Текст книги "Геохимическое землеведение: учебное пособие"

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 м³ 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/км². Согласно подсчетам М.Е. Берлянда (1975), на территории России вне городов с атмосферными осадками в разных районах поступает от 5 до 15 т/км² 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/км². Поступление солей из атмосферы в среднем равно в лесных ландшафтах 7—11 т/км², в степных до 17–18 т/км², в сильно засушливых повышается до 22 т/км². Особенно велико поступление солей в прибрежных районах, где оно, по данным американского геофизика Р.Д. Кэдла (1976), достигает 340 и даже 470 т/км² 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/км²), 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/км² 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_а). 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 2,5-10¹² 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 4,2-10¹² 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) – 6,25–10¹² т; содержание абсолютно сухого органического вещества – 40 % от живой биомассы; суммарная масса сухого вещества планеты – 2,5-10¹² т; средняя зольность – 5 % от массы сухого органического вещества; суммарное количество золы в живом веществе планеты – 0,125-10¹² 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^-5—10^-6% 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]5
  Тироксин – гормон щитовидной железы человека.


[Закрыть] 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 B₁₂, марганец входит в витамин С, цинк и марганец – в витамин В₁ 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 СО₂. 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 172,5-10⁹ 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 км²) и на 1 км².

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—10⁹ 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 3,4-10⁹ 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.