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.

---

Поэтому зона окисления в таких местах богата вторичными карбонатами металлов.

Среди карбонатов особенно выделяются красивые зеленые и синие карбонаты меди — малахит и азурит. Замечательные малахиты Урала, украшающие Зимний дворец, Исаакиевский собор и другие архитектурные памятники Ленинграда, — продукты осаждения меди на щелочных барьерах.

В районах влажного климата на контакте ультраосновных пород с известняками образуется аномалия типа Д2 (рис. 34). Разложение органических остатков в почвах приводит здесь к образованию кислых вод, в которых легко растворяются марганец, никель, кобальт, содержащиеся в ультраосновных породах (никель и кобальт образуют органические комплексы с органическими кислотами). На контакте с известняками возникает щелочной барьер, на котором осаждаются эти металлы.

Значительно менее распространены, или, во всяком случае, хуже изучены, кислые барьеры (Е). Они образуются при уменьшении pH, особенно при смене щелочной среды на кислую. В щелочных водах хорошо мигрируют анионогенные элементы, например кремний (SiO32-), селен (SeO32-), молибден (MoO42-), германий (GeO32-) и т. д. В местах понижения pH, особенно при резком уменьшении щелочности, они осаждаются из вод, приводя к окремнению пород, концентрации в них молибдена, германия и других элементов. Эти явления наблюдаются и в зоне окисления сульфидных руд в известняках, в которых возможен ток вод в сторону сульфидных руд. Гидрокарбонатные воды имеют слабощелочную реакцию и могут содержать повышенные количества кремнезема. Последний будет осаждаться при встрече щелочных вод с кислыми, т. е. на кислом барьере Е. В результате происходит формирование аномалий типа Е3, окремнение известняков, характерное для многих зон окисления сульфидных руд. В этом случае геохимический барьер как бы работает на два фронта (в обе стороны): в сторону от руд это — щелочной барьер (Д1), а по направлению к рудам — кислый (Е3). Такие барьеры называются двусторонними, для них характерны несовместимые ассоциации элементов, включающие, например, и катионогенные и анионогенные металлы (см. рис. 33).

К проявлению кислого барьера относятся некоторые окремнелые стволы деревьев в древних речных песках. Автор наблюдал подобные окаменелые стволы в пермских песчаниках Оренбургской области. В реку, протекавшую на этом месте около 250 млн. лет назад, во время бурных паводков, вероятно, падали стволы деревьев. «Захороненные» в речных песках, они длительное время омывались щелочными водами, обогащенными кремнеземом. Микробиологическое разложение «захороненной» древесины приводило к выделению большого количества CO2, в связи с чем на участке гниения дерева вода подкислялась. Там возникал локальный кислый барьер, на котором и осаждался SiO2, постепенно клеточка за клеточкой замещавший древесину. Подобные метасоматические процессы могли протекать не только в речной долине и грунтовых водах, но и в глубоких пластовых водах через длительный промежуток времени после захоронения древесины.

Испарительные барьеры (F) — это такие участки биосферы, где в результате испарения поверхностных или подземных вод происходит отложение растворимых солей, преимущественно хлоридов и сульфатов и значительно реже карбонатов, нитратов, боратов, йодатов, хроматов и т. д. О проявлениях испарительных барьеров уже говорилось: к ним относятся и засоленные почвы (солончаки и солонцы), и соляные озера. Обнаружено также засоление пород, обязанное испарению глубокозалегающих грунтовых вод. Во всех случаях мы сталкиваемся с уже известной закономерностью: геологические и географические формы проявления геохимического барьера весьма разнообразны (почвы, озера, горные породы), но их геохимическая сущность одинакова — накопление наиболее подвижных элементов, образующих растворимые соли.

В геологических науках много внимания уделяется соляным озерам, лиманам, соляным отложениям. В биосфере засоление развивается уже более 500 млн. лет; его наследие в виде залежей ископаемых солей играет важную роль в жизни человечества (пищевая соль, химическое сырье и т. д.). Сельскохозяйственное освоение степей и пустынь потребовало глубокого изучения солончаков и солонцов, начало которому, как мы убедились положили исследования К. К. Гедройца. Ныне это крупный раздел почвоведения.

Рис. 33. Аномалии типа В1, Д1 и Е3.

1 — сернокислые растворы; 2 — известняки; 3 — щелочной барьер (Д), 4 — миграция вод в сторону сульфидных руд; 5 — кислый барьер (Е)

Рис. 34. Аномалия типа Д2

1 — ультраосновные породы; 2 — известняки; 3 — кислые воды; 4 — щелочной барьер (Д)

Все процессы миграции и концентрации солей А. Е. Ферсман предложил именовать галогенезом. Своеобразные аспекты изучения галогенеза, новые разновидности испарительных барьеров выявились в связи с геохимическими поисками рудных месторождений. С этой целью потребовалось изучать засоление в низкогорных каменистых степях и пустынях (ранее оно не привлекало большого внимания), поведение редких элементов при засолении, роль разломов земной коры в процессах засоления.

Разлом — это крупная трещина (или система трещин) в скальных породах, прослеживающаяся на большую глубину, местами на десятки и, возможно, сотни километров. Разломы специально изучает геологическая наука тектоника, но интересуются ими многие представители наук о Земле — и геологи и географы. По разломам часто происходит поднятие напорных подземных вод к поверхности. В степях и пустынях в таких местах нередко образуется испарительный барьер, в связи с чем сама зона разлома прослеживается в виде линии или цепочки солончаков, солонцов, соляных озер, своеобразной растительности, состоящей из сочных «солянок». Нередко такое разломное засоление, как его назвал автор, простирается на многие десятки и даже сотни километров. В этом случае испарительный барьер имеет важное индикационное значение. Прежде всего, выцветы солей помогают геологу при съемке прослеживать разломы, наносить их на карту. Интересуют такие солончаки и гидрогеолога. Хорошо известно, что в сухих степях и пустынях часто отсутствуют реки и пресные озера и главную надежду в поисках питьевой воды возлагают на подземные воды. А многие разломы водоносны. Поэтому нередко достаточно пробурить скважину на участке разлома, чтобы получить хороший источник водоснабжения. Признаком разлома служит испарительный барьер — линейная зона засоления. Но, позвольте, может сказать читатель, для водоснабжения необходима пресная вода, а солончаки указывают на соленую воду. Это верно, но многие разломы содержат хорошую пресную воду, и только вблизи самой поверхности она осолоняется. Следовательно, если воду откачивать с некоторой глубины, то она будет вполне пригодна для питья.

Конечно, не одни солончаки являются признаками разломов; у геологов имеется много других критериев, но и испарительный барьер может принести пользу.

Теперь посмотрим, как матричный принцип позволяет выделить различные виды испарительных барьеров. Концентрация тина F1 образуется в результате испарения сернокислых вод. Напомним, что серная кислота в биосфере образуется преимущественно при окислении пирита, например, в зоне окисления сульфидных месторождений. Если сульфидные рудные выходы окисляются в степях или пустынях, то сернокислые грунтовые воды нередко испаряются в понижениях рельефа, где образуются сернокислые солончаки, обогащенные растворимыми солями меди, цинка и других металлов. Так появляется геохимическая аномалия F1, ландшафт в целом относится к сернокислому классу.

Наиболее широко распространены в степях и пустынях аномалии типа F3 и F11. К ним относятся многие солончаки Средней Азии, Казахстана и других аридных районов нашей страны. При геохимических поисках в Казахстане нередко на участках солончаков обнаруживали повышенные количества молибдена, стронция, цинка и других рудных элементов. Возник вопрос: как относиться к таким геохимическим аномалиям? В частности, являются ли они указателем на близкозалегающие рудные месторождения, например молибденовые? Конечно, каждый геолог стремится открыть месторождение, и на аномалии в солончаках первое время смотрели с надеждой. К сожалению, вскоре пришло разочарование: было установлено, что некоторые рудные элементы, и в частности молибден, обладают способностью к испарительной концентрации, т. е. ведут себя аналогично натрию, хлору, сере, накопление которых при засолении было установлено уже давно. Поэтому многие геохимические аномалии молибдена и других металлов, обнаруживаемые на солончаках, являются безрудными и должны «отбраковываться». Так геохимия помогла решить важный практический вопрос — отделить рудные аномалии от безрудных. (Конечно, в степях и пустынях вблизи молибденовых месторождений могут образоваться солончаки с повышенным содержанием молибдена, и такая аномалия будет рудной, т. е. явится поисковым признаком на руду. Однако подобные аномалии отличаются рядом особенностей, и их можно выделить среди большого числа безрудных аномалий.)