Глава 6 циклы массообмена и распределение масс химических элементов в биосфере

Глава 6 циклы массообмена и распределение масс химических элементов в биосфере

В предыдущих главах показано, что существует тесная связь состава земной коры, атмосферы и океана, которая поддерживается процессами циклического массообмена химических элементов. В эти процессы с началом геологической истории встроились процессы жизнедеятельности, наиболее органично соответствовавшие условиям функционирования открытой неравновесной системы, основанной на циклическом массообмене.

Биогенизация исходно абиогенных циклов повлекла за собой трансформацию их структуры и, как следствие — объединение трех разнофазных наружных оболочек Земли в единую системы биосферы. При этом существенно изменился состав атмосферы и гидросферы и закономерно менялся состав постепенно нараставшей земной коры континентов.

Указанные преобразования стали возможны благодаря фундаментальному свойству циклов массообмена химических элементов в биосфере — их незамкнутости, которая сложилась в результате, с одной стороны, постоянного, но не равномерного поступления масс определенных веществ из недр земли, с другой — фотохимической диссоциации молекул водяного пара в верхней атмосфере с последующей диссипацией водорода и вымыванием окисленных соединений атмосферными осадками. Следовательно, моделью биосферных циклов массообмена химических элементов должен служить не замкнутый кругооборот постоянных масс, а циклическая система миграционных потоков, в которых мигрирующие массы могут перемещаться из одного массопотока в другой, а избыточное количество тех или иных химических элементов частично выводиться из миграции в одну из фазовых оболочек.

Главным фактором направленного изменения глобальных циклов массообмена и преобразования исходной системы фазовых оболочек в современную систему биосферы было живое вещество. Встраиваясь в систему циклов и выполняя те же функции, что абиогенные химические процессы, живые организмы одновременно продуцировали продукты метаболизма и отмирания. Накопление этих продуктов на протяжении длительного времени сильно изменяло геохимические условия окружающей среды, что в свою очередь стимулировало эволюцию организмов применительно к новым условиям.

Жизнь посредством непрерывного циклического массообмена формировала среду обитания. Наиболее ярким примером служит образование педосферы, порожденной жизнедеятельностью наземной биоты и вместе с тем обеспечивающей существование и воспроизводство главной части биомассы Земли — растительности Мировой суши.

Фракционирование химических элементов в биогеохимических циклах наложило глубокий отпечаток на состав осадочной оболочки, Мирового океана, атмосферы. Посредством непрерывного циклического массообмена жизнь формировала среду обитания. Наиболее ярким примером служит образование педосферы, порожденной жизнедеятельностью наземной биоты и вместе с тем обеспечивающей существование и воспроизводство главной части биомассы Земли — растительности Мировой суши.

Расчеты распределения масс химических элементов в биосфере и масс, участвующих в процессах биогенной миграции, основываются на двух группах данных. Во-первых, необходимы сведения о средних значениях концентраций элементов в компонентах биосферы: биомассе растительности Мировой суши, воде рек, педосфере и др. Во-вторых, должны быть сведения о массе каждого из компонентов биосферы.

В настоящее время известны лишь ориентировочные данные о массах компонентов биосферы. Еще более ориентировочны значения средних концентраций химических элементов, определение которых затруднено многими факторами, где главный — сильная вариация концентраций элементов в конкретных объектах исследования: образцах растений, воды, почв. В предыдущих главах показано, что сильная вариация содержания элементов во всех природных объектах является характерной чертой геохимии биосферы и обусловлена биогеохимическими процессами, способствующими не только аккумуляции, но в еще большей мере — рассеянию химических элементов. По указанным причинам результаты расчетов глобальных циклов массообмена химических элементов условны, и данные разных авторов могут не совпадать. По мере поступления новой научной информации выводы о массах элементов в разных природных объектах будут уточняться, а наши представления о структуре глобальных циклов массообмена соответственно изменяться.

Массы химических элементов поступали в глобальные циклы из двух источников. Это можно обнаружить, рассматривая динамику существующих циклов массообмена в биосфере ретроспективно, учитывая особенности распределения масс элементов в наружных оболочках Земли. С этой целью рассмотрим глобальные циклы натрия и хлора, геохимия которых в биосфере весьма тесно связана.

