Геохимия биосферы

электронный учебно-методический комплекс

Модуль 1. Предмет геохимии биосферы,
методы и место и место в системе наук

Тема 1.5. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОМПОНЕНТОВ БИОСФЕРЫ:
ЗЕМНОЙ КОРЫ, ГИДРОСФЕРЫ, АТМОСФЕРЫ
И ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Наиболее объективными являются данные по распространенности химических элементов в отдельных средах. Данные для Земли в целом в значительной степени гипотетичны из-за отсутствия точных сведений о химическом составе глубинных геосфер, и приводимые различными авторами значения существенно разнятся в зависимости от теоретических воззрений автора. К тому же, состав глубинных геосфер на процессы в географической оболочке и, соответственно, биосфере существенного влияния не оказывает. Мы уже знаем, что живое вещество распространено в пределах трёх геосфер: земной коры, атмосферы, гидросферы, а потому именно их химизм для нас и будет особенно важен. эволюции наружной части Земли.

Вы уже знаете, что в современном понимании биосфера – не среда жизни, а сверхсложная глобальная система, где в неразрывной связи существуют, с одной стороны, инертное вещество в твердой, жидкой и газовой фазах, а с другой – разнообразные формы живых организмов и их метаболиты. По определению В.В. Добровольского биосфера представляет собой единство живого вещества и пронизанной им наружной части земного шара. Живое вещество так же немыслимо без биосферы, как последняя без живого вещества.

Давайте немного подробнее познакомимся с особенностями химического состава основных компонентов биосферы: земной коры, гидросферы, атмосферы и собственно органического, в том числе, живого вещества.

Три наружные оболочки Земли, различающиеся фазовым состоянием – твердая земная кора, жидкая гидросфера и состоящая из газов атмосфера – теснейшим образом связаны между собой, причем вещество каждой из них проникает в пределы других оболочек. То есть они не просто соприкасаются - они взаимодействуют между собой. Верхняя часть земной коры насыщена подземными водами. Значительный объем газов находится не только в атмосфере, а растворен в водах гидросферы, а также заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, пары и мельчайшие капельки воды, а также мелкие твердые минеральные частицы (пыль) насыщают нижние слои атмосферы.

Живое же вещество и продукты жизнедеятельности организмов буквально пронизывают все вышеупомянутые оболочки. Происхождение оболочек, формирование их современного химического состава и его дальнейшая эволюция тесно взаимосвязаны. И эта связь в значительной мере обусловлена тем, что наружная часть планеты охвачена геохимической деятельностью живого вещества.

Масса земной коры оценивается в 28,46х10¹⁸ т, гидросферы – 1,47х10¹⁸ т ( т.е. почти в 20 раз меньше), а атмосферы – всего в 0,005х10¹⁸ т. Общая масса живого вещества по современным оценкам составляет лишь около 0,00001% массы земной коры. Таким образом, именно земная кора содержит основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы, в том числе, и под воздействием живого вещества. Концентрация и распределение химических элементов в земной коре оказывает сильное влияние на состав живых организмов.

1.5.1. Земная кора

Из первых трех геосфер ведущая роль, несомненно, принадлежит земной коре, так как её общая масса многократно превосходит суммарную массу двух других оболочек. Поэтому данные об относительном содержании того или иного химического элемента в земной коре можно в значительной мере считать и отражающими его содержание в биосфере в целом.

Наружная твердая оболочка Земли - земная кора более чем на 99% сложена всего 9 основными элементами:

O (47%), Si (29,5%), Al (8,05%), Fe (4,65%), Ca (2,96%), Na (2,50%), K (2,50%), Mg (1.87%), Ti (0,45%). В сумме – 99, 48%. Из них кислород является абсолютно преобладающим. Наглядно видно, сколько остаётся на все остальные элементы. Это – по массе, т.е в весовых процентах.

Есть и другой вариант оценки – по объёму (объёмные проценты). Вычисляется с учётом размеров атомных и ионных радиусов в конкретных минеральных соединениях, образуемых этими элементами. Содержания в земной коре наиболее распространённых элементов в объёмных процентах составляют (по В.М. Гольдшмидту):

O – 93,77%, K – 2,14%, Na – 1,60%, Ca – 1,48%, Si – 0,86%, Al – 0,76%, Fe – 0,68%, Mg – 0,56%, Ti – 0,22%.

Очевидны достаточно существенные различия в распределении атомов химических элементов по весу и объему:

в резком понижении относительного содержания Al и особенно Si (из-за малых размеров их атомов, а для кремния – в ещё большей мере ионов в его кислородных соединениях)
ещё более явно подчеркивается ведущая роль кислорода в литосфере (оксисфера по В.М. Гольдшмидту).
При этом выявлены «аномалии» в содержаниях некоторых элементов в литосфере:
«провал» в содержаниях наиболее лёгких элементов (Li, Be, B) – объясняется особенностями процесса нуклеосинтеза (преимущественное образование углерода в результате соединения сразу трёх ядер гелия);
относительно высокие содержания элементов, являющихся продуктами радиоактивного распада (Pb, Bi, а также Ar среди инертных газов).

В условиях Земли аномально низки содержания еще двух элементов: H и He. Это связано с их «летучестью». Оба эти элемента – газы, и, к тому же, самые легкие. Поэтому атомарные водород и гелий имеют тенденцию перемещаться в верхние слои атмосферы, а оттуда, не удерживаясь земным тяготением, рассеиваются в космическом пространстве. Водород до сих пор не потерян полностью, так как большая его часть входит в состав химических соединений – воды, гидрооксидов, гидрокарбонатов, гидросиликатов, органических соединений и др. А гелий, являющийся инертным газом, постоянно образуется как продукт радиоактивного распада тяжелых атомов.

Таким образом, земная кора по существу является упаковкой анионов кислорода, связанных друг с другом кремнием и ионами металлов, т.е. она состоит почти исключительно из кислородных соединений, преимущественно, из силикатов алюминия, кальция, магния, натрия, калия и железа. При этом, как Вы уже знаете, в составе литосферы 86,5% приходится на чётные элементы (данные Г. Оддо, Италия).

Наиболее распространенные элементы принято называть макроэлементами.

Элементы же, содержание которых составляет сотые доли процента и менее называются микроэлементами. Понятие это относительное, так как конкретный элемент может быть микроэлементом в одной среде, а в другой относиться к основным, т.е. макроэлементам (Например, Al в организмах –микроэлемент, а в литосфере - макроэлемент, железо в почвах – макроэлемент, а в живых организмах - микроэлемент).

Для обозначения величины содержания конкретного элемента в той или иной среде используется понятие «кларк». Этот термин связан с именем Ф.У. Кларка – американского геохимика, впервые предпринявшего на базе обширного аналитического материала вычисление средних содержаний химических элементов в различных типах горных пород и в литосфере в целом. В память о его вкладе А.Е. Ферсман в 1924 г. предложил именовать среднее содержание любого конкретного элемента в определённой вещественной среде кларком этого химического элемента. Единица измерения кларка – г/т (т.к. при низких величинах кларков многих элементов использовать процентные значения неудобно).

