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.

---

Глины и алевролиты, примыкающие к водоносному горизонту вследствие капиллярного впитывания, также содержали воду, и в них развивались восстановительные процессы. В результате и эти слои приобретали сизозеленую или пятнистую окраску, которая распространялась на десятки сантиметров от контакта глины с песками.

Геохимическая деятельность подземных вод местами была столь интенсивной, а число водоносных горизонтов столь велико, что породы красноцветной формации чрезвычайно сильно изменились: почти все «пленочное» железо было перераспределено. Лишь средние части алевролитовых и глинистых горизонтов сохранили свою первоначальную окраску, местами она проявлена только в форме пятен. Породы в таких районах приобрели пеструю окраску, создающую впечатление хаоса красных, белых, охристо-ржавых полос и пятен. И только внимательное рассмотрение позволяет установить строгую закономерность в распределении окраски: чередование в разрезе былых водоносных и водоупорных горизонтов. Подобные породы нередко именуются пестроцветными. Следовательно, некоторые пестроцветы образовались из красноцветов в результате их переработки подземными водами (рис. 20).

Оглеение пермских красноцветов установлено автором и Е. Н. Борисенко во многих районах Приуралья и Заволжья: в Татарской, Удмуртской и Башкирской АССР, Пермской и Оренбургской областях. Широко распространены эти явления в меловых и палеогеновых красноцветах Средней Азии. Это преимущественно карбонатное, но местами также содовое оглеение. Возможны и другие классы. Е. Н. Борисенко доказала, что при карбонатном оглеении красноцветов мигрируют медь, свинец и другие рудные элементы.

Оглеение под воздействием подземных вод было широко распространено в прошлые геологические эпохи, многочисленные его следы обнаружены и в других формациях — меловых песках Подмосковья (Клинско-Дмитровская гряда и др.), Средне-Русской возвышенности (район Курской магнитной аномалии), Окско-Донской низменности и т. д. Сильно оглеены плиоценовые и миоценовые пески Молдавии, олигоценовые пески Приташкентского района, породы юрской угленосной формации Средней Азии и Забайкалья.

Рис. 20. Оглеенные красноцветы.

I — красноцветные алевролиты; II — оглеенные алевролиты (зеленые, изначально красные); III — оглеенные песчаники (серые, зеленые, изначально красные)

Глеевые водоносные горизонты характерны также для участков нефтяных и газовых залежей (в водах много органических веществ — пищи для микробов, работающих энергично). Особо благоприятные условия для деятельности микробов создаются на водонефтяных контактах, где микроорганизмы, окисляя органическое вещество нефти, продуцируют CO2, органические кислоты[9]. В результате на контакте pH вод понижается и карбонаты водовмещающих пород растворяются по известной схеме (кислый глеевый класс):

Гидрокарбонатные растворы, содержащие повышенное количество Са2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, мигрируют в сторону от водонефтяного контакта, где в водоносных горизонтах микробиологическая деятельность развивается слабее и pH выше. В результате происходит осаждение вторичных эпигенетических карбонатов, цементирующих пласт. Эти явления были описаны на нефтяных месторождениях Среднего Поволжья, Кубани, Средней Азии.

Новые интересные данные доставило изучение нефтегазоносных бассейнов Сибири. Б. А. Лебедев, А. А. Розин, З. Я. Сердюк и др. установили широкое распространение в Западной Сибири эпигенетической каолинизации и карбонатизации. Так, в Межовском районе в юрских отложениях на глубине 2500 м полевые шпаты, слюды, хлориты превращены в каолинит. Здесь же развиваются и вторичные карбонаты. Эпигенетические изменения носят «игольчатый» характер, часто они приурочены к зонам разломов. Аналогичные явления установлены в районе Шаима, Сургута, Чебачья, Мельджино. Изменения происходили в восстановительных условиях, так как среди вторичных карбонатов присутствует не только кальцит, но и сидерит, анкерит. Следовательно, железо мигрировало и среда была глеевой. Каолинизация возможна только в кислой среде, а осаждение карбонатов — в нейтральной и щелочной. Это однозначно решает вопрос о последовательности процессов — сперва кислая глеевая каолинизация, потом окарбоначивание каолинизированных горизонтов.

