 |
|
|
ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА |
Глава 28 ВОЗДУШНЫЕ МИГРАНТЫ
|
Смотрите также:
История атомов и география - Перельман
Биографии геологов, почвоведов
|
Углерод — С (6; 12.0111)
При кларке земной коры 2,3.10~2% углерод интенсивно накапливается в биосфере — в чистых известняках его 12%, в живом веществе — 18, в древесине — 50, в каменном угле — 80 (28.3). В земной коре преобладающая часть атомов углерода сосредоточена в известняках и доломитах. Однако исключительная геохимическая роль углерода определяется не кларком и не миграцией, а тем, что он геохимический аккумулятор солнечной энергии. В ходе круговорота этот аккумулятор "заряжается" при фотосинтезе и "разряжается" при разложении органических веществ, обогащая биосферу свободной энергией (28.4).
Разница между органическими и неорганическими соединениями углерода значительна — это два полюса круговорота углерода. В живом веществе и во многих продуктах его разложения углерод входит в состав крупных органических молекул. Его способность создавать цепочки атомов определяет большое разнообразие органических соединений, число которых измеряется сотнями тысяч. Часть этих соединений входит в состав живого вещества и устойчива лишь в поле жизни. Вне организма они, в частности, белки, витамины, гормоны, быстро разлагаются. Другие органические соединения — битумы, гумусовые вещества — исключительно устойчивы в биосфере.
В неорганических соединениях углерод преимущественно связан в углекислом газе и его производных — карбонатах. Принципиальное различие органических и неорганических форм соединений — характерная особенность химии углерода.
В биосфере из углекислого газа, воды и минеральных солей за счет солнечной энергии зеленые растения синтезируют органические соединения (фотосинтез). Часть этого органического вещества, разлагаясь при дыхании и минерализации органических остатков, снова превращается в углекислый газ. Динамическое равновесие между живым веществом и углекислым газом Вернадский назвал жизненным циклом
Накопленные при фотосинтезе органические вещества окисляются не полностью, они преобразуются и сохраняются в осадочных породах в виде гумуса, бурых и каменных углей, сапропелей, битумов и других горючих ископаемых. Часть этого органического углерода также окисляется микроорганизмами в почвах, илах, водоносных горизонтах и таким образом геологически быстро включается в круговорот. Другая часть органического углерода сохраняется в осадочных породах на протяжении геологических периодов и даже эр.
Например, в недрах содержатся угли, обязанные фотосинтезу, протекавшему в ландшафтах девонского и каменноугольного периодов палеозойской эры (350 — 270 млн. лет назад). В горючих ископаемых углерода в тысячи раз больше, чем в живом веществе. Следовательно, круговорот углерода не замкнут, значительная часть его атомов надолго изымается из круговорота. Это имеет огромное геохимическое значение, так как только захоронение углерода делает возможным существование свободного кислорода в атмосфере. Если бы при круговороте все органические вещества полностью окислялись, то весь кислород, выделившийся при фотосинтезе, израсходовался бы на окисление.
Погружаясь на большие глубины, органические вещества метаморфизуются и превращаются в графит, нефти и другие соединения углерода. Еще больше углерода захороняется в осадочных известняках (СаСОз) и доломитах (СаСОз . MgCC>3). Эти процессы начались еще в докембрии, т.е. миллиарды лет назад, когда морские водоросли накапливали карбонат кальция. Погружаясь в областях складчатости на большие глубины, карбонатные породы метаморфизовались, превращались сначала в мрамор, а затем при более высоких температурах разлагались с выделением углекислого газа. Так, в магму, в зону метаморфизма, в глубокие подземные воды поступал углекислый газ. В ряде стран обнаружены залежи глубинного углекислого газа, выделение которого иногда приводит к катастрофическим последствиям. Так, в 1986 г. в Камеруне на берегах озера Ниос в результате выброса со дна озера удушливых газов (в основном углекислого) погибло более 1700 человек. И после катастрофы придонные слои воды были им насыщены. Происхождение этого газа связывают с вулканизмом.
В осадочных породах установлены сотни различных органических соединений, среди которых выделяются углистая и битумная группы. Их изучение составляет предмет органической геохимии, в которой уже оформились геохимия угля и геохимия нефти и горючих газов.
Основоположником геохимии угля был В.М. Гольдшмидт. По Я.Э. Юдовичу в золах угля по сравнению с другими осадочными породами концентрируется не менее 50 элементов: в десятки тысяч и тысячи раз — Ge, Au, U, Cd, Bi, W, As, Sb; в тысячи и сотни раз — Hg, Be, Cu, Sn, Pb, Zn, Mo, что ведет к загрязнению окружающей среды при сжигании углей. Происхождение этих концентраций различно, как полезные ископаемые пока имеют практическое значение Fe, Al, U, Ga, Pb, Ge, Zn, Mo, Au. Проводятся исследования и по геохимии торфа.
В горючих газах абсолютно преобладает метан, огромные количества которого сосредоточены не только в газовых залежах, но и растворены в подземных водах.
Очень велико значение фульвокислот и других органических соединений, растворенных в природных водах биосферы. Обладая высокой химической и биохимической активностью, они обогащают воды свободной энергией, повышают их агрессивность — способность разрушать горные породы, выщелачивать из них подвижные соединения. В некоторых ландшафтах органическое вещество составляет главную массу растворенных соединений. Таковы, например, поверхностные и грунтовые воды равнин влажных тропиков, тайги, тундры, которые по цвету напоминают крепкий чай.
Углеводороды газов и нефти участвуют в общем круговороте — в биосфере установлены не только процессы их генерации, но и окисления, осуществляемые различными бактериями.
Слабее изучены другие газообразные органические соединения биосферы. Их роль в общем балансе соединений углерода невелика, но геохимическое значение значительно. Напомним в этой связи о фитонцидах — ароматах цветущих лугов, сосновых лесов, полынной степи, лимонных рощ, т.е. запахах ландшафтов.
Везде, где разложение органических веществ протекает без доступа свободного кислорода, развиваются анаэробные микроорганизмы, поглощающие кислород из минеральных и органических соединений. В результате образуются восстановленные формы элементов и соединений: H2S, СН4, Н2, Fe2+, Мп2+ и т.д. В таких местах часто возникают восстановительные барьеры В и С. Особенно характерны С-барьеры (глеевые) для тундры, тайги, влажных тропиков и других ландшафтов влажного климата. Они часто формируются в краевой зоне болот, почвах, илах озер. В водоносных горизонтах В и С барьеры образуются в любом климате на выклинивании зоны пластового окисления, на водонефтяном контакте, на участках разрушающихся нефтяных и газовых залежей, на периферии угольных залежей и т.д. На этих барьерах в биосфере (как правило, глубже ландшафта) осаждается большая группа элементов: на сероводородных барьерах все халькофильные элементы, Fe, U, Мо, на глеевых барьерах — U, V, Se Re.
Геохимия неорганического углерода в биосфере — это в основном геохимия углекислого газа и его производных.
Напомним, что источником его является, с одной стороны, вулканизм и другие эндогенные процессы, а с другой — окисление органических веществ. Поэтому везде, где энергично разлагаются органические вещества, продуцируется много углекислого газа. Так, если в атмосфере его содержится 0,03 об.%, то в почвенном воздухе — уже несколько процентов, в болотных газах — 6, в газах нефтяных и угольных месторождений — около 2 об.%. В гидросфере углекислый газ составляет 66,3% от всех растворенных газов, в осадочной оболочке — 88,6% (включая НСО3-).
Растворяясь в воде, углекислый газ образует угольную кислоту — важный фактор выветривания. Иногда даже говорят об углекислотном выветривании (под влиянием гидрокарбонатных вод), противопоставляя его сернокислотному (в зоне окисления сульфидов). В XIX в. сам процесс выветривания нередко трактовался как "борьба между угольной и кремневой кислотами за обладание основаниями".
В чистом виде углекислотное выветривание наблюдается только в карбонатных породах, чаще оно сопряжено с действием органических кислот и других реагентов. Поэтому правильнее говорить о кислотном выветривании, кислом процессе.
При уменьшении парциального давления углекислого газа и увеличении температуры создаются условия для выделения его из воды, сдвига карбонатного равновесия. Так возникает термодинамический Н-барьер, на котором осаждаются различные карбонаты, и в первую очередь кальцит (в связи с высоким кларком кальция и его большой ролью в биологическом круговороте). Этот барьер характерен для выходов углекислых источников с отложениями травертинов — известковых туфов. Кроме кальцита на нем осаждаются карбонаты Fe и Мп в виде основных карбонатов, а также многие металлы, например, Си в виде малахита CuC03 . Си(ОН)2 и азурита — 2CuC03 . Си(ОН)2.
Значительно меньше в биосфере роль оксида углерода СО, который в очень небольших количествах содержится в болотных газах. В ландшафте оксид углерода химически инертен, очень ядовит: уже при концентрации 0,1% создается угроза для жизни человека, а при содержании в воздухе 1% он погибает в несколько минут.
В земной коре известны три изотопа углерода: два стабильных — 12с и 13с и один радиоактивный — 1^С с периодом полураспада 5600 лет. При фотосинтезе растения избирательно поглощают легкий изотоп 12с. Поэтому, изучая отношение 12с : 1^С, решают различные геохимические задачи.
Радиоактивный изотоп углерода 14С образуется в атмосфере из азота под влиянием космических лучей. Его содержание в воздухе ничтожно — около 2.10" об.%. Определяя содержание 14С в ископаемой древесине, определяют ее абсолютный возраст (до 70 тыс. лет). Это "радиоуглеродное датирование" нашло применение в археологии, четвертичной геологии, почвоведении. Например, было определено время различных стадий отступления ледника, который на севере Эстонии был еще 11 200 лет назад, уточнены исторические даты Древнего Египта, установлен возраст гумуса почв. Органическая и неорганическая формы углерода существуют около 4 млрд. лет. Хотя в докембрийских породах углерод часто находится в форме графита, различные методы указывают на его первичную биогенную природу. В породах, возрастом около 3,5 млрд. лет, обнаружены уже следы бактерий и сине-зеленых водорослей. В докембрии эти водоросли, отложившие толщи известняков, изъяли из атмосферы огромные массы углекислого газа. В то время в морях захоронялись и органические вещества.
В докембрии происходило энергичное "углекислое и углеводородное дыхание земной коры". Углекислый газ поступал в атмосферу и гидросферу при метаморфизме осадочных пород, что во многом определяло особенности климата, выветривания и осадкообразования. В промежутках между эпохами метаморфизма шло интенсивное накопление осадков и поглощение углекислого газа из гидросферы и атмосферы. Захоронение углекислого газа в карбонатных породах и его выделение при метаморфизме было важным фактором развития биосферы и рудогенеза. При метаморфизме пород, содержащих органические вещества, выделялись и углеводороды.
Распространение организмов на материках, появление древесных растений знаменовало новый качественный этап в истории углерода. В конце девонского периода возникли лесные ландшафты и захоронение больших масс древесины привело к накоплению углей.
Если деятельность зеленых растений и животных с известковым скелетом приводила к удалению углекислого газа из атмосферы, то вулканизм поставлял в атмосферу огромное его количество, т.е. действовал в противоположном направлении. Поэтому эпохи энергичного вулканизма характеризовались высоким содержанием углекислого газа в атмосфере и гидросфере, усилением фотосинтеза и накопления органического углерода в осадках. О связи вулканизма и углеобразования писал в 20-х годах геолог Д.Н. Соболев, на роль вулканизма в поддержании жизни указывал еще в XIX столетии шведский химик С. Аррениус.
