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.

---

Самая глубокая — зона весьма замедленного водообмена, где водообмен осуществляется лишь в масштабе целых геологических периодов, т. е. за миллионы и сотни миллионов лет. Часто это глубинные (местами более 3 км) горячие воды артезианских бассейнов, древние, сильно-минерализованные (вплоть до рассолов) с восстановительной средой.

Дальнейшие исследования показали, что вертикальная зональность подземных вод не столь проста, как казалось вначале, и, например, в некоторых артезианских бассейнах пресные воды залегают под солеными. Много нового в этот вопрос внесли исследования И. К. Зайцева, Ф. А. Макаренко, Е. В. Пиннекера, А. В. Щербакова и других гидрогеологов. Однако основная идея осталась незыблемой, наоборот, она получила еще большее подтверждение — состав подземных вод тесно связан с их динамикой. Именно подвижность определяет химизм вод, а не состав вмещающих пород.

Учение о вертикальной зональности подземных вод связало гидрогеологию с тектоникой, установило огромное влияние на состав вод поднятий и опусканий блоков земной коры, т. е. тектонической истории района. Как подметил А. М. Овчинников, современная наука опровергла казавшееся бесспорным представление античных ученых о том, что вода такова, каковы породы, по которым она протекает. В действительности вода такова, какова геологическая история района, в котором она находится (рис. 17).

Развитие гидрогеохимии в СССР. Становление и развитие гидрогеохимии во многом связано с именем А. М. Овчинникова, которому принадлежит первая монография, систематически излагающая основы этой науки. Овчинников был талантливым исследователем и педагогом — создателем гидрогеохимическй школы Московского геологоразведочного института им. С. Орджоникидзе, в котором он преподавал почти 40 лет (с 1930 г. до конца жизни). Среди многообразных научных интересов ученого важное место занимали вопросы геохимии минеральных вод, образования гидротермальных рудных месторождений, гидрогеохимические методы их поисков, ядерная гидрогеология. Во все эти разделы науки его вклад был значительным.

В последние десятилетия гидрогеохимические исследования в СССР получили большое распространение. Кроме Москвы, Ленинграда, Томска и других научных Центров РСФСР возникли самостоятельные научные школы в Армении, Казахстане, на Украине, в Белоруссии, в Узбекистане и других республиках.

Александр Михайлович ОВЧИННИКОВ (1904—1969)

Внедрение новых методов анализа позволило определить в подземных водах свыше 60 химических элементов, изучить изотопный состав вод, решить на этой основе различные практические задачи, в частности разработать особый гпдрогеохимический метод поисков рудных месторождений.

Водоносные горизонты — биокосные системы. Многие подземные воды относятся к биокосным системам, так как их химизм связан с деятельностью бактерий. Последние широко распространены в грунтовых водах, они обнаружены и в пластовых водах на глубине в несколько тысяч метров.

Первые сведения о бактериях в глубинных нефтяных водах доставил еще в 1901 г. инженер В. Шейко, работавший на нефтяных промыслах Баку. Однако в то время этому факту не придали значения, и только через четверть века, в 1926 г., почти одновременно американский ученый Б. Бастин и советский ученый Т. Л. Гинзбург-Карагичева опубликовали статьи о нахождении сульфатредуцирующих бактерий в пластовых водах нефтяных месторождений.

«Критическая температура» деятельности микроорганизмов близка к 80°, а по некоторым данным даже к 100°. Поэтому нижнюю границу деятельности микроорганизмов обычно проводят по изотерме 100°, которая, по В. А. Покровскому, на Русской платформе расположена на глубине от 2,9 до 5,5 км, в так называемых передовых прогибах (Прикарпатье, Предкавказье и т. д.) — на глубине 1,5—2,9 км. В районах развития кристаллических пород, например на Кольском полуострове, эта граница предположительно находится на глубине 10—15 км. Сравнительно низкие температуры (менее 100°) — только одно из условий, необходимых для деятельности микроорганизмов. Другое не менее важное условие — наличие пищи, преимущественно органических соединений, а также кислорода, необходимого для дыхания, т. е. для окисления соединений.

