Книга: Биокосные системы Земли

Илы — подводные почвы

Илы — подводные почвы

Во многом аналогичны почвам речные, озерные и морские илы. «Ил... является природным телом, у которого существует очень глубокая аналогия с почвой. Это подводные почвы, где гидросфера занимает место атмосферы», — писал в 1936 г. В. И. Вернадский[7]. Как и почвы, илы зависят от климатических (главным образом термических) условий и в своем размещении подчиняются закону зональности. Они содержат коллоидную фракцию, в них протекают обменные реакции, по вертикали илы расчленяются на горизонты (рис. 6). Однако в отличие от почв илы — это двухфазные системы (твердая + жидкая фаза), они растут снизу вверх и, следовательно, не имеют материнской породы. В образовании илов, как правило, не принимают участия высшие растения, илы характеризуются постоянным увлажнением. Все это определяет меньшее разнообразие илов по сравнению с почвами, их большую однородность в пространстве. (Вспомним, как сильно различаются почвы по условиям увлажнения — от крайне сухих почв пустынь до постоянно влажных болотных почв тайги и тундры, как различаются почвы в одном и том же районе, на гранитах, известняках, базальтах, кварцевых песках, сланцах и других горных породах.)

Рис. 6. Расчленение ила по вертикали под влиянием микробиологической деятельности, диффузии и других процессов на горизонты (I, II, III, IV) — аналоги почвенных горизонтов (по Н. М. Страхову, 1954).

1 — формирование минеральных новообразований; 2 — интенсивность деятельности бактерий и их ферментов; 3 — перераспределение вещества в осадках с образованием цемента и конкреций; 4 — уплотнение осадка (литификация); 5 — дегидратация водных минералов и перекристаллизация

Николай Михайлович СТРАХОВ (род. в 1900 г.)

Изучение илов составляет важную задачу геологии, которая видит в них первую стадию формирования осадочных горных пород. Особенно большое значение в этом отношении имеют труды акад. Н. М. Страхова.

Илы — биокосные системы, так как они содержат органические остатки, являются ареной деятельности многочисленных роющих животных (илоедов и др.) и, наконец, что самое главное, содержат огромное количество микроорганизмов, разлагающих органические остатки. Поэтому илы, как и почвы, это — неравновесные динамические биокосные системы, богатые свободной энергией. Сущность илообразования заключается в разложении органических веществ, в окислительно-восстановительных реакциях. И для илов характерна окислительно-восстановительная зональность (рис. 7).

В соответствии с принципом централизации при геохимической классификации илов автор главное значение придает составу верхнего горизонта ила. Среди илов отчетливо выделяются три ряда: окислительный, глеевый и сульфидный (сероводородный).

Рис. 7. Зональность илов океана (вверху) и озера Байкал (внизу) (по Н. М. Страхову, 1960, упрощено).

О — окислительная зона; В — восстановительная зона: слабовыраженная (вертикальная штриховка) и сильновыраженная (клетка); 1 — окислы железа, окрашивающие окислительную зону в бурый цвет; 2 — участки, обогащенные железом и марганцем; 3 — железомарганцевые конкреции; 4 — равномерно окрашенные слабожелезистые ржавые пятна; 5 — марганцевые (черные) пятна; 6 — вивианитовые пятна

Окислительные, глеевые и сероводородные илы. Окислительные илы образуются в океанах, морях, озерах и реках — всюду, где в илах господствуют кислородные воды, создаются условия для перемешивания вод. Окислительная среда характерна для прибрежных песков, зоны волнений, но она также распространена и на больших глубинах, где мало органических остатков, а холодная вода богата растворенным кислородом. Так, например, около 50% площади дна Тихого океана покрыто «красной глубоководной глиной». Этот ил осаждается на глубинах более 4500 м с очень малой скоростью — за 1000 лет образуется лишь несколько миллиметров ила.

Окислительные илы преимущественно имеют желтую, бурую, красную окраску, обязанную гидроокислам трехвалентного железа.

Глеевые илы характерны для озер, расположенных во влажном климате, например в тундре, тайге, влажных тропиках. В этих ландшафтах продуцируется много органического вещества, а сульфатов в водах мало. Здесь развивается восстановительная обстановка без сероводорода (глеевая). Железо и марганец восстанавливаются, илы приобретают сизую, зеленоватую, серую, охристо-сизую окраску. В глеевых илах накапливается много органического вещества; к таким илам относятся типичные сапропели (гнилые озерные илы).

Сероводородные (сульфидные) илы широко распространены в морях и океанах, озерах степей и пустынь, где преобладают сульфатные воды, развивается десульфуризация, продуцируется H₂S, образуются сульфиды железа. Эти илы имеют серый, черный и синеватый цвет (за счет гидротроилита — FeS ? nH₂O).

К сульфидному ряду относится синий ил океанов и морей, открытый еще в XIX в. экспедицией Челленджера. Он распространен на глубине от 200 до 5000 м, содержит рассеянное органическое вещество, пирит и гидротроилит.

Геохимические типы илов. Несомненно, что на илы оказывает влияние термическая зональность климатов. Например, окислительные илы мелководных полярных бассейнов отличаются от окислительных илов мелководий тропиков с их теплыми водами. Здесь различны и скорость микробиологических процессов разложения органических остатков, и состав самих остатков (иные флора и фауна). Аналогично глеевые илы тундры отличаются от глеевых илов влажных тропиков. Все это позволяет говорить о типах илов, различающихся по интенсивности биологического круговорота атомов, о зональности илов. Но зоны илов существенно отличаются от почвенно-растительных зон. Так, хотя тундровой зоне соответствует особый тундровый тип почв, один и тот же тип илов распространен и в тундре и в тайге. В качестве первого приближения можно выделить тины илов по географическим поясам (илы холодного, умеренного и жаркого поясов). К типу холодного пояса относятся также глубоководные илы морей и океанов, районов многолетней мерзлоты. Однако таксономическое значение широтной поясности для геохимической классификации илов недостаточно ясно. Возможно, ее роль проявляется не на уровне типа, а слабее.

Классы илов. Эта таксономическая единица выделяется на основе представлений о типоморфных элементах и ионах, т. е. так же как геохимические классы почв (см. табл. 1). Основное значение здесь имеют щелочно-кислотные условия илов, в связи с чем в каждом ряду можно выделить: 1) сильнокислые, 2) кислые и слабокислые, 3) нейтральные и слабощелочные, 4) сильнощелочные (содовые) илы. По солености выделяются маломинерализованные (кальциевые) и сильноминерализованные соленосные (натриевые) илы.

Распространение рядов и классов озерных и речных илов СССР показано на схематической карте (типы илов не выделены). В озерах преобладают глеевые и сульфидные илы, в реках — окислительные (рис. 8). Рассмотрим несколько примеров.

Илы глеевого ряда особенно характерны для озер тундры и тайги. Здесь господствуют слабокислые и нейтральные глеевые илы. Тундровые и лесные озера богаты жизнью. В них для окисления остатков растений и животных не хватает кислорода. В результате разложение органических веществ замедляется, чему способствует и холодный климат. Постепенно на дне озера накапливается сапропель. Он богат органическими соединениями (в тихих лесных озерах — до 99%), среди которых обнаружены белки, витамины (например, В₁₂) и другие биологически активные вещества. Образование сапропеля в северной половине европейской части СССР началось после отступления ледника, т. е. более 10 000 лет назад (местами намного раньше). За это время накопился слой ила мощностью в несколько метров (максимум до 30). Сапропель представляет большую хозяйственную ценность как прекрасное местное удобрение для полей, подкормка для свиней и других домашних животных, наконец, лечебная грязь. На берегах некоторых озер с сапропелем организованы бальнеологические лечебницы.