М.И. Будыко, А.Б. Ронов и A.JI. Яншин рассмотрели историю углекислого газа и кислорода в атмосфере. Изучение осадочных формаций показало, что в последние 600 млн. лет (с начала фанерозоя) установилась зависимость между объемами вулканитов и карбонатных осадков. На этой основе была построена кривая изменения содержания углекислого газа в атмосфере фанерозоя от 0,1 до 0,4%. Эти данные указывают на преобладание теплых климатов (парниковый эффект). Около 25 млн. лет назад в неогене началось падение содержания углекислого газа и климат похолодал (см. также гл. 15 и 16).
Все это позволило наметить следующую цепь событий в эпохи энергичного вулканизма: вулканизм и поступление углекислого газа в атмосферу и гидросферу — потепление климата за счет парникового эффекта — усиление фотосинтеза и биологической продуктивности ландшафтов и океана — энергичное разложение растительных остатков и формирование мощной коры выветривания, вынос из нее подвижных элементов — накопление органических илов с последующим углеобразованием и концентрацией в углях парагенной ассоциации элементов, выщелоченных из коры выветривания и почв (восстановительные — В и С и сорбционный — G-барьеры) — интенсивная миграция Fe в глеевой среде, образование сидеритов и белых каолинов — карбонатонакопление в морях (А.И. Перельман).
В ходе геологической истории все больше и больше захоронялось органического вещества, рассеянного в породах, а также в форме залежей углей, горючих сланцев, битумов и нефти. На это указывает существование в современной биосфере девонских и более молодых углей, органического углерода в докембрийских отложениях. Все эти вещества были пищей для микроорганизмов, и, следовательно, в ходе геологической истории усиливались и микробиологические процессы, обогащавшие подземные воды углекислым газом, сероводородом и другими химически активными реагентами. Поэтому со временем усиливалась геохимическая деятельность подземных вод, изменявших горные породы, приводящая к образованию т.н. эпигенетических месторождений U, Си и других металлов.
На круговорот углерода сильно повлиял техногенез. Считается, что концентрация С02 в атмосфере увеличилась с 0,280% в доиндустриальный период (до 1800 г.) до 0,335% в настоящее время. С этим связывают парниковый эффект и глобальное потепление на земном шаре. Полагают, что к 2075 г. содержание С02 в атмосфере может возрасти до 0,6%. По данным ЮНЕП, антропогенные источники ежегодно поставляют в окружающую среду около 6 млрд. т углерода, т.е. 20 млрд. т С02, большая часть которого (около 80%) приходится на индустриальные страны северного полушария, в которых уголь, нефть и продукты их переработки широко используются как топливо. Трудно оценить все последствия этого процесса. Отметим потепление климата высоких широт, наступление леса на тундру, деградацию мерзлоты, таяние ледников в горах и ледниковых покровов в Арктике и Антарктике, повышение уровня Мирового океана, затопление густонаселенных приморских низменностей, повышение уровня грунтовых вод, рост заболачивания и засоления, увеличение интенсивности фотосинтеза и рост урожайности ("удобрение углекислым газом"), усиление углекислотного выветривания и карстовых процессов. Серьезную проблему представляет и загрязнение окружающей среды различными органическими соединениями, включающими канцерогены и мутагены, например ПАУ.
Внимание многих стран и международных организаций обращено на загрязнение океана нефтью, тонкая пленка которой затрудняет испарение и проникновение кислорода в воду (космические съемки показали, что 15 — 30% поверхности океана содержит нефтепродукты). Это чревато нарушением круговорота воды и изменением климата, понижением биологической продуктивности океана. Нефтяное загрязнение — угроза для рыб и птиц. На дне образуются настоящие пустыни.
Таким образом, в ноосфере миграция углерода по сравнению с биосферой не только резко усилилась, но и приобрела новые аспекты.
|
|
|
|
К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов
|
Последние добавления:
Шаубергер Виктор – Энергия воды
Агрохимик и биохимик Д.Н. Прянишников
Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы