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.

---

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.

Применение электронного микроскопа, рентгенографии и других методов изучения вещества позволило разобраться в казавшейся во времена Корню «бесформенной массе минеральных коллоидов», выделить среди них минералы, создать особую отрасль минералогии — коллоидную минералогию, имеющую большое практическое значение.

Большие изменения произошли во взглядах на механизм выветривания силикатов изверженных пород — их превращения в глины. Е. Г. Куковский развивает представление о том, что эти процессы протекают в твердом веществе, в результате диффузии («дрейфа») ионов. Важная роль придается поверхностным явлениям на границе минерал—раствор, в построениях учитываются размеры ионов, строящих кристаллическую решетку глинистых минералов. В решении всех этих сложных и тонких вопросов огромная роль принадлежит кристаллохимии — науке, изучающей положение ионов и атомов в кристалле, их взаимные связи.

Кора выветривания как биокосная система. Биокосная природа коры выветривания выражена менее отчетливо, чем в почвах и илах, но все же и здесь наблюдается деятельность микроорганизмов, которые окисляют сульфиды и органические соединения, поступающие из почвы. Еще в 1903 г. американский ученый Холланд предполагал, что латеритное выветривание горных пород обязано микроорганизмам, что это своеобразная «тропическая болезнь» базальтов и других изверженных пород. Позднее аналогичные идеи высказывал крупный русский минералог ученик Вернадского Я. В. Самойлов (1870—1925).

«Процессы выветривания, в частности, резко выраженные в биосфере, всегда биогенны и биокосны. Микроскопическая жизнь в них играет ведущую роль», — Писал В. И. Вернадский в своей последней работе — «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения», опубликованной в 1905 г. (М., «Наука», с. 155). Как отмечал Б. Б. Полынов, миллионы микроорганизмов были обнаружены в 1 г каолинизированного гранита на глубине 12—17 м от поверхности. Хорошо изучена группа так называемых тионовых бактерий, окисляющих сульфиды металлов.

Профессор Томского политехнического института П. А. Удодов с сотрудниками сделали в последние годы интересное открытие — микроорганизмы были найдены в поровых водах коры выветривания глинистых сланцев нижнего карбона. Кроме известных видов тионовых бактерий открыты и неизвестные науке виды, обладающие высокой геохимической активностью. М. А. Глазовская обнаружила разнообразные микроорганизмы (до 1 млн. в 1 г) в корочках выветривания на скалах Тянь-Шаня на высотах более 4200 м (рис. 14).

Среди микробиологов вопрос о роли микроорганизмов в выветривании, очевидно, первым поставил один из основателей отечественной микробиологии — В. Л. Омелянский (1867—1928). Таким образом, оправдывается известное правило: «новое — это хорошо забытое старое». К сожалению, и в наши дни вопрос о роли микроорганизмов в формировании коры выветривания все еще изучен слабо, и мы чаще делаем заключения из общеметодологических соображений («так должно быть»), чем на основании конкретных исследований. Поэтому можно сказать, что биокосная природа коры выветривания не вызывает сомнений, но конкретная роль микроорганизмов в формировании отдельных видов коры, за немногими исключениями, еще нуждается в изучении.

Кроме основного биологического агента — микроорганизмов в коре выветривания имеются и макроорганизмы, как, например, различные землерои — сурки и др. Следы их нор в виде так называемых кротовин часто обнаруживаются глубоко под почвой. Недаром известный геолог Г. Ф. Мирчинк называл сурка-тарбагана «лучшим геологом Забайкалья», так как в местах тарбаганьих нор на поверхность вынесены образцы горных пород с глубины в несколько метров (значительно глубже каштановой почвы).

Меньшая биогенность коры выветривания по сравнению с почвами и илами определяет и меньшее ее разнообразие. Это выявилось особенно наглядно при сравнении зональности почв и коры выветривания. Еще Г. Н. Высоцкий и другие ученики Докучаева установили, что кора выветривания и континентальные отложения в своем распространении подчиняются закону зональности. Однако эти зоны не соответствуют зонам почв — они значительно шире. Например, все степи и пустыни относятся к одной зоне коры выветривания, хотя на этой территории и умещаются четыре почвенные зоны. Поэтому на изверженных породах и под черноземной, и под каштановой, и под сероземной почвами образуется одна и та же кора выветривания — обломочная обызвесткованная.

Рис. 14. Гидраты окислов железа (а), диатомовые водоросли и фитолитарии (б) в корочках выветривания на скалах в высокогорьях Тянь-Шаня.

Хорошо видна органогенная структура этих образований (по М. А. Глазовской, 1953)

Кора выветривания не только более однообразна по сравнению с почвами и илами (беднее информацией), она также содержит меньше свободной энергии, т. е. менее неравновесна.

Как и почва, кора выветривания имеет определенный профиль, т. е. состоит из горизонтов различного минерального и химического состава. Эти различия могут быть достаточно большими. Так, например, довольно распространена кора выветривания, верхние горизонты которой характеризуются кислой, а нижние — слабощелочной реакцией.

Используя принцип централизации и вводя понятие о центре коры выветривания, за основу геохимической классификации автор принял особенности наиболее выветрелого горизонта (центра). Таким горизонтом является верхняя подпочвенная часть элювия. Книзу процессы выветривания затухают, и самые нижние горизонты элювия обычно изменены слабо, представляя собой те или иные варианты обломочной коры. Это нашло отражение и в тех наименованиях, которые установились в геологии и геохимии: латеритная, каолиновая и другие коры. Они получили названия по химико-минеральному составу верхнего горизонта (нижние горизонты латеритной и каолиновой коры часто имеют гидрослюдистый состав).

Мощность верхнего (подпочвенного) горизонта, определяющего геохимический тип коры, может быть самой различной — от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров (во влажных тропиках).

Кора выветривания — преимущественно трехфазная система (твердая+жидкая+газообразная), и поэтому в ее верхней части господствует окислительная среда. В районах влажного климата и затрудненного дренажа в нижней части коры развивается оглеение, в коре формируется окислительно-восстановительная зональность. Известны случаи, когда глеевый горизонт располагается непосредственно под почвой, когда в нижних горизонтах развивается восстановительная сероводородная среда и кора приобретает черный цвет за счет сульфидов железа. Все это позволяет при систематике коры выветривания выделить уже известные нам ряды: окислительный и глеевый, а для нижних горизонтов коры — и сероводородный (сульфидный).

Возможно, что ряды следует разделять на типы по гидротермическим условиям (коры выветривания холодного, умеренного, жаркого поясов и т. д.). Так как этот вопрос нуждается в дополнительной проработке, в дальнейшем в пределах рядов рассматриваются лишь классы. Выделяя классы коры выветривания по содержанию в ней наиболее подвижных компонентов, не следует забывать, что она содержит и другие, менее подвижные компоненты, геохимическое значение которых не столь велико. Например, хлоридно-сульфатный элювий почти всегда содержит карбонаты и, как правило, силикатную часть, которая преобладает по массе и т. д. Здесь мы сталкиваемся с уже известной нам закономерностью: более подвижный компонент как бы снижает, нейтрализует действие менее подвижного, геохимическая роль которого может сказаться только после удаления более подвижной части.

Классы коры выветривания, в общем, аналогичны классам почв и илов.

Кора выветривания первого ряда с окислительной обстановкой. Она широко распространена, хорошо изучена и наиболее разнообразна.

Сернокислый класс возникает при выветривании пород, богатых дисульфидами (в первую очередь пиритом). Окисление этих минералов, в котором участвуют особые тионовые бактерии, приводит к появлению свободной серной кислоты, понижению pH до 1—2. Начинается сернокислое выветривание, легкая миграция многих металлов, особенно железа, цинка, кадмия и др. Этот тип коры выветривания лучше всего изучен на рудных месторождениях, содержащих сульфиды; он получил наименование «зона окисления сульфидных месторождений». Яркоокрашенные пестрые зоны окисления с характерным комплексом вторичных минералов железа, меди, свинца, цинка и прочих металлов резко отличаются от других классов коры выветривания и служат важным признаком при поисках рудных месторождений.