Книга: Биокосные системы Земли

Общие черты биокосных систем

Общие черты биокосных систем

Биокосные системы различаются по степени сложности — уровням организации материи. К наиболее низкому уровню принадлежат почвенные горизонты (А₁, А₂, В₁, В₂ и т. д.) и аналогичные части илов, водоносных горизонтов, кор выветривания. Это допочвенный уровень организации. К почвенному уровню, кроме самой почвы, автор относит илы, коры выветривания, водоносные горизонты, однородные водные массы рек, озер, морей. Более высокий уровень организации присущ ландшафтам (ландшафтный уровень), среди которых Б. Б. Полынов предложил различать элементарные и геохимические ландшафты (два уровня). Наконец, к надландшафтному уровню относятся артезианские и речные бассейны, моря, океаны и другие биокосные системы. Здесь, несомненно, существует своя иерархия (несколько уровней). И наконец, у основания пирамиды уровней находится биосфера — самая крупная и самая сложная биокосная система Земли. Биокосные системы, относящиеся к разным уровням организации, изучаются разными науками, достаточно далеко отстоящими друг от друга в официальной классификации знания (почвоведение, география, гидрогеология и т. д.). Вместе с тем все биокосные системы имеют много общих черт. Напомним, например, что десульфуризация протекает и в почвах (болота, солончаки), и в илах, и в водоносных горизонтах, и в морской воде (в Черном море, в фиордах Норвегии). То же можно сказать об оглеении, окислении сульфидов, процессах засоления, огипсования, карбонатизации и многих других.

Отсюда становится понятным сходство геохимических классификаций почв, илов, кор выветривания, водоносных горизонтов и поверхностных вод. Действительно, все эти биокосные системы характеризуются одинаковыми или близкими термодинамическими условиями — температурой, давлением. Во всех системах развивается биологический круговорот атомов, для них характерна водная среда в качестве основной среды миграции. По существу, во всех случаях мы классифицируем одно и то же образование — природные воды в их различных формах. Поэтому, отмечая существование в биосфере отдельных биокосных систем, необходимо не только подчеркивать их различия, но и выявить то общее, что их объединяет в одну категорию природных образований.

Особое положение среди рассмотренных биокосных систем занимают ландшафты, сущность которых заключается в биогенной аккумуляции элементов — образовании живого вещества. Однако в ландшафтах протекают и противоположные процессы разложения органических веществ, что сближает их как тип систем с почвами, илами, корами выветривания и т. д. Именно поэтому классы ландшафтов совпадают с классами почв и илов.

И наконец, к принципиально иным — биологическим системам относятся живые организмы, для которых характерны иные поля устойчивости химических соединений: белки, витамины, ферменты и другие органические соединения устойчивы только в организме и разрушаются после его смерти.

Вещество, энергия, информация. Геохимия изучает биокосные системы на атомарном уровне и в трех основных аспектах. Прежде всего, нас интересует, как изменяется вещество в биокосных системах, т. е. как мигрируют атомы. Но не менее важен и энергетический аспект — те сложные превращения энергии, которые при этом происходят. Вещественно-энергетическая картина мира, как известно, выявилась уже в середине XIX столетия, и тогда же изучение вещества и энергии стало основой методологии всех естественных наук. Прошло 100 лет, и в середине XX столетия, в годы научно-технической революции, выявился третий важнейший аспект изучения природы — информационный.

«Информация» — одно из фундаментальных научных понятий того же ранга, что «вещество», «энергия», «пространство», «время». По мнению акад. А. И. Берга, информационные процессы сопровождают все превращения вещества и энергии. При характеристике биокосных систем следует использовать такие «информационные» понятия, как целостность, структура, сложность, устойчивость, саморегуляция, обратная связь и т. д. Информационные показатели биокосных систем устанавливаются на основе методов кибернетики и теории информации.

Итак, чтобы осветить геохимию биокосных систем, необходимо ответить на три основных вопроса: как мигрируют атомы в биокосных системах? как при этом превращается энергия? как изменяется информация? Несомненно, что главная составная часть биокосных систем, определяющая их своеобразие и сущность протекающих в них процессов, это живое вещество, совокупность живых организмов. В каждой биокосной системе протекает биологический круговорот атомов (сокращенно: бик), в ходе которого атомы входят в состав живых организмов и заряжаются энергией, становятся геохимическими аккумуляторами. Вторая ветвь бика — разложение органических веществ и переход атомов снова в минеральное состояние. При этом поглощенная солнечная энергия выделяется в тепловой и работоспособной химической форме. Именно за счет химической работы происходят почвообразование, выветривание горных пород и другие процессы, о которых уже говорилось в этой книге. «Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу», — писал Вернадский[22].

