Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Элементы, образующие химически активные газы — О, Н, С, N, J

Первые три элемента группы благодаря высокой химической активности и

большим кларкам играют огромную роль в ландшафтах, определяя свойства вод, формирование важнейших геохимических барьеров. Это главные элементы живого вещества, характерные атомы-спутники атмосферы, гидросферы, многих систем литосферы. Роль N особенно велика в биогенной миграции.

Кислород — О (8; 15,999)*. Это наиболее распространенный элемент твердой земной коры, гидросферы, живых организмов. Его кларк в литосфере — 47,4%, еще выше в гидросфере — 86,82% и живом веществе — 70% (28.1). Все организмы — кислородные существа. По Вернадскому, свободный кислород — самый могущественный деятель из всех нам известных химических тел земной коры. Поэтому в большинстве систем биосферы, например, в почвах, грунтовых, речных и морских водах, кислород является геохимическим диктатором, определяет геохимическое своеобразие системы.

На земной поверхности зеленые растения в ходе фотосинтеза разлагают воду и выделяют свободный кислород (О2) в атмосферу и гидросферу (водные растения). За миллиарды лет геологической истории растения сделали атмосферу кислородной, воздух, которым мы дышим, подчеркивал Вернадский, создан жизнью.

В стратосфере в результате физико-химических реакций образуется озон: О2 + О X О3. Хотя его общая масса невелика и при нормальном давлении составила бы слой мощностью лишь 1,7 — 4 мм, "озоновый экран" задерживает губительную

В последнее десятилетие установлено уменьшение концентрации озона над Антарктидой, охватывающее грандиозную площадь — миллионы квадратных километров. Менее выражено данное явление в Арктике и других регионах. Происхождение этой "озонной дыры" связывают с действием фреонов — хлористых соединений, входящих в состав антропогенных аэрозолей. Играют роль и природные причины. Уменьшение количества озона в атмосфере, возможность исчезновения озонового экрана представляет серьезную опасность для человечества, этой проблеме уделяется большое внимание.

Число реакций окисления, расходующих свободный кислород, велико. В биосфере они в основном осуществляются организмами (дыхание), хотя известно и чисто химическое окисление. В почвах, илах, реках, морях и океанах, подземных водах, везде, где имеются органические вещества, микроорганизмы окисляют эти вещества. Таким образом, круговорот свободного кислорода в биосфере складывается из противоположных ветвей — его образования при фотосинтезе и поглощения в различных окислительных реакциях. При окислении выделяется энергия, поглощенная при фотосинтезе.

Длительное время считалось, что свободный кислород в земную кору проникает только до уровня грунтовых вод. Позднее гидрогеохимики сделали важное открытие — доказали, что в горах, особенно в аридных районах, свободный кислород проникает с подземными водами на глубины более 1 км, т.е. за пределы ландшафта.

В большинстве природных вод, содержащих свободный кислород, т.е. сильный окислитель, есть и органические соединения — сильные восстановители. Поэтому все подобные системы неравновесны и богаты свободной энергией. Неравновесность выражена тем резче, чем больше в системе живого вещества. Так, во влажных тропиках, в тайге живого вещества много и речные воды там наряду со свободным кислородом содержат много растворенного органического вещества ("черные тропические реки", например, Рио-Негро, "коричневая вода" таежных рек). Конечно, и эти воды подчиняются законам термодинамики — реакции в них направлены в сторону равновесия — окисления органических веществ. Однако равновесие никогда не достигается, так как в эти открытые системы все время поступают новые порции органических веществ и кислорода воздуха.

Везде в биосфере, где воды, не содержащие свободный кислород (болотные и др. с восстановительной средой), встречают этот газ, возникает кислородный геохимический барьер Л, на котором концентрируются Fe, Mn, S и другие элементы. С этим барьером связаны многие практически важные процессы.

Ранее господствовало представление, что с углублением в земную кору среда становится более восстановительной, однако это не полностью отвечает действительности. Наиболее восстановительные условия в биосфере возникают на участках энергичного разложения органических веществ, а не на максимальных глубинах. Такие участки характерны и для земной поверхности (болота, илы, солончаки и т.д.), и для водоносных горизонтов. И биосфере в целом, и ландшафтам присуща принципиально сходная окислительно-восстановительная зональность, порожденная солнечной энергией, приводящей к накоплению сильных окислителей (О2) и сильных восстановителей (органический углерод, сероводород и т.д.).

На ранних стадиях развития Земли (архей, ранний протерозой) свободного кислорода в атмосфере, вероятно, не было или же содержание его было ничтожно. Об этом свидетельствует отсутствие кислорода в атмосферах других планет Солнечной системы. Фотодиссоциация и другие физико-химические процессы приводили лишь к появлению незначительного количества кислорода, который быстро расходовался на реакции окисления. Биосфера той эпохи существенно отличалась от современной — в ней не было реакций окисления свободным кислородом, а следовательно, столь характерных для современной земной поверхности красных, бурых и желтых почв, илов, осадочных пород. Fe и Мп мигрировали в легкоподвижной форме (Fe^+ и Мп2+). Кислородные барьеры отсутствовали,      окислительно-восстановительные  условия          были недифференцированными. На земной поверхности, вероятно, преобладала глеевая среда, менее восстановительная, чем в современных болотах.

Появление зеленых растений знаменовало новый качественный этап в истории Земли — поступление свободного кислорода в атмосферу и гидросферу

Главную его массу в то время накопили водоросли океана, так как суша в докембрии, а возможно, еще и в нижнем палеозое (до середины девона) представляла собой примитивную пустыню с редкими растениями. Свободный кислород оказал огромное влияние на зону гипергенеза материков — из восстановительной она стала окислительной. Материки стали сплошной зоной окисления, поскольку аккумуляции органического вещества и восстановительные барьеры на суше отсутствовали. Так, развитие жизни привело еще в докембрии (не позднее 2 млрд. лет назад) к смене восстановительной зоны гипергенеза окислительной. Миграция Fe, возможно, и Мп, ослабла, S — стала энергичнее.

В девоне возникли лесные ландшафты, началось углеобразование. В понижениях формировались восстановительные барьеры — участки с дефицитом кислорода, с резковосстановительной средой. На повышенных элементах рельефа в почвах и корах выветривания продолжала господствовать окислительная среда. Так, около 350 млн. лет назад, начался окислительно-восстановительный этап эволюции биосферы с развитием в ландшафтах резкоокислительных и резковосстановительных условий. В ландшафтах возникли кислородные барьеры и связанные с ними концентрации Fe, Mn, Со, S и других элементов. Этот третий этап в общем продолжается и сейчас.

При сжигании топлива ежегодно расходуются миллиарды тонн атмосферного кислорода. В некоторых развитых промышленных странах его сжигают больше, чем дает фотосинтез. Так, в ноосфере меняется круговорот кислорода, в будущем возможно уменьшение его содержания в атмосфере, однако оснований для опасений пока нет — столь велики запасы кислорода в атмосфере Земли.

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов