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.

---

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.

Следует различать также былые водоносные горизонты в которых подземные воды отсутствуют, но существовали в прошлом и оставили следы в виде ожелезнения, оглеения, карбонатизации, огипсования и т. д. (рис. 18). Изучая подобные горизонты, можно восстановить химический состав и другие особенности былых подземных вод, т. е. решать задачи палеогидрогеологии и палеогидрогеохимии. Но, пожалуй, еще важнее практическая сторона вопроса — к современным и былым водоносным горизонтам приурочены рудные тела месторождений полезных ископаемых, которые образовались на участках резкого изменения состава вод — так называемых геохимических барьерах. Таковы, например, «медистые песчаники», давно известные в науке о рудных месторождениях.

Среди водоносных горизонтов выделяются те же ряды и классы, что и среди почв, илов, кор выветривания. И для водоносных горизонтов основные различия связаны с окислительно-восстановительными условиями, что позволяет выделить три основных ряда водоносных горизонтов — с окислительной средой (кислородные), глеевые и сероводородные.

В этом вопросе подход автора отличается от многих классификаций, принятых в гидрогеологии и гидрохимии, где в основу выделения типов и классов вод кладется степень минерализации и ионный состав вод (ультрапресные, пресные, солоноватые и т. д.). Развивая идеи В. И. Вернадского и А. М. Овчинникова, автор полагает, что газовый состав вод, определяющий окислительно-восстановительные условия, имеет большее таксономическое значение, чем их ионный состав.

В водоносном горизонте могут наблюдаться различные условия, например в примыкающих частях водоупоров, где происходит застаивание капиллярной воды, физикохимическая обстановка часто более восстановительна, чем в средней части горизонта, сложенной водопроницаемыми породами. Согласно принципу централизации, классифицируя водоносные горизонты, следует учитывать особенности той его части, где наиболее энергично работают микроорганизмы, определяющие геохимическое своеобразие данной биокосной системы в целом.

Водоносные горизонты с окислительной средой (кислородные) первого ряда. Они обычно имеют рыжий или желтый цвет от пленок гидроокислов железа, покрывающих частицы пород. Поэтому водоносные горизонты первого ряда легко диагностировать по цвету пород. Это относится как к современным, так и к былым водоносным горизонтам. Кислородный состав вод определяет присутствие аэробных бактерий, энергично окисляющих органические вещества.

Ранее полагали, что свободный кислород в основном характерен для грунтовых вод, в то время как в подземных водах господствует восстановительная бескислородная среда. Гидрогеохимик А. И. Германов в начале 50-х годов показал, что в складчатых областях в районах развития горного рельефа кислород по трещинам проникает на многие сотни метров. Еще более интересные факты обнаружили Я. Б. Смирнов и известный исследователь подземных вод Средней Азии Б. А. Бедер. Оказалось, что в Приташкентском артезианском бассейне кислородные подземные воды проникают на глубину до 2 км. Все эти данные были обобщены на Газогидрогеохимической карте СССР, составленной под редакцией А. В. Щербакова и изданной в 1975 г. (на ней впервые показаны границы распространения свободного кислорода в подземных водах).

С другой стороны, на заболоченных равнинах Севера, например, в тундре и северной тайге, кислород отсутствует и в грунтовых водах.

В последние десятилетия было доказано, что кислородные воды на приподнятых крыльях артезианских бассейнов местами глубоко проникают в толщи восстановленных (сероцветных) пород, формируя зоны пластового окисления (ЗПО) рыжего цвета (рис. 19).

Большое влияние на кислородные грунтовые воды оказывает климат, и воды полярных стран отличаются от вод тропиков. Поэтому и среди грунтовых вод, вероятно, следует выделять типы, аналогичные типам почв и илов. Однако вопрос этот недостаточно ясен, и ниже сразу будут рассмотрены геохимические классы водоносных горизонтов. Что же касается пластовых водоносных горизонтов, то, хотя здесь влияние климата, по некоторым данным, сказывается до глубины в несколько тысяч метров, все же оно не столь велико. Поэтому для глубоких вод кислородный ряд можно подразделить на классы по щелочно-кислотным и прочим условиям. Это сернокислые, кислые, слабокислые частично нейтральные, нейтральные и слабощелочные (пресные), соленосные и содовые водоносные горизонты. Для каждого класса характерны определенные парагенные и запрещенные ассоциации элементов, а также изменения в горных породах.

