/
Автор: Наумов Г.Б.
Теги: геохимия геологические науки биологические науки физика химия биосфера биогеохимия учебное пособие
ISBN: 978-5-7695-5798-9
Год: 2010
Текст
ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Г. Б. НАУМОВ
ГЕОХИМИЯ
БИОСФЕРЫ
Допущено
Учебно-методическим объединением
по классическому университетскому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по геологическим и экологическим специальностям
ACADEMA
Москва
Издательский центр «Академия »
2010
УДК 550.4(075.8)
ББК 26.30:28.28.080.3я73
Н342
Рецензенты:
профессор кафедры геохимии геологического факультета
Московского государственного университета
им. М. В. Ломоносова Д. В. Гричук\
профессор кафедры геологии и геохимии ландшафта
Московского педагогического государственного университета,
д-р геогр. наук В. В.Добровольский
Наумов Г. Б.
Н342 Геохимия биосферы : учеб, пособие для студ. учрежде¬
ний высш. проф. образования / Г. Б. Наумов. — М. : Изда¬
тельский центр «Академия», 2010. — 384 с.
ISBN 978-5-7695-5798-9
Изложено современное состояние общей геохимии с позиций учения
В.И.Вернадского о биосфере и ее переходе в стадию ноосферы. Рассмот¬
рены вопросы положения Земли в космическом пространстве, распрост¬
раненность и закономерности распределения элементов и их изотопов,
формы их нахождения, механизмы миграции и концентрации на геохи¬
мических барьерах. Данные классической физической геохимии рассмот¬
рены во взаимосвязи с материалами биогеохимии и ряда смежных науч¬
ных дисциплин, при этом особое внимание уделено трем основным со¬
ставляющим биосферы — косному, живому и социальному.
Для студентов учреждений высшего профессионального образования,
обучающихся по геологическим и экологическим специальностям.
УДК 550.4(075.8)
ББК 26.30:28.28.080.3я73
Оригинал-макет данного издания является собственностью
Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом
без согласия правообладателя запрещается
ISBN 978-5-7695-5798-9
©Наумов Г.Б., 2010
©Образовательно-издательский центр «Академия», 2010
©Оформление. Издательский центр «Академия», 2010
Долгое время не возбуждало никакого со¬
мнения представление, что химический со¬
став земной коры обусловливается чисто
геологическими причинами... сейчас выяс¬
няются в химическом составе земной коры
закономерности, которые в корне противо¬
речат этим объяснениям.
В. И. Вернадский
ОТ АВТОРА
Геохимия как наука об истории химических элементов нашей
планеты все более активно используется представителями очень
широкого круга научных дисциплин. Геохимия становится меж¬
дисциплинарной наукой.
Быстрое развитие геохимии привело к тому, что учебники по
этой дисциплине не успевают за актуальными задачами текущего
дня. Классическая четырехтомная «Геохимия» А. Е. Ферсмана, учеб¬
ники А. А. Саукова, В. Ф. Барабанова, А. И. Тугаринова, Г. В. Войт-
кевича и переведенные на русский язык пособия Б. Мейсона,
Я.Мияки, а также другие аналогичные издания ориентированы,
прежде всего, на закономерности взаимодействия элементов в
неживом (косном) веществе. Учебное пособие В. А. Жарикова «Ос¬
новы физической геохимии» (2005) на высоком уровне продолжа¬
ет линию физической геохимии, которая развивалась представи¬
телями кристаллохимического направления (В. М. Гольдшмидт,
А. Е. Ферсман, В.Ю.Эйтель и др.), но практически не выходит за
пределы неживой материи.
Во всех этих учебных изданиях основное внимание уделяется
минеральному веществу различных оболочек земной коры, по
возможности на количественном уровне. Земля рассматривается
как некоторая самостоятельная система, изолированная от Кос¬
моса. Влияние космического окружения на земные процессы здесь
не учитывается. Направления, развиваемые В. И. Вернадским, не
находят отражения, адекватного потребностям современного на¬
учного знания. Разделы геохимии земных оболочек: атмосферы,
гидросферы, литосферы — рассматриваются по отдельности, как
самостоятельные независимые системы. При этом исчезает цело¬
стность и взаимодействие отдельных геосфер.
В последнее время стали появляться учебные издания по биогео¬
химии, в которых основной упор делается на анализ роли живого
вещества в биогеохимической миграции элементов и ее экологи¬
ческого значения. Учебники В. В. Добровольского (1998), А. С. Ор¬
лова и О. С. Безгубова (2000), В. А. Алексеенко (2000, 2002, 2005)
ориентированы главным образом на живое вещество биосферы.
Н. г. Комарова и О.А.Пикалова (2004), как и многие другие, ста¬
вят в центр внимания вопросы экологии. Эти книги учитывают
запросы современности, но каждая из них рассматривает отдель¬
ные стороны общей проблемы, уделяя гораздо меньше внимания
косному веществу как таковому.
И это неслучайно. В первой половине XX в., когда активно
формировалась молодая наука — геохимия, она характеризова¬
лась дифференциацией научных дисциплин и углублением ана¬
литического знания в каждой конкретной области. Необходима
была надежная фактическая база для перехода от общих натурфи¬
лософских логических построений к анализу на базе числа и меры.
Типичным примером может служить появление кларка как коли¬
чественной характеристики среднего состава горных пород зем¬
ной коры.
Дифференциация научного знания способствовала самоизоля¬
ции отдельных дисциплин. При всей прогрессивности аналитичес¬
кого подхода в этот период развития научного знания, он надолго
затмил синтетический подход, развиваемый В. И. Вернадским.
В. И. Вернадский всегда с большим вниманием относился к уг¬
лублению конкретных научных величин, создал много новых на¬
учных направлений: радиогеологию, биогеохимию, мерзлотоведе¬
ние и др. «Синтетическое изучение объектов природы, — писал
он, — ее естественных тел и ее самой как целого — неизбежно
открывает черты строения, упускаемые при аналитическом под¬
ходе к ним, и дает новое»*.
Во многих учебных изданиях по геохимии хотя и приводятся
данные по биосфере, но в них нет понятий «жизнь», «живое ве¬
щество»; нет углубленного отражения биосферы как области ак¬
тивного взаимодействия живого и косного вещества. И уже со¬
всем не ощущается та огромная геологическая роль совокупности
живых организмов, значение которой подчеркивалось в фунда¬
ментальных трудах В. И. Вернадского.
При таких подходах к изложению материала исчезает роль
живого вещества биосферы в эволюции всех геосфер, всей земной
коры. Невозможно найти указания на роль биогеохимических
процессов в геохимическом круговороте вещества земной коры,
на взаимодействие геосфер, на то, что вся современная атмосфера —
результат хлорофилловой функции живого вещества, а все карбо¬
натные породы связаны с кальциевой функцией организмов. Меж¬
ду тем сейчас уже ясно, что живое вещество не только привело к
перекачке огромных масс углекислого газа первичной атмосферы
в твердую фазу литосферы, но и меняет направление и интенсив¬
ность эндогенных геохимических циклов.
* Вернадский В. И. Избранные труды по истории науки. — М.: Наука,
1981. - С. 288, 289.
Все это было чуждо развитию наук первой половины XX в.
Ьиогеохимические идеи не находили отклика в научном мире, и в
1931 г. В. И. Вернадский записал в своем дневнике: «Царство моих
идей впереди».
Время это пришло. Во второй половине XX в. плодотворное
развитие получили биофизика и биохимия. Постепенно научный
мир возвращается к идеям, долгое время остававшимся невостре¬
бованными. Фундаментальный труд В. И. Вернадского «Биосфера»,
впервые опубликованный на русском языке в 1926 г., был полно¬
стью переведен на английский только в 1998 г. с весьма обстоя¬
тельными комментариями* ^
В 2000 г. французский журнал «Fusion» опубликовал работу
В. И. Вернадского «Биосфера и ноосфера» со вступительной стать¬
ей Е. Гренье, в которой он акцентировал внимание на ключевых
моментах этой работы, особенно актуальных в наши дни, и назвал
его «отцом глобальной экологии»*^.
Неслучайно Президент Российской Федерации В.В.Путин на
Деловом Саммите Азиатско-Тихоокеанского экономического со¬
трудничества в 2000 г. отметил, что наш соотечественник Влади¬
мир Вернадский еще в начале XX в. создал учение об объединяю¬
щем человечество пространстве — ноосфере, в котором сочетают¬
ся интересы стран и народов, природы и общества, научное зна¬
ние и государственная политика. Именно на фундаменте этого
учения фактически строится сегодня концепция устойчивого раз¬
вития.
Пожалуй, следует вспомнить, что В. И. Вернадский в своих ра¬
ботах большое внимание уделяет методологическим основам меж¬
дисциплинарного синтеза, тем эмпирическим обобщениям и прин¬
ципам, которые связывают конкретные данные отдельных науч¬
ных дисциплин «и дают новое».
Сама геохимия — наука междисциплинарная. Но формиру¬
ющаяся в наши дни новая научная дисциплина экология требует
еще большего объединения закономерностей, накапливаемых в
конкретных областях знания. Крупный финансист и политик,
математик по образованию Л.Ларуш в своей книге «Экономика
ноосферы» показывает, что методология В. И. Вернадского при¬
менима не только к естественным, но и к социальным дисцип¬
линам*^.
Наиболее близка к задачам сегодняшнего дня книга «Геохи¬
мия» А. И.Перельмана*"^. В ней выделяется комплекс центральных
Vernadsky V. The Biosphere. — N.Y.: Copernicus, 1998.
Grenier E. Vladimir Vernadsky. De la biospere a la noosphere // Fusion. —
2000. - No 89.
LaRouche L. The Economics of the Noosphere. — Washington: EIR News
Service, Inc., 2001.
Перельман Л.И. Геохимия. — М.: Высш. шк., 1979.
положений, объединяемых в целостную логическую систему. Здесь
в наибольшей мере развиваются геохимические подходы В. И. Вер¬
надского к анализу конкретных природных объектов и ситуаций.
Именно А. И. Перельман ввел в геологическую науку такое фун¬
даментальное понятие, как геохимический барьер — принципи¬
альный механизм изменения направления миграции элементов в
их круговом движении в земной коре.
С тех пор и наука, и наша жизнь ушли далеко вперед. «Исто¬
рия науки и ее прошлого, — писал В. И. Вернадский, — должна
критически составляться каждым научным поколением и не только
потому, что меняются запасы наших знаний о прошлом, открыва¬
ются новые документы или находятся новые приемы восстанов¬
ления былого. Нет! Необходимо вновь научно перерабатывать
историю науки, вновь исторически уходить в прошлое, потому
что благодаря развитию современного знания в прошлом получа¬
ет значение одно и теряет другое. Каждое поколение научных
исследователей ищет и находит в истории науки отражение науч¬
ных течений своего времени. Двигаясь вперед, наука не только
создает новое, но и неизбежно переоценивает старое, пережи¬
тое»*.
Необходимость нового учебного издания, отвечающего запро¬
сам дня, ощущается все более явно. И не только для дальнейшей
реконструкции геохимической истории нашей планеты. Без яс¬
ного понимания биогеохимической миграции вещества невозмож¬
но эффективное решение актуальных задач быстро развивающей¬
ся экологии и проблем устойчивого развития цивилизации. Стра¬
тегия «покорения природы» медленно, но верно сменяется кон¬
цепцией рационального природопользования. В этих условиях
образовательные программы должны быть направлены не только
на обучение, но и на адекватное воспитание личности. В настоя¬
щем пособии автор пытается сделать шаг в этом направлении.
Предлагаемое учебное пособие включает четыре раздела. В пер¬
вом разделе рассматривается история формирования основных гео¬
химических идей. «Корни всякого открытия лежат далеко в глу¬
бине, и, как волны бьются с разбега о берег, много раз плещется
человеческая мысль около подготовляемого открытия, пока при¬
дет девятый вал», — писал В. И. Вернадский, не только отдавав¬
ший должное своим предшественникам, но и придававший боль¬
шое значение пониманию эволюции научной мысли, методоло¬
гии научного знания. В основе современного методологического
подхода к решению геохимических вопросов, заложенного
В. И. Вернадским, лежит целостный количественный подход к
анализу природных явлений миграции, рассеяния и концентра¬
* Вернадский В. И. Труды по всеобщей истории науки. — М.: Наука, 1988.
С. 203.
ции химических элементов земной коры и ее окружения. Не слу¬
чайно свой фундаментальный труд «Биосфера» он начинает с гла¬
вы «Биосфера в Космосе». «Подходя геохимически, — подчерки¬
вал он, — мы охватываем всю окружающую нас природу в одном
и том же атомном аспекте». Ясное понимание различий меж¬
ду природными телами, словами, их обозначающими, и отвечаю¬
щими им понятиями, понимание соотношений между эмпири¬
ческими фактами, их обобщение и научное объяснение во мно¬
гом определяют успех естественно-научного исследования.
Во втором разделе рассматриваются распространенность хи¬
мических элементов и их изотопов в природных объектах, зако¬
номерности их распределения в природных телах, особенности
современной геохимии изотопов, строение и состав земных гео¬
сфер и более детально биосферы. Даются основы термодинамики
и кинетики геохимических процессов и физико-химические па¬
раметры реальных природных процессов.
Третий раздел посвящен закономерностям миграции, рассея¬
ния и концентрации химических элементов. Рассматриваются
формы нахождения элементов в геологических телах, различные
типы их миграции в реальных природных условиях и возника¬
ющие на путях миграции геохимические барьеры. Подробно ана¬
лизируются геохимические циклы разных масштабов, создающие
постоянный глобальный и локальный круговорот вещества в зем¬
ной коре.
В четвертом разделе все рассмотренные выше процессы накла¬
дываются на шкалу времени, что позволяет шаг за шагом просле¬
дить эволюцию биосферы в рамках единого развития косного и
живого вещества планеты, ощутить ее организованность. С этих
позиций суть понятия «эволюция» перемещается от эволюции от¬
дельных видов, симбиозов и даже всей биоты на биосферу в це¬
лом. Этот вопрос четко и ясно поставлен В. И. Вернадским в его
докладе «Эволюция видов и живое вещество» на заседании Обще¬
ства естествоиспытателей 5 февраля 1928 г. Вопрос, не нашедший
понимания при уровне естественно-научного знания того време¬
ни, становится не только ясным, но и актуальным в наше время с
учетом достижений современного естествознания. Весь современ¬
ный эмпирический материал подтверждает справедливость прин¬
ципов эволюции биосферы, сформулированных В. И. Вернадским.
В ходе эволюционного развития происходит перераспределе¬
ние не только вещества, но и направления и плотности распреде¬
ления энергии. Эти вопросы обычно не акцентируются в учебной
литературе. А вместе с тем вещественная организованность тесно
связана с организованностью энергетической, с информационными
ресурсами конкретных систем. И хотя эти вопросы только начи¬
нают рассматриваться в геохимической литературе, они, видимо,
будут иметь огромное значение для дальнейшего развития геохи¬
7
мии ноосферы. Поэтому им также уделено внимание при анализе
ряда вопросов.
Наконец, в последних главах о ноосфере и путях решения кри¬
зисных ситуаций систематизируются многочисленные данные о
роли Человека как геологической силы, значении научного зна¬
ния в этом процессе, предлагаются принципиальные подходы к
ликвидации глобальных и локальных последствий технического
прогресса. Впервые делается попытка рассмотреть роль информа¬
ции в эволюции земной коры и развитии ноосферы.
Все перечисленные проблемы рассматриваются с позиций
классических достижений геохимических знаний, накопленных
в XX в., с учетом быстро поступающих новых данных и результа¬
тов их обобщений. При этом все многочисленные эмпирические
обобщения, полученные в предьщущее время, не теряют своего
значения. Они просто приобретают иной смысл, иное теорети¬
ческое объяснение, учитывающее новые эмпирические факты.
В целом предлагаемое учебное пособие объединяет данные
классической физической геохимии и материалы более поздних
исследований по биогеохимии в единое взаимосвязанное изложе¬
ние основных моментов этих двух направлений, не углубляясь в
каждое из них, а концентрируя внимание читателей на трех ос¬
новных «синтезах космоса» — косном, живом и социальном.
Автор надеется, что возрождение геохимических идей В. И. Вер¬
надского не только полезно, поскольку расширяет наше понима¬
ние естественных природных процессов, идущих по независимым
от нас законам Природы, но и необходимо для решения актуаль¬
ных проблем дальнейшего развития цивилизации.
в нашем столетии биосфера получает со¬
вершенно новое понимание; она выявляется
как планетное явление космического харак¬
тера.
В. И. Вернадский
Человечество далее не может стихийно стро¬
ить свою историю, а должно согласовывать
ее с законами биосферы, от которой чело¬
век неотделим.
Б. И. Вернадский
ВВЕДЕНИЕ
Геохимия, как указывает само название, это наука о химии
планеты Земля. Из всех существующих определений этой науки
самым точным и полным можно считать сформулированное од¬
ним из ее основателей — В.И.Вернадскпм: «Геохимия научно
изучает химические элементы, т.е. атомы земной коры и насколь¬
ко возможно — всей планеты. Она изучает их историю, их рас¬
пределение и движение в пространстве-времени, их генетические
на нашей планете соотношения»*. Здесь отмечено все самое глав¬
ное, что характеризует эту науку, не только в прошлом и настоя¬
щем, но и в ее будущем, ставящем перед ней новые задачи.
Взаимодействие широкого круга методов разных наук, скон¬
центрированное на одном уникальном объекте — планете, где мы
родились и существуем, определяет целостность самой на¬
уки, ее координирующую роль в познании реального строения и
законов развития нашей планеты. «Синтетическое изучение объек¬
тов природы — ее естественных тел и ее самой как целого —
неизбежно открывает черты строения, упускаемые при аналити¬
ческом подходе к ним, и дает новое. Этот синтетический подход
характерен для нашего времени в научных и философских иска¬
ниях... Случайное и неважное в глазах ученых одного десятилетия
получает в глазах другого нередко крупное и глубокое значение;
в то же время блекнут и стираются ранее установившиеся вехи
научного сознания»**.
История любого атома, в конечном счете, зависит от двух ос¬
новных факторов: его собственного строения и тех физико-хими¬
ческих условий, в которые он попадает. Поэтому в одних и тех же
условиях различные атомы ведут себя по-разному, и поведение
одного и того же элемента различно в разных природных услови¬
* Вернадский В. И. Избранные сочинения. — М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1954. —
Т. 1. - С. 14.
** Вернадский В. И. Избранные труды по истории науки. — М.: Наука, 1981. —
С. 179-180, 264.
ях. Химические свойства атомов неизменны. Химические условия
среды постоянно меняются, быстрее или медленнее. Эта совокуп¬
ность стабильного и изменяющегося позволяет понять настоящее
и восстановить историю.
Точный химический подход позволяет перейти от общих каче¬
ственных рассуждений к количественному подходу с числом и
мерой. Этим геохимия принципиально отличается от многочис¬
ленных, порой взаимоисключающих натурфилософских рассуж¬
дений. Все, в конечном счете, может быть проверено непосред¬
ственным измерением, сопоставлением, расчетом.
Для получения всех этих данных геохимия активно пользуется
методами широкого круга других естественно-научных дисцип¬
лин: геологии, аналитической и физической химии, кристаллохи¬
мии, термодинамики, биологии со всеми их многообразными раз¬
ветвлениями. Для геохимии характерно наличие не своего мето¬
да, а своего уникального объекта — Земли, точнее — земной коры,
но не только. Геохимию интересует все материальное, энергети¬
ческое и информационное окружение объекта ее изучения. От
этого в значительной мере зависит поведение последнего. Без этого
невозможно надежное восстановление истории его развития, и,
следовательно, невозможен прогноз будущего, даже ближайшего.
Но главным объектом науки геохимии остается земная кора.
Геохимия изучает распределение элементов в отдельных обо¬
лочках земной коры, геологических комплексах, горных породах,
конкретных минеральных видах, внутри индивидуальных крис¬
таллов, вплоть до локальных микроскопических блоков. В сфере
внимания геохимии воздушные потоки атмосферы, наземная и
подземная гидросфера, живое вещество планеты. Все эти есте¬
ственные тела существуют не каждое в отдельности, а во взаимо¬
связи.
В последнее время наряду с естественными природными тела¬
ми в сферу геохимических исследований вошли и техногенные
образования, начинающие играть все большую роль в распреде¬
лении и миграции элементов земной коры, соизмеримую с дей¬
ствием отдельных природных сил.
В таком виде и с такими задачами геохимия могла возникнуть
только в XX в., когда идеи и методы смежных наук достигли не¬
обходимого уровня. Ее продвижение и научный авторитет разви¬
ваются столь быстро, что мы порой не замечаем, какое огромное
влияние эта наука оказывает на развитие всего научного мировоз¬
зрения.
Сейчас трудно себе представить, что еще в 1920-е гг. возраст
всей геологической истории Земли по термическим расчетам лор¬
да Кельвина мог достигать 40 — 60 млн лет. Только в 1931 г. про¬
фессор К.Шухерт после тщательного анализа всех радиогеохи-
мических данных высказал предположение, что возраст Земли —
10
500 млн лет до начала палеозойского времени*. Радиогеохими-
ческие данные открыли путь для теории холодной агломерации
Земли. Подобных примеров очень много.
Это только одно из кардинальных представлений, лежащих в
основе современной картины Мира. Без данных, полученных гео¬
химическими исследованиями, сейчас не обходятся ни при поис¬
ках полезных ископаемых, ни при прогнозе землетрясений, ни
при других практических действиях, связанных с анализом любых
естественных природных процессов.
Особое значение геохимические исследования приобретают при
решении экологических вопросов, ставших особенно актуальны¬
ми в конце XX в. Человек стал геологической силой, и ре¬
зультаты его деятельности уже не безразличны для эволюции био¬
сферы. Все чаще обнаруживаются территории с высоким техно¬
генным заражением. Насколько это опасно и как с этим бороть¬
ся? Геохимические данные показывают, что не суммарные содер¬
жания тех или иных элементов, а формы их нахождения (подвиж¬
ные или инертные) определяют и закономерности их миграции, и
экологическую опасность.
«Риск и опасность в развитии цивилизации были, есть и будут.
Но это означает лишь одно: человечеству необходимо научиться
предельно снижать этот риск и опасность, выработать экологи¬
ческий императив, основанный на естественных законах приро¬
ды», — подчеркивал Н. Н. Моисеев**. Геохимия вносит в этот про¬
цесс существенный вклад, поскольку знание законов миграции
элементов позволяет направленно менять процессы их рассеяния
или концентрации. Здесь мы пока делаем первые шаги, и геохи¬
мии предстоит еще большая работа в этом актуальном направле¬
нии.
Следует отметить, что геохимические знания, полученные в
областях изучения многих природных процессов (породообразо-
вания, рудообразования и т. д.), могут быть с успехом использова¬
ны при решении экологических задач. Стоит напомнить, что твор¬
чество заключается не только в том, чтобы находить новое, но и в
том, чтобы правильно использовать старое. В этом плане у геохи¬
мии огромные возможности.
* Вернадский В. И. Избранные сочинения. — М.: Изд-во АН СССР, 1954. —
Т. 1. - С. 692.
** Моисеев Н.Н. Универсум. Информация. Общество. — М.: Устойчивый
мир, 2001. — С. 122.
РАЗДЕЛ I. ГЕОХИМИЯ—
НАУКА XXI ВЕКА
Глава 1
ИЗ ИСТОРИИ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ИДЕЙ
• Истоки учения • От Платона и Теофаста до А. Лавуазье, А. Гумбольдта,
М. В. Ломоносова, X. Шенбейна, Д. И. Менделеева • Становление и развитие
геохимии в первой половине XX в. как самостоятельной науки; Ф. У. Кларк,
В. М. Гольдшмидт, В. И.Вернадский, А. Е.Ферсман «Супруги Кюри и ра¬
диогеология • В. В. Докучаев и генетическое почвоведение • Биогеохи¬
мия «Атомистический подход к живому веществу «А. П. Виноградов и
развитие космохимии «Учение о биосфере и ноосфере « Биогеохими-
ческие провинции и зарождение геоэкологии « Н. Н. Моисеев и понятие
коэволюции человека и биосферы
Геохимия — наука XX в., но идеи, лежащие в ее основе, уходят
в глубокую древность. А. Е. Ферсман отмечал, что они встречают¬
ся еще у Платона и Теофаста. Теофаст (III в. до н.э.) изучал кам¬
ни, цветные камни, плавкие камни, горючие камни, негорючие
камни, землистые минералы (рис. 1.1). Большой труд Г. Агриколы
(XVI в.) «О природе ископаемых» представляет одно из первых
сочинений по минералогии. Й.Я.Берцелиус (1779—1848) отме¬
чал, что минералогия того времени была описью неточно опреде¬
ленных продуктов неорганической природы. Можно, конечно,
находить отдельные высказывания о камнях и атоме, но само по¬
нимание природы было мало похоже на то, что мы понимаем
сейчас, да и понятие атома у древних мыслителей существенно
отличается от современного научного его понимания.
Длительный период Средневековья в обществе господствовали
идеи постоянства и неизменности. Принципиальные изменения
начались только с конца XVII в., когда доминировавшая идея ста¬
бильности Мира стала вытесняться идеей развития (табл. 1.1).
В середине XVII в. в научном мире появился интерес к обоб¬
щению некоторых эмпирических фактов, накапливающихся при
анализе природных объектов. Так, в трудах Роберта Бойля (1627 —
1691), одного из создателей современной химии, отмечены эле¬
менты истории природных вод и атмосферы. Он по праву может
считаться основателем точного химического анализа земных про¬
дуктов. Антуан Лавуазье (1743 — 1794) не только подвергал анали¬
зу природные объекты, но и более четко ставил проблемы геохи¬
12
мического обобщения получаемых данных. Его авторитет способ¬
ствовал тому, что представления об истории природных вод, газов
стали входить в курсы химии. Его современник Леклерк де Бюф-
фон (1707—1788), натуралист и технолог, автор фундаментально¬
го труда «Естественная история», подходил к Вселенной как к
изменяющемуся и развивающемуся единому целому, в противо¬
положность К. Линнею отстаивал идею об изменяемости видов
под влиянием условий среды. Он поставил много геохимических
проблем, изучению которых посвящались труды не одного поко¬
ления.
В то же время в Петербурге российский натуралист Михаил Ло¬
моносов (1711 —1765) в своих трудах «О слоях земных» и «О рожде¬
нии металлов» рассматривал с химических позиций историю Зем¬
ли и химию минералов и рудных тел. Для этого периода характер¬
но неразделенное развитие естественно-научного знания. Одни и
те же люди занимались и химией, и физикой, и минералогией. Да
и в само понятие «минералогия» входили и минералы, и горные
породы, и окаменелые остатки организмов.
Огромное влияние на развитие геохимических идей оказал не¬
мецкий натуралист и путешественник Александр фон Гумбольдт
(1769—1859). Многолетние путешествия молодого Гумбольдта и
Рис. 1.1. Поиски и добыча руд (со старинной гравюры)
13
вдумчивая обработка их результатов
завершились созданием многотом¬
ного труда «Космос», в котором он
не только подошел ко многим иде¬
ям геохимии, но и затронул пробле¬
мы влияния жизни на косную ок¬
ружающую среду. Он рассматривал
живое вещество как неразрывную и
закономерную часть поверхности
планеты, тесно связанную с ее хи¬
мической средой.
Однако, наверное, впервые во¬
прос о необходимости использова¬
ния законов физики и химии при
анализе геологических явлений до¬
статочно четко поставил в середине
XIX в. незаслуженно забытый геологами и геохимиками химик и
фармацевт из Бонна Карл Фридрих Мор (1806 — 1879). Он ввел
понятие нормальности раствора, разработал метод определения
серебра (метод Мора), предложил (1852) использовать двойной
сульфат аммония и двухвалентного железа (соль Мора) для при¬
готовления стандартных растворов (при титровании), сконструи¬
ровал бюретку, зажим, пипетку и одноплечие весы. В книге «Ис¬
тория Земли», изданной на русском языке в 1868 г., анализируя
состояние геологического знания своего времени, К. Ф.Мор с
ужасом отмечал, что геологи создали свою «физику» и «химию»,
в которых «легчайшие тела тонут в тяжелейших средах», а пару
придают силу, какая не доступна обычной физике. Сравнивая от¬
носительную силу двух кислот — угольной и кремниевой в раз¬
личных геологических условиях, он показал, что в поверхностных
Михаил Васильевич
Ломоносов (1711 — 1765)
Таблица 1.1
Основные этапы развития естественно-научного знания
Период
Ведущая идея
Социальная роль естествознания
XVII в.
Стабильность Мира
Использование даров
природы
XVIII-XIX вв.
Идея развития
Познание природы и начало
ее активного освоения
Конец XIX-
XX вв.
Покорение природы
Преобразование ландшафтов
и биоценозов
Настоящее
время
Всеобщие информа¬
ционные связи
Гармония человека и
природы, рациональное
природопользование
14
Карл Фридрих Мор
(1806-1879)
условиях угольная кислота сильнее, чем
кремниевая, поскольку вытесняет ее из
солей, а в области высоких температур
и давлений их относительная сила ме¬
няется местами. Это уже вполне совре¬
менный геохимический подход, основан¬
ный на эмпирических данных.
Польский врач Е.Снядецкий, рас¬
сматривая химические аспекты процес¬
сов питания и дыхания живых организ¬
мов, высказал идеи об обратной зависи¬
мости пропорционально между массой
организма и интенсивностью его обме¬
на с косной средой. Эти идеи в даль¬
нейшем развивались в биогеохимичес-
ких исследованиях.
Сам термин «геохимия» был впервые употреблен в 1838 г. швей¬
царским химиком Христианом Фридрихом Шенбейном (1799 —
1868). «Уже несколько лет тому назад, — писал он в 1842 г., —
я публично высказал свое убеждение, что прежде чем может идти
речь о настоящей геологической науке, мы должны иметь геохи¬
мию, которая ясно должна направить свое внимание на химиче¬
скую природу масс, составляющих наш земной шар, и на их про¬
исхождение, по крайней мере столько же, сколько и на относи¬
тельную древность этих образований и в них погребенных остат¬
ков допотопных растений и животных. С уверенностью можно,
конечно, утверждать, что геологи не вечно будут следовать тому
направлению, последователями которого они сейчас являются.
Они, для расширения своей науки, как только окаменелости не
смогут достаточно служить им, должны будут искать новые вспо¬
могательные средства и, без сомнения, тогда введут в геологию
минералого-химические пути исследования. Время, когда это свер¬
шится, кажется мне не столь далеким»*. Слова эти кажутся нам
теперь пророческими. X. Ф. Шенбейн ошибся только в одном —
время его идей пришло лишь в XX в. В то время научные умы
занимал известный спор плутонистов и нептунистов. Нептунисты
считали, что окружающая их земная природа создана силами воды
и сложилась при обычных значениях температуры и давления.
Плутонисты не придавали серьезного значения силам и явлениям
земной поверхности. Они полагали, что огромные силы внутри
планеты, которую они представляли себе еще находящейся в ста¬
дии расплавленной горячей магмы, создают окружающую нас при¬
роду. Жизнь в ней, при всем ее разнообразии и кажущемся значе-
* Вернадский В. И. Избранные сочинения.
Т. 1. - С. 20.
М.: Изд-во АН СССР, 1954.
15
jj
Дмитрий Иванович
Менделеев (1834—1907)
НИИ, является мелкой частностью, не от¬
ражающей основных явлений существо¬
вания планеты. Силы, деятельность ко¬
торых проявляется в вулканах, гейзерах,
землетрясениях, термах, образуют все
основные черты лика Земли и связаны с
образованием гор, горных пород и скоп¬
лений воды и газов.
Постепенно химики теряли интерес
к природным телам. Геологические и хи¬
мические науки, до этого находившиеся
в сфере внимания одних и тех же иссле¬
дователей, стали все больше отдаляться
друг от друга. Химики отстранились от
геохимических проблем, сосредоточив¬
шись на свойствах самих элементов и их
соединений, химический элемент становился все более абстракт¬
ным понятием, а геологи увлеклись построениями общих схем
сложных явлений природы. Между геологршескими и химически¬
ми науками росла непреодолимая пропасть.
Ни в геологии, ни в химии не было создано благоприятной
среды для развития геохимических проблем в цельную дисципли¬
ну. Почва была не готова. Она медленно подготавливалась в тече¬
ние десятилетий, начиная со второй половины XIX в.
В этом плане оригинальным оказался самобытный ум
Д. И. Менделеева (1834—1907). В его «Основах химии» химичес¬
кие проблемы земных и космических тел получили яркое и не¬
традиционное освещение, а системный подход и стремление к
целостному отражению природных закономерностей оказали су¬
щественное влияние на развитие геохимической мысли в России.
Его блестящие лекции в Петербургском
университете оказались незабываемыми
для многих слушателей. В них он под¬
черкивал значение естественных природ¬
ных процессов — земных и космичес¬
ких: химический элемент являлся в них
не абстрактным, выделенным из космо¬
са объектом, а представлялся облечен¬
ным плотью и кровью, составной, неот¬
делимой частью единого целого — пла¬
неты в космосе.
Среди слушателей Д. И. Менделеева
оказался и молодой талантливый студент
В. И. Вернадский (1863 — 1945). Ориги¬
нальные лекции профессора химии по¬
могли сформировать нетрадиционное хи¬
Владимир Иванович
Вернадский (1863—1945)
16
мическое мышление молодого студента. Окончив университет, он
поступил на должность хранителя минералогического кабинета
Императорского Московского университета. Первые же его ис-
I следования по минералогии отличались внимательным отноше¬
нием к химии минералов и глубокой проработкой химизма мине¬
рал ообразования. Его «Лекции описательной минералогии» (1899),
«Опыт описательной минералогии» (1908) и «Минералогия» (1910)
явились по существу фундаментальными трудами по химии ми¬
нералов. Отсюда начался и его путь в геохимию.
В. И. Вернадский с детства воспринял идеи о целостности при¬
роды. Как представитель точных наук он ко всему стремился по¬
дойти с числом и мерой, не довольствуясь качественными натур¬
философскими рассуждениями. Но как сравнить между собой
разные объекты? Большие и маленькие, земные и космические,
живые и косные. Ответ подсказала химия минералов. Здесь он
понял, что в каждой капле и пылинке вещества на земной поверх¬
ности по мере увеличения тонкости исследований мы открываем
все новые и новые элементы; в песчинке или капле, как в микро¬
мире, отражается общий состав Космоса. И сделал вывод: каково
бы ни было объяснение этого явления, схема рассеяния элементов
очень удобна для классификации фактов. Этот вывод лег в основу
всей его дальнейшей работы. В распределении элементов он уви¬
дел единую количественную меру, позволяющую сравнивать между
собой все природные объекты: косные и живые, земные и косми¬
ческие. Такой подход не был понят современниками, и только
гораздо позднее естественно-научное, а не философское, един¬
ство мира стало приобретать все большее распространение в уче¬
ном мире.
К концу XIX в. значительных успехов достигла аналитическая
химия. Появилось много новых фактических данных. Атомисти¬
ческое представление овладело умами естествоиспытателей. Сам
атом в новом миропонимании ушел далеко от «атома» философов
и даже физиков. Это был уже химический элемент, «атом» хими¬
ков.
Происходившие изменения позволили впервые выделить гео¬
химию как науку, задача которой — изучение истории атомов,
понимаемых как химические элементы на нашей планете. Почва
для новых идей была подготовлена. Конкретно такое вьщеление
новой науки происходило более или менее независимо в разных
точках культурного мира. В Вашингтоне Франк Уиглсуорт Кларк
(1847—1931), главный химик Американского геологического ко¬
митета, всю жизнь занимавшийся геологическими проблемами,
переработал огромный материал и евел его в книге «Data of
Geochemistry», первое издание которой вышло в 1908 г. Эта книга
оказала большое влияние на научную мысль. В ней были приве¬
дены точные данные о содержании главнейших химических эле¬
17
ментов в различных типах горных пород. Ф. У. Кларк стремился
не к гипотезам и широким обобщениям, а к сопоставлению и
анализу данных по истории химических элементов в земной коре,
их роли в ее процессах, к изучению состава моря, среднего соста¬
ва рек, среднего состава земной коры; он вносил новые данные и
критически перерабатывал старые.
Ф. У. Кларк впервые сформулировал задачу и указал пути
получения не примерной оценки явлений, а конкретного точ¬
ного числа. Использованный Ф. У. Кларком термин «геохимия»
сразу же нашел благодатную почву и быстро вошел в научную
лексику.
В 1912 г. в Московском городском народном университете
им. А. Л. Шанявского А. Е. Ферсманом (1883 —1945) был прочитан
первый университетский курс этой новой науки, вышедший мно¬
го позднее отдельным четырехтомным изданием. Он отмечал, что
вся жизнь Земли, подобно жизни организмов, есть лишь длинная
цепь превращений: смена старых систем равновесия новыми, а но¬
вых в свою очередь еще более молодыми. Задача геохимика, по¬
добно задаче физиолога или химика-экспериментатора, сводится
к выяснению систем и этих равновесий, к нахождению тех глав¬
ных факторов, которые ими управляют. Ряд работ А. Е. Ферсмана
и Я.В.Самойлова (1870—1925) прочно установили сначала в на¬
шей стране, а затем и в мире традиции геохимической работы в
указанном ее понимании.
Открытие А. Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности
определило принципиально новое направление геохимической
мысли. В 1908 г. П.Кюри предложил использовать это явление в
качестве независимого «эталона времени». Сейчас мы не мыслим
серьезные геологические исследования
без радиологических реперов, но первые
результаты долго воспринимались в шты¬
ки. Наиболее авторитетные исчисления
В. Томсона (лорда Кельвина), основанные
на теплофизических расчетах времени
остывания первично огненно-жидкой
планеты, давали значения порядка 40 —
60 млн лет, и только в 1931 г. профессор
К. Шухерт признал, что с начала проте¬
розоя могло пройти 500 млн лет. В ре¬
зультате появления радиологического
исчисления времени в геохимии смогло
возникнуть понятие об интенсивности
геологических процессов. До этого счи¬
талось, что чем мощнее осадочные тол¬
щи, тем дольше они формировались.
Отсутствовала независимая шкала вре-
Атександр Евгеньевич
Ферсман (1883—1945)
18
мени. Радиогеохимия, введя радиологичеекую шкалу, коренным
образом изменила все геологическое мышление. Значительные из¬
менения произошли и в понимании теплового режима нашей пла¬
неты.
Понимание независимого радиогенного источника теплоты
подготовило основу для новых представлений о холодной агломе¬
рации Земли из материала протопланетного облака, сменивших
гипотезу Канта—Лапласа об отделении расплавленного вещества
Солнца.
Развитие геохимии тесно связано с работой еще одного иссле¬
дователя — норвежского профессора минералогии В. М. Гольд¬
шмидта (1888 — 1947). На его родине поколениями создавалась
школа химиков и минералогов, изучавшая сложнейшую группу
природных тел, открывшая множество новых минералов и новых
элементов. В 1930 г. В. М. Гольдшмидт создал в университете в
Геттингене мощный для своего времени научный центр, оказав¬
ший большое влияние на развитие геохимической мысли. На пер¬
вом плане находились главным образом проблемы изоморфизма
атомов в структуре минералов и процессы в глубоких геосферах
земной коры, вне пределов биосферы и стратисферы. Усовершен¬
ствование рентгенометрической методики привело к созданию
кристаллохимии, в которой В. М. Гольдшмидт играл видную роль.
Анализируя процессы миграции элементов, он ввел в геохимию
понятие поведения химических элементов, обусловленного их
строением, и указал пути их выявления в среде, строящей земную
кору. Это был существенный шаг вперед. Но в своих исследова¬
ниях В. М. Гольдшмидт полностью игнорировал геохимическую
роль биоты в эволюции земной коры.
По иному подошел к этим вопросам В. И. Вернадский. Еще в
университете его заинтересовали лекции профессора минерало¬
гии, основоположника почвоведения — науки о почве как особом
«естественном теле природы» — В. В. Докучаева (1846 — 1903). От
него В. И. Вернадский принял понимание почвы как целостного
биокосного природного тела, играющего существенную роль в зем¬
ных процессах. Его первой научной работой был отчет об оценке
земель Нижегородской губернии (1888). Развивая эти направле¬
ния, наряду с другими геохимическими идеями, он пришел к но¬
вому понятию живого вещества как сумме всех живых организ¬
мов в конкретном геологическом теле, регионе и, в конечном счете,
на всей планете в различные моменты ее истории. Введение в
геохимию понятия «живое вещество» позволило с одних и тех же
количественных позиций рассматривать не только косные, но и
живые объекты природы, сравнивать их между собой. Так роди¬
лась биогеохимия.
В письме своему другу Я. В. Самойлову В. И. Вернадский пи¬
сал: «Я убедился, что в основе геологии лежит химический эле¬
19
Александр Павлович
Виноградов (1895 — 1975)
мент — атом, и что в окружающей нас
природе — в биосфере — живые орга¬
низмы играют первостепенную, может
быть, ведущую роль. Исходя из этих идей
создались у нас геохимия и биогеохи¬
мия... Мне кажется теперь, что то про¬
стое и новое понятие о живом веществе
как совокупности живых организмов,
которое мною внесено в геохимию, по¬
зволило мне избавиться от тех усложне¬
ний, которые проникают в современную
биологию, где в основу поставлена жизнь
как противоположение косной материи...
Я ввел понятие живое вещество как со¬
вокупность живых организмов, нераз¬
рывно связанных с биосферой, как неотделимая ее часть или функ¬
ция»*.
Систематическую работу над идеями связи живой и неживой
(косной) природы В. И. Вернадский начал в 1916 г., заведя для
этого специальную рабочую папку. В 1926 г. он опубликовал свою
фундаментальную работу «Биосфера», в которой развил идеи це¬
лостного понимания взаимосвязи живого и косного вещества пла¬
неты и влияния на эти процессы космического излучения. По
этому поводу В. И. Вернадский писал: «Я сдал в печать свою книжку
о биосфере и к ней небольшое предисловие, за которое, может
быть, вознегодуют геологи. Мне кажется, в ней я выразил то, что
хотел: поразительно ясно встает предо мной вопрос о механизме
земной коры, согласованности ее явлений»**.
Работа не встретила каких-либо возражений, но и не нашла ре¬
зонанса в научном мире. Идеи опередили свое время. В 1930-е гг.
В. И. Вернадский вел переговоры с учеными Европы о создании
международного журнала «Геохимия». Идея была поддержана, но
только в рамках кристаллографии vum геофизики, без «живого
вещества». Живым веществом, по мнению большинства, должны
были заниматься биологи, а не геологи. Это было время диффе¬
ренциации, а не синтеза наук.
Исследования живого вещества долгое время велись только в
созданной В. И. Вернадским Биогеохимической лаборатории Ака¬
демии наук, а после кончины основателя под руководством его
ученика А.П.Виноградова (1895—1975). Он продолжил исследо¬
вание химического состава организмов морей, выпустил ряд фун¬
даментальных работ по этим направлениям и исследованию био-
геохимических провинций. Однако и он под влиянием господ¬
* Архив РАН, фонд 518, опись 3, дело 2002.
** Переписка В. И. Вернадского с Б.Л.Личковым.
М.: Наука, 1979. - С. 40.
20
ствовавших научных течений постепенно сместил свои научные
интересы в сторону дегазации мантии, ее зонной плавки и космо¬
химии. Это был дух времени, и А. П. Виноградов возглавил рабо¬
ты по геохимии планет. Отбор и исследование первого лунного
грунта, изучение атмосферы Венеры выполн51лись под его руко¬
водством.
С начала запуска космических аппаратов началась новая ста¬
дия изучения Земли как космического тела. Появилась возмож¬
ность непосредственного изучения морфологии, физико-химиче¬
ских условий и химического состава планет Солнечной системы и
их сравнение с аналогичными характеристиками Земли. По ини¬
циативе А. П. Виноградова в 1967 г. была организована первая оте¬
чественная лаборатория сравнительной планетологии. Ее возгла¬
вил ученик В.И.Вернадского — К.П.Флоренский (1915—1982).
Его исследования пролили новый свет на начальный период фор¬
мирования и развития нашей планеты. Из гипотетических пост¬
роений в этой области геохимия перешла к анализу конкретных
количественных материалов и их обобщению.
В 1896 г. французский физик Антуан Беккерель обнаружил
излучаемые ураном лучи, которые получили название лучи Бек-
кереля. Ученица Беккереля — Мария Кюри открыла, что торий,
полоний и радий также испускают лучи Беккереля, и назвала это
явление радиоактивностью. Физики быстро оценили значение
нового явления. Для них открылась новая область исследований.
Представители других направлений естественно-научного знания
никак не прореагировали на это событие. Первым, кто по досто¬
инству и в полной мере оценил новое открытие, был российский
ученый академик В. И. Вернадский, организовавший в 1909 г. изу¬
чение радиоактивных руд России, а затем специальную лаборато¬
рию для работы с радиоактивными рудами, преобразованную в
1922 г. в Радиевый институт.
Изотопная датировка земных объектов долго казалась неправ¬
доподобной, поскольку до этого по всем исчислениям геологи¬
ческой истории отводилось всего несколько десятков миллионов
лет. Как отмечалось выше, в 1931 г. профессор К. Шухерт впервые
предположил, что до начала палеозойского времени могло пройти
500 млн лет. Окончательное становление изотопной геохронологии
произошло в 1937 г. на XVII Международном геологическом кон¬
грессе.
Новый «эталон времени» кардинально изменил все геологи¬
ческое мышление: стратиграфическая колонка получила число¬
вые значения, появилась возможность разделить периоды акти¬
визации и покоя, тектоника приобрела историчность, возникло
понятие интенсивность геологических событий.
Ученик А. П. Виноградова — А. И. Тугаринов (1917 — 1977) про¬
должил работы по изотопной геохимии и ядерной геохронологии.
21
Александр Ильич
Перельман (1916—1998)
приобретавшей все большее значение
в геологических науках. В его кратком
учебном курсе «Общая геохимия» эво¬
люция основных геологических процес¬
сов привязана к радиологической воз¬
растной шкале. Он же рассмотрел рудо-
образование как длительный многоста¬
дийный процесс, в котором участвуют и
экзогенные, и эндогенные события, каж¬
дое из которых вносит свой вклад в гео¬
химическую историю отдельных элемен¬
тов. Он ввел в учебный процесс основ¬
ные данные по космохимии процессов,
происходящих на Солнце, намечая вза¬
имосвязь геохимии и космохимии.
В середине XX в., когда в геологичес¬
ких науках стали быстро распространять¬
ся идеи классической термодинамики, оригинальный подход к
термодинамическому анализу геологических процессов развил
Д. С. Коржинский. Рассматривая метасоматические процессы, он
на основании детальных эмпирических наблюдений ввел понятия
о наличии в метасоматических колонках мозаичного равновесия
и вполне подвижных компонентов, для которых данная система
является открытой. Это был первый шаг к термодинамике откры¬
тых систем.
Несколько особняком стоят работы немногих биологов, гео¬
графов и почвоведов: Б. Б. Полынова (1877 — 1952), В. Н. Сукачева
(1880-1967), В.А.КОВДЫ (1904-1991), Н.В.Тимофеева-Ресовс¬
кого (1900— 1981) — основателя русской научной школы по гене¬
тике, радиобиологии, его ученика — А. Н.Тюрюканова (1931 —
2002), оценивших роль живых организмов в развитии биосферы.
Однако их работы не вышли за пределы почвоведения.
Профессор географического факультета Моековского государ¬
ственного университета А. И. Перельман (1916— 1998) иеследовал
геохимию ландшафтов и развил понятие геохимического барьера,
первое упоминание о котором было дано еще В. М. Гольдшмид¬
том (1937), рассматривавшим гумусовый слой лесной почвы как
барьер для ряда аккумулирующихся на нем микроэлементов.
А. И. Перельман не только расширил это понятие, применив его к
любым процессам формирования ландшафтов и образованию руд¬
ных скоплений в осадочных породах чехла, но и разработал такие
теоретические понятия, как контрастность и градиент барьера.
После его работ понятие «геохимический барьер» прочно вошло в
научную литературу.
Интерес к биогеохимическим процессам и вопросам эволюции
биосферы стал возрождаться в самые последние годы. Только в
22
1998 г. появился полный перевод на английский язык книги
В. И. Вернадского «Биосфера». Как отмечалось выше, в 2000 г.
французский журнал «Fusion» опубликовал работу В. И. Вернад¬
ского «Биосфера и ноосфера» с обстоятельной статьей редактора
Е. Гренье, в которой он пишет, что во Франции знали В. И. Вер¬
надского, но считали чисто «кабинетным» ученым, и только сей¬
час начали понимать все практическое значение его идей. Более
того, в 2001 г. американский политик и экономист, математик по
образованию Л.Ларуш опубликовал работу «Экономика ноосфе¬
ры», в которой показал, что методологичесьсие подходы В. И. Вер¬
надского имеют значение не только для естественных, но и для
социальных наук. Время идей В. И. Вернадского пришло.
В самые последние годы интерес к идеям В. И. Вернадского
быстро растет в связи с возникающими экологическими пробле¬
мами и растущим пониманием необходимости перехода к страте¬
гии устойчивого развития цивилизации.
Меняется и подход к научным проблемам, которые ставит пе¬
ред наукой наша цивилизация. Еще в 1938 г. В. И. Вернадский
писал А. Е. Ферсману: «Мы живем в период быстрого изменения
характера специализации в научной работе. Мы все больше спе¬
циализируемся по проблемам и все больше не считаемся с рамка¬
ми наук». Геохимия является ярким примером такой междисцип¬
линарной науки.
Создание целостной математической модели биосферы (в на¬
чале отдельной ее части «океан —атмосфера») было начато еще в
1970-е гг. в Вычислительном центре АН СССР под руководством
Н. Н. Моисеева (1917 — 2000). Структура модели базируется на идеях
биосферы и биогеохимических циклов. Работа не закончена, но
именно в ее рамках была создана хорошо известная модель «ядер-
ной зимы», сыгравшая ключевую роль в запрещении испытаний
ядерного оружия. Н.Н.Моисеев выдвинул идею коэволюции —
такого совместного развития системы и ее элементов, при кото¬
ром не нарушается целостное развитие самой системы. Он нео¬
днократно подчеркивал, что знание — это единственная форма
коллективной собственности, которая только умножается, если
ею будут пользоваться люди.
К концу XX в. экспоненциальное развитие техники привело к
ощутимому давлению цивилизации на биосферу. Стал быстро ра¬
сти общественный интерес к экологическим проблемам. Посте¬
пенно становится ясным, что решение возникающих задач не может
быть сведено к простым запретительным методам. Перед геохи¬
мией возникли новые задачи, связанные с решением актуальных
проблем перехода от политики покорения природы к кон¬
цепции рационального природопользования, к реше¬
нию конкретных задач взаимоотношения Человека и Природы.
Возрос интерес к особенностям миграции элементов в биогеохи¬
23
мических циклах, а вслед затем и к особенностям перемещения в
естественных условиях продуктов техногенеза. Возникла новая на¬
ука экология. Наука молодая, ищущая пути своего развития. В ней
существуют разные направлен™, в том числе и пытающиеся све¬
сти все проблемы к чисто техническим задачам.
Однако поскольку миграция элементов происходит в геологи¬
ческой среде, решение таких задач без учета геологического стро¬
ения и геохимических условий конкретных территорий вряд ли
имеет перспективы. Более того, их нельзя успешно решать без
учета законов биогеохимической миграции элементов. Постепен¬
но становится все более ясно, что невозможно решать вопросы
экологии без учета законов геологии и геохимии. Это направле¬
ние геохимических исследований сейчас быстро развивается, при¬
обретая новое научное и практическое значение.
* * *
Таким образом, относительно молодая наука XX века — геохи¬
мия, с одной стороны, имеет глубокие исторические корни, с дру¬
гой — активно развивается в настоящее время. В ней появляются
новые актуальные направления, имеющие существенное значе¬
ние для будущего человеческой цивилизации. Современный этап
расширения геохимического знания охватывает весь диапазон
истории элементов от Космоса и формирования Солнечной си¬
стемы до локальных участков воздействрш человека на среду сво¬
его обитания. Такое расширение области геохимического знания
требует применения системного подхода, поскольку человечество
в своем развитии, как будет видно из дальнейшего, своей актив¬
ной деятельностью охватило всю планету. История науки пока¬
зывает, что творчество заключается не только в поисках нового,
но и в переосмыслении и правильном использовании старого.
Контрольные вопросы
1. Почему геохимию называют наукой XX века?
2. Какие фундаментальные научные достижения предшественников
легли в основу геохимии как науки?
3. Каков вклад в геохимию Д. И. Менделеева?
4. Какой принципиальный вклад в развитие геохимии внес Ф. Кларк?
5. Чем различаются подходы В. М. Гольдшмидта и В. И. Вернадского к
анализу геохимических процессов?
6. Какое значение для геохимии имеет понятие «живое вещество»?
7. С какой целью введено понятие «биосфера»?
8. Какое значение для геохимии имеет изучение радиоактивности?
9. Когда и с какой целью бьшо введено понятие «ноосфера»?
10. По какому пути идет современное развитие геохимии биосферы?
Глава 2
МЕТОДОЛОГИЯ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО
ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДЫ
• Естественные тела природы и отвечающие им понятия • Эмпирические
факты, эмпирические обобщения, научные объяснения, их место и роль
в развитии научного знания • Наука и практика, соотношение между
ними •Логические схемы получения, преобразования и использования
научного знания • Аналитический и синтетический (целостный) подходы
в развитии естественно-научного знания • Распределение элементов в
природных объектах как мера для их сравнения, систематизации и по¬
знания природных процессов «Три синтеза космоса • Место геохимии
в естественно-научном знании • Классификации природных объек¬
тов • Моделирование природных процессов
2.1. Естественные тела природы
В естественных науках принято выделять объект изучения и
метод изучения. С объектом изучения в геохимии относительно
просто. Это, как и в химии, атомы, но не вообще все атомы Все¬
ленной, а атомы нашей планеты. В то же время геохимия — наука
историческая, наука об истории химических элементов. Следова¬
тельно, в ней есть шкала времени. Наконец, как наука геохимия
стремится подойти к объекту своего изучения количественно.
Поэтому в сферу ее изучения попадают прежде всего элементы
земной коры, гидросферы, атмосферы и, насколько возможно, их
окружения, их сочетания не только в настоящее время, но и в
различные периоды истории нашей планеты.
В.И.Вернадский указывал, что подходя геохимически, мы
охватываем всю окружающую нас природу в одном и том же атом¬
ном аспекте, а основной задачей геохимии является пересмотр
природных химических соединений Земли с точки зрения химии
процессов, в ней идущих.
Конкретно мы изучаем не земную кору в целом, а слагающие
ее естественные тела. Естественным телом (по В. И. Вернадско¬
му) будем называть всякий логически ограниченный от окружаю¬
щего предмет, образовавшийся в результате закономерных при¬
родных процессов. Таким естественным телом будет каждая гор¬
ная порода (и формы ее нахождения — батолит, шток, пласт и т. д.),
всякий минерал (и формы его нахождения), всякий организм
(индиввд и сложная колония), биоценоз (простой и сложный),
всякая почва (например, ил), клетка (ее ядро, ген), атом, элект¬
рон и т.д.
25
Наука начинается с выделения естественных природных тел.
Но при дальнейшей научной работе важно учитывать, что мы
оперируем не реально существующими телами, а только отвеча¬
ющими им понятиями. Реальные тела мы изучаем.
Одним и тем же словом обозначают две категории понятий.
Одна категория отвечает предметам, которые реально существуют
в природе; например, определенная планета, определенная поч¬
ва, определенный организм и т. п. Другая категория — это поня¬
тия, которые целиком или в основной своей части являются ре¬
зультатом сложного логического процесса — обобщением бесчис¬
ленного множества фактов; например, почва, горная порода, звезда,
государство и пр.
Понятие, отвечающее естественному природному телу, не есть
что-либо постоянное и неизменное. Оно меняется, иногда очень
существенно, с ходом научной работы, с ходом жизни нашей ци¬
вилизации. Но слово, отвечающее понятию естественного тела,
может сохраняться века и тысячелетия. Так, слово «атом» сохра¬
няется с глубокой древности, но смысл, вкладываемый в понятие
«атом», во времена Аристотеля и в наше время существенно раз¬
личен.
Таким образом, необходимо различать объект геохимических
исследований как реально существующее природное тело и объект
как некоторое логическое понятие, образованное в результате
его разностороннего изучения. Первое понятие консервативно,
относительно устойчиво, второе постоянно меняется и совер¬
шенствуется по мере развития исследований и нашего общего
геологического знания. Первое понятие материально и существует
независимо от субъективных ощущений, второе составляет его
информационное поле и меняется в ходе развития наших зна¬
ний.
К первой категории относятся конкретные образцы (пород, руд,
минералов и т. п.), тесно связанные с самим естественным мате¬
риальным природным телом, ко второй — описания, карты, схе¬
мы, результаты анализов, модели, гипотезы, теории и т.д.
Сложнее с методами. Как междисциплинарная наука геохимия
использует в своих исследованиях методы любых смежных наук,
способствующих решению поставленной задачи. Это и физика, и
химия, и биология (особенно при палеонтологических исследова¬
ниях), и геометрия (построение карт, разрезов, схем и т.д.),
и математика. Трудно назвать какую-либо науку, которая, в прин¬
ципе, не могла бы использоваться в геохимических исследовани¬
ях. И это понятно, если мы вспомним, что геохимия изучает все
объекты и процессы нашей планеты в аспекте их атомного строе¬
ния, включая и деятельность человека как естественного продук¬
та эволюции биосферы. Поэтому остановимся главным образом
на общих вопросах методологии естественно-научного изучения
26
природы, поскольку именно в случаях синтетического подхода
они обычно приобретают особое значение.
2.2. Эмпирические факты и эмпирические
обобщения
Фундамент, на который опираются все наши научные пост¬
роения, — эмпирические факты. Эмпирические факты, полу¬
ченные в результате непосредственных наблюдений, по своему
определению единичны и всегда истинны сами по себе, но не
всегда в нашей интерпретации. Их множество безгранично. Но
разрозненные факты трудно использовать в науке и практике.
Отдельные эмпирические факты, не связанные в систему, еще
не еоздают знания. Вот почему доказательства по типу «выбороч¬
ных примеров», часто используемые в геологической литературе,
довольно слабые. Из множества отдельных фактов обычно можно
выбрать позволяющие делать различные интерпретации.
Устойчиво повторяющиеся эмпирические факты, объединен¬
ные в некоторое множество, составляют уже эмпирические обоб¬
щения, которые позволяют проводить дальнейшие операции, стро¬
ить более сложные системы и получать практические результаты.
При этом необходимо учитывать, что истинность эмпирических
обобщений не безгранична. Все они имеют некоторую область
устойчивости, внутри которой обнаруживают закономерную ста¬
тистическую плотность распределения отдельных характеристик.
Так, если минералогический или химический состав конкрет¬
ного образца горной породы дает нам эмпирический факт, то
средний состав пород, полученный из многих анализов, с уста¬
новленными пределами колебаний отдельных компонентов явля¬
ется типичным эмпирическим обобщением. Примером может слу¬
жить средний минеральный или химический состав гранита или
любой другой горной породы. И как бы ни менялись наши пред¬
ставления о происхождении этого типа пород, эти значения могут
только уточняться, всегда оставаясь фундаментальным эмпири¬
ческим обобщением.
Хрестоматийным примером эмпирических обобщений и их роли
в развитии науки могут служить основные уравнения электроди¬
намики. Они созданы в период господства флюидной теории элек¬
тричества. Флюидная теория ушла в прошлое, но все основные
уравнения электродинамики, созданные в этот период (уравне¬
ние Ома, параллельного и последовательного соединения и т.д.),
работают ничуть не хуже. Все они еоставлены как эмпирические
обобщения, а не выведены из теории. Сюда же можно отнести
законы Ньютона. Они работают, хотя объяснения явлениям тяго¬
тениям мы не имеем до сих пор.
27
Эмпирические обобщения опираются на факты и выводятся
индуктивным путем, не выходя за их пределы. Они могут долго
не находиться в согласии с другими существующими представле¬
ниями о природе, не поддаваться никаким гипотетическим объяс¬
нениям, являясь непонятными, и все же оказывать благотворное
влияние на развитие науки и техники, заставляя искать их место в
общей системе знаний и даже использовать их в практической
деятельности. Мы до сих пор не знаем природу гравитации, но
активно используем эмпирические значения гравитационных по¬
стоянных.
Таким образом, надежный фундамент науки — это эмпириче¬
ские факты и полученные на их основе эмпирические обобще¬
ния. Наиболее общие эмпирические обобщения, лежащие в ос¬
нове многих теоретических построений, обычно выступают в ка¬
честве научных принципов. Наконец, самые широкие принципы,
очевидность которых не подвергается сомнению, а постоянно под¬
тверждается практикой и отработана поколениями, возводят в ранг
аксиом. От надежности этих обобщений в значительной мере за¬
висит работоспособность и устойчивость дальнейших теоретичес¬
ких построений. Не следует забывать и о том, что любой прин¬
цип, как и эмпирическое обобщение, надежен только в тех рам¬
ках, в которых он получен. Игнорирование этого ограничения
часто приводит к ошибкам. Подавляющее большинство возника¬
ющих здесь недоразумений связано с неоправданным расшире¬
нием области применимости того или иного принципа.
Основные принципы и аксиомы вырабатываются наукой очень
медленно. Проходят столетия, прежде чем новые научные от¬
крытия, эмпирические обобщения заставляют ученых сознательно
отнестись к основным положениям, лежащим в основе научного
знания. В течение долгого времени выделялся из материала на¬
уки ее остов, который может считаться общеобязательным и не¬
преложным для всех, не может и не должен подвергаться сомне¬
ниям.
Таким образом, аксиомы и принципы науки не выведены из
теории, а являются наиболее общими эмпирическими обобщени¬
ями, полученными на протзгжении опыта многих поколений. Но
именно они образуют базис всего научного мышления.
2.3. Научные объяснения
Научные объяснения, гипотезы и, как теперь мы говорим, мо¬
дели также являются одним из трех китов научного знания, но
отличным от двух предыдущих (см. подразд. 2.2), и составляют
иной блок научного знания. Гипотезы совершенно неизбежны и
необходимы для развития науки. Без них ученые просто погрязли
28
бы в сумме отдельных фактов. Без них мы просто утонули бы в
океане чувственных восприятий.
Научные гипотезы влияют на сбор новых эмпирических фак¬
тов, их критику, систематизацию и обобщения. Да и сам научный
аппарат создается благодаря научным теориям и научным гипоте¬
зам. И в то же время, несмотря на то огромное влияние, которое
они оказывают на научную мысль и научную работу данного мо¬
мента, они всегда ограничены и преходящи. Их нельзя идеализи¬
ровать, и они не должны являться догмами.
В отличие от фактов и обобщений, которые, если они пра¬
вильно выведены, остаются неизменными в любой теоретической
системе и исторически переходят из одной теории в другую, на¬
учные объяснения (гипотезы, теории, модели) — это наши мимо¬
летные творения разума. Они с необходимостью изменяются по
мере накопления новых эмпирических данных, в ходе эволюции
научного знания.
2.4. Анализ и синтез
В процессе получения научного знания вьщеляют аналитиче¬
ский (разлагающий) и синтетический (объединяющий, целостный)
подходы.
Аналитический подход к действительности — прием позна¬
ния, основанный на расчленении изучаемого явления на простей¬
шие составляющие. Этот методологический прием ориентирует
исследователей на подробную детализацию изучаемой действи¬
тельности. Он позволяет уточнить детали, получить их количе¬
ственные характеристики, вьшвить то, что неизвестно при зна¬
комстве с объектом в целом.
Синтетический (греч. synthesis — соединение) подход к изу¬
чению объектов природы, ее естественных тел как целого позво¬
ляет открыть и понять черты строения, упускаемые при аналити¬
ческом подходе к ним, и дает новое. Он характерен для нашего
времени в научных исследованиях природных объектов, особенно
при междисциплинарных исследованиях. В этих случаях границы
между отдельными науками стираются. Ученый начинает рабо¬
тать, не считаясь с ранее установленными научными рамками.
Прекрасным примером соединения аналитического и синте¬
тического методов является вычисление Ф. Кларком в 1908 г. сред¬
них содержаний элементов в различных группах пород земной
коры. Надежность многочисленных аналитических данных по со¬
держанию элементов в горных породах (эмпирические факты) оп¬
ределила и надежность их средних содержаний в земной коре (эм¬
пирические обобщения), вошедшие в науку под названием чисел
Кларка,
29
Мы получили принципиально новые характеристики земных
объектов. Появилась возможность сопоставлять эти характерис¬
тики для объектов, расположенных в различных точках простран¬
ства, образованных в разное время и т.д.
Расширение этого подхода от горных пород на любые природ¬
ные тела позволило количественно сравнивать объекты разного
происхождения и разного времени, подходить к этому вопросу
исторически.
2.5. Система научного знания
На рис. 2.1 схематически показана вся цепочка получения и
преобразования научного знания. В начале цепочки лежит непо¬
средственное наблюдение природных объектов или их откликов
на те или иные естественные и техногенные воздействия. В ре¬
зультате этих процедур формируется сумма эмпирических фак¬
тов. Они многочисленны, разрозненны и подчас противоречивы.
Они нуждаются в систематизации и обобгцении. На этой базе фор¬
мируются эмпирические обобщения, суммирующие отдельные эм¬
пирические факты, устойчивые в определенных условиях с неко¬
торой долей вероятности. Последние два условия (область реали¬
зации и доверительный интервал) ограничивают сферу примени¬
мости любого эмпирического обобщения.
Сами эмпирические обобщения наиболее устойчивы и сохра¬
няются при изменении теоретических обобщений, но могут уточ¬
няться по мере накопления новых эмпирических фактов. В про¬
цессе своего формирования они многократно проверяются путем
Рис. 2.1. Схема логической цепочки получения и преобразования науч¬
ного знания
30
сопоставления с природными объектами через наблюдения и из¬
мерения по принципу обратной связи.
Данная стадия формирования научного знания весьма ответ¬
ственна и совершенно необходима для построения научного объяс¬
нения. Все попытки ее игнорирования и построения теоретиче¬
ских моделей на базе отдельных фактов (метод выборочных при¬
меров, показанный на схеме пунктирной линией) часто приводят
к печальным результатам, чреваты искажением картины общего
процесса и созданием иллюзии знания.
На базе эмпирических обобщений исторически формируются
научные принципы, постулаты и аксиомы. Это наиболее устой¬
чивые эмпирические обобщения с широкой сферой применимо¬
сти. Их влияние не ограничивается процессом формирования на¬
учных объяснений. По принципу обратной связи они направляют
исходный процесс наблюдений и измерений. На эту же процеду¬
ру влияют и имеющиеся на каждый момент теоретические пред¬
ставления. Особое значение теорий заключается еще и в том, что
именно через них вся система научного знания работает на свое
практическое применение.
2.6. Научные принципы
Применение общих принципов обычно помогает рассматри¬
вать в едином гармоничном целом большой ряд отдельных эмпи¬
рических закономерностей, на первый взгляд лишенных какой-
либо взаимной связи. Трудно переоценить значение для развития
науки таких принципов, как принцип инерции, принцип сохра¬
нения энергии, принцип наименьшего действия и ряда им по¬
добных. Базируясь на общенаучных принципах, выходящих за
пределы какой-либо одной научной дисциплины, мы получаем
заметное облегчение, но приобретаем дополнительную ответствен¬
ность.
Облегчение заключается в том, что мы не отвечаем за доказа¬
тельство данного принципа, достоверность которого проверяется
всем разносторонним опытом человечества. Общие принципы ес¬
тествознания позволяют нам избежать нагромождения многих
частных гипотез, вводимых в теорию сознательно или незаметно,
создавая вместо них значительно более надежный ее скелет, свя¬
занный с другими областями человеческого знания. А это один из
критериев внутреннего совершенства теории.
Наша ответственность лежит в области правильного примене¬
ния этих принципов. Их отношение к тому или иному вопросу
должно достаточно подробно обосновываться логически и факти¬
чески. Простые ссылки на авторитеты или обращение к самооче¬
видности часто оказывают плохую услугу.
31
г. Гегель говорил, что основание или принципы системы на
деле есть всего лишь ее начало. Но именно от этого начала зави¬
сит направление нашего пути, придем мы в желаемый пункт или
будем бродить в неведомой чаш^е, надеясь на его величество счаст¬
ливый случай.
Принцип целостности берет свое начало с древнейших вре¬
мен и зафиксирован еще в буддистских догматах. В наше время
он наиболее полно разработан в современной теории систем при¬
менительно к анализу связей между наблюдаемыми природными
объектами и явлениями.
Огромная сумма фактов, полученных за последние десятиле¬
тия, не оказывает существенного влияния на развитие научной
мысли, если они берутся каждый сам по себе, вне системного
подхода, при котором целое может быть даже более простым об¬
разованием, чем составляющие его части.
Принцип цикличности развития природных систем (рис. 2.2),
как он был сформулирован В. И. Вернадским и как в более широ¬
ком смысле употребляется это слово, совсем не означает движе¬
ния по замкнутому кругу. Оно означает только некоторую закон¬
ченность определенного круга явлений в течение определенного
отрезка времени, стремление к неоднократному повторению и,
что для нас особенно важно, глубокую взаимосвязь слагающих
данный цикл отдельных частей некоторой системы.
В каждом цикле миграции химических элементов можно раз¬
личить две основные тенденции. Действие одних сил, которые
мы обычно называем внутренними, определяет консервативную
тенденцию к замыканию, других — внешних — тенденцию про¬
тивоположного характера.
Любой цикл в изолированном виде мог бы быть вполне замк¬
нут, но поскольку он только и происходит на фоне и в связи с
другими циклами разного характера и масштаба, такое замыка¬
ние полностью исключено. Замыкается он только мысленно в
идеале.
Принцип геохимических циклов пол¬
ностью соответствует общенаучным пред¬
ставлениям о развитии как движении по
спирали, которое на каждом своем витке
повторяет некоторые основные черты пре¬
дыдущего витка, но нигде с ним не сли¬
вается. Подход с позиции циклов позво-
Рис. 2.2. Схематическое изображение цикли¬
ческого развития
ляет связать в единую цепь, казалось бы, весьма разные процес¬
сы, найти взаимосвязь между ними. При этом исчезает абсолют¬
ное деление процессов на первичные и вторичные. Процесс пер¬
вичный в одном отношении оказывается вторичным в другом.
Так, при образовании осадочных толщ за счет разрушения ин¬
трузивных пород последние выступают как первичные, но в про¬
цессе гранитизации их соотношение меняется на обратное. Фор¬
мирование кор выветривания рассматривается как вторичный про¬
цесс по отношению к разрушающимся рудным месторождениям,
но он же выступает как первичный при формировании осадоч¬
ных, инфильтрационных, метаморфогенных и даже гидротермаль¬
ных месторождений.
В геохимических циклах отражается стремление природной си¬
стемы к симметрии, постоянно нарушаемой иными циклами раз¬
личных рангов и масштабов.
В идеальной изолированной системе траектория каждого цик¬
ла характеризовала бы замкнутый круговой процесс (пунктирная
линия на рис. 2.2). Однако поскольку каждый цикл происходит
на фоне иных циклов разных масштабов (серая стрелка), он ни¬
когда не замыкается полностью, а приходит в условно исходную
точку, которая уже не идентична начальной. Совокупность сим¬
метрии и диссимметрии приводит к возвратно-поступательному
движению по спирали, в котором проявляется и повторяемость,
и направленность эволюционного развития.
Принцип цикличности позволяет вместо деления природных
образований на первичные и вторичные рассматривать их в двух
аспектах: динамическом и историческом. Первичное и вторичное
здесь выступают только в конкретном историческом аспекте и
снимаются в динамическом. Последний делает упор не на конк¬
ретное историческое (геологическое) время, а на последователь¬
ность отдельных стадий и этапов единого процесса. Относитель¬
ная последовательность, выраженная в стадийности развития гео¬
логического объекта, имеет не меньшую ценность, чем точная
привязка к геохронологической шкале. Начало развития одина¬
ковых процессов в разных точках геологического пространства
может быть сдвинуто в шкале астрономического времени, но сами
процессы могут быть подобны.
Разделение исторического и динамического аспектов облегча¬
ет возможность выявления однородных элементов среди большой
группы, казалось бы, весьма различных явлений и, комбинируя
их, получить новые заключения, подлежащие наблюдению и про¬
верке.
Здесь мы получаем возможность значительно расширить вы¬
борку наблюдений, выразить их результаты числом и рассмотреть
сложные явления как результат суммарного действия подобных
друг другу элементарных явлений. А значит, открыть широкие
33
перспективы для пррыожения математики, которая и занимается
законами сочетания подобного с подобным. Без такого разделения
на историческое и динамическое, без выделения элементов подо¬
бия в разновозрастных образованиях нам приходится преодолевать
бесконечно длинный последовательный путь исследований от эле¬
мента к элементу, при котором помощь математики, за исключе¬
нием вспомогательных вычислений, оказывается ненужной.
В пределах цикла движение элемента не остается постоянным
и равномерным. Изменение характера движения связано прежде
всего с переходом элементов из одной формы связи в другую.
Например, разрушение полевого шпата меняет форму связи ка¬
лия и рассеянного в этом минерале свинца. И хотя разрушение
каждого отдельного зерна может происходить очень долго, оно
характеризует качественный скачок в истории этих элементов.
Переходы элементов из одной формы связи в другую составля¬
ют узловые точки цикла, разграничивают участки с разными фор¬
мами миграции и потому представляют особый интерес для тео¬
рии рудообразования. В рамках цикла происходит неоднократное
концентрирование и рассеяние элемента. Границы между этими
процессами проходят через узловые точки. Но лишь немногие из
этих процессов приводят к появлению рудных скоплений.
Наличие в рамках одного цикла нескольких узловых точек мо¬
жет не только приводить к образованию генетически разных ти¬
пов месторождений одного элемента, но и обеспечить ступенча¬
тую его концентрацию, замеченную еще в первой половине прош¬
лого века Г. Шнейдерхеном. Интеграция рудных компонентов
может происходить в момент образования рудоносного раствора
или на пути его движения и затем возрастать при отложении руд.
Некоторое региональное повышение концентрации отдельных эле¬
ментов фиксируется уже на стадии осадконакопления, а затем резко
усиливается при диагенезе, эпигенезе, метаморфизме и т.д.
Принцип наследственности непосредственно вытекает из
принципа цикличности развития. На протяжении всей геологи¬
ческой истории ни один земной процесс не начинается с нуля.
Каждый имеет предысторию, запечатленную в распределения ве¬
щества и энергии. Поэтому каждый геологический объект, про¬
должая развитие, несет в себе некоторые черты своих предше¬
ственников, что и позволяет восстанавливать их историю.
Однако в отличие от живых организмов периоды развития кос¬
ной материи могут перемежаться с периодами покоя, в которые
не происходит каких-либо изменений. Обычно начало очередно¬
го периода развития совпадает с началом тектонической активи¬
зации, затем процесс постепенно замедляется, сменяясь перио¬
дом покоя. С возобновлением тектонической активности разви¬
тие начинается не с того состояния, на котором оно остановилось
после предыдущей активизации.
34
Значение этого принципа для теории рудообразования заклю¬
чается в признании роли предшествующих состояний и процес¬
сов в конечном акте концентрации рудного вещества. При этом
временной разрыв между предшествующими и последующими
событиями не имеет значения и может измеряться геологически¬
ми отрезками времени. Все зависит от истории развития конкрет¬
ного участка земной коры.
Принцип обратной связи, впервые сформулированный в ме¬
ханике, а затем примененный в теплотехнике и радиоэлектрони¬
ке, является общим принципом управления всех систем, включая
биологические и социальные. Его применение в геологических
системах, в том числе и при анализе геохимических систем, по¬
зволяет лучше понять такие процессы, как формирование геохи¬
мических барьеров, природные буферные реакции, метасомати-
ческие изменения пород и другие явления, связанные с перено¬
сом вещества и энергии.
Если положительная обратная связь ведет к усилению действия
причины и катастрофическим изменениям, то отрицательная —
к стабилизации процесса и устойчивости системы. Совместное
действие положительной и отрицательной обратной связи вызы¬
вает появление периодических явлений, характерных для многих
геологических событий. К сожалению, роль обратных связей в
геологических системах пока еще слишком мало исследована.
Принцип системности начинает все отчетливее проявляться в
самых различных геологических исследованиях. Теория систем,
набравшая силу к середине XX в., рассматривает любой изучае¬
мый объект как совокупность элементов, связанных между собой
системой обратных связей, обусловливающих взаимное влияние
элементов друг на друга.
В своих ранних работах В. И. Вернадский, рассматривая при¬
родные системы, употреблял термин механизм. Позднее он заме¬
нил его термином организованность, обосновывая это тем, что
явления слишком сложны и зависят от целого рада причин. Их
нельзя описать линейными уравнениями. Свободная энергия об¬
разования А б^обр химического соединения не равна сумме свобод¬
ных энергий слагающих его кальцита СаСОз и магнезита MgC03:
Аб,5р(СаМ8(СОз)2) ^ Абобр(СаСОз) + АбобрСМвСОз)
То же самое относится к любой химической реакции.
Большинство природных процессов нелинейны; их нельзя
описать в рамках принципа суперпозиций*. Лишь в первом при¬
ближении возможно применение линейных уравнений, теряющих
свою адекватность при более углубленном анализе.
* Принцип суперпозиций — допущение, согласно которому результирующий
эффект сложного процесса взаимодействия представляет собой сумму эффектов,
вызываемых каждым воздействием в отдельности.
35
Здесь перечислены только основные принципы, которые, на
наш взгляд, являются ведущими для решения поставленных во¬
просов и на которые будем опираться в наших дальнейших пост¬
роениях. Список далеко не исчерпывающий. В некоторых случа¬
ях мы будем возвращаться к этому вопросу по мере необходимос¬
ти в связи с теми или иными вопросами, опираясь на конкретный
материал.
2.7. Представления о Космосе
Во все времена люди пытались представить себе общую карти¬
ну Мира. По мере накопления научного знания менялись и пред¬
ставления о Мире. В них отражались не многочисленные частно¬
сти отдельных наук, а «лишь понимание тех конечных пунктов,
где эти частности сходятся» (И. В. Гёте). Эти представления не толь¬
ко концентрируют отдельные направления научного знания, но и
влияют на дальнейший научный поиск, направляя научную мысль,
сосредоточивая внимание на тех или иных пока не решенных про¬
блемах.
В своих «крымских текстах» В. И. Вернадский сформулировал
суть двух развивавшихся параллельно представлений («синтезах»)
человека о Космосе, по существу совершенно разных, сосуще¬
ствующих, находящихся на разных стадиях своего развития и едва
ли совместимых между собой.
1. Отвлеченное представление физика или механика {физичес¬
кая картина), где все сводится, в конце концов, к представлениям
об энергии, квантах, электронах, силовых линиях, вихрях или эле¬
ментарных частицах вещества. В сущности, этот мир представляет
в ряде случаев очень удобную и часто полезную для практического
использования схему, но далекую от жизненной действительности.
Она входит в научное мировоззрение с древнейших времен, но не
охватывает всей окружающей нас реальности. Они мертвы в окру¬
жающей живой Природе. Это необходимое первое приближение.
2. Наряду с этой физической картиной Космоса всегда суще¬
ствует другое о нем представление — натуралистическое. Оно
не разложимо на геометрические формы, более сложное и для нас
более близкое и реальное, которое пока тесно связано не со всем
Космосом, но с его частью — с нашей планетой. В это представ¬
ление входит новый элемент, отсутствующий в построениях кос¬
могонии, теоретической физики или механики, — элемент живо¬
го. Это представление натуралиста, изучающего окружающую его
природу. Без этого теперь уже невозможно геохимическое изуче¬
ние земных процессов.
Помимо живого и косного вещества в биосфере огромную роль
играют их закономерные структуры, разнородные природные тела,
36
как, например, почвы, илы, поверхностные воды, сама биосфера,
состоящая из живых и косных природных тел, одновременно со¬
существующих, образующих сложные закономерные биокосные
сгруктуры. Сама биосфера есть сложное планетное биокосное
природное тело.
3. В наше время все отчетливее проявляется еще и третья со¬
ставляющая развивающейся биосферы — геологическая роль соци-
iuibHoro человечества. Анализ этого третьего «синтеза», третьей со¬
ставляющей реального мира подробно проводится в труде В. И. Вер¬
надского «Научная мысль как планетное явление».
В наше время становится все более ясно и важно понимание
гого, что эволюционный процесс обретает все более ощутимое зна¬
чение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу —
научную мысль социального человечества. Все отчетливее на¬
блюдается интенсивный рост влияния цивилизованного челове¬
чества на изменение биосферы. Под влиянием научной мысли и
человеческого труда биосфера переходит в новое состояние — в ноо¬
сферу. Биосфера резко меняется. «Едва ли можно сомневаться в
том, что перестройка окружающей нас природы научной мыслью
и человеческим трудом явление закономерное, что корни его ле¬
жат глубоко и подготовлялись эволюционным процессом дли¬
тельностью сотни миллионов лет»*.
Суммируя, можно сказать, что в современном развитии био¬
сферы проявляется единство трех основных его составляющих:
косного, живого и социального. К последней составляющей от¬
носятся и способность мыслить, и практическая деятельность че¬
ловечества (рис. 2.3).
Эта последняя составляющая, появляющаяся вместе с Homo
sapiens faber (с латинского — человек разумный, действующий),
возникла неслучайно, а является закономерным продуктом эво¬
люции всей биосферы. Возникнув в палеолите, она геологически
быстро развивается, приводя к новым явлениям, с которыми че¬
ловечество сталкивается особенно остро в последнее время. «Че¬
ловек, как и все живое, — подчеркивал В. И. Вернадский, — не
является самодовлеющим, независимым от окружающей среды
природным объектом. Однако даже ученые натуралисты в наше
время, противопоставляя человека и живой организм вообще сре¬
де их жизни, очень нередко этого не учитывают»**.
Наблюдаемая на нашей планете эволюция живых форм в тече¬
ние геологического времени от простейших организмов до Homo
sapiens faber последовательно интенсифицирует биогенную миг¬
рацию химических элементов в биосфере. Ускоряется биогеохи-
М.: Наука, 1960. - Т. 5.
* Вернадский В. И. Избранные сочинения.
С. 240.
** Вернадский В. И. Научная мысль как планетное явление // О науке.
Дубна; Феникс, 1997. — С. 303.
37
Рис. 2.3. Три синтеза Космоса: косное, живое, социальное
мическая миграция элементов, появляются новые минеральные
тела, до этого встречавшиеся чрезвычайно редко (самородные
железо и алюминий, титан) или вообще отсутствовавшие в при¬
роде (масса синтетических материалов, скопления радиоактивных
элементов), увеличивая давление жизни на все тела биосферы.
2.8. Физическая и химическая анизотропия
Природа неоднородна. Это не требует каких-либо доказательств.
Каждое природное тело и отдельные его элементы имеют свой
химический состав и свои физические характеристики. Между
физической и химической анизотропией имеются определенные
соотношения.
В изотропном физическом поле не может быть химических
неоднородностей. И наоборот: химически неоднородное простран¬
ство всегда будет сопровождаться физическими его неоднородно¬
стями. На этой фундаментальной связи основаны и геофизичес¬
кие методы изучения земной коры и поиска полезных ископае¬
мых, и физические методы химического анализа. Все это показы¬
вает, что физика и химия суть только разные аспекты и разные
38
методы познания единой природы. В них проявляется единство
анализа и синтеза в процессе познания природы.
Взаимосвязь физической и химической неоднородности опре¬
деляет протекание многих природных процессов, а правильное
понимание этой связи помогает разобраться в механизмах многих
наблюдаемых явлений.
2.9. Диссимметрия
Мир в первом приближении симметричен. Но только в первом
приближении. Если мы сопоставим правую и левую половинки
листа растения, то увидим, что они не полностью совпадают.
Правая и левая половины нашего лица неидентичны. И так везде.
Мы видим нарушение точной (математической) симметрии. Это
не асимметрия, под которой понимают отсутствие симметрии, а ее
закономерное нарушение.
Общий принцип диссимметрии сформулировал П. Кюри, хотя
само явление было отмечено еще Л. Пастером в соотношении пра¬
вых и левых форм в живых организмах. Позднее принцип дис-
симмерии П.Кюри был развит В. И. Вернадским в его лекциях в
Сорбонне (1923 — 1924) как общенаучный принцип естествозна¬
ния, проявляющийся в земных и космических явлениях всех мас¬
штабов. К сожалению, значение этого принципа, ярко подчерк¬
нутое В. И. Вернадским, пока еще недостаточно осознано в геоло¬
гических науках.
Общефизический принцип диссимметрии, сформулированный
П.Кюри, гласит: некоторые элементы симметрии могут сосуще¬
ствовать с некоторыми явлениями, но они не необходимы; необ¬
ходимо отсутствие некоторых элементов симметрии; это и есть та
диссимметрия^ которая творит явления. И действительно, сим¬
метрия характеризует состояние покоя, равновесия. Если к телу
приложены симметричные (рис. 2.4) силы, оно не движется. Для
начала движения необходимо нарушение равнодействия сил. Имен¬
но нарушение равновесия итворит явления. Нарушение рав¬
новесия есть причина явления, которая и фиксируется в его
следствиях. В механической модели это — направление движе-
Состояние покоя Направление движения
Рис. 2.4. Диссимметрия, которая творит явления
39
ния. в общем виде это — направление изменения. Нужно только
суметь увидеть это нарушение.
Очарованные красотой симметрии, знакомой человечеству, как
показывают археологические раскопки, еще на заре культуры, люди
обычно не обращают внимания на ее нарушение. При кристалли¬
зации природной Р1ЛИ искусственной всегда получается несколь¬
ко идеальных геометрических многогранников на тысячу или ты¬
сячи кристаллов. Старые кристаллографы это знали, но не прово¬
дили обобщение. П.Кюри первый понял, что это природное яв¬
ление, а не случайность. В. И. Вернадский писал, что идея Кюри
приводит нас к представлениям, резко противоречащим господ¬
ствующим в науке представлениям. «Симметрия является эмпи¬
рическим обобщением, охватывающим пространственные свой¬
ства геометрии физико-химических пространств природных тел.
Этих пространств, вероятно, столько же, сколько природных тел
и природных явлений»*. Он был первым, кто рассмотрел прин¬
цип диссимметрии применительно к реальным земным телам.
Реальный кристалл, как и любое другое реальное природное тело,
всегда отличается от идеального. В этих отклонениях глубокий
смысл, позволяющий проникнуть в тайны его рождения. Но для
того чтобы заметить эти отклонения, нужно сначала знать, от чего
отклоняется природное тело. В этом и фундаментальное значе¬
ние, и ограниченность идеальных построений.
Суммируя, можно сказать, что симметрия и диссимметрия в
понимании П.Кюри и В.И.Вернадского не синонимы порядка и
беспорядка, а две стороны, два диалектически противоположных
атрибута развивающегося материального мира, реально существу¬
ющие только в своей противоположности. В симметрии отража¬
ется консервативное начало, стремление к устойчивости, без ко¬
торого невозможно существование материи, в то время как дис¬
симметрия лежит в основе поступательного тренда развития. На¬
помним, что в физике под консервативной системой понимается
такая система, полная энергия которой сохраняется постоянной
при относительном изменении ее составных частей. Это нам по¬
надобится в дальнейшем при анализе рудообразующих систем.
В геологических явлениях, когда образуются горные породы с
аномальным по отношению к фону содержанием отдельных ком¬
понентов, мы сталкиваемся с наиболее ярким и отчетливым про¬
явлением диссимметрии Кюри —Вернадского. Резкое нарушение
стандартного распределения компонентов должно быть законо¬
мерным следствием диссимметричных геологических факторов.
Геолог, расшифровывая механизмы давно прошедших процессов,
всегда широко использует этот принцип. Д. В.Рундквист, пере-
ука,
' Вернадский В. И. Химическое строение Земли и ее окружения. — М.
1965. - С. 181, 182.
На-
40
числяя основные принципы построения геолого-генетических
моделей рудных формаций, писал, что по симметрии морфологии
рудных тел и их зональности можно определить направления те¬
чения растворов, перемещения расплавов и т.д. Распространяя
)тот принцип не только на эндогенные, но и на экзогенные мес-
горождения песчаникового типа, он явно имел в виду закономер¬
ные нарушения симметрии, т.е. диссимметрию, которая и творит
явления, хотя ошибочно назвал его принципом симметрии Кюри —
Шафрановского, что не соответствует исторической истине.
2.10. Степень открытости и равновесности
геохимических систем
При термодинамическом анализе природных процессов, проте¬
кающих в какой-либо системе, важно знать степень ее открытости.
Открытые системы могут обмениваться с окружающей средой
веществом и энергией. Закрытые системы могут обмениваться со
средой только энергией, но не веществом. И только в изолирован¬
ной системе исключен любой обмен и веществом, и энергией.
При моделировании геохимических процессов мы рассматри¬
ваем их в рамках закрытых равновесных систем. Но ни одна гео¬
химическая система не является ни закрытой, ни тем более изо¬
лированной. Все они обмениваются с окружающей средой и ве¬
ществом, и энергией. Тем не менее такое моделирование не толь¬
ко не лишено смысла, но и весьма полезно, поскольку дает нам
предел, к которому стремится рассматриваемая система в идеаль¬
ном процессе. Важно только учитывать это обстоятельство при
интерпретации полученных данных, а не автоматически перено¬
сить их на природные условия.
Принцип открытости корреспондирует с принципом диссим-
метрии Кюри —Вернадского. Естественно, что диссимметрическая
причина не может иметь места в равновесной закрытой системе.
Любая природная система находится, прежде всего, в поле тя¬
готения, в магнитных и электрических полях. Кроме того, все
земные системы приурочены к той или иной геосфере. Между
геосферами существует материальный и энергетический обмен.
Существует обмен и Земли с Космосом. Энергия, получаемая на¬
шей планетой от Солнца и отдаваемая в космическое простран¬
ство, на несколько порядков выше, чем количество энергии, ко¬
торое поступает на ее поверхность из недр. Поэтому рассматри¬
вать все процессы, происходящие в земной коре, только как ре¬
зультат эндогенных событий, как это иногда делается до сих пор,
уже неправомочно.
Нобелевский лауреат Илья Пригожин рассмотрел системы с
двумя типами поведения: системы, стремящиеся к неупорядочен¬
41
ному состоянию при одних условиях и к когерентному поведе¬
нию — при других. Когерентность (лат. cohaerentia — находя¬
щийся в связи) подразумевает согласованное протекание в систе¬
ме нескольких процессов, способных ослаблять или усиливать друг
друга. Такие системы не могут быть закрытыми, поскольку долж¬
ны обмениваться с окружающей средой энергией, веществом или
и тем, и другим. И.Пригожин также показал, что состояние рав¬
новесия вообще может рассматриваться только как идеальная те¬
оретическая модель, но никогда не реализуется в Природе. Если
мы поместим в один стакан два газа разной молекулярной массы,
то в состоянии равновесия в каждой точке пространства стакана
их соотношение должно быть одинаково. Но поскольку стакан
находится в поле тяготения, концентрация тяжелого газа будет
несколько выше на дне, а легкого — в верхней части стакана.
Такое состояние не является равновесным, но будет устойчи¬
вым, не меняющимся во времени до тех пор, пока не изменятся
внешние воздействия.
В качестве геологического примера системы с устойчивым рав¬
новесием, вероятно, можно рассмотреть вертикальный разрез зем¬
ной коры, где минеральные ассоциации, находящиеся в гравита¬
ционном поле, не идентичны на разных гипсометрических уров¬
нях. Изменение в такой установившейся системе будет происхо¬
дить за счет изменения соотношения между энергетической под¬
питкой и диссипацией.
Строго говоря, в природе вообще нет ни закрытых, ни равно¬
весных систем. Но состояние равновесия весьма полезно как мо¬
дельное состояние, к которому будет стремиться любая система в
пределе своего индивидуального развития.
2.11. Место геохимии в естественно-научном
знании
Научное знание, лежащее в основе технического развития ци¬
вилизации, принципиально отличается от всех других типов вос¬
приятия человеком окружающей действительности — искусства,
философии, религии — независимостью от субъективного вос¬
приятия исследователя (по крайней мере, в конечном итоге). Во-
первых, наука изучает реальные природные объекты, а не субъек¬
тивные логические конструкции, связанные с естественными при¬
родными телами лишъ опосредованно. Во-вторых, измерения,
проведенные разными исследователями, в разных лабораториях
не должны расходитъся между собой с точностью до разрешающей
способности метода. Результаты должны быть воспроизводимы.
Отсюда следует, что наука одна для всего человечества, а направ¬
лений искусств, философий и религий по существу несколько.
42
Их развитие шло независимо в течение тысячелетий, долгих ве¬
ков и многих поколений. Нет науки национальной, региональной
и т.п. Все взаимно проверяемо и взаимно используемо.
Геохимия в естественно-научной системе знания является со¬
единительным звеном. Она не только объединяет физический,
химический и биологический подходы к изучению реального со¬
стояния отдельных тел нашей планеты, но и придает ему исто¬
ричность, восстанавливая прошедшие этапы эволюции Земли.
Палеонтология — в равной степени и геологическая, и биологи¬
ческая наука. Радиогеохимия позволяет привязать относительную
последовательность стратиграфии к шкале астрономического вре¬
мени. Эти и другие состояния земных объектов объединяются в
единую геодинамическую систему биогеохимическим круговоро¬
том атомов. Наконец, концепция закономерного перехода био¬
сферы в ноосферу включает в эту единую систему социальную
роль цивилизации как геологической силы, связывая естествен¬
ные, гуманитарные и социальные науки.
Такой подход к геохимии, предсказанный В. И. Вернадским еще
в начале XX в., становится не только реальным, но и практически
необходимым в наши дни.
2.12. Классификации природных объектов
Классификации играют особую роль в теоретическом знании.
Прежде всего это — инструмент, позволяющий ориентироваться
в огромной массе эмпирических фактов. Но систематизация фак¬
тов не абсолютна, а относительна, в зависимости от той цели,
которая ставится в каждом научном исследовании. В. И. Вернад¬
ский писал, что классификация минералов играет в минералогии
такую же подчиненную роль, какую занимает классификация хи¬
мических соединений в современной химии. И в минералогии,
как и в химии, классификации минералов могут и должны быть
иными у всякого научного работника, пытающегося охватить це¬
ликом всю область минералогии.
С середины XX в. в геологических науках быстро стал приоб¬
ретать доминирующее значение генетический аспект. К этому
времени постепенно возникла иллюзия избыточности эмпириче¬
ских фактов и обобщений, необходимых для построения новых
радикальных теоретических концепций. Но сама генетическая идея,
положенная в основание генетических моделей, была заимствова¬
на из биологических наук в значительной степени автоматически.
В геологических науках стали доминировать генетические клас¬
сификации, в которых горным породам и месторождениям полез¬
ных ископаемых стали искать единых «прародителей». В биоло¬
гии это оправдано принципом Реди «все живое от живого». Каж-
43
дыи организм, вид, род должны иметь своих конкретных родите¬
лей. Построенные на этом принципе генетические классифика¬
ции оказались столь удобными, что стали распространяться и на
неживые объекты. Но в неживой природе этот принцип не дей¬
ствует. Здесь доминирует примат не родителей, а физико-хими¬
ческих условий образования. Один и тот же минеральный про¬
дукт может быть получен из разных исходных веществ и по раз¬
ным технологиям.
Не случайно все минералогические классификации строятся на
вещественно-структурном, а не на генетическом основании. В гене¬
тической минералогической классификации один и тот же мине¬
ральный вид, например кварц, встречался бы во множестве таксо¬
номических групп. Но минерал — простейшее природное нежи¬
вое тело. Все остальные косные тела — породы, их комплексы,
руды — значительно сложнее. Неорганические тела могут быть
получены из разных исходных веществ по разным технологиям.
В природе явления конвергенции распространены достаточно ши¬
роко, а природные «технологии» весьма разнообразны. Сводить
все это разнообразие к единой генетической линии — по мень¬
шей мере странно.
Для косной природы наиболее общим принципом классифи¬
кации является вещественно-структурное ее построение, основан¬
ное на объективных эмпирических фактах, а не на теоретических
представлениях. В такой классификации объективно отражается
элементарный состав природных тел и его пространственное по¬
строение. По этому принципу построены современные минера¬
логические классификации. Картирование метаморфических ком¬
плексов продуктивнее вести на основе реальных наблюдений за
появлением нового минерала (андалузит, кордиерит и т.д.) или за
изменением структуры породы, а не на формационной основе.
Формационные могут быть накладки на карту, а не сама карта.
В рамках определенной цели полезны функциональные клас¬
сификации, где используется принцип функциональных связей,
вскрывающий существо взаимодействия между отдельными эле¬
ментами единой развивающейся системы. При таком подходе мы
должны в первую очередь выделить те основные элементы, кото¬
рые и определяют природу и само существование интересующего
нас объекта, а уже затем постепенно и последовательно углуб¬
ляться в его детали. Поясним это на наиболее простых примерах,
уже использованных нами выше.
Можно утверждать, что любое транспортное средство характе¬
ризуется, по крайней мере, четырьмя основными блоками: 1) дви¬
гатель, создающий тягловую силу; 2) движитель, преобразующий
эту силу в движение; 3) управляющая система, без которой невоз¬
можно направленное движение; 4) система, скрепляющая все эле¬
менты — корпус, раму и т.п. А вот каждый из этих функциональ¬
44
ных элементов многообразен. Двигатель может быть разный: па¬
ровой, внутреннего сгорания, электрический, использующий силу
ветра (парус, ветряная мельница) и даже мускульный, но без него
не может обойтись ни одно транспортное средство. Движитель,
осуществляющий само перемещение, может быть в виде колес,
гусениц, гребного винта, весел, ходули и т.д. Наконец, без управ¬
ляющей системы это будет не транспортное средство, а средство
для самоубийства. Смысл ясен: при всем многообразии конкрет¬
ных носителей, отсутствие функционального носителя разрушает
всю систему.
Аналогично суть радиоприемника в колебательном контуре,
настраивающемся в резонанс с несущей частотой передающего
устройства, системе усиления сигнала (каскады усиления) и пере¬
вода электромагнитных колебаний в звуковые (наушник, дина¬
мик и Т.Д.). Это суть любого радиоприемника, хотя тип и слож¬
ность каждого из названных основных элементов может быть весь¬
ма различна. В часах должен быть источник питания (поднятая
гиря, заведенная пружина, батарейка), резонатор (маятник, пье¬
зокристалл и т.п.) и указатель (мерная линейка, циферблат или
экран из жидких кристаллов). Перечень можно продолжать, но
вряд ли это необходимо. Важнее отметить, что в логической цепи
все эти элементы соединены последовательно. Выпадение хотя
бы одного из них разрывает всю цепь и прекращает функциони¬
рование самого объекта. Но каждый такой функциональный эле¬
мент может быть реализован различными взаимозаменяемыми
блоками и механизмами, включенными как бы параллельно, в ре¬
зультате чего при исключении одного или нескольких таких
блоков весь механизм продолжает действовать, но уже в несколь¬
ко отличном варианте. Схематически это показано на рис. 2.5.
Схема упрощена до предела. Реально она конечно гораздо слож¬
нее. Между отдельными блоками могут существовать положитель¬
ные и отрицательные обратные связи, их функциональное значе¬
ние может меняться от этапа к этапу, отдельные блоки могут иг¬
рать роль вентилей, буферов, накопителей, различные части сис-
Рис. 2.5. Схема двух принципиальных типов (последовательного (а) и
параллельного (б)) логических связей между отдельными функциональ¬
ными элементами единой системы динамического объекта
45
темы могут действовать не одновременно и даже через весьма су¬
щественные промежутки времени и т.п. Всего этого мы коснемся
в дальнейшем, по мере анализа геохимических процессов, но уже
не в общем виде, а на конкретном материале.
2.13. Моделирование природных процессов
Моделирование как метод научного исследования имеет глу¬
бокие корни. Однако до недавнего времени в геологии использо¬
вался главным образом так называемый моделирующий экспери¬
мент. Экспериментаторы пытались воссоздать физическую модель
какого-либо элемента природной системы и изучить ее поведе¬
ние в заданных условиях. Затрачивались огромные усилия для
получения точечного результата, который потом экстраполирова¬
ли на более сложные ситуации. Аналоговое моделирование с по¬
мощью гидро- и электроинтеграторов внесло новую струю, по¬
зволив моделировать не состояния, а динамику.
Во второй половине XX в. благодаря развитию электронной
техники быстро распространилось компьютерное моделирование
природных процессов. В руках исследователей оказался новый,
чрезвычайно мощный инструмент, позволяющий быстро и надежно
проанализировать большое число возможных вариантов и срав¬
нить их между собой, объединяя статику и динамику.
Однако при интерпретации результатов моделирования следу¬
ет учитывать, что любая модель изоморфна с объектом только в
каких-то определенных отношениях. И только в этих отношени¬
ях могут использоваться полученные результаты. Адекватность
модели объекту зависит, прежде всего, от ее структуры и началь¬
ных и граничных условий. Это должно проверяться в первую оче¬
редь. Но в любом случае результаты моделирования должны со¬
поставляться с непосредственными наблюдениями и полученны¬
ми на их основе статистически устойчивыми эмпирическими обоб¬
щениями.
Несовпадение результатов моделирования и эмпирических дан¬
ных всегда является стимулом дальнейших исследований. В ко¬
нечном счете, именно это несовпадение наших представлений и
наблюдений двигает вперед науку.
* * *
Таким образом, нельзя все время «изобретать велосипед». Не¬
обходимо активно использовать огромный научный багаж, накоп¬
ленный человечеством. Однако в этом багаже научного знания
необходимо различать эмпирическую базу и научные объяснения.
Первое — неизменно, сохраняется в веках, хотя может приобре-
46
гать разную окраску и разное значение по мере появления новых
эмпирических данных. Второе не только меняет, но и вообще имеет
значение только на определенном историческом этапе, а затем
существенно изменяется или вообще отбрасывается научным со¬
обществом.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте понятие «естественные тела природы».
2. Дайте определения следующим понятиям: эмпирические факты,
эмпирические обобщения, научные объяснения. Какие понятия остают¬
ся неизменными, а какие меняются по мере накопления научного зна¬
ния?
3. Опишите логические схемы получения, преобразования и исполь¬
зования научного знания.
4. В чем заключаются аналитический и синтетический подходы в раз¬
витии естественно-научного знания? Как они соотносятся?
5. Какая характеристика используется в геохимии для сравнения при¬
родных объектов?
6. Какие научные принципы лежат в основе геохимии?
7. В чем разница между физической и натуралистической картинами
Мира?
8. Охарактеризуйте понятия симметрии и диссимметрии.
9. Дайте определение понятия «геохимическая система». Охарактери¬
зуйте ее основные свойства: закрытость, открытость, устойчивость.
10. Каково место геохимии в естественно-научном знании?
11. Какова роль классификаций при изучении природных объектов?
12. С какой целью проводится моделирование природных процессов?
РАЗДЕЛ II. СТРОЕНИЕ И СОСТАВ
ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Глава 3
РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТАХ
• Представления о строении атомов «Условия стабильности ядер «Ти¬
пы ядерных реакций « Распространенность ядер химических элемен¬
тов « Распространенность легких и тяжелых ядер « Распространенность
химических элементов в Солнечной системе и ее связь со строением
атомов «Современные данные о составе и классификации планет «Ре¬
зультаты исследования Луны, Венеры, Марса, Юпитера и их значение
для геохимии и космохимии « Современные взгляды на происхождение
элементов. Солнечной системы и ее планет « Средний элементарный
состав земной коры и ее оболочек « Понятие кларка« Эволюция пред¬
ставлений о формировании земных оболочек « Преобладающие минера¬
лы пород литосферы « Кларки элементов и генеральные оценки средних
содержаний элементов в горных породах
3.1. Строение атомов химических элементов
Все окружающее нас вещество состоит из атомов. Атом в пере¬
воде с греческого означает «неделимый». Так считали греки. Те¬
перь мы знаем, что атом делим и именно от строения атомов за¬
висит их распространенность и в космосе, и на нашей планете.
Атом состоит из ядра и электронов. Основная масса атома со¬
средоточена в его ядре, состоящем из положительно заряженных
протонов р и равных им по массе, но не несущих заряда нейтро¬
нов п (табл. 3.1).
Распространенность и устойчивость атомов химических эле¬
ментов зависит от строения их ядер. Элемент может иметь не¬
сколько изотопов. Изотопы — это разновидности атомов данно-
Таблица 3.1
Строение атома
Частица
Обозначение
Электрический заряд
Масса покоя, мэВ
Протон
Р
+
938
Нейтрон
п
0
938
Электрон
е
-
0,51
48
Таблица 3.2
Типы ядер атомов
Тип ядра
атома
N
Пример
Число ядер
данного
типа
Четно¬
четный
Четное
Четное
Четное
166
Четно¬
нечетный
Нечетное
Четное
Нечетное
58
Нечетно¬
четный
Нечетное
Нечетное
Четное
51
Нечетно-
нечетный
Четное
Нечетное
Нечетное
го химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра (оди¬
наковое число протонов Z), но разную относительную атомную
массу (разное число нейтронов Л^.
Устойчивыми являются относительно немногие из всех воз¬
можных изотопов каждого элемента. Из известных в настоящее
время примерно 2 000 изотопов нерадиоактивны только -270. От¬
сюда следует, что в значительных количествах встречаются лишь
изотопы, в ядрах которых комбинация протонов и нейтронов яв¬
ляется стабильной.
Все атомы и их изотопы могут быть разделены на четыре типа
в зависимости от четного или нечетного числа протонов и нейт¬
ронов в составе их ядер (табл. 3.2).
Изотопы с четными значениями Zvl N преобладают над изото¬
пами с нечетными Zvi N.
Г.Оддо и В. Харкинс установили, что химические элементы с
четными атомными номерами преобладают в земной коре {пра¬
вило Оддо—Харкинса). Они составляют по массе 86,36%.
Все химические элементы по стабильности ядер их атомов мо¬
гут быть условно разделены на три группы.
1. Химические элементы, представленные одним стабильным
изотопом или их смесью. Эти элементы (атомы) составляют боль¬
шинство в земной коре.
2. Химические элементы, представленные смесью стабильных
и радиоактивных изотопов (С, К, Rb, Sm). Соотношение изото¬
пов для элементов этой группы не является стабильным и изме¬
няется в зависимости от возраста, условий происхождения (гене¬
зиса) и т.п.
3. Химические элементы, атомы которых состоят только из
неустойчивых, радиоактивных изотопов, подвергающихся само-
49
произвольному распаду. Начиная с полония все более тяжелые
элементы радиоактивны. Ядра их непрерывно разрушаются.
Открытие строения атомов и выявление существования изото¬
пов для большинства химических элементов позволило получить
совершенно новую информацию о событиях, происходящих в
природе. Были установлены различия в космической распростра¬
ненности химических элементов и их изотопов, несовпадения
изотопного состава живого и косного вещества. Диссимметрия
Л. Пастера из области оптических явлений перешла на атомный
уровень.
Строение электронных оболочек, влияющее на химическое
поведение элементов, подробно рассматривается в курсе общей
химии.
3.2. Распространенность элементов в космосе
Земля — одна из планет Солнечной системы, состоящей из
звезды — Солнца, планет и их спутников, астероидов, комет и
метеоритов. Солнце в свою очередь является лишь одной из
звезд нашей Галактики, которая заключает в себе, вероятно,
более 10^^ звезд и имеет линзообразную форму с диаметром око¬
ло 70 тыс. световых лет. Помимо нашей Галактики имеется очень
большое число звездных систем приблизительно того же размера.
Эти системы — внегалактические туманности — довольно равно¬
мерно рассеяны в космическом пространстве; ближайшая к нам
туманность Андромеды находится на расстоянии около 1 млн све¬
товых лет. Спектры этих внегалактических туманностей показы¬
вают смещение линий по направлению к красному концу спект¬
ра, причем это красное смещение с некоторым приближением
пропорционально расстоянию от них до нашей Галактики. Счи¬
тается, что красное смещение связано с эффектом Допплера, выз¬
ванным удалением туманностей со скоростями, приблизительно
пропорциональными расстояниям до них, что приводит к пред¬
ставлениям о расширяющейся Вселенной. Основные положения
теории расширяющейся Вселенной остаются все еще в высшей
степени спекулятивными, поэтому и заключения, основанные на
этой теории, носят условный характер.
Солнечная система является по существу закрытой системой,
и распространенность химических элементов в ней соответствует
распространенности их во время ее образования, за исключени¬
ем, конечно, изменений, связанных с переходом водорода в гелий
на Солнце и с распадом радиоактивных элементов.
Наши знания химического состава Вселенной получены в ре¬
зультате спектроскопических исследований излучений Солнца и
звезд, анализа метеоритов, а также на основании того, что мы
50
знаем о составе Земли и других планет. Спектроскопические на¬
блюдения позволяют установить элементы, ответственные за из¬
лучения, а на основании тщательного анализа интенсивностей
спектральных линий можно сделать грубые оценки относитель¬
ных количеств различных элементов, присутствующих во внешних
частях излучаемого тела. Полученные таким образом данные под¬
тверждают предположение, что Вселенная состоит из одних и тех
же элементов. Наблюдения за разными планетами доказывают это.
Распространенность элементов в космосе далеко не одинако¬
ва. Она определяется условиями их синтеза и их устойчивостью.
Если закономерности устойчивости мы ищем в эмпирических
данных, то условия синтеза приходится выводить из теоретиче¬
ских построений. Результаты этих построений сравнивают с эм¬
пирическими данными, полученными при изучении космоса и
процессов искусственного синтеза элементов, и постепенно уточ¬
няют. Пока мы еще далеки от надежных выводов, тем более что
обилие изотопов во Вселенной вряд ли можно отнести к одноакт¬
ному процессу «большого взрыва». Скорее это следствие многих
процессов, протекающих и сейчас в различных районах мирозда¬
ния и определяющих сложную эволюцию мирового вещества.
В 1937 г. В. М. Гольдшмидт составил первую таблицу косми¬
ческой распространенности химических элементов и изотопов,
оцененных на основе анализов примитивных метеоритов, состава
Солнца и других звезд. Эти данные постоянно уточняются, но
основные закономерности, отмеченные В. М. Гольдшмидтом, не
изменились. В последние годы было отмечено, что распростра¬
ненность тяжелых элементов в разных звездах несколько различ¬
на и связана с возрастом звезды. Эти открытия позволяют пред¬
положить, что тяжелые элементы синтезируются в глубинах звезд
и выбрасываются из них при взрывах.
Исследование вещества Солнца позволило обнаружить в его
атмосфере 69 химических элементов. Некоторые результаты этих
исследований приведены в табл. 3.3. Помимо отдельных атомов в
спектре Солнца обнаружены радикалы и молекулы: CN, СН, С2,
NH3, СО, ОН и т.д. Обращает на себя внимание преимуществен¬
ная распространенность легких газов: водорода, гелия, кислоро¬
да, углерода и азота. Дефицитны литий и бериллий.
Атмосфера Солнца неоднородна. Внутренний слой — фото¬
сфера (-200 км) — сравнительно стабилен и определяет видимый
диск Солнца. Два других слоя: хромосфера (-15 000 км) и корона
(-5 * 10"^ км) — крайне непостоянны (рис. 3.1, 3.2). Для фотосфе¬
ры типичен зернистый облик поверхности. Здесь появляются сол¬
нечные пятна — относительно холодные (4 000 —6 000 °С) сгустки
вещества, достигающие в диаметре 40 000—180 000 км.
Появление солнечных пятен — результат солнечной активно¬
сти — подчинено определенной периодичности. Известны пери-
51
Таблица 3.3
Химический состав атмосферы Солнца
Элемент
IgA^
Элемент
Ig^
Элемент
IgA^
Водород
12,0
Азот
7,98
Алюминий
6,2
Гелий
11,3
Кислород
8,96
Кремний
7,5
Литий
0,96
Неон
7,8
Калий
4,7
Бериллий
2,36
Натрий
6,3
Кальций
6,15
Углерод
8,72
Магний
7,4
Железо
6,57
Примечание. N — число атомов элемента.
ОДЫ, когда поверхность Солнца очищается от пятен. Такие пери¬
оды спокойного Солнца сменяются нарастающей активностью со
средней периодичностью 11 лет. Эти явления не безразличны для
многих процессов, происходящих на Земле, в первую очередь в
атмосфере и биосфере. В годы активного Солнца заметно усили¬
вается солнечный ветер, сопровождающийся мощным ультрафио¬
летовым, рентгеновским и радиомагнитным излучением. Меня¬
ются атмосферные биотические процессы. Влияние процессов,
протекающих на Солнце, на более глубокие слои литосферы пока
не изучено.
Межзвездное пространство не является абсолютным вакуумом.
В нем обнаружены, прежде всего, водород и гелий с плотностью
распределения 0,1 —3,0 атома в 1 см^, а также натрий, кальций,
калий, титан, железо; их содержание в 1 см^едва достигает 10"^ ато¬
мов.
Массы планет установлены уже давно по законам небесной ме¬
ханики. Определены также их размеры и средняя плотность. О хи¬
мическом составе планет мы судим по косвенным данным, полу¬
ченным благодаря автоматическим межпланетным станциям. Пла-
Рис. 3.1. Солнечная корона во время затмения
52
Рис. 3.2. Солнечные протуберанцы {а)\ выброс вещества в солнечной
короне (б)
петы — тела холодные; на их поверхности отсутствуют условия
;у1Я возбуждения атомных спектров.
Все планеты Солнечной системы делятся на две группы: пла¬
неты земного типа, близкие по размерам и плотности их вещества
к Земле, расположенные ближе к Солнцу, и планеты-гиганты,
удаленные от Солнца и отличающиеся меньшей плотностью (табл.
3.4). Планеты земной группы по своему составу напоминают Зем¬
лю. Наиболее существенные различия будут наблюдаться в соста¬
ве атмосфер, что обусловлено их массами и близостью к Солнцу.
Меркурий из-за своей незначительной массы не в состоянии удер¬
живать газовую оболочку. Поскольку период собственного вра¬
щения Меркурия равен его обращению вокруг Солнца, темпера¬
тура его стороны, обращенной к Солнцу, нагрета до 325 °С, нео¬
свещенная сторона имеет температуру -250 °С. Неисключено, что
некоторая часть газов здесь находится в замороженном состоя¬
нии.
Атмосфера Венеры, по данным достигших ее поверхности
межпланетных аппаратов, практически полностью состоит из угле¬
кислого газа (97 %). Обнаружено присутствие О2, N2, Н2О. При су-
ществующр1Х на планете температурах -450 °С и давлениях -100 бар
у поверхности все карбонаты должны быть диссоциированы. Сво¬
бодный кислород образуется в результате разложения молекул воды
под действием солнечной радиации. Освобождающийся при этом
водород диссипирует в космическое пространство. В результате
планета постепенно теряет воду и высыхает.
Современная атмосфера Земли (состав: N2 — 75,5 %, О2 — 23 %)
имеет биогенное происхождение и не может сравниваться с ат¬
мосферами планет, лишенных активной жизни. Ее эволюция рас¬
сматривается далее.
53
Таблица 3.4
Физические характеристики планет Солнечной системы
Планета
Экваториальный
радиус, км
Плотность, г/см^
Среднее
расстояние
от Солнца, а. е.
Планеты земной группы
Меркурий
2405
5,42
0,39
Венера
6100
5,11
0,72
Земля
6 378
5,52
1,00
Марс
3 395
3,95
1,52
Планет ы -гигант ы
Юпитер
71400
1,33
5,20
Сатурн
60400
0,69
9,54
Уран
23 800
1,56
19,19
Нептун
22 300
2,27
30,07
Примечание: а.е. — астрономическая единица — среднее расстояние от Зем¬
ли до Солнца, равное 149,6 млн км.
Атмосфера Марса, имеющего температуру -24 °С у экватора,
состоит из СО2 ~95 %, N2 -2,5 %, Аг ~1,5 —2 %, Н2О ~0,1 %. Низ¬
кие температуры полярных областей, достигающие -150‘’С, спо¬
собствуют образованию на полюсах шапок из углекислого газа и
воды, размеры которых меняются в течение суток.
Спутник Земли — Луна лишена атмосферы. Поверхность Луны
весьма неровная, покрыта горными хребтами, кольцевыми гора¬
ми — кратерами и темными пятнами равнинных областей, назы¬
ваемых морями. Однако и в морях расположено много мелких
кратеров. На поверхности Луны находится рыхлый слой, покры¬
вающий коренные породы, — реголит, состоящий из шлакооб¬
разных частиц и застывших капель. Толщина его в разных райо¬
нах колеблется от нескольких миллиметров до нескольких мет¬
ров. Эту породу нельзя назвать ни осадочной, поскольку каждая
частичка несет следы плавления, ни магматической, поскольку
она имеет все свойства стратификации. Реголит — это продукт
переработки, результат воздействия многих процессов, в первую
очередь ударных, на внешний слой пород, покрывающих Луну.
Это воздействие очень сильное и обусловлено оно отсутствием
атмосферы на Луне.
54
Рис. 3.3. Среднее содержание калия и урана в поверхностных породах
Марса (7), Земли (2), Венеры (J), Меркурия (4), Луны (S), хондритов (6),
ахондритов (7), в породах земной коры: ультраосновных (6), основных (9),
средних (J0) кислых (77)
Между Марсом и Юпитером располагается пояс астероидов,
отделяющий планеты земной группы от планет-гигантов. Этот
регион является основным поставщиком метеоритов.
Планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — носят
такое название потому, что их радиусы равны соответственно 11,18,
9,42, 3,84 и 3,93% радиуса Земли, а массы — 317,8, 95,1, 14,5,
17,2% массы Земли. Юпитер и Сатурн имеют суммарную массу
-92 % общей массы планет Солнечной системы, а их плотность
составляет менее 25 % плотности планет земной группы. В основ¬
ном они состоят из водорода и гелия с относительно малым по
массе железокаменным ядром. Качественный состав атмосфер
обеих планет одинаков: водород, гелий с небольшой добавкой азота,
углерода, серы, фосфора, мышьяка. Их особенность состоит в том,
что соотношения основных газов (N2: Н2, СО2: Н2, инертные га¬
зы : Н2) не отвечают солнечному составу.
Уран и Нептун имеют схожую водородно-метановую атмосфе¬
ру. На карликовой планете Плутон обнаружен метан. Это планета
загадок. Ее радиус равен половине радиуса Земли, плотность ве¬
щества — 2 г/см^.
Надежных данных по химическому составу твердой поверхно¬
сти планет значительно меньше. Наиболее надежные данные по¬
лучены с помощью спутниковой спектрометрии. Они показыва- ** По данным: Гаврусевич Б. А. Основы общей геохимии. — М.: Недра, 1968.
55
3.3. Современные взгляды на происхождение
Солнечной системы
Солнце и протопланетный диск вокруг него образовались в
едином процессе коллапса части межзвездного молекулярного об¬
лака. Подобные процессы наблюдаются во многих галактиках, где
вокруг молодых звезд солнечного типа зарегистрированы газопы¬
левые диски (рис. 3.6). Кроме того, в последнее десятилетие с
нарастающей скоростью появляются данные о планетах вокруг
ближайших звезд.
Сейчас открыто уже более 100 планетных систем, в 13 из кото¬
рых обнаружено более одной планеты. Пока из-за технических
ограничений обнаружены планеты с относительно большими мас¬
сами (более 0,1 массы Юпитера), но нет сомнений, что в дальней¬
шем будут обнаружены планеты, подобные Земле.
По существующим представлениям околосолнечный диск со¬
стоял из газа и пыли. Газ — в основном водород и гелий (Не —
10 %), а также СО, СН4, N2, NH3; пыли лишь 3 — 5 мае. %. Состав
пыли в зависимости от температуры, менявшейся в процессе эво¬
люции диска, — либо железомагниевые силикаты, либо еще лед.
Диск был нагрет вблизи Солнца (примерно до орбиты Марса) до
температуры испарения железомагниевых силикатов, а лед был
испарен до орбиты Сатурна (10 а. е.) и даже несколько далее в
начале эволюции диска. По мере его охлаждения граница кон¬
денсации льда (так называемая snowline) смещалась ближе к Сол¬
нцу и к моменту начала образования Юпитера достигала радиаль¬
ных расстояний 4 а. е. Температура внутри диска была выше, чем
на его поверхности, за счет превращения энергии трения слоев
газа друг о друга в тепловую энергию.
Различают две основные стадии эволюции диска — стадию роста
и стадию вязкой диссипации. Рост диска происходил как за счет
вещества, истекающего из протосолнца, так и за счет аккреции
газопылевого вещества из окружающего молекулярного облака.
В процессе роста диск разогревался так, что в областях I и II (рис.
3.7*), близких к экваториальной, расположенных близко к Солн¬
цу, пыль была полностью или частично испарена.
Затем наступила фаза эволюции (~5 —8 млн лет), в течение
которой газ из диска диссипировал и диск охлаждался. Пыль осе¬
дала к экваториальной плоскости; пылинки, сталкиваясь между
собой, росли, образуя сначала рыхлые агрегаты, а затем более
плотные образования размером в несколько сантиметров. Когда
масса этих образований достигала значительных размеров, тела
начинали расти уже быстрее, поскольку они могли захватывать ** По данным: Дорофеева В. А., Макалкин А. Б. Эволюция ранней солнечной
системы. — М.: Эдиториал УРСС, 2004.
58
Рис. 3.6. Протопланетный диск Orion
Nebula. В центре формирующаяся
молодая звезда, собравшая часть ве¬
щества межзвездного облака
пылинки еще и за счет гравитационного взаимодействия. По про¬
шествии -1 — 3 млн лет тела вырастали до 10—100 км.
Из планетных тел первым начал образовываться Юпитер. Пред¬
полагается, что начало его образования было связано с резким
увеличением плотности твердого вещества в зоне будущей плане¬
ты, когда snowline — конденсация льда — переместилась на ради¬
альные расстояния -5 а.е. Согласно современным сценариям сна¬
чала достаточно быстро образовалось ядро массой -10 масс Зем¬
ли. В его состав входили силикаты, льды и тугоплавкие органичес¬
кие соединения. Дальнейший рост ядра до массы, равной -20 мас¬
сам Земли, продолжается за счет аккреции планетозималей, в со¬
став которых помимо силикатов и льда входили в виде конденса¬
тов и кристаллогидратов такие летучие соединения, как H2S, СО2,
NH3, СН4, Хе, Кг, Аг. На заключительной, самой короткой ста¬
дии образования Юпитера происходил гравитационный коллапс
(захват) газа, содержавшегося в зоне питания планеты. Сходный
сценарий предполагается и для Сатурна.
Положение границы между тепловыми зонами II и III (см. рис.
3.7) с разной степенью конденсации протопланетного вещества
определило различие между химическим составом планет земной
группы и планетами-гигантами.
В последнее время активное изучение состава метеоритов и
комет (последних даже с помощью космических аппаратов) по-
Рис. 3.7. Схема структуры допланетного диска вокруг Солнца:
I — основные породообразующие элементы полностью испарены; II — основ¬
ные породообразующие элементы испарены частично; III — основные породо¬
образующие элементы полностью сконденсированы, лед — частично; IV — ос¬
новные породообразующие элементы и лед полностью сконденсированы
59
ставляет нам все новые и новые эмпирические данные о строении
и истории развития Солнечной системы.
3.4. Эволюция представлений о происхождении
земных оболочек
Реконструкция истории химических элементов Земли требует
значительного расширения наших знаний о времени ее существова¬
ния. Для построения любой эволюционной схемы необходимо
знание как конечной, так и начальной точки, из которой следует
проводить линию эволюционного развития. Получить ее методом
экстраполяции в настоящее время вряд ли возможно, ввиду боль¬
шой неопределенности характера этой линии. Поскольку началь¬
ный этап всех земных процессов относится к моментам формиро¬
вания самой планеты, представления о нем в значительной мере
базируются на космогонических теориях. Лишь в самое послед¬
нее время успехи изотопной геохимии и экспериментальные ис¬
следования при сверхвысоких температурах и давлениях, а также
данные по составу вещества Луны, Венеры и Марса позволили
внести существенные коррективы.
До середины XX в. в космогонических гипотезах господствова¬
ли представления о первично расплавленной Земле, вещество ко¬
торой отделилось от Солнца (гипотезы Канта—Лапласа, Джин¬
са). В рамках этих гипотез У.Томсон (лорд Кельвин) рассчитал
возраст Земли по скорости ее остывания, который составил 40 —
60 млн лет. По аналогии с металлургическим процессом, где при
плавке руд вещество разделяется на три слоя (шлак, штейн и ме¬
талл), В. М. Гольдшмидт разделил Землю на три оболочки (геосфе¬
ры): литосферу, промежуточную окисно-сульфвдную оболочку и
центральное ядро. Еще в 1950-е гг. серьезно обсуждался вопрос о
наличии одного или двух (гранитного и базальтового) магматичес¬
ких слоев в нижней части коры (Ф.Ю. Левинсон-Лессинг и др.).