Наиболее сложной задачей является определение кларков для литосферы в целом, так как её строение, как Вам уже известно из курса общей геологии, очень неоднородно. Уточнение данных Ф.У. Кларка продолжалось на протяжении всего ХХ века. Наиболее точные значения распространенности элементов в земной коре удалось получить только после того, как стало возможным привлечь данные о строении океанического дна (с 60-х гг. ХХ в., когда начались работы по программе глубоководного океанического бурения). О том, что на современном этапе получена картина, достаточно полно отражающая реальное распределение химических элементов в литосфере, свидетельствует хорошая сходимость подсчётов, производившихся в последние 20-30 лет исследователями из различных стран, использовавшими разный набор исходных данных и различные методики осреднения. Противоречивыми остаются пока данные лишь по небольшому числу мало распространённых элементов, и уточнение их кларков ещё остаётся в числе задач будущих геохимических исследований.

Помимо знания кларков для литосферы в целом, в практике геохимических исследований необходимо также учитывать кларки для различных типов горных пород, поскольку специфика их химизма отражается на геохимической специализации развитых на этих породах ландшафтах. Сослаться на пример, приводившийся на семинаре.

Основной объём литосферы сложен силикатными и алюмосиликатными горными породами. Подчинённое значение имеют породы карбонатные, фосфатные, сульфатные, галогенные, сульфидные, алюмооксидные, железооксидные и другие ещё более редкие химические типы.

Существенные различия в геохимической специализации имеются и внутри этих типов горных пород (деление силикатов на кислые и основные).

В кислых относительно повышены концентрации Li, Be, Rb, TR, Ba, Tl, Th, U, Ta.

В основных – Cr, Sc, Ni, V, Co, Pt.

Часть элементов ведёт себя безразлично по отношению к изменению кремнекислотности горных пород.

Геохимические справочники содержат точные цифры кларков, вычисленных различными авторами. В практике геохимических исследований их точные значения бывают нужны не всегда. Но порядок этих значений для каждого элемента представлять необходимо.

Приведем порядок кларков различных элементов по В.Ф. Барабанову:

Более 10 000 г/т - O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

1000-10 000 - Mn, Ti.

100-1000 - C, F, P, S, Cl, Rb, Sr, Zr, Ba.

10-100 - Pb, Th, Y, Nb, La, Ce, Nd, Li, B, N, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga.

1-10 - Eu, Dy, Ho, Er, Yb, Hf, Ta, W, Tl, U, Ge, As, Br, Mo, Sn, Sc, Pm, Sm, Be.

0,1-1,0 - Cd, Bi, In, Tu, I, Sb, Lu.

0,01-0,1 - Ar, Se, Ag, Hg.

0,001-0,01 - Re, Os, Ir, Ru, Rh, Pd, Te, Pt, He, Au.

По этой градации элементы, имеющие кларки выше 1000 г/т будут относиться к макроэлементам. Те, у которых кларки ниже – микроэлементы.

Анализируя, приведенные цифры, можно придти к удивительным выводам. Так, из вышеприведенных данных отчетливо видно, что некоторые элементы, которые уже давно известны и широко используются человечеством, а соответственно, хорошо знакомые каждому из Вас, на самом деле являются очень редкими. В то же время, часть достаточно широко распространенных элементов практически не используется или используется пока очень слабо. Например, медь имеет значительно меньшую распространенность, чем цирконий; распространенность свинца сравнима с распространенностью галлия; а ртуть является более редкой, чем любой из так называемых редкоземельных элементов. Вместе с этим, относительно распространенными оказываются многие необычные на наш взгляд элементы. Так, рубидий находится в природе в количествах, сравнимых с никелем, ванадий – значительно более распространенный элемент, чем олово, скандий – чем мышьяк, а гафний более распространен в природе, чем йод!

Поэтому необходимо проводить четкое различие между распространенностью элемента и его «доступностью». Это связано с тем, что некоторые элементы, хотя и находятся в земной коре в заметных количествах, оказываются рассеянными в различных минералах, образованных другими элементами и никогда не встречаются в высоких концентрациях. В.И. Вернадский назвал их рассеянными элементами. Примерами могут быть рубидий, рассеянный в калиевых минералах и галлий в минералах алюминия. Другие элементы, например, титан и цирконий, хотя и образуют собственные минералы, воспринимаются нами как достаточно редкие. Дело в том, что минералы этих элементов обычно являются акцессорными, т.е. рассеяны в горных породах в незначительных количествах. Многие же сравнительно редкие элементы, такие как золото, медь, серебро, платина, свинец, цинк и др., известные с глубокой древности, не только образуют самостоятельные минералы, но и способны образовывать значительные скопления, т.е. концентрироваться в ходе природных процессов, что делает их сравнительно легко доступными для добычи и последующего использования человеком.

Учёт кларков безусловно необходим для правильного понимания закономерностей процессов миграции химических элементов. Различная распространённость элементов в природе имеет неизбежным следствием для многих из них наличие существенных различий в их поведении в лабораторных условиях и в природе. С уменьшением кларка снижается активная концентрация элемента, становится невозможным выпадение самостоятельной твёрдой фазы из водных растворов и других способов образования самостоятельных минеральных видов. Поэтому способность к самостоятельному минералообразованию зависит не только от химических свойств элемента, но и от его кларка. Химик в лаборатории для осуществления той или иной реакции берёт определённые (стехиометрические) соотношения реагирующих веществ, создавая тем самым условия, чтобы реакция прошла «до конца». В природе такие идеальные условия никогда строго не выдерживаются, и возможность осуществления тех или иных реакций, в части её зависимости от количественных соотношений реагирующих веществ, в значительной мере определяется кларками химических элементов.

Примеры:

S и Se – химически полные аналоги, а их поведение в природных процессах различно. S – ведущий элемент многих природных процессов. Сероводород играет большую роль в химических процессах, происходящих в донных осадках и в глубинах земной коры, в формировании месторождений ряда металлов. Сера формирует самостоятельные минералы (сульфиды, сульфаты). Селеноводород существенной роли в природных процессах не играет. Самостоятельные минералы класса селенатов и селенидов – уникальнейшая экзотика; селен находится в рассеянном состоянии как примесь в минералах, образуемых другими элементами. Аналогичны различия К и Cs, Si и Ge …

Вы уже знаете, что одно из важнейших отличий геохимии от химии в том, что геохимия рассматривает только те химические взаимодействия, которые реализуются в конкретных природных условиях. И учёт кларков (по крайней мере их порядков) в этом смысле является первоочередным требованием при любых геохимических построениях.

В то же время вы сами, безусловно, уже обратили внимание, что существуют, и даже достаточно распространены самостоятельные минеральные фазы целого ряда элементов с низкими кларками. Причина в том, что в природе существуют механизмы, позволяющие обеспечивать формирование повышенных концентраций тех или иных элементов, в результате чего их содержание в каких-то участках могут многократно превышать кларковые. Поэтому кроме кларка элемента нужно учитывать и величину его концентрации в сравнении с кларковым содержанием.

Для этого введено понятие «кларк концентрации» (или «коэффициент концентрации»). Последний термин более корректен, так как понятие кларка введено именно для средних содержаний, и лучше для характеристики содержаний повышенных такой же термин не использовать. Но всё же в литературе вы часто можете встретить именно термин «кларк концентрации».

КК – это соотношение содержания химического элемента в данном конкретном природном вещественном агрегате (горной породе и т.п.) к его кларку.

Примеры коэффициентов концентрации некоторых химических элементов в их рудных месторождениях:

Al – 3,7

Mn - 350

Cu - 140

Sn - 250

Zn - 500

Au – 2000

На этом основании элементы с низкими кларками подразделяются на две уже известные вам качественно различные группы. Те, для распределения которых не характерны высокие значениями КК, называются рассеянными (Rb, Ga, Re, Cd и др.). Способные формировать повышенные концентрации с высокими значениями КК – редкими (Sn, Be и др.).

