Александр Перельман - Биокосные системы Земли

• Название: Биокосные системы Земли
• Автор: Александр Перельман
• Издательство: Наука
• Жанр: Экология
• Год: 1977

Живые организмы и неорганическая (косная) материя на Земле тесно связаны между собой и образуют в совокупности различные сложные природные системы, которые В. И. Вернадский назвал биокосными. В книге биокосные системы рассмотрены с позиций геохимии.

Характеризуя почвы, подземные воды, биосферу и другие биокосные системы, автор рассказывает не только о том, как перемещаются атомы в этих системах, но и как происходит при этом превращение энергии, изменение информации. В последнее десятилетие изучение биокосных систем приобрело особенно большое значение в связи с проблемой охраны природы и загрязнения окружающей среды. Этим вопросам также уделено внимание.

---

Классы илов. Эта таксономическая единица выделяется на основе представлений о типоморфных элементах и ионах, т. е. так же как геохимические классы почв (см. табл. 1). Основное значение здесь имеют щелочно-кислотные условия илов, в связи с чем в каждом ряду можно выделить: 1) сильнокислые, 2) кислые и слабокислые, 3) нейтральные и слабощелочные, 4) сильнощелочные (содовые) илы. По солености выделяются маломинерализованные (кальциевые) и сильноминерализованные соленосные (натриевые) илы.

Распространение рядов и классов озерных и речных илов СССР показано на схематической карте (типы илов не выделены). В озерах преобладают глеевые и сульфидные илы, в реках — окислительные (рис. 8). Рассмотрим несколько примеров.

Илы глеевого ряда особенно характерны для озер тундры и тайги. Здесь господствуют слабокислые и нейтральные глеевые илы. Тундровые и лесные озера богаты жизнью. В них для окисления остатков растений и животных не хватает кислорода. В результате разложение органических веществ замедляется, чему способствует и холодный климат. Постепенно на дне озера накапливается сапропель. Он богат органическими соединениями (в тихих лесных озерах — до 99%), среди которых обнаружены белки, витамины (например, В12) и другие биологически активные вещества. Образование сапропеля в северной половине европейской части СССР началось после отступления ледника, т. е. более 10 000 лет назад (местами намного раньше). За это время накопился слой ила мощностью в несколько метров (максимум до 30). Сапропель представляет большую хозяйственную ценность как прекрасное местное удобрение для полей, подкормка для свиней и других домашних животных, наконец, лечебная грязь. На берегах некоторых озер с сапропелем организованы бальнеологические лечебницы.

Вместе с тем за счет накопления сапропеля происходит заиливание некоторых озер, вода их становится непригодной для водоснабжения. Поэтому очень выгодно использование сапропеля в народном хозяйстве, так как одновременно производится очистка озер. Запасы сапропеля в озерах лесной зоны очень велики. Его использование — хороший пример мобилизации внутренних ресурсов ландшафта для улучшения окружающей среды.

Среди нейтральных и слабощелочных глеевых илов преобладают карбонатные илы. Они особенно характерны для лесостепной и северной частей степной зоны. В таежной и тундровой зонах карбонатные глеевые илы образуются на участках развития известняков, доломитов, карбонатной морены и других пород, содержащих карбонаты. Это илы озер Заонежья, районов развития пермских красноцветов Приуралья и т. д. Подобные «карбонатные сапропели» еще более ценны в хозяйственном отношении, чем ранее описанные.

Рис. 8. Геохимические ряды и классы илов.

1 — окислительные, реже глеевые илы (нейтральные, слабокислые); 2 — окислительные и глеевые илы (кислые, нейтральные); 3 — окислительные и глеевые илы (нейтральные и слабощелочные); 4 — глеевые, реже окислительные илы (кислые, нейтральные); 5 — глеевые, реже окислительные и сульфидные илы (содовые, нейтральные, слабощелочные); 6 — сульфидные илы (нейтральные и слабощелочные), реже окислительные и глеевые

Сероводородные (сульфидные) илы распространены в соленых и солоноватых озерах степей и пустынь. Содержание органических веществ в сульфидных илах различное, местами очень небольшое, но его все же достаточно для восстановления сульфатов иловой воды, образования H2S и его производного — гидротроилита. Илы имеют черный цвет (цвет гидротроилита). Сульфидные илы представляют большую ценность в бальнеологическом отношении (их свойства те же, что и черных соленых грязей солончаков). Именно черные сульфидные, богатые органическими веществами илы составили славу Сакского озера в Крыму (около Евпатории), Одесских лиманов, Тамбуканского озера под Пятигорском и многих других знаменитых грязевых курортов.

Загадки ископаемых илов. Большинство осадочных горных пород образовалось из былых озерных, морских и речных илов. Изучая породы, нетрудно восстановить и облик исходных илов. Как правило, это те же илы, что и известные нам по современным водоемам. Однако в древних водоемах были и неизвестные в нашу эпоху («вымершие») илы.

Особенно интересны в этом отношении черные металлоносные углеродистые сланцы венд-нижнепалеозойского возраста (680—410 млн. лет назад). Черным цветом сланцы обязаны органическим соединениям и графиту, сланцы содержат пирит. Исходные морские илы, несомненно, относились к сульфидному ряду, и в них развивалась десульфуризация, продуцировался сероводород. В дальнейшем илы преобразовались в черные глины, а эти последние при процессах горообразования были метаморфизованы и превращены в сланцы. В отличие от современных сульфидных илов сланцы значительно обогащены никелем, ванадием, молибденом, ураном, серебром, медью, свинцом и другими металлами. Правда, содержания металлов не столь велики, как в рудных месторождениях, и обычно не превышают 0,01%, но все же в 10 раз и более выше, чем в обычных морских глинах.

Черные металлоносные сланцы широко распространены на материках, и суммарные запасы металлов в них громадны. Поэтому нетрудно предположить, что человечество, исчерпав запасы богатых руд, приступит к эксплуатации сланцев. Недаром наш крупнейший специалист по рудным месторождениям С. С. Смирнов (1895—1947) называл сланцы рудами будущего.

Но в чем же заключается загадка черных сланцев, если установлено, что морские илы формировались в сероводородной среде? Ведь такие илы известны и в современных морях. Неясен до сих пор источник редких металлов, хотя кое-что ученым удалось установить. Изучая сланцы, многие исследователи пришли к выводу, что накопление осадков в морях прошлого происходило очень медленно, значительно медленнее, чем накопление обычных глинистых илов. Например, американский геолог В. Мак-Келви полагает, что исходный материал черных сланцев накапливался со скоростью 1 м за 600 тыс.—3 млн. лет, а обычных морских глин — 1 м за 2 тыс. лет. Рудные элементы, возможно, приносились с прилегающей суши или поставлялись подводными вулканами.

Интересно, что и после нижнего палеозоя в морях осаждались металлоносные илы, например в верхнепермских морях Западной Европы (тип «мансфельдских сланцев»), миоценовых морях США и т. д. Однако распространение их было значительно менее широким и в целом после силура (около 400 млн. лет назад) накопление металлоносных илов в морях уменьшалось.

С изучением черных сланцев связана еще одна важная научная проблема. Как полагает член-корр. АН СССР А. И. Тугаринов, такие сланцы в ходе дальнейшей истории местами подвергались воздействию магматических процессов, и металлы из них переходили в горячие газоводные растворы. Поднимаясь к земной поверхности, эти растворы отлагали в трещинах земной коры богатые металлические руды.

Так, по Тугаринову, могли образоваться рудные гидротермальные месторождения в местах, где раньше были широко распространены черные металлоносные сланцы.

Немало загадок таят в себе и красноцветные осадочные породы, цвет которых обусловлен тонкими пленками окислов и гидроокислов железа, облекающих, как рубашкой, глинистые, пылеватые и песчаные частицы. Геологические исследования показали, что красноцветы формировались в условиях сухого климата и представляют собой преимущественно осадки былых озер, речных долин, склонов.

Возраст этих пород очень различен. Известны красноцветы, образовавшиеся более 1 млрд. лет назад, но есть и «совсем молодые», неогеновые красноцветы, с возрастом в несколько миллионов лет. Неизвестны только современные красноцветы: в четвертичном периоде, начавшемся около 1 млн. лет назад, накопление красноцветов прекратилось. Как и черные сланцы, красноцветы — это вымершие породы.

Красный цвет пород говорит о том, что они образовались из красноцветных илов с окислительной средой. Очевидно, в водоемах было мало живых организмов, так как в противном случае их остатки привели бы к развитию восстановительной обстановки в илах. Действительно, в красноцветных породах обычно находят мало следов растительных и животных организмов. Многие красноцветные илы осаждались в содовых озерах. Это, например, было доказано нашими исследованиями в Каракумах, где осадки неогеновых озер содержат минерал доломит и имеют другие признаки былого содового состава вод.

Аналогичны наблюдения и по другим районам распространения красноцветов — неогеновым красноцветам Казахстана, пермским — Приуралья (в Приуралье в красноцветах был даже обнаружен минерал термонатрит — Na2CO3H2O, являющийся прямым признаком содовой среды).

В физической химии доказывается, что, чем щелочнее среда, тем труднее восстанавливаются химические элементы, в том числе и трехвалентное железо. Поэтому содовый состав озерной воды должен был затруднять восстановление железа, способствовать сохранению окислительной среды в илах. С другой стороны, сильнощелочная среда, вероятно, не благоприятствовала жизни, в связи с чем содовые озера неогена были бедны организмами. Все это могло благоприятствовать сохранению окислительной среды, накоплению в озерах красноцветных илов.