Разложение органических веществ — это сквозной процесс, характерный для всех биокосных систем, процесс, поставляющий в систему свободную энергию, делающий систему неравновесной. Именно поэтому биокосные системы — это неравновесные системы, и, чем энергичнее идет в них разложение органических веществ, чем больше разлагается этих веществ, тем дальше система от равновесия. Неравновесность наблюдается всюду, но особенно резко она выражена в ландшафтах теплого и влажного климата, где энергично протекает бик. Вспомним черные тропические реки и озера, «коричневые реки» и озера нашей тайги, где в одной и той же системе находятся и сильные восстановители — органические вещества, и сильный окислитель — свободный кислород. Но и биосфера в целом химически резко неравновесна (кислородная атмосфера + органические вещества). Постоянное поглощение солнечной энергии, перевод ее в химическую работоспособную форму определяет информационные особенности биокосных систем — сложность, дифференциацию, самоорганизацию, рост в них разнообразия. Достаточно сравнить в этом отношении однообразную толщу горной породы и сформировавшуюся на ней резко дифференцированную на горизонты почву (А₁, А₂, B₁, B₂, В₃ и т. д.). Напомним, что в почве на расстоянии нескольких сантиметров меняются pH, содержание отдельных элементов, окислительно-восстановительные условия. Итак, биокосные системы — это системы, богатые информацией.

В нашей книге рассматриваются явления преимущественно с позиций геохимии. Нетрудно показать, что и в других отношениях, например по особенностям механических процессов, биосфера также глубоко неравновесна. Постоянно текущие реки, морские течения, ветры, переносящие воздушные массы, свидетельствуют о резкой механической неравновесности биосферы.

Окислительно-восстановительная и кислотно-щелочная зональность. Биологический круговорот атомов представляет собой окислительно-восстановительный процесс, и именно поэтому главные черты всех биокосных систем определяются окислительно-восстановительными реакциями. В каждой системе наблюдается зональность, которая характерна и для биосферы в целом: окислительная зона (атмосфера, ландшафт в целом, океаны и моря, частично водоносные горизонты), восстановительная зона (многие илы морей и океанов, глубокие подземные воды).

Наряду с живым веществом другим важнейшим компонентом биокосных систем является вода, которая также участвует в круговоротах различного масштаба и продолжительности.

Существенно, что в различных биокосных системах обнаруживаются одни и те же классы водной миграции, типоморфные элементы. Например, кислые системы характерны и для почв, и для коры выветривания, и для илов, и для водоносных горизонтов, и для ландшафтов. То же относится к сернокислому, кальциевому, кислому глеевому и другим классам. Это также свидетельствует о принадлежности биокосных систем к одной группе явлений, об их единстве.

С круговоротом воды и водной миграцией связано существование в биокосных системах кислотно-щелочной зональности. Кислотную обстановку в биосфере создают углерод (угольная и органические кислоты), сера (H₂S, H₂SO₄), в частных случаях — хлор (HCl) и фтор (HF). Остальные анионогенные элементы не имеют существенного значения из-за их низкого среднего содержания в земной коре (кларков). Но и у названных четырех элементов кларки очень невелики и, во всяком случае, намного меньше, чем у главных катионов, формирующих щелочную среду:

Таким образом, в литосфере явно наблюдается дефицит кислотообразующих элементов, среди которых ведущую роль в верхней части литосферы играет углерод.

Разложение органических веществ микроорганизмами поставляет в биокосные системы угольную и органические кислоты, которые и являются существенным источником кислой реакции. Важным источником углекислого газа на глубинах являются также процессы разложения карбонатов. В верхней части биосферы локальным источником сернокислой среды служит окисление пирита и других дисульфидов.

При взаимодействии кислых вод с горными породами преобладающие по массе катионы горных пород нейтрализуют кислоты. В результате гидролиза происходит подщелачивание раствора, так как угольная и органическая кислоты являются кислотами средней или слабой силы, в то время как главные катионы образуют сильные основания. Так, при взаимодействии кислых вод с горными породами кислая среда сменяется щелочной. В результате в различных частях биосферы возникает кислотнощелочная зональность — смена кислотных горизонтов щелочными. Наиболее изучены эти явления в почвах, коре выветривания и илах.

Во всех районах влажного и теплого климата в элювиальных почвах происходит быстрое разложение растительных остатков, в связи с чем в верхние горизонты почв поступает много гумусовых кислот и углекислого газа. Оснований для их нейтрализации, как правило, не хватает, и в горизонте А почв возникает кислая и слабокислая среда (рН = 4,0—6,5). По сравнению с атмосферными осадками кислотность возрастает в десятки и сотни раз. Мигрируя в нижние горизонты почвы, эти кислые растворы взаимодействуют с минералами горных пород, разлагают их с освобождением сильных катионов — кальция, натрия, магния, калия и др. В результате кислоты частично или полностью нейтрализуются, pH повышается. Так в элювиальных почвах гумидных ландшафтов возникает кислотно-щелочная зональность.

Но принципиально сходная картина наблюдается и в черноземных, и в болотных, и во многих других почвах: в верхних горизонтах среда более кислая (или менее щелочная), чем в нижних.

Кислотно-щелочная зональность характерна и для илов, механизм ее возникновения и последовательность горизонтов, в общем, те же, что и в почвах (более кислые горизонты сверху, менее кислые — снизу).

Четко выражена кислотно-щелочная зональность в коре выветривания влажных тропиков, в верхние горизонты которой просачиваются кислые растворы из почвы. В нижней части коры создастся нейтральная или даже щелочная среда, обусловленная как принесенными сверху катионами, так и продуктами разложения первичных минералов нижних горизонтов. Особенно наглядна эта кислотно-щелочная зональность в древней коре выветривания ультраосновных пород Урала. Из верхних горизонтов коры — зоны охр и нонтронитов магний выносился, и там господствовала кислая реакция, а в нижних горизонтах — «выщелоченных серпентинитах» и «зоне дезинтеграции» он осаждался в форме магнезита, доломита, гидромагнезита, керолита, магниевого монтмориллонита и даже брусита — Mg(OH)₂ (последний только в зоне дезинтеграции). Так в результате приноса магния сверху в нижних горизонтах возникала щелочная среда, а в коре выветривания в целом — кислотно-щелочная зональность. Следовательно, кислое выщелачивание, удаляя катионы из верхних горизонтов, приводило к развитию щелочной среды в нижних горизонтах.

Кислотно-щелочная зональность характерна и для водоносных горизонтов, и для водных масс рек, озер, морей и океанов. Конкретные формы зональности различны, но ее причины везде обусловлены процессами разложения органических веществ, биологическим круговоротом атомов.

Геохимические барьеры. Как мы убедились, геохимия много внимания уделяет физико-химическим обстановкам биокосных систем, выделяя сернокислый, кислый, кальциевый, содовый и прочие их классы. Отдельные классы господствуют на огромных пространствах. Например, все воды Мирового океана относятся к одному соленосному классу. Постепенно выявилась необходимость изучения границ между геохимическими обстановками, т. е. тех участков, где один класс сменяется другим. Нередко к подобным границам приурочены концентрации химических элементов. Такие границы автор в 1961 г. предложил именовать геохимическими барьерами, которые можно определить так же, как участки земной коры, где на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и как следствие их концентрация (рис. 29).

Понятие о геохимических барьерах является одной из методологических основ изучения процессов образования руд, а следовательно, и решения такого важного практического вопроса, как прогнозирование месторождений полезных ископаемых, т. е. выделение района для поисков данного типа руд. На этой основе намечается возможность прогнозирования новых генетических типов рудных месторождений, еще неизвестных в природе. Не менее велико значение понятия о барьерах и для выяснения природы геохимических аномалий, для разработки методики поисков месторождений. Это понятие важно и для решения проблем охраны природы и борьбы с загрязнением окружающей среды.

Те участки земной коры, которые мы теперь именуем барьерами, конечно, и раньше привлекали внимание ученых, но только как конкретное проявление различных процессов, как частные случаи. Теперь же они рассматриваются с общих позиций — как самостоятельный объект исследования, особое научное понятие. При классификации геохимических барьеров автор исходил из представлений о формах движения материи, что позволило выделить четыре основных типа барьеров — механические, физико-химические, биогеохимические (накопление элементов организмами) и техногенные. К последним относятся концентрации элементов, связанные с хозяйственной деятельностью человечества. Рассмотрим более подробно физико-химические барьеры.

Рис. 29. Геохимические барьеры в биосфере.

1 — механические; 2 — физико-химические; 3 — биогеохимические; 4 — техногенные; 5 — глубина проникновения кислородных вод в литосферу

Матричный принцип систематики концентрации элементов на физико-химических барьерах. Концентрация химических элементов на этих барьерах зависит, с одной стороны, от класса барьера, а с другой — от состава вод, поступающих к барьеру. На сочетании этих двух факторов и построена систематика типов концентрации элементов (табл. 6). В таблице отмечены элементы, легко мигрирующие в отдельных классах вод, а также «запрещенные ассоциации», миграция которых сильно затруднена или практически невозможна. Каждый тип концентрации обозначается двойным символом, включающим класс барьера и класс вод (например, A5, В1). Понятно, что на барьере концентрируются не все элементы, подвижные в данном классе вод, а только некоторые из них. Они тоже указаны в таблице.

Кислородные и глеевые воды могут различаться по окислительно-восстановительным условиям, т. е. возможны слабоокислительные и резкоокислительные воды, слабоглеевые и резкоглеевые и т. д. Отсюда следует, что из слабоглеевых вод возможно осаждение элементов на глеевом барьере (с резкоглеевой средой). Эта комбинация и отмечена в табл. 6 (C5—C8). Из кислородных вод также возможны концентрации элементов на кислородном барьере (А1—А4).

Однако некоторые сочетания в природе не встречаются, как, например, E1, Е2 (при встрече сильнокислых кислородных вод с кислым барьером элементы не концентрируются). Как видим, предлагаемая систематика построена по матричному принципу, который «организует мысль» и позволяет выделять новые типы концентраций, еще не установленные в природе, т. е. прогнозировать. В таблице выделено 86 типов концентраций элементов, однако некоторые из них пока не установлены. Пользуясь таблицей-матрицей, можно наметить условия их образования и сказать, где (в каких условиях) искать.

Рудные месторождения и геохимические аномалии образуются на барьерах. С каждым типом концентрации (от А1 до H12) связано образование геохимических аномалий. Значительно реже на барьерах образуются месторождения полезных ископаемых, т. е. такие крупные концентрации, извлечение которых из недр оправдано экономически. Но из этого не следует, что геохимические аномалии не представляют практического интереса — часто они являются хорошими поисковыми признаками месторождений.

В тех местах, где глеевая обстановка на коротком расстоянии сменяется окислительной кислородной, например в краевых зонах болот, в местах разгрузки глубинных глеевых вод по разломам возникает кислородный геохимический барьер (А), на котором происходит окисление Fe²⁺ и Mn²⁺. В результате образуются плохо растворимые гидроокислы трехвалентного железа (Fe³⁺) и четырехвалентного марганца (Mn⁴⁺).

Как показали исследования Ф. В. Чухрова, при быстром окислении железа глеевых вод сначала образуется минерал-эфемер — ферригидрит 2,5Fe₂O₃ ? 4,5H₂O, по кристаллической структуре сходный с гематитом. В процессе окисления важную роль играют особые железобактерии.

Тип А6 встречается почти повсеместно в лесных ландшафтах влажного климата. Большое количество разлагающихся органических веществ приводит здесь к широкому распространению оглеения в почвах, илах, грунтовых водах. Кислые глеевые воды обогащены Fe²⁺, Mn²⁺, органическими кислотами, придающими воде цвет крепкого чая. Там, где такие воды выходят на земную поверхность, например у основания склона, возникает кислородный барьер, осаждаются гидроокислы железа и марганца в виде конкреций и пластов бурых железняков. Глеевые грунтовые воды нередко разгружаются на дне рек и озер, где также возникает кислородный барьер.

Геохимик Т. Т. Тайсаев показал, что в Бурятии вблизи месторождений полезных ископаемых гидроокислы железа нередко обогащены рудными элементами. Это объясняется тем, что гидроокислы железа являются коллоидными минералами и легко сорбируют из воды многие металлы. Поэтому, анализируя гидроокислы железа на участках кислородных барьеров, можно искать месторождения. Это особая разновидность геохимических методов поисков рудных месторождений.

Глубинные восходящие глеевые воды, поднимаясь по разлому в месте контакта с кислородными водами, встречают кислородный барьер, на котором также осаждаются гидроокислы железа и марганца, приводящие к развитию ожелезнения в зонах разломов (рис. 30).

Нейтральные и щелочные глеевые воды характерны для районов распространения пород и почв, содержащих CaCO₃, например для болотных вод лесостепи и черноземных степей. Здесь железо менее подвижно, чем в тайге, а марганец подвижен. Поэтому на кислородном барьере концентрируются преимущественно гидроокислы марганца, содержащие примесь железа (тип А7).

Тип А8 характерен для болот с содовыми водами. Типы А9—А12 возникают в местах разгрузки глубинных сероводородных вод — на контакте этих вод с кислородными подземными водами или с кислородом воздуха. Здесь особые бактерии окисляют сероводород до элементарной серы. Эти явления широко распространены на выходах сероводородных источников. В прошлые геологические эпохи в местах длительной разгрузки сероводородных вод возникали месторождения самородной серы, как, например, в Туркмении (Гаурдак, Серные Бугры), Ферганской долине (Шорсу). Образование сероводородных вод особенно энергично идет на участках нефтяных месторождений (углеводороды — пища для бактерий), где развиты гипсы — источник сульфатов. Поэтому именно к таким местам и приурочены серные месторождения (типы А11 и А12, рис. 31).

В местах, где кислородные или глеевые воды встречают на пути своего движения сероводородную обстановку, или сульфиды, возникают сероводородные, или сульфидные барьеры (В). Образование сероводорода, как мы убедились, в основном связано с деятельностью бактерий, реже при этом имеют место химические реакции. Сероводородные (сульфидные) барьеры имеют большое практическое значение, так как на них образуются рудные тела некоторых месторождений меди, урана, селена и других элементов. Еще чаще встречаются геохимические аномалии этих элементов.

Если на возвышенности располагаются рудные тела, содержащие сульфиды железа, никеля, кобальта, меди и других металлов, то окисление этих руд приводит к образованию сернокислых грунтовых вод, обогащенных металлами. Двигаясь в сторону депрессий рельефа, такие воды встречают торфяное болото у подножия склона, где бактерии восстанавливают SO₄^2- с образованием Н₂S. В результате в краевой зоне болота возникает сероводородный барьер, на котором концентрируются принесенные металлы. Так образуется геохимическая аномалия В1, оторванная от оруденения, которая служит важным поисковым признаком месторождений (рис. 32). Эти явления были изучены в районе медно-никелевых месторождений Кольского полуострова.

В зонах окисления сульфидных месторождений наблюдается и вертикальная миграция сернокислых растворов, которые, реагируя с первичными сульфидами, также дают сероводород:

MeS + H₂SO₄ ? MeSO₄ + H₂S.

В результате в нижней части зоны окисления возникает сероводородный барьер, на котором осаждаются металлы, вынесенные из зоны окисления. Так образуются вторичные богатые сульфидные руды, местами представляющие главную ценность месторождения. В ряде случаев осаждение происходит и без участия сероводорода вследствие других процессов, но с обязательным участием сульфидов. Формирование этой зоны вторичного сульфидного обогащения связано, в частности, с обменными реакциями типа

CuSO₄ + MeS ? CuS + MeSO₄.

Большое значение приобретают и различные микрогальванические пары, т. е. электрохимические явления. Поэтому можно говорить о сульфидном барьере, частным случаем которого является и сероводородный барьер.

Во многих озерных, морских и океанических илах, а также в морских осадочных породах встречаются сульфиды железа (пирит) и реже других металлов. Это позволяет утверждать, что в илах существовал сероводородный барьер, на котором из слабощелочной, морской или иловой воды осаждались металлы (тип В3, отчасти В7). Напомним, что особенно энергично эти процессы протекали в конце рифея в так называемую вендскую эпоху и в начале палеозоя — в кембрии, ордовике, силуре (680—410 млн. лет назад). Именно в это время во многих морях шло накопление илов, обогащенных сульфидами металлов.

Подробно изучен тип концентрации В3, с которым связано образование урановых руд в водоносных горизонтах артезианских бассейнов. Как показали исследования, сероводородный барьер здесь возникает на выклинивании зоны пластового окисления. Уран и его спутники — селен и молибден — осаждаются из инфильтрующихся вод. В сходных условиях могут формироваться и концентрации типа В4, менее ясны типы В5—B8, они еще подлежат изучению.

Рис. 30. Аккумуляции типа А6.

1 — кислые глеевые воды. Кислородные барьеры: 2 — у основания склона; 3 — на дне озера; 4 — в зоне разлома

Рис. 31. Схема формирования месторождения самородной серы в местах длительной разгрузки сероводородных вод (A11)

Рис. 32. Геохимическая аномалия типа В1.

1 — сернокислые грунтовые воды, обогащенные металлами; 2 — торфяное болото; 3 — сероводородный барьер; 4 — сульфидный барьер в нижней части зоны окисления; 5 — вторичные сульфидные руды

Глеевые барьеры (С) возникают в местах встречи кислородных и сероводородных вод с глеевой средой. Они характерны для таежных, тундровых, степных и тропических болот, для глубоких водоносных горизонтов, но изучены пока слабо.

Исключительно распространены в биосфере щелочные барьеры (Д), которые возникают в местах повышения pH среды, например при смене сильнокислой обстановки на слабокислую или слабощелочной на сильнощелочную. Однако наиболее контрастны барьеры в местах перехода от кислой среды к щелочной.

Табл. 6. Типы концентрации элементов на геохимических барьерах

Тип Д1 формируется, например, при окислении сульфидных руд, залегающих в известняках (рис. 33). Образующиеся при этом сернокислые растворы, несущие железо, медь, цинк и другие металлы, взаимодействуют с вмещающими карбонатными породами и усредняются. В результате повышения pH на щелочном барьере осаждаются гидроокислы и карбонаты металлов, как, например:

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 (SiO₃^2-), селен (SeO₃^2-), молибден (MoO₄^2-), германий (GeO₃^2-) 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.)

На участках нефтяных залежей также нередко наблюдаются глубокие разломы, по которым глубинные «нефтяные воды» поступают к поверхности. В геохимическом отношении эти воды очень своеобразны — часто обогащены йодом и бромом, органическими веществами, содержат мало сульфатов, которые съедены бактериями. Поэтому и в солончаках над нефтяными залежами мало гипса, сравнительно много йода, органических веществ нефтяного происхождения (нафтеновые кислоты и пр.). Аномалии относятся к типам F7, F8, F11 и F12. Отсюда естествен вывод, что геохимическое изучение солончаков в степях и пустынях может помочь искать нефтяные залежи.

Такой почвенно-геохимический метод поисков нефти был разработан в 50-х годах советским почвоведом В. А. Ковдой. Например, исследования в районе месторождения Нефтечала показали, что в солончаках над нефтяной залежью по сравнению с другими солончаками преобладают хлориды, мало гипса, почва в два раза богаче йодом и т. д. Дальнейшее совершенствование этого метода и его практическое применение весьма актуальны, особенно в связи с большим объемом поисковых работ в Средней Азии и других аридных районах.

Особый характер приобретают испарительные барьеры в степях и пустынях с действующими вулканами или там, где вулканизм развивался в недавние геологические времена — четвертичном или неогеновом периодах (приблизительно до 25 млн. лет назад, что составляет менее 1% всего периода геологической истории). В таких районах местами распространены глубинные щелочные горячие воды, содержащие повышенные количества бора, лития, мышьяка, вольфрама и других ценных элементов. В местах испарения таких вод солончаки обогащены многими рудными элементами; образуются целые промышленные месторождения. Особую славу в этом отношении приобрел солончак (соленое озеро) Сёрлз в Калифорнии (США), рассолы которого содержат литий, бор, калий, бром, вольфрам, мышьяк, фтор, сурьму и другие редкие элементы. Эта аномалия относится к типу F12.

Мы рассказали о современных испарительных барьерах, о геохимических аномалиях, образующихся в настоящее время. Но в сухих степях и пустынях встречаются и древние аномалии, которые формировались сотни тысяч и миллионы лет назад. Изучение таких аномалий также необходимо для решения различных практических вопросов.

Читатель уже знает, что в Казахстане широко распространена кислая выщелоченная древняя кора выветривания, которая формировалась более 100 млн. лет назад в мезозойскую эру. В то время на месте современных степей и пустынь росли влажные тропические леса, развивалось кислое выщелачивание. Из коры выветривания выносились не только кальций, магний и другие макроэлементы, но и многие рудные микроэлементы, как, например, медь, цинк, свинец. Поэтому при геохимических поисках в районах развития древней коры выветривания пробы, взятые на анализ из коры, показывают очень низкое содержание металлов. Но иногда наблюдается и более высокое содержание, например для молибдена, стронция, цинка. Естественно, возникает вопрос: что, это указатель на залегающие на глубине руды или же опять безрудная аномалия?

Исследования Н. А. Шмельковой показали, что часто в местах повышенного содержания микроэлементов древняя кора обогащена гипсом и легкорастворимыми солями. Было доказано, что древняя кора через много десятков миллионов лет после своего образования подверглась процессам засоления. Геологические факты свидетельствуют, что в Казахстане влажный климат в неогене сменился засушливым и там, где 150 млн. лет назад были тропические леса, 10—15 млн. лет назад господствовала саванна, напоминающая современные ландшафты Нигера, Мали и других стран Африки. В неогеновых отложениях обнаружены остатки жираф, носорогов и прочих представителей фауны саванн. Таким образом, древнее засоление еще более древней коры выветривания привело к накоплению в ней молибдена и других микроэлементов. Следовательно, при геохимических поисках надо отличать засоленную кору выветривания от незасоленной.

Следы древнего засоления встречаются и в осадочных породах в виде огипсованных горизонтов, часто залегающих на глубине 10 м и более от поверхности. Это преимущественно остатки солончаков, которые существовали на равнинах Средней Азии и Казахстана сотни тысяч и миллионы лет назад. Изучение таких горизонтов особенно необходимо при орошении новых территорий. Ведь при орошении поверхностные воды вполне могут проникнуть на глубину 10 м и более. Там они растворят соли, которые в дальнейшем при испарении грунтовых вод поднимутся к поверхности и засолят почву. В результате орошение вместо пользы принесет большой вред. Поэтому в районах, намеченных к орошению, не только изучают современный почвенный покров, но и всю толщу рыхлых отложений на глубину в десятки метров. Необходимо выяснить, нет ли там ископаемых испарительных барьеров — древних аккумуляций солей, которые человек неосторожно через много лет может вовлечь в миграцию.

Сорбционные барьеры (G) возникают в тех местах биосферы, где воды соприкасаются с сорбентами — веществами, способными поглощать (сорбировать) из растворов растворенные газы, ионы и молекулы.

Геохимическое значение сорбции очень велико, так как в результате этих процессов химические элементы извлекаются из «недосыщенных вод», из которых не могут образоваться самостоятельные минералы данных элементов. Для некоторых редких элементов сорбция — почти единственный и самый важный механизм концентрации в биосфере. Например, редкий металл рубидий никогда не насыщает природные воды, и науке неизвестны собственные минералы рубидия. Но глины могут поглощать рубидий из вод, и в результате за геологическое время в глинах хотя и в слабой степени, но все же концентрируется этот металл. Сорбция глинами играет важную роль и в истории другого редкого щелочного металла, соседа рубидия по периодической системе, — цезия.

Помимо почв сорбционные барьеры очень характерны для глинистых илов океанов, морей, озер, для торфяных болот, водоносных горизонтов (на их контакте с водоупорными породами).

Нередко на одном и том же участке биосферы формируются барьеры различных типов, например сорбционный и кислородный. Мы уже рассказали о кислородном барьере, который был изучен в Бурятии. На нем из глеевых вод осаждались гидроокислы железа. Это аномалия А6. Но гидроокислы железа — хорошие сорбенты для мышьяка, ванадия и других элементов. Поэтому здесь же образуется и сорбционный барьер, аномалия G6. В целом на таких участках формируются совмещенные геохимические барьеры — кислородно-сорбционные и совмещенные аномалии А6—G6.

На участках окисляющихся сульфидных руд с характерными для них сернокислыми водами формируются сорбционные аномалии типа G1 с концентрациями меди, цинка, серебра и других металлов. Здесь в глинах иногда накапливается до 1% меди (по современным кондициям это медные руды), но каких-либо медных минералов обнаружить не удается. Аномалии G2 особенно характерны для таежных ландшафтов и влажных тропиков с их кислыми водами, a G3 и G4 — преимущественно для степей и пустынь. На дне морей и океанов преобладают G3, но встречаются и G11 (например, в глубоких зонах Черного моря, где вода заражена сероводородом). В илах содовых озер развиты аномалии G4. Понятно, что для каждого вида аномалии характерна сорбция определенной группы химических элементов, их парагенная ассоциация.

В последние годы обнаружена чрезвычайно интересная разновидность сорбционного барьера в рыхлых отложениях, перекрывающих рудные месторождения. Поиски таких «перекрытых руд» теперь приобретают особую важность, так как большинство месторождений, выходящих на поверхность, уже обнаружено. Вместе с тем под лёссом, морскими и речными глинами и другими осадочными породами на вполне доступной глубине залегает еще немало руд. Однако видимых признаков на земной поверхности такие месторождения не имеют.

Советские геохимики С. П. Албул, Л. В. Антропова, Г. Ф. Ларионов, Ю. Е. Сает и др. доказали, что во многих рудных провинциях СССР в почвах над перекрытыми месторождениями существуют геохимические аномалии меди, свинца, никеля и других рудных элементов. Эти аномалии обнаруживаются только с помощью различных вытяжек (уксуснокислых, содовых и др.), и интенсивность их очень мала. Все же они отчетливо выделяются, и, следовательно, рудное тело посылает нам сигнал о своем существовании через десятки метров перекрывающих глин. Аномалии, несомненно, имеют сорбционную природу, они чаще всего относятся к типу G3. Как они образовались, пока остается загадкой. Можно только предполагать, что от рудного тела медленно, в течение целых геологических периодов осуществляется миграция рудных элементов к земной поверхности вместе с поровыми растворами или же диффузионным путем. Однако непонимание природы явления не исключает возможности его практического использования (природа электричества тоже была понята позже изобретения динамо-машины). Сейчас в практику внедряется новый метод геохимических поисков перекрытых месторождений на основе определения рудных элементов в вытяжках из почв и глин.

Термодинамические барьеры (Н) — так автором названы участки концентрации химических элементов в местах резкого изменения температуры или давления. Наиболее изучены явления понижения давления в водах, богатых углекислым газом и ионом HCO₃^-.