Вместе с тем за счет накопления сапропеля происходит заиливание некоторых озер, вода их становится непригодной для водоснабжения. Поэтому очень выгодно использование сапропеля в народном хозяйстве, так как одновременно производится очистка озер. Запасы сапропеля в озерах лесной зоны очень велики. Его использование — хороший пример мобилизации внутренних ресурсов ландшафта для улучшения окружающей среды.

Среди нейтральных и слабощелочных глеевых илов преобладают карбонатные илы. Они особенно характерны для лесостепной и северной частей степной зоны. В таежной и тундровой зонах карбонатные глеевые илы образуются на участках развития известняков, доломитов, карбонатной морены и других пород, содержащих карбонаты. Это илы озер Заонежья, районов развития пермских красноцветов Приуралья и т. д. Подобные «карбонатные сапропели» еще более ценны в хозяйственном отношении, чем ранее описанные.

Рис. 8. Геохимические ряды и классы илов.

1 — окислительные, реже глеевые илы (нейтральные, слабокислые); 2 — окислительные и глеевые илы (кислые, нейтральные); 3 — окислительные и глеевые илы (нейтральные и слабощелочные); 4 — глеевые, реже окислительные илы (кислые, нейтральные); 5 — глеевые, реже окислительные и сульфидные илы (содовые, нейтральные, слабощелочные); 6 — сульфидные илы (нейтральные и слабощелочные), реже окислительные и глеевые

Сероводородные (сульфидные) илы распространены в соленых и солоноватых озерах степей и пустынь. Содержание органических веществ в сульфидных илах различное, местами очень небольшое, но его все же достаточно для восстановления сульфатов иловой воды, образования H₂S и его производного — гидротроилита. Илы имеют черный цвет (цвет гидротроилита). Сульфидные илы представляют большую ценность в бальнеологическом отношении (их свойства те же, что и черных соленых грязей солончаков). Именно черные сульфидные, богатые органическими веществами илы составили славу Сакского озера в Крыму (около Евпатории), Одесских лиманов, Тамбуканского озера под Пятигорском и многих других знаменитых грязевых курортов.

Загадки ископаемых илов. Большинство осадочных горных пород образовалось из былых озерных, морских и речных илов. Изучая породы, нетрудно восстановить и облик исходных илов. Как правило, это те же илы, что и известные нам по современным водоемам. Однако в древних водоемах были и неизвестные в нашу эпоху («вымершие») илы.

Особенно интересны в этом отношении черные металлоносные углеродистые сланцы венд-нижнепалеозойского возраста (680—410 млн. лет назад). Черным цветом сланцы обязаны органическим соединениям и графиту, сланцы содержат пирит. Исходные морские илы, несомненно, относились к сульфидному ряду, и в них развивалась десульфуризация, продуцировался сероводород. В дальнейшем илы преобразовались в черные глины, а эти последние при процессах горообразования были метаморфизованы и превращены в сланцы. В отличие от современных сульфидных илов сланцы значительно обогащены никелем, ванадием, молибденом, ураном, серебром, медью, свинцом и другими металлами. Правда, содержания металлов не столь велики, как в рудных месторождениях, и обычно не превышают 0,01%, но все же в 10 раз и более выше, чем в обычных морских глинах.

Черные металлоносные сланцы широко распространены на материках, и суммарные запасы металлов в них громадны. Поэтому нетрудно предположить, что человечество, исчерпав запасы богатых руд, приступит к эксплуатации сланцев. Недаром наш крупнейший специалист по рудным месторождениям С. С. Смирнов (1895—1947) называл сланцы рудами будущего.

