных годовых миграционных циклов, перечисленных выше химических элементов.
   Наряду с общими чертами обнаруживаются специфические особенности каждого элемента, которые хорошо заметны при сравнении распределения их масс в географической оболочке (табл. 26). Если подсчитать, какая часть каждого элемента от всего его количества находится в живом веществе Земли, то окажется, что в наибольшей мере в живом веществе связан фосфор – 38,9-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

% от всего количества, затем кальций – 16,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%, калий – 6,5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%, меньше натрий – 0,7-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%, еще меньше – кремний.

   Таблица 26
   Распределение масс химических элементов, поступивших в циклическую миграцию из земной коры континентов на протяжении фанерозоя

   Сравнивая данные табл. 23 и 26 можно заметить, что в живом веществе избирательно удерживаются элементы, входящие в состав белков или обеспечивающие их синтез (углерод, азот, сера, фосфор, калий). Приведенные величины дают объективное представление об относительной необходимости элементов для нормального функционирования живого вещества планеты. Следует отметить, что для последнего в равной мере важны представители как дегазированных, так и извлеченных из «гранитного» слоя элементов.
   Столь же неодинаково относительное распределение масс рассматриваемых элементов в Мировом океане. В нем сосредоточено около 40 % массы натрия, немногим более 1 % калия, около 0,01 % фосфора и менее 0,001 % кремния. Вне зависимости от этого, наибольшие массы, участвующие в биологическом круговороте на суше, принадлежат кальцию, в океане – фосфору и натрию. Вовлечение масс калия и кремния в биологический круговорот континентов и океана различается слабо. Элементы, массы которых растворены в океане более 0,1 % от всего их количества, находящегося в географической оболочке, активно участвуют в годовом массообмене океан – атмосфера, мигрируют от океана на сушу, частично восполняя годовой вынос с континентальным стоком. Таковы натрий и кальций, 35 и 2 % массы которых находятся в системе Мирового океана. Эти элементы, а также серу и хлор из группы дегазированных, геохимики называют циклическими, имея в виду участие их значительных масс в годовых миграционных циклах в составе суша – океан – атмосфера – суша.
   Особенности геохимических циклов тяжелых металлов. Тяжелые металлы играют особую роль в биосфере. Они находятся преимущественно в рассеянном состоянии, но при этом способны образовывать природные локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни и тысячи раз превышает кларковые уровни. Металлы не входят в состав органических соединений, из которых состоят ткани живых организмов. В то же время устройство электронных оболочек атомов металлов обусловливает переменную валентность, благодаря чему металлы, являясь необходимой частью биологических активаторов и регуляторов важнейших физиологических процессов, служат мощным фактором развития органического мира. Наконец, являясь одним из главных природных ресурсов мирового хозяйства, металлы вместе с тем образуют группу опасных загрязнителей природной среды. Выяснение глобальных закономерностей массообмена и распределения масс металлов в географической оболочке представляет весьма актуальную проблему.
   Данные о распределении масс тяжелых металлов в географической оболочке, учитывающие результаты миграции и перераспределения масс химических элементов на поверхности Земли на протяжении последних 600–700 млн лет, приведены в табл. 27. Осадочные отложения более древнего возраста настолько глубоко трансформированы процессами метаморфизма, в том числе метаморфизма с привносом химических элементов, что восстановить исходное содержание металлов в составе дофанерозойских осадков очень сложно.

   Таблица 27
   Распределение масс тяжелых металлов в географической оболочке

   * При условии, что концентрации в гумусе равны концентрациям в напочвенном органическом веществе.

   Данные таблицы указывают, что более 99,9 % массы металлов, захваченных в миграцию в процессе гипергенного преобразования верхнего (гранитного) слоя земной коры континентов, были затем выведены из миграционных потоков и аккумулированы в осадках древних морей. Количество металлов, содержавшихся в воде современного Мирового океана и живом веществе, в миллионы раз меньше, чем в толще осадочных отложений.
   Тяжелые металлы поступали в водную и газовую оболочку Земли с начала образования оболочек. Содержание газообразных и водорастворимых форм металлов регулировалось соответствующими физико-химическими равновесиями, а избыточные массы выводились в осадки. В этот процесс встроилась биогеохимическая деятельность живых организмов, которая трансформировала структуру первичного абиогенного процесса в систему геохимических циклов, взаимно связанных массообменом. При этом осадочная толща устойчиво сохраняла значение колоссального геохимического отстойника, в котором аккумулировались избыточные массы металлов. Из этого отстойника металлы возвращались в миграционные циклы лишь в том случае, когда осадочные толщи в силу тектонических явлений оказывались на поверхности Мировой суши. Напомним, что масса каждого химического элемента, поступившего в миграционные циклы в результате мобилизации из вещества верхней части земной коры континентов и в дальнейшем выведенного в осадочную оболочку, составляет 17–20 % от исходного количества элемента. Из данных табл. 27 видно, что относительное содержание (%) в осадочной оболочке масс рассеянных тяжелых металлов превышает относительное содержание (%) в осадочной оболочке железа, поступившего в систему миграционных циклов в фанерозое в основном благодаря выветриванию верхней части земной коры континентов. Массы рассеянных металлов, как правило, больше 20 % от суммы масс в осадочной оболочке и «гранитном» слое земной коры. Это дает основание предполагать, что металлы не только поступали в биосферу в результате их мобилизации при выветривании горных пород Мировой суши, но также некоторое количество металлов было вынесено в результате дегазации. Вполне понятно, что особенно активно дегазировался наиболее легко возгоняемый металл – ртуть, масса которого в осадочной оболочке превышает его количество в гранитном слое и составляет более 70 % от суммы масс этого металла в осадочной оболочке и гранитном слое коры континентов.
   Полученные данные позволяют сделать вывод, что на протяжении всей геологической истории природные воды характеризовались насыщенностью тяжелыми металлами, постоянный избыток которых непрестанно удалялся в осадки. По этой причине живые организмы, существовали и эволюционировали в условиях насыщения природных вод металлами, концентрация которых поддерживалась в системе вода – осадок.
   Структура глобального массообмена тяжелых металлов полностью не выяснена, поэтому в табл. 28 показаны лишь главные, наиболее изученные миграционные потоки, охватывающие Мировую сушу. Для сравнения приведены также данные о круговороте металлов, обусловленном жизнедеятельностью фотосинтезирующих организмов океана. Для расчетов использованы средние значения концентрации металлов в фитопланктоне, определенные английским океанологом-геохимиком Г. Брайеном (1976).

   Таблица 28
   Главные миграционные потоки металлов в географической оболочке

   Примечание. Прочерк означает отсутствие исходных данных.

   Наибольшее количество металлов мигрирует в системе большого биологического круговорота, происходящего благодаря фотосинтезу растительности суши и деструкции отмирающего органического вещества беспозвоночными и микроорганизмами педосферы. Значительные массы металлов выносятся в составе речных взвесей, но этот материал почти полностью уходит в осадки при поступлении пресных вод в систему Мирового океана.
   Вовлечение тяжелых металлов в биологический круговорот на суше сопровождается селективной дифференциацией их масс.
   Подчеркнем, что при этом отсутствует пропорциональность между количеством металлов в земной коре и относительной интенсивностью их поглощения растительностью. Коэффициент биологического поглощения К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, растительности суши для большинства металлов – от 1 до 9; для цинка, молибдена и серебра – больше 9; для железа, ванадия и хрома – меньше 1. В результате селективного поглощения металлов в биомассе растительности существенно изменяются соотношения металлов, существующие в земной коре. Особенно сильно уменьшается соотношение железа с другими металлами. Биологический круговорот и дифференциация металлов, осуществляемые фотосинтетиками океана, имеют свои особенности. Массы металлов, проходящие в течение года через биологические круговороты на суше и в океане, соизмеримы, хотя их соотношение неодинаково. Растительность Мировой суши захватывает больше марганца и свинца, фотосинтезирующие организмы океана – больше молибдена и кобальта.
   С суши в океан с речным стоком выносятся крупные массы водорастворимых и фиксированных во взвесях металлов. Значения коэффициента водной миграции К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

металлов указывают, что наиболее активно вовлекаются в водную миграцию растворимые формы серебра, ртути, цинка (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

> 10), а также молибдена, кадмия и меди, К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

которых от 2 до 9. Фиксированные во взвесях формы железа, марганца, хрома, ванадия, свинца, кобальта мигрируют в количестве 97–98 % общей массы выносимых с речным стоком металлов. Кроме того, в океан выносятся ветром значительные массы металлов, фиксированных на пылевых частицах. В свою очередь, с акватории с воздушными массами переносятся водорастворимые формы металлов. Этот процесс недостаточно изучен, и данные по переносу масс отдельных металлов отсутствуют. Тем не менее очевидно, что миграционный поток масс тяжелых металлов с океана на сушу значительно меньше, чем в противоположном направлении. По этой причине годовые циклы металлов в системе Мировая суша – океан сильно незамкнуты. Значительные массы металлов накапливаются в воде морей и океанов и уходят в осадки. Повторное вовлечение металлов из осадочных толщ в циклы массообмена происходит по мере развития тектонических процессов. При этом мобилизация металлов из осадочных пород часто более затруднена, чем из глубинных кристаллических пород.
   В последнее время все более отчетливо выявляется важная роль аэральной миграции тяжелых металлов. С поверхности океана в атмосферу выделяются газообразные органические соединения металлов. Высшие растения выделяют летучие органические соединения (терпены, изопрены), содержащие металлы. Еще большие массы металлов выделяются в воздух в составе газообразных метаболитов бактерий. Особо важную роль играют процессы биометилизации металлов. Ветром в тропосферу захватываются мелкие почвенные частицы, также содержащие металлы. Все перечисленные формы металлов входят в состав аэрозолей и вымываются атмосферными осадками.
   В качестве примера укажем, что концентрация меди в атмосферных осадках над океанами обычно около 1 мкг/л, цинка – больше, свинца и никеля – в несколько раз меньше. Следовательно, воздушные массы океанического происхождения, приносящие на сушу около 40–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

л атмосферных осадков, одновременно приносят до 40–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т меди, а также тысячи тонн других металлов. Возврат металлов из океана на сушу в процессе массообмена океана с атмосферой изучен пока еще недостаточно, но очевидно, что в годовом балансе вещества этот миграционный поток значительно меньше выноса с речным стоком.
   Благодаря взаимосвязям миграционных потоков тяжелых металлов в системе их геохимических циклов на поверхности суши, как правило, не создается избыточных масс геохимически активных форм металлов, которые энергично удаляются в океан. В то же время для нормальной жизнедеятельности организмов суши присутствие указанных форм необходимо. Функцию глобального регулятора миграционных форм металлов, сохраняющего известный их запас в составе органического вещества и в сорбированном состоянии, выполняет педосфера.

Контрольные вопросы

   1. Какие особенности жизнедеятельности организмов имеют определяющее значение для геохимической эволюции окружающей среды?
   2. Приведите пример природного миграционного цикла какого-либо химического элемента и покажите роль жизнедеятельности организмов в этом цикле.
   3. Изложите современные представления о химическом составе газовой оболочки Земли в период образования первичной земной коры.
   4. Какой химический элемент играл особо важную роль в преобразовании химического состава Мирового океана и газовой оболочки Земли? Какие существуют пути образования свободного кислорода?
   5. Благодаря какой особенности структуры глобального геохимического цикла углерода происходило прогрессирующее накопление кислорода?
   6. Как развивалось изменение химического состава первичного океана и атмосферы?
   7. Какие существуют два источника поступления химических элементов в глобальные геохимические циклы, связывающие наружные оболочки Земли? Приведите примеры химических элементов, преимущественно поступающих в геохимические циклы из одного источника.
   8. Каковы главные черты глобальных геохимических циклов тяжелых металлов?

Задания для самостоятельной работы

   1. По литературным данным обобщите сведения о миграционных циклах химических элементов и геохимическом эффекте жизнедеятельности организмов.
   2. На примере эволюции глобального цикла углерода рассмотрите проблему связи геохимических процессов, происходящих в недрах Земли, с развитием жизни.
   3. Изложите главные положения учения В.И. Вернадского о живом веществе и биосфере.

Глава VI
ГЕОХИМИЧЕСКОЕ ЛАНДШАФТОВЕДЕНИЕ

Геохимическая неоднородность географической оболочки и изменение миграционных циклов в разных географических условиях

   Планетарный уровень оценки геохимических особенностей географической оболочки – подход, необходимый при ее изучении как единого целого, – предполагает максимально возможное усреднение геохимических данных для каждой ее составной части: земной коры, океана, атмосферы, живого вещества. В действительности же географическая оболочка состоит из разнообразных пространственных комплексов, в которых сочетаются различные горные породы, воды и биоценозы. Изучая не географическую оболочку в целом, а конкретные территории, мы на каждом шагу убеждаемся в неоднородности окружающей нас природной среды, в том числе в ее геохимической неоднородности.
   В главе I уже отмечались пестрота и фрагментарность состава земной коры в силу неодинаковой концентрации химических элементов в разных горных породах. Если бы имелась техническая возможность увидеть состав земной коры со спутника, то поверхность суши предстала бы перед космонавтом в виде сложной мозаики участков, отличающихся неодинаковым содержанием элементов. Контрасты пород разного состава отчасти нивелируются толщей рыхлых отложений, на которых образованы почвы. Эти отложения сформированы за счет денудации и переотложения продуктов выветривания как местных горных пород, так и обломков, принесенных издалека. В зависимости от соотношения местных и дальнеприносных обломков и особенностей их состава содержание химических элементов в толще рыхлого покрова закономерно меняется.
   Большая часть переотложенных продуктов выветривания состоит из мелких обломков величиной от 0,01 до 1 мм. Эти обломки выносились из разных районов. В северной половине европейской части России преобладают обломки минералов, принесенные из области Балтийского кристаллического щита (Карелия, Финляндия, Кольский полуостров). В Заволжье и Приуралье обломочный материал поступал с Уральских гор. В почвах Украины много обломков минералов, слагающих породы Украинского кристаллического массива. Особенности минералогического и химического состава горных пород областей сноса сильно влияют на состав почв. Так, среди обломков, принесенных с территории Карелии, много кварца, а в массе обломков, поступивших с хребтов Средней Азии, больше глубинных силикатов (полевых шпатов, слюд и др.), чем кварца. На Урале очень распространены так называемые зеленокаменные горные породы, содержащие много минералов зеленого цвета – эпидота, актинолита, хлорита. Среди них наиболее устойчив эпидот. Поэтому им обогащены наносы, на которых образованы почвы Приуралья.
   Изменение в составе почвообразующих пород сказывается на составе почв, поверхностных и грунтовых вод, а также растений. Например, на территории Эстонского плато рыхлые почвообразующие породы насыщены обломками известняков ордовикского возраста, слагающих цоколь плато. Обилие карбонатов кальция способствует образованию темных дерново-карбонатных почв, а не подзолистых, как в соседних Ленинградской и Псковской областях России. Из естественной растительности распространены требовательные к кальцию широколиственные деревья с обильным травостоем, а не хвойные леса.
   Местные отклонения концентрации химического элемента в почвообразующих породах от общепланетарных величин – кларков – оказывают влияние на геохимические процессы, протекающие в данном территориальном комплексе. Степень такого отклонения характеризует уже известный нам показатель: кларк концентрации. Он показывает, насколько изменяется содержание какого-либо химического элемента в данной породе по сравнению со значением его кларка. Особенно показательны кларки концентрации рассеянных элементов, содержание которых в почвообразующих породах и почвах меняется в сотни и тысячи раз.
   Концентрация большей части рассеянных элементов, особенно металлов в рыхлых покровных отложениях, ниже, чем в «гранитном» слое земной коры. Это вполне естественно, так как покровные отложения образованы многократно переотлагавшимися продуктами выветривания, из которых часть химических элементов вынесена. Кларк концентрации некоторых элементов (например, галлия, свинца) близок к единице и иногда превышает ее. Особое положение занимают стронций и барий, кларки концентрации которых сильно меняются в зависимости от географических условий.
   Таковы самые общие особенности концентрации рассеянных элементов в почвах и почвообразующих породах. На этом фоне обнаруживаются некоторые отклонения, свойственные определенным территориям. Так, в почвообразующих породах Северного Казахстана относительно повышена концентрация титана, свинца и меди, на Устюрте – стронция, на Восточно-Европейской равнине – циркония, в Приуралье – меди и кобальта. В результате этого толща рыхлых отложений и сформированный на ней почвенный покров разделяются на обширные минералого-геохимические провинции. В качестве примера на рис. 17 приведена карта минералого-геохимических провинций почвообразующих пород Восточно-Европейской равнины.
   Внутри провинций выделяются площади распространения отложений, обогащенных высокодисперсными минералами, и площади, покрытые песчаными отложениями. Каждый минерал – это носитель рассеянных элементов с определенными уровнями их концентрации. В песках обычно много обломков кварца, в котором очень низкие концентрации всех химических элементов, кроме кремния. Соответственно уровни концентрации элементов в песчаных отложениях пониженные. В глинистых минералах, слагающих фракцию частиц величиной менее 0,001 мм, концентрация многих рассеянных элементов повышена. Соответственно она увеличена в глинистых отложениях. Наши исследования показали, что на в суглинистых отложениях ВосточноЕвропейской равнины больше, чем в песках: ванадия – от 1,5 до 2,5; меди – от 1,5 до 3,2; никеля – от 1,3 до 2,2; галлия – от 1,4 до 2,5; титана – от 1,2 до 2,2; кобальта – от 1,9 до 2,0 раз. Кроме того, в суглинистых почвах и почвообразующих породах значительно больше элементов, находящихся в сорбированном состоянии, что очень важно для участия этих элементов в биологическом круговороте. Геохимическая мозаичность педосферы и рыхлого покрова континентов не только одно из проявлений неоднородности географической оболочки как фундаментального ее свойства, но также важный фактор развития органического мира. В какую бы сторону не было направлено отклонение концентрации химического элемента – превышения или понижения от кларкового значения, – оно должно отражаться на биологическом круговороте элементов и на составе местных живых организмов. В первую очередь это относится к растениям, так как в них элементы поступают непосредственно из почвы.