Глобальный цикл натрия. Натрий — один из главных элементов, аккумулированных в земной коре в процессе ее выплавления. Основная масса этого элемента выделяется на последних стадиях магматической кристаллизации и частично остается в постмагматических растворах. Натрий занимает в кристаллохимических структурах силикатов позиции между устойчивыми алюмокрем-некислородными группировками и поэтому легко освобождается из структур галогенных силикатов при их гипергенной трансформации. Концентрация Na2O в гранитном слое земной коры составляет 2,71 \%, в осадочной оболочке — 1,5\%. Соответственно масса натрия в гранитном слое равна 165×1015 т, в осадочной оболочке — 26,7×1015 т (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Распределение масс натрия и хлора в биосфере, 109 т

Освобождаясь из кристаллического вещества земной коры, натрий в форме хорошо растворимого катиона переносится с континентальным стоком в океан, в водах которого содержится 14,7×1015 т этого элемента.

Главный миграционный поток натрия в биосфере связан с водным стоком с суши, с которым ежегодно выносится 0,185×109 т ионов этого элемента. Одновременно натрий выносится в составе твердого стока, находясь преимущественно в сорбированном состоянии. Принимая среднюю концентрацию натрия во взвесях речного стока равной 4,6 мг/л, можно оценить массу элемента, выносимую в составе взвесей, в 0,19×109 т/год.

В цикле массообмена между поверхностью океана и тропосферой участвует около 1,3×109 т/год водорастворимых форм натрия, между поверхностью суши и тропосферой — примерно 0,14×109 т/год. С воздушными массами морского происхождения на сушу переносится более 0,1×109 т/год растворимых форм натрия. В то же время с поверхности суши в океан выносится с ветровой пылью примерно 0,01×109 т/год натрия в сорбированном состоянии.

Преобладание растворимого катиона Na+ в биосфере обусловливает присутствие больших масс натрия во всех типах природных вод, где он связан эквивалентными соотношениями с анионами Cl-, [SO4]2и отчасти с [НСО3]-1. В педосфере натрий играет важную роль в процессах катионного обмена. Высокое содержание натрия в поглощенном комплексе почв способствует диспергации почвенных агрегатов и образованию солонцов. Натрий принимает активное участие в засолении почв, где он образует соли с С1и [SO4]2-. Масса натрия в педосфере пока не определена количественно. Несмотря на активное участие в континентальном гало-генезе, значительная аккумуляция натрия в океане характеризует его как типичный талассофильный элемент.

В организмах соли натрия (главным образом хлориды) имеют важное значение. Хлорид натрия является обязательным компонентом жидких тканей животных (плазмы, крови, лимфы) и клеточного сока растений, играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, регулирует осмотическое давление и влияет на содержание воды в тканях. В силу важной физиологической роли хлорид натрия в большом количестве поглощается растительными и особенно животными организмами, его недостаток вызывает тяжелые заболевания.

Авторы расходятся в оценке средней концентрации натрия в живом веществе. По данным X. Боуэна, средняя концентрация натрия в биомассе растительности Мировой суши около 0,12\% массы сухого вещества. Исходя из этого значения, можно считать, что в биомассе суши содержится 3×109 т натрия. Концентрация в живом веществе океана значительно выше — 3,3 \% массы сухого вещества, но общее количество натрия, связанное в океанической биомассе, на два порядка меньше, чем в наземной.

В структуре глобального биологического круговорота натрия ярко проявляется его талассофильность. Живое вещество Земли на протяжении года пропускает через себя около 4,6×109 т натрия, причем на суше в биологический круговорот вовлекается 0,2×109 т, а в океане почти в 20 раз больше.

Из растительных остатков соли натрия легко выщелачиваются, поэтому концентрация натрия в неживом органическом веществе и гумусе педосферы невелика — около 0,01 \%, а масса близка к (0,2 — 0,3)×109 т. Натрий активно сорбируется осадками морей, поэтому в осадочной оболочке содержится большая масса этого элемента.

Глобальный цикл хлора. Этот цикл имеет много общего с циклом натрия. Хлор — типичный талассофильный элемент. Его распределение в биосфере характеризуется ясно выраженной аккумуляцией в воде Мирового океана, где в форме растворенных ионов С1~ содержится преобладающая часть массы элемента (см. табл. 6.1). Содержание хлора в гранитном слое земной коры составляет 0,021 \%, масса — 1,7×1015 т. В осадочной оболочке концентрация хлора в 10 раз выше — 0,27 \%, а масса равна 6,5×1015 т (Ронов А. Б., Ярошевский А.А., 1976).

Подобно натрию, среди форм нахождения хлора в биосфере доминируют хорошо растворимые ионы С1~. Они определяют основные черты глобального цикла массообмена элемента, среди которых главная — исключительно высокая способность к водной миграции. Значительные массы хлора, так же как и натрия, многие миллионы лет мигрируют с поверхности суши в океан. Вторая особенность глобального геохимического цикла хлора, выраженная еще сильнее, чем в цикле натрия, — активная миграция в атмосфере в составе аэрозолей и возврат значительной массы элемента на сушу. На протяжении года из океана в атмосферу поступает 2,4×109т (с учетом сухих осаждений), а возвращается с осадками и в форме сухих осаждений 2,2×109 т. Разница в 0,2×109 т переносится с воздушными массами на сушу и там выпадает. Таким образом, значительная масса С1циркулирует в системе суша — океан — суша. В химической метеорологии хлор называют циклическим элементом (табл. 6.2).

В аридных регионах, особенно в пределах бессточных территорий, хлор вместе с натрием и другими галогенными элементами аккумулируется в педосфере и замкнутых водоемах.

Хлор имеет важное физиологическое значение и содержится в живых организмах в виде соляной кислоты, ее солей, среди которых наиболее распространен хлорид натрия, а также разнообразных хлорорганических соединений. Средняя концентрация хлора в массе живого вещества суши равна 0,2 \% (сухая масса), в фито-массе океана значительно выше — около 1 \% (Боуэн X., 1966). Можно считать, что в живом веществе суши находится 5×109 т, в биомассе фитосинтетиков океана — 0,17×109 т хлора. Концентрация рассматриваемого элемента в неживом органическом веществе педосферы и гумусе равна примерно 0,01 \%, следовательно, масса хлора составляет около 0,5×109 т.

Таблица 6.2

Миграция масс ионов натрия и хлора в биосфере

В биологический круговорот на суше захватывается около 0,34×109 т/год хлора в ионной форме. В морской воде его концентрация значительно выше и составляет около 3 \% сухой массы организмов. На протяжении года биота Мирового океана пропускает через круговорот примерно 4,4×109 т хлора, т.е. на порядок больше, чем на суше.

Как следует из изложенного, в структуре глобальных циклов массообмена натрия и хлора много общего: преобладание хорошо растворимых форм, активная водная миграция с континентов в океан и возвратный атмосферный перенос значительных масс с океана на сушу, ведущая роль обоих элементов в процессе галоге-неза. Важной чертой биосферной геохимии рассматриваемых элементов является их сильно выраженная талассофильность, результатом которой является превышение массы биологического круговорота в океане над массой биологического круговорота на суше. Сближает биогеохимию этих элементов важное физиологическое значение их главного химического соединения — хлорида натрия.

Вместе с тем распределение масс хлора и натрия в биосфере принципиально различается. Огромное количество натрия, сосредоточенное в осадочных породах и океане (40,7×1015 т), составляет всего 19,8 \% массы элемента, содержащейся в исходном гранитном слое земной коры, откуда натрий постепенно извлекался и включался в процессы циклического массообмена. Совершенно иная картина распределения масс хлора. В осадочных породах и основном резервуаре — океане — хлора почти в 20 раз больше, чем в гранитном слое. Если бы весь гранитный слой был разрушен, то освободившейся при этом массы хлора было бы меньше его массы, находящейся в настоящее время в океане. Очевидно, что источники поступления рассматриваемых элементов в биосферные циклы массообмена, происходившие на протяжении геологической истории, были разные. Натрий в основном поступал в результате процессов гипергенной мобилизации и выщелачивания из верхнего слоя коры континентов, хлор — благодаря процессам дегазации мантии и выносу вулканических газов. В соответствии с этим выводом целесообразно раздельно рассмотреть особенности глобальных циклов элементов, поступивших в биосферу из указанных источников.