Различиями в достигаемых величинах КК обусловлена разная роль тех или иных элементов в истории материально-технической деятельности человечества (с древности известные металлы с низкими кларками Au, Cu, Sn, Pb, Hg, Ag … - и более распространённые Al, Zr…).

Большую роль в процессах концентрации и рассеяния элементов в земной коре играет изоморфизм.

Подразделение химических элементов на макро- и микроэлементы, а последних – на редкие и рассеянные имеет большое значение, так как в природе далеко не все химические элементы образуют самостоятельные соединения. Это присуще главным образом элементам с высокими кларками, или с низкими, но способным локально формировать высокие концентрации (то есть редким). Возникает вопрос: где же и в какой форме тогда находятся в природе другие элементы, не образующие самостоятельных соединений? Ответ: в рассеянном состоянии в других химических веществах.

Вообще, нахождение в природе в рассеянном состоянии и повсеместно (только в различных концентрациях) – это свойство всех химических элементов. Этот факт впервые констатировал В.И. Вернадский, и он получил название закона рассеяния химических элементов Вернадского. Но часть элементов способна кроме рассеянной формы нахождения присутствовать в природе и в другой форме – в форме химических соединений. А элементы с низкими концентрациями присутствуют только в рассеянной форме.

Представить рассеянную форму просто, когда мы имеем дело с растворами или расплавами, где атомы или ионы различных элементов в основном присутствуют в свободном виде, не связываясь друг с другом. Но и в твёрдых, в том числе, и кристаллических минеральных веществах, которыми сложен основной объём литосферы, рассеянное состояние является нормой. Не следует думать, что кристаллические вещества – это только или в основном глубинные по происхождению, которые действительно чаще образуют видимые простым глазом правильные кристаллы. Любые даже мельчайшие частицы минеральных веществ, образующиеся в поверхностных условиях (например, минеральные частицы глинистых осадков) – это по внутренней структуре тоже вещества кристаллические, так что всё, о чём пойдёт речь дальше, в равной мере относится и к ним. Естественно, что в мире минеральных агрегатов рассеяние химических элементов не является равномерным, оно тоже подчиняется каким-то закономерностям, связанным с химическими свойствами элементов. В первую очередь, это распределение регулируется явлениями изоморфизма.

Изоморфизм – это способность близких по свойствам химических элементов замещать друг друга в переменных количествах в кристаллических решётках. Конечно, она свойственна не только микроэлементам. Но именно для них, в особенности для элементов рассеянных, она приобретает ведущее значение как основной фактор закономерности их распределения. Различают изоморфизм совершенный – когда взаимозаменяемые элементы могут замещать друг друга в любых соотношениях (ограничиваясь только соотношениями содержаний этих элементов в системе), и несовершенный – когда замещение возможно только до определённых пределов. Естественно, что чем ближе химические свойства, тем совершеннее изоморфизм.

Каким же условиям должна отвечать пара химических элементов, чтобы они были способны замещать друг друга в кристаллических соединениях?

Общность типа химической связи – то, что химики называют степенью ионности – ковалентности. Пример: хлориды и сульфиды – не изоморфны, а сульфаты с манганатами – изоморфны.
Однотипность химической формулы образуемых соединений и формируемой кристаллической решётки. То есть, если рубидий потенциально способен формировать соединения с теми же элементами, что и калий, и кристаллическая структура таких соединений однотипна, то атомы рубидия способны замещать атомы калия в его соединениях.
Близость ионных радиусов. Элементы с близкими химическими свойствами, но резко различающиеся друг от друга по размерам ионов, замещать друг друга напрямую не могут. Тот же рубидий по данному параметру близок к калию, а цезий – уже не очень (он значительно крупнее). Уточнение: «посредническая» роль промежуточных ионов, установленная украинским геохимиком В.В. Щербиной. Теллур не может напрямую замещать серу в сульфидах. Но если часть атомов серы уже замещена селеном, это приводит к небольшим деформациям кристаллической решётки (так как ион селена – немного крупнее, чем серы). И уже в этой деформированной решётке, где часть межатомных расстояний стала крупнее, возможно частичное замещение ионов селена ионами ещё более крупного теллура.

Различают изоморфизм изовалентный и гетеровалентный. Схемы изовалентного изоморфизма значительно проще. Потому открыт и изучен он был гораздо раньше гетеровалентного. При этом типе изоморфизма валентности замещающих друг друга элементов одинаковы (примеры – щелочные элементы, галогены). Первым ряды изоморфизма такого типа (то есть ряды элементов, способных замещать друг друга) наметил ещё Д.И. Менделеев. Но реализуемый в природе диапазон возможных изоморфных замещений зависит от термодинамических условий, следовательно – и от обстановок. На это обратил внимание В.И. Вернадский. В целом в глубинных процессах способность элементов к изоморфному замещению шире, чем в поверхностных. В начале ХХ в. В.И. Вернадский, изучив способности элементов изоморфно замещать друг друга в различных условиях, составил ряды изоморфизма (преимущественно изовалентного) для осадочных, метаморфических и магматических процессов. Для нас основной интерес представляет именно гипергенная (поверхностная) обстановка, где идут процессы выветривания и осадконакопления, поэтому здесь приведены примеры рядов Вернадского именно для этих условий.

Al – Fe – Cr

Br – J – Cl

V – P – As – Sb

Na – K – Rb – Cs

W – Mo

Mn – Fe – Zn

Pb – Tl

Ca – Mg

Механизм гетеровалентного изоморфизма несколько более сложен. Впервые на наличие такого типа изоморфизма обратил внимание в конце XIX в. Г. Чермак. Он доказал, что очень сложные химические формулы, получаемые для большинства минеральных соединений класса силикатов, являются таковыми именно по причине гетеровалентного изоморфизма, когда взаимно замещают друг друга целые группы атомов. Такой тип изоморфизма очень характерен именно для силикатных соединений.

Пример: NaAlSi₃O₈ – Ca Al₂Si₂O₈

Этим типом обусловлено существование так называемых «диагональных» рядов изоморфизма. Часто именно такое замещение является преимущественным, так как при нём возможно максимальное соответствие размеров ионных радиусов. В пределах изовалентных рядов, особенно привязанных к группам периодической системы (колонкам) размер ионов закономерно увеличивается сверху вниз по таблице Менделеева. В пределах периодов (рядов) – размер ионных радиусов также закономерно изменяется. То есть полного соответствия нет. А «по диагонали» близость этого параметра оказывается максимальной. Поэтому, скажем, взаимозаменяемость между натрием и калием в силикатах ограничена (является полной при высоких температурах, а при охлаждении происходит так называемый распад твёрдых растворов, то есть выделяются самостоятельные минеральные фазы). А между натрием и кальцием, по диагонали – неограниченная.

Другими вариантами нахождения рассеянных атомов элементов в земной коре являются их локализация в дефектах кристаллической решетки, в её полостях, а также - в сорбированном состоянии на поверхности других частиц, в том числе, и коллоидных.

1.5.2. Гидросфера

Водная оболочка - гидросфера (от греческого "гидрос" - вода) объединяет в себе моря и океаны, а также все водоемы в пределах суши: реки, ручьи, озера, болота и т.д., вплоть до мелких луж. Эта оболочка во много раз тоньше атмосферы. В океанах ее толщина в основном находится в пределах 4-5 км, лишь в самых глубоких местах достигая 10 км или чуть более. А обычная глубина водоемов на суше - всего лишь несколько метров, редко - десятки метров, а еще большей она бывает в совсем исключительных случаях. Но, несмотря на столь незначительные размеры, гидросфера играет важнейшую роль в формировании облика нашей планеты, в процессах, происходящих на ее поверхности.

Большая часть поверхности нашей планеты представляет собой водную оболочку (71% площади поверхности Земли приходится на Мировой океан). Можно сказать, что континенты как бы плавают в Мировом океане. Основные компоненты воды – водород и кислород. Гидросфера представляет собой прерывистую оболочку, образованную пресной, соленой и твердой водой. Она включает в себя океаны с морями и заливами, озера, воды рек и ручьев, грунтовые воды, а также снег и лед.

Наиболее обводнена именно географическая оболочка (а, соответственно, и биосфера), в которой вода является самым распространённым веществом. 97% (1 370 000 км3) общей массы воды в биосфере Земли сосредоточено в Мировом океане, средняя глубина которого около 3 800 м.. На долю пресной воды приходится всего 2%, причем лишь 0,025% (360 000 км³) пресной воды находится в жидком состоянии (в реках озерах и других водоемах, почве), 1,6% - это лед, а 4% - подземные воды, большая часть которых представляет собой глубинные рассолы.

Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Вода – самое удивительное природное соединение на Земле – источник жизни и условие ее формирования. Э. Дюбуа образно заметил, что «жизнь есть одушевленная вода». Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов», – писал В.И. Вернадский Вулканы Земли в совокупности выбрасывают в атмосферу около 40 миллионов тонн водяного пара. Любая минеральная частица, выглядящая вроде бы совершенно сухой, при нагревании примерно до 500° С растрескивается под давлением пара, в который превратилась вода, изначально содержавшаяся в микроскопических трещинках или включениях. В составе живых организмов вода вообще основной компонент (от 60 до 98% массы тела). Диапазон температурных условий в биосфере таков, что вода здесь может находиться в трёх различных состояниях (жидком, твёрдом и газообразном) и переходить из одного состояния в другое. Это придаёт процессам её круговорота особую динамичность и разнообразие.

Свойства воды резко отличают ее от всех известных веществ на Земле.

Вода – аномальное вещество. Причем. аномальны практически все свойства этой самой распространенной на Земле жидкости. Аномальны ее теплоемкость, коэффициент теплового расширения, величина поверхностного натяжения, температуры кипения и замерзания, диэлектрическая постоянная и т.д. По этим параметрам вода резко отличается от всех других известных жидкостей. У подавляющего большинства веществ твердая фаза тяжелее жидкой, а лед легче воды и плавает на ее поверхности. Причина – ажурная кристаллическая структура льда.

Многие «странности» воды объясняются своеобразием строения ее молекулы – самой маленькой из трехатомных молекул. Радиус молекулы воды лишь ненамного превышает радиус иона кислорода. Угол, между линиями, соединяющими протоны с центром атома кислорода, равен 105о. Такая структура обуславливает крайне неравномерное распределение зарядов в молекуле воды. Молекула воды является своеобразным диполем, один конец которого несет положительный заряд, а другой заряжен отрицательно. Таким образом, многие особенности воды объясняются наличием водородных связей.

Оказывается, нагретая вода даже после охлаждения некоторое время остается в метастабильном (активированном) состоянии и обладает повышенной способностью растворять многие вещества, например, карбонаты. Свойства воды во многом предопределяют свойства растворов, утверждал Д.И. Менделеев.

В.И. Вернадский считал воду особым минералом и выделял 485 ее видов, при этом он отмечал, что общее количество ее видов превышает 1500.

Все воды он разделил на 3 подгруппы: твердую воду (льды), газообразную (надземные и подземные пары) и жидкую. Среди жидких вод им были выделены классы пересных, соленых и рассольных вод. По физико-геологическим параметрам и характеру водовместилищ им были выделены царства, под царства и семейства вод:

Царства: поверхностных, подземных и глубинных вод.

Семейства: озерных, болотных, пластовых и др. вод.

По газовому составу: кислородные, углекислые. метановые, азотные. сероводородные, водородные воды и т.д.

Таким образом, классификация В.И. Вернадского учитывает не только геохимические особенности вод, но и физико-географические, а также геологические условия их распространения.

Все природные воды тесно связаны между собой и находятся в постоянном движении. Даже самые глубокие подземные воды участвуют в общем круговороте. Вода – самая универсальная и самая важная среда миграции. Все природные воды содержат растворенные газы, ионы недиссоциированные молекулы и коллоидные частицы. Вода – «это кровь земной коры».

Так как морская (точнее, океаническая) вода составляет основную массу гидросферы, именно ее состав без особой ошибки может быть принят за средний состав этой оболочки. Плотность этой воды нормальной солености при 0оС составляет 1,028. В океанических водах, помимо главных элементов - кислорода и водорода, входящих в состав самой воды, содержатся в растворенном состоянии многие химические элементы. Причем общее содержание количество растворенных соединений (или солей) в морской воде - соленость морской воды принято выражать в граммах на килограмм морской воды или в частях на тысячу (о/оо) или промилях. В открытом океане соленость колеблется в среднем около 35о/оо, поднимаясь до 40 о/оо в Красном море и Персидском заливе.

В результате настойчивой работы ученых многих стран был накоплен обширный аналитический материал, характеризующий содержание в воде морей и океанов не только главных, но и рассеянных химических элементов. Наиболее обоснованные сведения о Кларках элементов в морской воде приведены в работах А.П. Лисицына и К.Н. Туркиана.

Приведем для примера общее количество некоторых растворимых форм химических элементов, содержащихся в морской воде (в млн. т):

Cl – 26 513 610 000, Na – 14 746 680 000, SO₄^2- - 3 70 370 000, S – 1 216 300 000, HCO₃- - Mg – 1 776 890 000, Ca – 558 960 000, K – 530 190 000, 195 910 000, Br – 92 201 000, Sr -11 097 000, B – 6 096 000, Si – 4 110 000,….Mo – 13 700, Zn – 6 850, Fe -4658, Al – 1370,…Au – 15,1.

Как видно из приведенных данных, основную массу растворенных соединений составляют хлориды распространенных щелочных (в первую очередь, натрия) и щелочноземельных элементов, меньше содержится сульфатов, еще меньше гидрокарбонатов. Среди рассеянных элементов отчетливо доминируют бром, стронций, бор и фтор, в значительном количестве присутствуют йод и барий. В то же время, железо и алюминий, играющие роль главных элементов в земной коре, в океане имеют концентрацию более низкую, чем молибден и цинк!

Химические элементы в гидросфере находятся в разнообразных формах. Среди них наиболее характерны простые и комплексные ионы, а также молекулы, находящиеся в состоянии сильно разбавленных растворов. Распространены ионы, сорбционно связанные с частицами коллоидных и субколлоидных размеров, присутствующими в составе морской воды в виде тонкой взвеси. Особую группу составляют элементы органических соединений.

Морская вода также содержит в растворенном состоянии и газы. Поскольку атмосфера и гидросфера находятся в контакте, должно существовать определенное соотношение между количеством газов в растворе и их парциальным давлением в атмосфере.

Б. Мейсон приводит данные по концентрациям некоторых газов, растворенных в морской воде:

Кислород – 0 -9 мг/л, азот – 8,4-14,5 мг/л, углекислый газ – 34 – 56 мг/л, агон – 0,2-0,4 мг/л, гелий и неон – 1,7х10^-4 мг/л, сероводород – 0 -22 мг/л.

Несмотря на то, что общее количество наземных вод незначительно по сравнению с общей массой гидросферы, геохимически они очень важны, поскольку принимают активное участие в большинстве процессов, протекающих в биосфере. Для понимания этих и других процессов, происходящих в зоне гипергенеза, необходимо знать состав этих вод, т.е их основные химические параметры. В первую очередь, это минерализация, ионный состав и окислительно-восстановительные условия вод.

Минерализация отражает общее количество растворённых минеральных веществ. А.И. Перельманом выделяются следующие семейства:

Ультрапресные воды (< 0,1 г/л). Большая часть атмосферных осадков, поверхностные и грунтовые воды тундровых, высокогорных ландшафтов. Обладают повышенной растворяющей способностью (интенсивный кариес – очень характерен для тех, кто долгое время работал в Арктике или в высокогорье).
Пресные воды (0,1-1 г/л). Характерны для большинства рек, озёр и грунтовых вод во влажном климате.
Солоноватые воды (1-3 г/л). развиты в степях, саваннах, пустынях. Растворяющая способность ослаблена, из них при небольшом повышении концентрации осаждаются труднорастворимые соли, что вызывает карбонатизацию и огипсование почв.
Солёные воды (3-36 г/л). Океаны, слабо солёные озёра, часть грунтовых вод.
Рассолы (> 36 г/л). Солёные озёра и грунтовые воды наиболее засушливых ландшафтов. Осаждение широкого химического набора солей.

Ионный состав вод. Ведущее значение для классификации имеют только ионы элементов с высокими кларками (O, Ca, Mg, Na, K, S, Cl и др.). Наиболее распространены в ландшафтах три катиона (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺) и три аниона (HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-). Иногда ведущее значение приобретают CO₃^2-, HS^-, S^2-. Также велико значение содержаний ионов Н⁺и ОН^-, но это уже касается выделения классов вод по кислотности – щёлочности.

Ионный состав вод определяет их многие геохимические свойства, а также возможности использования в хозяйственной деятельности.

Виды вод по анионному составу:

гидрокарбонатные;
сульфатные;
хлоридные.

Дальнейшее подразделение природных вод, как Вам известно из курса общей геологии, производится по катионному составу и соотношениям ионов.

Щелочно-кислотные условия вод.

Характеризуются величиной pH – отрицательным логарифмом концентрации водородных ионов. От изменения этого параметра существенно зависит растворимость различных соединений. Так, осаждение из растворов гидроксидов металлов зависит, главным образом, от соотношения двух параметров: величины pH и концентрации ионов металлов в растворе.

Классы вод по щелочности-кислотности:

Сильнокислые (pH < 3-4). Распространены, как правило, на небольших площадях. Возникновение обычно связано с окислением сульфидов, проявлениями вулканической деятельности. Широко распространены в техногенных ландшафтах.

Слабокислые (рН – от 3-4 до 6,5). Кислотность обусловлена разложением органических веществ. Широко распространены в гумидных ландшафтах.

Нейтральные и слабощелочные (рН от 6,5 до 8,5). Характерны для аридных ландшафтов, в условиях более высокой концентрации карбонатных ионов.

Сильнощелочные (рН > 8,5) – содовые воды. Высокая щёлочность обусловлена присутствием NaHCO₃.

Органические соединения обладают способностью усреднять сильнокислую и сильнощелочную среду. Слабые органические кислоты нейтрализуют щёлочи и делают щелочную реакцию более слабой, а слабые органические основания таким же образом нейтрализуют сильные кислоты.

Вам также известно, что минерализацию, ионный состав и рН природных вод удобнее всего выражать с помощью формулы Курлова.

Окислительно-восстановительные условия вод

Окисление – отдача электронов, восстановление – их присоединение.

Важнейший окислитель в ландшафтных средах – кислород, что обусловлено его высоким кларком и химической активностью. Важные окислители – SO₄^2-, CO₂, NO₃^-, Fe³⁺ и др. Важнейшие восстановители – H₂, H₂S, CH₄ и другие органические соединения, Fe²⁺ и др. Один и тот же элемент, в зависимости от ионной формы его нахождения, может быть либо окислителем, либо восстановителем (Fe, Mn…).

Так как в любых химических процессах окисление всегда сопряжено с восстановлением и наоборот, об окислительных или восстановительных реакциях говорят применительно к конкретным ионам или группам ионов. (Окисление в виде реакции с кислородом сопровождается восстановлением кислорода, а восстановление сульфатов или соединений трёхвалентного железа при взаимодействии с органическими соединениями – окислением этих органических соединений).

Любая среда, в которой протекают окислительно-восстановительные реакции, может характеризоваться уровнем окисленности (или восстановленности). Количественный показатель – окислительно-восстановительный потенциал (Eh). Он существенно влияет на характер миграции многих химических элементов, нередко являясь определяющим параметром. Пример: активная миграция Fe²⁺ в северных болотах в условиях низкого Eh. Воды засушливых степей и пустынь с высоким Eh неблагоприятны для миграции Fe, так как в этих условиях железо находится в трёхвалентной форме, образуя труднорастворимые соединения.

Классы вод по окислительно-восстановительным условиям:

Кислородные воды. Характерно присутствие свободного кислорода, поступающего из воздуха или за счёт фотосинтеза водных растений. Eh выше +0,15 В, часто выше 0,4 В. железо обычно в трёхвалентной форме. Воды с высокой окислительной способностью, в них действуют аэробные бактерии, окисляющие органические вещества.
Глеевые воды. Восстановительные без сероводорода. Формируются там, где мало свободного кислорода и много органических остатков. Органические вещества окисляются анаэробными бактериями за счёт кислорода неорганических соединений. Fe, Mn – двухвалентны, имеют высокую подвижность. Eh всегда ниже 0Б4 В, часто ниже 0.
Сероводородные воды. Содержат H₂S, HS^-. Возникают в бескислородных условиях при высоких содержаниях SO₄^2-, где анаэробные бактерии окисляют органические вещества за счёт восстановления сульфатов. Характерны для солончаков, илов солёных озёр, глубоких подземных вод в некоторых районах, для побережий, подпитываемых морскими водами (мангры). Условия для осаждения металлов. Fe и многие другие металлы не мигрируют, так как образуют труднорастворимые сульфиды. Eh обычно ниже 0, до -0,5 В.

Распределение этих классов в ландшафтах по вертикали не одинаково. Кислородные воды преобладают выше кислородной поверхности, ниже неё господствуют восстановительные условия.

Классификация вод по параметрам щелочности – кислотности и окислительно-восстановительным условиям может быть совмещена и изображена в табличной форме. В итоге выделяется 12 классов вод.

Поле изменчивости параметров рН и Еh можно представить в виде бинарной диаграммы, на которой области устойчивости различных соединений (pH-Eh диаграммы). Анализ таких диаграмм позволяет выделить естественные и запрещённые ассоциации химических соединений в природных ландшафтах.

Мировой океан – ключевое звено в биосфере. Его значение определяется несколькими факторами:

ролью в энергетическом балансе (воды Мирового океана – аккумулятор тепловой энергии; избыток солнечной радиации расходуется на испарение океанических вод);
ролью в круговороте воды (океан как накопитель вод и начальное звено в экзогенном круговороте воды);
ролью океана как двустороннего фильтра (с одной стороны – осаждающего основной объём загрязнителей, поступающих с суши; с другой – растворяющего и осаждающего излишки вулканических и атмосферных газов).

Кроме того, океан – колыбель жизни на нашей планете. Именно с океана началось формирование биосферы Земли, и сейчас здесь развиты многочисленные сообщества живых организмов с огромной биомассой и высоким видовым разнообразием.