Рис. 19. Схема формирования зональности водоносных горизонтов.

1 — пути инфильтрации кислородных вод; 2 — граница между зонами с окислительными условиями (О) и восстановительными условиями (В); 3 — песчаные водоносные горизонты; 4 — водоупорные глины; 5 — области питания артезианских вод, сложенные скальными трещиноватыми породами

Глеевые водоносные горизонты второго ряда. Глеевые грунтовые воды широко распространены на равнинах с влажным климатом (тундра, тайга, влажные тропики) и гораздо меньше — в аридных районах. В глубоких пластовых и трещинных водах глеевая среда встречается очень часто. Особенно удачным объектом для изучения пластового оглеения оказались породы красноцветной формации, с которыми читатель уже познакомился на страницах книги.

В красноцветах глеевые подземные воды изменили красную окраску пород на зеленую, сизую, серую, в связи с чем былую деятельность подземных вод легко диагностировать непосредственно в поле — у обнажения, рассматривая керн буровой скважины.

Впервые с этими явлениями я познакомился в 1938 г. в хребте Кунгей-Алатау в Северной Киргизии. Многое тогда казалось загадочным, и в частности происхождение зеленых полос среди красных глин и песчаников. Позднее в пустынных районах Гоби (Монгольская Народная Республика) и особенно в Средней Азии на пути маршрутов постоянно встречались красные горы и обрывы, чередование красных и зеленых полос в разрезе. Мысль невольно возвращалась к загадке их происхождения.

Однажды при наблюдении красноцветов у меня возникло предположение, что зеленые полосы на красном фоне — это следы процессов оглеения, которое могло быть вызвано подземными водами. Сопоставляя наблюдения (пригодились и воспоминания о монгольских обнажениях Гоби), я убедился в исключительно широком развитии оглеения в красноцветной формации, в большом геохимическом значении данного процесса.

В красноцветах, мощность которых достигает сотен и даже тысяч метров, многократно переслаиваются песчаники и алевролиты, реже среди них встречаются прослои галечников, гравелитов, глин и известняков. Напомним, что в красный цвет эти породы окрашены окислами и гидроокислами железа, облекающими в виде тонкой пленки пылеватые, песчаные и глинистые частицы.

Полосы и зоны пятнистой красно-зеленой или однородной синевато-зеленой, светло-серой или белесой окраски обычно представляют собой песчаники, гравелиты, конгломераты. Мощность таких полос колеблется от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. Края их неровные: как правило, такие горизонты через пятнистую сизо-красную зону переходят в преобладающие красные породы.

Ранее некоторые ученые полагали, что при осадкообразовании в условиях восстановительной среды откладывались зеленоватые (серые, сизые) пески, а в условиях окислительной — красные алевролиты. Нетрудно убедиться, что при осадкообразовании возникли бы обратные соотношения — пески, откладывающиеся из быстротекущих и, следовательно, богатых кислородом вод, имели бы красно-бурую окраску, а алевролиты и глины, осаждающиеся в более застойных условиях, — зеленоватую, сизую и т. д. Однако это противоречие не привлекало должного внимания.

Изучая сизые, зеленоватые и белесые горизонты и слои красноцветов, я пришел к выводу, что они представляют собой былые водоносные горизонты, окраска которых изначально была красной. Подземные воды, естественно, двигались по более проницаемым горизонтам — пескам и гравелитам, а также по трещиноватым известнякам. Если воды залегали глубоко, то они могли не содержать свободного кислорода и восстанавливать соединения железа, т. е. переводить Fe3+ в Fe2+. В результате соединения Fe3+ восстанавливались и переходили в раствор, мигрируя вместе с подземными водами. Частицы пород, лишаясь «железистой рубашки», приобретали светло-серую, белую, сизую или зеленоватую окраску. Иногда железо только переходило из одной формы в другую, не мигрируя. При этом красная окраска заменялась зеленой.