Р. В. Королева и Б. А. Лебедев описали подобную кислотно-щелочную зональность в триасовых песчаниках Лено-Вилюйской нефтеносной области. Так, на Средне-Вилюйском газовом месторождении в водоносных горизонтах на глубине 2,5—3,5 км в песчаниках наблюдается следующая эпигенетическая зональность:

Зона изменения Состав цементов Выщелачивания (кислая) Каолинит с примесью хлорита Отложения вторичных минералов (щелочная среда) Карбонаты, кварц, альбит, цеолиты, монтмориллонит, хлорит Неизмененных пород Монтмориллонит, хлорит, гидрослюды, смешаннослойные минералы, каолинит

Как и в Западной Сибири, вторичные минералы представлены кальцитом, анкеритом и сидеритом, что указывает на глеевый характер вод. Эпигенетическая каолинизация в нефтеносных породах известна также в Предкавказье, Мангышлаке, Волго-Уральской области, Прибалханском районе, во многих районах США, Северной Африки. С этим процессом связано формирование коллекторов для нефти и газа, так как при каолинизации пористость песчаников увеличивается. В карбонатных породах коллекторы образуются за счет растворения CaCO3 под влиянием углекислых вод. Вторичные карбонаты откладываются по периферии коллекторов, т. е. и здесь имеет место щелочно-кислотная зональность.

Хотя причины кислотно-щелочной глеевой зональности в осадочных породах трактуются по-разному, в геохимическом аспекте главным виновником является один элемент — углерод, точнее, углекислый газ.

Одним из универсальных источников углекислого газа служит окисление микробами органических веществ битумного (нефтяного) или угольного ряда. Эти процессы протекают везде, где имеются вода и органическое вещество и температура не слишком высока. Естественно, что наиболее энергично они развиваются в местах скопления органического вещества, например на водонефтяных контактах.

Вторым источником углекислого газа служит разложение карбонатов. Термическая диссоциация CaCO3 требует многих сотен градусов и может развиваться лишь в зонах магматизма и метаморфизма. Такой метаморфогенный и магматогенный углекислый газ мог играть роль в рассматриваемых процессах, однако доказать его участие довольно трудно.

В процессах кислого глеевого выщелачивания и каолинизации, вероятно, определенную роль играют органические кислоты, весьма характерные для вод, связанных с нефтяными месторождениями.

Водоносные горизонты сероводородного (сульфидного), третьего ряда. Одним из источников сероводорода служит десульфуризация. Именно поэтому «нефтяные воды» часто являются бессульфатными. Однако биохимическое образование сероводорода за счет восстановления сульфатов характерно для более высоких горизонтов нефтяных и газовых месторождений. Вместе с тем содержание сероводорода в нефтяных газах во многих районах возрастает с глубиной, что указывает на другой источник его. Такой глубинный сероводород был обнаружен в больших количествах на многих газовых месторождениях. Он предъявляет большой интерес как серное сырье: в СССР — в Оренбургской области, в США (в Техасе некоторые газы содержат до 80—97% сероводорода), Канаде, Франции, ФРГ. Сероводород поступает с больших глубин, где господствует высокая температура и невозможна десульфуризация. Л. А. Анисимов предполагает, что этот газ образовался в результате термокаталитического разложения сернистых нефтей и других сероорганических соединений.

Рис. 21. Изменения красноцветных пород под влиянием нефтяной залежи в Куйбышевском Заволжье (по Л. Н. Задову и С. Я. Вайнбауму, 1952).

1 — красноцветные отложения; 2 — сероцветные измененные породы; 3 — нефтяная залежь

Сероводородные (сульфидные) водоносные горизонты формируются также и вне нефтегазоносных провинций — везде, где в подземных водах много сульфатов, есть органическое вещество и нет свободного кислорода. Нередко такие воды имеют важное бальнеологическое значение, к районам их распространения приурочены курорты типа Мацесты, Пятигорска и др.

Былые водоносные горизонты третьего ряда легко диагностируются по окраске — часто они имеют серый или черный цвет за счет тонкорассеянного пирита (рис. 21). К таким горизонтам приурочены рудные тела сульфидных месторождений, особенно медных (некоторые «медистые песчаники»). Преобладает здесь нейтральный карбонатный сульфидный класс, хотя известны и соленосно-сульфидные и содовые сероводородные водоносные горизонты.