Именно с Мирового океана началось формирование биосферы. Здесь зародилась жизнь в известных нам формах, здесь же она развивалась на протяжении более трёх миллиардов лет – и лишь потом живые организмы стали осваивать иные обстановки в пределах географической оболочки нашей планеты. Уже этого достаточно, чтобы считать, что океан сыграл исключительно важную роль в формировании на Земле биосферы.

Но основную роль в циркуляции воды на Земле играет атмосферная влага – водяной пар и взвешенные частицы. Поступает вода в атмосферу в результате испарения под действием солнечной радиации. При этом, чем больший поток солнечной радиации достигает поверхности океана, тем большая доля энергии тратится на испарение (по отношению к нагреванию водной поверхности). Это очень важный механизм, способный существенно сглаживать температурные колебания и обеспечивать высокую степень стабильности температурного режима в ГО. Возможно, именно благодаря наличию Мирового океана с его терморегулирующей ролью значения температур в географической оболочке Земли за всю её геологическую историю никогда не выходили за рамки диапазона, в котором могут существовать известные нам формы жизни.

Водяной пар поднимается в более высокие слои атмосферы, а потоки воздушных масс разносят его по всей поверхности планеты. Охлаждаясь в атмосфере, водяной пар конденсируется и выпадает на поверхность в виде атмосферных осадков. Большая часть их (около 77%) выпадает над поверхностью океана. Так что основная доля круговорота воды замыкается в рамках системы гидросфера-атмосфера. Остальная часть поступает на поверхность суши, откуда, в конечном счёте, большей частью стекает обратно в океан.

Поэтому, если бы механизм испарения с поверхности океана и атмосферного переноса не действовал, поверхность суши оказалась бы безводной. Роль его в природных процессах очень велика. Поступление вод на сушу активизирует процессы выветривания (физическое дополняется химическим, которое в отсутствие воды проявлялось бы в весьма незначительных масштабах). Оно же обеспечивает водную транспортировку – главный механизм переноса вещества в экзогенном геологическом круговороте. В воде растворяются и газы, и минеральные вещества – и они же выделяются из растворов обратно, в другие оболочки. При этом те или иные вещества могут поглощаться водной средой из одной оболочки, а отдаваться в другую (осаждение первично атмосферного углерода в составе карбонатных отложений; выделение в атмосферу сероводорода, образованного за счёт растворённых сульфатных солей). Таким образом, с точки зрения обмена веществом именно круговорот воды связывает между собой все первичные компоненты биосферы.

Глобальный круговорот воды – основа системного единства всей географической оболочки, связи материков и мирового океана. Местные круговороты воды осуществляются в пределах ландшафтов и ландшафтно-геохимических систем, также связывая их в единое целое.

Часть воды всё время выходит из географического круговорота, связываясь с минеральным веществом в реакциях химического выветривания. Но, в конечном счёте, она всё равно возвращается в гидросферу, когда минералы снова теряют связанную в них воду в глубинных процессах (более широкий, геологический круговорот воды).

1.5.3. Атмосфера

Воздушная оболочка, называемая атмосферой , (от греческого "атмос" - воздух и "сфера" - шар) окружает Землю со всех сторон, простираясь на высоту более 1000 км над поверхностью суши и океана. Резкой границы между атмосферой и космическим пространством нет: просто чем выше, тем воздух становится все разреженнее.

О том, что атмосферный воздух имеет сложный состав догадывались уже давно, но что представляют собой его основные компоненты, стало ясно только в конце восемнадцатого века. Основу атмосферы составляют азот, кислород, углекислый газ, водяной пар и др., а именно, – аэрозоли, пыль, солевые частицы. Газовый состав атмосферы формируется за счёт выделения газов из трёх основных источников:

вулканической деятельности;
биогенных процессов (жизнедеятельности организмов, разложения органического вещества);
техногенной деятельности.

По мере удаления от поверхности земли, атмосфера становится все более и более разреженной, постепенно переходя в межпланетное пространство. Выше 600 км атомы и молекулы движутся по эллиптическим орбитам в гравитационном поле Земли. Нижняя часть атмосферы, в которой конвекция происходит особенно интенсивно, называется тропосферой. Выше расположена стратосфера, а за ней – ионосфера. Граница между тропосферой и стратосферой изменяется в зависимости от времени года и широты, но, в среднем, ее можно провести на высоте 10-15 км.

В настоящее время газовый состав тропосферы (а в ней заключено более 90% массы атмосферы) следующий: N₂ – 78,09%; O₂ – 20,96%; Ar – 0,93%, CO₂ – 0,03%, а также небольшие количества гелия, водорода, криптона, ксенона, озона. С одной стороны – состав атмосферы довольно прост: она почти целиком состоит всего из трех элементов – азота, кислорода и аргона. Другие элементы, хотя и присутствуют в атмосфере в незначительном количестве, тем не менее очень важны для ее геохимии (и биогеохимии). Двуокись углерода (углекислый газ), концентрация которой всего несколько сотых процента, необходима для жизни растений, являясь источником их питания. Озон, большая часть которого сосредоточена в пределах стратосферы, также играет жизненно важную роль, так как он задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца. Если бы этого поглощения не происходило, избыточная ультрафиолетовая радиация на поверхности Земли была бы губительной для большинства форм жизни.

Кроме постоянных компонентов, в атмосфере могут присутствовать и другие составляющие, которые необходимо принимать во внимание. Среди них наибольшее значение имеют пары воды, количество которых изменяется от 0,02 до 4% по весу. Содержание паров воды зависит от целого ряда факторов, из которых наиболее важным является температура. Водяной пар в атмосфере играет большую роль, регулируя климатические условия. Он поглощает тепловое излучение, что приводит к выравниванию температур воздуха на различных широтах, чего бы не было на планете, лишенной атмосферы. Из временных составных частей атмосферы особенно важен хлорид натрия, значительное количество которого ежегодно выпадает на поверхность Земли с дождевыми осадками. Наибольшее количество хлорида натрия в воздухе наблюдается вблизи морей и резко уменьшается при удалении от побережья, так как большая его часть поступает в атмосферу с водяным паром из океана. В атмосфере обнаружены и другие галогены – фтор, бром и йод, основным источником которых также, вероятнее всего, является океан. Постоянно поступающие в атмосферу газы техногенного происхождения называются малыми газовыми составляющими (МГС), так как их общая доля в составе количественно невелика. Но их накопление в атмосфере сопровождается противоположной тенденцией к снижению доли свободного кислорода, а это уже один из ведущих газов в её составе. Количество соединений серы (сернистый газ и сероводород) в атмосфере сильно варьирует и их скорее следует рассматривать как загрязнение (в результате вулканической деятельности, жизнедеятельности микроорганизмов и разложения органических остатков, а также техногенного загрязнения), чем ее нормальные составные части. В последние годы отмечается и все возрастающее влияние продуктов работы двигателей внутреннего сгорания на геохимию атмосферы, особенно в крупных городах. Автомобили являются одним из основных источников окиси углерода, поступающей в атмосферу. Окись углерода (угарный газ) начинает быть опасной для человека при концентрации в воздухе около 10^-2%, если такая концентрация сохраняется в течение нескольких часов. При сгорании топлива под высоким давлением, что имеет место в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, образуется окись азота, которая в атмосфере окисляется до двуокиси азота – значительно более ядовитого газа. Серьезным источником загрязнения атмосферы являются и соединения свинца, являющиеся добавками в топливо. Среднее суммарное загрязнение свинцом в северном полушарии в 70-е годы прошлого века только за счет сжигаемого бензина составляло 10 мг/м³. Кроме, того, в атмосферу постоянно поступает большое количество твердых частиц в виде пыли, в том числе и промышленной, нередко обогащенной тяжелыми металлами.