   Рис. 17. Минералого-геохимические провинции почвообразующих пород Восточно-Европейской равнины (по В.В. Добровольскому, 1964)
   Минералого-геохимические провинции: I – Кольско-Карельская, II – Прибалтийско-Архангельская, III – Центрально-Русская, IV – Украинская, V– Волжско-Донская, VI – Приуральская, VII – Заиманская, VIII – Предкавказская, IX – Предкарпатская, 1 – границы провинций (по автору), 2 – границы максимального оледенения, 3 – граница верхнечетвертичного оледенения, 4 – северная граница сплошного распространения третичных отложений, 5 – площади близкого расположения кристаллических пород, 6 – площади концентрации кварца с пониженным содержанием рассеянных элементов, 7 – горы

   Обратимся к проявлениям геохимической неоднородности географической оболочки, обусловленным другими причинами. Любые процессы, в том числе геохимические, должны быть обеспечены энергией. На поверхности Земли основным источником энергии всех процессов служит лучистая энергия Солнца. Как известно, поступление солнечной энергии закономерно уменьшается от экватора к полюсам. Однако реализация этой энергии для химических, физико-химических, биологических процессов возможна лишь при наличии воды. Согласно В.Р. Волобуеву (1974), на поверхности суши основная часть энергии расходуется на испарение и транспирацию воды растениями (от 95 до 99,5 %). Затраты на биологические процессы составляют от 0,5 до 5 %, большей частью около 1 %. По-видимому, это связано с тем, что на фотосинтез идет 1–0,1 % поглощенной солнечной энергии. На гипергенное преобразование минералов расходуются сотые и тысячные доли процента всей энергии. Полнота использования поступающей солнечной энергии на перечисленные процессы определяется отношением суммарных затрат энергии на эти процессы к величине радиационного баланса. Величина указанного отношения зависит от степени увлажнения: в засушливых районах эта величина очень мала, в хорошо увлажняемых районах достигает 70–80 %.
   Атмосферное увлажнение поверхности континентов не повторяет термическую зональность. Годовое количество атмосферных осадков, режим их выпадения обусловливают неодинаковую степень увлажнения разных территорий внутри термических поясов. Это влечет за собой, с одной стороны, неодинаковую величину водного стока, а также выноса ионов и дисперсных частиц. С другой стороны, климатические условия обусловливают распространение растительных формаций, имеющих различную фитомассу, продуктивность и, следовательно, в разной мере влияющих на газообмен и вовлечение химических элементов в биологический круговорот из почвы.
   Основная часть выпавших осадков в результате испарения и транспирации возвращается в атмосферу. Испаряющаяся влага регулирует тепловой режим, что делает возможным существование живых организмов. Обмен воды на конкретной территории имеет определяющее значение для всех видов миграции химических элементов. Для количественной оценки этого процесса используется коэффициент относительной увлажненности (К). Коэффициент, предложенный в своем первоначальном виде В.В. Докучаевым и Н.Г. Высоцким, в настоящее время определяется как отношение суммы атмосферных осадков к величине испаряемости.
   В.Г. Волобуев (1974) проанализировал ареалы распространения почв всех типов и установил следующие интервалы однотипной относительной увлажненности ландшафтов (табл. 29).

   Таблица 29
   Интервалы относительной увлажненности ландшафтов

   Первые три интервала характеризуют территории различной степени аридности, три последние – гумидные. Интервал относительной увлажненности, характеризуемый коэффициентом 0,75—1,20, намечает области с уравновешенным водным балансом.
   В условиях одинаковой относительной увлажненности интенсивность обмена вещества в ландшафтах возрастает с увеличением поступающей солнечной энергии (радиационного баланса). При низкой относительной увлажненности аридных территорий влияние изменения величины рационального баланса отражается слабо. Поэтому обмен вещества в экстрааридных ландшафтах высоких и низких широт имеет много общего. Совершенно иное положение имеет место в пределах гумидных территорий, где с увеличением относительной увлажненности возрастает влияние величины радиационного баланса. Вследствие этого интенсивность обмена вещества в гумидных ландшафтах тропиков и высоких широт сильно различается.
   Определенное количество атмосферной воды, не израсходованное на испарение и транспирацию, стекает с территории, обеспечивая водную миграцию химических элементов. Величина стока определяется не только соотношением количества атмосферных осадков и испаряемостью, но сильно зависит от рельефа, водоустойчивости почвообразующих пород и почв, характера растительности, режима выпадения осадков, климатических условий и пр. Водный сток на большей части суши измеряется величиной от n-10 до 300—400-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в год, в экстрааридных областях он резко уменьшается. Массы химических элементов, вовлекаемые в водную миграцию, также очень неодинаковы и зависят от всего комплекса географических условий водосборной площади. Величина суммарного годового выноса химических элементов в растворимой форме на равнинах и крупных возвышенностях составляет единицы – десятки т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, в горных районах – десятки и сотни т/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Вынос взвесей (твердый сток) на равнинах соизмерим с массами, мигрирующими в виде растворов, но в условиях пересеченного рельефа превышает их в несколько раз, а в горных областях твердый сток на математический порядок больше выноса растворенных масс.

Рис. 18. Ионный сток рек Восточно-Европейской равнины

В силу многих факторов, влияющих на формирование ионного и твердого стоков, величина выноса растворенных и взвешенных веществ с единицы площади не является прямой функцией географической зональности и может сильно изменяться на сравнительно небольшом расстоянии. Даже на Восточно-Европейской равнине, где имеются идеальные условия для проявления широтной зональности, величина модулей ионного и твердого стока распределяется очень мозаично. Это хорошо видно на картах (рис. 18 и 19), на которых на любой широте – от полярного круга до южных районов – можно обнаружить почти всю градацию величин модулей ионного и твердого стоков.

   Рис. 19. Сток речных взвешенных наносов Восточно-Европейской равнины

   Наиболее реагентными компонентами водного стока являются растворимые формы химических элементов. Интенсивность вовлечения их в миграции оценивается коэффициентом водной миграции (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

), равным отношению концентрации элемента в воде к его концентрации в почвообразующей породе данного района. Этот показатель не применим к таким циклическим элементам, как хлор, а также к элементам, которые в результате микробиологической деятельности или испарения переходят в газообразную форму и активно мигрируют в атмосфере (сера, йод, ртуть). Для большей части других химических элементов, особенно тяжелых металлов, использование этого коэффициента вполне оправданно.
   Исследования, проведенные во многих районах, показали, что имеется группа активных водных мигрантов, величина К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

которых более единицы. К ним относятся серебро, кадмий, молибден, бор, цинк, стронций, медь, кальций, магний, натрий и некоторые другие.
   Вторую группу образуют элементы, величина К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

которых обычно менее единицы. Таковы фосфор, кремний, калий, никель, кобальт, свинец, барий, хром и др. Особенно слабо вовлекаются в водную миграцию цирконий, галлий, титан, железо, алюминий. В каждом конкретном районе химические элементы имеют свою численную величину К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, свойственную только этим районам. Это можно наглядно представить в виде кривой коэффициентов К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, пример которой приведен на рис. 20. Имеющиеся данные свидетельствуют о значительном разнообразии водной миграции химических элементов в разных районах.
   Сочетание степени увлажнения и термических условий отдельных территорий не только влияет на величину и интенсивность водной миграции элементов, но одновременно обусловливает распределение растительных формаций, а следовательно, в значительной мере обусловливает особенности биологического круговорота. В табл. 30 приведены данные, характеризующие динамику органического вещества, синтезируемого основными типами растительности земного шара.

   Рис. 20. Интенсивность водной миграции некоторых химических элементов в таежных ландшафтах бассейна р. Суны (Карелия)

   Наибольшее количество органического вещества содержится в лесных сообществах. Фитомасса лесов умеренного климата измеряется величиной 1–4 тыс. ц/га. Еще больше фитомасса тропических лесов. Например, в Бразилии есть леса, на каждом гектаре которых содержится до 17 тыс. ц/га органического вещества. Фитомасса травянистой растительности значительно меньше. В наших черноземных степях содержится 250 ц/га органического вещества, в сухих степях Казахстана – около 100 ц/га, а масса растительности закаспийских пустынь составляет всего несколько десятков ц/га.
   Величина биомассы не дает представления о продуктивности типов растительности. Для этого необходимы показатели годового прироста, т. е. ежегодной продукции растительности. Прямой пропорциональности между фитомассой и годовым приростом нет. Правда, максимальный прирост имеется в сообществе с самой обильной фитомассой (во влажных тропических лесах), но на втором месте находятся не леса умеренного климата, как можно было бы ожидать по величине фитомассы, а наши черноземные степи. В них прирост составляет больше половины фитомассы. Третий показатель – опад, т. е. величина ежегодно отмирающего растительного материала. Количества органического вещества, заключенного в опаде и в годовом приросте, очень близки. Эти два показателя характеризуют синтез и разрушение растительного вещества на протяжении года.

   Таблица 30
   Показатели биологической продуктивности основных типов растительности (по Л.Е. Родину и Н.И. Базилевич, 1965)

   Отношение опада к фитомассе показывает, насколько прочно данный тип растительности удерживает органическое вещество; Установлено, что наиболее прочно оно удерживается в лесах умеренного климата. Так, в таежных еловых лесах на опад расходуется всего только от 2 до 4 % органического вещества фитомассы, в дубравах и того меньше – около 1,5 %. Во влажных тропических лесах в опад уходит значительно больше – 5 %, а в растительности степей ежегодно отмирает почти вся надземная часть фито-массы.
   Дальнейшая эволюция отмершего растительного материала в разных биоценозах неодинакова. Опад в тропических лесах быстро разрушается, а в лесах умеренного климата не успевает полностью перерабатываться. Поэтому под покровом этих лесов на почве лежит значительное количество (300–350 ц/га) мертвого органического вещества, так называемая лесная подстилка. В тропиках это количество в десятки раз меньше. В степях величина мертвого органического вещества, которое называется «степной войлок», уменьшается с ростом сухости климата.
   Если бы отмирающие части растений не разрушались, то уже через сотню лет величина мертвого органического вещества могла бы превысить величину фитомассы самых густых лесов. В этом случае вся растительность оказалась бы погребенной под продуктами опада. Этого не происходит вследствие энергичного микробиологического разрушения растительных остатков. Замедленное преобразование опада происходит в северной тайге и тундре, умеренное преобразование совершается в наших широколиственных лесах и степях. Очень интенсивно процесс преобразования продуктов опада протекает в тропиках.
   Круговорот углекислого газа и степень выведения углерода из этого цикла в различных растительных формациях мира можно характеризовать коэффициентом аккумуляции углерода, который равен отношению углерода, связанного на единице площади в процессе годового фотосинтеза, к количеству углерода, выделившемуся за год из почвы в атмосферу за счет разрушения мертвого органического вещества. К сожалению, в настоящее время отсутствуют обобщенные данные по определению продуцирования СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в распространенных растительных формациях мира, хотя многие данные имеются в работах В.Н. Кудеярова. Ориентировочно можно считать, что крайние значения этого коэффициента относятся к влажным тропическим лесам и пустыням (1), с одной стороны, и к тундрам (около 4–5), с другой. Всем остальным формациям будут отвечать промежуточные значения.
   Некоторое представление о соотношении углекислого газа, связанного в процессе фотосинтеза в растительности, и выделенного из почвы, дает величина коэффициента аккумуляции органического вещества К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, который численно равен отношению массы мертвого органического вещества к массе опада. Чем энергичнее протекает процесс разрушения органического вещества и выделения СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, тем меньше величина этого коэффициента:
   Северная тайга и тундра……………………………………. 10 и более
   Южная тайга……………………………………………………. 5—10
   Широколиственные леса умеренного климата…… 2—5
   Степи умеренного климата……………………………….. 1—2
   Пустыни, влажные тропические леса………………… менее 1
   В процессе синтеза органического вещества растения выделяют кислород. Результаты этой стороны геохимической деятельности основных типов растительности показаны в табл. 31.

   Таблица 31
   Продуцирование кислорода в распространенных биоценозах суши

   Наибольшая продукция кислорода соответствует тропическим и субтропическим лесам, наименьшая – пустынной и субарктической растительности. Абсолютная величина продуцирования кислорода не дает истинного представления о вкладе той или иной растительной формации в обогащение атмосферы кислородом. Если в течение года вся масса опада разлагается, то соответственно расходуется весь выделенный при фотосинтезе прироста кислород, который сохраняется в атмосфере только при условии систематического накопления в педосфере мертвого органического вещества. Как показал О.П. Добродеев (1976), атмосфера обеспечивается кислородом вовсе не за счет деятельности самых продуктивных формаций типа тропических лесов. Основные «поставщики» свободного кислорода на суше – ландшафты умеренного и субарктического пояса, где вследствие подавленности микробиологических процессов происходит накопление мертвого органического вещества.

   Таблица 32
   Азот и зольные элементы в распространенных типах растительности, ц/га (по Л.Е. Родину и Н.И. Базилевич)

   Вовлечение масс химических элементов в биологический круговорот из почвы в разных ландшафтах не менее контрастно, чем обмен газов. В луговых черноземных степях до вмешательства человека в биологическом круговороте участвовало более 2 ц/га зольных элементов ежегодно, а в южно-таежных лесах – в 5 раз меньше. Зато в биомассе южной тайги содержится зольных элементов в 2 раза больше. Неодинакова также концентрация химических элементов, содержащихся в растительной массе различных ландшафтов.
   Как видно из данных табл. 32, почти во всех типах растительности сумма зольных элементов в 2–3 раза превышает количество азота. Исключение составляет тундровая растительность, в которой количество азота и зольных элементов примерно одинаково. Это обусловлено спецификой биологического круговорота в областях с низкими температурами. Среди зольных элементов в спаде таежных лесов преобладают кальций и калий, содержащиеся в количестве 20–30 % от суммы элементов каждый, а на втором месте стоят кремний, и магний. В широколиственных лесах сильно возрастает концентрация кальция, масса которого превышает сумму всех других элементов. В степной растительности среди зольных элементов больше всего кремния, содержание которого в опаде превышает 50 % от суммы элементов, а содержание азота, кальция и калия колеблется от 20 до 30 %. В пустынной растительности кальция более 50 % и сильно возрастает концентрация натрия и хлора (более 20 % каждого).
   Содержание рассеянных элементов меняется в еще более сильной степени, однако не так закономерно, как для перечисленных элементов. Исключение составляет стронций, концентрация которого возрастает по мере усиления аридности ландшафтов. Менее отчетливо эта тенденция выражена для молибдена, бора, фтора, еще менее – для цинка.
   Как показано в главе IV, интенсивность вовлечения химических элементов из почвы в биологический круговорот характеризуется коэффициентом биологического поглощения К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, который равен отношению концентрации элемента в золе растений к их концентрации в почвообразующей породе. Следует иметь в виду, что для некоторых элементов этот коэффициент дает представление не о захвате их из почвообразующей породы, а о суммарном поступлении из атмосферы и почвы. Особенно это касается циклических элементов и мигрирующих в газообразной форме. Тем не менее для многих химических элементов рассматриваемый коэффициент служит хорошим показателем интенсивности их извлечения из почвообразующих пород и почв и перехода в качественно иное состояние в живом веществе.
   Обобщение большого фактического материала позволило обнаружить, что имеется группа элементов, которые усиленно поглощаются всеми растениями. К ним относятся марганец, цинк, молибден, медь, серебро и некоторые другие. Величина их К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

всегда больше единицы. Другая группа элементов, как правило, настолько слабо поглощается растениями, что величина их К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

составляет десятые и сотые доли. Таковы цирконий, титан, галлий, ванадий. Наконец, есть элементы, содержащиеся в золе растений примерно в таком же количестве, как в почве. Их К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

около единицы. Отмеченные закономерности имеют определенное физическое и эволюционное обоснование.
   Важно отметить, что на фоне этих общих закономерностей сильно проявляется влияние конкретных географических условий. Так, для таежной растительности характерен резкий контраст степени аккумуляции рассеянных элементов, достигающий 1000 раз и более, в то время как в других типах растительности этот контраст обычно составляет от 10 до 100. Некоторые элементы сильнее поглощаются растительностью в одних ландшафтах, слабее – в других. В частности, стронций очень слабо поглощается растительностью тайги и тундры, а в растительности аридных ландшафтов имеет К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

значительно более единицы. Каждый тип растительности в каждом конкретном местообитании характеризуется своими величинами К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

химических элементов.
   Следует подчеркнуть, что величина К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

не зависит от концентрации элемента в исходной породе, а показывает направленность его перераспределения в природном комплексе, характеризует его обмен между компонентами ландшафта. В качестве примера рассмотрим кривые К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

еловых лесов Карелии (рис. 21). Концентрация элементов определялась в одинаковых объектах: в чернике, мхе, коре и хвое ели. Однако изученные участки леса располагались на разных горных породах: гнейсах и диабазах. Хотя концентрация рассеянных металлов в этих породах отличается довольно сильно, характер кривых К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

однотипен.

Элементарный ландшафт и его геохимическая формула

Изложенные факты показывают, как сильно меняется концентрация химических элементов в горных породах и почвах, насколько различны массы элементов, мигрирующих в поверхностных водах разных территорий, и как неодинаков биологический круговорот в разных типах растительности. Геохимическая неоднородность географической оболочки – только одно из проявлений общей неравномерности ее состава и строения. Неоднородно строение океана и суши. Африка не похожа на Евразию, Северная Америка на Южную. Внутри континента выделяются большие области и зоны, ясно различающиеся между собой. Все более дробно разделяя территорию, мы наконец выделим участки, в, пределах которых все будет однородно: одинаковые рельеф и горная порода, один и тот же микроклимат, однотипные почвы и растительность. Это и будет пространственной единицей географической оболочки на суше, которая называется элементарным ландшафтом (Б.Б. Полынов), или элементарной ландшафтно-геохимической системой (М.А. Глазовская).

   Рис. 21. Интенсивность биологического поглощения некоторых химических элементов растительностью еловых лесов Карелии, растущих на выступах диабазов (верхний график) и гнейсов (нижний график)
   1 – кора ели; 2 – хвоя ели; 3 – гипновые мхи; 4 – листья и тонкие ветви черники

   Как капля морской воды отражает состав океана, так элементарный ландшафт отражает структуру всей географической оболочки. Он состоит из многих частей (компонентов): из горной породы, почвы, насыщающих ее микроорганизмов, растений, животных. Есть атмосфера, откуда приходят живительные дожди, вода которых омывает почву и выносит растворимые соединения. Растения выделяют в атмосферу кислород и захватывают СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, а из почвы – зольные элементы. Микроорганизмы разлагают мертвое органическое вещество, выделяют в атмосферу СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и освобождают зольные элементы, которые вновь вовлекаются в биологический круговорот. Все происходит, как в целостной географической оболочке. Разница в том, что планетарная оболочка огромна и ее компоненты не остаются постоянными: меняются состав горных пород и почв, климатические условия и типы растительности, а в элементарном ландшафте компоненты сохраняют свою однородность. Связь всех компонентов в одно целое, в единую ландшафтно-геохимическую систему осуществляется путем обмена вещества и энергии, что проявляется в виде миграции химических элементов.
   Итак, элементарный ландшафт – самый мелкий природно-территориальный комплекс, в котором все компоненты этого комплекса (почвообразующие породы, почвы, воды, живые организмы, атмосфера) связаны обменом вещества и энергии. Разумеется, в компонентах этой системы также происходят самые разнообразные частные процессы обмена химических элементов – от обменных сорбционных и химических реакций до обмена веществ в каждом живом организме, – но они не связывают компоненты в единый комплекс.
   Главная черта всех циклических процессов миграции химических элементов в географической оболочке – от глобальных до ограниченных элементарным ландшафтом – их незамкнутость. Поэтому элементы, освободившиеся из одного цикла, посредством водной миграции могут связывать целую серию элементарных ландшафтов, расположенных на последовательно понижающихся уровнях рельефа. Это связь однонаправленная, осуществляемая в виде миграционного потока, и выносимые путем водной миграции массы лишь в очень слабой степени могут компенсироваться возвратом через атмосферу.
   Процессы внутриландшафтной миграции химических элементов на наиболее возвышенных участках рельефа совершаются сравнительно независимо от окружающей местности. Поэтому такие элементарные ландшафты называются автономными. Вынесенные из них химические элементы включаются в циклические процессы, протекающие в нижерасположенных ландшафтах, которые поэтому называются геохимически подчиненными. Связь миграционным потоком вещества серии элементарных ландшафтов получила название геохимического сопряжения.
   Это явление очень широко распространено. В результате геохимического сопряжения на поймах рек накапливается азот, кальций, фосфор, калий, многие рассеянные элементы, вынесенные с площади водосбора реки. На дне степных западин вырастают горошины-конкреции оксидов железа и марганца, которые образованы за счет выноса этих элементов из окружающих ландшафтов. В тропических странах в период дождей низменные равнины превращаются в непроходимые болота. Стекающие с высоких плато воды выносят железо, иногда алюминий и более редкие металлы – титан, хром, ванадий, никель, кобальт, медь, цинк. В сухой период вода спадает и в почве на небольшой глубине от поверхности накапливаются гидроксиды железа и алюминия, обогащенные рассеянными металлами. Из года в год повторяется этот процесс, и в конце концов на небольшой глубине образуются мощные железистые плиты. Пройдут века, рыхлый слой почвы смоют дожди, и на поверхность выступят бурые панцири латеритов, бронирующие от размыва обширные площади.
   Огромное влияние оказывает геохимическое сопряжение на биологический круговорот. В растительности подчиненных ландшафтов содержание зольных элементов в несколько раз больше, чем в автономных. Торф низинных болот содержит так много минеральных веществ, что зола в нем нередко составляет 30 %. Фосфор, выносимый из окружающих почв, концентрируется в низинных болотах в таком количестве, что возникают скопления белого вивианита Fe -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

[РО] -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

8Н -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О. Частично окисляясь, он превращается в минерал красивого ярко-голубого цвета – бета-керченит.
   В некоторых случаях концентрация поступающих в результате геохимического сопряжения химических элементов настолько повышается, что это имеет отрицательные последствия. В Юго-Восточной Азии обильные атмосферные осадки, выпадающие в горных районах, способствуют активному выщелачиванию фтора из горных пород. Этот элемент поступает в поверхностные воды, причем концентрация его небольшая и не влияет на здоровье населения. Стекающие на приморские равнины речные и грунтовые воды интенсивно испаряются, в результате чего концентрация фтора сильно возрастает, превышает допустимый уровень и вызывает многочисленные заболевания – от разрушения эмали зубов до острых форм флюороза.
   В силу того, что геохимическое сопряжение осуществляется благодаря водной миграции, разные химические элементы оказывают неодинаковое влияние на этот процесс. Наиболее важную роль играют газообразные соединения элементов: углекислый газ, кислород, сероводород, образующиеся в процессе жизнедеятельности организмов. Растворяясь в природных водах, газы обусловливают их окислительно-восстановительные условия, которые контролируют растворимость некоторых химических элементов, главным образом металлов. В восстановительной среде, при наличии в воде сероводорода, происходит образование нерастворимых сульфидов железа, цинка, меди, свинца, никеля, кобальта, серебра, кадмия, ртути. В бескислородной среде, не содержащей сероводорода, но богатой углекислотой, большая часть этих металлов активно мигрирует. В кислородсодержащей окислительной среде металлы переходят в предельно окисленные формы, которые для железа, марганца, кобальта и некоторых других также нерастворимы. Конечно, сказанное относится к миграции простых ионов, а металлы в значительной мере переносятся в виде комплексных органических соединений.
   Весьма важное значение имеют элементы, в большом количестве растворяющиеся в поверхностных и почвенных водах и обусловливающие кислотно-щелочные условия. Это влияет на растворение или выпадение в осадок других элементов, определяет тип миграции. Поэтому такие элементы называют типоморфными. Поясним их значение примером. В степях, где типоморфным является кальций, в воде растворено много ионов этого элемента. Поэтому воды жесткие, имеют слабо щелочную реакцию (рН = 7–8,5). В такой среде плохо мигрируют катионы металлов. Поверхность крупных гумусовых молекул и глинистых частиц насыщена сорбированными ионами кальция, в результате частицы скоагулированы в прочные агрегаты. Это препятствует процессам вымывания. В итоге почва содержит много рассеянных элементов и обладает высоким плодородием. В растениях много кальция и микроэлементов, а травоядные животные не ощущают недостатка в минеральных солях. А.И. Перельман удачно назвал типоморфные элементы «геохимическими диктаторами», так как они обусловливают поведение других элементов.
   Чтобы элемент мог быть типоморфным, во-первых, его должно быть много. Поэтому типоморфными обычно являются главные химические элементы, имеющие большой кларк. Во-вторых, элемент должен находиться в такой форме, которая допускает его переход в растворимое состояние. Например, в почве некоторых ландшафтов очень много кварца, но кремний, входящий в прочную и устойчивую структуру этого минерала, с трудом освобождается, поступает в воду в небольшом количестве и не может оказывать сильного воздействия на состав вод и растений, хотя его в ландшафте очень много. В-третьих, типоморфный элемент должен обладать способностью накапливаться в подчиненном ландшафте. Если элемент транзитно мигрирует, то его участие в геохимическом сопряжении весьма ограниченно. Например, значительные массы натрия весьма активно мигрируют как в автономных, так, и в подчиненных ландшафтах таежно-лесной зоны, не имея существенного значения для геохимического сопряжения. Но в пустынях в результате сильной испарительной концентрации этот элемент часто играет ведущую роль в геохимическом сопряжении ландшафтов.
   Рассеянные элементы, принимающие участие в биологической или водной миграции, не могут играть роли типоморфных из-за небольшого содержания. В то же время они характеризуют процесс внутриландшафтного перераспределения, имеют важное значение как микроэлементы. Поэтому их называют индикаторными. Кларк рассеянных элементов менее 0,1–0,01 %. Когда их концентрация возрастает в сотни и тысячи раз по сравнению с обычной, эти элементы могут играть роль типоморфных. Такие случаи бывают на выходах рудных месторождений, где содержание металлов сильно увеличено.
   Существование элементарного ландшафта, иными словами стационарное состояние этой открытой системы, возможно только благодаря непрерывному обмену, перераспределению химических элементов. Следовательно, сущность этой системы можно выразить, если измерить внутриландшафтный обмен вещества, т. е. количественно определить интенсивность перераспределения химических элементов между компонентами ландшафта.
   Элементарный ландшафт, как система, имеет исходный запас химических элементов, содержащихся в почвообразующей породе. Исходное содержание каждого элемента оценивается величиной кларка концентрации. В результате процессов, протекающих в почве, часть химических элементов приобретает подвижность и вовлекается в миграцию. Основными ее формами является биологический круговорот и водная миграция. Поэтому необходимо количественно оценить перераспределение химических элементов, во-первых, между исходной почвообразующей породой и растительностью и, во-вторых, между исходной почвообразующей породой и природной водой. Это достигается определением коэффициентов, которые численно и объективно показывают взаимосвязь между отдельными компонентами элементарного ландшафта.
   Исходя из сказанного, любой элементарный ландшафт может быть охарактеризован особой геохимической формулой, имеющей вид неправильной дроби. На месте целого числа записывается типоморфный элемент, в скобках после него – растворенный в воде газ. В числителе указываются индикаторные рассеянные элементы, у которых коэффициент биологического поглощения больше коэффициента водной миграции, в знаменателе – элементы с обратными соотношениями К и К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Таким образом выделяются две основные для данного ландшафта группы индикаторных элементов: первая – наиболее интенсивно вовлекаемые в биологический круговорот, вторая – более активно захватываемые в водную миграцию, способствующие геохимическому сопряжению. Для различия автономного элементарного ландшафта от подчиненного в формуле последнего над типоморфным элементом ставится знак*.
   Формула

   означает, что имеется автономный элементарный ландшафт, в котором перераспределение химических элементов происходит при наличии большого количества ионов кальция в поверхностных водах и свободного доступа кислорода, т. е. в слабощелочной окислительной среде. В биологический круговорот наиболее активно вовлекаются молибден, медь, цинк, марганец, а в водах особенно энергично накапливается и мигрирует стронций.
   Рассмотрим конкретный пример, относящийся к территории северо-восточного Предкавказья. В этом районе луговые ландшафты аллювиальных долин находятся в геохимическом подчинении по отношению к автономным ландшафтам предгорных высоких равнин. Типоморфным элементом служит кальций, а индикаторными – марганец, медь, цинк, молибден, стронций, отчасти свинец и барий. Некоторые химические элементы в процессе внутриландшафтного обмена ведут себя инертно и не могут относиться к индикаторным. В качестве их представителя в табл. 33 приведен титан.

   Таблица 33
   Ландшафтно-геохимические коэффициенты автономных и подчиненных ландшафтов северо-восточного Предкавказья

На хорошо дренируемых высоких равнинах происходит свободное проникновение атмосферного воздуха в почву и почвообразующие породы, следствием чего в этих ландшафтах установилась окислительная остановка. Благодаря периодическому высокому стоянию грунтовых вод за счет стока с высоких равнин, в луговых ландшафтах имеет место недостаток кислорода. В результате этого образуются в большей или меньшей степени оглеенные почвы, а в воде повышается концентрация некоторых металлов, в частности марганца. На основании имеющихся данных формула лугового ландшафта имеет вид:

   Формула степного ландшафта высоких предгорных равнин приведена выше.
   Рассчитав отношение между концентрациями одного и того же химического элемента в однотипных компонентах автономного и подчиненного ландшафтов, мы получим коэффициент сопряженности (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

). Он показывает, насколько выше концентрация типоморфного и индикаторных элементов, которые наиболее интенсивно вовлекаются в водную миграцию, в подчиненном ландшафте. Например, для рассматриваемых сопряженных ландшафтов величина К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

для кальция в водах составляет 1,1, а для стронция в растительности —1,5.

Систематика годовых геохимических циклов в географической оболочке

   Рассмотрение геохимии географической оболочки позволяет заключить, что ее целостность поддерживается обменом вещества и энергии. Обменные процессы совершаются в природных территориальных и экваториальных системах и имеют незамкнутый циклический характер. Незамкнутость обеспечивает возможность одновременного функционирования циклов разного ранга. Между глобальными циклами, охватывающими всю географическую оболочку, и самыми мелкими, распространяющимися лишь на площадь элементарного ландшафта, существуют другие формы обмена вещества. Важно выяснить их соподчиненность и распространение в пространстве.
   Циклический обмен воды между поверхностью океана и суши с одной стороны, и атмосферой, с другой, охватывает всю площадь континентов. Этот процесс может совершаться в полном объеме в соответствии с термическими условиями, а может осуществляться лишь частично в силу недостатка воды. Обеспеченность обмена водой между поверхностью территории и атмосферой во многом определяет все другие формы миграции. При оценке обмена вещества в природно-территориальных комплексах необходимо в первую очередь учитывать обеспеченность цикла водообмена. На этом основании выделяются два основных типа обмена вещества на суше, различающиеся степенью атмосферного увлажнения: гумидный, обозначаемый символом Н, характеризующийся обеспеченностью главного цикла водой, и аридный, обозначаемый символом А, характеризующийся большим или меньшим недостатком воды. Соответственно по величине коэффициента увлажненности выделяются гумидные (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

> 1) и аридные (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

< 1) типы обмена веществ.
   В пределах каждого типа в зависимости от энергообеспеченности складывается обмен вещества в результате суммарной деятельности живых организмов. Главное значение имеет синтез и разрушение органического вещества, т. е. миграция масс углекислого газа, а также кислорода и воды. Интенсивность этого процесса следует оценивать углеродным коэффициентом, но в силу недостаточных данных временно приходится использовать коэффициент разрушения органического вещества К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. По величине этого коэффициента выделяются следующие варианты углеродно-кислородного цикла:
   • I – энергичный (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

< 1);
   • II– умеренный (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= от 1 до 2);
   • III – замедленный (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

= от 2 до 10);
   • IV – заторможенный (К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

> 10).
   Варианты углеродно-кислородного цикла занимают место подтипов в систематике годовых геохимических циклов. В аридном типе циклов представлены I и II подтипы, в гумидном типе – все четыре подтипа.
   Распространение разных вариантов углеродно-кислородного цикла в пространстве совершенно определенное: аридные и гумидные территории разделяются на зоны, в которых интенсивность обмена углекислого газа и кислорода одинакова.
   Каждому элементарному ландшафту свойственно особое соотношение масс химических элементов, участвующих в межкомпонентном обмене. Интенсивность обмена характеризуется величиной коэффициентов К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

и К -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

типоморфных и индикаторных элементов, а миграция внутри ландшафта отвечает виду процессов обмена вещества в географической оболочке.
   Элементарные ландшафты, расположенные на разных гипсометрических уровнях, связаны потоками вещества, которые представляют собой отдельные звенья длительных глобальных циклов суша – океан – суша. Геохимические потоки соответствуют классам годовых миграционных перемещений. Варианты геохимического сопряжения различаются по составу типоморфных элементов, на который влияют как биоклиматичеокие условия, так и местные горные породы. Природно-территориальные комплексы с однотипным геохимическим сопряжением занимают большие площади внутри зон с одинаковой интенсивностью углеродно-кислородного обмена.
   Схема систематики процессов обмена веществ в географической оболочке показана в табл. 34.

   Таблица 34
   Систематика циклических процессов обмена вещества в географической оболочке

Система обозначения дает возможность многообразные процессы обмена вещества, протекающие в любом ландшафте, представить в лаконичной кодированной форме. Например, обозначение означает, что для рассматриваемого ландшафта свойственна недостаточная обеспеченность цикла влагооборота (аридный тип). Углеродно-кислородный цикл протекает с умеренной интенсивностью (II подтип), в силу чего в ландшафте сохраняется небольшое количество неразложенного органического вещества. Типоморфным элементом является кальций, благодаря водной миграции которого осуществляется геохимическое сопряжение. Отсутствие значка перед типоморфным ионом указывает на автономное положение ландшафта. Остальная характеристика приведена ранее.

Контрольные вопросы

   • Дайте определение термину «элементарный ландшафт».
   • Дайте определение терминам «автономный» и «подчиненный» элементарные ландшафты.
   • Объясните механизм геохимического сопряжения элементарных ландшафтов.
   • Какими факторами обусловлена геохимическая зональность ландшафтов?
   • Какова закономерность изменения массы живого вещества в автономных ландшафтах разных природных зон? Как изменяется биологический кругооборот?
   • Как влияет степень атмосферного увлажнения на вовлечение химических элементов в различные виды миграции?
   • Какие химические элементы в геохимии ландшафтов являются типоморфными?
   • Чем обусловлена геохимическая неоднородность автономных ландшафтов одной и той же природной зоны?
   • Какие химические элементы в геохимии ландшафтов относятся к категории индикаторных?
   10. Как составляется геохимическая формула элементарного ландшафта?

Задания для самостоятельной работы

   • По литературным данным сопоставить развернутые геохимические характеристики типичных автономных ландшафтов лесной и степной зон бореального пояса.
   • Начертить схемы типичных вариантов геохимического сопряжения элементарных ландшафтов лесной зоны бореального пояса.
   • По литературным источникам суммируйте сведения о геохимических проявлениях географической зональности.

Глава VII
ГЕОХИМИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА И ПРОБЛЕМЫ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Человеческое общество как геохимический фактор

   На протяжении последних тысячелетий в естественное развитие геохимических циклов в географической оболочке с нарастающей силой вторгается производственная деятельность человеческого общества. Первые кочевые цивилизации оказывали сравнительно медленное воздействие на природные системы миграции химических элементов, но охватывали большие территории. Земледельческие цивилизации, наоборот, глубоко изменяли природные системы миграции, но на ограниченной площади (долины Нила, великих рек Восточной и Юго-Восточной Азии, междуречье Тигра и Евфрата). Если к результатам хозяйственной деятельности людей добавить так называемые непредвиденные последствия этой деятельности – эрозию почв, опустынивание, лесные пожары и др., то ясно, что человеческое общество с момента его появления стало важным фактором изменения биосферы.
   Особенно ощутимо воздействие хозяйственной деятельности стало проявляться в XIX в., когда начала бурно развиваться индустрия. В сферу промышленного производства стали вовлекаться в значительном количестве массы химических элементов, извлекаемые из земных недр. В настоящее время во всем мире ежегодно добывается более 100-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т минеральных ископаемых, включая строительные материалы, балласт для дорог и др. Если это количество отнести ко всей Мировой суше, то окажется, что с 1 км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

суши ежегодно извлекается около 700 т. Воздействие общественного производства распространяется не только на наружную часть земной коры, но также на природные воды и на атмосферу. На производственные и бытовые нужды расходуется примерно 4,0-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

воды в год, т. е. 10 % объема речного стока. Из атмосферы извлекается молекулярный азот и переводится в реакционноспособные формы.
   Одновременно в окружающую среду выбрасываются промышленными предприятиями сотни миллионов тонн газов и пыли, в поверхностные воды поступают десятки миллионов тонн бытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков.
   Начиная с середины XX в. для обеспечения индустриального производства используются некоторые химические элементы в таком количестве, которое сопоставимо с массами, мигрирующими в глобальных биогеохимических циклах. Главная черта современной индустриальной технологии – низкая экономичность, обусловленная огромным количеством отходов. Обильные отходы не утилизируются в смежных производствах, а выбрасываются в окружающую среду. Массы загрязняющих отходов столь велики, что поражают наше воображение.
   Приведенные примеры свидетельствуют о том, что человеческое общество в процессе своей производственной деятельности выступает как мощный геохимический фактор, изменяющий и направляющий миграцию огромных масс химических элементов. Эту сторону человеческой деятельности известный российский геохимик А.Е. Ферсман назвал техногенезом.
   В какой мере нарастающее загрязнение окружающей среды, нарушение динамического равновесия природы представляет опасность? Этот вопрос волнует широкие круги мировой общественности. По этому поводу высказано множество суждений – научно обоснованных, фантастических и явно спекулятивных. Любые варианты решения рассматриваемой проблемы должны базироваться на тщательном изучении влияния техногенных масс на геохимические циклы разных рангов, благодаря которым существует сложнейшая природная система, именуемая географической оболочкой. Если техногенное воздействие нарушает функционирование глобальных процессов, изменяет их направленность, то, несомненно, имеется опасность полного нарушения планетарного механизма, обеспечивающего существование географической оболочки. Если этого не происходит, то необходимо установить, для каких циклов и пространственно-территориальных комплексов такая опасность вполне реальна.

Влияние хозяйственной деятельности человеческого общества на геохимические циклы элементов

   Рассмотрим воздействие человека на движение масс углерода в географической оболочке. С изобретением паровой машины в качестве топлива стал широко использоваться каменный уголь, с появлением двигателей внутреннего сгорания – нефть и ее производные. Сжигание угля постепенно увеличивалось все больше и больше. В начале XIX в. его добывали в количестве около 30 млн т в год, в 1900 г. – 700 млн т, в 1913–1340 млн т, в 1951–1918 млн т, а к 1970 г. добыча угля превысила 3 млрд т. Эксплуатация нефти началась в 1856 г. В 1900 г. добыча нефти во всем мире была менее 30 млн т, а в настоящее время извлекается из недр около 2 млрд т. С 1960 по 1980 г. извлечено более 40 млрд т. К этому добавилась разработка залежей природного газа, которая также развивается нарастающими темпами. В 1937 г. было добыто 74 млрд м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

газа, а через 30 лет добыча возросла более чем в 10 раз. Таким образом, использование природных соединений углерода происходит в столь значительных масштабах, что это приобретает характер крупного геохимического процесса. По этому поводу А.Е. Ферсман в 1934 г. пророчески заметил, что «трудно даже предсказать серьезность тех природных изменений, которые будут внесены этим в хозяйстве природы, так как эти картины могли бы казаться фантазиями Жюль Верна» [8 - Ферсман А.Е. Геохимия. Л., 1934. Т. II. С. 302.].
   Каменный уголь, нефть, газ – это все органические соединения. Сгорая в виде топлива, они превращаются в углекислый газ. Приведенные выше цифры настолько велики, что невольно возникает вопрос: куда деваются продукты сгорания? Не происходит ли увеличение углекислого газа в атмосфере? Если это так, то какие это может иметь последствия?
   По данным СКОПЕ (1979), концентрация СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в атмосфере до 1850 г. была около 290-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

% объема, через 100 лет – 313-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%, в 1978 г. – 330-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%. Предполагается, что в атмосферу путем сжигания минерального топлива до 1978 г. было выделено углерода в составе СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

около 140-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Наблюдения за концентрацией СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в атмосфере показали, что его масса в атмосфере за последние годы возрастает на 2,2-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Суммарное поступление в атмосферу углерода в составе углекислого газа из индустриальных источников в настоящее время оценивается в 5-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год. Это количество примерно в 15 раз меньше, чем ассимиляция углерода при фотосинтезе растительности Мировой суши.
   При сжигании дров, лесных пожарах в атмосферу выделяется еще 4,8-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в год, но половина этой массы вновь захватывается растительностью. Американский ученый Б. Болин предполагает, что содержание СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в атмосфере будет ежегодно увеличиваться примерно на половину количества СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, образующегося при сжигании минерального топлива. Если его потребление будет по-прежнему возрастать на 4 % в год, то, по мнению упомянутых ученых, концентрация СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в атмосфере к началу следующего столетия будет равна 380-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

% объема.
   Рост концентрации СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

сам по себе опасности не представляет, но повышение содержания молекул СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

может вызвать повышение температуры воздуха благодаря парниковому эффекту, что может иметь катастрофические последствия.
   Метеорологи считают, что сейчас в Северном полушарии температура приземного слоя тропосферы на 0,4 °C выше, чем в 1950–1980 гг. Предполагается, что к 2000 г. температура повысится на 1,3 °C, а к 2050 г. – на 3–4 °C. Такое потепление климата должно отразиться на биосфере в целом, вызвать повышение почти на 0,5 м уровня Мирового океана за счет таяния 30–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

ледников и примерно такого же количества морских льдов. Затопление густонаселенных береговых территорий повлечет за собой сложные ситуации в экономике и организации мирового хозяйства. Теоретическая проблема разбалансирования глобального цикла массообмена углерода приобретает экономические, социальные, а следовательно, и политические аспекты.
   Проблема настолько серьезна, что Всемирная метеорологическая организация (ВМО) совместно с руководством Программы по окружающей среде ООН (ЮНЕП), начиная с 1976 г., провела серию международных совещаний. Международная научная общественность считает, что важной общемировой задачей является уменьшение выбросов СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в атмосферу. На конференции в Торонто (1988) было внесено предложение о сокращении выбросов СО; на 20 % к 2005 г., на конференции в Гамбурге (1989) обосновывалась необходимость сокращения выбросов на 30 %. ВМО и ЮНЕП учредили в 1988 г. специальный межправительственный совет по этой проблеме, в который вошли представители более 40 государств.
   Следует заметить, что опасения по поводу климатических последствий повышения концентрации СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в атмосфере заслонили другую, на наш взгляд, не менее важную проблему. Сжигание огромных масс каменных углей, нефти и газа сопровождается расходованием еще больших масс кислорода. Свободный кислород накопился в атмосфере только благодаря захоронению органического углерода, в том числе того, из которого состоят каменные угли и газ. Усиленное сжигание минерального топлива, несомненно, способствует связыванию огромного количества кислорода в CO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Если во всем мире сжигается в составе минерального топлива 5—10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т углерода, то на это расходуется более 13–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т кислорода. Сравним эту цифру с массами кислорода, участвующими в биологическом круговороте на Мировой суше, – около 230-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т. Создается впечатление, что количество кислорода, расходуемого на сжигание минерального топлива, совсем незначительно по сравнению с тем, сколько выделяет кислорода растительность суши. Однако надо иметь в виду, что основная часть выделяющегося при фотосинтезе кислорода должна быть израсходована на разложение отмерших органов растений (продуктов опада). По расчетам О.П. Добродеева, за счет отмершего, но не разложенного до СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

органического вещества в атмосфере ежегодно остается около 1,55–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т кислорода. Эта масса в 10 раз меньше того количества кислорода, которое каждый год расходуется на сжигание минерального топлива.
   Кроме того, кислород расходуется на окисление металлов, главным образом железа, которое люди добывают и выплавляют. Насколько велик расход кислорода на эти процессы, свидетельствуют следующие данные. Ежегодно во всем мире выплавляется около (700–800) – 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т стали. В то же время окисляется, ржавеет примерно 10 % этого количества, на что расходуется около 340-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т кислорода. Наконец, кислород расходуется на окисление различных газов, которые продолжают выделяться из земных недр. Это количество кислорода пока не определено.
   Биосфера в целом пока справляется с окислением продуктов индустриальной деятельности человечества, хотя поглощение кислорода достигло такого уровня, что за глобальным биогеохимическим циклом массообмена кислорода необходим внимательный контроль.
   Прогрессирующее возрастание масс химических элементов, вовлекаемых в миграционные потоки, вызванные хозяйственной деятельностью людей, достигло такого уровня, при котором не только нарушается стационарность природных миграционных циклов в отдельных территориальных биогеосистемах, но и вносится дисбаланс во всю глобальную систему циклического массообмена, которая поддерживает существование биосферы. Вполне естественно, что возникла идея организации межгосударственной координации хозяйственной деятельности. Рассмотрению этой идеи была посвящена Международная конференция по охране окружающей среды и развитию в Рио-де-Жанейро (1992). На конференции была принята концепция «поддерживающего развития», призывающая государства отказаться от неограниченного и бесконтрольного использования природных ресурсов и загрязнения биосферы. Конференция была весьма представительна и проходила на уровне глав государств и правительств. Несмотря на историческую значимость первой конференции такого рода, из-за отсутствия научного обоснования подходов к рассмотрению этой важной идеи в итоговом документе конференции содержались лишь общие положения. Никаких существенных достижений на пути организации научно обоснованной координации производственной деятельности государств с целью поддержания биосферы не было достигнуто и на XIX специальной сессии Генеральной Ассамблеи ООН (1997), посвященной анализу деятельности государств по поддержанию биосферы.
   Вместе с тем, отдельные частные проблемы успешно решались после тщательного изучения их порождающих причин и последствий. Примером может служить опыт предотвращения и нейтрализации локального загрязнения тяжелыми металлами, проявления которого рассматривается ниже.
   Региональные геохимические проблемы. Значительный дисбаланс в природные циклы массообмена, охватывающие экогеосистемы крупных регионов, вносят отходы промышленных предприятий и транспорта. Более 95 % техногенных выбросов соединений серы представлено SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Это химически весьма агрессивное соединение. Главная эмиссия SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

происходит при сжигании каменных углей, содержащих сульфиды железа, и нефти, в которой постоянно присутствуют серосодержащие органические соединения. Значительные массы SO -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

выделяются в атмосферу при выплавке металлов. Общемировая масса техногенных выбросов серы по состоянию на 1990 г. оценивается в 100-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

—110-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год.
   Оксиды серы, осаждаясь с атмосферными осадками, поражают растительность, губят почвенную биоту, вызывают заболевания населения. Рыжие от действия сернокислотных дождей хвойные леса склонов горных массивов являются печальной достопримечательностью больной природы некоторых стран Восточной Европы.
   Техногенные оксиды серы распределяются неравномерно и поражают отдельные районы. Экологическая проблема сернокислотных дождей усугубляется трансграничным переносом воздушных масс, содержащих оксиды серы. Известны случаи ущерба, нанесенного выпадением «кислых дождей», принесенных на территорию стран Скандинавского полуострова из индустриальных районов Германии.
   Велико влияние сельскохозяйственного производства. Человек не просто заменяет природную растительность сельскохозяйственными культурами, что само по себе вносит изменение в естественные процессы. Дикие растения после созревания отмирают и возвращают почве поглощенные элементы, а урожай увозится с полей. Поглощенные из почвы химические элементы систематически выводятся из биологического круговорота. В первую очередь это относится к «триаде плодородия»: азоту, фосфору и калию. Для повышения урожайности, начиная с середины прошлого века, в почву вносятся все большие количества этих элементов, которые искусственно направляются в биологический круговорот. Массы элементов настолько велики, что вполне сопоставимы с некоторыми природными потоками миграции. По данным ЮНЕСКО, производство зерновых культур (пшеницы, ржи, кукурузы, риса и др.) во всем мире составляло 1,2 млрд т. Ежегодно в процессе уборки указанного количества зерновых люди вовлекают в искусственную миграцию 48 млн т азота, 36 млн т калия и 12 млн т Р -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

О -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. С учетом всех других сельскохозяйственных культур эти массы будут еще больше. В частности, вынос азота с общемировым урожаем в 1970–1971 гг. составил 106 млн т.
   В результате развития сельского хозяйства миграционные циклы в природно-территориальных комплексах изменились на очень большой части суши. Согласно подсчетам коллектива авторов (ТИ. Евдокимова и др., 1976), лесная зона европейской территории России и сопредельных государств имеет площадь 2,42 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. В доисторические времена леса покрывали всю эту площадь, в настоящее время они сохранились лишь на 1,5 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, 0,3 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

занято пашней, 0,38 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– лугами и пастбищами, 0,24 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

– городами, поселками, транспортными магистралями, водами. В результате этого резко сократилась величина фитомассы и связанных в ней химических элементов. Благодаря внесению удобрений, сельскохозяйственные культуры вовлекают в биологическую миграцию значительно большие количества азота, фосфора и калия, чем естественная лесная растительность. Но часть этих элементов искусственно удаляется. Со всей площади зоны ежегодно вывозится в составе урожая и лесоматериалов 11 млн т азота, 1,1 млн т фосфора, 4,5 млн т калия, 5,3 млн т. кальция. Вырубка леса и распашка почв способствовали усилению водной миграции. Со всей площади зоны с водным стоком выносится значительно больше кальция, чем его поступает с удобрениями и при известковании почв. Изменение миграции химических элементов на территории Восточно-Европейской равнины на протяжении исторического времени показано в табл. 35, составленной нами по данным Т.И. Евдокимовой и соавторов.
   Из приведенных данных видно, что годовое движение масс химических элементов еще сильнее изменилось в степной зоне, где земледелие развито особенно широко. На площади около 0,3 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

южных степей, занятой в доисторическое время разнотравно-типчаково-ковыльной растительностью, распахано около 0,22 млн км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Здесь изменения весьма специфичны.

   Таблица 35
   Антропогенная трансформация массообмена в лесной и степной зонах европейской части России (составлено автором по данным Т.И. Евдокимовой и др., 1976)

   Примечание: I – доисторический период, II – настоящее время

   Хотя с удобрениями вносится значительное количество азота, в целом его вовлечение в биологический круговорот уменьшилось по сравнению с целинными степями до вмешательства человека. Вовлечение в биологический круговорот масс фосфора и калия сохранилось примерно на исходном уровне. Очень сильно увеличилась водная миграция в результате эрозии почв. Особенно усилилась миграция калия, вынос которого с водным стоком в несколько раз превышает внесение этого элемента с удобрениями.
   Население земного шара растет, и проблема обеспечения продуктами питания – одна из самых актуальных. Поэтому все больше увеличиваются дозы минеральных удобрений, расширяются старые и строятся новые горные предприятия, сооружаются новые химические комбинаты для переработки горно-химического сырья в минеральные удобрения. Искусственное включение химических элементов в биологический круговорот для повышения урожайности еще будет увеличиваться.
   На основании данных, имеющихся в отечественной и зарубежной литературе, мы рассчитали и сопоставили объемы важнейших потоков миграции трех «элементов плодородия» (табл. 36). Из приведенных данных видно, что количество азота и фосфора, искусственно направляемых в систему биологического круговорота, превышает количество этих элементов, естественным путем вовлекаемых в водную миграцию.

   Таблица 36
   Промышленная продукция и природная миграция масс азота, фосфора и калия, 10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год (на уровне 1990)

   * Без учета массы технологических отходов и бытовых выбросов, составляющей около 40–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

т/год азота

   Накопленные на протяжении длительного геологического времени огромные массы фосфора и калия в виде месторождений апатита, фосфоритов, калийных солей очень быстро вырабатываются, истощаются, а их слагающие элементы рассеиваются по поверхности Земли. Однако человек не только разрушает местные концентрации элементов в земной коре. Его деятельность направлена на изменение состава целых оболочек планеты.
   Как известно, молекулярный азот составляет основную массу атмосферы, но в такой форме он химически инертен и недоступен почти всем растениям и всем животным. Только в XX в. были разработаны технические способы связывания атмосферного азота в такие соединения, которые можно использовать для питания растений. Несколько миллиардов лет потребовалось на то, чтобы в атмосфере Земли накопился азот. Весь ход геохимического развития планеты способствовал этому. Но человек коренным образом меняет это положение, переводя азот из нейтрального в высокоактивное состояние, намеренно направляет его в биологический круговорот на полях и невольно – в интенсивную водную миграцию. Американский ученый К. Делвич, занимающийся проблемой азота в биосфере, считает, что из всех типов вмешательства человека в естественный круговорот веществ промышленная фиксация азота – самое крупное по масштабам. Кроме того, человек усиленно связывает азот, используя биохимические процессы – при помощи искусственно культивируемых азотфиксирующих сообществ высших растений и микроорганизмов. Посевы бобовых культур (люцерны, клевера и др.) сопровождаются связыванием азота до 3 ц/га в год. Количество ежегодно связываемого азота бобовыми культурами оценивается в 14 млн т. Суммарный эффект фиксации азота из воздуха специальными культурами и промышленностью постепенно повышается, удваивается каждые 6 лет.
   Часть азота, вносимого в почву в качестве удобрения, не захватывается растениями, вымывается природными водами и вовлекается в протяженную водную миграцию. Микроорганизмы-денитрофикаторы не успевают разлагать эти соединения и освобождать азот, пополняя его содержание в атмосфере. В природных водах постепенно увеличивается содержание ценнейших продуктов питания – азотных и азотистых соединений. Это вызывает усиленный рост некоторых водных растений, зарастание водоемов, перегрузку их мертвыми растительными остатками и продуктами разложения.
   Аномально высокое содержание растворимых соединений азота в почве влечет за собой повышенную концентрацию этих элементов в сельскохозяйственных продуктах питания и питьевой воде. Установлено, что попадающие в организм человека нитриты образуют соединения, нарушающие кислородный обмен в крови человека — метгемоглобинемию. Это сопровождается серьезными заболеваниями, особенно у детей. Не менее опасно образование нитрозоаминов, обладающих канцерогенными свойствами.
   Проведенный анализ позволяет заключить, что сильная незамкнутость многих циклов, связывающих природно-территориальные комплексы, пока обеспечивает нормальное функционирование глобального цикла азота. Но для некоторых геохимически подчиненных элементарных ландшафтно-геохимических систем поступающие массы азота, вовлеченные в водную миграцию в результате непредвиденных последствий хозяйственной деятельности человека, являются переизбыточными. Они разрушают нормальное функционирование указанных систем.
   Наиболее интенсивный поток веществ, поступающих в глобальную среду в результате хозяйственной деятельности людей, в настоящее время связан с добычей, транспортом, переработкой и сжиганием горючих полезных ископаемых. Включение огромной массы природных органических соединений в систему биогеохимических циклов биосферы пока еще полностью не осознаны, но многие негативные последствия этого процесса очевидны.
   Загрязнение нефтью и нефтепродуктами Мирового океана нарушает всю систему биогеохимических циклов и является одной из наиболее актуальных инвайронментальных проблем начала III тысячелетия. Потери нефти при эксплуатации скважин и авариях нефтепроводов глубоко поражает отдельные наземные биогеосистемы. Тяжелые компоненты нефти, попадая в почву на длительное время изменяют ее водно-физические свойства и направленность микробиологических процессов. Излияние нефтяных вод приводит к образованию техногенных солончаков в ландшафтах, в которых по природным условиям их образование невозможно. Выбросы в атмосферу вместе с нефтяными газами сероводорода деформируют биогеохимические циклы многих химических элементов. Среди химических компонентов нефти и ее дериватов для организма человека особую опасность представляют полициклические ароматические углеводороды, часть которых канцерогенна. В силу изложенных обстоятельств в развитых странах осуществляются разнообразные и дорогостоящие мероприятия, направленные на предотвращение и нейтрализацию последствий загрязнения нефтью. В частности, затраты на охрану окружающей среды в нефтяной промышленности США в 80-х годах составляли около 2 млрд долларов.
   Вблизи мест разлива нефти образуются специфические геохимические аномалии, имеющие сложную структуру, обусловленную дифференциацией в процессе фильтрации. Формирование таких аномалий детально изучено Н.П. Солнцевой в условиях тундровых и таежных ландшафтов России.
   Еще более значительные массы отходов образуются при эксплуатации месторождений каменного угля. Вблизи шахт и открытых разработок атмосфера загрязнена угольно-силикатной пылью и дымом, почвы погребены под отвалами вскрышных пород, состав поверхностных и грунтовых вод трансформирован продуктами окисления сульфидов железа, содержащихся в углях. Вокруг шахт и разрезов образуются поликомпонентные геохимические аномалии. В районах длительной эксплуатации отдельные техногенные аномалии сливаются в обширные техногенные геохимические поля, которые служат мощными источниками эмиссии веществ, загрязняющих атмосферу. Влияние этих полей распространяется далеко за их границами. Достаточно вспомнить случаи трансграничного переноса воздушных масс, обогащенных при сжигании угля оксидами серы и обусловленные кислотными дождями.
   Следует отметить, что во многих развитых странах дальнейшая эксплуатация угольных месторождений сокращена или даже полностью прекращена и районы, многие десятилетия служившие примером губительных для природы разработок каменного угля (бассейн Рура в Германии, «Черная долина» в области среднего течения Роны во Франции и др.) благодаря энергичным социально-экономическим и инженерным действиям, рекультивированы и их природа буквально возрождена.
   В последние годы возник новый вид загрязнения органическими веществами, а именно входящими в состав топлива космических ракет. Токсичным компонентом реактивного топлива является несимметричный диметилгидразин, хорошо растворимый в воде и свободно вовлекаемый в биологический круговорот.
   Изучение участков, загрязненных остатками топлива, поступающими на поверхность почвы с остатками отделяемых ступеней ракет, было проведено в ландшафтах Центрального Казахстана Н.С. Касимовым и его сотрудниками. Установлено, что диметил-гидразин задерживается в гумусовом горизонте каштановых почв (средняя концентрация n-0,01 мг/кг), в котором образует ясно выраженные геохимические аномалии. Благодаря хорошей растворимости токсикант распространяется по почвенному профилю на глубину промачивания атмосферными водами, активно вовлекается в водную миграцию с поверхностным стоком и накапливается в бессточных депрессиях рельефа. В то же время диметилгидразин активно поглощается растениями, в результате чего его средняя концентрация в степной растительности почти на порядок выше, чем в почве (рис. 22). Соответственно размеры биогеохимических аномалий превышают размеры аномалий в почвах.