Но в чем же заключается загадка черных сланцев, если установлено, что морские илы формировались в сероводородной среде? Ведь такие илы известны и в современных морях. Неясен до сих пор источник редких металлов, хотя кое-что ученым удалось установить. Изучая сланцы, многие исследователи пришли к выводу, что накопление осадков в морях прошлого происходило очень медленно, значительно медленнее, чем накопление обычных глинистых илов. Например, американский геолог В. Мак-Келви полагает, что исходный материал черных сланцев накапливался со скоростью 1 м за 600 тыс.—3 млн. лет, а обычных морских глин — 1 м за 2 тыс. лет. Рудные элементы, возможно, приносились с прилегающей суши или поставлялись подводными вулканами.

Интересно, что и после нижнего палеозоя в морях осаждались металлоносные илы, например в верхнепермских морях Западной Европы (тип «мансфельдских сланцев»), миоценовых морях США и т. д. Однако распространение их было значительно менее широким и в целом после силура (около 400 млн. лет назад) накопление металлоносных илов в морях уменьшалось.

С изучением черных сланцев связана еще одна важная научная проблема. Как полагает член-корр. АН СССР А. И. Тугаринов, такие сланцы в ходе дальнейшей истории местами подвергались воздействию магматических процессов, и металлы из них переходили в горячие газоводные растворы. Поднимаясь к земной поверхности, эти растворы отлагали в трещинах земной коры богатые металлические руды.

Так, по Тугаринову, могли образоваться рудные гидротермальные месторождения в местах, где раньше были широко распространены черные металлоносные сланцы.

Немало загадок таят в себе и красноцветные осадочные породы, цвет которых обусловлен тонкими пленками окислов и гидроокислов железа, облекающих, как рубашкой, глинистые, пылеватые и песчаные частицы. Геологические исследования показали, что красноцветы формировались в условиях сухого климата и представляют собой преимущественно осадки былых озер, речных долин, склонов.

Возраст этих пород очень различен. Известны красноцветы, образовавшиеся более 1 млрд. лет назад, но есть и «совсем молодые», неогеновые красноцветы, с возрастом в несколько миллионов лет. Неизвестны только современные красноцветы: в четвертичном периоде, начавшемся около 1 млн. лет назад, накопление красноцветов прекратилось. Как и черные сланцы, красноцветы — это вымершие породы.

Красный цвет пород говорит о том, что они образовались из красноцветных илов с окислительной средой. Очевидно, в водоемах было мало живых организмов, так как в противном случае их остатки привели бы к развитию восстановительной обстановки в илах. Действительно, в красноцветных породах обычно находят мало следов растительных и животных организмов. Многие красноцветные илы осаждались в содовых озерах. Это, например, было доказано нашими исследованиями в Каракумах, где осадки неогеновых озер содержат минерал доломит и имеют другие признаки былого содового состава вод.

Аналогичны наблюдения и по другим районам распространения красноцветов — неогеновым красноцветам Казахстана, пермским — Приуралья (в Приуралье в красноцветах был даже обнаружен минерал термонатрит — Na₂CO₃H₂O, являющийся прямым признаком содовой среды).

В физической химии доказывается, что, чем щелочнее среда, тем труднее восстанавливаются химические элементы, в том числе и трехвалентное железо. Поэтому содовый состав озерной воды должен был затруднять восстановление железа, способствовать сохранению окислительной среды в илах. С другой стороны, сильнощелочная среда, вероятно, не благоприятствовала жизни, в связи с чем содовые озера неогена были бедны организмами. Все это могло благоприятствовать сохранению окислительной среды, накоплению в озерах красноцветных илов.

Итак, возможно, что многие красноцветные илы в неогене накапливались в содовых озерах, хотя не исключается и иной состав воды. В более ранние геологические эпохи жизнь в засушливых районах была развита слабее, чем в неогене, здесь илы могли быть бедны остатками организмов при любом составе вод.

Все же причины осаждения красноцветных илов в озерах геологического прошлого и причины отсутствия четвертичных красноцветов еще во многом не разгаданы. Можно не сомневаться, что дальнейшие геохимические исследования доставят много новых фактов, необходимых для решения этого вопроса.