На протяжении истории Земли роль разных источников менялась. Менялся и состав атмосферы. Следовательно, содержание различных газов в атмосфере Земли – величина изменчивая, зависящая от множества факторов. Но изменения, происходящие естественным путём, протекают очень постепенно. Значительные отличия проявляются, как правило, по прошествии сотен тысяч или даже миллионов лет. Поэтому биота к таким изменениям в основном успевает приспособиться.

1.5.4. Органическое вещество

Органическое вещество в составе биосферы включает в себя два основных компонента: живое вещество и биогенное вещество – органические и органо-минеральные продукты, созданные живым веществом. Органическое вещество является одним из наиболее важных составляющих почвы. Живые существа могут состоять только из органических веществ, но органические вещества - совершенно не обязательно - живые.

Что же понимать под живым веществом?

Постоянно существующая планетарная совокупность организмов с позиций геохимии может рассматриваться как особая форма материи – живое вещество. Его главное свойство – непрерывный интенсивный массообмен химических элементов с окружающей средой. По этой причине живое вещество играет роль ведущего фактора геохимической дифференциации элементов на Земле. Биогеохимическая роль организмов зависит от их размеров, быстроты размножения и энергии взаимодействия с окружающей средой. Чем меньше величина организма, тем быстрее идет размножение (и в большем количестве), тем быстрее смена поколений, тем больше их роль в геологических, геохимических, почвенных процессах.

Живое вещество. Живое вещество несравненно сложнее неживого - оно способно обмениваться веществом с окружающей средой и строить свой организм из поступающих внутрь веществ. Живые вещества способны размножаться - строить подобные себе организмы из поступающих в их организм веществ. Такими способностями не обладает неживое вещество. Живые существа не могут быть без обмена веществ. Ведь для того, чтобы живое существо строило само себя, внутрь этого вещества должно поступать то, что ему нужно, а вещества, которые уже стали ненужными для живого организма, должны выводиться из него наружу. Ясно, что там, где есть только твердые вещества, очень труден обмен веществ внутри организма. Поэтому на планетах без атмосферы и гидросферы невозможно представить себе жизни. Во-первых, живые существа все время обмениваются веществом с окружающей средой. Одни вещества поступают внутрь организма, другие, ненужные, опять выводятся из организма во внешнюю среду. Всем организмам нужна пища - перерабатывая ее, организм строит сам себя, свое тело, а для переработки пищи внутри организма в нужные организму вещества необходимо дыхание - поступление внутрь организма кислорода.

Распределение живого вещества на Земле крайне неравномерно, т.е. биосфера имеет мозаичную структуру, что будет рассмотрено отдельно. Жизнь стремится заполнить в максимальном объеме любое пригодное для нее пространство. Современными исследованиями установлено, что верхняя граница распространения живых организмов определяется губительным действием радиации. Низкие температуры верхних слоев тропосферы при этом оказывают защитное действие, так как жизнеспособность микроорганизмов сохраняется дольше при низких температурах. Так называемый аэропланктон в большей или меньшей степени населяет всю тропосферу. Вероятнее всего – верхним пределом распространения живого вещества является граница тропосферы и стратосферы. Точных данных о нижнем пределе распространения живого вещества до сих пор нет. Вероятнее всего, на суше нижний предел жизни находится на глубине примерно в 2-3 км (на этих глубинах обнаружены пурпурные тионово-кислые бактерии, использующие свободный кислород, выделяющийся при разложении воды нефтяных месторождений под влиянием излучения радиоактивных элементов. Кроме того, примерно на таких же глубинах обнаружены термофильные, существующие при температуре 104^оС сульфатвосстанавливающие бактерии) Под океанами жизнь, вероятнее всего, распространена до глубины 0,5- 1 км от дна (А.С. Орлов и О.С. Безуглова, 2000)

Вы уже знаете, что cовременное вещество биомассы составляет лишь около 0,00001% массы земной коры. А общая продукция биомассы только за последний миллиард лет (по оценкам Базилевич и Розова) на порядок превосходит массу земной коры. Поэтому суммарное влияние деятельности живого вещества на состав биосферы за всё время её существования многократно выше, чем его количество.

При огромном разнообразии размеров, морфологии и физиологии живых организмов общим условием их существования является обмен веществ со средой обитания. Несмотря на то, что живые организмы составляют ничтожную часть массы наружных оболочек Земли, суммарный эффект их геохимической деятельности с учетом фактора времени имеет важное планетарное значение. Селективно поглощая химические элементы, организмы вызывают в окружающей среде биогенную дифференциацию элементов. Газообразные метаболиты, поступая в газовую оболочку. постепенно изменяют ее состав. Жидкие метаболиты и продукты отмирания влияют на кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия природных вод, которые закономерно преобразуют верхнюю часть земной коры – извлекают из нее определенные химические элементы, вовлекают их в водную миграцию и в итоге способствуют формированию химического состава Мирового океана и осадочных горных пород. Каждый индивидуальный организм смертен, но жизнь в форме продолжающихся поколений бесконечна. Воздействие организмов на окружающую среду, не прерываясь ни на мгновение, продолжалось около 4 миллиардов лет, т.е. на протяжении всей или почти всей геологической истории Земли.

Уже в конце восемнадцатого столетия стало ясно, что в составе живых организмов преобладают химические элементы, образующие на поверхности Земли газы – кислород, углерод, водород и азот. Действительно. Все организмы состоят в основном из воды и органического вещества. Содержание воды – В то же время, в любом организме обязательно присутствует некоторое количество химических элементов, которые при полном разрушении организма (испарении воды и сгорания органического вещества до углекислого газа) образуют минеральный остаток (золу).

Выявление состава любого организма, а тем более расчет среднего состава живого вещества представляет сложную задачу по многим причинам. Прежде всего, необходимо учитывать, что содержание основного компонента живых организмов – воды- варьирует в широких пределах. Например, в планктоне ее почти 99%, а в стволах деревьев – только 60%. Для того, чтобы исключить влияние сильно варьирующих количеств воды и привести содержания химических элементов в форму, удобную для сравнительного анализа, применяется расчет содержаний элементов на абсолютно сухое органическое вещество, т.е. высушенное до постоянной массы при температуре 102-105 ^оС. В этом случае получаются содержания химических элементов не в реальных живых организмах, а в их условной сухой биомассе.

В обезвоженном органическом веществе немногим менее половины составляет углерод. Другими главными компонентами являются кислород, водород и азот.

Если не только избавиться от воды в организме, но и сжечь сухое органическое вещество, то будут удалены четыре этих главных элемента и останется только сумма минеральных веществ, входивших в состав организма – зола. В зольном остатке можно более точно определить соотношение остальных химических элементов, находившихся в органах и тканях живого организма.

Таким образом, понятно, что существует три варианта выражения химического состава живых организмов: во-первых - в расчете на живое (сырое) вещество; во-вторых – на сухую биомассу и в-третьих – на золу. Каждый из трех вариантов расчета используется для решения конкретных задач.

Определение кларков живого вещества затруднено еще и тем, что очень сильны колебания химического состава разных организмов (причем организмов не только разных биологических видов, но даже одного вида в различных условиях обитания, а также организмов разного возраста). Неодинакова и концентрация химических элементов в различных тканях организма.