Почти все подземные воды содержат растворенное органическое вещество. Больше всего его содержится в водах нефтяных и газовых месторождений (сотни миллиграммов в 1 л). Особенно большие исследования в направлении органической гидрогеохимии провели советский гидрогеолог М. Е. Альтовский и его ученик В. М. Швец.

В подземных водах обнаружены органические кислоты, углеводороды, фенолы, спирты и другие соединения. Много подобных веществ растворено и в грунтовых водах тайги и тундры, часто имеющих коричневый цвет. Но даже наиболее бедные «органикой» подземные воды содержат в 1 л доли миллиграмма органического углерода.

Таким образом, пищи для бактерий в большинстве подземных вод достаточно. Следовательно, остается решить последний вопрос: где они могут добыть кислород, чтобы окислить органические вещества и получить энергию, необходимую для жизнедеятельности? В верхних горизонтах подземных вод, содержащих растворенный кислород, развиваются аэробные бактерии. В более глубоких горизонтах подземных вод, а местами и в грунтовых водах, в болотах и солончаках, свободного кислорода нет. Там развиваются анаэробные бактерии, способные отнимать кислород у сульфатов, нитратов, гидроокислов железа, марганца и других окисленных соединений. В результате эти соединения восстанавливаются и в водах появляются H2, H2S, NH3, Fe2+, Mn2+ и прочие восстановленные формы элементов, а кислород расходуется на окисление органических веществ с образованием углекислого газа. Так, в результате жизнедеятельности микроорганизмов происходит глубокое изменение химического состава подземных вод, они становятся химически высокоактивными и совершают в земной коре большую работу — изменяют горные породы. За время геологической истории бактерии окислили в земной коре огромное количество органических веществ, «съели» целые месторождения нефти, изменили состав многих осадочных пород. Для характеристики геохимической деятельности подземных вод, их работы по преобразованию горных пород используют термины «гидрогенез», «катагенез», «эпигенез».

Рис. 17. Схематический разрез Волго-Камского артезианского бассейна (по Б. Н. Архангельскому, 1958).

1 — зона с минерализацией воды до 1 г/л (интенсивного водообмена); 2 — зона с минерализацией воды до 10 г/л (замедленного водообмена?); 3 — зона с минерализацией воды до 50 г/л (замедленного водообмена ?); зона весьма замедленного водообмена: 4 — с минерализацией воды до 100 г/л; 5 — с минерализацией воды до 270 г/л; 6 — с минерализацией воды более 270 г/л; 7 — стратиграфические границы; 8 — граница гидрохимических зон

Подземная гидросфера расчленяется на биокосные системы различного уровня организации. К более высокому уровню относятся артезианские бассейны, к более низкому — водоносные горизонты.

В районах распространения осадочных горных пород обычно наблюдается чередование пластов, плохо проницаемых для подземных вод (как, например, глин) и хорошо проницаемых, к которым относятся пески, трещиноватые известняки и другие породы. Они часто насыщены водой и представляют собой водоносные горизонты.

Для изверженных и других скальных пород характерно размещение подземных вод в трещинах, зонах разломов; такие воды именуются трещинными, жильными и т. д. В этом случае можно говорить о биокосных системах, аналогичных водоносным горизонтам (однако меньшее содержание органического вещества часто определяет и меньшую геохимическую активность бактерий).

Рис. 18. Былой водоносный горизонт в верхнемеловых красноцветах долины реки Сох (Южная Фергана).

Водоупорные породы: I и V — красный алевролит; II в IV — оглеенный алевролит. Водопроницаемые породы: III — трещиноватый известняк

Автор книги показал, что водоносный горизонт представляет собой биокосную систему, по своей сущности и уровню организации близкую к почве, коре выветривания, илам. В результате выявилась необходимость изучения водоносных горизонтов с геохимических и системных позиций. Важная особенность системного подхода состоит в том, что вода и вмещающие породы рассматриваются как равноправные объекты исследования, как жидкая и твердая фазы единой системы. Отсюда следует вывод, что вода и порода должны изучаться с равной степенью детальности.

К водоносному горизонту относятся не только породы с движущейся гравитационной водой, но и прилегающие части водоупоров, в которых развиваются явления диффузии и изменения пород. Таким образом, и водоносные горизонты, аналогично почве, илу и коре выветривания, дифференцированы на подгоризонты по вертикали, т. е. они имеют свой профиль.