Роль геохимических циклов в биосфере

Роль геохимических циклов в биосфере

1. Группа циклических или органогенных элементов

Циклические или органогенные элементы имеют наибольшую суммарную массу в биосфере.

В эту группу входят: H1, (Be4), B5, C6, N7, O8, F9, Na11, Mg12, Al13, Si14, P15, S16, Cl17, K19, Ca20, Ti22, V23, (Cr24), Mn25, Fe26, Co27, (Ni28), Cu29, Zn30, (Ge32), As33, Se34, Sr38, (Zr40), Mo42, Ag47, Cd48, (Sn50), (Sb51), (Te52), Ba56, (Hf72), (W74), (Re75), Hg80), (Tl81), (Pb82), (Bi83).

Для этих элементов характерны многочисленные химические обратимые процессы. Геохимическая история всех этих элементов может быть выражена круговыми процессами (циклами). Каждый элемент дает характерные для опреде-ленной геосферы соединения, постоянно возобновляющиеся. После белее или ме-нее продолжительных и более или менее сложных изменений элемент возвраща-ется к первичному соединению и начинает новый цикл, завершающийся для эле-мента новым возвращением к первоначальному состоянию. Этот характер земных химических реакций был для кислорода замечен во второй половине XVIII в.; ве-ликие ученые того времени, открывшие в 1773г. земные газы (O2, CO2, H2O, NH3, H2S, SO2, SO3, H2, CH4, CO, CHOH, CSO, NO2) и их свойства, предугадали эти ха-рактерные химические циклы. Имена этих ученых Д. Прингль и Д. Пристлей. За-тем в 1842г. два французских ученых Ж. Б. Дюма и Ж. Буссенго дали яркую кар-тину этих циклов. В 1850-х годах К. Бишоф, позже Ю. Либих и К. Мор перенесли эти представления на остальное вещество земной коры. С той поры наука собрала огромное количество эмпирических фактов, подтверждающих эти обобщения. Факты эти, однако, не были согласованы и находятся в состоянии почти полного хаоса. Важное значение для этих циклов живого вещества (Живое вещество – со-вокупность всех организмов) все более подтверждается. Это значение живого ве-щества наблюдается не только для органогенных элементов, таких, как C, O, H, N, P, S, но и для металлов, как, например, для Fe, Cu, Zn, V, Mn и т.д., а также для всех химических элементов этой группы.

Элементы этой группы образуют циклы, характеризуемые химическими со-единениями, молекулами или кристаллами. Эти циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть же элементов неизбежно и постоянно выходит из круговоро-та. Этот выход закономерен, т.е. круговой процесс не является вполне обратимым.

Среди форм такого выхода из цикла особое значение имеет рассеяние эле-мента, его выход в форме свободных атомов. Быть может, элемент этим путем выходит из цикла, иногда навсегда. Все же ясно, что если даже наши будущие от-крытия более или менее изменят наши современные представления, они не поко-леблют основного эмпирического обобщения – господствующего значения хими-ческих соединений и обратимых циклов в истории главной массы земной коры.

Циклические элементы входят и играют видную роль в водном аппарате зем-ной коры, т.е. входят в водные растворы (в ионы), дают минералы, образовавшие-ся водным путем. Только цирконий и гафний, по-видимому, в этом отношении стоят особняком. Те же Zr и Hf не входят в живое вещество; не найден в нем и германий, но германий, судя по его водной истории, будет в нем найден.

2. Геохимический круговорот углерода

Биосфера представляет оболочку жизни – область существования живого вещества. Весь ее углерод им захвачен. Все углеродистые соединения, находя-щиеся и образующиеся в ней, с ним каким-нибудь образом связаны. Все фреати-ческие углеродистые минералы, попадающие в нее в результате геологических процессов, происходят в своей основе из живого вещества, представляют мета-морфизованные продукты вадозных минералов, когда-то связанных с жизнью.

CO2 – единственный ювенильный и фреатический минерал углерода, прони-кающий в большом количестве в биосферу.

Важно отметить, что на земной поверхности существует большое количество химических процессов, связанных с синтезом угольной кислоты. Эти процессы находятся в очевидной связи с живым веществом, так как они все образуются под влиянием свободного кислорода.

Свободный кислород окисляет углеродистую, даже графитовую, пыль, боль-шие количества угольной кислоты образуются в среде самого живого вещества под влиянием процессов дыхания.

Углеводороды (главным образом метан), которые, несомненно, приходят из глубоких слоев земной коры, только отчасти ювенильного происхождения. Боль-шая часть их массы образуется в вадозных областях: таковы газы болот (биохи-мический продукт). Другая создается в стратисфере, например газы, выделяю-щиеся в каменноугольных копях.

Но такое объяснение, едва ли приложимо целиком к газовым струям углево-дородов, огромная масса которых непрерывно сейчас выделяется бурением и в меньшем количестве извека выделяется в природных условиях.

Часть их в значительной мере генетически связана с нефтяными месторож-дениями. Это газовая фаза нефтей. Другая должна быть увязана с рассеянным ор-ганическим веществом осадочных пород, т.е. в значительной мере имеет сложное происхождение, выражаемое схемой:

Морская жизнь → морской ил → осадочные породы → газы.

Переход в газы должен происходить в процессах биохимического и безжиз-ненного изменения в бескислородной среде.

Но все же часть метана может быть связана с магматическими очагами и яв-ляется составной частью глубоких подземных атмосфер состава H2O-CH4.

Генезис этих атмосфер должен быть сложный, и пары воды и углеводороды могут быть разного происхождения.

Геохимический цикл углерода

живое вещество

Биосфера CH4 CO2 живое CO2

вещество карбонаты

карбонаты

CH4 угли нефти

Фреатические карбонаты самородный углерод

оболочки C

карбонаты (графит) CO2

карбонаты

Ювенильные CH4 CO2 CO самородный (графит)

оболочки

каолиновые

алюмосиликаты

металлические С

карбиды

карбоносиликаты CO2

карбиды

карбонаты

CO2 металлические карбонаты алмаз

3. Жизненный цикл углерода

Жизненный цикл углерода – равновесие между угольной кислотой и живым веществом.

Наиболее выдающейся чертой жизненного цикла является его неполная об-ратимость, так как он возвращает окружающей среде лишь часть поглощенной жизнью угольной кислоты. Часть ее атомов всегда задерживается в жизненном цикле, другая выделяется в виде углеродных биогенных минералов. Этот послед-ний углерод покидает геохимический цикл и возвращается в него иногда лишь через геологически долгое время.

Главными группами таких биогенных углеродных минералов являются кар-бонаты извести, каменные угли, нефти и битумы. Все остальные происходят из них или образуют незначительные по сравнению с ними массы.

Жизненный цикл углерода

CO2 живое

Вадозные вещество свободный

области кислород