Особенностью биосферы является существенное различие суммарных масс различных живых организмов. Этот факт весьма важен, так как значение кларка элемента в живом веществе, скажем, Мировой суши зависит не столько от его концентрации во всех организмах, сколько от концентрации его в тех организмах, которые составляют преобладающую часть массы живого вещества.

Известно, что биомасса – общее количество живого вещества в биосфере в целом или в какой-то её части. Подразделяется на фитомассу и зоомассу. Установлено, что доминирующую часть массы живого вещества Мировой суши (и всей планеты в целом) образуют высшие растения. То есть в любом ландшафте абсолютно преобладает фитомасса. Зоомасса обычно не превышает 1-2% от фитомассы, в редчайших случаях достигает 10%. В составе зоомассы беспозвоночные в 10-100 раз преобладают над позвоночными, травоядные – в сотни и тысячи раз над хищниками.

Масса живого вещества океана составляет менее 1% массы растительности Мировой суши. Особенность структуры живого вещества океана в том, что масса консументов превышает массу продуцентов – фотосинтезирующих организмов. По данным Е.А. Романкевича (1988) суммарная масса животных и бактерий Мирового океана близка к 4,5х10⁹ т, а масса растений всего 3,5х10⁹ т. Преобладающую часть массы продуцентов океана составляет фитопланктон.

Химический состав живого вещества суши и океана неодинаков. Живое вещество океана отличается более высоким содержанием воды (около 80%), азота и серы, а также значительно большим содержанием зольных элементов (40-50% от сухой биомассы). В растениях океана по сравнению с растительностью суши значительно выше концентрация почти всех главных зольных элементов, особенно натрия и магния, а также хлора и серы.

Еще заметнее выражено превышение концентраций многих рассеянных элементов. Так, в фотосинтезирующих организмах океана в сотни раз выше концентрация йода и брома, в десятки раз - некоторых тяжелых металлов: кадмия, цинка, ртути. свинца, ванадия и др., а также мышьяка.

Так как современная биомасса океана очень мала по отношению к биомассе Мировой суши и, учитывая незначительность относительной роли зоомассы последней, состав растительности суши обусловливает состав всего живого вещества Земли. Таким образом, по данным Е.А. Романкевич (1988) в живой (сырой) биомассе содержится в среднем 60% воды, 38% органического вещества и 2% зольных элементов.

Кларки живого вещества (по А.П. Виноградову с уточнениями), рассчитаны на сырую массу:

процентные содержания (O – 70, C – 18, H – 10,5);
порядок 10-1 % - N, Ca, Mg, Na, K, P, Cl, Si;
порядок 10-2 % - S, Fe.

Содержания остальных элементов – значительно ниже.

В биомассе животных также преобладают углерод, азот, водород, кислород, в заметных количествах присутствуют фосфор и сера –компоненты белка.

Таким образом, для большинства элементов кларки для живого вещества существенно ниже литосферных. Большая степень корреляции (хотя бы на уровне порядка) наблюдается с составами гидросферы и атмосферы. Но и здесь есть своя специфика (наиболее заметна значительная роль в живом веществе углерода).

Утверждение В.И. Вернадского о том, что в живом веществе находятся все химические элементы, долгое время подвергалось сомнению, что было связано с отсутствием достаточно чувствительных методов для обнаружения незначительных количеств химических элементов. Впоследствии выяснилось, что размах колебаний концентраций рассеянных элементов в живом веществе значительно больше, чем главных, причем концентрация рассеянных элементов существенно варьирует даже в однотипных организмах в пределах не только различных территорий, но и одного региона.

Так как состав фитомассы суши определяет кларки всего живого вещества Земли, то наибольший интерес представляют данные о содержании рассеянных элементов в растениях. К настоящему времени имеется значительный объем информации, однако она распределена неравномерно и относится, преимущественно, к вегетирующим органам растений. На современном уровне знаний можно дать следующую оценку, разделив все элементы на пять групп по их массе, заключенной в растениях суши – первая группа (100n млн. тонн) включает марганец, ко второй группе (10n млн. тонн) относятся стронций, цинк, титан, бор, барий, медь; к третьей группе (n млн. тонн) – цирконий, бром, фтор, рубидий, свинец, никель, хром, ванадий, литий; к четвертой (0,1n млн. тонн) – лантан, иттрий, кобальт, молибден, йод, олово, мышьяк, бериллий и, наконец, наименее распространены (0,01n млн. тонн) – селен, галлий, серебро, уран, ртуть, сурьма, кадмий.

Следовательно, массы многих рассеянных элементов, связанных в биомассе растительности суши очень внушительны – от десятков тысяч до десятков миллионов тонн! А общая масса марганца в них приближается к массе таких распространенных элементов земной коры как алюминий и железо.

Таким образом, в живом веществе Мировой суши, а значит и живом веществе всей планеты находятся практически все рассеянные элементы. Естественно, биологическая роль каждого из них неодинакова. Одни из них играют существенную, иногда даже жизненно важную роль в жизнедеятельности организмов, значение же других пока не выяснено. То есть в живых организмах одни элементы входят в состав соединений, играющих очень важную роль, а другие являются варьирущими примесями (сравните с царством минералов).

Здесь мы подходим к определению такого важного для геохимии биосферы понятия как биофильность (или коэффициент биофильности) химических элементов

Биофильность элементов – определяется их коэффициентом концентрации в живом веществе относительно литосферы. Наиболее биофилен С (7800), далее идут N (160) и Н (70). К биофильным относятся также элементы, у которых кларк в живом веществе в целом близок к литосферному (немного выше или ниже): O, Cl, S, P, B, Br, J. Наименее биофильны – Al и Fe, чуть менее – Si и ещё ряд элементов. Коэффициент биофильности нельзя путать с коэффициентом биологического поглощения (КБП), который представляет собой отношение концентрации элемента (но не в живом веществе, а в его в зольном остатке) к его кларку в земной коре.

В последнее время, в связи с процессом трансформации современной биосферы в ноосферу, в геохимии биосферы и экологии широко используется понятие о технофильности химических элементов. По аналогии с биофильностью технофильность элементов – определяется их коэффициентом концентрации в результате техногенных процессов.

Позже мы несколько подробнее охарактеризуем биофильность и технофильность целого ряда химических элементов.

Особо необходимо остановиться на понятии о биогеноценозе – элементарной структурной ячейки биосферы.

Живые организмы не существуют сами по себе. Населяющие любую местность животные и растения объединены в устроенные различным образом сообщества, в которых все члены так или иначе зависят друг от друга. Во-вторых, никакая жизнь не существует вне связи с неживым веществом, причем связи взаимной: само существование живых организмов впрямую зависит от неживого вещества, необходимого им для питания и дыхания, а с другой стороны, деятельность живых организмов приводит к значительным изменениям в неживой природе.

В любом районе, в любой местности существуют свои природные комплексы, со своими особенностями связей между живыми организмами, между живым и неживым веществом.

Биоцгеоценоз – это взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом вещества и энергии.

В настоящее время термины «биогеоциноз» и «экосистема» иногда рассматриваются как синонимы. Но понятие биогеоценоз, предложенное В.Н. Сукачевым и относящееся к наземным живым системам, имеет определенные территориальные границы. Понятие «экосистема» - безразмерное и может включать пространство любой протяженности – от капли воды, с живущими в ней микроорганизмами до биосферы в целом. Таким образом, понятие «биогеоценоз»м по отношению к понятию «экосистема» - более частное.

С понятием «биогеоценоз» тесно связано понятие «ландшафты», некоторые типы которых мы также несколько подробнее рассмотрим позднее.