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.

---

Полынов создал представление о закономерном геохимическом сопряжении коры выветривания (элювия) и континентальных отложений. Так, например, в сухих степях и пустынях элювий относится ко второй фазе и содержит CaCO3 (обломочная обызвесткованная кора), а в континентальных отложениях накапливаются продукты первой фазы — легкорастворимые хлориды и сульфаты (рис. 13).

Рис. 12. Схема миграции веществ в коре выветривания и континентальных отложениях.

1 — коренная порода; 2 — кора выветривания; континентальные отложения: 3 — делювий; 4 — аллювий; 5 — поступление веществ в кору выветривания из атмосферы (H2O, CO2, O2 и др.); 6 — вынос веществ из коры выветривания поверхностным и подземным стоком; 7 — аккумуляция веществ из грунтовых вод; 8 — аккумуляция легкоподвижных продуктов выветривания и взвешенного материала из поверхностных вод

В таежной зоне элювий в своем развитии достигает третьей фазы и производные аккумуляции имеют глинистый состав.

Кору выветривания изверженных и метаморфических пород Полынов назвал ортоэлювием. Изверженные породы формировались в условиях, отличных от земной поверхности, и поэтому они изменяются особенно сильно. Кора выветривания резко отличается от материнской породы.

Для развития элювия характерна обломочная стадия, которая в горных и аридных районах существует неопределенно долгое время. Производными от ортоэлювия являются ортоделювий, ортопролювий, ортоаллювий и другие континентальные отложения.

Кора выветривания морских осадочных пород называется параэлювием. Изменение осадочных пород при выветривании по сравнению с изверженными породами часто менее значительно. Поэтому кора выветривания не всегда резко отличается от материнских пород (например, при выветривании глин), но все же некоторые типы осадочных пород сильно изменяются на земной поверхности, особенно в условиях влажного климата. Обломочная стадия при выветривании глин отсутствует.

Рис. 13. Обызвесткованный ортоэлювий степей и пустынь и его производные.

1 — коренная изверженная порода; 2 — обызвесткованньй ортоэлювий; 3 — карбонатный делювий. Область аккумуляции легкорастворимых солей: 4 — озерный аллювий — хлоридно-сульфатные аккумуляции; 5 — соленое озеро

Для параэлювия характерны те же геохимические типы коры выветривания, что и для ортоэлювия, однако нередко они отмечены специфическими особенностями. Кроме того, имеются еще и новые геохимические типы: соленосный элювий, элювий гипсоносных пород («гипсовая шляпа») и др. Производными от параэлювия являются параделювий, парааллювий и другие континентальные отложения.

Элювий континентальных отложений именуется неоэлювием. Эти отложения образовались на земной поверхности или в водоемах суши. Поэтому неоэлювий часто выражен неотчетливо, так как континентальные отложения сами являются переотложенными продуктами выветривания и в элювиальных условиях изменяются слабо. Нередко выветривание захватывает только почвенную толщу, и кора выветривания не образуется. Но все же имеются случаи достаточно резкого проявления выветривания, например образование кислой коры на лессовидных суглинках в таежной зоне. При этом суглинки теряют карбонаты и приобретают бурую окраску. Континентальные отложения, производные от неоэлювия, в общем, аналогичны производным от параэлювия. В отдельных случаях можно говорить о неоделювии, неопролювии с особыми геохимическими свойствами (отложения некоторых содовых озер и др.).

В итоге Полынов создал представление о трех циклах формирования коры выветривания — фазах развития элювия и их производных.

1-й цикл Фазы ортоэлювия Производные аккумуляции 1. Обломочная 1. Пластические наносы 2. Обызвесткованная 2. Хлоридно-сульфатная 3. Сиаллитная 3. а) Карбонатная б) Хлоридно-сульфатная 4. Аллитная 4. а) Сиаллитная (аллофановая) б) Карбонатная в) Хлоридно-сульфатная 2-й цикл Фазы параэлювия Производные аккумуляции 1. Обломочная 1. Хлоридно-сульфатная Обломочная карбонатных пород Обызвесткованная 2. Сиаллитная 2. а) Карбонатная Сиаллитная надкарбонатная б) Хлоридно-сульфатная 3. Аллитная (?) 3. а) Сиаллитная б) Карбонатная в) Хлоридно-сульфатная 3-й цикл Формы неоэлювия Производные аккумуляции 1. Рассоленный солонцеватый 1. Усиление хлоридно-сульфатной аккумуляции в пределах хлоридно-сульфатной коры выветривания Рассоленный гипсоносный 2. Выщелоченный надкарбонатный (сиаллитный) 2. Усиление аккумуляции CaCO3 в пределах карбонатной коры выветривания 3. Кислый сиаллитный 3. Усиление аккумуляции кремнеглиноземных и кремнежелезных систем в пределах сиаллитной коры выветривания

До сих пор мы в основном рассматривали явление выноса химических элементов из коры выветривания. Однако в коре выветривания протекают и прямо противоположные процессы аккумуляции веществ, поступающих из атмосферы. Это в первую очередь относится к кислороду воздуха, воде, углекислому газу, а также хлору и сере.

Кора выветривания — это область широкого развития процессов окисления. Например, железо, марганец и сера в изверженных породах в основном находятся в двухвалентной форме Fe2+, Mn2+, S2-, а в коре выветривания, окисляясь, дают соединения Fe3+, Mn4+, S6+(Fe2O3, MnO2, Na2SO4, CaSO4 и т. д.). Не менее характерны для коры выветривания и процессы гидратации — почти все вторичные минералы содержат воду (гидратную, кристаллизационную и др.), в то время как в большей части первичных минералов ее нет. В районах с засушливым климатом для коры выветривания характерно также образование различных карбонатов, главным образом CaCO3.

Такие химические элементы горных пород, как кальций, натрий, калий, магний, сера и хлор, в процессе выветривания сравнительно легко покидают кристаллические решетки первичных минералов (полевых шпатов, слюд и т. д.) и образуют в коре выветривания простые легко- и труднорастворимые соли (CaCO3, Na2SO4, NaCl и т. д.). Часть атомов этих элементов находится в природных водах в виде простых или комплексных ионов (Na+, Са2+, SO42-, Cl- и т. д.), а часть поглощается организмами и коллоидными системами. В отличие от этих элементов окислы кремния, алюминия, железа, титана и марганца, составляющие 84,11% земной коры, значительно хуже растворимы, в связи с чем содержание их в природных водах, а также в организмах значительно ниже; они образуют меньше растворимых солей. В ходе выветривания эти элементы чаще всего дают богатые водой коллоидные осадки (гели), со временем теряющие часть воды и приобретающие упорядоченную (кристаллическую) структуру. Если кристаллическая структура былых гелей обнаруживается невооруженным глазом или под микроскопом, то они называются метаколлоидами. Поскольку элементов второй группы в земной коре значительно больше, чем первой, преобладающая часть твердых продуктов выветривания находится в коллоидном или метаколлоидном состоянии, а меньшая — в виде простых солей. Некоторые формы коры выветриваний практически не содержат простых солей.

Таким образом, коллоидное и метаколлоидное состояние вещества чрезвычайно характерно для коры выветривания: при интенсивном выветривании почти все твердые составные части коры находятся в коллоидном состоянии или же при своем образовании проходят через коллоидное состояние. Таковы многочисленные глинистые минералы, гидроокислы кремния, железа, алюминия и марганца, гумусовые вещества и др. Впервые в очень яркой форме эту мысль выразил крупный австрийский минералог Ф. Корню. «Подобно коре, окружает земной шар царство гелей», — писал ученый в 1909 г.