Текст книги "Геохимическое землеведение: учебное пособие"

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 8,5-10⁹ т, в фотосинтезирующих организмах океана серы – 0,07–10⁹ т, в организмах-консументах – 0,09–10⁹ 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 25–10⁹ т.

Своеобразие глобального цикла серы в географической оболочке обусловлено способностью этого элемента под влиянием микробиологической деятельности образовывать газообразные соединения (SO₂, H₂S) 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 48–10⁶ т/год серы. Одна часть ее в виде не до конца окисленных газов типа SO₂ захватывается водой (25–10⁶ т), другая часть (23–10⁶ 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 0,31–10⁹ т/год серы в разных формах, в том числе в форме H₂S и SO₂, которые полностью окисляются, и 0,28–10⁹ т/год сульфатной серы выпадает с атмосферными осадками на поверхность Мирового океана, а 0,03–10⁹ т/год переносится с воздушными массами на сушу.

Почвенные микроорганизмы на континентах выделяют в атмосферу в виде газов 58–10⁶ т серы, из которых, по данным Дж. П. Френда, 15–10⁶ т захватывается растительностью, а оставшиеся 43–10⁶ т серы окисляются в атмосфере до сульфата. Это количество вместе с принесенными с океана 30–10⁶ 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 590-10⁶ т на суше и свыше 1300-10⁶ 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 160-10⁶ 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 60–10⁶ 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 10–10¹⁵ 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: Н₂О – 1600-10¹⁶ т, углерода – 96–10¹⁵ т, хлора – 33–10¹⁵ т, серы – 10,5-10¹⁵ т, азота – 4,5-10¹⁵ 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 СО₂ 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^-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 Са²+ 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(НСО₃)₂, 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) – 10⁹ т. Это количество на три математических порядка больше по сравнению с массой кальция, находящейся в составе фотосинтезирующих организмов океана (34–10⁶ 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 [НСО₃] – и [СО₃]^2-в океанической воде, в океане содержится огромная масса растворенных катионов кальция. Средняя концентрация кальция в океане 408 мг/л, общая масса 559-10¹² 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) – 10⁹ т/год, кальция, в среднем 2,3-10⁹ 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 3,4-10⁹ т. С континентальным стоком выносится в форме катионов Ca²+ несколько более 0,5-10⁹ т/год. Значительное, хотя и меньшее количество удаляется с твердым стоком – 0,47–10⁹ 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 0,51–10⁹ т/год. Кроме того, с поверхности суши в океан с ветровой пылью выносится 0,048-10⁹ 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 160-10⁶ т кальция. Общая масса кальция, поступающая на протяжении года из океана в атмосферу, с учетом 20 % «сухих осаждений» составляет около 197-10⁶ т. Примерно 20–10⁶ 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 39–10⁶ т. С учетом 20 % на «сухое» осаждение (68–10⁶ т) общая масса кальция, участвующая в годовом обмене суша – атмосфера, составляет примерно 400-10⁶ 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 К₂О – 2,89 %, а общая масса калия – 197,5-10¹⁵ 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 25–10⁹ 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) – 10⁹ 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 530190-10⁹ т элемента в форме растворенных ионов. Во всей толще осадочных пород содержится 3 8 2 0 0 0 00–10⁹ 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 1,8-10⁹ т калия. В океане через многократно возобновляемую массу фотосинтезирующих организмов проходит около 1,27–10⁹ 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 60–10⁶ т свободных ионов калия. Значительно большая масса элемента переносится в составе дисперсных, преимущественно глинистых, частиц в форме взвесей – около 2 8 3-10⁶ 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 65–10⁶ т калия. Вместе с 20 % «сухого осаждения» это составляет 78–10⁶ т калия, ежегодно вовлекаемых в обмен между океаном и атмосферой. Из этого количества около 0,005-10⁹ т переносится на сушу.

Концентрация ионов калия в континентальных атмосферных осадках в среднем близка к 0,7 мг/л, что составляет 0,05–10⁹ т элемента. С учетом 20 % «сухого осаждения» (0,01–10⁹ т) в атмосферу с суши захватывается около 0,06–10⁹ т ионов калия, а выпадает несколько больше за счет переноса океанических масс – 0,065-10⁹ 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 0,043-10⁹ 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 SiO₂ составляет 63,08 %, что соответствует 2427,5-10¹⁵ 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 12,5-10⁹ т и 0,17–10⁹ т. В биологический круговорот на суше ежегодно захватывается 0,86–10⁹ т, в океане – 0,80–10⁹ 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 50–10⁹ т.

В природных водах элемент присутствует в виде нейтрального гидрата Si(OH)₄, в меньшем количестве в виде анионов типа Si[(OH)₃O] —. Для его водной миграции характерно преобладающее движение от суши к океану, которое не компенсируется в обратном направлении. С континентальным стоком выносится 0,2-10⁹ т/год растворимых соединений кремния, а в океане их масса составляет 4110-10⁹ 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 5-10⁹ т/год или несколько больше. С ветровым выносом суша теряет в год около 0,47–10⁹ 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 % SiO₂, что соответствует количеству кремния 493,6-10¹⁵ 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 6,33–10¹⁵ 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 5-10⁹ т фосфора, в биомассе фотосинтезирую-щих организмов океана – (0,03—0,04) – 10⁹ т – всего 0,077-10⁹ т. Значительная часть элемента сохраняется в органическом веществе педосферы, в котором средняя концентрация фосфора около 0,15 %, а масса близка к 7-10⁹ т.

Огромное количество фосфора растворено в Мировом океане, где элемент находится в виде анионов типа РО₄^3-, НРО₄^2-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 1,311-10¹⁵ т элемента. Суммарное количество фосфора в осадочной толще и «гранитном» слое континентов равно 7-10¹⁵ 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 350-10⁶ т фосфора, в настоящее время – 345-10⁶ т. В океане через биологический круговорот фотосинтезирующих организмов на протяжении года проходит около 1,2-10⁹ 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 1-10⁶ 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 2-10⁶ 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 21–10⁶ 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) – 10⁶ т. В осадочной толще аккумулировано около 1,3-10¹⁵ 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^-5% от всего количества, затем кальций – 16,5-10^-5%, калий – 6,5-10^-5%, меньше натрий – 0,7-10^-5%, 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.