Углекислые подземные воды широко распространены не только в биосфере, но и в земной коре в целом; часто они имеют высокую температуру, в них легко растворяются многие металлы, образующие бикарбонаты (известные только в растворе): Ca(HCO₃₎₂, Fe(HCO₃₎₂, Pb(HCO₃₎₂ и т. д. Точнее, надо сказать, что в воде находятся ионы металлов и HCO₃^-, например: Са²⁺ + HCO₃^-и т. д. При выходе таких вод на поверхность давление CO₂ понижается, бикарбонаты переходят в труднорастворимые карбонаты. В результате на этом термодинамическом барьере происходит осаждение карбонатов:

Так образуются многие концентрации известковых туфов (травертинов). Например, к югу от Ленинграда расположено плато, сложенное известняками. Подземные воды в известняках насыщены бикарбонатом кальция, а в местах их выхода на поверхность отлагаются известковые туфы. Аналогичные явления известны во многих районах. Это преимущественно аномалии типа Н3 и Н7.

Местами на H-барьере накапливаются грандиозные массы известняков. Всем, посещавшим Пятигорск, хорошо известна Горячая гора, на склонах которой и в наши дни выходят горячие углекислые сероводородные источники. Известняки, слагающие Горячую гору, отложились за геологическое время на термодинамическом барьере. Это тип H11.

Интересный пример аномалии, сформировавшейся на термодинамическом барьере (Н3), изучила Л. Д. Кудерина на полиметаллическом месторождении Жайрем в Центральном Казахстане. Рудные тела здесь приурочены к палеозойским отложениям и перекрыты толщей кайнозойских глин и песков. Глины разбиты разломами, в которых наблюдаются повышенные концентрации свинца и марганца. Кудерина предположила, что при образовании разломов по ним поднимались гидрокарбонатные воды, содержащие РЬ(HCO₃₎₂ и Mn(HCO₃₎₂. Высокое содержание CO₂ в водах связано с окислением сульфидных руд на глубине и взаимодействием образующейся H₂SO₄ с вмещающими известняками: CaCO₃ + H₂SO₄ ? CaSO₄ + H₂O + CO₂. В приповерхностной части разломов давление углекислого газа понижалось, карбонатное равновесие нарушалось, что и приводило к осаждению на термодинамическом барьере свинца и марганца (повышенное содержание марганца характерно для руд).

Техногенные геохимические барьеры. Барьеры возникают не только в ходе природных процессов, но и в результате хозяйственной деятельности человека. Например, при вскрытии угольных пластов шахтами нередко образуются сернокислые воды, так как многие угли содержат пирит. Этот «кислый водоотлив» шахт является важной технической проблемой, так как кислые воды разрушают металлические предметы в шахтах; поступая в реки, они губят рыбу. Но если на пути миграции шахтных вод поместить карбонатные породы, то на этом техногенном щелочном геохимическом барьере будут задержаны вредные соединения кислой природы, образуется искусственная геохимическая аномалия тина Д2.

Многие металлургические и химические комбинаты, тепловые электростанции также имеют вредные отходы, которые могут быть задержаны на техногенных барьерах.

Таким образом, техногенные барьеры должны помочь борьбе с загрязнением окружающей среды. Их необходимо создавать вокруг промышленных предприятий, особенно с вредными выбросами, и таким путем локализовать загрязнение, не дать ему распространиться на значительную площадь.

Техногенные геохимические барьеры можно использовать и для создания искусственных месторождений полезных ископаемых. Человечество в этом отношении имеет некоторый опыт, так как уже в древности с помощью дамб отгораживали небольшие участки моря, где происходило усиленное испарение морской воды и осаждение поваренной соли. Вероятно, следует рассмотреть возможность образования искусственных месторождений полезных ископаемых и на других техногенных барьерах.

Науки, изучающие отдельные биокосные системы, возникли в разное время, нередко независимо друг от друга, на основе различной конкретной методологии. Вместе с тем объекты исследования всех этих наук относятся к одной группе природных явлений. Отсюда следует вывод о перспективности общего учения о биокосных системах, основы которого были заложены в трудах В. В. Докучаева, В. И. Вернадского, Б. Б. Полынова.

Автор стремился обобщить представления о биокосных системах, хорошо сознавая, что это только начало. Потребности практики, и в первую очередь решения проблем защиты окружающей среды, требуют дальнейшего развития учения о биокосных системах. Если это направление научной мысли заинтересует читателя и книга послужит толчком для новых исследований, то автор будет считать свою задачу выполненной.