Рис. 22. Распределение концентраций несимметричного диметилгидроксина в почвах (1) и растениях (2) в районе запуска ракет в Центральном Казахстане (по Н.С. Касимову и др., 1994)
Учитывая химические свойства несимметричного диметилгидразин, можно предполагать, что в ландшафтно-геохимических условиях гумидных ландшафтов он будет более активно вымываться и образовывать менее ясные аномалии в почвах.

Металлизация окружающей природной среды

Среди многих последствий хозяйственной деятельности человеческого общества особо важное значение имеет процесс прогрессирующего накопления металлов в окружающей среде. Различные металлы, как использовавшиеся с отдаленного времени, так и получившие применение недавно, используются в индустриальном производстве в нарастающем количестве. Это хорошо видно на рис. 23.
На графике показан рост добычи руд меди, разрабатывающихся с глубокой древности, и руд молибдена и урана, промышленная разработка которых началась в XX в.

   Рис. 23. Рост добычи металлов на протяжении XX в.

   В настоящее время общемировая добыча металлов характеризуется следующими величинами (в т/год):
   n-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: железо;
   n-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: марганец, алюминий;
   n-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: медь, цинк, свинец;
   n-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: никель, олово;
   n-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: молибден, уран, вольфрам, кобальт, кадмий, ванадий;
   n-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

: ртуть, серебро.

   Как видно из приведенных цифр, металлы извлекаются в количестве, не пропорциональном их содержанию в земной коре и почве, применительно к которым развивались формы наземной жизни. Например, кларк алюминия в 1000 раз больше кларка меди, а современная добыча этих металлов различается всего в несколько раз. Молибдена в земной коре почти в 100 раз меньше, чем ванадия, а производят молибдена значительно больше.
   Добыча металлов растет, увеличиваясь примерно на 40 % каждые 10 лет. По самым скромным подсчетам, за все историческое время к настоящему моменту из земных недр извлечены десятки миллионов тонн меди, свинца, цинка. Добыча отдельных металлов уже превысила некоторые виды их глобальной миграции. Например, меди добывается в год больше, чем вовлекается в биологический круговорот и выносится с водным стоком со всей суши. Производство свинца еще сильнее превышает указанные глобальные потоки миграции этого элемента.
   Самая главная особенность процесса загрязнения металлами заключается в тенденции к их активному рассеянию. Пути техногенного рассеяния металлов разнообразны; важнейшим служит выброс в атмосферу при металлургическом переделе руд. Значительная часть металлов теряется еще раньше – при транспортировке, обогащении, сортировке руды. Как указывает А.А. Беус с соавторами (1976), таким путем в десятилетие 1965–1975 гг. во всем мире было рассеяно (в тысячах т): меди – 600, цинка – 500, свинца – 300, молибдена – 50.
   После получения металлов вся технология современного производства сопровождается их рассеиванием в окружающей среде. Огромные массы металлов используются в химической, бумажной, электротехнической и других отраслях промышленности и уходят с промышленными стоками. Столь же крупные массы металлов истираются и рассеиваются во время работы различных машин и механизмов. Значительная часть некоторых металлов и других химических элементов добывается лишь для того, чтобы их рассеять на поверхности Земли. Примером могут служить производство алкилов свинца в качестве добавок в бензин для автомобилей, а также использование ртути и мышьяка для изготовления ядохимикатов для сельского хозяйства. Весьма большое количество цветных металлов рассеивается в быту, накапливаясь в коммунально-бытовых стоках и твердых отходах. Таким образом, уровни добычи металлов одновременно свидетельствуют об интенсивности загрязнения ими окружающей среды.
   Кроме отраслей промышленности, производящих или использующих металлы, имеются и другие пути их техногенного рассеяния, среди которых особенно важную роль играет сжигание минерального топлива, главным образом каменного угля. С золой и пылью сгорающего каменного угля на протяжении года выбрасываются тысячи тонн металлов.
   Итак, человечество затрачивает колоссальные усилия на то, чтобы извлечь и сконцентрировать металлы, но в конечном итоге они рассеиваются и вовлекаются в природные циклы миграции. Мощные горнодобывающие предприятия добывают железную руду, гигантские индустриальные комбинаты вырабатывают металлическое железо, которое является основой современной промышленности. Одновременно огромное количество металла рассеивается. Около четверти ежегодно выплавляемой стали уничтожается коррозией, теряется при транспортировке и на производстве. Люди борются с этим, возвращая часть испорченного металла на переплавку, но при этом также происходят невосстанавливаемые потери.
   Как указано в главе III, из тропосферы непрерывно осаждаются дисперсные частицы, захваченные ветром с поверхности почвы. Оказавшись в тропосфере, эти частицы играют роль центров конденсации и осаждаясь выводят из тропосферы рассеянные химические элементы, поступающие туда с вулканическими и техногенными выбросами. Чем больше промышленные предприятия выбрасывают в воздух тяжелых металлов в составе дыма и пыли, тем выше концентрация металлов в атмосферных осаждениях, поступающих на поверхность почвы. По причине того, что поверхность почвы беспрестанно подвергается смыву дождевыми и талыми водами, взвеси дисперсных почвенных частиц переносятся плоскостным стоком и затем входят в состав пойменных отложений. Таким образом, илистые отложения речных пойм чувствительно отражают уровни содержания рассеянных металлов в атмосфере. В связи со сказанным большой интерес представляет определение тяжелых металлов в донных отложениях рек и озер, дренирующих районы активной индустриализации. Согласно данным Дж. Мура и С. Рамамурти, концентрация тяжелых металлов в илах Рейна, протекающего через высоко индустриализированные районы Западной Европы, с конца XVIII в. по 1975 г. возросла: хрома – в 9 раз, меди и свинца – в 13, цинка – в 19, ртути – в 50 и кадмия – в 100 раз.
   После активного обсуждения широкой общественностью и научными кругами проблемы развития технического прогресса и роста загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, завершившегося принятием итоговых документов внеочередной сессии ООН в Стокгольме в 1972 г., в странах Западной Европы и США были предприняты энергичные действия, направленные на ограничение загрязнения тяжелыми металлами. Результаты не замедлили сказаться. Уже в начале 80-х годов высокие уровни металлов в донных отложениях рек и озер существенно снизились (рис. 24).

   Рис. 24. Изменение содержания тяжелых металлов в пойменных отложенных низовьев Рейна на протяжении XX в.
   (по данным Дж. Джапенда и В. Саломонса.
   Из А.И. Перельмана и Н.С. Касимова, 1999)

   Однако проблема остается. Если бы выбрасываемые в воздух массы металлов распространялись, как газы, на большое пространство, а затем вымывались из тропосферы дождями и снегом, то их поступление на поверхность всей Мировой суши или даже на поверхность суши Северного полушария не превышало бы пределов природных поступлений, к которым растительные и животные организмы толерантны. Но основная масса металлов индустриальных выбросов выпадает в непосредственной близости от источника эмиссии. В результате живые организмы испытывают импактные (ударные) нагрузки и вокруг предприятия-загрязнителя формируются биогеохимические аномалии.
   Тяжелые металлы являются необходимым компонентом биокатализаторов и регуляторов наиболее важных физиологических процессов. По этой причине сильное повышение их концентрации в окружающей среде в высокоактивном рассеянном состоянии оказывает сильное влияние на живые организмы. В первой программе глобального мониторинга (Р. Манн, 1973) среди 12 наиболее опасных загрязнителей фигурировало три металла: ртуть, свинец и кадмий. Но уже через несколько лет в докладе исполнительного директора Программы ООН по охране окружающей среды (ЮНЕП) за 1980 г. на втором месте (после проблемы СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

в связи с глобальными изменениями климата) рассматривалась опасность загрязнения тяжелыми металлами. Среди металлов-загрязнителей помимо трех указанных выше рассматривались шесть других: марганец, медь, молибден, хром, никель, кобальт. Это свидетельствует о значительности воздействия импактных (ударных) техногенных поступлений металлов и близких им элементов на живые организмы и их сообщества.
   Детальное изучение этого процесса показало, что распространение техногенных масс металлов и любых других загрязнителей очень неравномерно. Вокруг источников загрязнения образуются своеобразные ореолы рассеяния, техногенные геохимические аномалии. Они имеют протяженность от нескольких километров до 30–40 км. От источника загрязнения к периферии концентрация различных загрязнителей в почвах, растительности, снеговом покрове постепенно убывает.
   По состоянию природных комплексов в пределах геохимических аномалий можно выделить две зоны. Первая, непосредственно примыкающая к источнику загрязнения, характеризуется сильным разрушением исходных ландшафтов. В ней часто отсутствует растительность, в значительной мере уничтожен почвенный покров и животные. Во второй, более обширной зоне заметно угнетение, реже исчезновение лишь отдельных составных частей биоты. В периферической части этой зоны природные ландшафты веществ от центра к периферии полностью сохраняются, хотя в их компонентах (почвах, растительности, воздухе, водах) отмечается относительно повышенная концентрация отдельных загрязнителей.
   Вокруг мощного источника загрязнения, каким является крупный медно-никелевый комбинат в Сэдбери (Канада), зона сильного повреждения окружающей среды распространена на 3–5 км. Здесь биота и почва практически уничтожены, из атмосферы ежегодно выпадает меди и никеля в несколько сотен и даже тысяч раз больше по сравнению с глобальным фоном. Содержание никеля в почве по направлению от источника к периферии аномалии убывает очень быстро (в степенной зависимости). Во второй зоне ландшафты сохранились, имеет место лишь нарушение отдельных компонентов. На протяжении этой зоны убывание концентрации в почве происходит постепенно (в линейной зависимости) до уровня местного геохимического фона (рис. 25).

Рис. 25. Крупная техногенная геохимическая аномалия в индустриальном районе Канады. Концентрические линии показывают убывание загрязняющих веществ от центра к периферии (по В.А. Ковде, 1976)

Аналогичная ситуация сложилась на севере Сибири в районе крупного Норильского металлургического комбината, а также на Кольском полуострове в результате деятельности двух медно-никелевых комбинатов. Вокруг них образовались обширные биогеохимические аномалии, в центральной части которых концентрация никеля и меди превышает фоновую более чем в 100 раз. Одна из этих аномалий распространяется на северную часть Норвегии (рис. 26).

Рис. 26. Загрязнение растительности Кольского полуострова медью (1) и никелем (2) (по данным А.В. Евсеева, 1998)

В степных ландшафтах протяженность техногенных геохимических аномалий увеличивается; заводы цветной металлургии сопровождаются ореолами рассеяния свинца, цинка, меди, мышьяка с радиусом от 5 до 20 км. Вокруг крупного Чимкентского свинцово-плавильного завода, расположенного в условиях сухих степей Южного Казахстана, ореол техногенного рассеяния распространяется до 25–30 км. Содержание металлов-загрязнителей от источника к фону убывает в степенной зависимости независимо от того, является металл главным компонентом или примесью в руде (рис. 27).

   Рис. 27. Распределение выпадающих масс металлов на площади импактной биогеохимической аномалии, образованной свинцово-плавильным заводом в г. Чимкент, Казахстан

   Концентрация техногенно рассеиваемых элементов в снежном покрове значительно меньше, чем в почве. По сообщению М.А. Тойкка, вокруг небольшого свинцово-плавильного завода в Тиккурила, расположенного в окрестностях Хельсинки (Финляндия), выделяется зона сильного загрязнения почвы с содержанием свинца в 24 раза больше местного геохимического фона (378-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

% в пахотном горизонте). Ее протяженность около 500 км от завода. Далее до 2 км концентрация металла снижается, но остается в несколько раз больше фоновой. В четырехмесячном покрове снега содержание свинца убывает очень быстро: на расстоянии 100–200 м от завода – 10–47 кг/га, на расстоянии 1 км – 1,1–1,3 кг/га, на расстоянии 2,5–3,5 км – 0,3–0,2 кг/га.
   Размеры аномалий зависят не только от производительности предприятий, но и от многих других факторов: длительности работы производства, технологии и др. Весьма важную роль играет высота источника выбросов в атмосферу. Согласно расчетам М.Е. Берлянда, при высоких дымовых трубах значительная концентрация выбросов создается в приземном слое атмосферы на расстоянии 10–14 Н (Н – высота трубы). Для труб высотой 10–15 м максимальные концентрации в воздухе образуются в непосредственной близости от источника.
   Соотношения концентрации техногенно рассеиваемых металлов в воздухе, атмосферных осадках, растительности и почве сложные. Вокруг свинцово-плавильного завода, расположенного на Дальнем Востоке в условиях умеренного муссонного климата с осадками около 1000 мм/год, зона максимальных концентраций металлов в воздухе распространяется до 2 км от источника (Елпатьевский, 1993). В этой зоне содержание металлов в приземном слое атмосферы в 100—1000 раз выше местного геохимического фона, а в снеге – в 500—1000 раз. От 2 до 4 км располагается вторая зона, где концентрация металлов в воздухе примерно в 10 раз ниже, чем в первой. Намечается третья зона протяженностью от 4 до 10 км, в которой лишь отдельные пробы показывают повышенную концентрацию металлов.
   Первая и вторая зоны загрязнения приземного слоя воздуха совпадают с зонами разрушения природной экогеосистемы и угнетения растительности. Площадь рассеяния металлов в снеговом покрове меньше, чем в атмосфере, но область осаждения продуктов выбросов на листьях деревьев практически совпадает с распространением высоких концентраций в воздухе. На протяжении существования снежного покрова в пределах первой зоны выпало (г/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

): меди – 2,4, цинка – 5,5, свинца – 615, кадмия – 16,6, мышьяка – 18,8. Во второй зоне поступление (г/км -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

): свинца равно 26, цинка – 3, мышьяка – 1,2.
   По мере удаления от источника соотношение разных форм рассеивающихся элементов меняется. В первой зоне водорастворимые формы составляют всего 5—10 %, а основную массу выпадений образуют мелкие пылеватые частицы сульфидов и оксидов. С удалением от завода относительное содержание водорастворимых форм свинца возрастает: на расстоянии 1,5 км от завода оно равно 55 %, а в 4–5 км – 80–90 %. Следовательно, вблизи источника загрязнения осаждается основная часть твердых пылеватых частиц, а водорастворимые формы переносятся дальше и вымываются из атмосферы атмосферными осадками.
   Теоретически техногенные аномалии должны представлять собой систему концентрических окружностей, в которых от центра (источника загрязнения) к периферии убывает концентрация рассеивающегося элемента. В реальных условиях под влиянием преобладающих ветров и режима атмосферных осадков концентричность нарушается, ширина зоны сильно меняется. Движение воздушных масс, переносящих аэрозоли, корректируется рельефом. В силу этого техногенные аномалии тяжелых металлов могут быть вытянутыми и иметь неправильные очертания.
   Конфигурация аномалий еще более усложняется соотношением техногенных поступлений с природными концентрациями одних и тех же элементов. Как показано в главах I–III, в горных породах, почвах и растениях природные концентрации сильно колеблются. Поэтому причина аномалии не всегда может быть решена однозначно.
   В качестве примера рассмотрим геохимические аномалии тяжелых металлов на восточном побережье залива Спенсера, Южная Австралия (рис. 28). Район расположен на прибрежной равнине и остаточном денудационном плато, возвышающемся на 600 м над уровнем моря. Равнина сложена молодыми наносами, в строении плато принимают участие протерозойские кристаллические породы. Плато, вытянутое в виде кряжа в меридиональном направлении, задерживает атмосферные осадки, поступающие с залива. В результате этого на плато выпадает 500–600 мм, а на равнине всего 300–450 мм осадков в год. На равнине распространены суглинистые красно-бурые почвы с рН = 7–8, на плато – каменистые, переполненные обломками коренных кристаллических пород с нейтральной реакцией (рН = 6,0–7,0). Плато, покрытое девственной растительностью, включено в категорию национальных парков.

   Рис. 28. Расположение свинцовоплавильного завода и распределение атмосферных осадков в районе Порт-Пири (по Б. Картрайту и др., 1977)

   На берегу залива в Порт-Пири с 1889 г. действует плавильный завод, который произвел к 1975 г. 9600000 т свинца, 215000 т цинка, 177000 т меди и 1445 т кадмия. Руды завозятся из месторождения Брокен-Хилл, расположенного в 350 км. Завод является единственным в районе индустриальным предприятием и источником загрязнения.
   Группа австралийских геохимиков (Б. Картрайт и др., 1977) изучила содержание металлов в почвенном покрове и установила, что весь район загрязнен ими, причем выделяются две четких геохимических аномалии. Одна из них окружает плавильный завод, другая приурочена к остаточному плато. Техногенное происхождение свинцовых аномалий не вызывает сомнений. В породах, слагающих равнину и плато, концентрация металла не превышает 25–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%, а в пределах аномалии – больше 50–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

% (рис. 29, а), Аномалия вокруг завода образована осаждением из атмосферы продуктов выброса из труб завода и вытянута на юго-восток под воздействием преобладающих ветров. Аномалия свинца, приуроченная к остаточному плато, по-видимому, обусловлена выпадением обильных атмосферных осадков, которые вымывают значительную часть водорастворимых форм свинца из атмосферы.

   Рис. 29. Геохимические аномалии свинца (а) и цинка (б) в районе Порт-Пири
   (по Б. Картрайту и др., 1977)

   Более сложная картина с распределением цинка (рис. 29, б). Его повышенная концентрация в почве вокруг завода, так же как свинца, имеет техногенное происхождение. Более слабая аномалия цинка на плато может быть обусловлена иной причиной. В кристаллических сланцах, слагающих плато, содержание этого металла составляет от 63 до 160-10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%. В почвах на молодых наносах, покрывающих равнину, концентрация цинка равна 16–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%. Следовательно, аномалия, оконтуренная изолинией 20–10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

%, в равной мере может быть обусловлена как техногенным загрязнением, так и природной высокой концентрацией в горных породах.
   Рассеяние металлов осуществляется не только металлургическими и металлообрабатывающими заводами, но также другими промышленными предприятиями. Так как сырье для изготовления фосфорных удобрений содержит примесь меди, цинка, свинца и других элементов, то они рассеиваются вокруг соответствующих заводов. Вокруг цементных заводов образуются аномалии свинца. Хлор-щелочное производство в США сопровождается рассеянием ртути. Крупные тепловые электростанции создают ореолы рассеяния в 10–20 км в поперечнике. Любой, даже небольшой, город служит источником рассеяния металлов. Влияние небольшого города отражается на содержании рассеянных элементов в растительности до 2–3 км.
   Своеобразные техногенные аномалии свинца образуются вдоль автомагистралей. Тетраалкилы свинца добавляются в бензин в качестве антидетонационного средства для повышения КПД двигателей внутреннего сгорания. С выхлопными газами свинец выносится в форме мелких твердых частиц оксидов, хлоридов, фторидов, нитратов, сульфатов и др. Примерно 20 % частиц размером больше 0,005 мм. Они оседают в непосредственной близости к дороге. Более мелкие частицы, содержащие около 60 % выбросов свинца, оседают не так быстро и в пределах относительно широкой полосы. Остальные 20 % захватываются воздушными массами и могут переноситься на более или менее значительные расстояния.
   Концентрация металла в почве зависит от интенсивности движения автотранспорта. Ширина придорожных аномалий в почве сильно варьирует в зависимости от местных условий. До принятия законов о регулировании добавок свинца в бензин в странах Западной Европы концентрация свинца в травах, растущих в зоне загрязнения автомагистралей, составляла 40–50 мкг/г. Наиболее сильно загрязнена растительность на расстоянии до 5—10 м от края дороги и растительность газонов, разделяющих полосы движения на шоссе. Зона более низких концентраций распространяется до 50—100 м от края шоссе, хотя известны случаи и более широких аномалий. На расстоянии 200–300 м содержание свинца, как правило, снижается до уровня местного фона. Имеющиеся данные позволяют заключить, что ширина аномалий в растительности колеблется сильнее, чем в почвенном покрове.
   При изучении концентрации свинца в древесных посадках вдоль дорог установлено, что максимум загрязнения приходится на интервал 1–2 м над уровнем земли, а выше начинает быстро уменьшаться. Таким образом, автотранспортные геохимические аномалии свинца имеют сильно вытянутую и уплощенную форму, ограниченную эллипсоидальной поверхностью шириной 100–200 м и высотой не более 5–8 м.
   Характерная особенность техногенных придорожных геохимических аномалий – динамичность и непостоянство их параметров. В значительной мере это связано с тем, что в образовании этих аномалий важную роль играет атмосферная миграция. В случае смены сухой и дождливой погоды и изменения направления ветра конфигурация аномалии в разное время года может быть неодинаковой. В частности, концентрация свинца на поверхности почвы в условиях интенсивного придорожного загрязнения возрастает от весны к осени. То же самое происходит в растениях на протяжении вегетационного периода. Нарастание концентрации металла в почве и растениях, по-видимому, обусловлено постепенной аккумуляцией высокодисперсных частиц, выбрасываемых с выхлопными газами автомобилей. Под влиянием ветра распределение свинца в растениях по обе стороны шоссе часто несимметричное.
   Приведенные данные свидетельствуют о том, что металлы-загрязнители распределяются в географической оболочке очень неравномерно. Большая их часть выбрасывается в воздух и осаждается вблизи источников загрязнения. Особая роль в геохимии загрязнения принадлежит почвенному покрову. Аккумуляция металлов, мышьяка, сурьмы, селена в самом поверхностном горизонте почвы – характерная особенность техногенного загрязнения. Это обусловлено не только осаждением нерастворимых пылевых частиц на поверхность, но также прочным связыванием водорастворимых соединений с органическими веществами и высокодисперсными минералами почвы. Фиксация техногенно рассеянных металлов настолько прочна, что в почвах старых металлургических районов скандинавских стран и Урала, где давно прекратилась выплавка руд, высокое содержание тяжелых металлов и мышьяка сохраняется до сих пор. Таким образом, почва выступает как активный геохимический экран, задерживающий значительную часть элементов-загрязнителей, лишь небольшая часть которых удаляется с поверхностным и грунтовым стоком за пределы загрязненной территории.
   Города как геохимические аномалии. Самая многочисленная группа антропогенных геохимических аномалий тяжелых металлов связана с возникновением городов. Каждый город представляет собой небольшой, но полностью антропогенно преобразованный участок биосферы. Городские грунты, почвы и растительность искусственно скомбинированы людьми. Вода находится в закрытой сети водопроводных труб, поступая в которые она получает не свойственные исходному природному ландшафту макро-и микропримеси. В городах в той или иной степени аккумулируются все химические элементы, используемые современной техноцивилизацией, в первую очередь – металлы. При этом процесс урбанизации сопровождается не только неуклонным обогащением исходного ландшафта продуктами технологических и бытовых отходов, но и образованием новых, характерных для этого процесса соединений, форм нахождения и парагенетических ассоциаций металлов.
   Не менее сильно изменен состав атмосферы городов, куда поступает основная часть промышленных и строительных выбросов. В качестве показателя, характеризующего интенсивность загрязнения воздушной среды городов может быть использован коэффициент эмиссионной нагрузки, Е, предложенный Н.С. Касимовым и А.И. Перельманом (1991):

   где Р – масса выбросов, т/год; N – число жителей, тыс. чел.
   Используется также показатель пылевой нагрузки, измеряемый в кг/км [9 - – поступление с пылью, содержащей элементы на уровне геохимического фона]-сут. По данным указанных авторов для большей части городов России этот коэффициент составляет 0,1–0,2 т на человека в год, возрастая до 0,3–0,7 т/год в городах с химической и нефтехимической промышленностью, как например, Омск, Тольятти, Уфа, Ярославль, и тяжелым машиностроением (Челябинск, Тула), а в городах с черной и цветной металлургией и тяжелым машиностроением достигает 1–3 (в Липецке, Нижнем Тагиле, Ангарске) и даже превышает 2 т/год на человека как в Череповце и Магнитогорске.
   Наряду с отмеченными различиями геохимия окружающей среды городов имеет общие черты. Проиллюстрируем сказанное на примере урбаногенной геохимии тяжелых металлов. Известно, что для пыли предприятий разных типов промышленности характерны определенные парагенетические ассоциации металлов. Для твердых отходов черной металлургии типична ассоциация Mn-Cr-V, а цветной металлургии Zn-Pb-Cu-Cr-Ni-Co. Для пылей предприятий металлообрабатывающих предприятий характерна ассоциация W-Mo-Mn-Cr-Ni-Co-Cu, химической промышленности Cd-Zn-Co-Mn-As-Cr. В золе теплоэлектростанций имеется широкий набор рассеянных тяжелых металлов, содержащихся на уровне геохимического фона, а строительная пыль со значительной долей цемента отличается повышенным содержанием стронция. В городской пыли все перечисленные особенности интегрируются и отчасти сглаживаются в результате поступления значительного количества продуктов развевания местных почв.
   На графике, характеризующем поступление рассеянных химических элементов с городской пылью (рис. 30), показано, что определяющий вклад в состав пыли внесли деятельность теплоэлектростанций и строительные работы при значительной доли выбросов предприятий металлообрабатывающей промышленности. Таким образом становление любого города и его дальнейшая история сопровождается аккумуляцией рассеянных тяжелых металлов, большая часть массы которых связаны с твердыми высокодисперсными частицами. Эти частицы многократно захватываются ветром, при этом перемешиваются с такими же по размерам частицами местных почв и грунтов, в результате чего происходит гомогенизация городской пыли и ее состава с одновременно происходящим поступлением техногенных рассеянных металлов.

   Рис. 30. Поступление рассеянных элементов с городской пылью

   (по Б.А. Ревичу и др., 1990):

   1 – поступление с пылью с аномальным содержанием элементов; 2 – поступление с пылью, содержащей элементы на уровне геохимического фона

   Геохимическая динамика тяжелых металлов на урбанизированных территориях дополнительно осложняется еще одним обстоятельством, типичном исключительно для городов. Поверхность городских почв почти полностью покрыта асфальтовым покрытием, нарушающим свободный газообмен в системе почва – приземный слой атмосферы и тем самым способствующим дефициту кислорода в почвах и грунтах. В такой обстановке развивается анаэробная микробиологическая деятельность, сопровождаемая продуцированием специфических легко возгоняемых углеводородов, способных образовывать комплексные соединения с рассеянными тяжелыми металлами. Указанные соединения диффундируют в атмосферу, вступают во взаимодействие с ядрами аэрозолей и фиксируются на них.
   Геохимические аномалии городов имеют сложную структуру, в которой на общем урбаногенном фоне выделяются отдельные более интенсивные аномалии, связанные с деятельностью определенных производственных предприятий и с крупными транспортными артериями. В качестве примера может служить структура урбаногенной аномалии одного из городов Украины – Мелитополя, изученной Т.А. Алексеевой. На основании данных о содержании цинка в почвенном покрове и коре деревьев можно считать, что на всей территории города урбаногенный фон в 1,5 раза превышает уровень местного природного геохимического фона. На урбаногенном аномальном фоне выделяются отдельные участки с более высокой концентрацией цинка, обусловленной производственной деятельностью машиностроительных предприятий и тепловой станции. В центре города, где сосредоточена значительная часть промышленных предприятий, локальные аномалии соединяются в более крупную, где концентрация цинка в 2 раза и более превышает уровень урбаногенного фона (рис. 31).

   Рис. 31. Распределение содержания цинка в почве (в) и коре деревьев (б) на территории г. Мелитополя
   (по данным Т.А. Алексеевой, 1996): диапазоны содержания цинка относительно местного геохимического фона 7 – > 30; 2-от 10 до 30; 3-от 3 до 10; 4-от 1,5 до 3; 5-< 1,51 – > 30

   Итак, современные мегаполисы и индустриальные урбанизированные агломерации представляют собой огромные антропогенные геохимические и биогеохимические аномалии. Парадоксальность ситуации заключается в том, что абсолютная и относительная численность городского населения неуклонно возрастает, в то время как эмиссия всех видов отходов индустриальной цивилизации наиболее интенсивно происходит именно в городах. Геохимически аномальная окружающая среда не только отражается на состоянии здоровья населения в настоящем, но будет иметь непредсказуемые последствия для последующих поколений.
   Подводя итог изложенному материалу, можно заключить, что мобилизация огромных масс химических элементов, обусловленная хозяйственной деятельностью человека, пока не нарушает течения глобальных геохимических циклов, поддерживающих целостность географической оболочки. Вместе с тем, некоторые технологические процессы в дальнейшем могут сказаться на общепланетарных процессах. Это относится к искусственному связыванию азота из атмосферы и техногенному продуцированию углекислого газа. Техногенные газы (например, двуокись серы), следуя движению воздушных масс, распространяются на значительные территории. Водная миграция загрязнителей также охватывает большие площади – водосборные бассейны, но сказывается на геохимически подчиненных ландшафтах, преимущественно на конечных звеньях системы геохимического сопряжения. Техногенное рассеяние металлов не столько отражается на общепланетарном загрязнении, сколько поражает ограниченные площади вокруг источника загрязнения. На участках локального загрязнения, в пределах антропогенных геохимических аномалий разного происхождения нарушается стационарность процессов межкомпонентного обмена вещества в элементарных ландшафтах, поражается биота, создаются ситуации, опасные для здоровья населения. Изучение антропогенных геохимических аномалий – актуальная научная и практическая задача.

Контрольные вопросы

   1. Раскройте понятие о техногенезе. Когда и кем был введен в научный лексикон этот термин?
   2. Объясните процесс образования кислотных дождей. Где эти дожди могут иметь место?
   3. В чем опасность антропогенного загрязнения тяжелыми металлами? Перечислите возможные пути загрязнения металлами.
   4. Природные геохимические циклы каких химических элементов наиболее сильно изменились под влиянием сельскохозяйственной деятельности человека?
   5. Каков механизм эвтрофизации малых водоемов?
   6. Какие изменения в природной миграции масс химических элементов происходят при уничтожение лесов?
   7. Перечислите главные источники антропогенного загрязнения тяжелыми металлами.
   8. Приведите примеры техногенных геохимических аномалий.
   9. Напишите формулу коэффициента пылевой нагрузки.

Задания для самостоятельной работы

   1. Рассмотрите проблему глобального антропогенного загрязнения атмосферы оксидом углерода и летучими органическими соединениями. По литературным данным сопоставьте массы СО -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, поступающие из природных и антропогенных источников.
   2. Составьте характеристику строения техногенных геохимических аномалий свинца.
   3. Подготовьте реферат на тему: «Город как сложная многоэлементная геохимическая аномалия».

Заключение

   В XIX в. в науке сложилось представление о строении наружной части нашей планеты как о сочетании стабильных оболочек – твердой, жидкой и газовой. Очевидные различия камня, воды и воздуха, казалось бы свидетельствовали о четком разделении вещества литосферы, гидросферы и атмосферы. Законы классической механики подтверждали справедливость такого разделения. Каждая из оболочек изучалась «своими» науками с особыми подходами, приемами, терминами. Процесс выделения из общего естествознания специальных наук – геологии, гидрологии, метеорологии – невольно отражал представление об особенности объектов изучения каждой науки.
   В то же время были обнаружены факты, указывающие на несомненную взаимосвязь вещества наружных оболочек. Ученые пришли к выводу, что их границы не являются непреодолимыми барьерами, но допускают переход определенных химических соединений из одной оболочки в другую.
   Весь многовековой опыт биологических наук свидетельствовал о том, что живые организмы не локализованы в пределах какой-либо одной оболочки. Они активно проникают в земную кору, населяют Мировой океан, распространяются в воздушное пространство. Следовательно, область распространения проявлений жизни перекрывает границы между литосферой, гидросферой и атмосферой. Но оценка влияния жизни на движение вещества на поверхности Земли могла быть осуществлена только после появления химии как науки. Знаменательно, что первые научные открытия в области химии часто одновременно были открытиями геохимической деятельности живых организмов.
   В конце XVIII в. А. Лавуазье обнаружил явление эквивалентного обмена кислорода и углекислого газа растениями. Полвека спустя один из основоположников химии Ю. Либих точными методами химического анализа изучил состав растений, поедающих их животных, продуктов жизнедеятельности последних и состав почв, на которых произрастали изученные растения. Сопоставив полученные данные, он открыл миграцию химических элементов в системе почва – растения – почва и связал это циклическое движение с циклом углерода в системе атмосфера – растения – атмосфера. В середине XIX в. стал совершенно очевидным биологический круговорот химических элементов. Но проявления жизни казались ученым того времени неизмеримо более слабыми по сравнению с процессами, протекающими в неживой природе. Величественные картины безбрежного океана, в который впадают бесчисленные реки, мощные толщи осадочных отложений породили представления о «большом», геологическом, круговороте вещества в системе суша – океан – суша, в котором принимают участие огромные массы вещества, и о «малом», биологическом, круговороте, происходящем под влиянием жизнедеятельности организмов.
   Из-за недостаточной изученности процессы миграции вещества на поверхности Земли воспринимались упрощенно в виде почти замкнутых круговоротов, в результате которых все возвращается к исходному положению: на место высоких гор после их разрушения приходит море, из осадков которого будут вновь образованы другие горы, а вместо отмершего растения, совершившего свой круг жизни, вырастет новое. И хотя теория эволюции видов была сформулирована Ч. Дарвин ом в 1859 г., идея общей направленности развития наружной части Земли долго не имела необходимого фактического обоснования.
   На грани XIX–XX вв. зародилась геохимия, объектом изучения которой является история атомов, пути их миграции. Этой наукой были выработаны подходы к количественной оценке движения масс химических элементов на поверхности Земли. И все-таки традиционные представления об эфемерности и ничтожности жизни довлели над научной мыслью. На первый взгляд, это подтверждали факты, в частности, весьма незначительная масса живых организмов. Действительно, если массу литосферы и гидросферы принять за 100 %, то первая составляет примерно 95 %, вторая– около 5 %, атмосфера – немногим более 0,01 %, а суммарная масса живых организмов – всего несколько миллионных долей процента. Потребовался гений В.И. Вернадского, чтобы осознать планетарный эффект геохимической работы бесчисленных поколений живых организмов, глубоко преобразовавших исходный состав атмосферы, гидросферы и литосферы.
   Оказалось, что живые организмы, несмотря на незначительную массу, являются мощным фактором геохимической эволюции наружной части нашей планеты. Благодаря большой скорости процессов быстротекущей жизни результаты геохимической деятельности организмов на протяжении одного и того же отрезка времени более значительны, чем многих геологических процессов, поражавших людей своей грандиозностью. Хрупкими и слабыми выглядят растения на фоне мощного вулканического извержения. Но обратимся к цифрам. Все вулканы Земли выбрасывают в атмосферу около 3 млрд т/год твердых продуктов извержений, в которых содержится примерно 150 тыс. т меди. В то же время только на суше растительность ежегодно захватывает этого металла более чем в 10 раз. Все реки мира в течение года сносят с континентов 2,2 млн т фосфора в растворенном состоянии и 16 млн т в составе твердых взвесей. На этой же площади растительность захватывает около 350 млн т этого химического элемента, т. е. в 100 раз больше.
   Примеры, подобные приведенным, позволили В.И. Вернадскому заключить, что геохимическая деятельность живого вещества (т. е. всей планетарной суммы организмов) качественно отличается своей интенсивностью от процессов, совершающихся неживой, косной материей. В силу того, что живое вещество, имеющее ведущее значение в обеспечении движения химических элементов, распространено во всех трех наружных оболочках планеты, они объединяются в единую сферу жизни – биосферу.
   Итак, биосфера – наружная часть Земли, проникнутая многообразными проявлениями жизни, геохимическая деятельность которых связывает твердую, жидкую и газообразную оболочки в общее целое. Живые организмы и окружающая среда в биосфере неразрывно связаны и не мыслимы в отдельности. Организмы функционируют и развиваются применительно к условиям окружающей среды, а последние определенным образом изменяются в результате жизнедеятельности организмов.
   Функционирование биосферы поддерживается циклическими движениями химических элементов. Миграционные циклы имеют разную протяженность. Первые ограничены единичными живыми организмами, вторые совершаются в пределах элементарных ландшафтов, третьи охватывают значительные площади бассейнов стока, четвертые – еще более обширные области циркуляции воздушных масс между океанами и материками. Циклы разных рангов в совокупности обусловливают глобальный обмен веществ во всей биосфере между живым веществом, земной корой, Мировым океаном и атмосферой. Как писал В.И. Вернадский: «…биосфера представляет огромной важности часть организованности планеты. Она определяет и поддерживает атомы Земли, в энергичном непрерывном движении новой формы – в разнообразных миграциях, главным образом в круговых геохимических процессах. Биосфера в этом смысле может быть рассматриваема как своеобразный закономерный механизм» [10 - Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.; Л., 1934. С. 88.].
   При вовлечении химических элементов в тот или иной цикл и в процессе миграции происходит их закономерная сортировка, дифференциация. В определенных условиях одни элементы переходят в подвижное состояние, другие, наоборот, теряют геохимическую подвижность, прекращают миграцию и входят в состав устойчивых образований. Географические и ландшафтно-геохимические условия на поверхности суши весьма разнообразны, что отражается на составе и соотношениях мигрирующих элементов. Такую же пестроту фациально-геохимических условий мы видим в Мировом океане. Разнообразие условий стимулирует эволюцию организмов, которые в силу обратной связи постепенно изменяют исходные условия и преобразуют окружающую среду. В главе V показано, как в результате деятельности живого вещества был сформирован существующий состав атмосферы. Поступление крупных масс кислорода в атмосферу способствовало глубокому изменению состава Мирового океана и создание среды для развития высокоорганизованных форм жизни. В свою очередь развитие живого вещества влекло за собой дальнейшее изменение окружающей среды.
   Характерная особенность миграционных циклов в биосфере – их незамкнутость. Это обеспечивает свободный взаимопереход мигрирующих элементов. Сочетание множества незамкнутых циклов обусловливает замечательное свойство устойчивости природных ландшафтов и всей биосферы в целом: нарушение в ту или иную сторону баланса одного цикла компенсируется за счет других, сопряженных с ним. Так, избыточные массы углекислого газа, поступавшие в биосферу в периоды напряженной тектоно-вулканической деятельности, выводились из миграционных циклов, связываясь в мощные слои карбонатных осадков. Незамкнутость циклов не только способствует саморегулированию биосферы, но и ее развитию. Накопление свободного кислорода, выделяющегося при реакции фотосинтеза, было возможно лишь при систематическом выводе органического вещества из глобального цикла углерода и захоронении его в осадочных толщах.
   Следовательно, наряду с современной биосферой в географической оболочке существуют производные древних биосфер, зафиксированные в толщах осадков, в том числе древних, подвергшихся глубокому метаморфизму, вплоть до гранитизации. В.И. Вернадский предполагал, что вся верхняя часть земной коры континентального типа, так называемый «гранитный» слой, – область былых биосфер.
   Многокомпонентная открытая система биосферы охватывает пространство наружних оболочек всей планеты. Но ученые сознавали, что должны существовать единицы биосферного пространства, элементарные многокомпонентные открытые пространственные системы, в совокупности образующие биосферу. Представители разных наук стремились найти свои критерии для установления этих единиц в пространстве которых можно изучать конкретные проявления взаимодействия между компонентами системы. В геологии было разработано учение о фациях, в геоботанике – о геобиоценозах, в экологии – о экосисиемах, в географии – о ландшафтах.
   Принципы и методы геохимии открыли дополнительные возможности для изучения взаимосвязей между компонентами ландшафтно-геохимических систем. Это ясно видели лидирующие представители той и другой науки. Один из основоположников отечественной геохимии А.Е. Ферсман призывал «рассмотреть геохимические проблемы в чисто географическом разрезе» [11 - Ферсман А.Е. Геохимия. Т. 1. Л., 1934. С. 35.], выдающийся географ К.К. Марков считал геохимическое направление «одним из главных в географических исследованиях» [12 - Марков К.К. Два очерка о географии. М., 1978. С. 40.]. Представление о современной биосфере хорошо согласуется с понятием о ландшафтной оболочке, а, приняв во внимание остатки былых биосфер, мы расширим это представление до границ географической оболочки. Количественные геохимические показатели могут использоваться для изучения внутри-и межландшафтных связей разного ранга, для уточнения сложных вопросов классификации природно-территориальных комплексов. Данные геохимии способствуют решению многих практических задач, над которыми работают географы.

Литература

   Авессаломова И.А. Экологическая оценка ландшафтов. М., 1992.
   Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М., 2000.
   Беус А.А., Грабовская Л.Н., Тихонова Н.В. Геохимия окружающей среды. М., 1976.
   Биогеохимия океана / Под ред. А.С. Монина и А.П. Лисицина. М., 1983.
   Вернадский В.И. Очерки геохимии. Труды по геохимии. М., 1994.
   Виноградов А.П. Введение в геохимию океана. М., 1967.
   Войткевич Г.В., Бессонов О.А. Химическая эволюция Земли. М., 1986.
   Глазовская М.А. Геохимические основы типологии и методики исследования природных ландшафтов. Смоленск, 2002.
   Добровольский В.В. Атомы в ландшафтах. М., 1964.
   Добровольский В.В. География микроэлементов. М., 1983.
   Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М., 2003.
   Добровольский В.В. Химия Земли. М., 1989.
   Добродеев О.П., Суетова Г.А. Живое вещество Земли. В кн.: проблемы общей физической географии и палеогеографии. М., 1976.
   Елпатьевский П.В. Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных геосистемах. М., 1993.
   Заварзин Г.А. Бактерии и состав биосферы. М., 1984.
   Мейсон Б. Основы геохимии / Пер. с англ. М., 1971.
   Перельман А.И. Геохимия. М., 1979.
   Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М., 2000.
   Петров К.М. Общая экология. СПб., 1998.
   Ронов А.Б. Осадочная оболочка Земли. М., 1980.
   СиборгГ.Т., Вэленс Э.Г. Элементы Вселенной / Пер. с англ. под ред. А.П. Виноградова. М., 1962.
   ФерсманА.Е. Занимательная геохимия. М.; Л., 1948.

Всеволод Всеволодович Добровольский Геохимическое землеведение: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «География»

Предисловие

Глава I ПЛАНЕТАРНАЯ ГЕОХИМИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Средний химический состав земной коры и понятие о кларках

Образование и распространение химических элементов

Главные и рассеянные химические элементы

Геохимическая неоднородность земной коры

Контрольные вопросы

Задания для самостоятельной работы

Глава II СОСТАВ И ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ГИДРОСФЕРЫ

Кларки Мирового океана

Состав речных вод

Трансформация состава речных вод на контакте река – море

Процессы выведения растворенных рассеянных элементов из океана

Контрольные вопросы

Задания для самостоятельной работы

Глава III ГЕОХИМИЯ АТМОСФЕРЫ И ПОНЯТИЕ О ЦИКЛАХ МИГРАЦИИ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ

Массообмен газов и паров в географической оболочке

Атмосфера как дисперсная система и геохимия аэрозолей

Геохимическая неоднородность поверхности суши, образующаяся под действием аэральной миграции химических элементов

Контрольные вопросы

Задания для самостоятельной работы

Глава IV СОСТАВ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА И ГЛОБАЛЬНЫЙ БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Химический состав живого вещества планеты

Микроэлементы

Биологический круговорот химических элементов

Абиогенные предшественники живого вещества

Интенсивность биологического поглощения

Контрольные вопросы

Задания для самостоятельной работы

Глава V РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАСС ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

Геохимическая эволюция географической оболочки и суммарный геохимический эффект жизнедеятельности организмов

Концепция биосферы В.И. Вернадского

Распределение масс и главные миграционные массопотоки химических элементов

Сравнительный анализ распределения масс и геохимических циклов натрия и хлора в географической оболочке

Распределение масс и циклы элементов, поступивших в географическую оболочку в результате дегазации вещества мантии

Распределение масс и циклы элементов, вовлекаемых в миграцию в результате гипергенного преобразования земной коры

Контрольные вопросы

Задания для самостоятельной работы

Глава VI ГЕОХИМИЧЕСКОЕ ЛАНДШАФТОВЕДЕНИЕ

Геохимическая неоднородность географической оболочки и изменение миграционных циклов в разных географических условиях

Элементарный ландшафт и его геохимическая формула

Систематика годовых геохимических циклов в географической оболочке

Контрольные вопросы

Задания для самостоятельной работы

Глава VII ГЕОХИМИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА И ПРОБЛЕМЫ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Человеческое общество как геохимический фактор

Влияние хозяйственной деятельности человеческого общества на геохимические циклы элементов

Металлизация окружающей природной среды

Контрольные вопросы

Задания для самостоятельной работы

Заключение

Литература

Всеволод Всеволодович Добровольский
Геохимическое землеведение: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «География»

Глава I
ПЛАНЕТАРНАЯ ГЕОХИМИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Глава II
СОСТАВ И ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ГИДРОСФЕРЫ

Глава III
ГЕОХИМИЯ АТМОСФЕРЫ И ПОНЯТИЕ О ЦИКЛАХ МИГРАЦИИ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ

Глава IV
СОСТАВ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА И ГЛОБАЛЬНЫЙ БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Глава V
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАСС ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

Глава VI
ГЕОХИМИЧЕСКОЕ ЛАНДШАФТОВЕДЕНИЕ

Глава VII
ГЕОХИМИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА И ПРОБЛЕМЫ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА