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.

---

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.

Сернокислые коры образуются также при выветривании пиритизированных глин и сланцев, серных руд. В Центральных Каракумах, в районе Серных Бугров, А. Е. Ферсман в 1925 г. обнаружил свободную серную кислоту, заполняющую поры в песчаниках. Это открытие произошло при разборе каракумской коллекции в Ленинграде, когда выяснилось, что оберточная бумага, в которую были завернуты образцы сероносных песчаников, обуглена: ее разъела свободная серная кислота, продукт окисления серы:

2S + 2Н2O + 3O2 → 2H2SO4.

Распространение сернокислой коры выветривания определяется размещением сульфидных руд и пород. Роль климата второстепенна, так как и во влажных тропиках, и в пустыне окисление сульфидов приводит к образованию серной кислоты. Во влажных тропиках этот тип коры резко отличается от латеритов, в пустыне — от карбонатной коры выветривания. Но все же и климат оказывает значительное влияние на сернокислую кору выветривания, так как формирование зоны окисления в тундре, влажных тропиках, степях и пустынях различно. Следовательно, данный класс коры выветривания подчиняется закону зональности, но этот закон действует на фоне более общих закономерностей, определяющих распространение сульфидных пород и руд. Такой общей закономерностью является распределение складчатых поясов, к которым приурочена подавляющая часть сульфидных рудных месторождений.

Рис. 15. Геохимические классы современной коры выветривания.

А — кора выветривания окислительного ряда: 1 — кислая, преимущественно гидрослюдистая; 2 — кислая каолинитовая и галлуазитовая (влажных субтропиков); 3 — кальциевая кора (карбонатная и бескарбонатная); 4 — хлоридно-сульфатная кора;

Б — кора выветривания глеевого ряда и комплексы глеевой и окислительной коры: 5 — кислая и нейтральная глеевая кора; 6 — кислая глеевая и кислая кора; 7 — карбонатная глеевая и карбонатная коры; 8 — кора выветривания в условиях засоления—рассоления (карбонатные, гипсовые, хлоридно-сульфатные, солонцовые в сочетании с глеевыми)

Кислый класс коры выветривания формируется в условиях влажного климата и сквозного промачивания. Богатый растительный покров в этом случае определяет энергичное поступление в кору из почвы углекислого газа, гумусовых кислот и других продуктов разложения растительных остатков. Количество катионов в грунтовом растворе недостаточно для нейтрализации этих кислых продуктов, в результате чего реакция вод сохраняется кислой и разложение минералов происходит в кислой среде. Это определяет вынос большинства металлов и замещение водородным ионом обменных катионов в поглощающем комплексе.

В кислой коре выветривания протекает глинообразование (каолинит, галлуазит, гидрослюды и т. д.). Кислый ортоэлювий характерен для большей части Урала, Балтийского щита, гор Дальнего Востока и многих районов Кавказа, Крыма, гор Южной Сибири. На севере Русской платформы преобладает кислый неоэлювий — продукт выветривания морены и других ледниковых отложений. Наиболее энергично кислое выветривание во влажных субтропиках Аджарии и Талыша; слабее оно протекает во влажном умеренном климате, например на Русской равнине, в Карпатах и еще слабее в холодном климате горных хребтов Севера (рис. 15).

Размещение кислой коры выветривания подчиняется климатической зональности, которая в значительной степени нивелирует роль пород. При длительном выветривании и на гранитах, и на базальтах, и на силикатных осадочных породах, и даже на известняках появляются в общем, сходные образования. Даже зона окисления сульфидов при длительном протекании процесса в условиях влажного климата и глубокого выщелачивания может в геохимическом отношении приблизиться к кислой коре выветривания силикатных пород. Однако на ранних стадиях развития кислой коры выветривания роль горных пород выявляется более отчетливо и, например, коры на гранитах и базальтах различаются достаточно резко. На известняках во влажном климате на первых стадиях выветривания образуется не кислая, а карбонатная кора.

Таким образом, в районах влажного климата зональность не единственная закономерность размещения коры выветривания: наряду с преобладающим кислым классом здесь встречается карбонатная кора выветривания (на известняках) и сернокислая кора (на участках развития сульфидных пород и руд). Следовательно, в размещении коры выветривания зональность выражена менее отчетливо, чем в размещении почв.

Рассмотрим образование коры выветривания в условиях влажного и жаркого тропического климата (рис. 16). Благодаря изобилию тепла и влаги процессы разложения и промывания пород здесь идут исключительно интенсивно. Изучение этого процесса в Гвинейской Республике привело советского геохимика С. Л. Шварцева к выводу, что важнейшую роль в выветривании играет угольная кислота, образующаяся при разложении растительных остатков (создается кислая и слабокислая среда с рН = 3,5—6,5). В результате почти все первичные минералы разрушаются, продукты их выветривания частично выносятся, кора выветривания обедняется подвижными элементами (кальций, магний, натрий, калий, кремний) и относительно обогащается слабоподвижными (железо, алюминий, титан).

Особенно велико накопление железа при выветривании ультраосновных пород (перидотиты и др.), богатых этим элементом. Местами кора выветривания используется в качестве хорошей железной руды. Таковы, например, железорудные месторождения острова Кубы, где кора выветривания имеет мощность от 5 до 25 м. На породах, бедных железом, но богатых алюминием (например, сиенитах), продукты выветривания особенно обогащаются гидроокислами алюминия, представляющими собой ценную алюминиевую руду (элювиальные бокситы).

Рис. 10. Профиль коры выветривания в ландшафтах влажных тропиков (в основе схема M. А. Глазовской с дополнениями автора)

В низах коры выветривания концентрируются некоторые подвижные элементы, вынесенные из верхних горизонтов. При выветривании ультраосновных пород, обычно несколько обогащенных никелем, последний концентрируется в нижних горизонтах коры, что приводит к образованию «силикатных руд никеля». С этими процессами, протекавшими в прошлые геологические эпохи, связаны никелевые месторождения древней коры выветривания Урала, Казахстана, Марокко.

На гранитах во влажных тропиках кора выветривания содержит много каолинита — продукта выветривания полевых шпатов (каолиновая кора).

Иной минеральный состав имеет кислая кора выветривания в условиях влажного умеренного пояса, например в таежной зоне. Однако есть и общие черты, присущие всем формам кислой коры выветривания, — она не содержит сколько-нибудь заметного количества легкорастворимых солей и CaCO3, бедна катионами, особенно кальцием для нее характерна высокая миграционная способность многих элементов. Типоморфный ион — Н+.

Карбонатный (кальциевый) класс коры выветривания широко распространен в степях и пустынях, т. е. в районах сухого климата. Во влажном климате эта кора характерна для первых стадий выветривания известняков,

В условиях сухого климата процессы выветривания проникают неглубоко и кора выветривания имеет малую мощность. При выветривании скальных пород, например базальтов, кора представлена обломками пород, покрытыми корочкой углекислого кальция (обломочная обызвесткованная кора).

Наиболее подвижным и накапливающимся мигрантом здесь будет кальций, входящий в состав углекислой извести, а также в виде обменного катиона в поглощающий комплекс. Это богатство коры углекислой известью определяет ее слабощелочную реакцию, низкую миграционную способность железа и гумуса. Кальций является типоморфным элементом, хотя он и не преобладает по массе.

Карбонатный обломочный ортоэлювий скальных пород широко распространен в горных районах с засушливым климатом. Такова кора выветривания многих горных районов Средней Азии, Казахской складчатой страны, Южного Урала и Мугоджар, степей Забайкалья.