На смену гипотезе первично расплавленной планеты во вто¬
рой половине XX в. пришла гипотеза холодной агломерации из
космического газопылевого облака. Механизм образования Зем¬
ли и планет путем агломерации твердых тел, который постулиру¬
ется в геохимии, неоднократно рассматривался с астрономиче¬
ской и физической точек зрения (А. Эукен, О. Ю. Шмидт и его
школа, В.Латимер и др.).
В общей истории Земли при холодной агломерации обычно
различают два этапа: астрономический, когда Земля формирова¬
лась из космической пыли и приобретала ту форму и те размеры,
с которыми нам приходится иметь дело сейчас, и геологический,
начавшийся уже после полного формирования планеты. Между
этими этапами фактически не проводится связи и, более того,
60
допускается большой временной разрыв в 1 — 2 млрд лет, необхо¬
димый для радиогенного разогрева первично гомогенной, холод¬
ной планеты и «начала» геохимических процессов, когда идет
иыплавление легкоплавкой фракции, дегазация и сопровождаю¬
щий ее вулканизм. Существенным геохимическим требованием
гакого представления является отсутствие плотной первичной ат¬
мосферы. Согласно этим представлениям механизмами диффе¬
ренциации являются кристаллизационная дифференциация и про¬
цессы, аналогичные зонной плавке, при которых узкая тепловая
зона расплавленного вещества движется относительно кристал¬
лизованного столбика породы.
Таким образом, за начальную точку эволюции Земли по суще¬
ству принимается холодная, лишенная первичной атмосферы,
однородная планета современных размеров.
Геохимический анализ самых ранних этапов формированрш
планеты рассмотрел ученик В. И. Вернадского — К. П. Флоренс¬
кий (1965), показавший недостаточность учета происходящих при
этом событий и их значение для правильного понимания всей
дальнейшей геохимической истории Земли.
Процесс роста планеты состоит из ряда последовательных па¬
дений тел разного размера. Каждое падающее из бесконечности в
отсутствие атмосферы тело при нулевой геоцентрической началь¬
ной скорости приобретает скорость удара, равную второй косми¬
ческой скорости. При падении (ударе или торможении в атмо¬
сфере) неизбежно выделение этой энергии.
Средняя скорость встречи метеоритов с Землей 20 — 30 км/с.
Крупные тела при ударе о поверхность Земли взрываются за счет
мгновенного превращения в пар под влиянием перехода кинети¬
ческой энергии в тепловую. При больших скоростях удара обра¬
зуется плотный электронный газ температурой в сотни тысяч гра¬
дусов.
Общим во всех случаях падения является то, что существенная
часть космического вещества, выпадающего на планету, не толь¬
ко претерпевает дробление, но и проходит кратковременную ста¬
дию испарения или плавления. Этот процесс связан с размером
протопланеты и менее зависит от отсутствия или наличия атмо¬
сферы на ней. Наличие и характер атмосферы меняет относитель¬
ную роль испарения, плавления и дробления частиц, но не меня¬
ет принципиального существа процесса.
Х.Холленд (1984), обобщив многочисленные данные по рас¬
пределению инертных газов и их изотопов в атмосфере, в метео¬
ритных телах и земных объектах, показал идентичность их рас¬
пределения (кроме гелия, самого легкого инертного газа, способ¬
ного к диссипации), свидетельствующую об общности их косми¬
ческого происхождения. Модели дегазации корректны только в
том случае, если на самом раннем этапе истории Земли имел ме-
61
Рис. 3.8. Модель ударной дифференциации вещества (исходная ультра-
основная порода (поле базальтов), испаряясь при ударе, дает после кон¬
денсации вещество, аналогичное по составу граниту)
сто значительный выброс газов. Этот выброс и связан с ударным
плавлением и ранней дегазацией метеорного вещества при его
гравитационном уплотнении.
Неизбежная дегазация метеорных тел с разогревом при ударе
должна была привести к образованию атмосферы, гидросферы и
дифференциации вещества литосферы еще во время агломератив-
ного роста планеты, по мере падения на Землю новых космиче¬
ских тел. Возможность ударного выплавления гранитов в насто¬
ящее время подтверждена экспериментально (рис. 3.8*). Одно¬
временно идет разогрев верхних зон планеты, прошедших стадию
гораздо ранее радиоактивного разогрева и последующего периода
дегазации, и дифференциация вещества планеты.
Все это заставляет признать глубокую начальную неоднород¬
ность вещества Земли. Классические представления петрологов
(Ф. Ю. Левинсон-Лессинга и др.) о существовании двух типов маг¬
мы, разделение которых не может быть сведено к кристаллизаци¬
онной дифференциации и процессам зонного плавления, получа¬
ют новую трактовку.
На наличие мощного процесса разделения вещества уже на
ранних стадиях развития планеты указывает строение Луны, име¬
ющей существенно разный цвет «материков» и «морей», который
остается заметным, несмотря на нивелирование его последующи¬
ми выпадениями космической пыли и метеоритов, строение и
состав реголита, слагающего ее поверхность.
* См.: Яковлев О. И., Диков Ю.П., Герасимов М.В. Роль ударно-испари¬
тельной диффузии на стадии акреции Земли // Геохимия. — 2000. — № 10. —
С. 1027-1045.
62
Таким образом, атмосфера и гидросфера планеты представля-
II и не вторичные образования, а растут параллельно с общим ро¬
мом Земли за счет агломерации космического вещества, вьщеле-
IIим летучих компонентов при соударении метеорного вещества с
иоисрхностью планеты и дегазации при гравитационном уплотне¬
нии. Часть вьщелившихся газовых компонентов диссипирует об-
)М111() в космическое пространство. Этот процесс постепенно осла-
пгипс г по мере роста массы планеты. При современной массе мо-
414 диссипировать только водород. Состав первичных атмосферы
и гидросферы должен существенно отличаться от современного.
Химический состав первичной атмосферы, скорее всего, был угле-
кислометановым, как и на других планетах земной группы.
Такие представления не противоречат основным эмпирическим
Л1И1МЫМ по дальнейшей эволюции вещества в результате диффе¬
ренциации мантийного вещества, но существенно отодвигают
ипчшю геологической истории, которая начала развиваться па-
рпллельно с формированием самой планеты.
3.5. Средний элементный состав земной коры
и ее слоев
Земная кора неоднородна и в горизонтальном, и в вертикаль¬
ном направлении. Эта неоднородность отражает историю ее фор¬
мирования: зарождения и дальнейшей эволюции. Точное количе-
ггвенное знание этой неоднородности является фундаментом всех
дальнейших геохимических построений.
Первые попытки определить средний химический состав зем¬
ной коры для 10 элементов сделал в начале XIX в. английский
минералог В.Филипс. Хотя его вычисления были далеки от ре¬
альности, сама попытка не осталась без внимания. К ней обраща-
иись Эли де Бомон, А.Добрэ, но только Ф. Кларк уже в самом
конце XIX в. встал на правильный путь, объединив многочислен¬
ные накопившиеся к тому времени эмпирические аналитические
/1анные в единую систему. Полученные им таблицы легли в осно¬
ву всех дальнейших вычислений, а средние показатели распрост¬
раненности отдельных элементов в земной коре, по предложению
Л. Е. Ферсмана, получили название число Кларка, или кларк эле¬
мента. В 1924 г. Ф. Кларк и Г. Вашингтон опубликовали таблицы
уточненных данных, которые включали кларки 50 наиболее рас¬
пространенных элементов; в основной своей части эти таблицы
не изменились до сих пор. Аналогичные вычисления проводили
Л. Е. Ферсман, А. П. Виноградов, С. Р. Тейлор* и др. Эти таблицы
* Сводные таблицы кларков публиковали: В.И.Вернадский (1925—1930),
Л. Е.Ферсман (1923— 1933), супруги Ноддак (1932), А. П. Виноградов (1949, 1962),
С. Р.Тейлор (1964), Б.Мейсон (1966) К.Г.Ведеполь (1967), А.Б.Ронов (1990) и др.
63
Рис. 3.9. Логарифмы атомных кларков (IgA^) элементов земной коры
включают практически все элементы. Они отличаются значения¬
ми лишь для рассеянных и радиоактивных элементов, для кото¬
рых идет уточнение аналитических данных. Аналитические мето¬
ды, существовавшие в начале XX в., не обладали чувствительно¬
стью, необходимой для надежного определения большой группы
элементов, рассеянных в горных породах. Так, кларк Se увели¬
чился в 30 раз, Ga — в 200, Ru, Rh, Pd, Os, Ir — в тысячи и
десятки тысяч раз. Поправки на распространенность отдельных
типов пород не вносили существенных изменений в данные о
распространенности элементов, входящих в состав основных по¬
родообразующих минералов.
А. Е. Ферсман предложил выражать числа Кларка не в массо¬
вых, а в атомных процентах, что лучше отражает соотношения
числа атомов, а не их масс. Он построил график, на котором по
оси абсцисс отложил порядковые номера элементов, по оси орди¬
нат — логарифмы их атомных кларков (рис. 3.9*). Анализ данных
рисунка позволяет сделать ряд выводов.
1. Распространенность элементов в земной коре характеризу¬
ется большим разбросом, достигающим 10^^.
2. Всего девять элементов: О, Si, А1, Ее, Са, Na, К, Mg, Н —
являются главными строителями литосферы, составляя 98,83 % ее
массы. Из них на первые три приходится 84,4 %. На долю осталь¬
ных 83 приходится около 1 % (рис. 3.10).
См.: Ферсман А.Е. Геохимия. Т. 1. — Л.: Госхимтеорет, 1933.
64
Рис. 3.10. Распространенность (мае. %) элементов в земной коре
3. Основной элемент — кислород. Его массовый кларк оце¬
нивается в 44,6 — 49,0 %, атомный — 53,3 % (по А. Е. Ферсману),
а объемный (по В.М.Гольдшмидту) — 92%.
Таким образом, земная кора и по объему, и по массе состоит
главным образом из кислорода.
Если средние содержания элементов в коре в первом прибли¬
жении можно считать неизменными на протяжении всей ее исто¬
рии, то на отдельных ее участках идут периодические изменения.
Хотя земная кора не является закрытой системой, ее обмен мас¬
сой вещества с космосом и более глубокими зонами планеты пока
не может быть учтен количественно.
Иное дело перераспределение вещества внутри земной коры.
Это область, где идут геохимические процессы, происходит по¬
стоянное перераспределение вещества.
3.6. Преобладающие минералы пород литосферы
В настоящее время идентифицировано около 4 000 минераль¬
ных видов. Половина из них открыта за последние полвека с по¬
мощью современных ультрамикроскопических методов, и эти виды
не имеют широкого распространения. Более того, 96 % относи¬
тельной распространенности минералов приходится всего на пять
минеральных групп; 1) полевые шпаты (58 %); 2) силикаты желе¬
за, магния, кальция (16 %); 3) кварц (15 %); 4) оксиды железа (4 %);
5) слюды (3 %) (табл. 3.5). Из них больше половины приходится
65
Таблица 3.5
Элементный состав минералов пяти основных групп
Элемент
Полевые
шпаты
Силикаты
железа, магния,
кальция
Кварц
Оксиды
железа
Слюды
О
Si
А1
Fe
Са
Na
К
Mg
всего на одну группу — полевые шпаты. Такое соотношение свя¬
зано с тем, что элементы, слагающие эти минералы, составляют
основную массу земной коры (см. рис. 3.10). На все остальные
минералы остается всего 4 % общей минеральной массы земной
коры. Именно этими минералами сложены внешние геосферы
нашей планеты.
«Число химических соединений — писал В. И. Вернадский, —
подлежащих изучению для химика, безгранично, для минералога
оно резко ограничено»*. Оно определяется прежде всего концен¬
трацией элементов, необходимых для их образования.
В то же время для минералов нет явления, аналогичного эво¬
люционному процессу. Начиная с древнейшего архея вплоть до
нынешнего дня мы наблюдаем одни и те же минералы, ничем
почти не отличимые от архейских. Кварц архейский и кварц кай¬
нозойский не отличаются друг от друга ни химическим составом,
ни структурой. «Совершенно ясно, — подчеркивал В. И. Вернад¬
ский, — что и состав и характер планетных термодинамических
оболочек, и число и характер образующихся в них минералов —
не случаен, а закономерен»*. Отсюда следует, что физико-хими¬
ческие условия, существовавшие в геосферах, на протяжении всей
геологической истории не имели глобальных направленных из¬
менений.
Это не значит, что не меняются количественные соотношения
между отдельными минералами и их ассоциациями. Если в до-
* Вернадский В. И. Избранные сочинения.
4. - Кн. 2. - С. 549.
М.: Изд-во АН СССР, 1960.
66
кембрии преобладают плагиограниты, а аляскитовые граниты яв-
виотся редкостью, то к кайнозою их соотношение меняется на
обратное.
В практическом отношении наибольший интерес представля-
10Г далеко не те минералы, которые имеют максимальное распро¬
странение. Новые технологии требуют все больше цветных метал-
)|()в, редких, рассеянных и радиоактивных элементов. В связи с
развитием техносферы миграционные циклы этих элементов в
поверхностных частях земной коры все более ускоряются. Они же
создают наибольшее экологическое давление на биосферу.
3.7. Анализ распределения химических элементов
Мы живем в мозаичном мире*. Пестрота всего, что нас окру¬
жает, выражается в разнообразии форм, цвета, плотности и дру¬
гих физических и химических характеристик окружающих нас
предметов. Все эти характеристики отражают неравномерность
пространственного распределения вещества — химических эле¬
ментов и их различных ассоциаций. Однако при всем многообра¬
зии природных объектов есть некоторые общие особенности —
все они сложены химическими элементами в различных количе¬
ственных соотношениях и пространственных сочетаниях. В гл. 1
мы уже упоминали, что еще в конце XIX в. В. И. Вернадский при¬
шел к выводу, что распределение химических элементов в раз¬
личных природных объектах может быть той удачной мерой из¬
мерения, которая позволяет количественно сравнивать их между
собой. Форма природных тел, наиболее часто применявшаяся ра¬
мсе, не может служить такой мерой, поскольку самые разные объек-
гы, например колония простейших организмов и облако, могут
морфологически быть весьма близки между собой.
Выявление закономерностей пространственного распределения
химических элементов и их ассоциаций в природных телах лежит
в основе всех современных геохимических исследований. Остано¬
вимся на некоторых основных положениях.
Нет двух идентичных кристаллов, нет двух идентичных песчи-
мок, как и других естественных природных образований. Но если
мы начнем сравнивать между собой однородные объекты по ка¬
кому-либо параметру, например массу песчинок в одном слое песка
или содержание какого-либо элемента в горной породе, то обна¬
ружим, что результаты измерений будут располагаться около ка¬
кого-то среднего значения т равномерно. Чем ближе к среднему,
гем чаще будут попадаться частички данной массы, а чем даль¬
ше — тем реже.
* Мозаика в переводе с французского — пестрая смесь.
67
Рис. 3.11. Распределение частот появления правых (левых) кварцев по
данным многих тысяч замеров восьми месторождений, разрабатывае¬
мых в разных странах
Нормальное распределение. Если по результатам таких измере¬
ний мы построим график, отложив по оси абсцисс — значения
массы частиц, а по оси ординат — частоту встречаемости частиц
той или иной массы, то получим симметричную кривую, характе¬
ризующую особенности распределения данного параметра в об¬
щем объеме V нашей выборки. Максимум кривой отвечает наи¬
большей плотности распределения измеряемой нами случайной
величины. Вправо и влево от него плотность распределения изме¬
ряемой величины постепенно убывает, характеризуя степень рас¬
сеяния измеряемой величины, или ее дисперсию (рис. 3.11, 3.12*).
Такое распределение называют нормальным (или гауссовым). Ему
подчиняется множество макрохарактеристик, которые мы изуча¬
ем при анализе природных объектов. В этом случае среднее зна¬
чение легко определяется по формуле т = п, где т — среднее
значение; // — единичное определение; п — число проанализиро¬
ванных проб.
Для некоторых характеристик, например для содержания мик¬
рокомпонентов в какой-либо породе или минерале, получают асим¬
метричные кривые (рис. 3.13, а), однако если мы отложим не
сами измеряемые величины, а их логарифмы, то кривая вновь
приобретает симметричное строение (рис. 3.13, б). Это вновь нор¬
мальное распределение, только не самих величин, а их логариф¬
мов, или логнормальное распределение. В этом случае логарифм
среднего \ogrn = ^^ogti/n.
Крутизна кривой отражает «степень рассеяния» единичных
значений от их средней величины. Параметром, используемым
* См.: Шарапов И. П. Применение математической статистики в геологии. —
М.: Недра, 1965.
68
Содержание, %
Рис. 3.12. Распределение содержания железа по данным анализа
275 проб железной руды
Рис. 3.13. Распределение содержания урана {а) в неизмененных трахида-
цитах Стрельцовской депрессии (Восточное Забайкалье) и логарифмов
содержания (б) по данным 51 анализа
69
для сравнения рассеяния, чаще всего является дисперсия D^,
ределяемая выражением;
оп-
1
rii
Дисперсия всегда положительна и при наличии любого рассе¬
яния не равна нулю. Положительное значение корня квадратного
из величины дисперсии называют стандартным (или средним
квадратичным) отклонением: == ; оно дает непосредствен¬
ное представление о разбросе значений относительно среднего
значения
При нормальном распределении случайной величины вероят¬
ность попадания единичного определения в интервал ±о состав¬
ляет 68 %, в интервал ±3а — 99,7 %. Это значит, что только 0,3 %
единичных значений могут выходить за пределы интервала ±3а.
В случае логнормального распределения используется логариф¬
мическая дисперсия, вычисляемая по формуле:
1
rii
и соответственно
^x=Wx-
Дисперсия содержаний и ее природа. Природа дисперсии связа>
на с вероятностной (стохастической) природой всех естественных
процессов. Если бы процессы были строго детерминированы, все зна¬
чения были бы идентичны и совпадали со средним значением Хср.
Однако все природные процессы совершаются не в изолирован¬
ных системах, а на фоне проходящих в окружающей среде других
процессов, которые в той или иной степени влияют на изучаемый
нами процесс. Если эти воздействия носят случайный характер, то
кривая будет симметричная. Если это воздействие не случайно, то
симметрия будет нарушена, на чем мы остановимся ниже.
Интенсивность инородных случайных воздействий влияет на
разброс получаемых данных. Чем меньше эти воздействия, тем
меньше будут значения ±х, а следовательно круче кривая и мень¬
ше дисперсия Од. (рис. 3.14). Увеличение характеризует увели¬
чение разброса значений и, следовательно, рост случайных воз¬
действий.
Сравнение объектов. При сравнении характеристик распреде¬
ления каких-либо величин двух независимых объектов прежде всего
сравнивают средние значения содержания какого-либо ком¬
понента. Это дает первое представление о содержании в них того
или иного компонента. На следующем этапе сравнивают значе-
70
Гис. 3.14. Характер кривых распределения переменной х с различными
значениями
и ИЯ дисперсий. При этом для объектов, имеющих разные значе¬
ния Хер, полезно пользоваться не абсолютными значениями дис¬
персий, а относительными, выраженными в процентах. Такая ве¬
личина носит название коэффициента вариации (V), который
рассчитывают по формуле:
F = -100 %.
X
при более детальном исследовании характера распределения
параметров природных объектов используют статистики более
высоких порядков.
Нормальное (логнормальное) распределение компонентов гор¬
ной породы или другого природного объекта указывает на обыч¬
ные для данного типа породы колебания содержания компонен-
гов и других измеряемых статистических характеристик. Породы
с таким распределением слагающих их компонентов образовались
в результате единого природного процесса, сохранив особенности
этого распределения до наших дней.
Многомаксимумное распределение. Далеко не всегда данные
опробования, нанесенные на гистограмму, дают такую идеальную
картину. Значительно чаще получается более сложная картина не
с одним, а с двумя и более максимумами. Обычно это бывает в тех
случаях, когда порода претерпевает какие-либо эпигенетические
изменения, вызвавшие перераспределение компонентов. Весьма
отчетливо эта зависимость видна, когда мы сравниваем распреде¬
ление одного и того же компонента в наиболее свежих разностях
пород и в той же породе с наложенными изменениями. Здесь
часто наблюдаются значительно более сложные кривые распреде¬
ления (рис. 3.15*). Такие кривые распределения часто встречают¬
ся в зонах диафтореза и контактового метаморфизма, в телах руд¬
ных месторождений и т.д. При этом общее содержание данного
^ См.: Григорян С. В. Рудные гидротермальные аномалии. — М.: Недра, 1982.
71
Рис. 3.15. Гистограмма распределения цинка на фоновом участке {а) и в
ореоле околорудных изменений (б) Сумсарского месторождения
компонента в породе может несколько уменьшаться в случае его
выноса, увеличиваться при привносе или оставаться неизменным.
В последнем случае появляются два новых максимума: левее цен¬
трального максимума первичных содержаний в области более низ¬
ких концентраций и правее в области более высоких значений.
Далеко не всегда эти два новых максимума выражены так четко,
как в приведенном примере. Иногда они проявляются лишь в
нарушении монотонности правой и левой ветвей кривой распре¬
деления. Такие изменения распределения оказались характерны¬
ми для внешних зон гидротермального околожильного измене¬
ния вмещающих пород многих месторождений. Они получили
название субфоновые ореолы (А. В. Канцель). Их мощность выхо¬
дит далеко за пределы околорудных зон повышенной концентра¬
ции рудного компонента, в результате чего их картирование мо¬
жет быть использовано как удобный поисковый признак для мно¬
гих гидротермальных рудных месторождений.
Если в данных опробования даже единичные результаты ока¬
зываются выходящими за пределы нормального распределения,
то это уже говорит, что данная проба не относится к основному
множеству. На практике содержания, превышающие За, обычно
принимают за ураганные и исключают из генерального множе¬
ства. Это либо аналитическая ошибка, либо указание на наличие
иного наложившегося процесса по отношению к формированию
данной породы, который при достаточной статистике даст новый
максимум на кривой распределения.
Любые многомаксимумные кривые, даже укладывающиеся в
параметры ±3а, можно анализировать с позиций потенциальных
72
иозможностей дифференциации вещества или появления процес¬
сов выноса, привноса или перераспределения, которые указыва¬
ют на наложение, по крайней мере, двух различных процессов.
3.8. Масштабы объектов и анализа
При анализе закономерностей распределения элементов в при¬
родных объектах необходимо соблюдать пропорциональность
масштабов объшсга и метода изучения. Совершенно ясно, что если
мы будем анализрфовать гранитный штуф с помощью микроана¬
лизатора, захватывающего площади менее 1 мм, то получим ре¬
зультаты, соответствующие распределению элементов в отдель¬
ных слагающих его минералах, а не гранита в целом. Здесь есть
два пути решения поставленной задачи: либо сканировать доста-
гочно большую площадь поверхности и математически усреднить
полученные результаты, либо проанализировать усредненную про¬
бу. Второй путь экономически более выгоден, однако и здесь встает
вопрос о методах получения надежной средней пробы.
Используя методы дистанционного анализа с космических ап¬
паратов, мы получаем данные о составе крупных поверхностных
площадей и планет в целом. Именно такие данные были приведе¬
ны на рис. 3.3 для содержания урана и калия в планетах земной
группы и других космических телах. С помощью дистанционных
аэрометодов можно получить усредненные данные для крупных
площадей.
Однако дистанционные методы анализа существуют не для всех
элементов. Для многих из них необходим непосредственный от¬
бор проб, их физическое или математическое усреднение. При¬
мером такого усреднения служат числа Кларка для отдельных ти¬
пов пород земной коры. Аналогичным образом выводят фоновые
содержания для отдельных регионов, часто не совсем точно назы¬
ваемых региональным кларком. Такие величины, очень полезные
;ц1я решения целого ряда геохимических задач, лучше называть
региональным фоном, оставляя за понятием кларк его первона¬
чальное значение — среднее содержание элемента в конкретном
гипе горных пород земной коры в целом.
Для анализа отдельных геологических тел существуют различ¬
ные методы опробования (штуфное, точечное, бороздовое и т.д.),
методы гомогенизации проб и отбора равнозначных аликвотных
частей для непосредственного анализа.
Соблюдение пропорциональности масштабов необходимо и при
сравнении двух и более природных объектов. Так, зависимость
состава микропрожилков от вещественного состава вмещающей
среды показывает, что микропрожилки меняют свой состав не только
при переходе из одних пород в другие, но и в пределах одного
73
сх
s
е
I
Os
К
s
5
О
cx
w
s
Oo
74
шлифа, при пересечении минералов разного состава (рис. 3.16*).
И го же время хорошо известно, что многие жилы сохраняют по-
сюянный минеральный состав при пересечении самых разных
пород. Этот факт столь очевиден, что, казалось бы, аннулирует
исс те выводы, которые наблюдаются в микромасштабе. Это про-
гиворечие обычно нивелируется, если анализ состава жильного
выполнения проводится с учетом масштаба жил и вмещающих их
геологических объектов.
Легче всего это проследить, если от микропрожилка (см. рис.
16) постепенно переходить к прожилкам все большей и боль¬
шей мощности. По мере увеличения мощности прожилков в их
составе все чаще начинает появляться вещество соседних ми¬
неральных зерен, а в слоистых породах — вещества соседних
слоев.
Количественный учет разномасштабных проявлений и их ста¬
тистический анализ позволяют внести в этот вопрос достаточную
ясность. Так, анализ данных массовых замеров распространенно-
с ги кварца и карбонатов (минералов, составляющих более 90 %
жильного выполнения в месторождениях Рудных гор), располо¬
женных в переслаивающейся пачке пород основного и кислого
состава, приведенных в табл. 3.6 и на рис. 3.16, 3.17, показывает
зависимость состава жильного выполнения от типа вмещающих
пород.
Хорошая геологическая изученность территории и высокая
искрытость месторождений горными выработками позволила по¬
лучить надежные выборки, включив в них только автономные жилы
и исключив из рассмотрения средние и мелкие жилы, являющие¬
ся апофизами более крупных, поскольку состав таких оперяющих
и значительной мере зависит от состава ведущей жилы. Этим оп¬
ределяется значительно меньший объем выборки по средним и
особенно мелким жилам. Однако именно для последних влияние
состава вмещающих пород проявляется наиболее отчетливо. Имен¬
но здесъ достаточно типичной картиной является смена монокар-
бонатной части на монокварцевую, происходящая на контакте
пород основного и кислого состава (см. рис. 3.17). Достоверностъ
гипотезы по критерию Стъюдента составляет 99,99 %.
В жилах средней мощности максималъные количества карбо¬
ната наблюдаются при пересечении ими пород основного соста¬
ва. По мере удаления от контакта в сторону кислых пород коли¬
чество карбонатов в жилах быстро сокращается, уступая место
кварцу.
Несмотря на изменчивость мощности крупных жил, средне¬
статистические значения этого параметра не обнаружили зависи¬
мости от состава пород. Карбонаты в тех или иных количествах
См.: Барабанов В. Ф. Генетическая минералогия. — Л.: Недра, 1977.
75
76
Рис. 3.17. Распределение кварца и карбоната в мелких прожилках:
/ — кварц —слюдистые сланцы; 2 — амфиболовые сланцы; 3 — кварц; 4 —
карбонат (в скобках указана мощность прожилков в сантиметрах)
встречаются на всем их протяжении, но в жилах, расположенных
среди пород основного состава, количества карбонатов достигают
90 % (и более) жильной массы, в то время как в породах кислого
состава в среднем только 64 %.
Если все данные наблюдений спроектировать на условный раз¬
рез, расположив точки наблюдений относительно удаленности от
контактов (рис. 3.18), то можно видеть, что для основных пород
характерно выполнение карбонатом всей мощности жилы при
развитии кварца на отдельных отрезках. В то же время в кислых
породах наблюдается повсеместное развитие кварца и карбоната
мри увеличении мощности карбонатной составляющей вблизи
контакта толщ. Появление в монотонном разрезе пород другого
состава сказывается на количественных соотношениях кварца и
карбонатов. Вблизи прослоев амфиболовых пород среди слюди-
Расстояние от контакта
пород, м
а
пород, м
б
Рис. 3.18. Средняя мощность кварцевой (сплошная линия) и карбонат¬
ной (пунктирная линия) составляющих в крупных жилах, пересекающих
породы основного (л) и кислого (б) состава
77
стых сланцев и гнейсов карбонатная составляющая возрастает до
68 % (см. табл. 3.6).
Таким образом, строгий учет масштабов изучаемых объектов и
статистический подход к анализу получаемых результатов позво¬
ляют получить надежные выводы там, где метод выборочных при¬
меров, даже весьма тщательно изученных, может приводить к
противоречивым результатам.
Мы так подробно остановились на этих примерах только пото¬
му, что, если не учитывать масштабов природного объекта и под¬
хода к его изучению, можно прийти к неосознанным, но суще¬
ственным ошибкам. Такое встречается слишком часто.
3.9. Картирование распределения элементов
Из приведенного выше ясно, что распределение элементов в
какой-либо одной точке пространства, даже изученное самым
тщателъным образом, не может характеризоватъ геологический
объект, если его пространство больше, чем эта точка. Любой гео¬
химический признак, в том числе и распределение элементов,
требует картирования этого признака. При этом для каждого масш¬
таба существуют свои требования, кондиции (лат. condition —
норма, стандарт).
Полезно картировать не только содержания, но и неравномер¬
ности их распределения, дисперсии и другие статистики. Выше
упоминалось значение субфоновых ореолов при поиске рудных
месторождений. Это типичный пример картирования дисперсий
содержаний.
Экологический мониторинг невозможен без надежных карт рас¬
пределения элементов на конкретных площадях. Отдельные ло¬
кальные ураганные пробы или вьщержанные устойчивые повышен¬
ные содержания требуют различных действий по их ликвидации.
* * *
Если элементный химический состав Земли и других планет
Солнечной системы связан с космическими явлениями нуклео¬
синтеза и дифференциации элементов в протопланетном облаке,
то распределение элементов в оболочках нашей планеты и их вхож¬
дение в минералы и горные породы связано с историей развития
Земли, начиная с самых ранних моментов ее формирования. Рас¬
пределение элементов и других компонентов в геологических
объектах подчиняется определенным закономерностям, которые
необходимо учитыватъ при сравнении естественных природных
тел, анализе природных явлений и их использовании для реше¬
ния целого ряда практических задач.
78
\
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте современные представления о строении атомов и
их расУтространенности в космосе.
2. Перечислите типы ядерных реакций.
3. Приведите современные данные о составе и классификации пла¬
нет.
4. Каковы современные взгляды на происхождение Солнечной сис-
юмы?
5. Дайте характеристику понятиям «число Кларка» и «кларк концен¬
трации».
6. Как рассчитывают средний элементный состав земной коры и ее
слоев?
7. Назовите преобладающие минералы пород литосферы. Как они
связаны с распространенностью элементов?
8. Какие типы распределения элементов вы знаете? Дайте характери¬
стику понятия «дисперсия содержаний». Какова природа дисперсии со¬
держаний?
9. Какую информацию можно получить, анализируя гистограммы
распределения элементов?
10. С какой целью проводят картирование распределения элементов?
Глава 4
ОСНОВЫ ГЕОХИМИИ изотопов
• Изотопные равновесия • Стабильные изотопы • Радиоактивные изото¬
пы • Принципы методов радиогенного определения возраста геологи¬
ческих объектов • Радионуклиды — трассеры природных процессов
4.1. Стабильные и радиоактивные изотопы
В последние годы особенно бурно развивалась геохимия изо¬
топов благодаря появлению новых технических возможностей
надежного аналитического определения изотопов элементов, да¬
ющих вариации их распределения в различных природных объек¬
тах. Техника масс-спектрометрии — определения массовых чисел
элементов, появившаяся в 1930-е гг., к концу XX в. достигла зна¬
чительных успехов — позволяет разделять по массам и определять
ничтожно малые количества вещества. Параллельно изучались
условия разделения в различных физико-химических и геологи¬
ческих обстановках. Накопленный эмпирический материал суще¬
ственно продвинул вперед наши геохимические знания.
Геохимия изотопов открыла новые страницы истории элемен¬
тов земной коры. Многие закономерности, которые раньше стро¬
ились на основе косвенных признаков, получили точные обосно¬
вания с мерой и числом.
С геохимических позиций все изотопы могут быть разделены
на две основные группы:
1) стабильные, не изменяющиеся за все время существования
нашей планеты;
2) радиоактивные, распадающиеся в результате естественных
ядерных процессов, и радиогенные, образующиеся в ходе распада
радиоактивных элементов.
Стабильные изотопы. Если строение электронной оболочки
определяет химические особенности элементов, их способность к
образованию химических связей, то массовые числа ядер влияют
на физические особенности их поведения в земных процессах. От
массовых чисел изотопов одного и того же элемента зависит его
поведение в процессах испарения, конденсации, растворения и
кристаллизации, диффузии, сорбции, осмоса и т.д. В результате
геохимическая история изотопов одного и того же элемента ока¬
зывается невдентичной. Эти различия сказываются тем больше,
чем ощутимее различие в массовых числах ядер элементов. Для
80
исгких элементов, таких как водород, углерод, азот, кислород, сера,
и вменение массовых чисел на 1 —2 единицы в процентном отно¬
шении значительно существеннее, чем аналогичные изменения
для тйжелых ядер.
Рассмотрим стабильные изотопы некоторых элементов.
Углерод. Изотопный состав углерода природных объектов оп¬
ределяется присутствием двух стабильных изотопов: и
ничтожно малых количеств являющегося радиоактивным с
периодом полураспада 5 730 лет.
Соотношение концентраций [*^С]:[*^С] варьирует в природ¬
ных объектах от 88 до 91. Сопоставление различных значений изо¬
топного состава удобнее всего проводить по относительному при¬
росту концентрации '^С в образце и стандарте, расчет которого
проводят по формуле*:
За стандарт принят эталон PDB — углерод карбоната кальция
нозднемелового возраста формации PD.
Значение 8(‘^С) со знаком «плюс» соответствует избытку, со
знаком «минус» — дефициту изотопа ‘^С в исследуемом образце
но сравнению со стандартом. Точность определения 5(^^С) в на¬
стоящее время составляет ±(0,01 —0,05) %о.
Аналогичным путем вычисляют 5(*^0) и 5(^'^S), которые служат
мерилом степени вариации изотопного состава кислорода и серы.
Какие же вариации 5(*^С) существуют в природе и какие про¬
цессы ответственны за разделение изотопов?
На рис. 4.1** показано распределение изотопов углерода в
различных геологических объектах и метеоритах. Значения 5(*^С)
морских известняков варьируют от +4,5 до -5,1 %о. Как видно из
рис. 4.1, в основном значения 6(^^С) лежат в отрицательной обла-
сги. Это связано с тем, что живые организмы активно дифферен¬
цируют изотопы углерода, используя для построения своих скеле-
юв более тяжелый изотоп а для живых тканей легкий
Процесс разделения изотопов начинается с фотосинтеза, кото¬
рый приводит к заметному обогащению органического вещества
легким углеродом (рис. 4.2***). Самые низкие значения дает
природный газ (до -105 %о). Причиной такого изотопного состава
углерода метана является процесс, широко распространенный в
земной коре. Это микробиологическое фракционирование изото-
* Промилле (%о) — тысячная доля числа, десятая часть процента.
** См.: Тугаринов А. И. Общая геохимия. — М.: Атомиздат, 1978.
*** См.: Коржинский А. Ф. Геохимия горючих ископаемых. — Киев: Наук,
думка, 1986.
81
20 -30 -40 -50 -60 -70 5(‘^С),
1 1 1 I
Морские карбонаты
Углистые хондриты,
алмазы, карбонатиты
Растения морские, пустынь
и тропиков
Железные метеориты
Изверженные породы
Угли и сланцы
Нефти
Живое вещество
Битумы изверженных
пород
Природный газ
(метан)
Рис. 4.1. Распределение изотопов углерода в природных объектах
нов углерода, метаболизм бактерий, приводящий к образованию
исключительно легкого метана. Однако с увеличением температу¬
ры в земных недрах между метаном, освобождающимся при мета¬
морфизме органического вещества, и углекислым газом, выделя¬
ющимся при разложении карбонатов, протекает обменная реак¬
ция; причем чем выше температура, тем больше будут выравни¬
ваться содержания изотопов в обоих соединениях, т. е. тем мень¬
ше метан будет обогащаться изотопом Наглядное доказатель¬
ство этому дает рис. 4.3, где показана распространенность изото¬
па в метане на различной глубине.
А.В.Трофимов, первый получивший данные по распростране¬
нию изотопов углерода в породах и метеоритах (1949), пришел к
выводу, что первичный углерод Земли имел изотопное отноше¬
ние 5(^^С), близкое к -22 %о, а все существующие отклонения от
этого значения есть результат фракционирования в перечислен¬
ных выше процессах, при которых легкие атомы концентрируют¬
ся в живом, а тяжелые в косном веществе.
На основе изложенного можно сделать вывод, что фракциони¬
рование углерода в Земле вне зависимости от характера его пер¬
вичного изотопного состава обусловлено главным образом био¬
генными явлениями. Механизм распределения изотопов углерода
настолько тонок и неповторим, что в составе любого организма
могут наблюдаться различные смеси изотопов углерода в разных
его органах, которые не могут быть искажены посторонними про¬
цессами.
82
среднее содержа¬
ние углерода в ор¬
ганических
объектах
Мумие
Органическое
нещество породы
У глеводородные
газы
Нефти
Угли
Тропические
растения
1*астения пустынь
Высокогорные
растения
Растения
умеренного пояса
Морские растения
Пресноводные
растения
Морские животные
Сухопутные
животные
Нефтяные
пластовые воды
Пластовые воды
газовых
месторождений
4 52 736
О СОССО
8 1
О О
9
О
-105!
-10
-20
-30
-40
Рис. 4.2. Изотопный состав углерода ряда органических объектов земной
коры:
/ — атмосфера; 2 — биосфера; 3 — биосфера наземная; 4 — биосфера морская;
5 — гидросфера; 6 — подземные воды; 7 — осадочная геосфера; 8 — нефть; 9 —
природный газ (даны средние значения)
Кислород. В природе кислород представлен тремя изотопами:
'Ю — 99J59%, — 0,0371 %, — 0,2039%. Изотоп об¬
разует максимально устойчивую замкнутую ядерную систему (Z=
/V = 8). Согласно теории ядерного синтеза кислород возник в
результате гелиевого сгорания: + "^Не =
83
600
. 1000
s
s
i 1400
g 1800
s
ъ
£ 2200
2600 -
-35 -40 -45 -50
-55 -60
-65
8('^C),
Рис. 4.3. Зависимость изотопного состава углерода углеводородных газов
от глубины их залегания
Изучено отношение концентраций изотопов [‘*0]: [’*0], кото¬
рое в природных объектах изменяется на 10 % — от 1:475 до 1; 525.
При сравнении изотопного состава кислорода пользуются вели¬
чиной 8(‘*0), %о. За стандарт принято среднее соотношение
[ISq] . JI6QJ g океанической воде. Значение 10 % указывает, что газ
содержит на 1 %о больше изотопа '^О, чем стандарт.
Г. Юри в 1947 г. впервые указал, что вариации изотопного со¬
става кислорода в земных объектах (горных породах, воде) опре¬
деляются в первую очередь температурой, при которой протекает
тот или иной процесс, а следовательно могут быть использованы
в качестве геологического термометра. Распределение изотопов
кислорода между кислородсодержащими компонентами системы
характеризуется константой равновесия (К), которая находится в
обратной зависимости от температуры.
Так, например, известно, что реакция, приводящая к утяжеле¬
нию углекислого газа (росту отношения ['*0]: [’^О]), при темпе¬
ратуре 25 °С определяется константой К= 1,0407;
С'Юг + Нз'Ю С'Юг н- Нг'Ю
Чем ниже температура, тем интенсивнее будет фракциониро¬
вание, и наоборот, чем выше температура, тем меньше различие в
изотопном составе продуктов реакции. При очень высоких тем¬
пературах фракционирование настолько незначительно, что не
фиксируется современными методами изотопного анализа.
В настоящее время допускается, что минерал, образовавшийся
при некоторой температуре, является закрытой системой и не
84
обменивает изотопы до того момента, пока не утратит свойствен¬
ную ему кристаллическую структуру.
Это послужило теоретическим фундаментом для палеотермо¬
метрии, основанной на том, что, полагая неизменным изотопный
состав кислорода океана за последние 500 млн лет, значение 5(*^0)
и карбонатах скелетов различных моллюсков рассматривалось как
(|)ункция температуры древнего моря, в котором происходил их
рост.
Таким образом была рассчитана, например, температура мело-
ного моря Русской платформы, которое имело среднюю годовую
температуру 14—18°С.
Были также проведены послойные определения температуры
МО величине 6(^^0) в рострах белемнитов, свидетельствовавших о
ЮМ, что начало их жизни относилось к летним месяцам с темпе¬
ратурой около 28 °С, а в дальнейшем, по мере роста организма,
белемниты переселялись на большие глубины, где годовые темпе¬
ратуры колебались от 14 до 18 °С.
Г. Юри вычислил константы равновесия реакций изотопно¬
го обмена в зависимости от температуры для различных пар
соединений. При этом было установлено, что распределение
изотопов между минералами может происходить при темпера¬
туре менее 1 200—1 300°С. Методы кислородной геотермомет¬
рии дают хорошие результаты, если установлена пара, в кото¬
рой происходил изотопный обмен, что, к сожалению, известно
далеко не всегда.
На рис. 4.4* показано распределение изотопов кислорода меж¬
ду различными земными объектами. Максимальны различия зна¬
чений 8(*^0) между атмосферной влагой и осадочными породами.
Это показывает, что фракционирование изотопов наиболее ин-
генсивно идет в поверхностных условиях. С повышением темпе¬
ратуры эффект изотопного обмена нивелируется.
Ультраосновные породы характеризуются изотопным составом
кислорода, близким к метеоритному. Граниты повторяют изотоп¬
но-кислородные соотношения метаморфических пород, которые
в свою очередь наследуют эти характеристики материнских оса¬
дочных пород.
Эти отношения подтверждают вывод В. И. Вернадского, отме¬
рившего задолго до появления изотопного анализа, что граниты
несут следы «былых биосфер».
Сера. В природе сера представлена четырьмя изотопами —
95,1 %, 3^8 - 0,47%, 3^8 - 4,2%, ^^8 - 0,02%.
Сдвиги отношений между ними могут быть выражены через
8(^"^8), которое будет иметь знак «плюс» в случае возрастания от¬
ношения [^"^8]: [^^8] по сравнению с принимаемым началом коор-
* См.: Тугаринов А. И. Общая геохимия. — М.: Атомиздат, 1978.
85
Осадочные породы
12
20
28
36 5(^^0),
Атмосферная вода
Вода океана
Вода вулкана Парикутин
Метеориты
Ультраосновные породы
Щелочные породы
Граниты
Метаморфические породы
Рис. 4.4. Распределение изотопов кислорода между различными земны¬
ми объектами
динат и знак «минус» — при его убывании (рис. 4.5*). За нулевой
отсчет принимают соотношение изотопов в троилите метеорита
Каньон Диаболо. Близкие значения обнаруживаются в сере кол¬
чеданных месторождений Урала и породах основного состава.
Исследование различных реакций окисления и восстановле¬
ния серы позволило сделать вывод, что каждая из них может вы¬
зывать определенный изотопный обмен, выражающийся в изо¬
топном сдвиге. При этом с повышением температуры этот эф¬
фект снижается и при 1 000 °С исчезает совсем.
Очень распространенные в природе процессы восстановле¬
ния сульфата при воздействии на него органического вещества
привели к четкому разделению серы земной коры на две группы:
1) сера биогенных сульфидов и газов, обогащенная изотопом
2) сера сульфатов, содержащая максимальное количество
Наибольшее отклонение в положительную сторону дают океа¬
нические осадки 6(^'^S) = +20 %о, что связано с активной бактери¬
альной восстановительной деятельностью. Осадочные песчаники,
сланцы, известняки, не содержащие органических веществ, дают
отклонение в противоположную сторону 8(^^S) = -10...-14 %о. Ге-
См.: Тугаринов А. И. Общая геохимия. — М.: Атомиздат, 1978.
86
иеральная выборка по осадочным месторождениям дает два мак¬
симума в области положительных и отрицательных значений 5(^'^S).
Особый интерес геохимия изотопов серы вызывает при реше¬
нии вопросов генезиса рудных месторождений. Наблюдающееся
здесь раздвоение изотопных отношений серы (см. рис. 4.5), по
мнению А. И.Тугаринова, объясняется тем, за счет какой серы
(тяжелой или легкой) происходит образование сульфидных мине¬
ралов в разных группах месторождений. Здесь необходим специ¬
альный анализ конкретных ситуаций с учетом истории геологи¬
ческого развития данной территории.
Радиоактивные изотопы. К радиоактивным изотопам отно¬
сятся элементы, для которых наблюдается непрерывное умень¬
шение или увеличение числа атомов в результате процессов ра¬
диоактивного распада. К ним относятся атомы калия, рубидия,
тория, урана. Расшифровка этих явлений на основании анализа
возникающей изотопной смеси — одна из задач изотопной гео¬
химии.
Радиоактивные изотопы не только распадаются сами, и, сле¬
довательно, их содержание в геологических телах не остается по¬
стоянным, уменьшается во времени, но и порождают ядра но¬
вых (дочерних) элементов, количество которых во времени рас¬
тет. В закрытой системе все они остаются в одном теле, и их
соотношение, учитывая постоянство скорости распада, позволяет
надежно рассчитать время образования данного геологического
гела (время закрытия системы). На этом основаны методы опре¬
деления радиологического возраста, называемого часто абсолют-
+ 20 +16
+ 12
I
+ 8
I
+ 4
Осадки; песчаники, сланцы, известняки
Колчеданные месторождения (Урал)
Осадочные месторождения
-8 5(^'‘S),
Океан, океанические осадки
Эвапориты
Вода
Атмосфера
Метеориты (троилит)
Основные породы
граниты
Рис. 4.5. Распределение изотойов серы между земными объектами
87
ным, что не точно. В данной системе за нуль принимают текущий
момент.
4.2. Принципы методов радиогенного определения
возраста геологичес1шх объектов
В геохимии в настоящее время для определения геологическо¬
го возраста используют следующие пары материнских и дочерних
элементов:
На основании законов радиоактивного распада можно напи¬
сать соотношение между числом атомов материнского нуклида
{М) и образующегося из него дочернего изотопа (/)):
D = Л/(е^' - 1).
Это уравнение является основным для исчисления радиоген¬
ных нуклидов по константе распада X за время /. Если известны
количества материнского и дочернего нуклидов и константа рас¬
пада, то можно вычислить время, за которое накопились эти до¬
черние продукты.
Для этого необходимо выполнение двух основных условий.
1. Минерал в течение всей своей истории должен быть закры¬
той системой для дочерних и материнских нуклидов, в нем не
должно происходить ни выноса, ни привноса ни дочерних, ни
материнских атомов.
2. В момент кристаллизации минерал не должен содержать ато¬
мы дочернего нуклида, т. е. все обнаруженные в нем атомы дочер¬
него нуклида образовались в результате распада атомов данного
материнского нуклида и являются радиогенными.
Обычно природные минералы далеко не всегда соответствуют
первому условию. Дочерние атомы входят в минерал в виде при¬
месей, так как за небольшим исключением (система Nd —Sm),
отличаются по химическим и кристаллохимическим свойствам от
материнских атомов. Кроме того, дочерние атомы могут смещаться
с первоначальной позиции материнского атома в решетке мине¬
рала вследствие радиоактивной отдачи или спонтанного деления.
Нарушение кристаллической решетки повышает возможность «от¬
крытия» системы в те или иные эпохи существования минерала.
Это предъявляет жесткие требования к используемому геологи¬
ческому материалу.
Второе условие, как правило, не выполняется. Минерал в мо¬
мент кристаллизации всегда может захватить то или иное количе¬
ство дочерних атомов, присутствовавших в первичном субстрате.
Число таких захваченных при кристаллизации атомов обозна¬
чают Dq. Изотопный состав «обычного» дочернего элемента рань¬
ше определяити по какому-либо его собственному минералу, пара¬
88
генетически связанному с минералом, по которому проводят
геохронологический анализ. Например, для систем U —РЬ или
Th —РЬ обыкновенный свинец определяли по галениту. Однако
опасность возможной кристаллизации этих минералов из субстра¬
тов с неодинаковым изотопным составом свинца не исключает
ошибку, вносимую таким способом определения.
В настоящее время широко используют более надежный метод
изохрон. Изохроной называют прямую линию, проведенную по
гочкам изотопных составов одновозрастных минералов, отлича¬
ющихся по содержанию материнского элемента М, В координа¬
тах Dx/D2 и M/Z>2 они ложатся на прямую линию, пересекающую
ось ординат в точке, соответствующей составу захваченного при
кристаллизации дочернего элемента D (рис. 4.6). Угол наклона
прямой а будет функцией возраста минералов: tga = е^^ - 1.
Таким образом, метод изохрон позволяет по нескольким син-
1енетичным образцам определить возраст геологического тела и
начальное изотопное отношение дочернего элемента в субстрате.
Если образцы имеют неодинаковый возраст, точки их изотопных
составов не ложатся на одну прямую.
Отношение (T>i/T>2)o называют начальным отношением. Оно
представляет большой интерес, так как позволяет получить ин-
(|)ормацию о геохимической истории источника, из которого сфор¬
мировалось исследуемое геологическое тело. Эти величины ши¬
роко используют в изотопной геохимии при исследовании гене¬
рической принадлежности изверженных веществ. С этой целью
составляют изотопную систематику — распределение начального
изотопного отношения в зависимости от генезиса источника по¬
род. Чаще удается построить глобальную изотопную систематику,
позволяющую различать принадлежность источника к основным
резервуарам Земли: континентальной коре, океанической коре,
истощенной и неистощенной мантии, а также уловить контами¬
нацию веществом других резервуаров или их смешение.
Рис. 4.6. Изохрона
89
Интервал времени, для которого применим тот или иной ме¬
тод радиогенных изотопов, определяется следующими фактора¬
ми: нижняя граница интервала обусловлена точностью определе¬
ния минимального количества радиогенного изотопа, верхняя за¬
висит от возможной потери используемых элементов в процессе
раннего метаморфизма и при отсутствии потерь равна возрасту
Земли.
В процессах миграции материнские и дочерние элементы мо¬
гут разделяться и иметь свои миграционные пути. В этих случаях
они оставляют «следы», по которым могут быть восстановлены
пути их миграции. Если же группы радиоактивных и дочерних
элементов мигрируют совместно и в тех же самых пропорциях
переходят из одного геологического тела (минерала, породы) в
другое тело, их соотношение будет характеризовать не возраст
нового тела-хозяина, а возраст момента, когда для них система
закрылась, т.е. возраст первого тела. Это два крайних случая.
В реальных геологических условиях часто наблюдаются проме¬
жуточные варианты, и различить долю каждого из них достаточно
трудно.
4.3. Радиогенные изотопы
В планетарном масштабе наиболее сушественный количествен¬
ный эффект связан с накоплением изотопов гелия, аргона и свинца.
Гелий. В природе гелий встречается в виде двух стабильных
изотопов ^Не, '‘Не. Их содержание непостоянно, поскольку оба
изотопа образуются в результате радиохимических реакций и дис-
сипируют в космическое пространство. Расчеты В.Г.Хлопина по¬
казали, что количество присутствующего в атмосфере гелия мог¬
ло накопиться за 1 млрд лет. То что накопилось сверх этого за
более длительную историю Земли, диссипировало в мировое про¬
странство (гелиевое дыхание Земли).
Изотоп ^Не постоянно образуется под действием космической
радиации. При альфа-распаде радиоактивных элементов образу¬
ется, накапливается изотоп '‘Не и непрерывно поступает в атмо-
Таблица 4.1
Изотопный состав гелия и аргона в различных резервуарах Земли
Резервуар
[Ше]/[‘'Не]
[40Аг]/[36Аг]
Атмосфера
1,39 - 10-4
295,6
Земная кора
2 - 10-*
10^
Первичная Земля
2,4-10-'
-10-4
90
I фору Земли из пород, почв, газовых струй, термальных источни¬
ке )и и вулканов, а затем улетучивается в мировое пространство как
наиболее легкий, после водорода, газ. Соотношение концентра¬
ций двух изотопов гелия меняется как между геологическими ре-
еервуарами, так и во времени (табл. 4.1).
Аргон. Элемент аргон имеет три изотопа: ^^Аг, ^^Аг. В со¬
ставе атмосферного аргона преобладает изотоп "^^Аг, образующий¬
ся при распаде Этот газ существенно тяжелее гелия и уже не
покидает атмосферу, а сохраняется в ней, занимая третье место
мосле азота и кислорода (0,93 %).
На радиоактивном превращении -> "^^Аг основан калий-
аргоновый метод возрастного датирования. Он применяется, как
правило, к калиевым минералам, в первую очередь к биотитам,
мусковитам, калиевым полевым шпатам. Запуск «калий-аргоно-
иых часов» происходит лишь после того, как температура породы
опустится ниже 300 °С, причем каждый минерал обладает опреде¬
ленной способностью к удержанию накопленного радиогенного
аргона при повторном термальном воздействии на породу. При
наличии такого повторного прогрева породы калий-аргоновый
метод дает не возраст гранита, а время этого наложенного про¬
цесса.
Надежность данного метода в значительной степени зависит
от возможности потери газовой составляющей после образования
минералов и определения доли аргона, захваченного при кри¬
сталлизации минерала.
Наибольшие потери аргона происходят при контактовом мета¬
морфизме около более молодых, чем вмещающие толщи, интру¬
зий. Максимальные потери наблюдаются в полевых шпатах, мень¬
шие в слюдах, наилучшая сохранность в амфиболах. В случае по-
гери радиогенного аргона полученный возраст будет моложе ис¬
тинного.
Если минерал содержит избыточный первичный аргон, захва¬
ченный при его кристаллизации, вычисленный возраст будет древ¬
нее истинного. Учесть загрязнение образца первичным аргоном
позволяет метод изохрон (см. рис. 4.6).
Калий-аргоновый метод широко применяется для датировки
осадочных пород по аутигенным минералам (глауконитам).
Свинец. Имеет четыре изотопа ^®^РЬ, ^®^РЬ. Первый
из них не радиогенный, а потому сохраняющий свое содержание,
но не распределение, в земной коре. Три остальные представляют
собой конечные члены рядов радиоактивного распада
с периодами распада 4,5, 0,7 и 14 млрд лет соответственно.
На рис. 4.7 приведены вариации изотопного состава свинца как
функции времени. Значения для радиогенных изотопов свинца
нормированы по стабильному изотопу Кривые показывают
накопление разных изотопов свинца во времени.
91
Большое петрогенетическое значение для понимания генезисп
горных пород имеет первичное отношение изотопов неодима,
стронция, гафния, получаемое при изохронном датировании по¬
род в целом методами Sm —Nd, Rb —Sr, Lu —Hf.
Очень часто по разным парам элементов получают разные зна¬
чения радиогенного возраста. В большинстве случаев это не инс1-
рументальные ошибки, на что нередко пытаются списать получа¬
ющиеся расхождения, а неправильная интерпретация получаемых
аналитических величин. В любом случае между данными, полу¬
ченными при масс-спектральном анализе, и значениями возрас¬
та, полученными по этим данным, лежит модель, по которой про¬
водится расчет. Часто именно здесь кроются ошибки или недо¬
учет реальных природных условий, в которых протекала геологи¬
ческая история данной системы.
В то же время именно такие расхождения в совокупности с
детальным анализом структурно-вещественных особенностей кон¬
кретного участка земной коры позволяют раскрыть детали его гео¬
логической истории. Так, в гранитах садонского типа (Северный
Кавказ) интенсивно проявились процессы калиевого метасомато¬
за, затронувшие главным образом полевошпатовую часть породы
и преобразовавшие исходные диориты и кварцевые диориты в
микроклиновые граниты. Для садонских гранитов возраст микро-
клинов, определенный Г. Д. Афанасьевым с сотрудниками калий-
аргоновым методом, составляет 150 млн лет, в то время как воз¬
раст акцессорных цирконов по всем изотопным отношениям со¬
ставляет 390 млн лет. Вмещающие граниты толщи буронских гней¬
сов по изотопным отношениям [U]/[Pb] в цирконах датируют воз¬
раст 500 млн лет, такой же возраст имеют слюды по данным ка-
лий-аргонового метода. По-видимому, граниты возникли в верх¬
нем палеозое при анатектическом плавлении верхнепротерозой¬
ских осадков терригенного происхождения. Впоследствии в конце
юрского времени они испытали воздействие интенсивного ка¬
лиевого метасоматоза, о чем говорит наличие наряду с реликта¬
ми старых полевых шпатов новообразований санидина, дающего
возраст 150 млн лет. Цирконы гранитов имеют зональное внут¬
реннее строение, содержат внутренние ядра с иными оптичес¬
кими свойствами и иными содержаниями урана. Их внешние
зоны имеют по всем изотопным отношениям возраст около
240 млн лет, а центральные ядра сохраняют память более древ¬
них гнейсов.
Таким образом, изотопные отношения хранят память обо всех
прошедших событиях: накопление протерозойских осадочных
толщ, их кембрийский метаморфизм 500 млн лет, формирова¬
ние верхнепалеозойских гранитов 240 млн лет (усреднение дает
390 млн лет) и их интенсивный калиевый метасоматоз в мезозой¬
ское время — 150 млн лет.
94
Ксенон — самый редкий химический элемент Земли, имеет
9 изотопов. Ю.А.Шуколюков предложил новый ксеноновый спо¬
соб определения возраста с помощью не серии, а одного минера¬
ла путем исследования газов, выделяющихся при его ступенчатом
отжиге.
В недрах Земли происходит самопроизвольное деление ядер
изотопа урана Среди продуктов его распада радиогенные
изотопы ксенона. Мерой геологического времени могло бы слу¬
жить соотношение концентраций в минерале радиоактивного ма¬
теринского изотопа и образующихся из него радиогенных
изотопов ксенона. Его концентрация в минералах пренебрежимо
мала по сравнению с концентрацией радиогенного ксенона, по¬
этому не возникает проблемы захваченного при кристаллизации
минералов ксенона.
Ксенон принадлежит группе благородных газов и в природе
необычайно инертен. Следовательно, при наложении на минера¬
лы вторичных изменений инертные атомы радиогенного ксенона
должны оставаться на своих местах, не участвуя ни в каких хими¬
ческих процессах, в отличие от радиогенных свинца, стронция
или неодима, атомы которых нередко вступают в химические ре¬
акции и мигрируют из минералов. У ксенона есть и еще важное
преимущество — его атомы сравнительно крупные, поэтому их
миграция сквозь кристаллическую структуру минералов происхо¬
дит гораздо медленнее, чем передвижение атомов радиогенного
свинца, стронция или неодима. Однако в минералах образуется
очень мало ксенона, и для его выделения применяют высоковаку¬
умные установки и специальную систему очистки от других газов,
выделяющихся в значительно больших количествах.
Для определения возраста минерала его облучают нейтронами
и ядерном реакторе. При этом к ксенону спонтанного деления
(Xes), который уже накопился в минерале за геологическое время t,
добавится ксенон от деления под действием нейтронов (Хеп)
g3,o
а
^2,0
н
о
Он
SbO
PQ
о 500 1000 1500
Температура, °С
1*ис. 4.9. Определение возраста минералов по плато с помощью ксенон-
уранового изотопного геохронометра
95
с иным изотопным составом. Концентрация того и другого зави
сит от концентрации их материнских изотопов и а так
же от потока нейтронов в реакторе. Выделение ксенона прово
дится методом ступенчатого нагрева. При низкой температуре га i
выделяется только из нарушенных участков кристаллической струк¬
туры минерала. В самом высокотемпературном диапазоне ксенон
вьщеляется из доброкачественных, ненарушенных участков крис¬
талла, образуя вместо ступеней плато, даюшее возраст образова¬
ния минерала (рис. 4.9).
4.4. Методы неравновесного изотопного датирования
Распад радиоактивных элементов происходит ступенчато. Меж¬
ду долгоживущими радиоактивными изотопами и
конечными продуктами их распада существует большое количе¬
ство относительно короткоживуших продуктов распада. Ряды рас¬
пада были открыты супругами Кюри. В то время еще не было
известно явление изотопии, и каждый новый открытый изотоп
считался самостоятельным элементом, которому давалось свое
название. Лишь после того как Ф.Содци ввел понятие изотопии,
обнаружилось, что вновь открытые радиоактивные продукты яв¬
ляются изотопами уже известных элементов.
Иониевым методом определения возраста геологических тел
называется метод, использующий нарушение радиоактивного рав¬
новесия между изотопом и его непосредственным продуктом
распада или ионием (1о). Изотоп имеет период полу¬
распада 75 тыс. лет, поэтому верхний предел метода не превыша¬
ет 500 тыс. лет. Нижний предел определяется аналитическими
возможностями и обычно составляет около 10 тыс. лет. Интервал
времени от 10"* до 5 • 10^ лет лежит между максимально возмож¬
ным возрастом, определяемым по изотопу (40 тыс. лет) и ми¬
нимальным калий-аргоновым датированием (0,5 млн лет). Это по¬
казывает место данного метода в обшей геохронологической шкале.
4,5. Космогенные радионуклиды — трассеры
природных процессов
Космогенные радионуклиды составляют ничтожную долю в
общей сумме радионуклидов Земли. Все они сравнительно ко-
роткоживущие и присутствуют в земном веществе лишь благо¬
даря постоянно идушим ядерным реакциям, вызываемым кос¬
мическим облучением нашей планеты. Большинство из них об¬
разуется в атмосфере и затем обменивается с другими резерву¬
арами.
96
в океанических осадках аккумулируется основная часть изотопов
'“Вс, ^^А1, ^^Si. В водных резервуарах сосредоточивается основная
/10ЛЯ изотопов и Отсюда они поглощаются живым веще-
(пюм, вступая в биогеохимический цикл до своего распада. С мо¬
мента прекращения обмена с атмосферным резервуаром количество
I потопа меняется строго в соответствии с константой распада.
Если обозначить концентрацию космогенного изотопа в при¬
родной системе при полном обмене с атмосферой Nq, а его кон¬
центрацию в образце в данный момент — A^i, то время, прошед¬
шее между ними, может быть рассчитано по уравнению
7’ = -1п^.
X Л^1
Перечислим основные условия применения космогенных ра¬
дионуклидов для определения временных характеристик геологи¬
ческих процессов.
1. Интенсивность космического излучения и, как следствие,
концентрация радионуклида должны оставаться практически по-
с гоянными в течение интервала времени, охватываемого соответ-
сгвующим методом.
2. Время обмена радионуклида между атмосферными земными
резервуарами должно быть постоянно и значительно меньше его
периода полураспада.
3. С момента выхода из равновесного обменного цикла изо-
гопный состав образца должен изменяться только в результате
радиоактивного распада, т.е. система должна быть закрыта отно¬
сительно исследуемого радионуклида.
При выборе радионуклида в качестве трассера необходимо учи-
гывать, чтобы его период полураспада был соизмерим с временной
шкалой обмена исследуемого процесса. Например, среднее время
кругооборота глубинных зон океанической воды порядка 1 000 лет.
Следовательно, для изучения циркуляции воды в океане мы дол¬
жны использовать изотоп (T'i/2 = 5 730 лет). Однако мы не
можем использовать изотоп (300 000 лет), так как он слиш¬
ком долгоживущий, и изотоп ^Н, так как он слишком короткожи-
иущий по сравнению с процессами циркуляции.
Необходимо также учитывать химические соединения, в соста¬
ве которых поступает космогенный радионуклид. Например, изо¬
топы ^Н, ^^С1, находятся в морской воде в растворенном со¬
стоянии (^Н^НО, ^^С1, и др.). Именно эти радионуклиды
могут служить трассерами воды либо выпадающих из нее солей
(карбонатов, хлоридов). Изотопы ^^Si, ^®Ве поступают с аэрозоль¬
ными частицами и входят в состав взвеси, нерастворимой в мор¬
ской воде, поэтому они более удобны в качестве трассеров накоп¬
ления глубоководных осадков.
97
Области применения космогенных радионуклидов достаточ
но разнообразны. Наибольшее распространение эти методы по
лучили в геохимических, археологических и экологических ис
следованиях. В последнем направлении после появления техно¬
генных радиоизотопов значительно расширился спектр радио¬
генных изотопов, маркирующих процессы их миграции, рассея
ния и концентрации. В сферу изучения вошли изотопы ^®Sr,
1211, ^®Со и др.
Изотоп углерода Чрезвычайно мало распространенный изо¬
топ (период полураспада 5 730 лет, равновесное количество на
Земле 7,5 • 10^ т) образуется в результате космического облучения
преимущественно в верхних слоях атмосферы. Поглощение био¬
сферой происходит в процессах фотосинтеза. Среднее содержа¬
ние космогенного в обменном углероде биосферы равно
1,07 • удельная активность составляет 13— 17 распадов и
1 мин на 1 г углерода. После прекращения углеродного обмена
поглощенное количество радиогенного углерода начинает умень¬
шаться. Примерно через 60 тыс. лет остается около 0,1 % его
первоначального количества. Это определяет верхний предел воз¬
можности радиоуглеродного датирования, который не превышаег
60 тыс. лет. Практически предел возможного использования ме¬
тода ограничивается пятикратным значением периода полураспа¬
да. Для углерода это 30 тыс. лет.
Радиоуглеродный метод широко применяется в геологии, гид¬
рогеологии, океанологии, археологии для датирования событий
позднечетвертичного времени.
Приведем отдельные примеры его использования.
1. Изучение изотопного состава донных илов Черного моря в
согласии с геологическими и биологическими наблюдениями по¬
казало, что сероводородное заражение моря началось после того,
как произошел прорыв морских вод из Босфора. В воде, богатой
сульфатами, при отсутствии достаточного вертикального переме¬
шивания развился процесс биогенной редукции сульфатов. Вре¬
мя возникновения сероводородного заражения оказалось около
7 500 —8 000 лет назад, причем длительность процесса составляла
около сотни лет.
2. Определение возраста подземных вод. В поверхностной зоне
вода имеет постоянную равновесную концентрацию которая
убывает по закону радиоактивного распада по мере удаления воды
от земной поверхности. Возможно использование отношения ста¬
бильных изотопов углерода [^^С]/[^^С], чтобы следить за измене¬
нием карбонатной системы в воде и вносить поправку на обмен
между карбонатами водного раствора и карбонатами водовмеща¬
ющих пород.
3. Определение возраста почв проводят по изотопу поч¬
венного гумуса. Так, возраст гумуса подзолистых почв на глуби-
98
КС 70 — 80 см составляет 2,5 тыс. лет. Формирование черноземов
Г1ИС более длительно и для мощности 90—100 см составляет 5,0 —
^,5 тыс. лет.
4. Датирование морских террас. Так, последние трансгрес-
I II и Каспийского моря проходили в интервале времени: XXIV—
ЧХП вв. до Н.Э., X—IX вв. до н.э., IX —XI вв. н.э. При этом
уровень моря повышался на 20 — 40 м.
Тритий. Тритиевый метод использует радиоактивный распад
|рития, непрерывно образующегося в верхних слоях атмосферы и
попадающего на землю с атмосферными осадками в форме 'Н^НО.
11сриод полураепада трития 12,3 года. Поэтому метод нашел при¬
менение при изучении и датировании молодых природных вод,
епязанных с атмосферными осадками, возраст которых не превы¬
шает 60 — 70 лет.
Источником трития является лишь атмосферная вода. Попа-
цая в воды зоны затрудненного водообмена, тритий постепенно
распадается и через 60 — 70 лет практически исчезает. Присут-
(• гвие в подземных водах трития однозначно говорит об их свя-
III с атмосферными водами. Считают, что лишь 3 — 5 % вторич¬
ных нейтронов, возникающих в атмосфере под действием кос¬
мического излучения, участвует в образовании трития. Скорость
образования космогенного трития примерно 30 атомов в 1 мин
II 1 см^. Доля природного трития в атмосферой воде крайне
низка и составляет примерно 10“'*. Поэтому концентрацию три¬
тия принято выражать в специальных «тритиевых» единицах
(1’Е).
До начала ядерных испытаний концентрация трития варьиро¬
вала в пределах 0,1 — 10,0 ТЕ, а общий запас на Земле составлял
1,3 • 10'* Бк*. Основная часть этого количества (~93 %) находится
в гидросфере и лишь 7 % — в атмосфере. Начиная с 1952 г., когда
стали проводить испытания термоядерного оружия, в атмосфере
появился антропогенный («бомбовый») тритий. Подавляющая его
доля образовалась за счет реакции ядерного синтеза.
До 1957 г. мощность термоядерных взрывов была невелика,
и они проходили на небольшой высоте. Поэтому весь «бомбовый»
тритий бьит сосредоточен в тропосфере и быстро переходил с осад¬
ками в океан. С 1958 г. начали проводиться высотные взрывы
мегатонной мощности, интенсивность которых достигла макси¬
мума в 1961 —1962 гг. Эти взрывы переместили большое количе¬
ство трития в стратосферный резервуар, где его запас достиг 200 кг
(общий запас космогенного трития равен 1,8 кг). Концентрация
'И в атмосферных осадках в этот период достигала 10 000 ТЕ в
отдельных пунктах Земли. В настоящее время значительная часть
* Беккерель (Бк) — единица активности радиоактивных изотопов (1 Бк соот-
истствует 1 распаду в секунду).
99
бомбового трития распалась и по оценкам на 1970-е гг. составля¬
ла в сумме 1,5 • 10^® Бк.
Тритиевый метод нашел применение при изучении различных
типов современных вод (океанических, континентальных, под
земных), а также для обнаружения связи древних вод с атмосфер
ными.
* * *
В последние годы геохимия изотопов бурно развивалась благо¬
даря обнаружению большого числа элементов (С1, Са, Se, Мо и
др.), обладающих несколькими изотопами, дающими вариации
распределения, в различных природных объектах. Расшифровка
условий такого разделения и особенностей их проявления в при¬
родных условиях — одна из задач геохимии.
Контрольные вопросы
1. Дайте характеристику изотопным равновесиям.
2. Какие атомы считают стабильными, радиоактивными, радиоген¬
ными?
3. О чем свидетельствует смещение соотношения стабильных изото¬
пов?
4. Охарактеризуйте метод кислородной термометрии?
5. Какие принципы лежат в основе методов радиогенного определе¬
ния возраста геологических объектов?
6. Какие методы изотопного датирования вы знаете?
7. Как используют радионуклиды в качестве трассеров природных
процессов?
Глава 5
СТРОЕНИЕ И СОСТАВ ЗЕМНЫХ ГЕОСФЕР
• июсферы — оболочки планеты Земля •Атмосфера — внешняя обо-
/ючка Земли, ее строение и состав*Атмосферные газы в гидросфе-
|)0 • Подземные атмосферы • Гидросфера • Объем воды гидросферы и
распределение по различным природным образованиям • Состав
природных водных растворов «Химия океана • Запасы пресных вод «Мик¬
рофлора природных вод «Литосфера и ее строение по геофизическим
дйнным « Земная кора океанического и континентального типа «Подходы
к определению химического состава глубинных частей земной коры
5.1. Геосферы Земли
В земной коре и ее окружении обычно различают оболочки —
(и)лее или менее правильные концентрические слои, охватыва¬
ющие всю планету, меняющиеся с глубиной в вертикальном
разрезе планеты и отличающиеся друг от друга характерными
/и1и каждой, только ей свойственными, особыми физически¬
ми, химическими и биологическими свойствами. Можно пред-
с гавить себе земную кору как совокупность таких концентри¬
ческих оболочек. В 1910 г. Д.Меррэй предложил называть их
^госферами.
Положение геосфер в вертикальном разрезе определенное,
но отделяющие их поверхности неровные и исторически меня¬
ющиеся в геологическом времени. Отдельные точки некоторых
1сосфер могут далеко заходить вверх и вниз от среднего уровня.
Орография суши является той сложной поверхностью, которая
огделяет литосферу от атмосферы. Поверхности ограничения
иругих геосфер столь же «неправильны», геометрически «слож¬
ны».
Все процессы, происходящие на планете, в конечном счете,
I иодятся к перераспределению вещества и энергии как внутри
огдельных геосфер, так и между ними. За время геологической
исгории Земли эти перемещения меняли состав и строение от¬
дельных оболочек. Поэтому данные, которые мы получаем, отно¬
ся гея к их современному состоянию.
Их состояние в прошлом мы последовательно восстанавлива¬
ем по тем следам, которые хранятся в «каменной летописи» Зем¬
ин, так же как археологи восстанавливают историю древних ци-
иилизаций, читая наскальные рисунки и письмена.
101
5.2. Атмосфера
Первым гениальным предвидением сложности и роли атмо
сферы были труды Леонардо да Винчи (1452—1519), утверждай
шего, что воздух состоит из нескольких частей. Современники но
приняли его взглядов, забытых на долгие годы. На протзгжении
всего XVIII в. наукой владела теория флогистона — мифического
газа с «отрицательным весом». Величайшим сдвигом в познании
окружающего нас мира явились труды Антуана Лавуазье (1755 —
1780), обнаружившего в составе воздуха два различных газа: инерт¬
ный азот и поддерживающий горение кислород.
В самом конце XIX в. У. Рамзей обнаружил в атмосфере новые
инертные газы: гелий, неон, криптон и ксенон.
Масса современной атмосферы составляет около 5,17 * 10^^ г
(80 % ее приходится на тропосферу). В состав атмосферы (за вы¬
четом паров воды) входят: азот 75,5%, кислород 23,01 %, аргон
1,28%, углекислый газ 0,04%, неон 0,0012%, криптон 0,0003%,
гелий 0,00007 %, ксенон 0,00004 %.
По характеру изменения температуры в зависимости от высо¬
ты атмосферу разделяют на несколько слоев — сфер.
1. Тропосфера располагается на высоте до 10 км над полюсами
и до 18 км на экваторах (в результате центробежных сил). В тропо¬
сфере сосредоточена большая часть всей массы атмосферы. По¬
чти вся масса воды находится в тропосфере, которая является об¬
ластью активного взаимодействия газовой оболочки с земной ко¬
рой.
2. Стратосфера простирается до высоты 70 — 80 км. На высо¬
те около 25 — 30 км находится озоновый пояс. Озон образуется в
результате фотодиссоциации молекул воды и углекислого газа,
подвергающихся воздействию солнечной радиации. Несмотря на
то что количество озона весьма незначительно (мощность всего
озона при давлении 1 атм не превышала бы 1 см), его роль в
качестве экрана весьма существенна для всего живого. Он погло¬
щает 97 % ультрафиолетовой части солнечной радиации, губитель¬
но действующей на живые организмы. В озоновой области на¬
блюдается локальное повышение температуры до 0 — 10°С, а за¬
тем снижение до -80 °С на границе с ионосферой.
3. Ионосфера содержит весьма рассеянные нейтральные моле¬
кулы и ионизированные частицы, движущиеся с огромной скоро¬
стью; на высоте 1 000 км температура частиц составляет тысячи
градусов. Однако это температура отдельных частиц, а не всей
ионосферы, в которой из-за высокой разреженности газа обыч¬
ное для нас понимание температуры приближается к абсолютно¬
му нулю.
Строение атмосферы показано на рис. 5.1, а изменение физи¬
ческих характеристик в зависимости от высоты в табл. 5.1.
102
Н, км
Теплый
слой
страто¬
сферы
Озоновый
экран
Температура, °С
Рис. 5.1. Схема строения атмосферы
Голубой цвет неба — результат рассеивания молекулами воды
лучей с короткой длиной волны, т.е. фиолетовых, синих и голу-
Г)ых. Лучистая энергия Солнца — источник тепла для земной по-
исрхности.
Атмосфера перераспределяет тепло, без атмосферы у поверх¬
ности Земли днем было бы более -hlOO °С, ночью -100 °С, колеба¬
ние составило бы 200 °С. Средняя температура атмосферы у по-
исрхности Земли составляет около +15 °С. Максимальная зафик¬
сированная температура воздуха +58 °С (октябрь 1922 г. Триполи),
минимальная -88,3 °С (август 1960 г. Антарктида, станция Вос¬
ток).
На высоте более 100 км от земной поверхности в составе ионо-
с(|)сры доминируют водород и гелий. При этом количество гелия
и земной атмосфере оказывается ниже, чем можно было бы пред-
103
Таблица 5.1
Изменение физических характеристик атмосферы в зависимости
от высоты
Высота, км
Температура,
°С
Давление,
мм рт. ст.
Масса образца
объемом 1 л, г
Число
молекул в 1 л
образца
20
760
1,225
250-1020
-12,5
407
0,736
153-1020
10
-45
218
0,414
86-1020
12
-60
170
0,377
77-1020
20
-53
62,4
0,089
19-1020
30
-38
17,9
0,018
4-1020
40
-18
5,1
0,004
0,80-1020
50
-20
1,5
0,001
0,22-1020
60
-26
0,42
0,0009
0,06-1020
80
-87
0,03
полагать, принимая во внимание его радиогенное происхожде¬
ние. Расчеты показывают, что из-за малой молекулярной массы и
значительных скоростей, развиваемых атомами гелия, в сильно
разреженном пространстве в ионосфере происходит его диссипа¬
ция — удаление из сферы притяжения Земли.
По-видимому, то же самое следует сказать по поводу редких
газов в атмосфере. Их дефицит подтверждает предположение о
том, что на ранней стадии своего существования Земля не могла
удержать первичную газовую оболочку, поэтому современная ат¬
мосфера Земли является вторичным образованием.
Ионосфера — зона газовой оболочки Земли, где особенно ак¬
тивно протекают ядерные процессы, определяющие попадание на
Землю радиоактивных короткоживущих изотопов, образовавших¬
ся в результате соударения атомов земного происхождения с про¬
тонами, движущимися с большими скоростями и проникающими
в ионосферу в качестве солнечного ветра.
При соударении нейтрона с атомом возникает атом и
протон:
Возникший изотоп имеет период полураспада 5 730 лет.
Это значит, что в закрытой системе (дополнительные источники
изотопа отсутствуют) по прошествии времени, равного деся¬
тикратному периоду полураспада, никаких следов в ней обна-
104
ружить не удастся. Иначе говоря, если бы с момента изоляции
III кой системы от внешнего источника можно было система-
1ИЧССКИ по прошествии определенных отрезков времени изме¬
рь ь содержание атомов еще не успевших распасться, то была
Пи получена характерная кривая его «вымирания». Однако по та¬
кой кривой можно решать и обратную задачу, зная количество
^хранившегося — измерять ее возраст.
Но что же происходит с изотопом после его образования в
шмосфере? По-видимому, значительная часть его, соединяясь с
кислородом, образует молекулы углекислого газа и вступает в свой-
гтенный ему геохимический цикл, который будет подробно рас¬
смотрен далее. Одним из возможных этапов этого цикла является
участие углекислого газа в фотосинтезе — поглощении углерода
растительностью и осаждение в виде карбонатных осадков в мор¬
ских бассейнах.
При отмирании растений и организмов, употребляющих рас-
1СПИЯ в пищу, и осаждении карбонатов обмен углеродом этих
объектов с атмосферой прекращается и в них больше не по-
I* гупает. Значит, каждый из таких объектов становится подобием
ранее рассмотренной нами системы, в которой будет происходить
односторонне направленное «вымирание» изотопа На измере¬
нии его концентраций в погребенных остатках животных и расти¬
тельных организмов и карбонатах основан известный метод изме¬
рения возраста молодых отложений. Этот метод позволил сделать
важные открытия в плейстоценовой геологии и археологии.
На основании подобных измерений и сопоставлений с пыль¬
цевой флорой удалось установить синхронность оледенений и
потеплений климата в разных континентах, измерить возраст реч¬
ных террас и древних стоянок человека и т.д.
Тщательное измерение возраста годичных колец древних сек¬
вой и королевских сосен в США, датируемых 800— 1 000 лет, по¬
казало, что допущение о постоянстве процесса образования ато¬
мов в ионосфере, о неизменной его интенсивности не очень
обоснованно. Измерения концентрации в тщательно датиро¬
ванных независимым методом объектах (годичных кольцах) ука-
liuiH на существование флуктуаций, совпадающих с периодично-
сгью, свойственной активности Солнца. Эти незначительные ис¬
кажения, вызываемые, по-видимому, варьирующей интенсивно-
с I ью солнечного ветра, не внесли серьезных погрешностей в гео¬
хронологические даты, но доказали существенную роль Солнца в
(|юрмировании химического состава планеты (рис. 5.2*). В то же
время обобщающая кривая вариации концентрации ^'^С в древе¬
сине повторяет ход кривой годичного изменения активности Солн-
1%5.
См.: Лаврухина Л. К., Колесов Г.М. Изотопы во Вселенной. — М.: Атомиздат,
105
1904
1906
1908
1910 1912
Годы
б
1914
1916
Рис. 5.2. Влияние активности Солнца на компоненты атмосферы:
а — изменение концентрации б — ежегодное изменение интенсивности т|
пятен на Солнце
ца. Это еще раз подчеркивает связь нашей планеты с телами Кос¬
моса.
Аналогична судьба трития ^Н, образующегося при другой ядер-
ной реакции в результате соударений быстрых нейтронов с ана¬
логичным, как и в первом случае, изотопом азота:
14N + лг = 12с +
Период полураспада трития 12,3 лет, так как в результате |3-рас-
пада тритий превращается в Не^:
= р + ^Не
Следовательно, тритий подобно I'^C может быть использован
для измерения возраста таких объектов, как облака, поверхност¬
ные и подземные воды и вода океана с целью измерения скорости
их обращения, обмена, если длительность этих событий не пре¬
вышает 100 лет.
В настоящее время известно восемь радиоактивных изотопов
(короткоживущих), образующихся в результате нейтронной бом¬
бардировки в верхних слоях атмосферы и участвующих в геохи¬
мических циклах земного вещества (табл. 5.2).
106
Таблица 5.2
Радиоактивные изотопы, возникшие под действием нейтронов, их
периоды полураспада и общее количество на Земле*
Изотоп
Период полураспада
Общее содержание на Земле
>^^Ве
I4C
22Na
32Si
12,3 года
2,7 млн лет
5 730 лет
2,6 года
0,74 млн лет
700 лет
0,31 млн лет
260 лет
3,5 кг
430 т
54 т
1,2 кг
1,7 т
1,0 кг
15т
22 кг
* Данные: Фауль Г. Возраст пород, планет и звезд. — М.: Мир, 1968.
Состав атмосферы. Атмосфера состоит почти целиком из трех
злементов: азота, кислорода и аргона. Другие элементы присут¬
ствуют в атмосфере в незначительных количествах, но тем не ме-
Таблица 5.3
Средний состав атмосферы
Газ
Средний состав
Общая масса
т • 10“^®, г
по объему, %
ПО массе, г/т
N2
78,09
755 100
38,648
02
20,95
231 500
11,841
Аг
0,93
12 800
0,655
СО2
0,03
460
0,0233
Ne
0,0018
12,5
0,000636
Не
0,00052
0,72
0,000037
СН4
0,00015
0,94
0,000043
Кг
0,0001
2,9
0,000146
N2O
0,00005
0,8
0,000040
Н2
0,00005
0,035
0,000002
Хе
0,000008
0,36
0,000018
Оз
0,000001
0,07
0,000035
107
нее важны для ее геохимии. Средний состав атмосферы приведен
в табл. 5.3. Согласно закону Авогадро объемные концентрации
выражают непосредственно относительные содержания соотвсг
ствующих молекул и атомов. Конвекционные потоки поддержи
вают постоянство относительных содержаний компонентов biuioi i.
до высоты 60 км, но выше может происходить гравитационное
разделение по молекулярным массам, хотя оно не играет суще¬
ственной роли ниже 100 км, даже на больших высотах преоблада
ют кислород и азот. По мере удаления от поверхности Земли ai-
мосфера 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. С точки зрения химического состава атмосферу мож¬
но рассматривать как однородную оболочку, плотность которой
монотонно убывает с высотой, но в ней вьщеляются структурные
зоны, существенно различающиеся по физическим свойствам (см.
рис. 5.1).
Значение второстепенных компонентов велико. Диоксид угле¬
рода, концентрация которого всего несколько сотых процента,
является источником питания для жизни растений.
Масса атмосферы равна произведению среднего давления, вы¬
раженного в сантиметрах ртутного столба, на плотность ртути и
на площадь земной поверхности в квадратных сантиметрах. Раз¬
ные авторы оценивают массу атмосферы около 50 • 10^® г. Послед¬
ние наиболее тщательные расчеты дают значение 51,17 • 10^“ г для
массы сухой атмосферы, т.е. без учета водяных паров.
Атмосферные газы в гидросфере. Газовая оболочка Земли тес¬
нейшим образом связана с другими геосферами. В. И. Вернадский
неоднократно подчеркивал, что нет природной воды (наземной
или подземной), не содержащей растворенных газов. Между ат¬
мосферой и гидросферой всегда существует обмен:
Природные воды ^ Природные газы
Атмосфера и гидросфера — это два огромных резервуара, меж¬
ду которыми существует постоянный обмен веществом. Тропо¬
сфера всегда содержит пары воды, а в океане растворяются атмо¬
сферные газы. Этот обмен в значительной мере зависит от темпе¬
ратуры системы. При повышении температуры уменьшается ра¬
створимость газов. А поскольку температура поверхности плане¬
ты зависит от активности солнечной радиации, влияние Космоса
на сдвиги этих равновесий сказывается наиболее ощутимо даже в
историческом времени.
В атмосферно-гидросферном обмене активное участие прини¬
мает живое вещество. Так 1 га леса испаряет от 20 до 50 тыс. л
воды в день, 1 га березняка, масса листвы которого составляет 4,9 т,
испаряет 47 тыс. л, 1 га пшеницы — 3,8 тыс. л воды в сутки. В целом
108
на континентах на фотосинтез расходуется ~2,3 • 10^*, а в океане
1,2 * 10^^ т воды в год. Количество биогенного О2, выделяемого в
мтмосферу, составляет -7,5 • т в год. Источник этого кислоро¬
да — вода подземной гидросферы. Весь углерод, идущий на син¬
тез тела организмов, — СО2 атмосферы, либо поглощаемый не¬
посредственно, либо через промежуточное растворение в водах.
Подземные атмосферы. Все горные породы в той или иной сте¬
пени содержат воду и газы. Происхождение их весьма различно.
И. В. Белоусов подразделил подземные газы по происхождению:
I) на биохимические; 2) воздушные; 3) химические; 4) радиоген¬
ные.
Газы биохимического происхождения содержат метан и более
сложные углеводороды, углекислый газ, азот и сероводород; в мень-
IIIих количествах — водород. Генезис этих газов связан с бактери¬
альной деятельностью и разложением органического вещества,
поэтому наиболее крупные скопления газов ассоциируют с не-
(|)тяными залежами. В настоящее время доказано активное учас¬
тие в разложении органического вещества микроорганизмов, спо¬
собствующих генерации как метана, так и водорода. Особую роль
играют бактерии десульфуризаторы, генерирующие сероводород
путем восстановленР1я сульфатов. Средний состав этих газов следу¬
ющий (мае. %): С 12 — 78; Н 14 — 24; (О + N + S) — 0,3 — 44; соотно¬
шение содержания углерода и водорода составляет 3,0 —4,3.
Деятельность бактерий ограничена температурным интервалом
НО— 100 °С. Следовательно, на глубинах, превышающих 1 500 —
2 000 м, генерация газов биохимического происхождения малове¬
роятна.
По мнению В.Л. Соколова, существует две подгруппы газов
(жохимического происхождения. Одна из них связана с разложе¬
нием органики в анаэробных условиях в современных отложени¬
ях (эти газы сравнительно легко рассеиваются, удаляясь в атмо-
C(l>epy), другая — с образованием нефти на значительных глуби¬
нах при повышенной температуре (200 °С). В этом случае биохи¬
мический фактор отступает на второй план, и доминирующая роль
и образовании газов отводится термокаталитическому распаду орга¬
нического вещества и последующим процессам гидрогенизации
углеводородов. Косвенным подтверждением такой точки зрения
является насыщение метаном мощных толщ нефтеносных пород
на глубине до 6 —7 км (Южно-Каспийская впадина).
Газы воздушного происхождения обусловлены захватом воз¬
духа нисходящими водными потоками. При нагревании таких вод
на глубине газы свободно мигрируют в виде восходящих газовых
сгруй. Главным компонентом подобного типа газов будет азот,
о гличающийся ничтожно малой растворимостью в водных раство¬
рах. Значительная часть кислорода и углекислого газа воздуха рас¬
ходуется на взаимодействие с вмещающими породами, поэтому
109
подземные струи азота иногда напоминают некоторые газы био
химического происхождения. Существенным отличием окажется
обычное присутствие в газах воздушного происхождения аргона и
инертных газов, характеризующихся в воздухе отношением 0,011S,
а в подземных струях «воздушных» газов — значением 0,0235 (из-
за частичного растворения азота и удаления кислорода). При по¬
исковых работах на каустобиолиты это обстоятельство имеет оп¬
ределенное значение.
К газам химического происхождения отнесены, с одной сто¬
роны, поверхностные газы, возникающие при процессах сгора¬
ния угля, разложения карбонатных пород (СО2), колчеданных за¬
лежей (SO2), а с другой — обширная группа метаморфического и
вулканического происхождения. К сожалению, до сих пор нет
критериев, позволяющих четко отделить газы, возникающие при
метаморфизме пород биосферы и поступающие в циркуляцию
через вулканические аппараты, от газов явно ювенильных (дев¬
ственных, впервые выходящих на поверхность), которым еще не¬
давно придавалось доминирующее значение в процессах эндоген¬
ного рудообразования.
В состав газов вулканического происхождения входят: СО2, СО,
Н2, N2, SO2, S, Н2О, H2S, НС1, HF, В(ОН)з, NH3, СН4 и др. Ра¬
диогенные газы подземных атмосфер характеризуются присутстви¬
ем в первую очередь аргона и гелия — продуктов радиоактивного
распада и изотопов урана и тория соответственно. Обращае!
на себя внимание одно обстоятельство: и аргон, и гелий освобож¬
даются либо при выветривании горных пород (тогда они поступа¬
ют непосредственно в атмосферу), либо удаляются из пород при
глубинном термальном метаморфизме. В последнем случае оба
элемента поступают в подземные струи газов, в том числе и вул¬
канического происхождения. В отличие от аргона значительное
количество гелия накапливается в структурных ловушках, сопро¬
вождая нефтеносные коллекторы. По-видимому, это обстоятель¬
ство объясняется тем, что гелий, как и нефть и биохимические
газы, в данном случае имеет один общий источник — горизонты
осадков, обогащенных органическим материалом, который содер¬
жит, как правило, повышенные концентрации урана.
В некоторых глубинных разломах обнаруживаются высокие
содержания "^Не, ^Не, и других газов. Вдоль этих же разломов
располагались рудные залежи. До сих пор не решен вопрос об
источнике гелия и аргона в подобных, геологически «долгоживу¬
щих» структурах. Однако роль этих радиогенных газов как фикса¬
торов глубинных дислокаций в земной коре, являющихся иногда
и зонами миграции рудных элементов, несомненна.
Существование газовых струй метанового и водородного со¬
става глубинного происхождения часто приводится в качестве
подтверждения абиогенного синтеза нефти (А. И. Кравцов, 1967).
ПО
Однако происхождение газов может быть весьма различно, что
(опускал и В. И. Вернадский (1933): «Далеко не всегда углеводо¬
роды связаны с жизнью. Есть метан, поднимающийся из более
I дубоких частей земной коры. Именно для метана исключитель-
iimi связь с жизнью сомнительна, так как этот легкий газ имеет
(((ойства, напоминающие водород. Извеетные его синтезы в лабо-
|тюриях чрезвычайно разнообразны и часто независимы от орга¬
нических соединений. Аналогичные процессы должны идти в
Mill мах»*.
Для связи подобного рода газов с образованием залежей нефти в
промышленных масштабах необходимы подсчеты возможного ба-
дпнса и путей миграции вешества в конкретных геологических ус-
1КЖИЯХ, которые до сих пор приводили к отрицательному выводу.
Особое место в подземных атмосферах занимает углекислый
I аз. Его следы встречаются в подавляющем числе флюидных вклю¬
чений в минералах эндогенного происхождения.
На рис. 5.3 представлены три таких включения. В первом кро¬
ме воды, жидкого СО2 и газовой фазы присутствует еще кристалл
Iиердой фазы, во втором — объем жидкой фазы Н2О находится в
резко подчиненном количестве, включение преимущественно уг¬
лекислое. Такие флюидные включения не являются редкостью.
Они вполне обычны для зон контактового метаморфизма, вокруг
интрузивных массивов, контактирующих с породами, содержа¬
щими карбонатные минералы, в породах регионального метамор-
(|)изма, содержащих карбонатные прослои и в некоторых жиль¬
ных месторождениях. Для пород глубокого метаморфизма харак-
(срны углекислоазотные и углекислометановые включения, вооб¬
ще не содержащие самостоятельной фазы Н2О. Давление флюи-
лов в этих включениях в момент их гомогенизации достигает мно-
I их килобар.
На рис. 5.4, а** приведена диаграмма, суммирующая опубли¬
кованные данные по содержанию СО2 в флюидных включениях
(но базе данных ГЕОХИ РАН). При более высоких температурах
преобладают «сухие» флюиды, содержащие главным образом СО2,
II также N2, СН4. Этот углекислый газ образуется в процессах кон-
(актового и регионального метаморфизма, при котором катионы
переходят в новообразованные силикаты и алюмосиликаты, а ос¬
вобождающийся углекислый газ переходит в подземную гидро-
с(|)еру и атмосферу.
По данным А. Б. Ронова, среднее содержание СО2 в осадочных
породах — 7,68 мае. %, в метаморфических — 1,64 мае. % и пара-
тейсах — 0,8 мае. % (рис. 5.4, б).
* Вернадский В. И. Избранные сочинения. — М.: Изд-во АН СССР. — Т. 4. —
Кн. 2. - С. 149.
** См.; Ронов А. Б. Осадочная оболочка Земли. — М.; Наука, 1980.
111
Рис. 5.3. Флюидные включения с жидким углекислым газом в кварце
б
Рис. 5.4. Содержание углекислого газа в флюидных включениях {а) в
зависимости от температуры; содержание углекислого газа (7) и органи¬
ческого углерода (2) в породах различных групп (б)
112
Таблица 5.4
Константа реакции (5.1) как функция температуры
(при общем давлении 1000 бар)
Л °С
lg/^(C02>
t, “С
lg/?(C02)
25
50
100
150
200
250
-7,10
-5,90
-3,98
-2,52
-1,37
-0,45
300
350
400
450
500
0,30
0,93
1,46
1,91
2,29
В табл. 5.4 и на рис. 5.5 показано температурное изменение
парциального давления углекислого газа в системе:
СаСОз + Si02 = Са8Юз + СО2 (5.1)
мри общем давлении 1 000 бар. В области низких температур пар¬
циальное давление углекислого газа много меньше 1 {рсо^< 1 атм).
11ри температуре около 300 °С парциальное давление углекислого
И1за становится равным 1 атм и быстро растет при дальнейшем
повышении температуры, достигая многих сотен атмосфер.
Отсюда видно, что подземная атмосфера и гидросфера глубо¬
кого залегания должны содержать значительную долю углекисло¬
го газа, сохраняющегося только в герметичных флюидных вклю¬
чениях. Доля углекислого газа, содержавшегося в межзерновом
Рис. 5.5. Изменение парциального давления СО2 над системой кальцит—
волластонит в зависимости от температуры
113
пространстве, — а это большая его часть, — не сохранится при
подъеме пород и уменьшении общего давления. Пока нет надеж
ных оценок его массы. По приближенным оценкам общая масел
углерода, содержащегося в этой форме, может быть соизмерима i
массой углерода в живом веществе.
Если при высоких температурах угольная кислота практически
полностью ассоциирована, то с понижением температуры увели
чивается ее диссоциация: Н2СО3 = HCOj + № = СО3" + 2№; растет
концентрация водородных ионов №, растет ее агрессивность по
отношению к вмещающим породам. Дегазация этих растворов и
более высоких горизонтах земной коры приводит к нарушению
установившихся равновесий, изменению кислотности и окисли
тельно-восстановительного потенциала, отложению целого ряда
переносимых ими веществ. Таким образом, подземные атмосфе¬
ры, динамично связанные с гидросферой и наземной атмосфе¬
рой, играют существенную роль в общем круговороте вещества
биосферы и ее геологической эволюции.
5.3. Гидросфера
«Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет при¬
родного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на
ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет
земного вещества — минерала, горной породы, живого тела, ко¬
торое бы ее не заключало. Все земное вещество под влиянием
свойственных воде частичных сил, ее парообразного состояния,
ее вездесущности в верхней части планеты ею проникнуто и охва¬
чено. Не только земная поверхность, но и глубокие — в масштабе
биосферы — части планеты определяются, в самых существенных
своих проявлениях, ее существованием и ее свойствами»*. Так
В. И. Вернадский впервые научно сформулировал содержание гео¬
химии природных вод в докладе «О классификации и химическом
составе природных вод», прочитанном в 1929 г. в Российском
минералогическом обществе.
В своем фундаментальном труде «История природных вод» он
систематизировал накопленный к 1930-м гг. фактический мате¬
риал по химическому и газовому составу подземных вод, взяв за
основу классификации условия нахождения воды в природе, ее
физическое состояние, концентрацию солей, газовый состав, пре¬
обладание тех или иных химических элементов. Он считал, что
геохимическая история компонентов природных растворов долж¬
на изучаться с учетом миграции природных вод и их участия в
непрерывных кругооборотах.
* Вернадский В. И. Избранные сочинения.
Т. 4. - Кн. 2. - С. 16.
114
М.: Изд-во АН СССР, 1960.
Вода состоит из атомов двух химических элементов, имеющих
наибольшую распространенность в Солнечной системе — водо¬
рода и на Земле — кислорода. Отразившийся в этом веществе
союз Земли и Солнца определяет многие особенности эволюции
1СМНОЙ коры, ее живого вещества и всей биосферы.
Молекулярная масса воды равна 18,016. Ввиду наличия двух
с'габильных изотопов водорода ^Н, и трех стабильных изото¬
пов кислорода в природе образуется девять изотоп¬
ных разновидностей молекул воды. Изотопные разновидности,
и которых один или два атома водорода замещены дейтерием, на¬
пивают тяжелой водой.
Вьщающаяся роль воды связана с ее физико-химическими свой-
сгвами, обусловленными строением молекулы (рис. 5.6). Струк¬
туру молекулы воды можно представить в виде тетраэдра, в центре
которого находится атом кислорода, на двух вершинах — атомы
иодорода и на двух других вершинах — неподеленные пары элект¬
ронов. Атомы водорода и кислорода связаны между собой кова¬
лентно.
Такое распределение положительного и отрицательного заря¬
дов в молекуле воды создает большой дипольный момент, что
имеет важное значение при взаимодействии молекул воды между
собой и с растворенными веществами.
В жидком состоянии каждая молекула воды соединена с че¬
тырьмя соседними молекулами вершинами условных тетраэдров
путем взаимодействия между атомом водорода одной молекулы и
электронной парой другой (О —Н —О) (см. рис. 5.6). При испаре¬
нии эти связи разрываются, и газообразная вода (пар) состоит
преимущественно из мономеров — одиночных молекул Н2О.
н
н
н
о - н—о
\
н
-19 кДж/моль
Рис. 5.6. Строение молекулы воды
115
Иную структуру имеет лед. Здесь молекулы воды образуют тс i
раэдрическую ажурную решетку. Расстояния между атомами кис
лорода в этой решетке больше размера единичной молекулы, ч го
обусловливает наличие пустот и каналов. В результате при замер
зании происходит увеличение занимаемого объема. Это опредс
ляет одно из аномальных свойств воды: плотность жидкой воды
больше, чем ее кристаллической фазы.
Наибольшую плотность вода имеет при температуре +4°С
1,00 г/см^. В тройной точке плавления льда (точка 1 на рис. 5.7):
при температуре 0 °С и давлении 1 атм плотность воды увеличива¬
ется от 0,9168 до 0,99987 г/см^ Превращаясь в пар (газ), при аг-
мосферном давлении, вода увеличивается в объеме в 1 700 раз.
Понятие газовая фаза и надкритическая фаза не одно и то же,
хотя в некоторых геологических работах их применяют как сино
нимы. В критической точке (точка 2 на рис. 5.7) линия фазового
раздела исчезает. Переход из одной фазы в другую может проис^
ходить постепенно, без фазовых скачков. На рис. 5.7 эти два раз¬
ных пути от точки А (жидкая фаза) к точке В (газ) показаны штрих-
пунктирной линией. Можно, понижая давление, провести йена
рение всей жидкости (направление справа налево). В этом случае
сначала в жидкой фазе на границе фазового перехода возникнег
газовый пузырек, затем объем пузырька будет расти, а объем жид¬
кой фазы будет постепенно уменьшаться, но до полного ее исчез¬
новения будет существовать граница между фазами.
Однако можно перейти от жидкости к газу, не пересекая фазо¬
вой границы. Для этого сначала поднимем давление выше крити¬
ческого, затем температуру выше критической, после чего пони¬
зим давление и температуру до значений точки В, Мы окажемся и
той же точке газовой фазы, но на всем пути нигде не будем на¬
блюдать фазового перехода (границы двух сосуществующих фаз).
В естественных природных условиях такие переходы происходя!
достаточно часто, а по своим вещественным следствиям они су-
Надкрити-
ческая фаза
I 2'П
Р\ л Рг
Давление
Рис. 5.7. Фазовая диаграмма воды
116
тсственно отличаются от переходов через границу фазового раз¬
дела (вскипание).
Растворенные в воде вещества изменяют структуру воды и ее
ыюйства, заполняя межатомные пространства. Так, электропро-
иодность растворов во много тысяч раз больше, чем чистой воды,
благодаря появлению свободных ионов. Снижается температура
шмерзания воды. Морская вода замерзает при температуре -1,9 °С,
и близкий к насыщению раствор CaCl2 — при -36 °С.
Все природные воды Земли в той или иной степени минерали-
юваны. Поэтому свойства природных вод в той или иной степени
огличаются от свойств чистой воды, но любое их поведение свя-
шио со свойствами самого растворителя.
Запасы воды земной коры. Гидросфера — оболочка Земли, со¬
стоящая из воды соленой (океаны, моря, подземные воды), пре¬
сной (озера, реки, водохранилища, грунтовые воды, атмосферные
осадки) и воды в твердом состоянии (ледники, снежный покров).
Распределение запасов воды гидросферы по отдельным ее час¬
тим приведено в табл. 5.5, из которой видно, что 94% всех вод
гидросферы сосредоточено в Мировом океане. На втором и тре¬
тьем месте подземные воды и ледники. Различия в данных разных
Таблица 5.5
Объем воды гидросферы*
По М. И. Львовичу, 1974
По Р.К.Клиге, 1998
Часть гидросферы
Объем
воды,
тыс. км^
От общего
объема, %
Объем воды,
тыс. км^
От общего
объема, %
М ировой океан
1 370323
93,94
1 476 000
94,23
11 од земные воды
60000
4,12
60000
3,83
Зоны активного
водообмена
4000
0,27
—
—
Ледники
24 000
1,65
30000
1,92
Озера
280*'
0,02
290
0,02
1104венная влага
85*"
<0,01
16
<0,001
Мары атмосферы
14
< 0,001
14
<0,001
Речные воды
1,2
< 0,001
2
<0,001
Итого
1 458703,2
100
1 566322
100
* См.: Шипунов Ф.Я. Организованность биосферы. — М.: Наука, 1980.
В том числе около 5 тыс. км^ воды в водохранилищах.
В том числе около 2 тыс. км^ оросительных вод.
117
Подземные Поверхностные
воды 5,4 % воды 1,6 %
Рис. 5.8. Соотношение масс резервуаров гидросферы
авторов связаны с разной оценкой нижней границы гидросферы,
которую мы точно не знаем. В последнее время принято оцени¬
вать эту границу по зоне критических температур, располага¬
ющейся на глубине 8 — 16 км. Ниже этой зоны находится уже не
вода, а надкритический флюид. В этом случае увеличивается доля
подземных вод и уменьшается доля океана (рис. 5.8).
Значительная часть воды содержится в минералах пород лито¬
сферы в форме молекул Н2О, ионов гидроксила ОН" и ионов гид-
роксония НзО^, а также в виде газово-жидких микровключений.
Происхождение всех вод Земли тесно связано с происхожде¬
нием самой Земли.
Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза превышает терри¬
торию суши.
Объем пресных вод, пригодных для питья, составляет около
39 млн км^ или 3,5 % общих запасов воды на Земле. Большая часть
пресных вод (68,7 %) сосредоточена в ледниках и снежном покро¬
ве (основные запасы сосредоточены в Антарктиде).
Средняя глубина Мирового океана составляет 3 700 м или 0,03 %
земного диаметра. В сущности, это тончайшая водяная пленка на
поверхности Земли, пленка, играющая исключительно важную роль
в биосфере.
Особый интерес для развития живых организмов представляют
пресные воды, составляющие около 0,3 % общего количества вод
(табл. 5.6).
Распределение водных ресурсов на суше весьма неравномер¬
ное. В России азиатская часть обеспечена водными ресурсами
намного лучше, чем европейская. Самым крупным пресновод¬
ным бассейном мира является озеро Байкал. Глубина его дости¬
гает 1 641 м. Ему около 25 млн лет, и оно продолжает расти. Его
берега расходятся со скоростью до 2 см в год. В озеро впадает
336 больших и малых рек. Вытекает лишь одна — могучая и стреми¬
тельная Ангара, отдающая свои прозрачные воды Енисею. В озе¬
ре обитают 2 630 видов животных и растений, 60 % из них не встре¬
чаются больше нигде в мире.
Несмотря на то что общее количество наземных вод незначи¬
тельно ПО сравнению с массой гидросферы, геохимически они
118
Таблица 5.6
Запасы пресной воды на Земле*
Местоположение
Объем, млн км^
От общего объема, %
Полярные и горные ледники
29
74,1
Грунтовые воды на глубинах:
менее 750 м
4,2
10,7
750-4 000 м
5,3
13,6
Озера
0,12
0,3
Реки
0,12
0,3
Почвы
0,24
0,6
Атмосфера
0,13
0,35
Итого
39,11
100
* См.: Шипунов Ф.Я. Организованность биосферы. — М.: Наука, 1980.
важны, поскольку принимают активное участие в процессах вы¬
ветривания, эрозии, поддержания и развития живого вещества.
Подробнее круговорот воды рассмотрим в гл. 11.
Состав природных водных растворов. В составе природных вод
выделяют: макро- и микрокомпоненты, газы, органические веще¬
ства, микроорганизмы (живое вещество). Большое значение име¬
ют изотопы химических элементов как самой воды, так и раство¬
ренных веществ.
Матричный растворитель — вода диссоциирует на ионы и
ОН“ по уравнению
Н2О ^ + он-
Мерой диссоциации служ:ит ионное произведение воды
л:^=т[он-],
где [№], [ОН~] — концентрации ионов в молях в 1 000 г Н2О; при
температуре 22 °С — К^; = Следовательно, при равенстве кон¬
центраций [Н1 и [ОН ] концентрация каждого из этих ионов
составляет Ю"^моль/кг.
Логарифм концентрации водородных ионов, взятый со знаком
«минус», называют водородным показателем и обозначают pH;
он является одной из фундаментальных физико-химических ха¬
рактеристик растворов. Кислые растворы имеют значения pH < 7,
щелочные — pH > 7. Нейтральный по кислотности раствор имеет
pH 7.
119
Температура, °С
Рис. 5.9. Изменение нейтральной точки воды
С повышением температуры ионное произведение воды возра¬
стает, достигая максимума при температуре около 220 °С (при дав¬
лении насыщенного пара; рис. 5.9), а затем начинает уменьшать¬
ся. Соответственно перемещается и точка нейтральности.
По степени минерализации различают воды: пресные, солоно¬
ватые, соляные и рассолы.
В соответствии с ГОСТом по степени минерализации их делят
на группы:
• пресные — менее 1 г/кг (< 0,1 %);
• солоноватые — от 1 до 25 г/кг (0,1—2,5 %);
• соляные — от 25 до 50 г/кг (2,5 —5,0 %);
• рассолы — более 50 г/кг (> 5,0%).
Более высокая степень солености свидетельствует либо о зара¬
жении вод продуктами деятельности человека, либо о дренирова¬
нии аридных районов, где широко распространены засоленные
воды.
Наиболее минерализованными (< 760 г/л) являются хлоридные
кальциевые рассолы, наименее — ультрапресные гидрокарбонат¬
ные кальциевые и гидросиликатные кальциевые воды.
Макрокомпоненты растворов определяют химический тип воды,
ее общую минерализацию (сухой остаток) и название по общему
химическому составу. Они отображаются формулой Курлова: в на¬
чале формулы указывают общую минерализацию {М) раствора,
затем идет псевдодробь, в числителе которой записывают главные
анионы в порядке убывания их концентрации в эквивалент-про¬
центах, в знаменателе — точно так же главные катионы, в конце
указывают кислотность (pH), окислительно-восстановительный
потенциал {Е), температуру и другие наиболее важные характе¬
ристики; например:
М,
13,6
SO48ICII7HCO32
Na73Cal5MglOK2
pH, Е, Т.
120
Особенности газового состава (концентрация радона, свобод¬
ного углекислого газа и т.д.) обычно фиксируют перед указанием
минерализации.
Формулу раствора обычно обозначают по основным катионам
и анионам, концентрация которых выше 1 экв.-%. Название типа
вод обычно записывают по двум-трем преобладающим анионам и
катионам. В приведенном примере раствор будет сульфатно-хло-
ридный натриево-кальциево-магниевый.
Неорганические {минеральные) вещества. Состав растворен¬
ных в природных водах неорганических соединений определяет¬
ся, прежде всего, составом литосферы и распространенностью
отдельных составляющих ее элементов. Распространенность и
содержание минеральных веществ в природных водах различны,
в связи с чем среди них выделяются макро- и микрокомпоненты.
Основными макрокомпонентами наземных природных вод яв¬
ляются наиболее распространенные в земной коре катионы и ани¬
оны, дающие соединения, растворимые в воде в той или иной
степени:
• анионогенные: Si, Р, С, S, С1;
• катионогенные: Са, Mg, Na, К, Fe.
В состав природных вод элементы входят в форме определен¬
ных ионов.
Микрокомпоненты содержатся в подземных водах, как прави¬
ло, в незначительных количествах, определяемых миллиграмма¬
ми, микрограммами и долями микрограммов в 1 л. Иногда их
концентрации достигают количеств, соизмеримых с макрокомпо¬
нентами.
Максимальное содержание микрокомпонентов в кислых и ще¬
лочных водах рудных месторождений может достигать граммовых
количеств.
Из природных вод в промышленных масштабах извлекают та¬
кие микрокомпоненты, как I, Вг, В, Li, Rb, Sr и др.
Органические вещества. Углерод, азот и фосфор органиче¬
ского происхождения специфичны для определенных типов вод.
Прежде всего это почвенные и иловые воды, воды болот, торфя¬
ников, нефтяных и газовых залежей. Многие из органических со¬
единений, являясь хорошими комплексообразователями, обеспе¬
чивают миграцию целого ряда тяжелых элементов, таких как Fe,
Си, Ni, Со, Cd и др.
В последнее время появляется все больше очагов повышенно¬
го заражения поверхностных вод органическими соединениями в
связи с техногенным воздействием. Многие из них оказывают гу¬
бительное воздействие на установившиеся природные равнове¬
сия, часто достаточно сложные. Так, избыточное внесение хоро¬
шо растворимых соединений фосфора на сельскохозяйственные
поля вызывает повышение его содержания в водоемах, что влечет
121
за собой активное размножение водорослей, которые могут выве¬
сти из строя фильтры водозаборных систем. Подобный случай
имел место на водозаборах Праги.
Микрофлора природных вод. Из микроорганизмов в природ¬
ных водах наибольшее значение имеют бактерии, хотя обнаруже¬
ны также микроскопические водоросли, простейшие и вирусы.
Различают аэробные и анаэробные бактерии. Первые развивают¬
ся при наличии свободного кислорода в воде, вторые при его от¬
сутствии. В последнем случае анаэробы используют сульфаты, нит¬
раты, углекислый газ и другие кислородсодержаш,ие вещества.
Выделяют также факультативные аэробы, способные развиваться
как в присутствии, так и в отсутствие свободного кислорода.
Общее число бактерий изменяется от нескольких тысяч до
миллиона клеток в 1 мл воды, количество микроскопических во¬
дорослей и простейших достигает сотен и тысяч в 1 л воды. Число
бактерий в воде зависит главным образом от наличия в ней пита¬
тельных веществ, в том числе органических соединений. Чем выше
содержание углерода органического происхождения в водах, тем
активнее развивается в них микрофлора. Содержащиеся в при¬
родных водах бактерии выполняют большую геохимическую ра¬
боту, видоизменяя химический и газовый состав вод.
Газы. В. И. Вернадский писал, что газы и воды находятся в по¬
стоянном обмене. Основными газами природных вод являются:
О2, N2, СО2, H2S, С,Н2„,2, Н2, NH3, Не, Аг, Кг, Хе, Rn.
По происхождению газы делят на следующие основные группы:
1) воздушные (N2, О2, СО2, Ne, Аг), проникающие в литосферу
из атмосферного воздуха;
2) биохимические (СН4, N2, H2S, С„Н2„ + 2? Н2), образующиеся
при разложении микроорганизмами органических и минеральных
веществ;
3) химические (СО2, СО, H2S, SO2, Н2, NH3);
4) радиоактивные и адерных реакций (Не, Rn).
Наиболее химически активными в природных водах являются
кислород, углекислый газ, сероводород, водород. Содержание рас¬
творенного кислорода в природных водах обычно изменяется от
1 до 20 мг/л. Он расходуется на различные окислительные про¬
цессы и поэтому с глубиной, т.е. по мере удаления от атмосферы
и зон фотосинтеза, его содержание в природных водах уменьша¬
ется. Но тем не менее известно присутствие кислорода в подзем¬
ных водах на глубинах до 1 000 м и более.
О растворенном в природных водах углекислом газе мы уже
говорили при рассмотрении подземных атмосфер. Его содержа¬
ние изменяется в зависимости от мощности источника поступле¬
ния и термобарических условий среды.
Изотопный состав. Основными процессами, при которых про¬
исходит фракционирование изотопов Н и О, являются испарение
122
и конденсация. При испарении наиболее летучие изотопы — про-
тий и быстрее (легче) переходят из водного раствора, кото¬
рый при этом обогащается дейтерием D и Поскольку относи¬
тельная разность масс изотопов Н и D достаточно существенна,
даже естественный круговорот воды в системе океан —атмосфера
приводит к изотопной дифференциации. Воды полярных облас¬
тей содержат меньше дейтерия, чем у экватора.
Пересыщенные растворы и метастабилъные состояния. В не¬
которых природных растворах встречаются пересыщения отдель¬
ными компонентами. При оценке степени пересыщения природ¬
ных вод по труднорастворимым соединениям используют отно¬
шение произведения активностей {а) соответствующих свободных
ионов в растворе к термодинамическому значению произведения
растворимости (pZ) соединения; например, для кальцита
г= ^7(Са2+)^7(СОз2-)/рХ(СаСОз).
Коэффициент пересыщения подземных вод по отдельным со¬
единениям может достигать 10^. Степень пересыщения зависит от
свойств данного вещества и особенностей химического состава
подземных вод.
Чем больше энергия гидратации компонентов, тем труднее ча¬
стицы объединяются в зародыши и тем большая вероятность об¬
разования ими пересыщенных растворов.
М.Г.Валяшко, развивая классификацию академика Н.С.Кур-
накова и исходя из данных о совместной растворимости, вьщелил
три основных химических типа рассолов.
1. Карбонатный, или содовый, тип — главными компонента¬
ми являются СО]~, НСОз, SO^", Cl", Na^, Са^+, в пределах
растворимости их карбонатов.
2. Сульфатный тип — главными компонентами являются S04~,
Cl", Na^, Mg^+, CO3" (HCOj), в пределах растворимости карбона¬
тов кальция и магния; в случае кальция — в пределах растворимо¬
сти карбоната и сульфата.
3. Хаоридный тип — главными компонентами являются С1",
Na^, Mg^^, Са^^, СО|" (НСО3), в пределах растворимости карбона¬
тов кальция и магния.
Химия океана. Хотя вода в современных океанах медленно пе¬
ремешивается, в различных частях океана она различается по со¬
держанию солей:
1) из-за разной концентрации солей и твердых веществ в во¬
дах, поступающих в океаны;
2) вертикального перепада температуры;
3) различия в скоростях испарения;
4) образования льда и его таяния;
5) разного количества осадков в различных районах океана;
6) постоянных океанических и морских течений.
123
Эти факторы обусловлх:ивают локальные различия и в составе
донных осадков.
Традиционно при расс^мотрении состава морской воды упот¬
ребляют термин соленосгкиъ — общая масса растворенных веществ
в 1 кг морской воды. Соленость обычно принято выражать в грам¬
мах на килограмм морс1с:ой воды (г/кг) или в частях на тысячу
(промилле, %о). В открытом океане соленость колеблется в сред¬
нем около 35 %о, подним ааясь до 40 %о в Красном море и Персид¬
ском заливе, где выпаривание интенсивно, а приток и осаждение
незначительны. Однако 10O всех пробах морской воды соотноше¬
ния основных ионов пражтически постоянны, поэтому определе¬
ние одного компонента <обеспечивает получение данных по дру¬
гим.
Точные сведения относительно среднего состава морской воды
были впервые получены Диттмаром, который в 1884 г. проделал
тщательный анализ 77 проб воды. Эти пробы были отобраны с
различных глубин всех океанов во время кругосветного путеше¬
ствия корабля «Челендж:^Р» в 1872—1876 гг. В анализах Диттмара
были определены галоге*^-, сульфат-ионы, ионы магния, кальция
и калия, а в ряде образцов было установлено хлор-бромное отно¬
шение и содержание ка1^бонат-ионов. Натрий был рассчитан по
разности сумм эквивалентов отрицательных и положительных
ионов ввиду отсутствия удовлетворительного прямого метода оп-
Таблица 5.7
Основные компоненты морской воды
Ион
Концентрация, %о
От общего содержания, %
С1-
18,980
55,05
Вг
0,065
0,19
SO/-
2,649
7,68
НСО3-
0,140
0,41
F-
0,001
—
Н2ВО3-
0,026
0,07
Mg2+
1,272
3,69
Са2+
0,400
1,16
0,008
0,03
0,380
1,10
Na^
10,556
30,61
Итого
34,477
99,99
124
рсделения. Работа Диттмара показала, что в относительном соста-
ие морской воды нет значительных региональных колебаний.
Современные данные по составу основных компонентов мор¬
ской воды приведены в табл. 5.7. Однако в морской воде обнару¬
жено около семидесяти элементов. Очевидно, присутствуют и
другие, которые не определены существующими аналитическими
методами. Элементарный химический состав морской воды по
Л. П. Виноградову приведен в табл. 5.8. Следует учитывать, что
;1ля некоторых элементов концентрации изменяются от места к
Таблица 5.8
Средний химический элементарный состав воды океанов
Эле¬
мент
Содержание
мг/л
Эле¬
мент
Содержание
мг/л
Н
Не
Li
Be
В
С
N
О
F
Ne
Na
Mg
Л1
Si
Р
S
Cl
Лг
К
Са
Sc
10,73
1,5-10-6
6 -10-‘^
4- 10-4
85,77
1,3 - 10-^
1,03534
0,1297
1,0-10-4
3- 10-^
7-10-8
0,089
1,93534
0,03875
0,0408
4- 10-9
0,000005
0,15
0,0000006
4,6
28
0,5
1,3
0,0001
10,354
1,297
0,01
3,0
0,07
890
19354
0,6
387,5
408
0,00004
Cd
In
Sn
Sb
Те
I
Xe
Cs
Ba
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
1 • 10-»
1 • 10-^
3 -10-^
5 -10-*
Нет данных
5- 10-«
Нет данных
3,7-10-»
2-10-^
2,9 -10-'»
1,3 -10-'»
6- 10-"
2,3-16-"
4.2- 10-"
1,1-10-'»
6-10-"
Нет данных
7.3- 10-"
2,2-10-"
6-КТ"
1 -10-"
0,0001
0,0001
0,003
0,0005
0,05
0,00037
0,02
0,0000029
0,0000013
0,0000006
0,00000023
0,00000042
0,0000011
0,0000006
0,00000073
0,00000022
0,0000006
0,0000001
125
Окончание табл. 5.S
Эле-
Содержание
Эле-
Содержание
мент
%
мг/л
мент
%
мг/л
Ti
1 • 10-’
0,001
Yb
5-10-"
0,00000052
V
3 • 10-’
0,003
Lu
1 • 10-'“
0,0000012
Сг
2 • 10-’
0,00002
Hf
Нет данных
—
Мп
2 • 10-^
0,002
Та
»
—
Fe
1 • 10-^
0,01
W
1 • 10-5
0,0001
Со
5 • 10-^
0,0005
Re
Нет данных
—
Ni
2 • 10-^
0,002
Os
»
—
Си
3 • 10-’
0,003
Ir
»
—
Zn
1 • 10-*
0,01
Pt
»
—
Ga
3- Ю-!»
0,00003
Au
4 - 10-ю
0,000004
Ge
6-10-5
0,00006
Hg
3 • 10-5
0,00003
As
1-10-’
0,003
Tl
1 • 10-5
0,00001
Se
МО-*
0,0001
Pb
3 • 10-5
0,00003
Br
6,6 10-3
66
Bi
2-10-*
0,0002
Kr
—
0,0003
Po
—
—
Rb
2 10-5
0,2
At
Нет данных
—
Sr
8-10-5
8,0
Rn
6 • 10-2“
6 • 10-14
Y
3-10-*
0,0003
Fr
Нет данных
—
Zr
5 • 10-5
0,00005
Ra
1 • ю-'''
1 • 10-111
Nb
110-5
0,00001
Ac
2-10-2“
2*10-16
Mo
1 • 10-^
0,01
Th
1-10-5
0,00001
Tc
Нет данных
—
Pa
5-10-'5
5*10-11
Ru
»
—
U
3-10-2
0,003
Rh
»
—
lo
5 -10-'5
5 * 10-1И
Pd
Ag
»
3-10-*
0,0003
228Th
7-10-'5
7*10-15
Примечание. Содержание серы 35,00 %о, хлора 19,375!
126
месту вследствие биологической деятельности. Часто эти флукту-
пции связаны с глубиной, на которой отбирается проба, посколь¬
ку биологическая деятельность наиболее интенсивна в поверхно-
С1НЫХ и близповерхностных водах. Так, в поверхностных слоях
содержание кальция, возможно, несколько понижено вследствие
»ахвата его организмами для построения своих скелетов. Ионный
с’остав морской воды представлен в табл. 5.9.
Морская вода содержит в растворенном состоянии газы. Со¬
держание (мл/л) основных газов в морской воде следующее:
Кислород 0 — 9
Азот 8,4—14,5
Углекислый газ 34 — 56
Аргон 0,2 —0,4
Гелий и неон 1,7 • 10"^
Сероводород 0 — 22 (и более)
Поскольку атмосфера и гидросфера находятся в контакте, су¬
ществует определенное соотношение между количеством газов в
растворе и их парциальным давлением в атмосфере. Поверхност¬
ные воды находятся в равновесии или близки к равновесию с кис-
иородом воздуха. С глубиной его содержания постепенно убыва¬
ют (рис. 5.10).
Азот, растворенный в морской воде, не вступает в химические
реакции, и, следовательно, его концентрация остается постоян¬
ной.
Кислород, с другой стороны, играет активную роль в обмене
исществ и в распаде органического вещества, поэтому его содер¬
жание варьирует от места к месту.
Сравнение показывает, что по химической природе морская
иода существенно отличается от речной:
Таблица 5.9
Концентрация основных катионов и анионов в морской воде
при содержании серы 35 %с
Ион
(молекула)
Концентрация
Ион
(молекула)
Концентрация
г/кг
экв.-%
г/кг
экв.-%
С|-
19,3534
45,09
Na^
10,7638
38,66
S042-
2,7007
4,64
1,2970
8,81
IIC03-
0,1427
0,19
0,408
1,68
»г
0,0659
0,07
К*
0,3875
0,82
Г
0,0013
0,01
Sr2^
0,0136
0,03
II3BO3
0,0265
—
127
о -
О
о
О
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
ГЧ
40
оо
о
о
о
о
о
о
го
10
04
n
о
40
о
к
а
СП
(D
а
со
а
а
А
О
э
а
X
а
(D
о
(U
П
О
PQ
0
н
а
1
(-Н
(П
§
Л
О
о
S
S
я
X
а
Си
н
Я
(D
Я
я
о
(D
Я
я
(D
5
S
ся
я
о
03
Он
О
я
Рн
W ‘bhhqAitj
128
• в морской воде [Na^] > [Mg^^] > [Са^^]; [С1~] > [SO4 ] > [СО3 ];
• в речной воде [Са^+] > [Na+] > [Mg^T; [СОз~] > [SO^"] > [С1].
Более 90% хлоридов речных вод попадают в реки из океана
через атмосферу.
Состав морской воды регулируется не только привносом рас-
гворенного материала при стоке вод суши, но, очевидно, и други¬
ми факторами. Среди них необходимо назвать подводные газовые
и водяные струи (черные и белые курильщики) и подводные из¬
вержения лав. Вследствие адсорбции и ионного обмена с части¬
цами осадков из раствора удаляются некоторые ионы. Другие всту¬
пают в реакцию с веществом осадков и образуют новые минера¬
лы, например глауконит.
Своеобразно распределение таких биогенных элементов, как
азот и фосфор, концентрация которых тесно связана с периодами
развития морской биоты. Содержание в воде фосфора, активно
поглощаемого живыми организмами, минимально в верхних сло¬
ях океана, в зонах развития живого вещества и постепенно растет
с глубиной. Кроме того, наблюдается периодичность изменения
концентрации биогенных элементов в верхних горизонтах. В пе¬
риоды расцвета жизни концентрация их в воде уменьшается, но
после отмирания организмов — растет.
Океан является огромным мобильным резервуаром, регулиру¬
ющим миграционные потоки элементов. Огромная масса воды, ее
постоянное естественное перемешивание, достаточно быстрая
кинетика создают благоприятные условия для поглощения и воз¬
вращения элементов и в атмосферу, и в литосферу. Наличие жи¬
вого вещества существенно ускоряет целый ряд обменных про¬
цессов. Каждый литр океанической воды содержит всего 28 мг уг¬
лерода, но на всю массу океанической воды это составит ~4 • 10*^ т.
' )то в 100 раз больше, чем во всей атмосфере. Однако это не толь¬
ко соотношение масс. Через океан и его живое вещество углерод
уходит из атмосферы в осадочные породы литосферы.
Подземные гидросферы. В 1900 г. С. Н. Никитин обратил вни¬
мание на рост минерализации с глубиной в Московском артези-
iiHCKOM бассейне. Известны разные виды зональности: по площа¬
ди и глубине, для грунтовых и напорных вод, для микрокомпо-
иснтов, микрофлоры и т.д. Наиболее общие закономерности ха¬
рактерны для вертикальной гидрохимической зональности ани¬
онной части подземных вод и общей минерализации в артезиан¬
ских бассейнах.
Верхние горизонты в большинстве случаев содержат пресные
I идрокарбонатные воды, которые с глубиной переходят в гидро-
кабонатсульфатные. Постепенно растет концентрация хлора,
уменьшается содержание гидрокарбонатов и растворы становятся
члоридными. Одновременно с глубиной растет общая минерали-
ищия (рис. 5.11). Общая тенденция такой зональности проявля-
129
Рис. 5.11. Общий случай изменения минерализации (7) и концентрации С
ионов HCOj (2), SO^" (3), Cl" (4) в артезианских водах с глубиной И
ется независимо от состава вмещающих пород. Существуют раз¬
личные объяснения механизмов ее формирования. К. В. Филато1^
связал ее с гравитационными явлениями, М. Г. Валяшко с захоро¬
ненными хлоридными растворами, О. Я. Самойлов и Д. С. Соко¬
лов с гидратацией ионов и изменением теплового движения час¬
тиц. Однако эмпирически ясно одно: такая тенденция носит гло¬
бальный характер, и независимо от проницаемости вмещающих
пород в геологическом масштабе времени между растворенными
веществами может происходить химический обмен.
Возможно, направленная миграция анионов связана с об¬
щим трендом возрастания давления с глубиной и парциальны¬
ми молярными объемами рассматриваемых ионов. Максималь¬
ный парциальный молярный объем имеют гидрокарбонат¬
ные HCOj ионы (К° = 22,9 CMVr-ион), минимальный — хло¬
рид-ионы (17,8 CMVr-ион). Естественно, что в таком барическом
поле гидрокарбонатные ионы будут стремиться в область низких
давлений, хлорид-ионы — высоких.
Сложнее с ионами, содержащими серу. В нейтральных раство¬
рах доминируют сульфат-ионы SO4" (К° = 14,0 cmVf-hoh). Одна¬
ко в некоторых количествах могут присутствовать ионы гидро¬
сульфата HSO4 (31,1 CMVr-ион), а в подземных водах в отсутствие
свободного кислорода — и более восстановленные формы этого
элемента — HSO^ и даже HS”, которые быстро окисляются при
отборе проб и идентифицируются в обычном гидрохимическом
анализе как ионы сульфата. Между всеми этими ионами суще¬
ствуют подвижные равновесия. Их парциальные молярные объе-
130
16
12 л
о
X
н
О
t=;
С
Рис. 5.12. Внутреннее строение Земли по данным сейсмических наблю¬
дений
кой высокотемпературной магмы. Однако в настоящее время это
представление опровергнуто. Судя по характеру распроетранения
сейсмических волн, в пределах коры и мантии отсутствуют какие-
либо слои жидкого вещества. Магма, по-видимому, возникает толь¬
ко в локальных очагах и всегда взаимосвязана с горизонтами зем¬
ной коры.
Строение земной коры отражается в рельефе ее поверхности.
Бросается в глаза резкая асимметричность строения поверхноети
Земли, разделение ее рельефа на две основные части — океани¬
ческую и континентальную.
132
Мощность земной коры под материками и океанами неодинако-
т Под материками мощность земной коры в среднем 35 — 40 км,
мсс гами она уменьшается до 20 км, а в горных складчатых райо-
мпх возрастает до 75 — 80 км. Под океанами земная кора тоньше и
иврьирует в пределах 10 — 20 км, включая слой воды.
О ее строении и составе мы судим по результатам изучения
трмых пород на поверхности, в горных выработках и по скважи-
1ШМ. Здесь накоплен огромный эмпирический материал, еще не
полностью обобщенный и осмысленный. Данные о более глубо¬
ких горизонтах коры и подстилающего ее субстрата не доступны
иг посредственному изучению. О них мы судим по результатам
им гсрпретации данных о геофизических полях: гравитационных,
магнитных, электрических, прохождения упругих волн.
К настоящее время наиболее широко применяют три метода,
позволяющих судить о внутреннем строении Земли. Первый ос¬
нован на изучении поведения сейсмических волн при прохожде¬
нии ИМИ глубинных горизонтов Земли; второй — на изучении
исковых изменений земного магнетизма; третий на анализе полей
силы тяжести, в том числе получаемых с космических аппаратов.
11оскольку геофизические методы являются косвенными, получа¬
емые на их основе выводы могут быть в той или иной степени
приблизительными. Представления о внутреннем строении Зем¬
ли основаны на данных о ее размере, распределении плотностей
внутри нее, которые получены путем астрономических и геофи-
1ИЧССКИХ исследований, и данных аналитического изучения зем¬
ных и метеоритных пород и минералов. Однако представления о
внутреннем строении Земли, базирующиеся только на геофизи¬
ческих и геодинамических данных, не были бы достаточно убеди¬
тельны, если бы не подкреплялись геохимическими данными.
Наблюдения над сейсмическими волнами позволяют считать,
ч то мантия состоит из твердого вещества и что граница мантии
находится на глубине около 2 900 км от земной поверхности. Гра¬
ница между мантией и ядром называется разделом Гутенберга.
Мантия сложена твердым кристаллическим веществом. Изоста-
гическое равновесие отдельных блоков земной коры достигается,
но-видимому, в мантии.
В интервале глубин от нижней границы земной коры до глуби-
IIы около 800 км градиент скорости сейсмических волн довольно
высок, НО ниже он заметно меньше. Ввиду этого создается впе¬
чатление, что мантия состоит из двух больших частей. Первый
верхний слой, простирающийся от нижней границы земной коры
до глубины 800 км, характеризуется относительной неустойчиво¬
стью. Второй слой, простирающийся ниже 800 км, является ус-
гойчивым.
Пример профилирования по данным глубинного сейсмического
зондирования (ГСЗ) через один из районов Карелии с выделени-
133
ем границ раздела зон разных скоростей сейсмических волн при
веден на рис. 5.13*, из которого видно, как геологические струк¬
туры секутся сейсмическими границами. Эти данные требуют со¬
гласования с представлениями о химическом составе различных
геологических тел.
Вся сумма наших знаний по геологии и геофизике свидетель¬
ствует о том, что дно океанов и континенты — это структуры
общепланетарного значения. Отличаются они друг от друга стро¬
ением земной коры, ее составом (химическим и петрографиче¬
ским), геологическим развитием.
Судя по механическим свойствам, вещество мантии должно
иметь однородный химический состав, хотя на интервале 200 —
900 км скорость сейсмических волн резко увеличивается, что мо¬
жет быть обусловлено изменением химического состава или фа¬
зового состояния вещества. Из основных химических элементо!»
Вселенной существенную роль в химических соединениях веще¬
ства мантии и ядра могут играть следующие элементы: О, Si, Mg,
Fe, Ni, S, Al, Ca, Na.
Обычно считается, что состав внутренних частей Земли близок
к таковому метеоритов. В этом случае наиболее распространены
должны быть первые четыре элемента этой группы: О, Si, Mg, Fe.
Исходя из механических свойств внутренних частей Земли допус¬
кается, что главными компонентами вещества этих зон являются
оксиды, сульфиды и силикаты.
Земная кора в общем имеет слоистое строение и состоит из
трех комплексов горных пород: осадочных, магматических и ме¬
таморфических. Геосферы, сложенные этими породами, имею1
прерывистый характер. Так, в области развития докембрийских
щитов часто отсутствуют осадочные породы.
Наблюдаемая часть земной коры в пределах континентов по
своему составу приближается к граниту, поэтому мы можем гово¬
рить о гранитоосадочно-метаморфическом слое земной коры
как наиболее изученном. У основания раздела Мохоровичича со¬
став земной коры меняется, и гранитный материал по сейсмиче¬
ским данным заменяется более плотным материалом, соответству¬
ющим по составу базальту. Нижний слой земной коры принято
называть базальтовым. Название «базальтовый слой» носит ус¬
ловный характер, поскольку в состав земной коры входят и дру¬
гие породы основного характера — типа амфиболитов и габбро.
Таким образом, земная кора состоит из двух основных слоев: гра¬
нитного (гранитно-метаморфического) и подстилающего его ба¬
зальтового слоя. На дне океанов, за исключением краевых частей,
прилегающих к материкам, гранитный слой полностью отсутствущ,
1965.
134
См.: Магницкий В. А. Внутреннее строение и физика Земли. — М.: Недра,
»
»
<D 22
S 3
<D Ч
135
Уровень моря
100
0
100
200 300
Расстояние, км
400
500
□ / ШШ2ЕШ\3 [ПИ5
Рис. 5.14. Строение земной коры. Переход от материкового типа коры к
океаническому в районе Атлантического побережья Северной Америки:
1 — вода; 2 — осадки; 3 — консолидированная континентальная кора; 4
консолидированная океаническая кора; 5 — мантия; указаны значения плотно
сти (г/см3) материала
и земная кора состоит только из одного базальтового слоя. Пере¬
ход от коры континентального типа к коре океанического типа
представлен на рис. 5.14.
Геофизические данные показывают, что существенные разли
чия материковых и океанических областей простираются не толь¬
ко до сейсмической границы Мохоровичича (максимум 80 км),
но и достигают глубин порядка нескольких сотен километров.
Очевидно, что плотность горных пород дна океанических бас¬
сейнов в среднем превосходит плотность континентальных по¬
род. Реальная разница в средней плотности должна существовать
между колонками под материками и под океанами до большой
глубины. Измерения гравитационного поля на больших высотах с
помощью искусственных спутников Земли показали, что в общем
сила тяжести над материками такая же, как над океанами. Отсюда
следует, что масса, приходящаяся на единицу площади под по¬
верхностью океана, такая же, как под поверхностью суши, не¬
смотря на большую разницу в плотности в пределах земной коры.
Поэтому только различие плотностей глубоко погруженного ма¬
териала может компенсировать наблюдаемое различие в плотно¬
сти вблизи поверхности.
Геотермические измерения показали, что в среднем тепловые
поверхностные потоки в континентальных областях равны тепло¬
вым потокам через океаническое дно. Однако мощная континен¬
тальная кора содержит больше радиоактивных элементов, чем
тонкая базальтовая океаническая кора. Поэтому равенство тепло¬
вых потоков дна океана и суши может быть связано либо с раз¬
личной радиоактивностью материала мантии под океанами и под
континентами, т.е. верхняя мантия под океанами должна быть
136
более радиоактивной, чем под континентами, либо с наличием
иных тепловых источников.
Наиболее достоверные данные о химическом составе земной
коры относятся к ее континентальной части. Хорошо изучен так¬
же химический состав основных горных пород (габбро, базаль¬
тов), которые рассматриваются как материал базальтового ниж¬
него слоя земной коры. При расчете среднего химического соста¬
ва всей земной коры обычно принимают определенную пропор¬
цию кислотного (гранитного) и основного (базальтового) матери¬
ала. В частности, А. П. Виноградов (1962) считал, что вероятнее
всего земная кора представляет смесь кислотных и основных по¬
род в пропорции 2:1. Отсюда следует, что расчеты состава зем¬
ной коры носят несколько приближенный характер, несмотря на
хорошую информацию относительно среднего химического со¬
става горных пород различного типа. Чем более распространен
элемент, тем более достоверные данные мы имеем о его относи¬
тельном содержании в горных породах. Подробнее эти вопросы
мы рассматривали в гл. 3.
* * *
Все наши знания о составе и строении земных геосфер основа¬
ны на сочетании надежных геологических, геофизических и гео¬
химических эмпирических данных и некоторых модельных пред¬
ставлениях. Чем глубже мы уходим в недра нашей планеты, тем
менее надежны наши представления о них. Тем не менее быстро
развивающийся комплексный системный подход позволяет по¬
степенно уточнять и корректировать полученные знания.
Контрольные вопросы
1. Какие геосферы составляют оболочки планеты Земля?
2. Каково строение современной атмосферы? Каков ее состав?
3. Из каких резервуаров состоит гидросфера? Охарактеризуйте объем
1ЮДЫ гидросферы и распределение воды по различным природным обра¬
зованиям.
4. Дайте определение понятиям «подземная атмосфера», «подземная
|'идросфера».
5. Как отображают состав природных водных растворов?
6. Каков химический состав океана? Какие изменения он претерпевает?
7. Где сосредоточены основные запасы пресных вод?
8. Охарактеризуйте понятие «литосфера». Каково ее строение соглас¬
но геофизическим данным?
9. В чем отличие земной коры океанического и континентального типа?
10. Какие подходы используют при определении химического соста¬
ва глубинных частей земной коры?
Глава 6
БИОСФЕРА
• Биосфера • Истоки учения • Понятие живого вещества «Живое веще¬
ство как совокупность всех организмов*Биологический и биогеохими-
ческий подходы к живому веществу* Изотопы и живое вещество* Един¬
ство и различие живого и косного вещества планеты * Биокосные сис¬
темы * Микроорганизмы и их роль в биосфере * Метаболизм — меха¬
низм, поддерживающий жизнь * Принцип Реди и геологическая веч¬
ность жизни * Границы биосферы * Информация в живом и косном ве¬
ществе * Энергетика биосферы * Пирамида жизни * Область былых био¬
сфер
6.1. Понятие «биосфера»
«Своеобразным, единственным в своем роде, отличным и не¬
повторяемым в других небесных телах представляется нам лик
Земли. В лике Земли выявляется поверхность нашей планеты, ее
Биосфера»"". С этих поэтических слов В. И. Вернадский начал свой
фундаментальный труд, к которому сейчас все чаще и чаще обра¬
щаются ученые всего мира.
Так что же такое биосфера? Само слово складывается из двух
составляющих, берущих свое начало от греческих слов bios —
жизнь, sphaira — шар. Сфера жизни, верхние оболочки нашей
планеты, проникнутые живым веществом. Геометрически вроде
бы все ясно.
Сложнее с ее структурой, механизмами тех процессов, кото¬
рые в ней происходят, ее организованностью, эволюцией и той
ролью, которую биосфера играет в развитии всего, что проис¬
ходит и происходило на поверхности нашей планеты. Как мы
увидим в дальнейшем, биосфера оказывает самое существенное
влияние на развитие земной коры на протяжении всей ее гео¬
логической истории, на развитие жизни, эволюцию всего орга¬
нического мира, приведшею, в конечном счете, к появлению
человека. Но чтобы понять это, необходимо посмотреть на био¬
сферу не как на геометрическую оболочку планеты, а как на
сложную биокосную систему со своей организованностью, за¬
конами развития и взаимодействия с другими оболочками пла¬
неты и Космосом.
* Вернадский В. И. Избранные сочинения. — М.: Изд-во АН СССР, 1960.
Т. 5. - С. 9.
138
Говоря о биосфере, часто подразумевают совокупность всех
живых организмов, существующих на нашей планете. Это пра-
иильно, но неполно. Ведь любой живой организм не существует в
иакууме. Для каждого нужна своя среда обитания, и только мыс¬
ленно мы вьщеляем его из этой обстановки. Пожалуй, здесь-то и
кроется коренное отличие понимания биосферы В. И. Вернадским
от существовавших ранее представлений.
Наука шла постепенно к ясному пониманию влияния организ¬
мов на процессы, происходящие в земной коре. Эти вопросы ста¬
вились уже в трудах Жоржа Бюффона (1707—1788), французско¬
го естествоиспытателя, развивавшего идеи об изменяемости ви¬
дов под влиянием среды. Однако к пониманию геологической роли
совокупности живых организмов впервые подошел французский
естествоиспытатель Жан-Батист Ламарк («Гидрогеология», 1802),
предшественник Чарльза Дарвина, впервые введший в науку тер¬
мин «биология». Он рассматривал «живую материю» как основу
всех процессов, совершающихся в биосфере и даже в более глубо¬
ких слоях Земли.
Идеи влияния минеральной среды на географию растений ярко
вырисовываются в работах Александра Гумбольдта. Однако тер¬
мин «биосфера» впервые употребил австрийский геолог, почет¬
ный член Петербургской академии наук Эдвард Зюсс («Проис¬
хождение Альп», 1875). Его понимание биосферы, «живого по¬
крова Земли», скорее отвечает тому, что мы сейчас называем «био-
га» — исторически сложившаяся совокупность всех живых орга¬
низмов конкретных территорий.
Весь XIX в. и начало XX в. характеризуются быстрой дифферен¬
циацией научных дисциплин. Нужны были надежные количествен¬
ные эмпирические данные, а для этого потребовалась специализа¬
ция исследователей. Одна за другой появлялись новые научные дис¬
циплины, объективно углублявшиеся в собственные локальные
проблемы. При этом, однако, терялось целостное восприятие При¬
роды.
Целостный взгляд на Природу вернул В. И. Вернадский. В от¬
личие от своих предшественников, которым он постоянно отда-
иал должное и на которых постоянно ссылался, В. И. Вернадский
впервые подошел к этим проблемам с позиций целостного коли¬
чественного анализа подлинной роли живого вещества в истории
земной коры и, использовав термин Э.Зюсса, дал новый импульс
изучению биосферы. К этому открытию он шел долго и постепен¬
но. В год выхода первого издания «Биосферы» ему было уже 63 года.
В это время он был известным ученым, профессором Московско¬
го университета, экстраординарным членом Императорской Рос¬
сийской академии наук, создателем целого ряда новых научных
направлений, организатором и первым президентом Академии наук
Украины.
139
Его научный путь и последовательность развития научных им
тересов позволяют лучше понять саму суть предложенной им кои
цепции биосферы и ее дальнейшего перехода в сферу разума —
ноосферу.
Проблемами биогеохимии и ролью живого вещества в геологи
ческих процессах В. И. Вернадский начал заниматься в 1913 г. Идея
биосферы как самостоятельной оболочки Земли возникла у нет
в Крыму, в 1920 г., во время болезни тифом. Но подготовка к
этому моменту шла все предшествующие годы.
В отличие от предыдущих натурфилософских построений тео¬
рия биосферы В. И. Вернадского была разработана строго в соот¬
ветствии с современным научным подходом. Она вводила коли¬
чественные оценки, которые должны были строиться на точных
эмпирических данных, получаемых при непосредственном изуче¬
нии конкретных природных объектов. Им была найдена общая
единица измерения, пригодная для любых естественных природ¬
ных тел — распределение химических элементов. Вспомним: все
элементы есть везде, но в разных количествах, и это не игра слу¬
чая, а отражение законов природы.
В основе учения о биосфере лежат постулаты, полученные и
результате многовекового опыта человечества и так или иначе
отмеченные еще древними мыслителями:
• целостность Природы («мировой реальности», как говорил
В. И. Вернадский);
• бренность (конечность) всех природных тел (ничто не вечно,
все имеет начало и конец);
• неразрывная взаимосвязь живого и косного (неживого).
Хотя каждый предмет мы воспринимаем индивидуально, все
предметы связаны между собой. «Все живое представляет нераз¬
рывное целое, закономерно связанное не только между собою, но
и с окружающей косной средой биосферы»*, — писал В. И. Вер¬
надский. Эти связи могут быть заметными, не очень близкими
или далекими, прямыми или косвенными, непосредственными или
опосредованными через другие предметы. И, когда мы анализи¬
руем совокупность природных объектов (систему, как теперь го¬
ворят), нам нужно найти и изучить эти связи исходя из принципа
целостности Природы.
Но все эти связи не остаются неизменными. Живые организ¬
мы умирают, разлагаются, и входящие в них элементы вступают и
новый круговорот веществ (рис. 6.1). Неживые объекты (минера¬
лы, горные породы) раньше или позже разрушаются, давая нача¬
ло новым геохимическим циклам элементов. Поэтому все равно¬
весия временны и динамичны.
* Вернадский В. И. Избранные сочинения. — М.: Изд-во АН СССР, 1960. —
Т. 5. - С. 100.
140
Дыхание
Рис. 6.1. Схема биогеохимического обмена почва
мосфера
растение
ат-
В этом плане косное и живое не различаются между собой.
Однако, с другой стороны, живое и косное вещества имеют прин¬
ципиальные различия. Живые организмы существуют только в био¬
сфере в форме дисперсных тел, но не жидких или газообразных;
им присуще свойство размножения, определяющее генетические
связи между ними.
Косные тела, создающие основную массу биосферы, могут быть
1 вердыми, жидкими или газообразными, формирующимися в пре¬
делах биосферы или привносящимися в нее и из более глубоких
частей земной коры, и из космоса. Они чрезвычайно разнообразны
и по своей морфологии, и по своему составу, но между ними нет
генетического единства. Они формируются, а не размножаются.
Живые организмы, постоянно обмениваясь веществом и энер¬
гией с внешней средой, изменяются во времени под влиянием
протекающих в них процессов по законам своего развития. Кос¬
ные тела меняются при изменении внешних условий: температу¬
ры, давления, химического состава среды. Им не присущи внут¬
ренние силы эволюции.
В биосфере мы эмпирически не наблюдаем абиогенного за¬
рождения жизни. Со времен Луи Пастера было много попыток
объяснить происхождение жизни, но все они до сих пор остаются
и ранге гипотез. Мы твердо знаем, что все живое от живого.
Любой организм имеет родителей (по крайней мере, одного при
иегетативном размножении) и наследует их гены. Косные тела
могут образовываться из разных исходных веществ и по разным
технологиям. Для них примат — физико-химические условия, а не
прародитель.
В 1926 г. на русском языке и вскоре (1929) на французском был
опубликован фундаментальный труд В. И. Вернадского «Биосфе¬
ра», где он писал: «В нашем столетии биосфера получает совер-
141
Рис. 6.2. Титульные листы первого издания книги «Биосфера» В. И. Вер¬
надского (1926), ее первого английского (1998) и последнего русского
(2001) изданий
шенно новое понимание; она выявляется как планетное явление
космического характера». И в то же время отмечал, что в науке
нет до сих пор ясного сознания, что явления жизни и явления
мертвой природы, взятые с геологической, т.е. планетной, точки
зрения, представляют собой проявление единого процесса. Это
осознание начинает приходить только теперь (рис. 6.2).
Эпиграфом к «Биосфере» В. И. Вернадский взял строчки свое¬
го любимого поэта Федора Тютчева:
Невозмутимый строй во всем,
Созвучье полное в природе.
Это было новое комплексное исследование сложных, органи¬
зованных эволюцией биокосных систем. Под биосферой здесь уже
понимается не «живой покров Земли», а область существования и
активной деятельности живого вещества планеты. В качестве «жи¬
вого вещества» здесь выступает вся совокупность организмов: ра¬
стений, животных, микроорганизмов, включая человека.
6.2. Понятие «живое вещество»
В биологии мы привыкли иметь дело с живыми организмами,
их развитием, размножением, эволюционным изменением. В мень¬
шей мере говорим об их симбиозах и совсем немного о среде их
обитания. В биогеохимии нужен несколько иной подход. Здесь на
первое место выходит не отдельный организм, его морфология и
классификационные признаки, а их совокупность.
142
1’ис. 6.3. Кларки концентрации некоторых элементов в живом веществе
И действительно. Ни один организм, вид, род не существуют
сами по себе. Везде живут, действуют не отдельные организмы,
а совокупности различных видов, родов и даже типов — симбио¬
зы. Животные не могут существовать без других животных, кото¬
рые не могут жить без растительности, растения — без почвенных
микроорганизмов. Все связано пищевыми цепями. Пищевые (тро-
(1)ические; греч. trophe — питание) цепи включают множество раз¬
личных организмов. Отсюда следует, что нельзя понять существо¬
вание, и тем более геологическое действие организмов на приро¬
ду, оставаясь в пределах отдельных индивидов или видов.
Таким образом, живое вещество — это совокупность живых
организмов, неразрывно связанных с биосферой. В отличие от
живого косное вещество — неживое вещество планеты и Кос¬
моса. В косной среде биосферы возможны обратимые круговые
(1)изик0-химические и геохимические процессы. Живое вещество
с физико-химических позиций резко отлично. Для живого орга¬
низма равновесие приводит к смерти. Прекращается всякое дви¬
жение.
Процессы в живом веществе идут по-иному, чем в косной ма-
зерии, если их рассматривать в аспекте времени. В живом веще¬
стве все процессы идут в масщтабе исторического времени, в ве¬
ществе косном — в масщтабе геологического времени. В резуль-
I ате живое вещество существенно ускоряет все обменные процес¬
сы биосферы.
Средний элементарный химический состав живого вещества
не соответствует среднему составу земной коры (рис. 6.3)*. По-
существу кроме кислорода здесь доминируют всего три элемента:
водород, углерод и азот. Они строят тела живых организмов. Го¬
раздо ниже содержание алюминия, железа и кремния.
См.: Ферсман А.Е. Геохимия. — Т. 1. — Л.: ОНТИ, 1934.
143
в то же время некоторые редкие элементы, такие как иод, ва¬
надий, селен и другие, могут накапливаться живыми организма
ми. В этом отношении живое вещество в целом более однородь^о,
чем косное.
6.3. Возникновение биосферы
Еще совсем недавно протерозойская и архейская эры, объеди
няемые в криптозой (греч. kryptos — тайный, скрытый), или до
кембрий, оставались «темными веками», откуда практически нс
было «письменных источников» о развитии органического мира.
Все сведения об этом периоде (это 7/8 времени существования
нашей планеты) представляли собой гипотезы, проверка которых
казалась невозможной. Биологи рисовали такую картину. В пер
вый и самый длинный отрезок истории Земли происходило обра¬
зование первичного простейшего живого вещества из неоргани¬
ческой материи. Несколько меньшее время потребовалось на воз¬
никновение первых клеток, и лишь после этого начался все уско¬
ряющийся процесс собственно биологической эволюции. Первые
живые микроорганизмы питались «первичным бульоном» — теми
веществами, которые существовали в первичной атмосфере и гид¬
росфере.
Однако начиная с середины второй половины XX в. стало по¬
являться все больше эмпирических фактов, существенно отодви¬
гающих нижнюю границу начала эволюции биоты. В 1947 г. и
местечке Эдиакара в Южной Австралии была найдена и описана
богатая фауна удивительных бесскелетных организмов, получиli-
шая название эдиакарской (рис. 6.4). Аналогичные находки были
сделаны и в других местах. Сейчас известны тысячи экземпляром
различных представителей эдиакарской фауны. В 1984 г. для всех
этих существ было дано собирательное название — вендобионты.
Отдельные находки опускают эту границу еще ниже. Очень
любопытны останки, описанные под названием какабекия зон-
тинная (рис. 6.5). Это крошечные, около 30 мкм в длину пузырь¬
ки, имеющие зонтикообразный вырост на длинной ножке. В от¬
ложениях формации Фиг-Три (Южная Африка) найдена древней¬
шая из известных к настоящему времени бактерия (рис. 6.6).
По косвенным признакам граница наличия биоты на Земле
отодвигалась все дальше и дальше. Датские ученые обнаружили м
породах формации Исуа в Гренландии в углеродистых прослоях
возрастом 3 760 млн лет надежные следы фотосинтеза. Эти поро¬
ды являются вообще древнейшими на Земле осадочными образо¬
ваниями.
В последнее время многие ученые (Г. А. Заварзин и др.) сдвига¬
ют время появления простейших живых веществ практически к
144
Рис. 6.4. Различные представители эдиакарской фауны
концу процесса планетной аккреции. При этом речь уже идет не
об отдельных видах организмов, а о целостных экосистемах, вклю¬
чающих симбиозы живых существ и среды их обитания.
С этих позиций понимание эволюции биосферы идет как сук¬
цессия (лат. successio — преемственность, наследование), после¬
довательная смена одних фито-, биогеоценозов другими на оп¬
ределенном участке среды. Подробнее мы на этом остановимся
\\ гл. 12.
Мы так детально остановились на вопросах времени появле¬
ния биосферы по нескольким причинам. Во-первых, большин-
Рис. 6.5. Загадочный микроорганизм какабекия (возраст — 2 млрд лет)
145
Рис. 6.6. Электронная микрофотография древнейшей из известных бак
терий (3,2 млрд лет, отложения Фиг-Три, Южная Африка)
ство приведенных данных получено в последние годы и еще нс
вошло в учебные издания по геохимии. Во-вторых, только в по¬
следнее время начинают стираться дисциплинарные рамки геоло¬
гических и биологических направлений естественно-научного зна¬
ния. Но это не главное. Самое главное, что на первых же этапах
возникновения биосферы «отрабатывались» принципиальные ме¬
ханизмы взаимодействия живого и косного вещества нашей пла¬
неты, действовавшие в следующие периоды геологической исто¬
рии. По-существу, биосферная экосистема живое ^ косное оп¬
ределила всю геологическую историю земной коры. Именно си¬
стема, а не отдельные ее элементы.
6.4. Биокосные тела
Помимо живых и косных природных тел в биосфере огромную
роль играют их закономерные структуры, включающие разнород¬
ные тела, как, например, почвы, илы, поверхностные воды, сама
биосфера и т. п. Они состоят из живых и косных природных обра¬
зований, одновременно сосуществующих, образующих сложные
закономерные косно-живые структуры. Эти сложные природные
тела называют биокосными природными телами.
«Биокосные естественные тела характерны для биосферы. Это
закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел од¬
новременно (например, почвы), причем все их физико-химиче¬
ские свойства требуют — иногда чрезвычайно больших — попра¬
вок, если при их исследовании не учтено проявление находяще¬
гося в них живого вещества»*, — писал В. И. Вернадский. Уже само
название говорит о том, что это природные системы, в которых
* Вернадский В. И. Биосфера. Мысли и наброски.
«Ноосфера», 2001. — С. 162.
146
М.: Издательский дом
наблюдается органичное сочетание и тесное взаимодействие жи-
инго и косного вещества.
\Важнейшим природным образованием, связывающим косные
природные тела с организмами, являются микробы и, еще глуб¬
же, [вирусы, проявляющие себя и как живые, и как косные есте-
I' гиснные тела биосферы. В живом веществе вирусы размножают-
131, в косной среде — кристаллизуются. Прокариоты (греч. pro —
пнереди, вместо; кагуоп — ядро), к которым относятся безъядер¬
ные простейшие организмы, и эукариоты (греч. ёи — полнос-
1ыо) — организмы, обладающие оформленным клеточным ядром,
проникают во все тела биосферы и проделывают огромную биогео-
чимическую работу. В совокупности весь этот микромир огромен.
Ом пронизывает всю биосферу, создает множество незримых свя-
1СЙ между живой и косной материей, определяет их взаимодей-
с гвие. Почва, лишенная микроорганизмов, — уже не почва, а кос¬
ти й субстрат.
По-существу, все поверхностные и многие подземные воды яв¬
ляются биокосными телами, поскольку всегда содержат минераль¬
ные (растворенные соли) и биотические (микроорганизмы) со-
с гавляющие. Тонкие пленки таких вод обволакивают все твердые
гола, проникают по трещинам в горные породы, разрушают ска¬
ны и создают условия для развития более сложных организмов —
лишайников, грибов и растений, покрывающих эти скалы. Сама
Г)иосфера есть сложное планетное биокосное природное образо-
иание.
Взаимодействие косного и живого вещества биосферы ведет к
перераспределению элементов между отдельными ее телами. В про¬
цессе своего питания живые организмы избирательно поглощают
одни элементы и выделяют другие, вызывая их дифференциацию.
«Между косным и живым веществом есть, однако, непрерывная,
никогда не прекращающаяся связь, которая может быть выраже¬
на как непрерывный биогенный ток атомов из живого вещества в
косное вещество биосферы, и обратно. Этот биогенный ток ато¬
мов вызывается живым веществом. Он выражается в их непрекра-
щающемся никогда дыхании, питании, размножении и т.д.»*.
Этот процесс настолько тонок и деликатен, что приводит к
разделению не только элементов, но и их изотопов. Возникающее
биогенное разделение изотопов устойчиво сохраняется в косном
веществе, что позволяет использовать изотопные отношения для
1иляснения природы (органической или неорганической) геоло¬
гических образований давно прошедших эпох. Карбонаты различ¬
ного происхождения имеют разное соотношение [/^С]/[^^С], суль-
(|)иды — [^"^S]/[^^S], а различия отношений концентраций изото¬
* Вернадский В. И, Научная мысль как планетное явление. — М.: Наука,
1991. - С. 17.
147
пов кислорода [^^0]/[^^0] в различных телах позволяет даже вое
становить палеотемпературы древних водных бассейнов.
6.5. Различия между живым и косным веществом
Хотя живое вещество не может существовать без тесного взаи
модействия с веществом косным, между ними существует целый
ряд принципиальных отличий. В. И. Вернадский сформулировал
12 таких различий.
1. Косное вещество сосредоточивается в биосфере и за ее пре
делами, в более глубоких частях планеты, где живое вещество «за
глушается давлением». Живые естественные тела проявляются толь
ко в биосфере и только в форме дисперсных тел, в виде живых
организмов и их совокупностей.
2. В косных естественных телах нет преобладания правых или
левых форм, не подчиненных законам симметрии твердого тела,
Для живых организмов характерна избирательность изомеров,
обусловленная иным состоянием пространства, диссимметрией Па
стера (правизна-левизна).
3. Новое косное естественное тело создается физико-химичс
скими и геологическими процессами, безотносительно к ранее
бывшим естественным телам, живым или косным. Здесь на пер
вое место выступают физико-химические параметры (температу
ра, давления, концентрация). Новое живое естественное тело —
живой организм — родится только из другого живого организма.
Абиогенеза в биосфере нет.
4. Процессы, создающие косное естественное тело, обратимы
во времени. Процессы, создающие живое естественное тело, не
обратимы во времени.
5. У косного вещества размножения нет. Живое естественное
тело создается размножением — созданием нового живого естс
ственного тела из предыдущего живого естественного тела, и i
поколения в поколение. Оно создается сложным биохимическим
процессом.
6. Число косных естественных тел не зависит от размеров пла¬
неты, а определяется свойствами планетной материи-энергии.
Число живых естественных тел количественно связано с размера
ми определенной земной оболочки — биосферы.
7. Площадь и объем проявления косных естественных тел пс
ограничены в пределах планеты, масса их колеблется в геологи¬
ческом времени. Масса живых веществ (совокупностей живых
естественных тел) близка к пределу и, по-видимому, остается под¬
вижно неизменной в течение геологического времени. Она опрс
деляется, в конце концов, количеством и колебаниями лучистой
солнечной энергии, охватывающей биосферу.
148
8. Минимальный размер косного естественного тела определя¬
ется дисперсностью материи-энергии — атомом, электроном, кор¬
пускулой, нейтроном и т.д. Максимальный размер определяется
размерами планеты. Минимальный размер живого естественного
icjia определяется дыханием, главным образом газовой биогенной
миграцией атомов.
9. Химический состав косных естественных тел всецело явля¬
йся функцией состава окружающей среды, в которой они созда-
югся.
Химический состав живых естественных тел создается ими са¬
мими из окружающей среды, из которой они питанием и дыхани¬
ем выбирают нужные им для жизни и размножения — для созда¬
ния новых живых естественных тел — химические элементы. Они
при этом, по-видимому, могут менять состав их изотопов, менять
их атомные вещества.
10. Количество химических соединений — молекул и кристал-
;юв — в косных естественных телах земной коры и биосферы,
ограничено.
Существуют немногие тысячи естественных «земных», а веро-
и гно, и «космических» химических соединений — молекул и кри¬
сталлических пространственных решеток.
Количество химических соединений в живых естественных те¬
пах и количество характеризуемых ими живых естественных тел
безгранично. Мы уже знаем миллионы видов организмов и мил-
пионы миллионов отвечающих им молекул и кристаллических
решеток.
11. Все природные процессы в области естественных косных
leji, за исключением явлений радиоактивности, уменьшают сво-
(н)дную энергию среды. Природные процессы живого вещества в
их отражении в биосфере увеличивают свободную энергию био¬
сферы.
12. Изотопические смеси (земные химические элементы) не
меняются в косных естественных телах биосферы (за исключени¬
ем радиоактивного распада). Изменение изотопических смесей
миляется характерным для живого вещества свойством.
Из всех перечисленных различий особо можно выделить спо¬
собность к размножению, определяющую многие остальные от¬
личительные свойства ЖИВЫХ организмов. Стремление увеличе¬
ния массы живого вещества путем размножения ограничивается
юлько наличием продуктов жизнеобеспечения — вещества и энер-
1ИИ. Подсчитано, что одна диатомея (диатомовые водоросли —
|рунпы ОДНОЮ1СТОЧНЫХ организмов, клетки которых заключены в
к|)смневый панцирь, нередко весьма причудливой формы) при
бжи оприятных условиях за 8 сут может дать массу материи, рав¬
ную объему нашей планеты, а в течение следующего часа удвоить
му массу.
149
6.6. Геохимические функции живого вещества
Основная роль живого вещества в строении биосферы, да и
всей современной земной коры, определяется тем, какую pojii.
оно играет в формировании направлений и скорости миграции
элементов в ходе эволюции нашей планеты. Физиологические
функции отдельных организмов, взятые вместе, с геохимических
позиций, с позиций живого вещества, выраженные числом, BbiBii
ляют его геохимические функции, дающие новое понимание стро
ения и развития земной коры. Виды меняются, а геохимические
функции живого вещества остаются неизменными на протяже¬
нии всей геологической истории.
Если в течение геологической истории морфология и видово1^
состав биоты претерпевали существенные изменения, то геологи
ческие функции живого вещества в общих чертах оставались не¬
изменными.
Здесь наглядно проявляется различие двух принципиальных
типов (последовательного и параллельного) логических связей
между отдельными функциональными элементами единой систе
мы динамического объекта (см. рис. 2.5). Функция проявляется
на протяжении всей геологической истории, но она может вы¬
полняться различными элементами единой системы.
Какой-либо общей систематизации геохимических функций
биосферы пока не выработано, хотя их перечисление встречается
у многих авторов. Это не случайно. Во-первых, эти функции весьма
многообразны; во-вторых, многие из них тесно связаны между
собой. Видимо, такая систематизация должна формироваться м
связи с конкретными задачами и может трансформироваться с
изменением цели исследования. В самом общем виде функции*
могут быть подразделены на три основные группы: вещественные,
энергетические и информационные (табл. 6.1). В своей совокупно¬
сти они ускоряют биогеохимическую миграцию элементов.
Наиболее разработаны вещественные аспекты этой роли жи¬
вого вещества. Здесь можно отметить две основные функции: де¬
структивную и концентрационную.
Деструктивные функции способствуют разложению самых раз¬
ных тел природы и вовлечению слагающих их элементов в новые
геохимические циклы. Разложение не только органических, но и
минеральных веществ происходит в процессе питания. Корни рас¬
тений растворяют минералы, извлекая необходимые для жизни
химические элементы. Остатки растений и животных превраща¬
ются микроорганизмами в компост. В результате фотохимических
процессов, происходящих в хлорофилловом веществе зеленых ра-
* Функция (лат. functio — совершение, исполнение) — деятельность, роль
объекта в рамках некоторой системы, которой он принадлежит.
150
Таблица 6.1
Основные геохимические функции живого вещества
Функции
Основные группы
функций
Примеры
Иеществен-
иые
Деструктивные
Углекислотная, углеводород¬
ная, сероводородная, водо¬
родная, азотная, окислительно¬
восстановительная
Концентрационные
Хлорофилловая (О2), кальцие¬
вая, каустобиолитовая,
железистая
'*)нергети-
чсские
Поглощение
Накопительная (аккумулятив¬
ная), хранительная, буферная
Т рансформация
Трансформационная, обменная
И нформа-
ционные
Накопление
и сохранение
Генетическая, симбиотическая
Передача
Соматическая, организа¬
ционная
с'гсний, углекислый газ разлагается на углерод и кислород. Пер-
иый усваивается организмом, второй выделяется в процессе дыха¬
ния в атмосферу. Подобные процессы идут повсеместно и посто¬
янно.
При разложении органических веществ большая часть их ми¬
нерализуется, т.е. окисляется до простых минеральных соедине¬
ний — СО2, Н2О, минеральных солей. Этот процесс противопо¬
ложен фотосинтезу, он сопровождается освобождением энергии,
поглощенной при фотосинтезе. Энергия освобождается не только
и виде теплоты, но и в виде химической энергии, носителями
которой являются природные воды. Обогащаясь такими продук¬
тами минерализации, как углекислый газ, сероводород, воды ста¬
новятся химически высокоактивными.
Разложение органических веществ приводит к уменьшению
сложности, разнообразия, т.е. это процесс энтропийный. Действи¬
тельно, при минерализации остатки всех видов растений и жи¬
вотных превращаются в небольшое число минеральных соедине¬
ний. Минерализация протекает и в растениях, которые в процес-
ге дыхания окисляют органические соединения. Однако фотосин¬
тез создает значительно больше органических веществ, чем их
1>11 зрушается при дыхании. В целом растения — накопители орга¬
нических веществ и энергии.
Наиболее велико значение микроорганизмов, которые разла-
I лют остатки растений и животных, минерализуют их до СО2, Н2О
151
и минеральных солей. Микроорганизмы существуют в воздухе,
почве, коре выветривания, илах, поверхностных и подземных во
дах. Особенно много их в почвах и илах (до нескольких миллиар
дов в 1 г). Белки, жиры, клетчатка, хитин, гумус и другие органи
ческие вещества с той или иной скоростью разрушаются микро
организмами.
Если накопление массы живого вещества из минеральных со
единений происходит преимущественно на земной поверхносш
и в верхних горизонтах моря, куда проникает солнечный свет и
где возможен фотосинтез, то разложение протекает и в глубоких
слоях литосферы, которые являются зоной активной геохимичс
ской деятельности микроорганизмов, разрушающих органические
вещества, захороненные в породах. Везде, где в породах имеются
вода и органические вещества (нефть, угли, битуминозные извест
няки, углистые сланцы и др.), создаются условия для деятельное
ти микроорганизмов. Даже в водах нефтяных месторождений ii;i
глубине нескольких тысяч метров содержатся микробы.
С разложением органических веществ связаны различные био
геохимические функции живого вещества. Углекислотная функ
ция, не зависящая от кислородной (фотосинтеза), не связана с
хлорофиллом. Все живые организмы (растения, животные, мик
роорганизмы) дышат, вьщеляя углекислый газ. Особенно велика
роль микроорганизмов, в результате деятельности которых поч
венный и грунтовый воздух намного богаче СО2, чем атмосфер¬
ный. Биогенный углекислый газ, растворяясь в водах, оказывас!
огромное влияние на миграцию большинства химических элемен¬
тов (кислая и щелочная реакция вод, образование растворимых
карбонатных комплексов металлов и т.д.).
Весьма характерна углеводородная функция живого вещества.
В бескислородной среде микробиологическое разложение органи
ческих остатков часто приводит к образованию метана и других
углеводородов. Эти процессы известны в почвах, илах и особенно и
подземных водах, где происходит разложение углей, нефти и биту¬
мов. Углеводороды, возникающие на глубинах в сотни и тысячи
метров, легко мигрируют и накапливаются в различных «ловуш¬
ках» в форме газовых залежей. Поток углеводородов направлен к
земной поверхности, с ним связаны многие геохимические про¬
цессы в подземных водах, эпигенетические изменения в породах.
Не менее важна и сероводородная функция сульфатредуциру-
ющих бактерий, разлагающих органические вещества и сульфат1>1
с вьщелением углекислого газа и сероводорода. Примерной схе¬
мой такой реакции может служить следующее уравнение:
3Na2S04+ СбН120б-> 3Na2C03-r ЗН2О + ЗСО2+ 3H2S + Q
Эта реакция для бактерий играет роль дыхательного акта. Oi -
нимая кислород у сульфатов, бактерии окисляют им органиче-
152
с кие вещества. Выделяющаяся при этом энергия Q используется
микробами для жизненных процессов. Восстановленная сера вы¬
деляется в форме H2S, окисленный углерод — в виде СО2. Десуль-
(|)уризация протекает там, где органические вещества (уголь, гу¬
мус, торф, битумы и т. д.) разлагаются без доступа свободного кис¬
лорода и в присутствии сульфатов: в засоленных почвах, илах морей
и соленых озер, в водоносных горизонтах. Геохимическое значе¬
ние сероводородной функции живого вещества огромно, так как
с ней связано образование пирита и других сульфидов, в том чис¬
ле образование сульфидных экзогенных месторождений.
Выделение водорода при разложении органических веществ в
анаэробной среде — результат водородной функции живого веще¬
ства (водородное брожение клетчатки и другие процессы). Водо¬
род обнаружен во многих подземных водах. Он является исклю¬
чительно активным геохимическим агентом.
В результате различных микробиологических процессов про¬
исходит накопление свободного азота в атмосфере и гидросфере
(азотная функция живого вещества).
Деструктивные функции способствуют разложению минераль¬
ных веществ, в том числе техногенных, часто чуждых сложив¬
шимся природным равновесиям. Однако не все техногенные ма-
гериалы активно разлагаются живым веществом. Природа еще не
«изобрела» бактерий, способных разлагать полиэтилен и многие
другие синтетические материалы.
Уже из этого краткого перечисления видно, что деструктивные
(функции в разных условиях выполняют разные организмы и их
сообщества.
Окислительно-восстановительные функции живого вещества
проявляются преимущественно при разложении органических ве¬
ществ.
Окислительная функция состоит в окислении свободным
кислородом органических веществ, пирита, сидерита, серы и т.д.
В процессах окисления участвуют различные аэробные бактерии.
Давно известна их роль в окислении самородной серы и органи¬
ческих веществ в почвах. Окисление сульфидов также осуществ¬
ляется микроорганизмами. Это установлено для пирита, сульфи¬
дов меди, молибденита и других минералов.
Восстановительная функция заключается в восстановлении
железа, марганца, меди и других элементов. Его осуществляют
многочисленные микроорганизмы.
Концентрационная функция осуществляется параллельно с де¬
структивной и является ее антиподом. В целом они являются раз¬
нонаправленными составляющими единого процесса метаболиз¬
ма. Так, хлорофилловая функция зеленых растений:
СО2 + Н2О + Световая энергия
Хлорюфилл
-> + О2
153
является одновременно деструктивной для СО2 и концентраци
онной для углерода, накапливающегося в теле организма (орга
ническое вещество условно изображено в виде соединения QH/),),
Строя свои скелеты, организмы концентрируют кремний (p;i
диолярии), морские водоросли концентрируют иод, кораллы и
многочисленные беспозвоночные концентрируют огромные мае
сы кальция, создавая мощные толщи известняков. Торф, угли,
нефть, горючий газ — результаты концентрации органических
соединений живым веществом. Некоторые организмы избиратель
но концентрируют медь, ванадий, стронций, никель и другие эле¬
менты.
Перечислим крупнейшие следы биогеохимических функци!)
живого вещества:
• кислород атмосферы;
• отложения карбонатных толщ;
• железистые кварциты;
• скопления угля, нефти, газа.
Все живые организмы накапливают относительно литосферы
углерод, водород, кислород, азот. В производных жизни — горю
чих ископаемых — углерода, водорода и азота больше, чем в ли¬
тосфере в целом.
Велика роль живого вещества и в концентрации других эле¬
ментов, хотя концентраторами являются не все живые организ¬
мы, а лишь некоторые виды и роды. Так, сине-зеленые водоросли
концентрируют Fe, Мп, Си, Со, Ni, Ti, V, Сг.
Многочисленные группы сухопутных и морских животных с
известковым скелетом концентрируют кальций (моллюски, ко¬
раллы, устрицы, фораминиферы и др.). После их смерти скеле¬
ты образуют известковые осадки — толщи озерных или морских
известняков. Губки, радиолярии, диатомовые водоросли и дру¬
гие концентраторы кремния образуют огромные скопления крем¬
незема в озерах и морях (трепел, диатомиты и другие породы).
Известны организмы, обогащенные стронцием (радиолярии
акантарии), иодом (морские водоросли), ванадием (асцидии),
натрием (травы солянки) и т.д. Некоторые микроорганизмы на¬
капливают железо и марганец. В целом установлена концентра¬
ция организмами Н, Li, Be, В, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl,
K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Se, Sr, Mo, Ag, I,
Au, Pb, Ra, U.
По A. П. Виноградову способность к концентрации уменьша¬
ется от низших форм организмов к высшим. Так, среди позвоноч¬
ных уже не встречаются концентраторы Si, Fe, Sr, I. Таким обра¬
зом, в ходе эволюции организмы освободились от многих, свой¬
ственных им ранее геохимических функций, но соответствующие
элементы продолжают выполнять в их телах физиологические
функции (железо в гемоглобине, иод в щитовидной железе и т.д.).
154
Следовательно, жизнь «пробовала» различные варианты био-
ииического поглощения, вовлекала в биогенную миграцию раз-
тчпые элементы, пока в ходе эволюции не возникли оптималь-
m.ie соотношения, свойственные наиболее высокоорганизованным
гуществам.
•)иергетические функции включают два основных направ-
и'иия: поглощение и трансформация. Количество солнечной
•иергии, поглощаемой зеленым веществом планеты, составляет
(4 —6) • 10^ эрг/(см^ - с). Это значение соизмеримо со всем пото¬
ком энергии, поступающим из более глубоких частей Земли (под¬
робнее смотри далее). Эта энергия распределяется между различ¬
ными видами живого вещества и при его захоронении аккумули¬
руется в породах литосферы не только в виде торфа, угля, нефти
и газа, но и в виде рассеянного органического вещества, присут-
11 иующего в большинстве осадочных и метаморфических пород.
)го огромный аккумулятор солнечной энергии. Кроме того, жи-
иое вещество выполняет и буферную роль. Повышение темпера-
|уры поверхности усиливает интенсивность жизнедеятельности
организмов, что способствует более энергичному поглощению
•иергии, концентрирующейся в органических и минеральных но¬
вообразованиях, природных ее аккумуляторах.
Энергетические функции живого вещества биосферы не огра¬
ничиваются аккумулированием солнечной энергии. Не меньшее
шачение имеют трансформационные функции, способствующие
переводу исходной солнечной энергии в другие ее формы — хи¬
мическую, механическую, тепловую, электрическую и т.д. Миг¬
рация самих органических соединений и других элементов, обра-
•ующих органоминеральные соединения, процессы окисления и
восстановления прямо или косвенно используют солнечную энер-
I ИЮ, накопленную живым веществом.
Рассмотрим информационные функции. Биосфера не хаоти¬
ческое сборище составляющих ее элементов, а организованная,
взаимодействующая система. Жизнь постоянно репродуцирует себя
(все живое от живого). На уровне живого вещества существует два
типа накопления и передачи информации: генетическая и сома¬
тическая. Информация, накопленная в хромосомах {генетиче¬
ская), передается из поколения в поколение через гены. Знания,
приобретенные индивидом, — соматическая информация (греч.
soma — тело, все клетки организма за исключением половых) —
ие передается через гаметы (половые клетки). Здесь приобретают
шачение иные способы накопления, сохранения и передачи ин-
(|)ормации, приобретающие все большее значение по мере разви¬
тия ноосферы. Подробнее мы рассмотрим это в гл. 12, 13.
Живое вещество выполняет центральную роль в организован¬
ности биосферы. Ускорение передачи информации ведет к ин¬
тенсификации всего эволюционного развития, ускоряет всю био¬
155
геохимическую миграцию элементов. Эволюция биоты, появлс
ние новых видов организмов, освоение ими все больших про
странств были бы невозможны без накопления генетической ип
формации в живом вехцестве.
6.7. Геохимические функции абиотических геосфер
Поскольку биосфера как система включает не только живое
но и косное вегцество, необходимо хотя бы кратко обозначи!
геохимические функции абиотических геосфер: литосферы, гид
росферы и атмосферы. К этому вопросу можно подойти, исполь
зуя ту же схему, что и для живого вещества, объединив веще
ственные, энергетические и информационные функции в cooi
ветствующие группы. Такую группировку полезно делать при ана
лизе процессов, происходящих на конкретных территориях. Здесь
мы остановимся на некоторых специфических функциях, харак¬
терных в большей мере для абиотических сфер, хотя и здесь труд¬
но полностью исключить влияние живого вещества.
Литосфера выполняет ресурсные функции. Основные aanaci.i
минеральных веществ, необходимых для биогеохимического кру¬
говорота элементов, сосредоточены в литосфере. Все минераль¬
ные вещества, необходимые для жизнедеятельности организмов,
берутся из литосферы непосредственно или через гидросферу и
почву. Учитывая мощность литосферы, на порядки превышаю¬
щую мощность тонкой пленки почвенного покрова, ресурсы ми¬
неральной части земной коры можно считать неисчерпаемыми.
Однако здесь ограничения вводятся не только геометрическим
расположением конкретных горных пород, но и степенью кон¬
центрации и формами нахождения отдельных элементов, что под¬
робнее будет рассматриваться в следующих главах. Сюда же сбра¬
сываются и продукты жизнедеятельности биоты и конечные про¬
дукты других геохимических процессов. Их можно назвать погло¬
тительными функциями. Накапливающиеся в абиотических гео¬
сферах элементы могут быть в дальнейшем вновь включены в кру¬
говорот достаточно быстро или через большие или меньшие про¬
межутки времени, образуя своеобразные «депо» на путях мигра¬
ции элементов.
На ранних стадиях развития земной коры значительными ре¬
сурсными функциями обладала атмосфера, первичный состав ко¬
торой существенно отличался от современного. Подробнее эти
процессы будут рассмотрены в гл. 11.
Транспортные функции, очень замедленные в литосфере, рез¬
ко ускоряются в гидросфере и особенно в атмосфере. При пере¬
мещении воды и воздушных масс захватываются и перемещаются
многочисленные элементы и их соединения в виде растворенных
156
или взвешенных компонентов. Перемешивание газообразных ве¬
ществ в атмосфере происходит путем глобальной циркуляции, для
которой созданы модели переноса.
Неравномерность нагрева атмосферы Солнцем и вращение
<смли создают условия для переноса газов. В общем, имеются
области переноса с востока на запад в экваториальной зоне и
противоположного переноса в высоких широтах (со скоростью
около 5 м/с).
Все химические взаимодействия протекают значительно ин-
гснсивнее в водной среде за счет особых химических свойств воды.
Иода — весьма реакционноспособное соединение, что объясняет¬
ся наличием в ее молекуле двух неподеленных пар электронов
(см. рис. 5.6). В результате даже с инертными газами она образует
гидраты. Диссоциация молекул Н2О на ионы и ОН" приводит
к гидролизу растворяющихся веществ, что способствует дальней¬
шей активизации химических взаимодействий при разных темпе¬
ратурах. В конечном счете, вода является активатором огромно¬
го множества химических взаимодействий, происходящих с уча-
с I ием воды, но без ее связывания в конечных продуктах реакции.
Исе это можно отнести к каталитическим функциям гидросфе¬
ры.
6.8. Биомасса Земли
Биомасса Земли — совокупность всех живых организмов (жи-
иого вещества) планеты. Биомасса Земли выражается в единицах
массы или энергии, отнесенной к единице площади или объема.
Приблизительные подсчеты биомассы Земли в пересчете на су¬
хую массу дают ~(2 —3) • 10*^ т, что составляет (3 —5) • 10"^% мас¬
сы Земли, (0,7 —1,0) • 10^% массы биосферы (Ф.Я. Шипунов, 1980).
Большая доля биомассы Земли приходится на фитомассу (греч.
phytos — растение). Для сравнения масса всего человечества со-
сгавляет (2 —3) • 10^ т или 0,01 % массы всей биоты.
Если взглянуть в глубь веков, то окажется, что в осадочной
оболочке земной коры среднее содержание углерода органичес¬
кого происхождения составляет 0,54%, и за геологическую исто¬
рию его накопилось 12,3 • 10^"^ т. Большая часть этой массы нахо-
/щтся в рассеянном состоянии. Еще больше в этих породах сосре¬
доточено органогенных карбонатов, их среднее содержание со¬
ставляет 8,99 %, общая масса — 5,6 * 10^^ т*.
Глубже осадочной оболочки расположен гранитогнейсовый
слой. Хотя содержание ископаемых органических веществ с глу¬
биной постепенно уменьшается, следы живого вещества обнару-
Шипунов Ф.Я. Организованность биосферы. — М.: Наука, 1980.
157
является одновременно деструктивной для СО2 и концентраци
онной для углерода, накапливающегося в теле организма (орга
нтеское вещество условно изображено в виде соединения
Строя свои скелеты, организмы концентрируют кремний (ра
диолярии), морские водоросли концентрируют иод, кораллы и
многочисленные беспозвоночные концентрируют огромные мае
сы кальция, создавая мощные толщи известняков. Торф, угли,
нефть, горючий газ — результаты концентрации органических
соединений живым веществом. Некоторые организмы избиратель-
но концентрируют медь, ванадий, стронций, никель и другие эле¬
менты.
Перечислим крупнейшие следы биогеохимических функций
живого вещества:
• кислород атмосферы;
• отложения карбонатных толщ;
• железистые кварциты;
• скопления угля, нефти, газа.
Все живые организмы накапливают относительно литосферы
углерод, водород, кислород, азот. В производных жизни — горю¬
чих ископаемых — углерода, водорода и азота больше, чем в ли¬
тосфере в целом.
Велика роль живого вещества и в концентрации других эле¬
ментов, хотя концентраторами являются не все живые организ¬
мы, а лишь некоторые виды и роды. Так, сине-зеленые водоросли
концентрируют Fe, Мп, Си, Со, Ni, Ti, V, Сг.
Многочисленные группы сухопутных и морских животных с
известковым скелетом концентрируют кальций (моллюски, ко¬
раллы, устрицы, фораминиферы и др.). После их смерти скеле¬
ты образуют известковые осадки — толщи озерных или морских
известняков. Губки, радиолярии, диатомовые водоросли и дру¬
гие концентраторы кремния образуют огромные скопления крем¬
незема в озерах и морях (трепел, диатомиты и другие породы).
Известны организмы, обогащенные стронцием (радиолярии
акантарии), иодом (морские водоросли), ванадием (асцидии),
натрием (травы солянки) и т.д. Некоторые микроорганизмы на¬
капливают железо и марганец. В целом установлена концентра¬
ция организмами Н, Li, Be, В, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl,
K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Se, Sr, Mo, Ag, 1,
Au, Pb, Ra, U.
По A. П. Виноградову способность к концентрации уменьша¬
ется от низших форм организмов к высшим. Так, среди позвоноч¬
ных уже не встречаются концентраторы Si, Fe, Sr, I. Таким обра¬
зом, в ходе эволюции организмы освободились от многих, свой¬
ственных им ранее геохимических функций, но соответствующие
элементы продолжают выполнять в их телах физиологические
функции (железо в гемоглобине, иод в щитовидной железе и т.д.).
154
Следовательно, жизнь «пробовала» различные варианты био-
|п| ического поглощения, вовлекала в биогенную миграцию раз¬
ни и ые элементы, пока в ходе эволюции не возникли оптималь¬
ные соотношения, свойственные наиболее высокоорганизованным
гущсствам.
Энергетические функции включают два основных направ-
юния: поглощение и трансформация. Количество солнечной
щсргии, поглощаемой зеленым веществом планеты, составляет
(4 — 6) • 10^ эрг/(см^ - с). Это значение соизмеримо со всем пото¬
ком энергии, поступающим из более глубоких частей Земли (под¬
робнее смотри далее). Эта энергия распределяется между различ¬
ными видами живого вещества и при его захоронении аккумули¬
руется в породах литосферы не только в виде торфа, угля, нефти
н газа, но и в виде рассеянного органического вещества, присут-
1‘ I иующего в большинстве осадочных и метаморфических пород.
)10 огромный аккумулятор солнечной энергии. Кроме того, жи¬
ме >с вещество выполняет и буферную роль. Повышение темпера-
|уры поверхности усиливает интенсивность жизнедеятельности
организмов, что способствует более энергичному поглощению
тергии, концентрирующейся в органических и минеральных но¬
ме )образованиях, природных ее аккумуляторах.
Энергетические функции живого вещества биосферы не огра¬
ничиваются аккумулированием солнечной энергии. Не меньшее
тачение имеют трансформационные функции, способствующие
переводу исходной солнечной энергии в другие ее формы — хи¬
мическую, механическую, тепловую, электрическую и т.д. Миг¬
рация самих органических соединений и других элементов, обра-
|ующих органоминеральные соединения, процессы окисления и
мосстановления прямо или косвенно используют солнечную энер-
I ИЮ, накопленную живым веществом.
Рассмотрим информационные функции. Биосфера не хаоти¬
ческое сборище составляющих ее элементов, а организованная,
мааимодействующая система. Жизнь постоянно репродуцирует себя
(нее живое от живого). На уровне живого вещества существует два
1ипа накопления и передачи информации: генетическая и сома¬
тическая. Информация, накопленная в хромосомах {генетиче¬
ская), передается из поколения в поколение через гены. Знания,
приобретенные индивидом, — соматическая информация (греч.
soma — тело, все клетки организма за исключением половых) —
не передается через гаметы (половые клетки). Здесь приобретают
тачение иные способы накопления, сохранения и передачи ин¬
формации, приобретающие все большее значение по мере разви¬
тия ноосферы. Подробнее мы рассмотрим это в гл. 12, 13.
Живое вещество выполняет центральную роль в организован¬
ности биосферы. Ускорение передачи информации ведет к ин¬
тенсификации всего эволюционного развития, ускоряет всю био¬
155
геохимическую миграцию элементов. Эволюция биоты, поянлг
ние новых видов организмов, освоение ими все больших про
странств были бы невозможны без накопления генетической им
формации в живом веществе.
6.7. Геохимические функции абиотических геосфер
Поскольку биосфера как система включает не только живое,
но и косное вещество, необходимо хотя бы кратко обозначим,
геохимические функции абиотических геосфер: литосферы, гид
росферы и атмосферы. К этому вопросу можно подойти, исполь
зуя ту же схему, что и для живого вещества, объединив вешс
ственные, энергетические и информационные функции в соот
ветствующие группы. Такую группировку полезно делать при а на
лизе процессов, происходящих на конкретных территориях. Здсс1.
мы остановимся на некоторых специфических функциях, харак¬
терных в большей мере для абиотических сфер, хотя и здесь труд
но полностью исключить влияние живого вещества.
Литосфера выполняет ресурсные функции. Основные запасы
минеральных веществ, необходимых для биогеохимического кру¬
говорота элементов, сосредоточены в литосфере. Все минерал!,
ные вещества, необходимые для жизнедеятельности организмов,
берутся из литосферы непосредственно или через гидросферу и
почву. Учитывая мощность литосферы, на порядки превыщаю-
щую мощность тонкой пленки почвенного покрова, ресурсы ми¬
неральной части земной коры можно считать неисчерпаемыми.
Однако здесь ограничения вводятся не только геометрическим
расположением конкретных горных пород, но и степенью кон¬
центрации и формами нахождения отдельных элементов, что под¬
робнее будет рассматриваться в следующих главах. Сюда же сбра¬
сываются и продукты жизнедеятельности биоты и конечные про¬
дукты других геохимических процессов. Их можно назвать погло¬
тительными функциями. Накапливающиеся в абиотических гео¬
сферах элементы могут быть в дальнейшем вновь включены в кру¬
говорот достаточно быстро или через большие или меньшие про¬
межутки времени, образуя своеобразные «депо» на путях мигра¬
ции элементов.
На ранних стадиях развития земной коры значительными ре¬
сурсными функциями обладала атмосфера, первичный состав ко¬
торой существенно отличался от современного. Подробнее эти
процессы будут рассмотрены в гл. 11.
Транспортные функции, очень замедленные в литосфере, рез¬
ко ускоряются в гидросфере и особенно в атмосфере. При пере¬
мещении воды и воздушных масс захватываются и перемещаются
многочисленные элементы и их соединения в виде растворенных
156
Him взвешенных компонентов. Перемешивание газообразных ве¬
ществ в атмосфере происходит путем глобальной циркуляции, для
коюрой созданы модели переноса.
Неравномерность нагрева атмосферы Солнцем и вращение
1емли создают условия для переноса газов. В общем, имеются
о()ласти переноса с востока на запад в экваториальной зоне и
противоположного переноса в высоких широтах (со скоростью
около 5 м/с).
Все химические взаимодействия протекают значительно ин-
1П1сивнее в водной среде за счет особых химических свойств воды.
Иода — весьма реакционноспособное соединение, что объясняет¬
ся наличием в ее молекуле двух неподеленных пар электронов
(см. рис. 5.6). В результате даже с инертными газами она образует
I идраты. Диссоциация молекул Н2О на ионы и ОН~ приводит
к гидролизу растворяющихся веществ, что способствует дальней¬
шей активизации химических взаимодействий при разных темпе-
ря гурах. В конечном счете, вода является активатором огромно¬
го множества химических взаимодействий, происходящих с уча-
с гием воды, но без ее связывания в конечных продуктах реакции.
Исе это можно отнести к каталитическим функциям гидросфе¬
ры.
6.8. Биомасса Земли
Биомасса Земли — совокупность всех живых организмов (жи-
иого вещества) планеты. Биомасса Земли выражается в единицах
массы или энергии, отнесенной к единице площади или объема.
Приблизительные подсчеты биомассы Земли в пересчете на су¬
хую массу дают -(2 — 3) • 10^^ т, что составляет (3 — 5) * 10'^ % мас¬
сы Земли, (0,7 —1,0) • 10"^% массы биосферы (Ф. Я. Шипунов, 1980).
Большая доля биомассы Земли приходится на фитомассу (греч.
phytos — растение). Для сравнения масса всего человечества со¬
ставляет (2 —3) • 10^ т или 0,01 % массы всей биоты.
Если взглянуть в глубь веков, то окажется, что в осадочной
оболочке земной коры среднее содержание углерода органичес¬
кого происхождения составляет 0,54%, и за геологическую исто¬
рию его накопилось 12,3 • 10^"^ т. Большая часть этой массы нахо¬
дится в рассеянном состоянии. Еще больше в этих породах сосре¬
доточено органогенных карбонатов, их среднее содержание со¬
ставляет 8,99 %, общая масса — 5,6 • 10*^ т*.
Глубже осадочной оболочки расположен гранитогнейсовый
слой. Хотя содержание ископаемых органических веществ с глу-
()Иной постепенно уменьшается, следы живого вещества обнару¬
* Шипунов Ф.Я. Организованность биосферы. — М.: Наука, 1980.
157
живаются в древнейших горных породах. Даже в гранитах и гней
сах, где нет прямых морфологически различимых остатков opi а
низмов, мы видим влияние древнейшей жизни по соотношении)
изотопов отдельных элементов. В. И. Вернадский называет поро
ды гранитогнейсового слоя областью былых биосфер. Прямые еле
ды жизни здесь стерты глубокими преобразованиями в области
высоких температур и давлений, но изотопные отношения, харак
терные для биогенного их перераспределения, несут нам информа
цию о том, что здесь происходило миллиарды лет тому назад.
6.9. Границы биосферы
Пределы биосферы обусловлены не только полем наличии
жизни, но прежде всего областью существования и активной деи
тельности живого вещества. Споры погребаются вместе с осадка
ми, человек вышел в космос, но это не значит, что биосфера рас
пространилась в область метаморфизма и вышла в космическое
пространство.
Бактерии, споры, водоросли, пыльца и другие микроорганит-
мы присутствуют в воздухе. В 1 м^ воздуха вблизи почвы могут
содержаться сотни тысяч микроорганизмов. Воздушная среда всюду
содержит жизнеспособные споры, концентрация которых убыва
ет с высотой. Их верхняя граница обусловлена не столько темпе
ратурой, сколько губительным действием радиации и ультрафио
летовых лучей. Однако даже космическую среду нельзя считан!
стерильной.
Охарактеризовав биосферу как область существования и ак
тивной деятельности живого вещества планеты, мы можем очер
тить и ее границы (рис. 6.7).
Верхняя граница современной биосферы охватывает всю тро
посферу. Бактерии, выдерживающие низкие температуры и сол¬
нечную радиацию, обнаружены даже в облаках. Их распространс
ние ограничивается озоновым слоем (23 — 25 км над экватором),
который служит своеобразным экраном, защищает все живое oi
губительного воздействия ультрафиолетовой радиации. Как пока
зывают последние исследования со спутников и геофизических
ракет, озоновому слою принадлежит особая роль в сохранении
биосферы как планетарной целостности. Он задерживает 17 % сол
нечной радиации и практически весь поток ультрафиолетового
излучения, составляющий 7 % солнечного излучения. Выход oi
дельных организмов и даже человека за эти пределы не расширя
ет границы биосферы, поскольку отдельные организмы не могут
выполнять функции активной жизнедеятельности.
Нижняя граница распространения жизни очень изрезана.
На материках она проникает в земную кору до глубин в сред-
158
100000-
80000-
30000-
10000-
Озоновый экран
Рн
0>
О
О
о
Эверест 8 848 м
Область наибольшей ^
плотности жизни ^
н
-1000
-5000
-10000
Марианская впадина
11022 м
Рис. 6.7. Схема положения области биосферы в разрезе земной коры
нем 2 — 3 км, реже — 4 — 5 км, в океанах — на 0,5—1,0 км ниже
их дна. Таким образом, биосфера включает атмосферу. Мировой
океан и всю гидросферу суши.
Однако, как мы уже отмечали, следы жизни давно прошедших
геологических эпох мы встречаем в древнейших геологических
образованиях. На континентах термоустойчивые бактерии обна¬
ружены в водах, омываюших нефтяные залежи на глубине более
1 км. Под океанами этот предел, по-видимому, распространяется
на глубины 0,5 —1,0 км ниже их дна. Если подсчитать объем био-
г(|)сры в этих границах, то он составит ~10’^м^; масса биосферы
.3 • 10’* т. Эти огромные значения составляют всего 0,4 % объема
и 0,05% массы Земли. Масса живого вешества — всего (2,5 —
1,0) • 10’^ т или 10“^% массы биосферы и 10”*% массы Земли.
6.10. Структура биосферы
В рамках указанных границ биосфера неоднородна. Она имеет
мозаичное строение благодаря неоднородным условиям литосфе¬
ры, гидросферы и атмосферы, различным ландшафтно-климати¬
ческим условиям земной поверхности в разных частях планеты.
11о биомассе, морфологии, характеру биоценозов и обмена веще¬
ства вьщеляют области сгущения пленки жизни, к которым при-
159
уронена большая часть живого вещества в биосфере. На коти
нентах плотность живого вещества существенно выще, чем в окг
анах, что видно изданных табл. 6.2. Общее количество растится i.
ной массы (фитомассы) на Земле равно ~2,4-10'^ т сухого вещг
ства (без воды). Подавляющая часть ее сосредоточена на матери
ках. На суще фитомасса распределена неравномерно: ее мною и
тропических лесах (650 т/га), меньше в тайге (около 300 т/га),
еще меньще в черноземных степях (около 10 т/га) и совсем мало
в пустынях (2,5 т/га). Больщая часть живого вещества представле
на лесами (82% фитомассы суши), среди которых преобладаю!
тропические леса (1,03 • 10'^ т). Фитомасса океана составляет лиим,
1,7-104, т.е. 0,007% всей фитомассы. По количеству биомассы
на 1 га океан близок к пустыням, но и в нем наблюдаются сгупи*
ния жизни.
К сгущениям жизни в океанах относятся прибрежные облает
и близповерхностные части морей и океанов. Прибрежные сгу
щения рифовых построек распространены на небольших глуби
нах (от 5 до 30 м), в их биоценозе принимают участие макро- и
микроорганизмы: кораллы, водоросли, моллюски, иглокожие,
рыбы, простейшие — фораминиферы и бактерии. Коралловые
рифы, скопления моллюсков или крупных ползающих форами
нифер, подводные леса водорослей — примеры прибрежных сгу
щений.
Донная живая пленка расположена в морском иле и придом
ном слое воды. До глубин океана 3—4 км в верхнем слое донной
пленки распространены многоклеточные и одноклеточные ж и
вотные, которые обычно не образуют больших скоплений, осо
бенно на глубинах свыше 600 м. К ним относятся моллюски, нс
которые одиночные кораллы, морские лилии, рыбы, но в основ
ном — черви и ракообразные.
Таблица 6.2
Фитомасса и чистая первичная продукция сухого
органического вещества в биосфере*
Пло¬
Фитомасса
Первичная биопродукцим
Область
щадь,
млн
км^
средняя,
г/га
всего, г
средняя,
г/га
всего в год, г
Конти¬
ненты
149,3
160,9-10^
2 402,54-10'5
11,5-10^
172,54-10'’
Океан
361,0
0,005-10^
0,17-10'5
1,7-10^
60,0-10'’
Планета
510,3
47,1 •10^’
2402,71 -10'5
4,5 • 10«
232,54-10'’
См.: Шипунов Ф.Я. Организованность биосферы. — М.: Наука, 1980.
160
Рис. 6.8. Черный курильщик
В водной массе океана между поверхностными и придонными
слоями океана плотность жизни существенно понижена.
На больших глубинах существенные сгущения жизни образу¬
ются близ гидротермальных источников — всевозможных куриль¬
щиков — участков подводного извержения горячих водно-паро-
иых струй, обогащенных минеральными веществами (рис. 6.8).
$десь активно размножаются многочисленные бактерии, водорос¬
ли, трубчатые черви, двустворчатые моллюски, крабы и другие
морские организмы.
Ландшафтно-климатические неоднородности биосферы связа¬
ны и со скоростью размножения, и с интенсивностью обмена с
неживой (косной) материей.
Если основная биомасса сосредоточена в лесах, то по интен¬
сивности роста биопродукции они могут уступать некоторым степ¬
ным зонам с достаточным весенним и осенним увлажнением.
Чемпионы биопродуктивности — коралловые рифы и некоторые
сообщества термальных источников.
Более подробная оценка по различным подразделениям био-
с(1)еры была дана Р. Виттакером (табл. 6.3*).
Важным геохимическим показателем является и ежегодная про¬
дукция живого вещества, которая для Земли в целом составляет
2,4 • 10^^ т, причем на материках продуцируется 1,7 • 10^^ т, в оке-
пне — 6 * 10 т. Хотя в океане и меньше живого вещества, но оно
1)ыстрее, чем на суше, образуется и разлагается. В результате за
год его суммарное количество не намного меньше, чем на суше.
1'сли на материках средняя годичная продукция фитомассы равна
11,5 т/га, то в океане — 1,7 т/га (на планете в целом 4,5 т/га).
Следовательно, в океане годичная продукция живого вещества
и -300 раз больше фитомассы.
Это в настоящее время. Иная картина наблюдалась в периоды
освоения суши живым веществом. Даже сейчас в океане четко
прослеживается активная роль шельфов и эстуариев рек в созда-
* Whittaker R.R. Communities and Ecosystems. — L.: Macmillian and Co.,
l‘)7l.
161
НИИ биомассы. Они занимают всего 8 % площади, но на их долю
приходится почти четверть первичной биопродукции океаниче
ской гидросферы. Это еще раз подчеркивает связь живого и кос
ного вещества биосферы. На щельфе и в эстуариях питательных
минеральных веществ, необходимых для развития жизни, суще
ственно больще, чем в чистой океанической воде.
Если теперь учесть, что в палеозое больщая доля водных
просторов приходилась на относительное мелководье, роль
морской биопродукции должна была иметь гораздо болынее
значение. К тому же и климат ландщафтов того времени, суди
по палеонтологическим реконструкциям, был более влажным
с щироким развитием болотистых пространств, что способ
ствовало интенсивному развитию прежде всего флоры, а затем
и фауны.
В процессе фотосинтеза ежегодно используется 4,3 • 10“ т воды
Деление массы современной гидросферы (1,5-10‘* т) на ежегол
ный расход воды в биосфере показывает, что вся вода гидросферы
могла бы пройти через биосферу за 3,5 млн лет. Соответственно
за фанерозой при современной интенсивности процессов вся гид
росфера должна была быть пропущена через реакцию фотосинте
за более 170 раз.
Наибольщая плотность живых организмов сосредоточена вблизи
границ между атмосферой, литосферой и гидросферой. Здесь же
наблюдается и наибольщая их активность.
Таким образом, весь приведенный материал показывает, чго
биосфера — оболочка планеты, связывающая атмосферу, гидро
сферу и литосферу.
В биосфере проявляется единство живого и косного вещества
земной коры. Она структурно тесно связана, с одной стороны,
с подстилающими ее более глубокими слоями земной коры —
источником питательных минеральных веществ, с другой стороны —
с космосом, в значительной мере определяющим потоки энергии
(главным образом, солнечной) и положение климатических зон
нащей планеты.
Структурируя сложную систему биосферы, академик В. Н. Су
качев выделил структурно-функциональные единицы биосфс
ры — биогеоценозы.
В отличие от термина «экосистема», концентрирующего вни
мание на биоте, биогеоценоз — понятие, включающее живое и
косное вещество, жестко связанное с занимаемой территорией или
акваторией. Размеры биогеоценоза четко определяются размером
(площадью) фитоценоза. Примеры биогеоценозов: лес, болото, луг,
степь и т.д. Эти структурные единицы биосферы могут быть ус¬
тойчивыми в течение десятков тысяч лет, и только существенные
изменения климата или вмещательство человека могут разрущи'П|
это постоянство.
164
6.11. Биокосные системы
Все биокосные системы имеют общие черты — они богаты сво-
Подной энергией, неравновесны, дифференцированы в простран-
I гие, в них осуществляется круговорот элементов, накапливается
информация, формируется окислительно-восстановительная и
щелочно-кислотная зональность. Поэтому и геохимическая сис-
1сматика биокосных систем имеет много общего.
К биокосным системам относятся почвы, илы, коры выветри-
1ШНИЯ, поверхностные и подземные воды. Все они развиваются на
|раницах литосферы с гидросферой и атмосферой. На границе
иссх трех геосфер развиваются почвы и илы — наиболее активные
Пиокосные образования.
Почвы были первой биокосной системой, открытой и изучен¬
ной наукой. Создателем науки о почве как биокосной системе
был В. В. Докучаев (1846—1903). Его ученик Б.Б.Полынов (1877 —
1952) продолжил исследование процессов почвообразования, свя¬
ти его с геохимией ландшафтов и процессами формирования кор
И1>1 ветривания.
Почва — верхний горизонт литосферы, вовлеченный в биоло-
I ический круговорот при участии растений, животных и микро¬
организмов, область наивысшей геохимической энергии живого
исщества.
Особенно велика в почве роль микроорганизмов, которых в
кпждом грамме почвы содержатся миллионы и миллиарды. Гео¬
химическая сущность почвообразования заключается в разложе¬
нии органических веществ микроорганизмами. Поэтому мерилом
интенсивности почвообразования служит количество органиче-
гкого вещества, разлагающегося в почве за год. Наиболее интен¬
сивны процессы разложения во влажных тропиках и слабы в тун-
лре и пустынях (рис. 6.9*).
Разлагая остатки растений и животных, микроорганизмы по¬
ставляют в почвенные растворы СО2, органические кислоты и
другие органические соединения, делают их химически высоко-
iiKi HBHbiMH. Чем больше ежегодно разлагается органического ве¬
щества, тем богаче почва химически работоспособной энергией,
ICM дальше она от равновесия. Почвы — это особо неравновес¬
ные, чрезвычайно динамичные биокосные системы.
Растения концентрируют различные химические элементы.
Корни, как насос, «перекачивают» элементы, образующиеся в ре-
»ультате разложения растительных остатков нижних горизонтов
почвы в растения, и через них в верхние горизонты почв.
По составу, строению и физико-химическим условиям в по¬
чвах выделяют несколько горизонтов почвенного профиля. Для
* См. Перельман А. И. Геохимия. — М.: Высш. шк., 1979.
165
Лесные ландшафты влажного климата
Накопление
Ag, Au
Черноземные степные ландшафты
Полынные пустыни
Рис. 6.9. Схема взаимно противоположных процессов: биогенной акку
муляции (7) и выщелачивания (2), которые определяют строение про
филя элювиальных почв (ширина стрелок характеризует относительную
интенсивность процессов, длина — сравнительную глубину проникно
вения)
большинства почв максимальное накопление гумуса и многих эле¬
ментов наблюдается в верхней части (горизонт Aj). Под верхним
гумусовым горизонтом располагается горизонт А2, из которого
вымыто большинство подвижных элементов. Ниже располагается
горизонт В, обогащенный минеральными и органическими веще¬
ствами, вымытыми из верхней части почвы.
166
Средний элементарный состав почв отличается от среднего
состава литосферы повышенным содержанием основных биоген¬
ных элементов — углерода, водорода, азота, серы, а также пони¬
женными концентрациями некоторых тяжелых элементов — хро¬
ма, кобальта, никеля, мышьяка, цинка (рис. 6.10). Состав инди-
п и дуальных почв зависит от химического состава подстилающих
горных пород и видового состава развивающейся в данных ланд¬
шафтно-климатических условиях флоры.
Биогенное накопление отдельных редких элементов в гуму¬
совом горизонте лесной почвы впервые было отмечено в начале
1930-х гг. В. М. Гольдшмидтом. Повышение концентрации в поч-
иах и растениях над рудными месторождениями используется при
их поисках (биогеохимические методы поисков).
Наряду с биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх,
и почвах наблюдается и нисходящая миграция элементов в вод¬
ных растворах. Поэтому реальное распределение элементов в поч-
иах водоразделов и склонов определяется не только биогенной
аккумуляцией, но и гидродинамическими процессами. В резуль-
гате почва расчленяется на горизонты с особыми физико-хими¬
ческими условиями. Совокупность горизонтов образует почвен¬
ный профиль.
Илы — это подводные почвы, развивающиеся на границе твер¬
дой и жидкой оболочек планеты. Как и в почвах, в них происхо¬
дят интенсивные процессы разложения органических и минераль¬
ных веществ, вынос и накопление отдельных элементов, их пере¬
распределение между различными формами нахождения.
167
Формирование
минеральных
новообразований
Перераспределение
вещества в осадках
с образованием
цемента и конкреций
Уплотнение осадка
(литофикация)
Интенсивность
деятельности
бактерий
и их ферментов
Дегидра¬
тация
водных
минералов
и пере¬
кристалли¬
зация
Рис. 6.11. Вертикальная дифференциация в илах (I —IV — горизонты ила)
В отличие от почв илы растут снизу вверх, а потому твердое
основание здесь играет значительно меньшую роль. Минеральное
вещество поступает сверху в результате гравитационного осажде¬
ния. Кроме того, в формировании илов обычно не участвуют выс¬
шие растения.
С отложения илов начинается первая стадия осадконакопления.
Н.М. Страхов вьщеляет четыре основных горизонта зонально¬
сти илов (рис. 6.11*). В верхнем, относительно маломощном го¬
ризонте I наблюдается наиболее интенсивная деятельность мик¬
роорганизмов и связанное с этим накопление органического ве¬
щества. Под влиянием микроорганизмов и продуктов их жизне¬
деятельности происходит образование аутигенных минеральных
новообразований (горизонт И). Дальнейшее перераспределение
вещества в осадках приводит к образованию конкреций (лап.
concretio — стяжение) и окружающего их цемента (горизонт III).
Дальнейшее уплотнение осадков приводит к отжатию влаги, де¬
гидратации и литофикации — превращению илов в осадочные
породы.
I960.
168
См.: Страхов Н.М. Основы теории литогенеза. — М.: Изд-во АН СССР,
Корой выветривания называют рыхлые продукты изменения
юрных пород, образующиеся под почвой за счет поступающих из
псе растворов. Для коры выветривания характерна инфильтрация
итмосферных осадков, выщелачивание растворимых соединений,
пыветривание первичных алюмосиликатов с образованием глини¬
стых минералов. Во всех этих процессах микроорганизмы прини¬
мают самое активное участие.
Основоположниками учения о корах выветривания являются
Ь. Б. Полынов и И.И.Гинзбург (1882—1965).
Поведение элементов в корах выветривания зависит от ланд¬
шафтно-климатических условий и минерального состава пород.
Особое значение здесь приобретают процессы окисления мине-
1П1ЛОВ воздушным кислородом. Во многих случаях микроорганиз¬
мы являются активными катализаторами процессов разрушения
первичных пород.
Выветривание протекало уже в докембрии. С древними кора¬
ми выветривания, погребенными под более молодыми отложени¬
ями, связаны месторождения бокситов, каолинов, никеля, редких
1смель и других полезных ископаемых.
Поверхностные и подземные воды, особенно вблизи земной
поверхности, всегда содержат живые организмы и продукты их
жизнедеятельности. Особенно обильны живым веществом болот¬
ные и озерные воды. По-существу, даже подземные воды являют¬
ся биокосными системами, хотя с углублением в недра масса и
активность живого вещества постепенно уменьшаются и могут схо¬
дить на нет.
6.12. Энергетика биосферы
Любые преобразования вещества всегда требуют затрат энерге¬
тических ресурсов. Вопрос об источниках энергии, питающей
процессы, происходящие в земной коре, ставился наукой давно и
решался каждый раз в духе времени.
Биосфера имеет два основных внешних источника энергии:
эндогенный (идущий из недр планеты) и экзогенный (космиче¬
ский). Спор между сторонниками этих двух источников уходит в
иска, к знаменитому спору «плутонистов» и «нептунистов». Так,
и XVII —XVIII вв. считали, что не только эндогенные процессы,
но даже климат Земли и органическая жизнь питаются теплотой
недр. В прошлом столетии, когда был открыт фотосинтез, внут¬
ренней теплотой Земли стали объяснять лишь геологические про¬
цессы. Считали, что Земля постепенно теряет сохраняющуюся от
огненно-жидкого прошлого теплоту. Геологи и геофизики XX в.
считали возможным утверждать, что на протяжении геологичес¬
кого времени, т.е. не менее 2 млрд лет, наша Земля оставалась
169
полностью твердым телом с не очень высокой температурой, и
центральные ее части не могли быть медленно иссякающим скла
дом громадных по величине запасов тепловой энергии.
После открытия радиоактивности ряд авторов высказывали
мнение, что эндогенные процессы питаются теплотой, выдели
ющейся при распаде радиоактивных элементов. К сожалению, т
этой основе, несмотря на многочисленные попытки, до сих пор
не удалось создать теории, которая удовлетворительно объясняла
бы тектоническую жизнь земной коры и не наталкивалась на про
тиворечащие геологические факты. Радиоактивная энергия, нс
сомненно, играющая значительную роль в тепловом режиме Зем
ли и земной коры, не может быть единственным источником эн¬
догенных сил. Если учесть, что геологические процессы не зату¬
хают, а, возможно, как это полагает ряд геологов-тектонистои,
даже ускоряются, то вопрос об источниках земной энергии при¬
обретает весьма важное значение.
В то же время поток энергии, поступающий на поверхность
Земли от Солнца и излз^аемый обратно в космическое простран¬
ство, составляет ~2,3-10"^ Дж/(м^-с). Поток эндогенной энергии
складывается из энергии радиоактивного распада, гравитацион¬
ной энергии, приливного трения, тектонических процессов и ме¬
таморфического преобразования вещества. Несмотря на некото¬
рые различия в оценках суммарных значений эндогенных энерге¬
тических потоков, многочисленные измерения тепловых полей на
континентах и в океане дают близкие значения. Средний суммар¬
ный поток эндогенной энергии составляет -10 Дж/(м^* с). Таким
образом, поток космической энергии на три порядка больше, чем
суммарный энергетический поток, идущий из недр (рис. 6.12).
Усвоенный живым веществом планеты поток энергии состав¬
ляет ~(4 —6) • 10 Дж/(м^‘ с). Это столько же, сколько энергии по¬
ступает из недр планеты.
Живое вещество является основным аккумулятором космиче¬
ской (солнечной) энергии, поступающей в биосферу. Это не только
уголь, нефть и горючие газы, но и рассеянное органическое веще¬
ство горных пород.
Рис. 6.12. Основные энергетические потоки биосферы
170
•• s й
<u а р
м I ^
я S3
S
S.O §
^ S ^
(1> а о
Й S
л Э 2
PQ а 5
D то
Яи
СО
О 5
(—1
Й Л
2 5 О
я
^ о (U 2
о Ч I
го о S
1Ч(Зээ ‘BtiHBJdBW
‘веэ1гэж эинэхгаонвхээоя
- Я01нэшас1ф xroiosbHHBJdo
ЭИНЭ1ГЭЮ10 !эинэнхо1шА
tBHtiaeHififBxoHdxsdsu
tBHtiBEHXBHogdrastz' и
KHlIBXBd№J9t2' КЯНЬИХЭЯ{х
HHJdSHG И0Я01ШЭХ
ЭИНЭЙ101ГХ0и
. СЧ ей
л
« я
cQ S со о
g+ Ё о
^ ^х 2
S S о
<D VD Й
S + ''&S
я (N t=f
I ^ ^
с . 0^ я
я
^ g <D
.V 5
+ ft я
“ii
но О^Н 9HHBao£Bd90
KHtiacHifiTBXOHd^
нх01шэх Kdaxou
171
Н. в. Белов и В. И. Лебедев высказали гипотезу, основанную mi
эмпирических фактах, согласно которой алюмосиликаты, сос глп
ляющие основную массу горных пород коры, также могут являи.
ся аккумуляторами солнечной энергии и транспортерами ее с но
верхности Земли в ее недра. Они обратили внимание на то, чю
алюминий входит в состав глинистых минералов в шестерной ко
ординации, а, переходя в полевые шпаты, приобретает четверную
координацию. При образовании глинистых минералов поглощп
ется солнечная энергия, а при обратном переходе должна выдс
ляться энергия, накопившаяся в поверхностных зонах. С этих
позиций глинистые минералы являются такими же аккумуляю
рами солнечной энергии, как и органические вещества. Важно
отметить, что в основе этой гипотезы лежат только непосредствен
ные эмпирические измерения и принцип сохранения энергии.
Общая схема такого энергетического круговорота представлена на
рис. 6.13*.
Эта гипотеза была подвергнута жесточайшей критике Д. С. Кор-
жинским, рассмотревшим ее с позиций классической равновес
ной термодинамики закрытых систем. Однако трудно не согла¬
шаться с эмпирическими фактами, лежащими в основе концен
ции неорганического круговорота энергии в земной коре Н. В. Бе¬
лова и В. И. Лебедева. Земная кора вместе с ее окружением — си¬
стема открытая, и оценка должна вестись в рамках термодинами
ки неравновесных диссипативных систем (см. гл. 7). К сожале¬
нию, с этих позиций оценка очень важной гипотезы пока не про¬
водилась.
Таким образом, в конечном счете, энергетическое обеспечение
глобальных процессов, происходящих в биосфере, связано с се
космическим окружением, прежде всего с лучистой энергией Солн¬
ца.
6.13. Организованность биосферы
Понятие «организованность» подразумевает, что окружающая
природа не есть хаос разрозненных элементов, а единое связан¬
ное целое. Эта организованность (структурная, вещественная и
энергетическая) определяет не только взаимодействие всех гео¬
сфер земной коры, но и особенности их совместного развития.
Именно совместность развития определяет биосферу как зем¬
ную геологическую оболочку не только охваченную жизнью, но
и ею организованную. Через живое вещество биосфера активно
взаимодействует со всем космическим окружением (поглощение
См.: Белов Н.В., Лебедев В. И. // Природа. — 1957. — № 5. — С. 11 — 20.
172
космической солнечной энергии) и развивается как планетная
система.
Устойчивость биосферы обусловлена не механическим соеди¬
нением составляющих ее элементов, а исторической памятью жи-
libix организмов, их генной информационной системой. Набор хро¬
мосом определяет все процессы, происходящие в организме и его
связи с внешней средой. Пожалуй, это самое основное отличие
живого от косного вещества и биосферы от остальных косных
оболочек планеты.
Учитывая, что биогенные горные породы, теряя следы жизни,
сохраняют информацию о своем биосферном прошлом далеко за
пределами непосредственной области деятельности живого веще¬
ства, что большинство метаморфических пород несут следы влия¬
ния биогеохимических процессов и даже гранитная оболочка Земли
есть область былых биосфер, можно ощутить сколь сложна и в то
же время конструктивна эта организованность, какое огромное
значение имеет правильное понимание законов ее развития.
Человек
Хищники
Бактерии,
грибы
Травоядные
животные
Растения
Рис. 6.14. Пирамида жизни
173
Эта организованность нелинейная. В ней отсутствует про<. 1зя
иерархия. Она многомерна, эластична и взаимозависима. Однако,
в отличие от других планет Солнечной системы в ней есть живое
вещество, направляющее миграционные потоки вещества и энер
ГИИ.
Вся масса живого вещества имеет свою четкую организацию,
образуя некоторую пирамвду жизни (рис. 6.14). Все живое веще
ство по сложности своего строения делится на две большие грум
пы: прокариоты — организмы, лишенные оформленного ядрп
(вирусы, некоторые бактерии, сине-зеленые водоросли), и эуки
риоты — все остальные.
По типу питания все организмы делятся на автотрофы (греч.
autos — сам, trophtё — пища) — организмы, источником питания
которых служат неорганические вещества, и гетеротрофы (греч.
heterous — другой, противоположный) — организмы, питающие¬
ся готовыми органическими веществами, — зеленые растения, тра¬
воядные, хищники, человек.
Устойчивость подобных конструкций — сложная комплексная
проблема. Нас обычно интересует только вершина этой пирами
ды. А опирается она на основание. На неустойчивом, «дырявом»
фундаменте трудно ожидать надежности более высоких этажей.
От стабршьности основания всегда зависит устойчивость всей кон¬
струкции. Трескается фундамент, рушится конструкция.
6.14. Области былых биосфер
Если сама биосфера является областью существования и ак¬
тивной деятельности живого вещества, то продукты ее деятельно¬
сти выходят далеко за пределы существования живых организмов.
Долгое время не вызывало никакого сомнения представление,
что химический состав земной коры обусловливается чисто гео¬
логическими, преимущественно эндогенными факторами. Сейчас
появляется все больше фактических данных, показывающих, что
закономерности формирования химического состава земной коры
в корне противоречат этим объяснениям. По существу, биосфера
может рассматриваться как область земной коры, занятая транс¬
форматорами, переводящими космические излучения в действен¬
ную земную энергию — электрическую, химическую, механичес¬
кую, тепловую и т.д. Все это коренным образом влияет на про¬
цессы перераспределения вещества и энергии во всей земной коре,
гидросфере и атмосфере. ** Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. —
М.: Наука, 1965. - С. 325.
174
«Биогенные породы, — писал В. И. Вернадский, — идут далеко
la пределы биосферы. Гранитная оболочка Земли есть область
былых биосфер»*.
Наиболее быстро распространяются газовые продукты дыха¬
ния живых организмов. Свободные кислород и азот, выделяющи¬
еся в процессе жизнедеятельности организмов, быстро распрост¬
раняются по всей атмосфере. На втором месте стоит вода, кото¬
рая определяет механизмы всей биосферы, регулирует геохими¬
ческие циклы земной коры, вплоть до глубоких частей метамор-
(|)ической оболочки.
Поверхностные воды, просачиваясь в подземные горизонты,
несут с собой растворенные вещества. Воды поверхностного сто¬
ка несут в океан еще и частицы твердого вещества различной круп¬
ности. Океан является огромным буферным резервуаром, стаби¬
лизирующим химический состав поверхности нашей планеты. Его
химический состав регулируется гравитационным, химическим и
биохимическим осаждением поступающего взвешенного и раство¬
ренного вещества. Динамические равновесия в системах
Атмосфера ^ Океан; Океан ^ Осадочные породы
поглощают избыточные элементы и переводят их в газовую или
1’вердую фазы. В этих равновесиях не обходится без участия жи¬
вых организмов. Так, обычная морская вода ненасыщена по от¬
ношению к карбонату кальция. Все отложение карбонатных по¬
род идет через скелеты организмов. Аналогичная ситуация проис¬
ходит с отложением фосфоритов. Еще в большей степени это от¬
носится к тяжелым элементам. Они либо поглощаются организ¬
мами и их остатками, либо сорбируются на глинистых частицах.
Иод вообще не образует никаких собственных минералов, а на¬
капливается только в водорослях. Таким путем масса элементов
переносится через океан в литосферу.
Дальнейший метаморфизм осадочных пород — порождения
биосферных процессов — преобразует их в сланцы, гнейсы и даже
нараграниты и амфиболиты. В ультраметаморфических условиях
образуются гранулиты и эклогиты. Все они несут следы «былых
биосфер».
Во-первых, это остатки захороненных организмов, споры и
мыльца. Ископаемые споры известны, по крайней мере, с кем¬
брия. Ученым удалось вернуть к жизни бактерии, законсерви¬
рованные в мельчайших жидких включениях в кристаллах соли
250 млн лет назад.
Нередки случаи, когда палеонтологические датировки метамор-
(|)ических пород оказываются древнее, чем радиологические. Это
юворит о том, что древние осадочные породы (палеонтологиче¬
ский возраст) претерпели более поздний метаморфизм (радиоло¬
гический возраст).
175
Во-вторых, следы биосферного субстрата оставляют изотопные
метки (см. гл. 4), которые свидетельствуют об их прохождении
через биогеохимические миграционные циклы.
* * *
Подводя итог рассмотрению материалов, связанных с геохп
мией биосферы, можно попытаться кратко сформулировать само
понятие: биосфера — это сфера жизни нашей планеты. Это не
сфера в геометрическом понимании и не сфера «присутствия ж и
вых организмов», а область существования и активной деятельно
сти живого вещества.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте понятие «биосфера».
2. Дайте определение понятия «живое вещество». Каково его значс
ние для геохимии биосферы?
3. В чем разница биологического и биогеохимического подходов к
понятию «живое вещество»?
4. Каковы основные различия живого и косного вещества?
5. Какие системы называют биокосными? Какие биокосные системы
вы знаете?
6. Какую роль играют микроорганизмы в биосфере?
7. Как происходит метаболизм в биосфере?
8. Каковы границы биосферы?
9. Какую роль играет информация в биосфере?
10. Охарактеризуйте выражение «область былых биосфер».
Глава 7
ТЕРМОДИНАМИКА ГЕОХИМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
• Место термодинамики в геохимии • Исходные положения термодина¬
мики • Термодинамические системы • Открытые и закрытые систе¬
мы •Состояние химического равновесия «Термодинамические расче-
Iы • Стандартное состояние • Свободная энергия образования «Термо¬
динамические потенциалы « Равновесие и устойчивое состояние « Кине-
1ика геохимических процессов « Подвижность компонентов и локальные
равновесия «Термодинамика живого вещества
7.1. Термодинамика в геохимии
Вслед за длительным историческим периодом установления
гочных количественных данных об элементном химическом со¬
ставе минералов и горных пород интерес исследователей все больше
стал сосредоточиваться на анализе природных процессов. Такой
анализ потребовал привлечения методов, разработанных в смеж¬
ных областях знания, в том числе в физической химии и хими¬
ческой термодинамике. В конце XIX в. известный норвежский
геохимик и металлург К.У.Фохт отмечал, что внедрение идей
(1)изической химии в геологические дисциплины даст ту же живи-
гсльную силу и смысл, которые дали идеи эволюции биологичес¬
ким наукам.
Термодинамика дает в руки исследователя хорошо отработан¬
ный мощный аппарат, с помощью которого можно проводить
количественное изучение химических превращений, соверша¬
ющихся в природных объектах. Она позволяет связать точные эк¬
спериментальные данные, накопленные за многие годы, с геоло¬
гическими наблюдениями закономерностей распределения при¬
родных ассоциаций минералов и элементов, найти условия, при
которых возможно их образование и превращение. Таким путем
можно оценить реальность выводов, построенных на геологиче¬
ской основе, найти пределы их действительной выполнимости.
Термодинамический анализ природных процессов, с одной сто¬
роны, имеет огромное практическое значение, позволяя доводить
до расчетного и потому строго контролируемого решения, с дру¬
гой — выдвигает новые задачи и освещает путь новым геолого¬
минералогическим исследованиям.
Напомним, что термодинамика родилась из изучения законов
работы тепловых машин. Отсюда и название (греч. therme — теп¬
177
ло, жар; dynamicos — относящийся к силе, силовой). Но посколь
ку тепловое движение способно превращаться в любые другие
формы движения и обратно, полученные здесь законы оказались
применимы и к другим областям науки. Поэтому сегодня термо
динамику можно определить как науку о формах движения ма ге
рии (превращения вещества и энергии).
Классическая термодинамика незнакома со временем и про
странством: она признает только такие понятия, как покой (рпи
новесие), для которого не существует времени, и однородное! !,,
для которой безразлична протяженность в пространстве. И то, и
другое не свойственно реальным природным системам. Поэтому
законы классической термодинамики применимы к идеализм ро
ванным моделям. Однако на базе классических термодинамичс
ских законов разрабатывается много «дополнительных» дисци!!
ЛИН, учитывающих специфику реальных природных объектов (w
ория теплопроводности, тепло- и массообмена, химическая тер
модинамика, термодинамика необратимых процессов и т.д.).
В данной главе мы остановимся на некоторых особенное!ях
применения законов термодинамики к биосферным системам.
7.2. Термодинамические системы
Основным методом в термодинамике является выделение и!!
тересующей нас совокупности тел, называемой термодинамичс
ской системой, и противопоставление ее окружающим телам, об
разующим окружающую среду. Система мысленно обособляется
(стенки коробки) от окружающей среды. Геометрические грани
цы, устанавливаемые для системы, условны и выбираются таким
образом, чтобы они были наиболее удобны для решения конкрс!
ной задачи.
Наглядное представление о системе и окружающей среде дас!
рис. 7.1. Пружина, помещенная в коробку, — система, все оста/!!»
ное — среда. Мы не знаем, что происходит внутри коробки, д/!я
нас это «черный ящик». Но в нашей модели пружина соединена с
окружающей средой тонкой нитью, проходящей через отверстие
в стенке коробки. Натяжение нити, фиксируемое с помощью ли
нейки, будет отображать изменения, происходящие в системе.
Для того чтобы поддерживать систему в стационарном состоя
НИИ, к нити надо приложить силу F. Изменяя силу F, мы можем
изменять состояние пружины в ящике — состояние нашей систе
мы. При этом возможно бесчисленное множество состояний, при
которых между системой и средой устанавливается равновесие
Если, начиная с одного из равновесных состояний, несколько
увеличить прилагаемую силу, то пружина немного растянется, пока
не будет достигнуто новое равновесное состояние. Если же cnj!y
178
/ /l
Рис. 7.1. Система — пружина в коробке, все остальное — среда
уменьшать, то пружина будет сокращаться. Когда пружина рас¬
тягивается, мы говорим, что окружающая среда (в данном случае
мускулы руки) совершает работу над пружиной. Поскольку каж¬
дая точка соединяющей нити движется в направлении прило¬
женной извне силы, работа, совершаемая этой силой, является
положительной, а про пружину можно сказать, что она продела¬
ла отрицательную работу или что над ней была произведена ра¬
бота.
Предположим теперь, что сила несколько уменьшилась и пру¬
жине предоставлена возможность сократиться до первоначальной
Щ1ИНЫ. Теперь уже пружина совершила положительную работу
над окружающей средой, в то время как внешняя сила выполнила
огрицательную работу. В этом смысле мы можем рассматривать
растягивание и сокращение пружины как процессы, в которых
энергия в виде работы перетекает от системы к окружающей сре-
iie, и обратно
Процессы, в которых силы, действующие на систему, точно
уравновешиваются другими силами со стороны системы, называ¬
ют обратимыми, поскольку направление изменения может быть
обращено изменением условий на бесконечно малую величину.
Обратимый процесс допускает возможность возвращения систе¬
мы в первоначальное состояние без каких-либо изменений.
В рамках классической термодинамики выделяют изолирован¬
ные, закрытые и открытые системы.
Изолированными называют системы, не имеющие возможно-
с'1 и обмениваться со средой ни веществом, ни энергией, сохраня¬
ющие постоянный объем, т.е. полностью изолированные от ок¬
ружающей их среды.
Закрытые системы могут обмениваться со средой только энер-
1ией, но не веществом.
Системы, свободные от этих ограничений, называют откры¬
тыми.
Систему, внутри которой нет поверхностей раздела, отделя¬
ющих друг от друга различающиеся по свойствам ее части, назы-
ииют гомогенной. Системы, в которых такие поверхности имеют-
ги, называют гетерогенными.
Термодинамической фазой называют равновесное состояние
исчцества, отличающееся по своим физическим свойствам от дру¬
179
гих фаз того же вещества. Фазы разделены границами, при пер
ходе через которые происходит скачкообразное изменение свойс i и
Компонент — химически индивидуальные вещества, наймет,
шего числа которых достаточно для образования всех фаз сис гс
мы. Количество каждого компонента в системе может изменя гьсм
независимо от других компонентов. Число компонентов раимо
числу образующих систему индивидуальных веществ за вычегом
числа независимых реакций, протекающих в этой системе.
Фазы, состоящие из одного какого-либо химического веще
ства (компонента), называют простыми (их называют также чне
тымы), а фазы, включающие два (или более) компонента, — сме
шанными.
Так, система вода—лед — гетерогенная, двухфазовая, одноком
понентная; система вода—лед —пар — гетерогенная, трехфазо
вая, однокомпонентная. Раствор поваренной соли в воде — сие
тема гомогенная, однофазная, двухкомпонентная.
Совокупность всех физических и химических свойств сисге
мы, характеризующих ее состояние, принято называть термоди
намическими параметрами состояния.
Термодинамические параметры, не зависящие от массы или
числа частиц в системе, называют интенсивными (например, дам
ление, температура и др.). Параметры, которые пропорциональ
ны массе и числу частиц в системе, называют аддитивными, или
экстенсивными (например, объем, энергия, энтропия и др.).
Важнейшим термодинамическим параметром системы являс!
ся ее внутренняя энергия (f/), включающая все внутренние взаи
модействия (механические, химические, адерные и т.д.). Абсо
лютное значение этого параметра измерить невозможно, но мож
но измерить ее изменение At/в том или ином процессе:
^u= Щ
Основанные на макроскопическом опыте определенные пред
ставления об особенностях термодинамического равновесия ко
нечных систем принимаются в термодинамике в качестве noci у
латов, опираясь на которые с помощью основных законов (начал)
термодинамики изучают свойства систем в равновесных состоя
ниях.
7.3. Исходные положения термодинамики
Первым началом {законом) термодинамики является закон
сохранения и превращения энергии, сформулированный в окон
нательном виде Г. Гельмгольцем в 1847 г.
Еще античные философы говорили о несотворимой и неунич
тожимой основе всего сущего. М. В. Ломоносов, А. Лавуазье (со
180
хранение массы), Г. Лейбниц (сохранение механической энергии),
Дж. Джоуль (сохранение энергии) подходили к этой проблеме уже
иа экспериментальной основе. Первый закон термодинамики яв¬
ляется надежным эмпирическим обобщением: энергию нельзя ни
сотворить из ничего, ни уничтожить; этого не происходит ни в
каких сколь угодно хитроумных наблюдениях и экспериментах.
В обобщенном виде первый закон термодинамики может быть
с([)ормулирован так: внутренняя энергия системы может изменяться
голько под влиянием внешних воздействий, т.е. в результате со¬
общения системе количества теплоты Q и совершения над ней
работы (-А):
- Ui = Q (-А), или Q = А + AU.
Второе начало термодинамики дает возможность разделить
исе процессы, допускаемые первым началом, на протекающие са¬
мопроизвольно и не идущие без дополнительных затрат энергии.
В классической формулировке оно устанавливает: теплота сама
собой не может переходить от холодного тела к горячему (Р. Кла-
узис, 1824). Давая свою формулировку, Р.Клаузис опирался на
исследования парового двигателя — первой созданной человеком
машины для превращения теплоты в механическую энергию. По¬
грому раздел физики, занимающийся взаимными превращениями
работы и энергии, назвали термодинамикой, а паровой двигатель
очень долго оставался его основной моделью. Р. Клаузис устано-
иил, что от паровой машины нельзя получить больше работы, чем
допускает запас энергии, а также что доля тепловой энергии, ко¬
торая может быть (даже в идеале!) превращена в работу, зависит
or разности температур горячего и холодного резервуаров.
Идеальный коэффициент полезного действия г\ находят по фор¬
муле
Ц = (Т2- Т,)/Т2,
|де Ti, Т2 — температура соответственно холодного и горячего
резервуаров, выраженная в градусах Кельвина (К).
В 1865 г. Р. Клаузиус, рассматривая необратимо теряемую энер¬
гию, ввел специальную величину, названную им энтропией (^S).
Она отражает отношение тепловой энергии к температуре и име¬
ет размерность — Дж/К. В любом процессе, связанном с превра¬
щениями энергии, энтропия возрастает или — в идеальном слу¬
чае — остается неизменной. Самая краткая формулировка, объ¬
единяющая первое и второе начала термодинамики, предложен¬
ная Р. Клаузиусом, звучит так: в любой замкнутой системе полная
шергия остается постоянной, а полная энтропия с течением вре¬
мени возрастает.
В более общем виде (формулировка Л. Больцмана) второе на¬
чало термодинамики утверждает, что природа в своих процессах
181
стремится от менее вероятных состояний к более вероятным с(»
стояниям. Все самопроизвольные процессы (не требующие до
полнительных затрат энергии) всегда идут от более высокою
энергетического потенциала к более низкому (тепловому, мехи
ническому, электрическому, химическому и т.д.). Вода, как и
любое физическое тело, не течет в гору, а только вниз с горы,
теплота передается от горячего тела к холодному, а не наоборо!.
и т.д. В терминах вероятности — процессы идут от большего но
рядка к меньшему.
Второе начало термодинамики исключает возможность созда
ния вечного двигателя. Его называют также законом возрастании
энтропии.
Формулировка Л. Больцмана устанавливает связь энтропии со
статистической концепцией упорядоченности и неупорядоченно
сти — связи, открытой Л. Больцманом и Дж. Гиббсом на оснопг
данных статистической физики. Она является точной количествен
ной связью между энтропией и упорядоченностью системы:
S=klgD,
где к — постоянная Больцмана, равная 3,2983 • кал/°С; D
количественная мера неупорадоченности атомов в рассматривае
мом теле.
Неупорядоченность, которую выражает величина Д отчасш
заключается в тепловом движении, отчасти в том, что атомы и
молекулы разного сорта смешиваются случайно, вместо того m io
бы быть полностью разделенными.
Уравнение Больцмана хорошо иллюстрируется таким приме
ром: вода имеет три состояния — твердое, жидкое и газообра i
ное. В кристаллической решетке льда молекулы Н2О определен
ным образом упорядочены; расположение молекул в жидкосги
упорядочено значительно меньше; наименее упорядочено рас
положение молекул в газе. Соответственно энтропия S льда
10,5 калДмоль • К), жидкости — 16,7, газа — 45,1 калДмоль • К).
Постепенное таяние льда и его испарение увеличивает неупори
доченность Д поэтому возрастает и энтропрш. Ясно, что всякий
приток теплоты извне увеличивает интенсивность теплового дви
жения, т.е. увеличивает неупорядоченность и повышает энтропию
Таким образом, энтропия является мерой неупорядоченности, а вю
рое начало термодинамики констатирует естественное стремление
материи приближаться к хаотическому состоянию.
Если первый закон термодинамики справедлив для систем е
любым количеством частиц, то второй носит статистический ха
рактер и применим исключительно к системам с очень большим
числом частиц.
Представим себе сосуд, разделенный перегородкой, в разных
частях которого находятся два различных газа при одинаковых
182
тачениях температуры и давления. Уберем перегородку. Начнет¬
ся взаимная диффузия, которая будет самопроизвольно происхо-
iiHTb до полного смешения газов. Система переходит из менее
исроятного состояния (молекулы одного газа собраны в одной части
I истемы, другого — в другой) в более вероятное (молекулы обоих
газов распределены по всей системе). При этом энтропия систе¬
мы возрастает (порядок уменьшается, беспорядок растет).
Третье начало термодинамики утверждает, что процессы при
температуре, равной абсолютному нулю (или вблизи него), в кон¬
денсированных системах протекают без изменения энтропии. Это
начало — знаменитая термодинамическая теорема В.Нернста —
носит более частный характер и важно для расчета фундаменталь¬
ных величин.
Смысл положения о термодинамическом равновесии состоит в
том, что для всякой изолированной макроскопической системы
существует такое определенное и единственное состояние, кото¬
рое создается постоянно движущимися частицами; в это наиболее
иероятное состояние и переходит изолированная система с тече¬
нием времени. Отсюда видно, что постулат о самопроизвольном
переходе изолированной системы в равновесие и неограниченно
долгом ее пребывании в нем не является абсолютным законом
природы, а выражает лишь наиболее вероятное поведение систе¬
мы. Никогда не прекращающееся движение частиц системы мо¬
жет приводить и к спонтанным отклонениям (флуктуациям) от
равновесного состояния.
Как показывает статистическая физика, относительные спон¬
танные отклонения системы от равновесия тем меньше, чем больше
частиц в системе, а поскольку термодинамические системы со-
поят из громадного числа частиц, то в термодинамике флуктуа¬
циями пренебрегают. Если некоторые параметры системы меня¬
ются со временем, то мы говорим, что в такой системе происхо-
тт процесс; например, при изменении объема происходит про¬
цесс расширения системы, при изменении внешнего поля — про¬
цесс намагничивания или поляризации системы и т.д.
Система, выведенная из состояния равновесия и предостав-
иеиная сама себе, через некоторое время вернется в начальное
равновесное состояние. Этот процесс перехода системы снова в
равновесное состояние называют релаксацией, а промежуток вре¬
мени, в течение которого система возвращается в состояние рав¬
новесия, — временем релаксации. Процесс считается равновес¬
ным, или квазистатическим, если все параметры системы меня-
югея бесконечно медленно, так что система в каждый момент
времени находится в равновесном состоянии.
Изучение равновесных, или квазистатических, процессов важ¬
но потому, что при этих процессах ряд практически важных вели¬
чин (работа, коэффициент полезного действия и др.) имеет пре¬
183
дельные, максимально возможные значения. Поэтому выводы,
получаемые термодинамикой для квазистатических процессоп,
играют в термодинамике роль своего рода предельных теорем.
В 1840 г. русский химик Г. И. Гесс сформулировал закон: теп
ловой эффект процесса зависит только от вида и состояния ис
ходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пут
перехода.
В общем виде энергетический эффект природного процсссп
оценил американский химик Дж. У. Гиббс в фундаментальном трак
тате «О равновесии гетерогенных веществ»:
dU = J^X,dx,,
i
где Xi — интенсивные параметры (обобщенные или термодима
мические силы); Х/— экстенсивные параметры (обобщенные или
термодинамические координаты) того же вещества системы.
К обобщенным силам относятся не только температура {Т) и
давление (/?), но и компоненты механических напряжений
векторы напряженности электростатического поля (E^yz), век го
ры напряженности магнитного поля поверхностное натя
жение (о) и т.д.
К обобщенным координатам относятся энтропия {S), объем
(F), вектор электростатической индукции вектор магни!
ной индукции изменение площади поверхности (dco) и т.д
В подавляющем большинстве технических и химико-техноло
гических процессов влияние этих параметров оказывается пре
небрежимо мало, а потому в традиционных курсах термодинами
ки о них вообще не упоминается. Для естественных природных
процессов, протекающих в пространстве иного размера, чем ja
водской автоклав, и не за считанные часы, их значение можем
становиться вполне ощутимым. Теллурические* и индуцирован
ные техническими средствами токи, магнитные и гравитациои
ные поля, поверхностные явления — все это может существен!и»
повлиять на природную систему в рамках геологического времени
7.4. Состояние химического равновесия
Любую химическую реакцию образования одних соединений
из других можно записать в виде
D +... — + a*R + ...
где Z>, d, q, г — стехиометрические коэффициенты соответстиу
ющих исходных веществ В, D, ... и продуктов реакции Q, R, ...
* Теллурические токи (лат. Telluris — Земля) — земные токи; электрические
токи, текущие в земной коре.
184
Установлено (закон действующих масс), что скорость реакции
прямо пропорциональна концентрациям С реагирующих ве¬
ществ:
Коэффициент пропорциональности к для каждой реакции при
постоянстве условий — величина постоянная.
По мере уменьшения концентрации исходных веществ В, D,...
и увеличения концентрации продуктов реакции Q, R, ... умень¬
шается скорость прямой реакции и увеличивается скорость реак¬
ции V2, идущей в противоположном направлении:
^2 = ^2CqCr.
В конце концов достигается состояние, при котором скорость
прямой Vx и скорость обратной V2 реакций становятся равными
((2, = U2). Это состояние равновесия, при котором концентрации
исходных и конечных продуктов реакции остаются постоянными
сколь угодно долго:
k,CiC^= кгС^^С^,
откуда
кг acg
qQ _.
Ac.
(7.1)
Концентрационная константа равновесия Кс показывает, что
отношение произведений концентраций веществ, полученных в
результате реакции, к произведению концентраций исходных ве¬
ществ, возведенных в степени, соответствующие стехиометриче¬
ским коэффициентам каждого вещества, есть величина постоян¬
ная, характеризующая данную реакцию, при постоянстве внешних
условий {Т, р, обший солевой состав раствора и т.д.), не завися¬
щая от времени и пути достижения равновесия.
Активность. Записанная выше концентрационная константа
равновесия Кс имеет недостаток, значительно ограничивающий
се применение, а именно: она зависит от концентрации реагиру¬
ющих веществ и от состава присутствующих в реакционной сме¬
си, но не входящих в уравнение реакции веществ («солевой фон»).
Причина этого заключается в отклонении реакционной системы
or идеальности, т.е. в невыполнимости для нее тех функциональ¬
ных зависимостей, которые установлены для идеальной системы.
Чтобы избежать этих затруднений, в физической химии наря¬
ду с понятием аналитической концентрации введено понятие ак¬
тивности (или активной концентрации). Активность соответствует
концентрации компонента в идеальном растворе или в смеси иде¬
альных веществ. Понятие «активность» формально учитывает вза¬
185
имодействие между частицами реакционной смеси (все то, что
отличает реальную систему от вдеальной). Этот формальный прием
позволяет проводить сложные вычисления в рамках термодимп
мических законов, не загружая их сложными поправочными ко
эффициентами на неидеальность реальной системы. Последние
могут быть введены только при граничном переходе от идеальной
системы к реальной в начале или в конце решения в зависимое ! и
от поставленной задачи.
При данных значениях температуры и давления соотноте
ние между концентрацией и активностью определяется уравне
нием
а = Су,
где а — активность; С — концентрация; у — коэффициент актин
ности, показывающий степень отклонения данного вещества и
данной системе от идеальности.
Условно принято, что активность чистых конденсированных
веществ при любой температуре и давлении 1 атм равна единице
Для газа фугитивность (численно совпадающая с активностью)
при любой температуре приближается к его парциальному давле
нию при давлении, стремящемся к нулю. Для растворенного ие
щества при любой температуре и любом давлении активность при
ближается к концентрации (у -> 1) при разведении раствора; а к
тивность растворителя при этом стремится к единице.
Для более концентрированных растворов существует метод точ
ного экспериментального определения коэффициентов активно
сти, получивший название среднесолевого (рис. 7.2). Наиболее
точные результаты дает вычисление коэффициентов активное ги
методом Дебая—Хюккеля, учитывающим общую концентрацию
раствора и заряды (z) растворенных ионов:
■igy,
1 + ’
.2.
1-2; а = (5-
где ц — ионная сила раствора:
а = (3 — 6)' 10“^ см для электролитов типа 1 — 1 и
10) • 10"^ см для многовалентных электролитов.
Термодинамическая константа равновесия. Подставляя в уран
нение (7.1) вместо концентрации каждого компонента соответ
ствующую ей активность, получаем
а^а^
К,.
(7.2)
186
Рис. 7.2. Зависимость коэффициентов активности некоторых ионов от
ионной силы раствора:
I — 2 — Na^; 3 — К^, С1~; 4 — 5 — NOj; 6 — SO|“; линиями показаны
тачения, рассчитанные среднесолевым методом, точками — методом Дебая —
Хюккеля
Величина представляет термодинамическую константу
равновесия, которая характеризует устойчивое равновесное состо¬
яние системы, возникающее в результате данной обратимой хи¬
мической реакции.
7.5. Термодинамические расчеты
Термодинамические расчеты основаны на изучении энергети¬
ческих изменений, сопровождающих переход системы из одного
состояния в другое.
Для химической реакции, совершающейся при постоянных
тачениях температуры и давления, эти изменения фиксирует
изобарно-изотермический потенциал, получивший название сво¬
бодной энергии Гиббса G. Между свободной энергией, констан¬
той равновесия и активностью реагирующих веществ существует
связь, выражаемая уравнением:
AG = RTln^^-RTlnK„
^ис.\
(7.3)
187
где R — универсальная газовая постоянная; Т — температура^
«исх, ^прод — активность исходных веществ и продуктов соотвс г
ственно; — термодинамическая константа равновесия; знак А
указывает на приращение (изменение) свободной энергии при про
текании реакции.
Когда давление и температура постоянны, реакция протекас !
самопроизвольно только в направлении убывания свободной энср
ГИИ. Поэтому, зная константу равновесия и состав реакционной
смеси, по знаку АG можно определить направление реакции. При
AG < О реакция идет слева направо; при AG > О — справа налево
В состоянии равновесия (реакция не протекает ни вправо, ни влево)
свободная энергия равна нулю (AG= 0). Следовательно уравнение
(7.3) приобретает вид
откуда
*-*прод _
= к,.
Стандартное состояние. Поскольку изменение энергии систс
мы зависит от температуры, давления и активности реагирующих
веществ, для сопоставления полученных результатов необходимо,
чтобы они были отнесены к одинаковым условиям.
В термодинамике за стандартные условия обычно принима¬
ются: р=\ атм, Т = 298,15 К (25 °С). Для конденсированных (твер¬
дых и жидких) химически чистых веществ активность а условно
принимается за единицу; для идеальных газов активность (фуги-
тивность) чистого газа при Т = 298,15 К и/? = 1 атм приравниваем¬
ся единице; для веществ, находящихся в растворе, при бесконеч
ном разбавлении (С-э 0) активность также приравнивается еди¬
нице. Такое состояние называется стандартным и обозначается
символом °, например AG°.
Для стандартных условий уравнение (7.3) принимает вид
AG° = -RTlnK,,
(7.4)
Это соотношение позволяет определить константу равновесия
по стандартному значению изменения свободной энергии реак
ции, и наоборот.
При определении направления реакции не следует путать ве¬
личины АОи AG\ Стандартное значение AG° определяет направ
* в термодинамических расчетах значения температуры всегда берут в кедь
винах (К).
188
ление реакции только для стандартного состояния. Для всех дру¬
гих случаев из уравнений (7.3), (7.4) имеем
AG = AG° + RTln^^.
(7.5)
Следовательно, для определения направления реакции в усло-
ииях, отличных от стандартных, кроме значения AG° необходимо
шать еще и активности реагирующих веществ.
Хотя этот способ часто именуется расчетным, в его основе все-
гда лежат экспериментальные данные, и, следовательно, точность
получаемого результата зависит от точности исходных экспери¬
ментальных значений.
За время своего существования химическая термодинамика не
только разработала количественные методы расчета химических
равновесий, но и накопила большое число достаточно надежных
iиaчeний термодинамических потенциалов различных веществ.
Последние широко применяются в химической технологии и с
каждым годом все увереннее входят в геохимические исследова¬
ния.
Свободная энергия образования. Найти абсолютное значение
свободной энергии вещества в настоящее время не представляет¬
ся возможным. Для того чтобы сравнивать энергии веществ, мож¬
но воспользоваться их изменениями от единого начала отсчета.
Ьыло условлено, что свободная энергия образования простых ве¬
ществ (Н2, А1, О2, С и т.д.) в стандартном состоянии равна нулю
(при любой температуре). Такие величины обычно обозначают
индексом/ например, АСДА1), AG}(C) и т.д.
Свободная энергия образования сложного вещества в стандарт¬
ном состоянии рассчитывается как AG° его образования из соот-
иетствующих простых веществ и обозначается AG/
Свободная энергия реакции. Свойство аддитивности свободных
энергий позволяет найти AG° реакции (AG°) как разность алгеб¬
раических сумм свободных энергий образования продуктов и ис¬
ходных веществ в их стандартном состоянии:
ag:
Т, прод “ т, исх*
(7.6)
Связь с другими термодинамическими потенциалами. Свобод¬
ная энергия связана с двумя другими термодинамическими функ¬
циями — энтальпией Н, или теплосодержанием, и энтропией S
уравнением
AG= АН- TAS. (7.7)
Химические реакции, в которых происходит изменение степе¬
ней окисления элементов, называют окислительно-восстанови¬
тельными. В каждой такой реакции одни элементы отдают свои
189
электроны (окисляются), другие принимают (восстанавливаюгеи)
Соответственно окислительно-восстановительную реакцию обычно
разбивают на две полуреакции; например, реакцию
Zn + 2H^=Zn2^ + H2
можно представить как сумму двух процессов:
Zn = Zn^+ л-1е~
2W + 2е- = Н2
Такие две полуреакции представляют собой как бы два элек1
рода единого гальванического элемента (для приведенного при
мера — цинковый и водородный). Для сравнения между собой
различных электродов (полуреакций) служат электродные потен
циалы. Электродным потенциалом данного электрода назьн^л
ют его потенциал по отношению к нормальному (стандартному
pH О, рщ = 1) водородному электроду, который принимается \\\
нуль и служит началом отсчета.
Электрод, обладающий более окислительными свойствами, чем
водородный электрод, имеет знак «плюс», а более восстановитель
ными — знак «минус». Уравнения полуреакции принято писать тлк,
чтобы символ электрона е~ был в левой части уравнения, например
Zn^^+ 2е~ = Zn
Электродный потенциал Е связан с изменением свободной
энергии соответствующей ему химической реакции уравнением
l^G = -nFE, (7.8)
где п — число электронов, принимающих участие в реакции;
Е — число Фарадея, соответствующее количеству электриче
ства, необходимому для выделения из раствора 1 моля веще
ства; /"= 23 061 кал/г-экв.
Согласно уравнению (7.8) по стандартной свободной энергии
может быть найден стандартный потенциал Е\ и наоборот:
=-пЕЕ\
Потенциалы окислительно-восстановительных реакций в ус
ловиж, отличных от стандартных, определяют по уравнению Нерп
ста
nF
(7.9)
При изучении природных процессов часто бывает полезно про
следить изменение электродного потенциала в зависимости oi
кислотности среды, т. е. выразить Е как функцию pH.
190
Электродный потенциал сложной реакции может быть полу¬
чен как алгебраическая сумма произведений потенциалов отдель¬
ных реакций на число участвующих в них электронов, отнесен¬
ное к числу электронов сложной реакции (см. уравнения (7.6),
(7.8)):
/г
^общ
П
(7.10)
Это позволяет широко использовать потенциалы хорошо изу¬
ченных реакций для получения потенциалов новых реакций.
Теплоемкость. Все приведенные выше соотношения между раз¬
личными термодинамическими функциями справедливы при лю¬
бой температуре. Однако в справочниках обычно приведены зна¬
чения AG% S'" лишь для температуры 25 °С. Для того чтобы
перейти к иным температурам, необходимо знать теплоемкость,
которая выражает изменение количества теплоты системы Q в
зависимости от ее температуры. Для многих технических расчетов
достаточно знать значение средней изобарной теплоемкости Ср в
интервале температуры от Т2 до 7\.
Для более точных расчетов применяется истинная теплоем¬
кость Ср, отвечающая бесконечно малому приращению теплоты
при бесконечно малом изменении температуры. Зависимость ис-
I ИННОЙ теплоемкости от температуры обычно описывается эмпи¬
рическими уравнениями типа
Ср = а ЬТ + сТ~^ + ...,
I де а, Ь, с — постоянные, характерные для данного вещества.
Изменение теплоемкости в результате химической реакции Ас/
определяется как разность теплоемкостей полученных и исход¬
ных веществ:
~ прод
р, исх*
(7.11)
Влияние изменения теплоемкости химических соединений на
результаты расчетов весьма существенно, и может принципиаль¬
но изменить получаемые результаты и сделанные на их основе
выводы. Так, еще в середине XX в. из-за недостатка эксперимен-
гальных данных были сделаны расчеты растворимости сульфидов
при допущении АН° = const, что равносильно допущению АСр = 0.
В этом случае произведения растворимости приобретают линей¬
ную зависимость от \/Т (рис. 7.3, пунктирные линии). Получен¬
ные результаты позволяли надеяться на достаточно высокую ис¬
тинную растворимость рудных минералов при температуре 400 —
600 °С, вполне достаточную для переноса рудных элементов в гид¬
ротермальных условиях. При этом быстрое снижение раствори-
191
Температура, °С
Рис. 7.3. Изменение произведения растворимости некоторых минералом
в гидротермальной области в зависимости от температуры (сплошные
линии — экспериментальные данные, пунктирные линии — результаты
расчета при = 0)
мости при уменьшении температуры выдвигалось в качестве ос¬
новной причины формирования рудных тел. Эти выводы долгое
время влияли на формирование представлений о процессах рудо
образования, поддерживая гипотезу «магматогенного» источника
подавляющего большинства эндогенных руд.
Появившиеся позднее непосредственные экспериментальшис
данные не только скорректировали результаты расчетов, получен
ных при допущении Ас^ = 0, но и существенно изменили всю
картину растворимости сульфидов в чистой воде при повышен
ных температурах (см. рис. 7.3, сплошные линии). По достижс
НИИ некоторой температуры кривые не только отклоняются oi
линейности, но и пройдя через максимум, изменяют свой наклон
на обратный.
Несколько лучшие результаты (особенно для газов) дают вто
рое (ACjj = const) и третье (Ас^ = ЬТ) приближения. Однако дли
водных растворов при повышенных температурах возникающие
при этом отклонения могут отличаться от истинных значений,
делая расчетный вариант вообще неприемлемым для решении
конкретных геохимических задач. В значительной мере это связи
но с тем, что диссоциация самого растворителя (воды) варьирус!
с изменением температуры, имеет экстремальный характер (см,
рис. 5.9).
В случае отсутствия экспериментальных данных для повышен
ных температур для ориентировочных расчетов могут быть ис
пользованы более сложные методы приближенных оценок тепло
192
I*мкости, учитывающие индивидуальные особенности отдельных
растворенных веществ. Так, И. Л.Ходаковский расширил возмож¬
ности приближенного расчета, установив эмпирическую зависи¬
мость между теплоемкостью ионов, их энтропией и зарадом. Су¬
ществуют и другие методы приближенных расчетов, дающие дос¬
таточно надежные результаты.
По мере накопления экспериментальных данных и совершен-
сгвования методов приближенной оценки термодинамических
параметров в условиях, отличных от стандартных, роль расчетных
методов для моделирования природных геохимических процессов
быстро возрастает.
7.6. Физико-химические диаграммы
Опираясь на термодинамические свойства минералов и мине-
р^шообразующих веществ, растворов и газов, можно наглядно изоб¬
разить условия их существования, а также получить дополнитель-
мые данные путем построения различных диаграмм. Число и даже
типы таких диаграмм чрезвычайно разнообразны в зависимости
от тех задач, для решения которых они используются. Здесь мы
приведем только некоторые, наиболее важные примеры, иллюст¬
рирующие значение и возможности использования диаграмм при
геохимических исследованиях.
Диаграммы состояния. Относительное расположение кривых
гермодинамического потенциала позволяет определить границы
устойчивости фаз и использовать эти данные для построения ди¬
аграмм состояния. Так, для однокомпонентной системы на диа-
грамме температура—термодинамический потенциал (рис. 7.4) точ¬
ка пересечения кривых G =/(Т) дает значение температуры фа¬
зового перехода. При низкой температуре устойчива фаза 1, име¬
ющая наименьший потенциал G, а при более высоких значениях
гемпературы — фаза 2 по той же причине.
в
Содержание В,
Рис. 7.4. Построение диаграм¬
мы фазовых превращений для
однокомпонентной системы
Рис. 7.5. Построение диаграммы
фазовых превращений для двух¬
компонентной системы
193
Такие диаграммы позволяют получить графически и некою
рые дополнительные сведения о других термодинамических но
тенциалах. Так, проводя через точку фазового перехода перпси
дикуляр к оси Тдо пересечения с кривыми потенциала Н, полу
чаем значение АЯ. Поскольку АЯ = Я2 - Я1 = 7"п-5^2 - 7"пA’l = Г^,АЛ',
легко получить и значение A^S фазового перехода.
Для двухкомпонентной системы (рис. 7.5) термодинамически!)
потенциал механической смеси геометрически выражается пря
мой, соединяющей точки Avl В. Если компоненты А и В даю1
устойчивый раствор, необходимо, чтобы значения термодинами
ческого потенциала были во всем интервале ниже такового для
механической смеси, т. е. указанные точки должны соединят1>ся
кривой, выгнутой книзу. Если компоненты не обладают полно!)
взаимной смешиваемостью, то на кривой появляется участок, об
ращенный выпуклостью вверх. Составы двух предельных растио
ров, на которые система распадается, можно термодинамически
определить, взяв первую и вторую производную по определенно
му участку составов.
Рисунки 7.6, 7.7 соответственно хорошо иллюстрируют вывод
типов диаграмм для систем с простой эвтектикой и для случля
образован™ непрерывного ряда твердых растворов, причем из всею
интервала температуры выбрана только одна.
Рис. 7.6. Построение диаграм¬
мы фазовых превращений для
двухкомпонентной системы с
эвтектикой
Рис. 7.7. Построение диаграммы
фазовых превращений для двухком
понентной системы с полной вза¬
имной смешиваемостью (непрс
рывный ряд твердых растворов)
194
30
Содержание серы, ат. %
40 50 60
70
Гис. 7.8. Фазовая диаграмма системы никель—сера при температуре выше
200 °С и содержании серы 18 — 56 мае. %
Более сложные диаграммы мы здесь рассматривать не будем,
огсылая интересующихся к специальной литературе.
Диаграммы соотношения фаз. На рис. 7.8 приведен пример слож¬
ной многофазовой системы Ni —S с многочисленными фазовыми
переходами при изменении температуры и состава системы. Здесь
ци(1)ры на диаграмме соответствуют температурам фазовых пере¬
ходов.
При геохимических исследованиях очень часто используют трех-
и более компонентные фазовые диаграммы, построенные на плос¬
кости (рис. 7.9) или в трехмерной системе координат (рис. 7.10).
Они позволяют наглядно представить появление или исчезнове¬
ние той или иной фазы при изменении соотношения компонен-
юв системы. Если фигуративная точка попадает в какое-либо поле,
1о это означает, что при данных параметрах в системе будет суще¬
ствовать данная фаза. Попадание точки на линию означает, что в
равновесии будут находиться две соответствующие фазы, в точке
пересечения линий — три.
В зависимости от решаемых задач диаграммы могут видоизме¬
ни гься, усложняться и дополняться вспомогательными построе-
195
о
Рис. 7.9. Фрагмент фазовой диаграммы системы свинец —сера—кисло
род при температуре ниже 616 °С
lg/?(S)
lg/7(C02)
Рис. 7.10. Поля устойчивости соединений железа в координатах
lg/?(C02) —lg/?(S) —lg/?(02) при температуре 25 °С (пунктиром показам
нижний предел устойчивости магнетита в присутствии метастабильной
воды)
196
Рис. 7.11. Концентрация молибдена
и некоторых его ионов на линии рав¬
новесия пирит—молибденит—сиде-
|)ит как функция кислотности рас-
пюра при температуре 200 °С, кон¬
центрации фтора 10"^’^
ииями. На рис. 7.11 приведена диаграмма, построенная для гео¬
химической модели жильного гидротермального рудообразования.
Пунктирные ЛИНИИ ограничивают поля преобладания различных
ионов молибдена во фторидном гидротермальном растворе, сплош¬
ная показывает их суммарную концентрацию. В кислых средах в
растворе будут доминировать фторидные комплексные ионы мо¬
либдена, в щелочных средах — ионы молибдата. В нейтральной
среде суммарная концентрация молибдена в растворе резко сни¬
жается.
р— Т-Диаграммы. Такие диаграммы позволяют проследить из¬
менение, происходящее в системе при изменении температуры
и давления, но при постоянстве ее общего химического состава.
И этих случаях отдельные компоненты будут перераспределяться
между различными фазами системы. Так, на рис. 7.12 показано
перераспределение оксидов Mg и Si во флюиде и расплаве, нахо¬
дящихся в равновесии с твердыми фазами оливина и ортопирок-
сеиа при изменении температуры и давления. Сплошная линия
огвечает условиям равновесия между расплавом и флюидом, пунк-
1*ис. 7.12. р— Г-Диаграмма системы MgO —Si02—Н2О с изолиниями сум¬
марных концентраций нелетучих компонентов во флюиде и расплаве
197
Рис. 7.13. Парциальное давление кислорода и водорода в условиях рам
новесия с водой при температуре 25 °С и общем давлении 1 атм
тирные — суммарным концентрациям нелетучих компонентов lio
флюиде и расплаве. На диаграмме хорошо видно, что с повыше
нием давления точка плавления смещается в область более ни з
ких температур.
Диаграммы парциального давления. Реакции с участием газом
любой летучести можно представить графически в виде функци11
летучести данного газа или соотношения летучестей нескольких
газов. В условиях низких температур и давлений летучесть газом
практически отвечает их парциальным давлениям, так как газы м
таких условиях близки к идеальному состоянию.
Равновесные соотношения между минералами и газовой фазой
любой активности можно представить графически в виде функ
ции активности данной газовой фазы. На рис. 7.13 представлено
соотношение парциальных давлений кислорода и водорода в рай
новесии с чистой водой при температуре 25 °С и давлении 1 атм.
Если парциальное давление одного из газов в условиях земноз!
поверхности превысит 1 атм, то из воды начнет выделяться дру
гой газ, вода начнет поставлять в атмосферу дополнительное ко
личество кислорода или водорода.
Аналогичные диаграммы могут дать представление о равновсс
ном парциальном давлении газовой фазы над другими минераль¬
ными фазами и их смену при его изменении. На рис. 7.14 данл
198
такая диаграмма для оксидов железа в присутствии воды, на рис.
7.15 — поля устойчивости минералов меди в координатах парци¬
альных давлений кислорода и серы.
Диаграммы растворимости минералов в водных растворах. Рас-
пюрение минералов и их кристаллизация из водных растворов
при различных температурах и давлениях играют важную роль в
природных процессах. Все природные процессы многокомпонен¬
тные, поэтому для изображения их составов необходимо много¬
мерное пространство. Чаще всего составы многокомпонентных
систем изображают на плоскости в виде отдельных проекций, се¬
чений, прибегнув к ряду упрощений, хотя они зачастую делают
диаграммы сложными для восприятия и малоинформативными.
На рис. 7.16 на примере системы Н2О —NaCl —КС1 изображе¬
ны изотермические диаграммы растворимости солей. Точки Д С
1ёР(02)
О
-20
-40
-60
-80
02(1 атм)
РегОз + Ог
Н2О
-
РС20з + Н2О
РС20з
РСз04
РСз04 + Н20
Н2О
РезОД2(1 атм)
Рез04 + Н2
Ре
Ре + Н2
Иис. 7.14. Совмещенная диаграмма соотношения полей устойчивости
оксидов железа и воды при температуре 25 °С и давлении 1 атм
199
Рис. 7.15. Соотношение устойчивости некоторых оксидов и сульфидом
меди как функция парциального давления кислорода (/?(02)) и серы (/?(S))
при температуре 25 °С и давлении 1 атм
Рис. 7.16. Изотерма раство
римости в воде двух невзаи
модействующих солей (сис
тема Н2О —NaCl —КС1 при
температуре 100 °С) в прямо
угольных координатах
200
-IgCu
Рис. 7.17. Изотермы растворимости U4O9 (настуран) как функция кис¬
лотности раствора и температуры: 150 (7), 200 (2), 250 (3), 300 (4) “С;
[СО2] = 1 моль/кг; [H2S]/[SOM = 10^
характеризуют растворимость солей в воде. Кривые растворимос¬
ти BE и СЕ показывают изменение концентраций растворов, на¬
ем щенных соответственно КС1 и NaCl, в присутствии другой соли
мри возрастающем ее содержании. Видно, что при этом происхо¬
дит кристаллизация той соли, по которой раствор насыщен (это
OI ражается в уменьшении концентрации соли в растворе). Точка Е
характеризует состав раствора, насыщенного при данных услови¬
ях обеими солями. Она названа эвтонинеской точкой (давление
мара над системой в этой точке минимально, так как суммарная
концентрация наибольшая). Независимо от исходного состава си-
сгсмы конечным пунктом кристаллизации будет точка Е.
На этой диаграмме можно выделить следующие поля: поле
ЛСЕВ — область ненасыщенных растворов, поля ВЕВЪ'\
СЕС'С" — смесь соответствующей соли и насыщенного ею раство¬
ра, поле С'ЕВ' — смесь раствора, насыщенного обеими солями с
различным избытком их в твердой фазе.
До достижения кривой СЕ кристаллизации не происходит,
и соотношение компонентов КС1 и NaCl в растворе не изменяет¬
ся. Состав системы соответствует составу раствора. Первая стадия
процесса описывается прямой, являющейся продолжением линии
Л !\. В точке Р2 раствор становится насыщенным и из него начи¬
нает вьщеляться NaCl.
Для графического представления влияния температуры строят
изотермы растворимости как функции какого-либо параметра
системы (рис. 7.17).
Диаграммы pH — Е. В последнее время отмечается весьма ощу-
1ИМЫЙ прогресс в использовании диаграмм в координатах кис-
иогность—окислительно-восстановительный потенциал pH = f{E),
201
о 2 4 6 8 10 12 pH
Рис. 7.18. Поле значений pH —в природных системах
Рис. 7.19. Диаграмма соотношения полей устойчивости гидроксидом
железа и сидерита при температуре 25 '’С и давлении 1 атм
202
предложенных в 1946 г. Пурбэ при изображении полей устойчи-
иости минералов и их ассоциаций.
Еще в 1923 г. В. Кларк подробно рассмотрел взаимозависимость
потенциала и pH, но его интересы ограничивались только облас¬
тью биохимии. Для геохимиков исследования Кларка дали мало
полезных сведений. Одним из первых, кто стал активно использо-
иать анализ влияния окислительно-восстановительного потенциа¬
ла на устойчивость минералов и минеральных парагенезисов, был
ученик А. Е. Ферсмана — В. В. Щербина (1939).
Следующей вехой был выход в свет классического труда К. Зо-
бслла (1946) о потенциалах морских осадков. В этой работе дан
исчерпывающий анализ теории и практики измерения потенциа¬
ла и pH, а также приведена интерпретация результатов измере¬
ний в природных средах (рис. 7.18). Единственное, что здесь от¬
сутствует, это изображение полей устойчивости твердых веществ
и виде функции потенциала и pH, что было восполнено работами
\\ Гаррелса с соавт.
Эти два обобщенных потенциала широко варьируют в природ-
ных условиях, определяя гидролиз растворенных веществ и ва¬
лентное состояние рассматриваемых элементов.
Успех таких диаграмм в значительной мере обусловлен тем,
ч го позволяет не только построить модель интересующей нас об-
)1асти реальной природной среды, но и сопоставить ее с непо¬
средственными замерами окислительно-восстановительного и кис¬
лотного потенциалов с помощью водородного (pH) и какого-либо
нейтрального (например, платинового) электродов. Эти замеры
легко провести в водной среде, контактирующей с конкретными
гиердыми фазами, в суспензиях и других аналогичных субстанци-
их.
На рис. 7.19 показан пример таких расчетов для полей устой¬
чивости минералов железа. Все поле возможных значений сверху
и снизу ограничено полем устойчивости воды.
7.7. Равновесное и устойчивое состояния
Среди всех научных дисциплин термодинамика выделяется
аксиоматической строгостью и общностью своих основополага¬
ющих начал. О глубине и общности начал термодинамики, преж-
лс всего, свидетельствует тот факт, что квантовая революция, из¬
менившая облик всей физики, практически не затронула термо-
]|имамики. Одно из основных достоинств термодинамики заклю¬
чается в универсальности ее выводов, которые не привязаны к
каким-либо конкретным системам. Это обстоятельство позволяет
применять термодинамику для анализа самых разных объектов
живой и неживой природы. Потенциал термодинамики огромен
203
и отнюдь не исчерпан, поэтому ее экспансия в смежные облает
науки неизбежна.
Однако необходимо учитывать, что в реальных природных ус
ЛОВР1ЯХ набор аксиом, положенных в фундамент классической тер
модинамики, далеко не всегда полностью справедлив для реаль
ных природных систем.
Как отмечалось в гл. 2, природные системы всегда открыты, но
полностью обратимы и тем более не изолированы, а подчас и
неравновесны. Как подчеркивал лауреат Нобелевской премии
И.Р.Пригожин (1917 — 2003), в идеальной равновесной системе
газ полностью перемешан, в каждом ее участке соотношение лег
ких и тяжелых молекул идентично. В реальной системе, находя
щейся в гравитационном поле, в верхней и нижней ее частях эго
соотношение будет различно. А ведь все окружающие нас систс
мы находятся в поле тяготения Земли. Другой пример, приводи
мый И. Р. Пригожиным: если в две соединенные емкости помес¬
тить два газа, допустим водород и азот, а затем подогреть одну ем¬
кость и охладить другую, то в результате из-за разницы температур н
одной емкости будет больше водорода, а в другой — азота. В данном
случае мы имеем дело с диссипативным процессом. Поскольку н
разрезе земной коры существует геотермический градиент, при
веденная модель по сути хорошо отражает природные реалии.
Практически в земных условиях из-за неизбежного наличия
сил сопротивления все системы, в которых не происходит при
тока энергии извне, являются диссипативными (лат. dissipation —
рассеивание). Они, с одной стороны, творят беспорядок и одно¬
временно, с другой — создают порядок (водород в одной емко
сти, азот — в другой). Порядок и беспорядок, таким образом,
оказываются тесно связанными — один включает в себя другой.
Рассматривать их как консервативные можно лишь приблизи
тельно.
Такие системы не будут равновесными в строгом понимании
этого термина, но они могут существовать сколь угодно долго,
пока не изменятся внешние условия. Это системы хотя и нераи
новесные, но устойчивые.
Совершенно ясно, что подобные реальные природные превря
щения нельзя рассматривать на основе идеальных моделей равно
весных систем, без учета реальной диссимметрии земной коры и
всей планеты.
Строго говоря, такие системы следует рассматривать с пози
ций доказанной И. Р. Пригожиным (1947) теоремы термодына
мики неравновесных процессов: при внешних условиях, препя1-
ствующих достижению системой равновесного состояния, стацио
парное состояние системы соответствует минимальному произ¬
водству энтропии. Именно такие соотношения и характеризую!
энергетическое развитие биосферы как системы.
204
Для того чтобы решить какую-либо задачу, мы, вообще говоря,
аолжны работать на трех уровнях. При исследовании какой-либо
системы необходимо учесть не только элементы данной системы,
но и то, в какую большую систему вписывается исследуемая сис¬
тема, а также какие подсистемы входят в последнюю. Таким об¬
разом, должен быть реализован трехуровневый анализ.
Когда специалисты пытаются от знания какого-либо элемента
ииизу сделать заключение относительно большой системы, это при-
иодит к неминуемым ошибкам. Такой путь работает только в первом
приближении. Поэтому биолог, занимающийся эволюцией в боль¬
шом масштабе, обязан знать, что происходит в биосфере в целом.
Однако состояние равновесия в любом случае остается тем
предельным состоянием, к которому система будет стремиться при
01'сутствии внешних воздействий (если бы она была изолирован¬
ной). Поэтому расчеты равновесных состояний всегда полезны
хотя бы уже потому, что показывают некоторое модельное пре¬
дельное состояние. Во многих случаях эти расчеты имеют непо¬
средственное практическое значение, давая результат с достаточ¬
ной для поставленной цели точностью.
7.8. Кинетика геохимических процессов
Существенным отличием равновесных термодинамических
моделей от реальных природных сиетем является отсутствие в них
координаты времени. В них вообще отсутствует понятие пути,
имеется только начальное и конечное состояния. По какому пути
и как долго идет процесс здесь не рассматривается.
Реальные процессы происходят быстрее или медленнее, но все-
| да во времени. Временные особенности протекающих реакций
и зучает химическая кинетика.
Химическая кинетика — это наука о скоростях и закономер¬
ностях протекания химических процессов во времени.
Различают два типа химических реакций: гомогенные и гете¬
рогенные.
К гомогенным относятся реакции, у которых и исходные веще-
сгва, и продукты реакции находятся в одной фазе. Взаимодействие
исществ в таких реакциях происходит во всем объеме. К гетеро¬
генным реакциям относят реакции, протекающие на границе раз¬
дела фаз.
Скорость V реакции по /-му веществу в гомогенной системе
определяется как количество /-го вещества Ni, образующегося в
единице реакционного объема Vв единицу времени т:
и =
1 dNi
V dx
(7.12)
205
Если реакция протекает изохорически, т.е. объем во время рс
акции не меняется, поскольку концентрация С, и объем связан1.1
соотношением
получим
Г
dC,
dx
(7.13)
(7.14)
размерность скорости — молъ/(л • с).
Установлено, что скорость реакции зависит от природы реаги
рующих веществ, концентрации, давления и температуры. Уста
новление этой зависимости и составляет одну из задач химичс
ской кинетики.
Многие геологические процессы протекают медленно не только
в привычном нам, но и в геологическом масштабе времени. В рс
зультате ряд природных реакций не достигает равновесного состо¬
яния, и мы наблюдаем некоторые промежуточные, метастабиль
ные фазы.
Метастабильное состояние (греч. meta — переход к чему-либо;
лат. stabilis — устойчивый) в термодинамике — состояние неустой
чивого равновесия физической макроскопической системы, в ко¬
тором система может находиться длительное время. С метастабиль-
ными фазами мы встречаемся на каждом шагу. Особенно отчетли¬
во это видно при изменении температуры процесса от более высо¬
кой к более низкой. Так, застывшие лавы представляют собой нс
успевшие раскристаллизоваться расплавы. Гранит, как и другие
глубинные породы, в поверхностных условиях также нестабилен
и постепенно разрушается, превращаясь в пески и глины.
Метастабильное состояние может длительно сохраняться но
двум основным причинам. Во-первых, из-за малой скорости ре¬
акции по сравнению с временем наблюдения. Во-вторых, в ре¬
зультате наличия энергетических барьеров. На рис. 7.20 энергети
ческий уровень исходных веществ (А) выше, чем возможных про-
Рис. 7.20. Изменение энергии реагирую¬
щей системы
дуктов реакции (В). Разность уровней А и В равна тепловому эф¬
фекту реакции Q. Но для данной реакции существует еще уро-
иснь К, который определяет тот наименьший запас энергии, ко¬
торым должны обладать молекулы, чтобы происходило их взаи¬
модействие. Разность между уровнями А и К представляет энер¬
гию активации Ei, а между уровнями К и В энергию активации
обратной реакции Ef B результате на пути из исходного состоя¬
ния в конечное система должна перейти через энергетический
барьер, для преодоления которого необходима энергия актива¬
ции.
7.9. Подвижность компонентов и локальные равновесия
в реальных геологических системах
Природные геологические системы не могут рассматриваться
ми как термодинамически полностью закрытые, ни как полно-
сгью открытые. В них всегда происходит некоторое изменение
содержания отдельных компонентов; обычно незначительное при
метаморфизме и подчас весьма значительное при метасоматозе.
Анализируя эти явления, Д. С. Коржинский ввел понятие об инерт¬
ных компонентах и вполне подвижных компонентах. К первым
относятся те компоненты, массы которых не меняются и являют¬
ся факторами равновесия. Массы вторых меняются, и, следова-
гельно, их потенциалы задаются вне данной системы. Одно из
иажнейших положений, вытекающих из термодинамической сущ¬
ности вполне подвижных компонентов, состоит в том, что их на¬
личие и количество в системе, в противоположность инертным
компонентам, не оказывает влияния на число равновесно сосу¬
ществующих фаз (минералов). Это положение вошло в науку под
названием минералогического правила фаз Коржинского.
В процессах метасоматоза происходит образование зональности
(с резкими границами между зонами), обусловленной дифферен¬
циальной подвижностью компонентов. Метасоматические колон¬
ки, включающие несколько зон с разным минеральным составом,
Д. С. Коржинский предложил рассматривать как в целом неравно-
иссные, но позволяющие говорить о термодинамическом равнове¬
сии в каждом отдельном элементарном участке. Такое равновесие
он назвал мозаичным.
Оно заключается в том, что в системе, неравновесной в целом,
могут быть вьщелены подсистемы, в которых можно пренебречь
I радиентами интенсивных параметров и тем самым неявно опреде-
)|ить их границы. С возрастанием интенсивности метасоматоза все
большее число компонентов переходит в подвижное состояние,
и число минералов в продуктах метасоматоза сокращается вплоть
до образования мономинеральных пород.
207
Эти понятия позволяют выделять ряды относительной поО
вижности компонентов, участвующих в формировании метасо
матических зон, создавая локальные равновесия в неравновесмоИ
системе.
Физико-химический анализ парагенезисов минералов плодо
творно применяется при изучении самых разнообразных при рол
ных объектов. На его основе установлен целый ряд важнейтич
закономерностей, определивших особенности генезиса метасоми
тических, метаморфических и магматических пород.
7.10. Термодинамика живого вещества
Рассматривая с термодинамических позиций живое вещество и
своей совокупности, ученые пришли к выводу, что жизнь прои i
водит действия, противоречащие в своем эффекте принципу воз
растания энтропии в биосфере. В результате процессов жизнедс
ятельности происходит увеличение действенной энергии биоло
гических систем. Это послужило основой для вьщеления особой
«жизненной силы», к которой не применимы законы термоди
намики.
Попытки решить эти противоречия предпринимались неодио
кратно. Еще в 1902 г. Н. А. Умов рассматривал особенности «строй
ности» и «нестройности» природных систем и существующие и
природе универсальные способы сохранения упорядоченных со
стояний. На языке современной науки это попытка связать opi a
низованность природных систем с энтропией и информацией.
Основатель квантовой механики Э. Шредингер в своих замена
тельных лекциях «Что такое жизнь с точки зрения физика?» оха
рактеризовал роль живого вещества как работу специальным об
разом организованной системы по понижению собственной эт •
ропии за счет повышения энтропии окружающей среды. «Отрица
тельная энтропия — это то, чем организм питается, — писал он.
Или, чтобы выразить это менее парадоксально, в метаболизме
существенно то, что организму удается освобождаться от всей той
энтропии, которую он вынужден производить, пока жив».
Каждый живой организм избегает перехода к равновесию бла^
годаря тому, что он питается, дышит и (в случае растений) асси
милирует.
В процессе элементарных биохимических реакций живой орга
низм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, про
изводит положительную энтропию и, таким образом, приближа¬
ется к опасному состоянию максимальной энтропии, представля
ющему собой смерть. Но он избегает этого состояния, т.е. остает*
ся живым, только благодаря тому, что постоянно извлекает и i
окружающей его среды отрицательную энтропию (порядок) и
208
|^ыделяет наработанную в процессе жизнедеятельности положи-
it льную энтропию (беспорядок). Таким образом, отрицательная
штропия — это то, чем организм питается и таким путем осво-
Г)(!(ждается от всей той энтропии, которую он вынужден произво¬
дить пока жив. Продукты, вьщеляемые организмом, всегда имеют
меньшую степень упорядоченности, чем те продукты, которыми
он питается.
Простейшая модель этого процесса — связывание углекислого
1аза и воды с образованием органических соединений и выделе¬
нием свободного кислорода:
С02 + Н20 = С,Н,0,+ 02
Эта реакция имеет положительное значение свободной энер¬
гии AG = +117,9 ккал/моль, а потому не может протекать само¬
произвольно, как и большинство биохимических реакций в жи¬
вом веществе. Для нее необходима энергия, которую организ¬
мы черпают из окружающей среды (солнечная, химическая).
Но в ходе такого синтеза энтропия продуктов будет уменьшаться
AS = -4,4 калДмоль * К).
В жизненном цикле организма наблюдается удивительная ре¬
гулярность и упорядоченность, не имеющие себе равных среди
всего, с чем мы встречаемся в косной природе. Способность орга¬
низмов концентрировать поток порядка, избегая, таким образом,
перехода к атомному хаосу, способность «пить» упорядоченность
из окружающей среды — одно из основных свойств живого веще¬
ства, отличающее его от косной материи. Существующая упоря¬
доченность проявляет способность поддерживать сама себя и про¬
изводить упорядоченные явления, лежащие в основе жизненных
циклов.
Все, что происходит в Природе, означает увеличение энтропии
в той части Вселенной, где это имеет место. Но это не значит, что
то же самое должно существовать и в каждой элементарной под¬
системе общей системы высшего порядка, поскольку подсистема
не изолирована от всей системы.
Поэтому термодинамику живого вещества нельзя рассматри¬
вать в рамках изолированных систем отдельных организмов, а только
в масштабах всей системы биосферы с позиций неравновесной
термодинамики И. Р. Пригожина. Что касается отдельных орга¬
низмов, то здесь нельзя игнорировать его трофические цепи или
метаболизм организма и среды его обитания. С одной стороны,
каждый организм в процессе биохимических реакций вырабаты¬
вает энтропию, с другой — сохраняет (и даже увеличивает свой
порядок), избавляясь от возрастающей энтропии (беспорядка), вы¬
деляя продукты своей жизнедеятельности. Можно сказать, что жи¬
вое вещество импортирует свободную энергию из окружающей
среды и экспортирует в окружающую среду энтропию.
209
в. и. Вернадский подчеркнул, что биосфера есть «природа» дин
всех геологических и биологических в широком смысле наук, н мсИ
не может быть какого-либо одиночного явления, независимого oi
окружающего времени и пространства. Не случайно свою класс и
ческую монографию «Биосфера» он начал с главы «Биосфера и
космосе».
Таким образом, все становится на свои места, если рассматри
вать живое вещество с позиций термодинамики диссипативпмн
систем, в рамках космических (солнечных) источников энергии
биогеохимических процессов. «По существу, биосфера, — писан
В. И. Вернадский, — может быть рассматриваема как область зсм
ной коры, занятая трансформаторами, переводящими космичс
ские излучения в действенную земную энергию — электричсс
кую, химическую, механическую, тепловую и т.д.».
* * *
Применение термодинамики, рассматривающей энергетические
преобразования в материальных телах, позволило существен!кi
продвинуть учение о геохимических процессах. Она дала возмож
ность надежно интерполировать поведение изучаемых систем меж
ду начальным и конечным состояниями, для которых имею1си
точные экспериментальные данные. Применение термодинамики
открыло пути для математического моделирования геохимических
процессов.
Контрольные вопросы
1. Какова роль термодинамики в изучении геохимических систем?
2. Чем отличаются открытые и закрытые термодинамические сис гс
мы?
3. Чем отличаются равновесные и стационарные системы?
4. Какие типы физико-химических диаграмм используют в геохимии ’
5. Каковы особенности кинетики природных процессов?
6. В чем заключается принцип «мозаичного равновесия» Д.С. Кор
жинского?
7. Как и почему изменяется энтропия живых организмов?
8. Какова роль трофических цепей в термодинамике биосферы?
9. Какую роль играют живые организмы в энергетике биосферы?
10. Какую роль играет неравновесная термодинамика И. Р. Пригожи
на в исследовании биосферных процессов?
РАЗДЕЛ III. ГЕОХИМИЧЕСКИЙ
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ
Глава 8
ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ТЕЛАХ
• Основные формы нахождения химических элементов в природных
объектах: минералах, горных породах, растворах, расплавах и газовых
образованиях, живых организмах
8.1. Понятие о формах нахождения элементов
Элементы, слагающие земную кору, существуют не сами по
себе, а образуют различного рода химические соединения и груп¬
пы таких соединений. Характерной чертой земной истории хими¬
ческих элементов является непрерывный переход их в течение
I еологического времени из одной группы минеральных равнове¬
сий в другую. Эти группы минеральных равновесий, распределе¬
ние элементов среди конкретных минералов и внутри минераль¬
ных зерен, в растворах, расплавах называют формами нахожде¬
ния химических элементов.
Смена форм нахождения элементов имеет большое геохими¬
ческое значение, поскольку определяет возможности их мигра¬
ции, рассеяния или концентрации. Все зависит не только от
свойств самого элемента, а от того, в какой форме он находится в
гом или ином природном объекте.
В земной коре различают четыре основные формы нахождения
химических элементов:
1) минеральные формы (молекулы и их соединения в минера¬
лах) в горных породах;
2) в растворах, расплавах и газовых образованиях;
3) в живых организмах;
4) в рассеянном состоянии вплоть до отдельных элементов и
их групп.
8.2. Минеральные формы
Минеральные формы нахождения элементов составляют ос¬
новную массу вещества земной коры. Они наиболее стабильны,
211
наименее изменчивы. Однако каждый минерал устойчив во виол
не определенных пределах физико-химических параметров. 1К*
реходя из одной обстановки в другую при тектонических движс
ниях, минеральные сообщества преобразуются, химические зло
менты перегруппировываются иным образом. Ассоциации элемси
тов и минералов, возникшие в ходе таких преобразований, налы
вают парагенетическими ассоциациями элементов и минералом
Еще древние рудознатцы с успехом пользовались в своей прак
тической деятельности некоторыми критериями совместной bci ро
чаемости конкретных руд с теми или иными «минералами»*. Нм
протяжении многих веков это был основной, как мы теперь гоио
рим, поисковый критерий на те или иные полезные ископаемые
Накопленные факты и эмпирические обобщения из поколения и
поколение передавались сначала устно, а затем и письменно.
Впервые (1798) В.М.Севергин ввел в науку понятие «смсж
ность минералов», определив его как «совокупное пребывание диун
или многих минералов в каком-либо месте... например, сопребы
вание кварца со слюдою, с самородным золотом и прочее» («Пер
вые основания минералогии или естественной истории ископмс
мых тел»).
Позднее (1849) немецкий исследователь И.Ф.Брейтгаупт они
сал это явление, назвав его парагенезисом минералов. Это помя
тие ближе к современному содержанию в его генетическом аспек
те. В 1909 г. В. И. Вернадский на съезде русских естествоиспытм
телей и врачей обрисовал теоретическое и практическое значении
этого понятия.
В дальнейшем этому понятию уделяли много внимании
В. М. Гольдшмидт (на кристаллохимической основе), А.Е.Ферс
ман (с энергетических позиций), А.А. Сауков, В. В. Щербина,
К. А. Власов и многие другие, поскольку выяснение закономерно
стей формирования парагенезисов элементов и минералов явля
ется одной из основных задач геохимии. Оно применимо и к бо
лее крупным системам: геологическим формациям, рудным мсс
торождениям, корам выветривания и даже земным геосферам.
Можно говорить о парагенных ассоциациях элементов атмо
сферы (N, О, Аг), литосферы (О, Si, А1). Эти ассоциации меняют
ся во времени, отражая ход эволюции биосферы. Так, состав ар
хейской атмосферы (до появления хлорофилловой функции орга
низмов) был существенно отличным от современного, преимущс
ственно углекислометановым. Если для докембрийских месторож
дений ураноносных конгломератов характерна ассоциация золота
и урана, то в более молодых месторождениях эти два элемента
* в понятие минерал (минеральное царство) вплоть до конца XVIII в. входи
ли самые разные геологические образования. Минералы (в современном пони
мании) — это осадки, горные породы. Лишь В.М.Севергин в 1807 г. ввел в науку
четкое разделение горных пород и минералов.
212
постепенно расходятся в пространстве. В качестве примера ассо¬
циации рудных элементов с разными типами горных пород при-
исдем таблицу наиболее характерной приуроченности рудных ме-
с горождений к преобладающему типу вмещающих пород, состав¬
ленную В.Н.Котляром (табл. 8.1).
Входя в состав минерала, элемент проявляет уже не свои инди-
иидуальные свойства, а свойства того соединения и даже ассоци¬
ации, в которые он включен. Одни и те же элементы в разных
минеральных формах нахождения будут вести себя принципиаль¬
но различно. Так, натрий, входящий в галит NaCl, и калий, вхо¬
дящий в сильвин КС1, хорошо растворимые в воде минералы, бу¬
дут легко переходить в раствор, а тот же натрий, входящий в аль¬
бит Ма[А181з08], и калий в ортоклазе K[AlSi30g] связаны настоль¬
ко прочно, что мало подвижны до тех пор, пока не разрушится
минерал-хозяин. Все зависит не только от свойств самого элемен¬
та, но и от того, в какой форме он находится.
Устойчивость минералов и их ассоциаций зависит не только
о г растворимости, но и от многих других химических и физиче¬
ских свойств. Мягкие минералы легче подвергаются механиче¬
скому истиранию, чем твердые, легко окисляемые быстрее раз¬
рушаются в зоне окисления, чем устойчивые к воздействию окис¬
лителей и т.д. Однако большинство минералов имеет состав, от¬
вечающий идеальному химическому составу только в первом при¬
ближении. При более тщательном анализе всегда обнаруживает¬
ся то или иное количество примесей иных элементов. Формы их
нахождения могут быть различны: изоморфизм, посторонние со¬
единения в дефектах кристалла, субатомное рассеяние с искаже¬
нием на ультра-, микро- и наноуровне регулярной кристалли¬
ческой решетки.
Изоморфизм — природное явление, когда химически разные
вещества могут давать одинаковые или весьма близкие кристал-
мографические формы. Часть основных элементов, строящих кри-
с Гсшлическую решетку минерала, может замещаться близкими по
кристаллохимическим свойствам элементами, существенно не
нарушая самой кристаллической структуры. Такое замещение на-
il.lвaют изоморфным.
Решающим для объяснения явлений изоморфизма было введе¬
ние (В. М. Гольдшмидт, 1926) представления о ионных радиусах
(г) — геометрических размерах атомов и ионов. Близость ионных
радиусов стала одним из основных условий изоморфизма. Ион¬
ный радиус г быстро уменьшается слева направо в периоде Перио¬
дической системы Д. И. Менделеева и резко увеличивается сверху
иниз в группе. В результате изоморфными оказываются элемен-
1Ы, соседние по диагоналям Периодической таблицы Д.И. Мен¬
делеева, например ряд Na —Са = 0,98 А, 1,02 А), который
представлен в плагиоклазах, составляющих более 50 % земной коры.
213
214
215
Эта диагональ продолжается к редкоземельным элементам, и имен
но благодаря постоянному изоморфному вхождению редкоземсл||
ных элементов в кальцийсодержащие минералы эти элемет1.1
долгое время считали двухвалентными. Другие характерные «диа
тональные» пары: Li —Mg, Mo —Re, Be—А1 и т.д.
Если период Периодической таблицы большой (с 32 элемсм
тами), то описанное снижение радиусов по периоду заходит так
далеко, что катионы одной и той же группы выравнивают свои
радиусы, т.е. у элементов одной группы, разделенных по вертика
ли «лантаноидным сжатием», изоморфизм становится весьма ярко
выраженным. Это относится к парам Ва—Ra, Zr—Hf, Nb—Та n
др. Но как ни близки между собой ниобий и тантал, их легче
отделить друг от друга, чем от титана, с которым они связаны
диагональным изоморфизмом. Таким образом, изовалентный изо
морфизм представлен намного скромнее (во всяком случае коли
чественно), чем изоморфизм гетеровалентный.
Возникает вопрос, как компенсировать в структуре кристалл:!
изменение валентности, например ее увеличение при изоморфиз
ме Са^^—Na^. Решение просто, когда элемент на середине диаго
нали замещается двумя соседними по разные стороны, например:
2Са^+ Na+ + La^+j 2Ti^ <=» Fe^^ + Nb^L
Особенно часто компенсация достигается за счет одновремеи
ного гетеровалентного изоморфизма «в обратном направлении».
В плагиоклазах замена иона Са^+ на Na+ сопровождается парал
дельно замещением А!^-" на CaAl2Si20g NaAlSijOg. При
гетеровалентном изоморфизме значительная (46 %) разница меж
ду радиусами SP^(0,39 А) и А1^+(0,57) не является препятствием,
так как в анионной части соединений заменяют друг друга не
атомы, а тетраэдрические группы, например Si04'*“ и А104^“, в ко
торых эффективные расстояния Si —О и А1—О (1,72 и 1,90 Л)
отличаются всего лишь на 9 %. Литий, например, в более «кати
онной» форме, имеющий координацию 6, замещает по правилу
диагонали магний (в биотитах); находясь же среди четырех азо
мов кислорода, литий способен заменить Be в берилле: [Li04| —
[Ве04].
Для переходных металлов, образующих соединения существенно
ковалентного типа и стремящихся создать около себя за счет до
норно-акцепторного механизма группы электронов 8, 13—14, 18,
закономерности изоморфизма иные. Так, в случае пары ионов с
одним и тем же радиусом, например Zn^^ и Fe^+, мы встречаемся
с односторонним изоморфизмом. Цинк в своем главном соедине¬
нии ZnS (сфалерит) допускает вхождение до 20% Fe, но цинк
соверщенно отсутствует в FeS. Причина лежит в возможности д/!я
железа иметь как щестерную координацию, так и четверную, тог
да как для цинка всегда в сульфвдах четверная координация.
216
Изоморфизм очень распространен в природе. Широким раз-
иитием изоморфных замещений объясняется сложный химический
состав большинства минералов, особенно из группы силикатов.
11римером совершенного изоморфизма являются минералы пере¬
менного состава, дающие непрерывные ряды, плагиоклазы, ска¬
политы, вольфрамиты и др. Законы изоморфного замещения объяс¬
няют распределение редких элементов, находящихся в виде при¬
месей в горных породах и рудах. Так, значительная часть иттрия и
редких земель находится в апатите, сфене и флюорите, изоморф¬
но замещая кальций; трехвалентный ванадий замещает в магне-
гите окисное железо; селен — серу в пирите и т.д.
Учение об изоморфизме является основой для изучения форм
нахождения элементов в горных породах и процессов концентра¬
ции и рассеяния химических элементов в земной коре.
Дефекты кристалла. Ни один реальный кристалл не обходится
без дефектов. Более того, реальные кристаллы растут дефектами —
дислокациями, проявляющимися на поверхности грани пологи¬
ми пирамидальными холмиками (или ямками), возникающими
на грани в точке выхода винтовой дислокации (рис. 8.1, 8.2). При
гаком строении поверхности грань растущего кристалла получает
lioзмoжнocть наращивать толщину слоя практически всей своей
поверхностью. Такой механизм роста создает благоприятные ус¬
ловия для осаждения на гранях роста посторонних твердых при¬
месей и захвата их растущим кристаллом (рис. 8.3).
Таким образом, уже в самих условиях роста кристаллов зало¬
жены возможности их заражения инородными химическими ве¬
ществами. Такое «загрязнение» растущих кристаллов столь обыч¬
но, что наблюдается в подавляющем большинстве природных кри¬
сталлических материалов. Чистые горные хрустали (прозрачный
кварц), изумруды, рубины и другие драгоценные камни встреча¬
ются весьма редко. Чистота таких кристаллов от примесей во мно¬
гом определяет их ювелирную ценность.
1*ис. 8.1. Винтовая спираль (вициналь) в месте выхода на поверхность
дислокации
217
Рис. 8.2. Спиральные вицинали и другие дефекты на грани тетраэдра
сфалерита
Неровности поверхностей растущих граней кристаллов приво¬
дят к захвату не только посторонних твердых фаз, но и той флю¬
идной субстанции, из которой рос данный кристалл. Обычно та¬
кие включения флюидной субстанции располагаются по зонам
роста или на стыке двух и более кристаллов. В них консервируют¬
ся все компоненты, которые присутствовали в субстрате, из кото¬
рого рос данный кристалл (рис. 8.4).
Субатомное рассеяние. На ультра-, микро- и наноуровне в про¬
цессе роста реальных кристаллов в регулярной кристаллической
решетке образуются локальные искажения. В этих местах возни¬
кают вакансии (отсутствие необходимого иона) или сюда легко
внедряются атомы посторонних элементов (рис. 8.5). Количество
таких дислокаций Q является функцией температуры t С„= ф^.
Рис. 8.3. Распределение твердых микровключений по зонам роста в кри¬
сталлах кварца (зарисовка шлифа В.Л. Барсукова)
218
Рис. 8.4. Флюидные включения:
а — трехфазовое (водный раствор, жидкий СО2, газ) в кварце; б — многофазовое
в топазе (увеличено в 1 300 раз)
i
1 1
им
11
11
1 1
к i к
i
9 ч
НН
9 ч
9 Я
1 л
IIP
к i к
-
ч
/ Д
. л
к 1 к
м
ж
м
^ 7
W ч
III
1
1 ё
► \
f' ч
1 i
9 Ч
1 1
Р Ч Р
III
Рис. 8.5. Вакансия (а) и межузельный атом (б) — точечные дефекты в
кристаллической решетке (пунктиром обозначены искаженные области
решетки)
Чем выше температура, тем больше регулярных искажений в
кристаллической решетке.
По мере понижения температуры избыточные дислокации на¬
чинают диффузионным путем «стекать» за пределы кристалла.
Происходит «самоочистка» минералов от чужеродных веществ,
которую А. Е. Ферсман назвал «автолизия». С другой стороны, по
мере понижения температуры экспоненциально уменьшается ско¬
рость диффузии, а следовательно, и очистки кристалла от приме¬
сей. Не случайно в металлургии и в стекольном производстве су¬
ществует операция «отжшга», когда застывшее вещество вьщержи-
иают при температуре немного ниже температуры кристаллиза¬
ции. При этом происходит естественная очистка образца от ва¬
кансий и субатомных посторонних примесей. В противополож¬
ность этому, закалка сохраняет все возникшие при кристаллиза¬
ции дефекты в металле и стекле. Материал становится менее пла-
сгичным, более твердым и более хрупким.
219
Посторонние примеси, законсервированные в матрице мине
рала-хозяина, будут находиться в нем до тех пор, пока внешние
силы не выведут их за пределы данного кристалла.
8.3. Формы нахождения элементов в горных породах
Все перечисленные формы нахождения элементов в минералах
присущи и любой горной породе. Однако здесь мы наблюдаем
еще одну — интерстиционную форму нахождения микроэлемеп
тов. Любая горная порода состоит из зерен отдельных минералов
На их границах концентрируются микропримеси и адсорбиро
ванные в процессе роста зерна, и выброшенные из зерна в про
цессе автолизии, и перемещенные по поверхности зерна и в меж
зерновом поровом растворе.
Соотношение между различными формами нахождения эле¬
ментов в горных породах наиболее точно позволяет получить мс
тод радиографии, фиксирующий на детекторе собственное или
наведенное излучение конкретных атомов. Шлиф горной породы
облучают потоком нейтронов определенной энергии, после чек»
расположение треков от осколков деления, зафиксированных на
детекторе, под микроскопом сопоставляют с расположением ми
неральных зерен (рис. 8.6). Подбирая условия активации и детек
тирования, можно выявлять следы расположения атомов различ
ных элементов, не нарушая структуры породы.
Накопленные данные позволяют говорить о чрезвычайно ши¬
роком диапазоне колебания соотношений между различными
формами нахождения элементов в горных породах (табл. 8.2). Они
могут меняться в зависимости от условий происхождения породы
а б
Рис. 8.6. Микропримеси в межзерновом пространстве горной породы:
а — микрофотография шлифа гранитогнейса; б — радиография того же шлифа
после облучения потоком нейтронов; на лавсановом детекторе хорошо видны
треки индуцированного деления отдельных атомов урана
220
Таблица 8.2
Соотношение форм нахождения урана в горных породах* *
Форма нахождения
Содержание в породе,
минимальное
максимальное
Рассеянная в породообразующих
минералах
<1
75
В межзерновом пространстве
<1
86
В микроскоплениях и акцессорных
минералах
14
89
* Данные: Наумов Г. Б., Цимбал Л. Ф. jj Процессы и закономерности мета-
морфогенного рудообразования. — Киев: Наук, думка, 1988. — С. 34.
И последующих наложенных изменений. Так, в магматогенных
лейкократовых гранитах значительная доля урана обычно нахо¬
дится в породообразующих минералах, тогда как в гнейсах поле¬
вошпатовая часть породы значительно чище от данной микро¬
примеси. В одном и том же типе пород разные элементы ведут
себя не одинаково. Так, если примеси урана в гранитах обычно
тяготеют к темноцветной составляющей породы, то значительная
часть свинца концентрируется преимущественно в полевошпато¬
вой ее части.
8.4. Формы нахождения элементов в растворах,
расплавах и газах
В растворах, расплавах и газовых образованиях элементы мо¬
гут находиться в виде:
• простых ионов (Н^, ОН", Na^, Cl");
• сложных и комплексных ионов (S04~, СО3", AIF^^, и02(С0з)2^“);
• коллоидных частиц (золей и гелей);
• сорбированных частиц на коллоидах;
• взвешенных частиц.
Простые ионы. Такие ионы, как №, Na^, К^, ОН", С1", F" и
некоторые другие простые ионы, возникающие в результате элек-
гролитической диссоциации, находятся в водных растворах в от¬
носительно свободном состоянии. Они наиболее подвижны и ак-
ГИВНО вступают в химические реакции.
Комплексные ионы. Сульфат-, карбонат- и аналогичные им ионы
представляют собой более сложные комплексные ассоциаты, вклю¬
чающие группы атомов. Так, в карбонат-ионе (рис. 8.7) три атома
221
Рис. 8.7. Модель иона СОз^"
кислорода группируются вокруг атома углерода. Суммарный за¬
ряд иона составляет 2-.
Ионы тяжелых металлов в водных растворах солей почти все¬
гда гидратированы — окружены несколькими молекулами воды,
существуют в виде аквакомплексов; например ион [Си(Н20)4р*
связан с сульфат-ионом через молекулы воды (рис. 8.8).
В растворах с повышенной концентрацией кислотных ионом
последние могут вытеснять молекулы воды, образуя сульфатные,
карбонатные, фторидные и другие комплексные ионы. Так, мо
фторидных средах ионы алюминия образуют различные алю-
мофторидные комплексные ионы, где центральным координаци¬
онным ионом выступает ион алюминия, а количество присоеди¬
ненных ионов фтора зависит от концентрации в растворе свобод¬
ных фторидных ионов (рис. 8.9). Здесь мы сталкиваемся с очет>
важным для геохимии изменением химических свойств элемен¬
тов, находящихся в свободном состоянии и включенных в комп¬
лексный ион. Поскольку природные воды, тем более термальные,
как правило, являются не чистой водой, а сложными растворами,
в которых обычно присутствуют соединения, активно образую¬
щие комплексные ионы (СО|“, SO|", С1“, ОН" и др.), мы часто
наблюдаем, что поведение интересующего нас элемента совсем
непохоже на поведение его простых ионов в чистой воде.
Коллоидные частицы (золи и гели). В поверхностных водах
распространены коллоидные частицы: золи и гели. В золях час¬
тицы дисперсной фазы не связаны в пространственные структу¬
ры и свободно участвуют в броуновском движении. Гели образу¬
йте 0Н9
Си
Н9О
ОН2
Ч /Н -О о
'о
у \ /Н
Н--0 о
Н90
Н90
ОН9
Ni
Н2О
Н9О
ОН2
н-.-о^ о
.'°Ч
Н--0 о
Рис. 8.8. Строение пентагидрата сульфата меди(П)
и гептагидрата сульфата никеля(П)
222
Рис. 8.9. Соотношение комплексных ионов алюминия при темпера¬
туре 25 °С и pH 5 при изменяющейся концентрации ионов фтора
ются при коагуляции золей. Здесь частицы дисперсной фазы
обладают пространственной структурой, которая сообщает гелю
механические свойства твердых тел — пластичность, эластич¬
ность и т.д.
Многие тяжелые элементы переносятся текучими водами в
сорбированном состоянии на коллоидных частицах и во взвесях.
В расплавах элементы находятся принципиально в тех же
(|)ормах, что и в растворах. Однако многие особенности зависят
от полярности несущего субстрата. В расплавах вместо аква¬
комплексов формируются блоки из кремнеалюминиевых тетра¬
эдров различной сложности и размеров, создающие матрицу
расплава. Чем выше температура, тем мельче эти блоки. Кати¬
оны, имеющие меньший размер, чем блоки матрицы, распола¬
гаются между ними.
В атмосфере кроме основных составляющих ее газов (N2 78 %,
(>2 21 %, Аг 0,9 %, СО2 0,1 %) преобладают ионизированные или
нейтральные аэрозоли — системы, состоящие из твердых или
жидких частиц, взвешенных в газообразной среде. Это и атмо-
с(1)срная влага, и переносимая ветрами пыль, и техногенные дымы.
В атмосферной влаге могут быть растворены и вместе с ней пере¬
носиться многие хорошо растворимые соединения. Примером
могут служить «кислые дожди», переносящие техногенную сер¬
ную кислоту и ее соли.
Атмосферную влагу мы постоянно наблюдаем не только в виде
дождя, но и в форме росы — водных конденсатов на твердой
(|>азе, образующихся при изменении температуры. Многометро¬
вые толщи лессовых отложений образованы тончайшими твер¬
дыми пылевыми частицами, перемещаемыми атмосферными
потоками.
223
8.5. Элементы в живых организмах
Одной из форм нахождения элементов является их концен i рл
ция в живых организмах. Несмотря на относительно небольшую
массу биоты, роль последней в миграции элементов огромна.
Как будет показано в гл. 9, через живое вещество прошла таким
масса элементов, что она принципиально изменила ход прощч'
сов осадкообразования и метаморфизма в земной коре, измемшт
ход эволюции биосферы.
В живых организмах обычно выделяют два вида элементов:
1) элементы, составляющие тело организмов (это 14 элемсм
тов: Н, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Fe);
2) элементы, накапливающиеся организмами в количесп^ах,
существенно превышающих их содержание в окружающем су()
страте.
Первая группа элементов концентрируется во всех видах ж и
вых существ, составляя ее биомассу. Наибольший прирост био
массы дают растения. Леса средних широт дают прирост биомас
сы ~7,5 т/га. В тропических лесах прирост биомассы существетю
больше: от 6 —7 до 50 —60 т/га.
Активный расцвет жизни проявляется в гидросфере. Площадь
Мирового океана в 2,4 раза больше площади суши, и мощное и.
(средняя мощность гидросферы 3,8 км) существенно превьшккч
мощность развития жизни на континентах, ограниченную несколь
кими метрами. Но далеко не вся океаническая толща одинакоио
насыщена живыми организмами: главным образом это 50 — 60 м
океанической поверхности и придонные слои. Хотя биомасса по
современным оценкам составляет всего -10 '^% массы всей био
сферы, скорость обмена здесь существенно выше, чем в косной
природе.
Концентрация элементов второй группы специфична для ом
ределенных видов организмов, извлекающих некоторые элемси
ты из окружающей среды и накапливающих их в своем теле и
содержаниях на несколько порядков выше, чем в окружающей
среде. Хорошо известно, что иод, не образующий собствент.1х
минеральных форм, концентрируется морскими водорослями,
Повышенные его концентрации в некоторых типах почв и в нс
фтяных водах также связаны с концентрационной функцией opi а
низмов.
Живые организмы концентрируют многие Т5гжелые металлi»i,
Из данных табл. 8.3 видно, что концентрация таких элементом,
как Hg, РЬ, Cd, As в водах внутренних морей и заливов, где актин
но развивается морская флора, повышается по сравнению с водой
Мирового океана. Дальнейшее повышение наблюдается в мор
ских илах, богатых остатками организмов, еще более высокое со
держание элементов в речных илах, и самое высокое — в растени
224
го
00
л
а
X
г.
ю
л
§
»
X
и
Рн
О
йО
НЭ
ю
с»
о
1
1
(П
го"
оо
1
in
Ь
о^
1
1-Н
40
W
O',
сЬ
о
^1
о
ь
t
т-Н
о
1
1
оо
о
1
ь
о
1
o^
о
40
Ь
1
о
ГЧ
т-Н
Т-Н
in
1
ш
д-
1
1
1
1
о
1
—<
04
•—I
о
о
О
О
о
’У'
’У
го
ГО
ГО
in
ш
Я'
оо
04
о
о
<ь
о
т-Н
го
1
in
1
1
40
1
1
1
гм
1
1
О
1
Ь
о
Ь
о
ш
in
ГА
in
Д
д
д
Д
tj
н
Д
>.
(D
П
о (D
О
<;
д
Д
«
<и
о
о
X
tl
о
д
(D
$ о
S о
ц °
Си
а
S
д
о
;-.
О
д
си
п
S Р
о
о
д
о
й- д
R о
д
д
и
ю
<1>
Д
S
&«
со
Д
д
о
X
(D
Он
X
<D Д
Он X
д
а
3
S «
й
§«
§
н
Д[
о
О
ра S
03
Д
«
со S
1
1
40
<ь
о
'-н
t-'
1
д-
1
1
<N
1
(N
1
1
1
ш
О
40^
г-«"
>п
Tf
сЬ
о
1—н
»—1
ОО
г-н^
04
1
1
1
1
ь
О
(N
д
Он
со
О
д
3
ЗД
д
5
д
н
(D
t:[
О
Он
Он
О
д
S
S
го"
го
1гГ
<D
S
о
<D
д
оЗ
Д
<D
О.
и
225
ях и животных промышленных районов. По отдельным районам
наблюдается повышение содержания металлов в живых орган и i
мах на 1 — 4 порядка по сравнению с естественными их концет
рациями в живом веществе.
В последнее время получено много данных по концентрирои;!
нию живым веществом искусственных радиоактивных изотопом
^®Se, и др. Все это говорит о том, что форма нахож
дения элементов в живых организмах играет существенную, а под
час и решающую роль в изменении направления миграции эле
ментов и приобретает особое значение при решении экологиче
ских вопросов.
* * *
Мы обозначили только самые общие группы различных форм
нахождения элементов в земных объектах. Каждую из них необ
ходимо конкретизировать для тех или иных реальных геологичес
ких условий. Такой анализ очень полезен даже на качественном
уровне, поскольку от формы нахождения элемента во многом зм
висит его дальнейшая геохимическая история.
Контрольные вопросы
1. Какие формы нахождения элементов в природных объектах мы
знаете?
3. В чем проявляется изоморфизм в геохимии?
4. Как формы нахождения элементов влияют на их подвижность?
5. Охарактеризуйте понятие «субатомное рассеяние» элементов.
6. В каких формах элементы могут находиться в растворах и распла
вах?
7. Какие элементы концентрируются в живых организмах?
8. Как могут изменяться формы нахождения химических элементом
при различных геологических процессах?
Глава 9
МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
• Виды миграции • Параметры миграции • Факторы миграции (внутрен¬
ние и внешние) «Дифференциальная миграция • Природные механизмы
|ранспорта вещества • Понятие «флюид» в геологии • Механизмы миг¬
рации • Поверхностный перенос• Эндогенная миграция элементов» Био-
(пнный перенос вещества • Роль живого вещества в круговороте эле¬
ментов земной коры •Техногенная миграция
9.1. Миграция и ее параметры
Все геохимические процессы всегда связаны с перемещением
химических элементов, их миграцией (лат. migratio — перемеще¬
ние). От возможности миграции, ее путей и интенсивности во
многом зависит протекание тех или иных геохимических процес¬
сов.
В самом общем виде обычно выделяют четыре основных вида
миграции:
1) механическую;
2) физико-химическую;
3) биогенную (связанную с деятельностью живых организмов);
4) техногенную (связанную с развитием цивилизации).
При такой классификации в первую очередь следует выявлять
исходную движущую силу, под влиянием которой происходит
перемещение атомов, молекул, минеральных тел ргли их комплек-
1Ч)в. Во всех случаях перемещение происходит от точки с более
высоким потенциалом (гравитационным, термическим, электри¬
ческим, химическим) к более низкому. Совершенно естественно,
Ч1'о в реальных природных условиях происходит смешение раз-
|||>1Х типов миграции: при биогенной миграции происходят и фи¬
зико-химические, и механические перемещения, а техногенная
миграция включает все перечисленные типы миграции.
Любая работа (А), в том числе и по переносу вещества, выра¬
жается через произведение экстенсивных и интенсивных пара¬
метров:
А =
/
где Xi — экстенсивные параметры (зависящие от размера системы
или фазы и обладающие аддитивными свойствами): расстояние,
227
объем, масса, энтропия; Xi~ интенсивные параметры (не завися
щие от размера системы или фазы; их значения не подлежат ело
жению): температура, давление, химический потенциал, поверх
ностное натяжение и т.п.
Подробно эти вопросы рассмотрены в гл. 7. Однако в отличие
от термодинамики, которая рассматривает системы вне времени,
для процессов миграции особое значение приобретает не только
направление перемещения вещества, но и скорость и интенсии-
ность этого процесса. Понятие интенсивности вошло в геологи¬
ческие науки только в первой половине XX в., когда появились
методы радиологического определения возраста.
Скорость миграции {и) определяется количеством вещества Л,
перемещенного в единицу времени t:
и =
dt'
Интенсивность миграции (PJ характеризует долю вещестнл
X переносимого в единицу времени:
/>=1^=1.
' ь, dr К
Иными словами, интенсивность миграции это отношение чис¬
ла перемещенных в единицу времени атомов к общему их числу и
системе в единицу времени.
Иногда величину dbjb^ рассматривают как самостоятельную
бесконечно малую величину и обозначают dJJ — элементарный
импульс миграции. Тогда сумма импульсов за промежуток време¬
ни ^2 - tx составит
U = ]PAt.
Если принять, что в какой-то промежуток времени
то после интегрирования получаем
и= P^At.
const.
Наконец, общий эффект перемещения вещества зависит от
площади поперечного сечения (iS'), через которое происходит это
перемещение.
Таким образом, интегральный эффект миграции (масеа пе¬
ремещенного материала Л/,) зависит от интенсивности миграци¬
онного процесса, поперечного сечения потока S и интегрально1'о
времени процесса
Еще Ж. Бюффон, а затем И. Кант обратили внимание на те гран¬
диозные эффекты, которые создаются длительным действием ма¬
228
лых сил, например изменение рельефа текучими водами. Капля
камень точит. Едва заметные действия отдельных организмов в
1‘иоей совокупности на протяжении геологического времени ме¬
няют химический облик атмосферы, гидросферы и всей земной
коры, огромное множество природных процессов, незаметных в
масштабе исторического времени, приводят к грандиозным изме¬
нениям в масштабе времени геологического. Все эти изменения
сиязаны с переносом вещества — миграцией.
9.2. Факторы миграции
Миграция происходит под влиянием большого числа различ¬
ных, порой противоречивых факторов {шт. factor — делающий,
производящий). Факторы миграции принято делить на внутрен¬
ние, зависящие от химических свойств элемента, и внешние, оп¬
ределяемые условиями среды.
К внутренним факторам миграции относятся:
• способность элемента образовывать летучие или растворимые
соединения;
• осаждаться из растворов;
• кристаллизоваться из расплавов;
• сорбироваться;
• поглощаться организмами.
Рассматривая внутренние факторы миграции, нельзя не учи¬
тывать не только химические особенности самих элементов, но и
(|)ормы их нахождения в геологическом теле, где они образуют
различного рода химические соединения, находящиеся в опреде¬
ленном химическом и физическом окружении.
Внешние факторы миграции включают:
• температуру Т\
• давление р\
• кислотность среды pH;
• окислительно-восстановительный потенциал;
• химический состав среды (другие элементы);
• присутствие организмов-концентраторов и т.д.
9.3. Дифференциальная миграция
Процесс миграции обычно сопровождается дифференциацией
элементов, которая зависит:
• от свойств элемента;
• его физико-химического окружения;
• разности потенциалов;
• сопротивления среды.
229
Простое наблюдение за поведением твердой фазы, переноси
мой речным потоком, перемещением материала при абразии и
других аналогичных процессах позволяет заметить сортировку
гравия, песчаных и глинистых компонентов. Это дифференциа¬
ция по плотности, размеру, степени окатанности перемещаемых
частиц.
Любой поток / вещества, теплоты, энергии всегда прямо про¬
порционален разности потенциалов AVи обратно пропорциона¬
лен сопротивлению среды Л:
1 =
ЛУ
Я ■
Если в общем потоке движутся несколько компонентов и для
каждого из них значения АКи 7? не идентичны, они с необходи¬
мостью будут разделяться в пространстве. Примерами такого раз¬
деления могут служить гравитационные столы, разделяющие пе¬
ремещающийся многокомпонентный шлих на фракции, отделе¬
ние ягод от листвы и мусора катанием на наклонных плоскостях,
фильтрация замутненных вод через песчаные колонки, разделе¬
ние молекул в хроматографических колонках и множество других
природных и техногенных процессов.
9.4. Поверхностный перенос
При обсуждении вопросов транспорта элементов в современ¬
ных геологических науках основной упор часто делается на меха¬
нический перенос. В экзогенных процессах это — эоловый пере¬
нос, абразия, денудация, поверхностный и подземный сток и под¬
водные течения.
Практически все эти явления — течение воды, потоки ветра,
изменение береговых линий, перемещение грунта на склонах —
мы можем наблюдать и изучать количественно с помощью совре¬
менных технических средств. Однако даже при механической де-
зынтеграции горной породы участвуют и химические процессы
разложения минеральной массы, и биологические изменения и
корневых частях растительности, и бактериальное влияние поч¬
венного покрова.
К поверхностным процессам миграции относятся засолоненис
почв, вымывание из них отдельных элементов, разложение и окис¬
ление гумусовых веществ и многое другое.
Химические элементы по особенностям их миграции в воздухе
классифицируют следующим образом:
1) активные — образуют химические соединения: О, Н, С, N;
2) пассивные — не образуют химических соединений: Аг, Не,
Ne, Кг, Хе, Rn.
230
Таблица 9Л
Геохимическая классификация элементов по особенностям
их водной миграции в ландшафтах
Характеристика
Катионогенные
мигранты
Анионогенные
мигранты
Очень подвижные
Са, Na, Mg,
Sr, Ra
Cl, Br, S, F,
В
Слабо подвижные
К, Ва, Rb, и.
Be, Cs
Si, P, Ge,
Sn, Sb, As
Подвижные и слабо подвижные в
окислительной обстановке и инерт¬
ные в сероводородной среде, осаж¬
даются на щелочных барьерах,
мигрируют в окислительной
обстановке
Zn, Си, Ni,
РЬ, Cd
Hg, Ag, Bi
Подвижные и слабо подвижные в
окислительной обстановке, инерт¬
ные в восстановительной среде,
осаждаются на сероводородных и
глеевых барьерах
V, Мо, Se, и. Re
Подвижные и слабо подвижные в
восстановительной глеевой среде,
инертные в окислительной и восста¬
новительной сероводородной средах
Fe, Мп, Со
Мало подвижные в большинстве
обстановок:
слабая миграция с органическими
комплексами, частично мигрируют в
сильнокислой среде
частично мигрируют в щелочной
среде
Ti, Сг, Се, Nb, Y, La, Ga,
Th, Sc, Sm, Gd
Zr, Nb, Та, W, Hf, Tb, Ho,
Eu, Yb, In, Lu
He образуют химических соединений
(самородковое состояние)
Os, Pd, Ru, Pt, Au, Rh, Ir
В обобщенном виде миграционная способность элементов в
йодной среде охарактеризована в табл. 9.1*.
В реальной природной обстановке могут складываться усло¬
вия, существенно изменяющие подвижность отдельных химиче¬
ских элементов.
См.: Перельман Л. И. Геохимия. — М.: Высш. шк., 1979.
231
в почвенной среде главные факторы, влияющие на раствори
мость и подвижность элементов: pH среды, окислительно-BOccia
новительный потенциал, наличие и свойства органического вс
щества, наличие сопутствующих катионов и анионов, емкосп.
поглощения, минералогический состав.
Известны также почвы с pH от 3,0 —3,5 (кислые почвы) до
10—11 (содово-засоленные почвы, глубокие горизонты орошае
мых почв). Таким образом, интервал колебания pH достигает 7 —
8 единиц. Эти изменения существенно влияют на процессы гид
ролиза. Так, для гидроксидов одновалентных катионов измене¬
ние pH на единицу вызывает изменение растворимости на поря¬
док, для двухвалентных — на 2 порядка, для трехвалентных мс
таллов — на 3 порядка. Необходимо учитывать также, что в по
чвах низкие значения pH, как правило, соответствуют промьпг
ному режиму, и вполне реальным представляется в таких усло¬
виях вынос практически любых катионов, разрушение карбона¬
тов и алюмосиликатов.
В поверхностных водах обычно содержатся растворенные орга¬
нические вещества, прежде всего гуминовые и фульвокислоты,
гидрокарбонатные и гидросульфатные ионы. Все они могут обра
зовать с ионами тяжелых металлов достаточно прочные комплекс¬
ные соединения, вносящие коррективы в их миграционную спо¬
собность.
С другой стороны, нерастворимые органические вещества почи
могут сорбировать микроэлементы и прочно удерживать их мно¬
гие годы. Так, почвы в районе Печорского радиевого завода (Ухта),
действовавшего в 1940— 1950-е гг., до сих пор сохраняют радио¬
активные аномалии. Поэтому при решении вопросов миграции
элементов в поверхностных условиях, в том числе при решении
экологических задач, необходимо проводить замеры реальных
параметров исследуемой среды. Все это доступно непосредствен¬
ному изучению, резко повышающему надежность и результатив¬
ность дальнейших практических действий.
9.5. Эндогенная миграция элементов
Обычно в качестве транспортных путей рассматривают глобаль¬
ные тектонические движения, магматические интрузии, экстру¬
зии и эффузии, а также разнообразные флюидные потоки. Послед¬
ние занимают особое, почти исключительное место в теориях эн¬
догенного рудообразования.
Понятие «флюид» в геологии не имеет четкого определения.
А. И. Перельман так определяет это понятие: «При высоких дав¬
лениях сильно сжатый водяной пар ведет себя во многом анало¬
гично жидкой воде, молекулы Н2О в нем ассоциированы. Такие
232
газово-жидкие растворы именуют флюидами»*. Это не совсем
I очно. Здесь речь идет только о надкритическом состоянии воды.
В более общем виде флюид (лат. fluidus — текучий) — это
любая текущая субстанция (газ, раствор, расплав). В теориях ру-
дообразования именно флюиду обычно отводится роль основного
I ранспортного средства, в котором переносятся элементы, слага¬
ющие рудные тела.
В начале XX в. в теориях магматогенного рудообразования зна¬
чительное место удел5июсь «пневматолитовому» переносу — со¬
стоянию гидротермального раствора в газовом и надкритическом
состояниях. Эти представления базировались не столько на эмпи¬
рических данных наблюдений и экспериментов, которых в то время
;1дя подобных условий еще не было, сколько на модельных пред¬
ставлениях о решающей роли магматического процесса в форми¬
ровании руд.
Накопленные позднее экспериментальные данные по состоя¬
нию растворов в условиях высоких температур и давлений, а так¬
же многочисленные данные по флюидным включениям в мине¬
ралах показали, что перенос в газовой фазе рудных компонентов
практически не имеет значения. Подавляющее большинство флю¬
идных включений в минералах, слагающих рудные тела, в гомо¬
генном состоянии представляют собой не газовую, а жидкую или
достаточно плотную надкритическую фазу.
Появление газовой фазы возможно лишь при температурах и
давлениях ниже критической точки, т.е. в областях, близких к
поверхности. В этих условиях плотность газовой фазы слишком
низкая, чтобы обеспечивать перенос значительных масс элемен-
гов.
При параметрах выше критических вообще исчезает понятие
жидкой и газовой фазы (см. рис. 5.7). Здесь нет фазового раздела
и, следовательно, нет и фазового перехода. Система остается го¬
могенной при изменении параметров состояния до тех пор, пока
значения температуры и давления не опустятся ниже критиче¬
ских. Для чистой воды критическое значение температуры состав¬
ляет 374,2 °С, давления — 218,3 атм. Для растворов солей эти зна¬
чения выше, иногда значительно.
Растворимость большинства рудных минералов в водных раство¬
рах при температурах и давлениях, близких к поверхностным усло¬
виям, ничтожно мала для того, чтобы объяснить перенос рудного
вещества. Однако рост растворимости некоторых веществ при по¬
вышении температуры вселял в геологов надежду, что при высоких
параметрах возрастет и растворимость рудных минералов.
Отсутствие необходимых экспериментальных данных о пове¬
дении вещества при соответствующих параметрах заставило уче¬
* Перельман А. И. Геохимия. — М.: Высш. шк., 1979. — С. 107.
233
ных обратиться к термодинамическим расчетам. Однако в отли
чие от систем с участием индивидуальных веществ, для которых
набор необходимых данных был достаточен, расчет водных рай
новесий в то время мог успешно проводиться лишь для темпера
туры 25 °С и давления 1 атм, поскольку значения термодинами
ческих потенциалов, имевшихся в справочной литературе, огра
ничивался этими условиями. Переходя к повышенным темпера¬
турам и давлениям, исследователи были вынуждены пользоваться
различными допущениями и приближениями. Так, используя урав¬
нение Вант-Гоффа
dln^ АЯ°
йТ RT^
(9.1)
и допуская в первом приближении постоянство теплового эффек¬
та реакции (АН° = const), что идентично постоянству изобарной
теплоемкости АСр = О, после интегрирования в интервале от Ti до
Т2 получаем
1П(Я2-Я,) =
АН°
RT^
Т2]
(9.2)
Зная константы равновесия при данных температурах, можно
рассчитать растворимость отдельных минералов в конкретных ус¬
ловиях.
Такой подход был использован в середине XX в. Принятая и
этих расчетах линейная зависимость логарифма произведения рас¬
творимости от обратной температуры (\/Т) давала возможность
надеяться на достаточно высокую растворимость сульфидов при
температуре 400 —600 °С. При этом быстрое снижение раствори¬
мости при остывании растворов выдвигалось в качестве основной
причины отложения минеральных веществ.
Появившийся позднее экспериментальный материал показал,
что если для равновесий в газовой фазе принятое допущение дас г
удовлетворительные результаты, то в водной среде не наблюдаеп -
ся такой простой картины. Приращение логарифма констан1ы
равновесия в этих системах не только не сохраняет линейной за¬
висимости от 1/Т, но может даже менять свой знак на обратный,
переходя через экстремум. В результате значения растворимости,
полученные для температуры выше 100 °С, могут иметь значи¬
тельную ошибку, а данные, построенные путем экстраполяции м
область более высоких температур, имеют мало общего с истин¬
ными значениями растворимости (см. рис. 7.3).
В дальнейшем использовались другие, более точные прибли¬
жения (Ас^ = const, АСр = dT, АСр =f(S, пе) и др.), дающие лучшую
сходимость расчетных и экспериментальных данных. Все осно-
234
ианные на них расчеты показывают, что простое повышение тем¬
пературы растворов не дает того эффекта, который необходим для
объяснения транспорта элементов в эндогенных условиях за счет
простого повышения температуры и давления.
Расчеты растворимости рудных минералов, основанные на про¬
изведениях растворимости и термодинамических потенциалах
простых ионов в воде, не учитывали одного весьма важного об¬
стоятельства. Дело в том, что природные водные растворы это не
чистая фаза Н2О, фигурировавшая в расчетах, а сложные систе¬
мы, содержащие кроме молекул воды и растворяющегося веще¬
ства много других компонентов. Многие из них способны образо¬
вывать с рудными элементами сложные комплексные соединения
общей формулы где Э — ион комплексообразователь; L —
лиганды, его окружающие.
Поведение комплексных новообразований существенно отли¬
чается от поведения простых ионов. Среди природных лигандов —
прежде всего ионы С1~, F", SO|“, СОз^" и НСО3, сложные органи¬
ческие кислоты. Так, уранил-ион в карбонатных растворах обра¬
зует комплексные ионы [и02(СОз)з]'^“ и [и02(СОз)2]^". В резуль¬
тате ион и02^^, имеющий форму гантели и чрезвычайно легко
восстанавливающийся даже слабыми восстановителями до
оказывается весьма устойчивым в интервале температуры процес¬
сов гидротермального рудообразования.
Суть этого явления может быть представлена в виде геометри¬
ческой модели, изображенной на рис. 9.1. Она заключается в том,
что центральный ион (комплексообразователь) окружен карбо¬
натными ионами (лигандами), которые экранируют его от элект¬
ронов восстановителя, необходимых для перевода урана из шес¬
тивалентного в четырехвалентное состояние.
Ион и02^^ образует прочные комплексные ионы с целым ря¬
дом органических лигандов, обычно присутствующих в природ-
юШиШо-^
2+
1*ис. 9.1. Модель строения иона уранила и трикарбонатоуранила
|И02(С0з)з]'^ (электроны легко достигают в гантели UO^"^, но не в
его карбонатном комплексе, где надежно экранирован ионами СОз~)
235
ных растворах. В результате поведение урана, заключенного в ком
плексные ионы, становится принципиально отличным от геохи
мии иона уранила.
Олово и молибден образуют комплексные ионы с ионами ф го
ра, хлора и гидроксила, а свинец в условиях избытка гидросуль
фидных ионов не только не выпадает в виде сульфидов PbS, но и
образует гидросульфидные ионы Pb(HS)2 и РЬ(Н8)з, что исполь
зуется в классическом химическом анализе.
Развитие химии комплексных соединений, в том числе при
повышенных температурах и давлениях, и использование этих
данных в геохимии сняло многие проблемы, связанные с перено
сом рудных элементов в гидротермальном рудообразовании. При
этом центральными факторами, определяющими возможное! и
переноса или отложения рудных элементов, стала не температу
ра, а химические условия, ответственные за образование или раз
рушение комплексных ионов.
Все эти данные ставили под сомнение теорию «специализиро^
ванных» магматогенных растворов, ответственных за определен
ные типы рудных скоплений. Академик Д.С.Коржинский пока
зал, что эндогенный флюид не мог оставаться постоянным на всем
пути от места своего рождения до области рудоотложения. В со¬
ответствии с вьщвинутым им принципом мозаичного равновесии
его «специализация» должна была меняться в каждой термодина¬
мической и геохимической зоне.
В настоящее время накопилось огромное количество эмпири
ческих данных по исследованию флюидных включений в минера¬
лах осадочных, метаморфических и магматических горных пород.
Основу подвижного флюида составляют два компонента — вода и
углекислый газ. Доля последнего увеличивается с глубиной (с по¬
вышением температуры и давления). Состав остальных компо¬
нентов изменчив, среди них явно преобладает NaCl. Общая ми¬
нерализация растет с повышением температуры. Если при темпе¬
ратуре ниже 200 °С преобладает минерализация менее 20 экв.-%
NaCl, то выше 400 °С такие флюиды практически отсутствую!,
а доминируют высокоминерализованные растворы, дающие при
охлаждении минералы-узники, растворяющиеся в процессе на¬
гревания минеральных зерен (рис. 9.2).
Включения с алюмосиликатными минералами-узниками по
мере дальнейшего повышения термобарических параметров по
степенно переходят в расплавные включения, характеризующие
процессы кристаллизации магм. Это уже не водный или водно¬
углекислый, а алюмосиликатный флюид.
Дискуссия о происхождении эндогенных водных флювдов раз
решилась после появления многочисленных данных по изотоп¬
ному составу кислорода и водорода в гидротермальных минералах
и флюидных включениях. Окончательный результат четко сфор-
236
Рис. 9.2. Относительная распространенность флюидных включений с
разным наполнением:
а — содержание NaCl (1124 определения): 1 — менее 20 мае. %; 2— 20—40 мае. %;
i — более 40 мае. %; б — фазовый состав: 4 — двухфазные; 5 — с жидким СО2;
Л — с минералами-узниками; I —III — интервалы температуры: I — менее 200 °С;
И - 200-400 °С; III - более 400 °С
мулировал Х.П.Тейлор (мл.). Оказалось, что эндогенные мине¬
ральные ЖР1ЛЫ и прожилки образуются из всех типов вод, какие
только можно представить в земной коре, а также из смесей не¬
скольких типов вод.
9.6. Механизмы миграции
В теории эндогенного минералообразования для областей, где
исключается механический перенос минеральных фаз, в каче-
сгве основных механизмов миграции принимаются конвекция
(лат. conuection — переселение, перемещение) и диффузия (лат.
diffusion — растекание). Оба этих механизма в той или иной мере
рассматривались в геологической литературе. Естественно, что на
первых этапах формирования гидротермальной концепции они
анализировались на качественном уровне и в таком виде фигури¬
ровали в работах А. Е. Ферсмана, А. Н. Заварицкого, Д. С. Коржин-
ского. Их совокупность хорошо объясняла многие особенности
с гроения рудных тел, которые трудно вывести из теории, базиру¬
ющейся на одном виде массопереноса.
В дальнейшем, по мере накопления количественных характе¬
ристик, необходимых для оценки геологических процессов, меха¬
низм диффузионного переноса встретил серьезные трудности.
Коэффициенты диффузии D в твердом теле, определяющие по¬
рядок скоростей миграции, оказались столь малыми (обычно ме¬
нее 10“^® cmVc), что ИСКЛЮЧР1ЛИ заметный массоперенос даже в
237
масштабах геологического времени. Так, при D> 10~'“ см^/с i jiy
бина диффузионного проникновения на 1 м потребует ~10^ Jic i,
а на 10 м ~10^ лет. В результате диффузионный перенос как по i
можный механизм эндогенной миграции элементов практически
исчез со страниц геологической литературы, уступив место мехи
низму фильтрации глубинных флюидов из очагов магматизма или
метаморфизма к дневной поверхности. Этот механизм и сейчас м
большинстве случаев рассматривается как основной.
Конвективный перенос подразумевает перемещение элемсм
тов каким-либо носителем — газовой фазой, раствором или рас
плавом. В этом случае параметры миграции элементов, растно
ренных в носителе, определяются условиями перемещения но
следнего. Подземные воды обычно разделяют на пластовые, перс
мещающиеся путем фильтрации в водопроницаемых горизонтах,
и трещинные, двигающиеся по системам тектонических нарушс
ний.
В обобщающих моделях эндогенных минералообразующих си
стем в большинстве случаев принимается, что раствор подводи1ся
к участку минералообразования по водопроницаемым толщам или
нарушенным зонам трещиноватости.
В слоистой толще осадочного чехла миграция элементов связа
на с динамикой грунтовых и пластовых вод. Грунтовые воды зоны
просачивания двигаются под влиянием сил гравитации. Пласто
вые воды питаются за счет перемещения вод под влиянием разно
сти давлений, дегидратации погружающихся осадков и их мета
морфизма. В области пластовых вод обычно вьщеляют зоны ак
тивного и замедленного водообмена, различающиеся скоростями
и механизмами водообмена. В соответствии с законами гидроди
намики скорость движения жидкости {v) зависит от разности дali
лений (А/?) между областями питания и разгрузки и проницаемо¬
стью водовмещающих пород:
V = кАр,
где к — коэффициент фильтрации, являющийся функцией тем¬
пературы (Т) и вязкости (ц) фильтрующейся жидкости.
В свою очередь градиент давления показывает перепад давле¬
ния Ар на единицу расстояния /:
grad/? = Ар/1.
Последнее обстоятельство имеет важное значение при анализе
движения в крупных артезианских бассейнах, когда выводы дела
ют при сопоставлении удельных проницаемостей, а не общего
гидродинамического сопротивления на всем пути движения. Если
учесть, что мощность водоупора часто измеряется сантиметрами
или несколькими метрами, а длина пути до места разгрузки водо¬
носного горизонта может составлять десятки и даже сотни кило¬
238
метров, то общее гидродинамическое сопротивление вкрест водо¬
упорного горизонта может оказаться меньше, чем вдоль водонос¬
ного пласта (рис. 9.3). С этим связано возникновение участков
аномально высоких и аномально низких давлений в крупных ар¬
тезианских бассейнах. Такие аномалии нередко фиксируют при
поисках нефтяных и газовых месторождений.
Наряду с фильтрационным перемещением подземных вод су¬
ществуют и иные механизмы миграции отдельных элементов. Ре-
»ультатом такой миграции является возникновение региональной
гидрохимической зональности (смена гидрокарбонатных, сульфат¬
ных и хлоридных вод в вертикальном разрезе), не согласующейся
с напластованием осадочных пород.
В консолидированных породах существенное значение приобре¬
тает движение флюидов по зонам тектонических нарушений. В обоб¬
щающих моделях эндогенных минералообразующих систем в боль¬
шинстве случаев принимают, что раствор поступает к участку
минерального новообразования по зонам тектонических наруше¬
ний. Особое значение обычно придается наиболее крупному, про¬
ницаемому каналу, по которому подводятся рудоносные раство¬
ры и затем распределяются в трещины все более низких поряд¬
ков. Количественные расчеты в реальных параметрах давлений и
гидродинамических сопротивлений обычно выносятся за рамки
рассмотрения.
В то же время анализ строения конкретных зон тектонических
нарушений скорее указывает на преобладание обратных направ¬
лений движения растворов. На рис. 9.4 приведены результаты
комплексного изучения крупного уранового месторождения, на
котором достаточно густая сеть разведочных и эксплуатационных
горных выработок достигла глубины 2 км. Здесь густая сеть жил
располагается в области экзоконтакта гранитного массива. Густо¬
та жильной сети (залеченных трещин) увеличивается по направ¬
лению к главному разлому, в результате чего именно в этом на¬
правлении увеличивается «открытость» всей системы. В средней
части месторождения отдельные жилы выклиниваются как с глу-
Рис. 9.3. Фильтрация раствора в водоносном горизонте между двумя во-
доупорами (стрелками показаны возможные направления фильтрации)
239
^ □ S S ОЩ]
Рис. 9.4. Схематический разрез {а) месторождения Шлема-Алберода (Руд
ные горы, Германия) и изолинии густоты жильной сети в проекции и а
вертикальную плоскость (б); вертикальный разрез 1,5 км; горизонталь
ное проложение 5 км:
1 — граниты; 2 — кварцево-слюдистые сланцы; 3 — пачка переслаивающихся
пород основного и кислого состава; 4 — продольные нарушения; 5 — поперсм
ные нарушения; интенсивность штриховки пропорциональна удельному гидро
динамическому сопротивлению среды; указано среднее содержание углекислот
газа в флюидных включениях в минералах рудной стадии; стрелками показано
направление наименьшего гидродинамического сопротивления среды и наибо
лее вероятного генерального направления движения растворов
биной, так и по направлению к поверхности. В правой части раз
реза все жилы «слепые» (не выходят на современную дневную
поверхность). Замеры палеодавлений по флюидным включениям
в жильных минералах показывают закономерное их уменьшение
по направлению к главному разлому. Аналогичным образом из¬
меняется и содержание газовых (СО2) компонентов. В такой об¬
240
становке растворы должны были двигаться в сторону наиболее
нарушенных участков, которые являлись областями разгрузки, а не
питания гидродинамических систем.
В рамках отдельной трещины растворы действительно могут
двигаться вдоль ее распространения. Но детальное картирование
трещинных зон показывает, что отдельная трещина всегда огра¬
ничена. В гидродинамическом плане должно работать не единич¬
ное нарушение, а их система, в большинстве случаев кулисооб¬
разная.
В таких зонах происходят наиболее контрастные изменения
(1)изико-химических обстановок и возникновение геохимических
барьеров.
Диффузионный перенос, наряду с фильтрационным перено¬
сом вещества, рассматривался в первой половине XX в. как прин¬
ципиально возможный, однако экспериментальные значения коэф-
(1)ициентов диффузии в твердом теле исключили возможность
подобного переноса на значительные расстояния даже в геологи¬
ческом масштабе времени. В результате диффузионный перенос
вещества в геологических процессах вообще перестал рассматри¬
ваться как реальный для природных условий. Лишь Д. С. Коржин-
ский, основываясь не на экспериментальных данных, а на деталь¬
ном анализе развития парагенетических ассоциаций минералов в
биметасоматических процессах, рассматривал как фильтрацион¬
ный, так и диффузионный метасоматоз.
Однако при анализе реальности диффузионного массоперено-
са в геологических процессах было упущено, что любая реальная
горная порода это не фаза, а агрегат твердых фаз. И если диффу¬
зия в трехмерноупорядоченном кристалле — явление достаточно
медленное, то перемещение дислокаций и микропримесей по
двухмерноупорядоченной поверхности происходит на порядки бы¬
стрее. Микропримесь как бы скользит по поверхности кристалла.
А если в межзерновом пространстве находится еще и поровый рас¬
твор, начинает работать химия поверхностных явлений. В результа¬
те скорости диффузии вещества через любую горную породу име¬
ют свои коэффициенты диффузии, принципиально отличные от
аналогичных коэффициентов в твердом кристаллическом веществе.
Новые эксперименты вновь заставляют нас вернуться к этим
вопросам. Так, если коэффициент диффузии одновалентных ионов
в водном растворе при температуре 25 °С составляет ~10"^ cmVc,
то для образцов песков и глин cmVc. Повышение темпера¬
туры ведет к росту скорости диффузии. Так, при температуре 250 °С
эффективный коэффициент диффузии хлорида натрия в поровом
пространстве гранита составляет cmVc. Такие значения нельзя
считать пренебрежимо малыми. Так, при D ~10"^ cmVc глубина
диффузионного проникновения за 1 млн лет составит -100 м,
а при cmVc — около 1 км.
241
Рис. 9.5. Экспериментальное воспроизведение диффузионной метасо
матической зональности:
а — экспериментальная колонка высокотемпературного кислотного метасо ми
тизма биотитового гранита {Т = 500 °С; р = 1 кбар; /= 334 ч; раствор 0,05 М К(’1 ♦
+ 0,1 М НС1; pH 1,1): 1 — зона кварц + андалузит; 2 — зона кварц + мускови г ♦
+ биотит; стрелкой показано направление диффузии компонентов раствора; 0
экспериментальная колонка высокотемпературного щелочного натриевого мсш
соматизма {Т = 500°С; р = \ кбар; t = 166 ч; раствор 0,14 М Ма2СОз + 0,36 М
NaOH, ненасыщенный S102; pH 13,0): 1 — тыловая зона акмит + рибекит; 2
зона канкринит + акмит + рибекит; 3 — зона альбит + калиевый полевой шпаг i
+ акмит + рибекит
Экспериментальные определения коэффициентов диффузии
через природные кристаллические породы полностью подтверди
ли наличие этих явлений и возможность диффузионного массо
переноса при реальных геологических событиях. В проведенных
экспериментах диффузионные колонки образовывались в течс
ние нескольких недель (рис. 9.5)*. Эти данные должны были су
щественно изменить наши представления о возможностях ди(|)
фузионного массопереноса в геологических процессах.
Естественно, что эти приближенные оценки относятся не к
монолиту породы, а к той межзерновой поверхности, которая и
обеспечивает диффузионный перенос в капиллярно-пористых тс
лах. Условия для максимального развития этой поверхности нам
лучшим образом реализуются не в стабильных геотектонических
блоках, а в мобильных зонах активизации. При этом основную
роль в диффузионном перемещении вещества будут играть не круп
ные разломы, а области зон смятия, насыщенные различными
малоамплитудными дислокациями.
При диффузионном переносе поровый раствор породы может
оставаться на месте. Он является не носителем, а проводником
мигрирующих компонентов. Его проводимость (величина, обрат
ная сопротивлению) для разных компонентов будет неодинакова,
* См.: Зарайский Г.П. Зональность и условия образования метасоматичсс
ких пород. — М.: Наука, 1989.
242
Чем выше концентрация какого-либо компонента в норовом рас¬
творе, тем выше его проводимость для этого компонента.
Проводимость норового флюида меняется в ходе развития ру¬
дообразующей системы при изменении термодинамических пара¬
метров состояния отдельных ее частей, главным образом за счет
взаимодействия порода —раствор —газ, а не за счет поступления
каждый раз новых порций раствора.
Вибродиффузия. Тектоническая активность может влиять на
миграцию вещества не только через структуру дислоцированных
пород (увеличение проницаемости и новых путей движения флю¬
идов), но и в ходе формирования микронарушений, приводя к
появлению вибрационных сил и ступенчатой диффузии. Рассмот¬
рим в первом приближении идеальную модель такого процесса.
Под вибрацией в физике понимают механические колебания,
период которых значительно меньше характеристического време¬
ни, в котором рассматривается движение системы, а размах мень¬
ше характерного размера системы.
В системах, находящихся в вибрационном поле, наряду с обыч¬
ными силами начинают действовать некоторые дополнительные
силы или моменты. Следуя П. Л. Капице, их называют вибраци¬
онными силами. В рамках вибрационной механики находит объяс¬
нение широкий круг процессов, протекающих при действии виб¬
рации на нелинейные системы.
Вибрационный процесс обычно описывают уравнением вида
x = X{t) + ¥(/, со/).
(9.3)
где X — текущая координата; X — обычная «медленная» сила; 4^ —
вибрационная сила, зависящая от частоты вибрации со; / — вре¬
мя.
В условиях вибрации происходит превращение сухого трения в
вязкое, снижение коэффициента сухого трения, кажущееся изме¬
нение коэффициента вязкости, наблюдается эффект виброползу¬
чести, разрыхление сыпучей среды в вибрирующих лотках, обра¬
зование «виброкипящего» слоя, возникновение интенсивных от¬
носительных колебаний твердых частиц, различающихся по плот¬
ности и размерам, «вскипание» крупных тяжелых частиц в слое
мелких легких и многое другое. Подобные эффекты способствуют
интенсификации химических реакций.
Вибрация широко распространена в природе и активно исполь¬
зуется в технике. Для уплотнения бетона и удаления из него газо¬
вых пузырьков используют не статические нагрузки, а вибрирую¬
щие плиты, перемещаемые по поверхности залитого бетона. Виб¬
рирующие насадки на забиваемые сваи значительно быстрее
погружают их в грунт, чем удары тяжелого молота. Обогатители
давно используют наклонные вибрационные столы для разделе¬
ния тяжелых и легких фракций. При этом не только преодолева¬
243
ется «сухое трение», но и каждая фракция начинает двигаться с
разной скоростью. Живые организмы, и даже каждый их орган
имеют свою характерную частоту вибрации.
В качестве простейшей модели возьмем наклонную плоскос гь
с насыпанным на нее грунтом. Если наклон небольшой, то час-
тички грунта остаются неподвижными, несмотря на то что грави
тационный потенциал в нижней части плоскости меньше, чем и
верхней. Их удерживает сила трения. Простейшее решение — увс
личить наклон, т.е. разность потенциалов. Обычно такого реше¬
ния геологи ждут и от природы. Процесс не идет до тех пор, пока
разность потенциалов (в том числе и химических) не превыси !
определенный предел. Но природа мудрее. Если мы постучим но
нашей плоскости, то частички не только начнут двигаться, но и
разделятся в соответствии со своей плотностью. А простое увели
чение разности потенциалов сместит все вместе и не приведет ни
к какой дифференциации вещества.
Высокочастотные колебания земной коры весьма характерны
для сейсмоактивных ее зон. Они не вызывают катастрофических
разрушений, и на них не обращают особого внимания. Но вызы¬
ваемые ими интегральные следствия могут иметь огромное значс
ние.
Влияет вибрация и на диффузионный перенос вещества в не¬
драх земной коры.
В основе математического описания диффузионного переноса
лежит соотношение между расстоянием (/) и временем (xj диф
фузионного проникновения:
/2 = Dx,.
Если расстояние / разделить на п равных участков 1!п ^ \ w
осуществлять диффузионный перенос по этим отрезкам ступе м
чато, то общее время переноса (х^;) на расстояние / будет состоя и.
из суммы времен элементарных перемещений = т^. Учи¬
тывая, что / = я Х = у[Вх^, получаем и, заменяя х^
на х^;, имеем x^/Xj^ = п.
Иными словами, при ступенчатом диффузионном переносе
общее время пробега на расстояние I в п раз меньше, чем при
непрерывной линейной диффузии. Для реализации такого меха¬
низма необходимо неоднократное возобновление разности потен¬
циалов, своеобразная их вибрация. Соответственно ступенчатую
диффузию можно назвать вибродиффузией и приписать характе¬
ризующим ее величинам индекс г'. Кроме того, в полученных со¬
отношениях периоды изменения потенциалов совпадают с време¬
нем элементарного перемещения, т.е. они находятся в состоянии
резонанса, что следует обозначить верхним индексом г. В этом
случае при Z = 100 м и ^ = 1 мм имеем
244
Для реальных процессов в уравнение следует ввести еще член
х(о;^), зависящий от дисперсии X, и член ^Tq, связанный с рассо-
1ласованностью периодов внешнего воздействия и времени эле¬
ментарного перемещения, колебаний локальных разностей потен¬
циалов, тогда
=т;; + х(ах) + Ххо,
где х^ = хД/“‘.
Из этого уравнения видно, что Xj, ^ х^ при А, -> / и Xj, х^ х^/"'
при х(о0 ^ О и ^Хо -э О, т.е. реальное время вибродиффузии на
расстояние / будет меньше времени диффузионной миграции, но
больше резонансной:
<'^v< V
Рассмотренная модель вибродиффузии не так уж далека от ре¬
альных геологических ситуаций. В зонах тектонической активи¬
зации всегда обнаруживают многочисленные микроскопические
нарушения, фиксирующие локальные тектонические подвижки.
В шлифах из этих зон обычно наблюдаются деформированные
кристаллы породообразующих минералов, мельчайшие микротре-
щины, порой не выходящие за пределы одного зерна. Многие из
них залечены веществом того же минерала и фиксируются только
серией вторичных флюидных включений (рис. 9.6).
Геологическая «вибрация» в период формирования эндоген¬
ных рудных месторождений обычно фиксируется в самых разных
новообразованиях (рис. 9.7). В крустификационных жилах часто
наблюдается многократное чередование повторяющихся минераль¬
ных ритмов (рис. 9.7, а). Аналогичные ритмы можно наблюдать
НОД микроскопом (рис. 9.7, б) и даже на ультрамикроуровне (рис.
9.7, в).
Жг1 ‘
" t
’V I4'
» .Г ‘
^'
0.
** • 1
1М^— » \
ь ^
о
ч ^
jk • 1
1 •
kJ
б Л
Гис. 9.6. Залеченная микротрещина в кварце (д), трассируемая микро¬
включениями {б)
245
Жильные минералы, выполняющие эндогенные трещины, также
несут следы многочисленных нарущений. Это и зональность са
мих кристаллов, и распределение в них микропримесей по зонам
роста (см. рис. 8.3).
Внимательный наблюдатель всегда найдет следы этих явлеипО
на самом разном уровне.
В диффузионной системе отдельные компоненты будут имен,
разную подвижность, зависящую от градиентов их химических
потенциалов и проводимости вмещающей среды. Возникает зо
нальная смена физико-химических обстановок, в которой щ*
только не исключается, но с необходимостью возникает разно
направленное движение отдельных элементов, вектор переме
щения которых далеко не всегда будет совпадать с гидродин;!
мическим вектором фильтрации флюида. В предельном случае
раствор может вообще не перемещаться или даже двигаться и
направлении, обратном направлению движения отдельных эле
ментов.
В результате появляется разнонаправленная (противоположная)
подвижность отдельных элементов, обычно наблюдаемая при би
1 СМ
Рис. 9.7. Микроритмичность в гидротермальных жилах:
а — жильная сеть месторождения Чаули; б, в — настуранкарбонатные жилы,
Чехия (рисунок Ю.М.Дымкова); г — уранмолибденитовые почки, месторожде¬
ния Чаули; д — почка настурана, Рудные горы
246
Рис. 9.8. Изменение содержания элементов при альбитизации и берези-
тизации гранитоидов:
1 — III — степень изменения исходной породы: I — слабая (5—15 %); И — значи¬
тельная (15 — 50%); III — высокая (>50%)
мстасоматических процессах и в зонах околорудных изменений
вмещающих пород (рис. 9.8)*.
Миграция в зонах диафтореза. В крупных тектонически актив-
мых зонах по мере развития диафторитов происходит миграция и
перераспределение не только макро-, но и микроэлементов. Эти
процессы хорошо наблюдаются в сериях пород, находящихся на
разных стадиях ретроградного метаморфизма (рис. 9.9). В интру¬
зивных гранитах с кларковым или повышенным содержанием урана
значительная его часть бывает равномерно рассеяна в породооб¬
разующих минералах (см. рис. 9.9, а). По мере развития автоме-
таморфических изменений происходит самоочистка минеральных зе¬
рен полевошпатовой части породы от равномерно рассеянного урана,
который локализуется на границах зерен (см. рис. 9.9, б), В дальней¬
шем эти интерстационные выделения стягиваются в консолиди-
* См.: Плющев Е.В., Шатов В. В. Геохимия и рудоносность гидротермаль¬
но-мстасоматических образований. — Л.: Недра, 1985.
247
•'* *^- “.;
20б*^мкм
' '-^ * ’ 200 мкм
■ ■'* -! • I >
а О в
Рис. 9.9. Формы нахождения рассеянных элементов в горных породах:
а — равномерно рассеянная в породообразующих минералах (неизменен и uli
гранит); б— сконцентрированная в межзерновом пространстве (гранит со слсдл
ми автометаморфизма); в — сосредоточенная в микроскопических включениях
(гранит, измененный метасоматическими процессами); получено по трекам и и
дуцированного деления урана после облучения в реакторе
рованные скопления (см. рис. 9.9, в). Все это процессы миграции
атомов сначала в пределах кристаллов, а затем по их поверхност.
Биогенная миграция. В 1889 г. английский натуралист доктор
Г. Карутерс наблюдал над Красным морем довольно обычное в то
время явление, повторяющееся в грандиозном размере каждыП
год, — переседение саранчи с берегов Северной Африки в Ара
ВИЮ. Он определил количество этих прямокрылых в одном из роен,
проносившихся над ним в течение целого дня. Эта огромная про
жорливая масса (одно насекомое съедает в течение жизни до 300 i
зеленого корма) вдруг поднимается на крыло и летит, иногда на
сотни и даже тысячи километров. Пространство, занятое этим роем,
равнялось 5 967 км^; между тем это был не самый большой рой.
Он включал 24 400 биллионов особей. Масса этого роя составляла
4,4-10’т. Чтобы иметь представление об этом числе, В. И. Вер
надский сравнил его с количеством меди, цинка и свинца, изго
товленных человечеством в течение целого столетия (4,47 • 10’т).
Цифры оказались одного порядка. Это только небольшая часгь
вещества непосредственно переносимого живыми организмами.
Значительно большие массы вещества участвуют в биогеохими
ческом круговороте. Это не простой механический перенос, а слож
ный механизм, создаваемый живыми организмами разных урон
ней организации.
Если мы вспомним, что среднегодовая биопродукция планепы
составляет 232,5 • 10^ т (см. гл. 6) и сравним ее со среднегодовым
извержением лав всех вулканов мира (~65 км^ или 169 • 10^ т), го
мы вновь получим значения одного порядка. Все реки мира несу!
в Мировой океан ~35 • Ю^т/год твердой взвеси, что более чем в 6 раз
меньше суммарной массы годовой продукции биоты.
Эффект биогенной миграции непосредственно не определяез
ся массой живого вещества. Он зависит от количества атомов и оз
248
интенсивности их движения, неразрывно связанного с жизнью.
Чем большее число раз будут оборачиваться атомы в единицу вре¬
мени, тем биогенная миграция будет значительнее; она может быть
резко различна при одном и том же количестве атомов, захваченном
живым веществом.
В геологической истории Земли запечатлены такие крупней¬
шие следы биогенной миграции, как:
• образование кислородной атмосферы;
• отложения толщ карбонатов;
• формирование железистых кварцитов;
• накопление масс угля, нефти, газа.
Биогенная миграция элементов меняла и продолжает менять
облик нашей планеты.
Техногенная миграция. Данный вид миграции появился только
с началом техногенеза. Добывая полезные ископаемые, прокла¬
дывая дороги, строя здания и складируя отходы, человек переме¬
щает огромные массы элементов, становится геологическим фак¬
тором миграции элементов.
До конца XIX в. техногенные перемещения вещества носили
преимущественно локальный характер. Даже строительство еги¬
петских пирамид не выходило за пределы локальных перемеще¬
ний строительных материалов. Только редкие и благородные ме-
гiUlлы (золото, серебро, платина) перемещались на значительные
расстояния. Резкое изменение ситуации началось после появле¬
ния современных транспортных средств: железных и автомобиль¬
ных дорог, масштабных морских, речных и воздушных перевозок,
нефте- и газопроводов. Объемы транспортных перевозок растут
экспоненциально, синхронно с ростом добычи, переработки и
использования полезных ископаемых. Соотношение ближних и
д;1льних перевозок также носит нелинейный характер. Чем мень¬
ше расстояние, тем интенсивнее перемещение. Поэтому в геогра-
(1>ических исследованиях для сопоставления грузопотоков часто
используют логарифмические системы координат.
Влияние на техногенную миграцию не только естественных
KIKOHOB природы, но и особенностей социального развития циви¬
лизации требует синтетического, структурно-вещественного меж-
/щсциплинарного подхода с использованием методов геологиче¬
ского, геохимического и физико-химического анализа конкрет¬
ных природных ситуаций. В любом случае принимаемые челове¬
ком решения не должны противоречить естественно-научным за¬
конам. Иначе они чреваты негативными следствиями, если не в
()лижайшем, то в отдаленном времени.
От направления и интенсивности миграции элементов во мно-
IOM зависит весь ход геологических процессов в глобальных и
иокальных геохимических циклах, формирование различных ти¬
пов горных пород, месторождений полезных ископаемых, нару¬
249
шение экологических обстановок в конкретных регионах и пут
минимизации опасных нарушений экосистем.
* * *
Миграция — необходимый компонент любого движения и лю
бых изменений. Но от видов миграции, ее направлений, интсм
сивности и других параметров зависит протекание любых геохи
мических процессов.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте понятие «миграция химических элементов».
2. От каких факторов зависит миграция химических элементов в при
родных процессах?
3. Опишите природные механизмы миграции элементов.
4. Какие факторы определяют интенсивность миграции?
5. Дайте определение понятия «дифференциальная миграция элемсм
тов». Какие факторы ее определяют?
6. Какова роль комплексных соединений в миграции химических элс
ментов?
7. Опишите фильтрационный и диффузионный перенос элементов.
8. В чем заключаются особенности биогенной миграции?
9. Какие геологические следы свидетельствуют о роли живых орга
низмов в миграции элементов?
10. В чем заключаются особенности техногенной миграции химичс
ских элементов?
Глава 10
ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ
• Геохимический барьер, его основные характеристики «Типы барье¬
ров • Процессы рудообразования на геохимических барьерах • Экологи-
ческая роль геохимических барьеров
10.1. Основные характеристики геохимического
барьера
Понятие «геохимический барьер» впервые употребил В. М. Гольд-
1ПМВДТ (1937), однако в научную литературу оно было введено
шачительно позднее А. И. Перельманом (1961) применительно к
процессам развития зоны гипергенеза.
По определению А. И. Перельмана, геохимический барьер —
)то место, где один процесс (обстановка) резко сменяется другим.
Поскольку геохимия изучает историю элементов земной коры,
процессы миграции этих элементов и естественного сочетания их
и минералах и горных породах, понятие «геохимический барьер»
ICCHO связано с изменением миграционной способности отдель¬
ных элементов.
Схематически такая смена обстановки высокой и низкой под-
иижности какого-либо элемента отображена на рис. 10.1.
Геометрия барьерной зоны, направление миграции компонен-
юв, химизм смены подвижного состояния на инертное в каждом
конкретном случае могут быть различны. Все это требует само-
гоятельного анализа, что и отражено на схеме различным поло¬
жением стрелок, отражающих направления возможной миграции.
Рис. 10.1. Принципиальная схема геохимического барьера
251
с
Cl
-AC=Ci-C2
Направление движения
/
Рис. 10.2. Контрастность барьера
Понятие «геохимический барьер» не только быстро приобрело
общее признание и появилось в «Кратком энциклопедическом
словаре» 1978 г., но и вошло в литературу как само собой разуме
ющееся, часто уже без упоминания автора, поскольку имеет об
щее методологическое значение. Оно применимо к самому широ
кому кругу геологических процессов, связанных с миграцией и
перераспределением вещества, в том числе к техногенным про
цессам и проблемам экологии.
А. И. Перельманом введено в науку не только само понятие «гео
химический барьер», но и такие его характеристики, как контра
стность (S) и градиент барьера (G).
Контрастность — это отношение значений геохимического
показателя или концентрации компонента до (oj или Cj) и после
(о2 или Cl) барьера (рис. 10.2):
S = — = —
ai Cl
Контрастность показывает, как резко меняется значение гео
химического показателя или концентрации компонентов на дан
ном геохимическом барьере. Иногда ее называют высотой барь
ера, что, может быть, более образно.
Градиент барьера — это отношение изменения геохимическою
показателя а (температуры Т, давления р, кислотности pH, ре
докс-потенциала Е, концентрации отдельных компонентов С,
и т.д.) к ширине / барьера (рис. 10.3):
G = ба/й1 или G= {ai~ ai)/l.
Иными словами, градиент барьера показывает, как быстро и
пространстве меняется значение геохимического показателя, вли
яющего на изменение подвижности элементов.
Чем больше контрастность и меньше протяженность геохими
ческого барьера, тем выше значение его градиента.
Важным показателем геохимического барьера является его мз-
бирательность по отношению к сумме мигрирующих вещести,
В противном случае это будет уже не барьер, а «плотина», оста
252
5
Afl = a\ — ci2
--ai~a2
Рис. 10.3. Градиент барьера
павливающая весь процесс миграции. Чем выше избирательность,
ГСМ более малокомпонентным будет его действие. Это свойство
имеет особое значение в процессах рудообразования.
Не меньшее значение имеет и время устойчивого состояния
барьера, или устойчивость барьера. Даже малые эффекты при
;и1ительном (в масштабе геологического времени) действии могут
дать весьма значительные интегральные результаты. Эта особен¬
ность геологических процессов, не всегда нами учитываемая, не¬
однократно отмечалась В. И. Вернадским. «Мелкие, незаметные яв¬
ления, процессы, — писал он, — происходящие на каждом шагу и
нами не чувствуемые по своей незначительности, накапливаясь во
времени, производят самые грандиозные перевороты и изменения»*.
Устойчивость барьера определяется его буферной емкостью — спо¬
собностью сохранять неизменными геохимические показатели.
Общая масса (Л/) какого-либо компонента, отложившегося на
геохимическом барьере, зависит от перепада концентраций (АС)
и объема (V) прошедшего через барьер носителя (мигрирующих
компонентов):
В свою очередь
M=ACV
V= SvL
где S — площадь поперечного сечения; v — скорость миграции;
t — время процесса.
К сожалению, реальное время геологических процессов обыч¬
но нам неизвестно. Здесь, как и во многих других случаях, полез¬
но воспользоваться относительными величинами, соотнося ско¬
ростные величины двух рши более компонентов или процессов.
10.2. Типы барьеров
А. И. Перельман разделил геохимические барьеры на три боль¬
шие группы:
* Вернадский В. И. Труды по всеобщей истории науки. — М.: Наука, 1988. —
г 194.
253
1) механические;
2) физико-химические;
3) биогеохимические.
Дальнейшее деление (окислительные, восстановительные, кие
лотные, хделочные и другие группы) пока еще четко не отрабогл
но, и его лучше проводить в каждом случае с учетом конкретмоИ
цели и реальной ситуации.
Механические барьеры. Механическая сортировка материала
происходит в процессе разрушения волнами и прибоем берсюи
водоемов (абразия), при изменении скорости движения водных
или воздушных масс, при таянии ледников и т.д. Таким путем
образуются самые различные морские и речные отложения, в гом
числе россыпи, ледниковые морены, лессовые образования, з^ые
жи нефти и газа и т. п.
По мере отступления ледника в долине остаются переносиMi.ie
им обломочные материалы различной крупности — от глыб до
песчаных и глинистых материалов. Выделяющиеся из материм
ских пород капельки нефти и пузырьки газа, перемещаясь в верх
ние слои литосферы, постепенно накапливаются в антиклиналь
ных структурах под слоями слабопроницаемых пород (рис. 10.4)
По мере движения речных и морских вод происходит поете
пенная сортировка переносимых ими твердых частиц, зависящая
от их массы, размера и геометрии. Таким образом, происходи!
пространственное разделение галечных, песчаных и глиниспях
материалов. Таким же путем формируются россыпные месторож
дения золота, платины, алмазов. Знаменитые богемские гранаты,
кристаллизовались в базальтовых породах, но извлечь их без мс
ханических повреждений практически невозможно. Однако в чет
вертичных отложениях, образующихся при выветривании корен
ных пород, те же гранаты образуют россыпные скопления с пре
красно сохранившимися кристаллами.
Поскольку речные воды имеют направленное движение, а мор
ские характеризуются периодическими колебательными движс
ниями, закономерности формирования морских и речных россы
пей не идентичны.
Рис. 10.4. Залежи нефти (показано черным) и газа (показано серым) и
механических ловушках:
а — геологический разрез; б — схемы
254
Испарительные барьеры связаны с испарением поверхност¬
ных вод. Образование солончаков и такыров связано с испарени¬
ем подтягивающихся по капиллярам грунтовых вод или атмо-
п|)срных осадков. Соли, подтягивающиеся вместе с водами из под-
(• I илающих горных пород, образуют белесые налеты и даже сплош-
мыс корки. С испарительными барьерами связано такое неприят¬
ное явление, как засолонение почв.
Химические барьеры возникают в результате химического вза¬
имодействия между двумя химически различающимися средами
(подвижной и неподвижной).
Среди химических барьеров различают:
• осадительные, растворенные в водах компоненты осаж¬
даются при взаимодействии с минералами вмещающих пород:
2F + СаСОз = Са?2 + СО;^
• обменные, когда два соединения обмениваются катионами:
PbS04 + СаСОз = РЬСОз + CaS04
• окислительно-восстановительные, при которых происходит
окисление:
2Fe2+ + [О] + 5Н2О = 2Fe(OH)3 + 4№
или восстановление мигрирующих элементов:
2Fe^^ + 2HS- = 2FeS + 2W
• кислотно-основные, в которых ведущими являются процессы
I идролиза:
Fe^^ + ЗОН- = Fe(OH)3 = FeOOH + Н2О
Характерным примером химических барьеров могут служить
рудные тела, подчиняющиеся литологическому контролю (рис. 10.5,
10.6).
П первом случае отчетливо проявляется окислительно-восста¬
новительный геохимический барьер. Шестивалентный уран, миг¬
рирующий в гидротермальном растворе в виде карбонатных ком-
ндсксных ионов уранила UO^^, восстанавливается на границе с
углистыми сланцами до четырехвалентного состояния и отклады-
и^1сгся в виде настурана (UO2 + J:
и02^^ + с + 2Н2О = UO2 + СО2 + 4Ш
Во втором случае тот же уран осаждается на осадительном ба¬
рьере. В процессе карбонатизации минералов, содержащих каль¬
ций, магний, железо, концентрация карбонатных ионов, находя¬
щихся в растворе, уменьшается, что приводит к разрушению ком-
нисксных ионов уранила и выделению уранила в виде урановых
минералов.
255
Рис. 10.5. Урановый рудный столб, приуроченный к прослоям углист1.ш
сланцев:
1 — углистые сланцы; 2 — кварцево-слюдяные сланцы; 3 — послойные нарупи*
ния; 4 — секущие жилы; 5 — апофизы; 6 — рудные линзы
Рис. 10.6. Локализация рудных линз в местах пересечения жилами гори
зонтов скарнов:
1 — граниты; 2 — слюдистые сланцы; 3 — дайки; 4 — горизонт скарнов; 5
рудные тела
В этих реакциях участвуют еще и слюдистые минералы, стаби
лизирующие кислотность раствора, которая должна была бы воз¬
растать при карбонатизации пород:
256
СаЗЮз + cot + Н2О = СаСОз + Si02 + 20Н'
и увеличивать гидролиз угольной кислоты
Н2СО3 + 20Н- = cot + Н2О
и, таким образом, тормозить убывание концентрации карбонат¬
ных ионов в растворе. Строго говоря, это уже взаимодействие двух
гипов барьера: осадительного и гидролизного.
Окислительно-восстановительные барьеры возникают в ус¬
ловиях резкой смены окислительных условий. На выходе подзем¬
ных источников часто можно наблюдать бурые отложения окси¬
дов железа. Аналогичные пленки оксидов железа наблюдаются на
поверхности болотных лужиц, подпитывающихся подземными во¬
дами. Все эти образования связаны с окислением двухвалентного
железа подземных вод, лишенных кислорода, атмосферным воз¬
духом.
Обратная картина наблюдается при просачивании поверхност¬
ных вод, богатых кислородом, в подземные горизонты, несущие
различного вида восстановители.
Характерным примером барьеров такого типа могут служить
детально изученные барьеры зон пластового окисления, которые
развиваются в водоносных горизонтах осадочного чехла на окис¬
лительно-восстановительном барьере (рис. 10.7*). Барьер возни¬
кает на контакте поверхностных окислительных вод, попадающих
н пласты песчанистых пород с низкими значениями окислитель¬
но-восстановительного потенциала {Е) за счет захороненного
органического вещества, минералов железа(П1) и некоторых вос¬
становителей. Окислительно-восстановительные и кислотно-ос¬
новные процессы, происходящие на границе окисленных и вос¬
становленных пород, приводят к накоплению многих элементов
переменной валентности. Здесь концентрируются уран, селен, ва¬
надий, рений, молибден и др.
Крупнейшие месторождения урана этого типа найдены в плат-
(})орменном чехле на границах зон пластового окисления. Они
развиты на плато Колорадо, в Сырдарьинской, Чусарысуйской и
в других депрессиях.
Сорбционные барьеры возникают при просачивании растворов
через породы с большой поверхностью (поверхность 1 г бентони-
говых глин составляет от 40 до 96 м^, каолиновых — 17 — 60 м^).
Перечислим основные виды сорбции:
• адсорбция — поглощение растворенных веществ поверхно¬
стью твердой фазы;
• абсорбция — поглощение всем объемом сорбента;
• хемосорбция — развивается за счет химических реакций в по¬
верхностном слое;
• См.: Перельман А. И. Геохимия. — М.: Высш. шк., 1979.
257
Рис. 10.7. Схема локализации рудных залежей на окислительно-BOCcia
новительном барьере в свите осадочных пород:
1 — граниты; 2 — делювиально-пролювиальные отложения; 3 — глинистые но
доупорные породы; 4 — песчаные водопроницаемые породы; 5 — конгломера
ты; 6 — рудные залежи; 7 — направление движения вод; 8 — источники; Л
зона подпора вод и засоления пород
• ионный обмен — замена ионов в молекулах поверхности сор
бента ионами из раствора.
Сорбционные барьеры широко распространены в поверхнос !
ных системах, они возникают в морских и озерных илах, почвах,
лессовых отложениях, на контактах глин и песков.
Очень часто сорбционные и химические барьеры взаимодей
ствуют: первые дают локальные повышения концентрации отдел i.
ных элементов, создавая условия для химического взаимодействия,
в результате которого образуются новые твердые фазы, освобож
дая поверхность сорбента для дальнейшей сорбции.
Сорбционные барьеры имеют большое экологическое значс-
ние. С одной стороны, они участвуют в образовании локальных
скоплений токсичньгх элементов, часто весьма устойчивых во врс
мени, с другой — могут быть использованы для локализации тех
ногенных заражений и в процессах очистки загрязненных терри
торий.
Радиоактивные аномалии, возникшие в процессе производсти;!
радия на Ухтинском радиевом заводе в 1930—1940-е гг., прочно
удерживаются гумусовым веществом почв.
Физико-химические барьеры. Это такие природные ситуации,
когда изменения физических параметров приводят к локальному
изменению химических параметров. Они представляют наиболее
258
многочисленную группу барьеров, формирующихся в недрах зем¬
ной коры. К ним приурочена большая часть эндогенных место¬
рождений полезных ископаемых. Именно здесь возможны макси-
MiuibHbie перепады температур и давлений, а следовательно мак¬
симальные высота и градиент термобарических барьеров.
Константы диссоциации {К) растворенных в водных раство¬
рах веществ (кислот, оснований, комплексных и других соедине¬
ний) зависят от температуры и давления содержащего их раствора
(рис. 10.8): K = f{T, р), в результате чего в термобарическом поле
кислотность растворов не будет постоянной.
При изменении температуры и давления не остаются посто¬
янными и соотношения окисленных и восстановленных ионов,
II следовательно, и окислительно-восстановительный потенциал
растворов. Так, относительная активность сульфид-ионов с по-
иышением температуры сначала растет, затем убывает (рис. 10.9).
Изменение любого физико-химического параметра может по¬
ил пять на миграционную способность отдельных элементов. Чем
контрастнее происходит изменение физических параметров, тем
резче меняется и миграционная способность отдельных компо¬
нентов. Наиболее контрастные изменения физических парамет¬
ров происходят в верхних горизонтах земной коры. На рис. 10.10
на диаграмму положения фаций метаморфизма, которые сменяют
друг друга в термобарическом поле земной коры, нанесена об¬
ласть развития гидротермальных образований, полученная по ре¬
зультатам замеров температуры и давления во многих тысячах
(|)люидных включений в минералах рудных месторождений. В бо¬
лее крупном масштабе область рудообразования представлена на
Температура, °С
о 200 400
100
Температура, °С
300 500
Рис. 10.8. Изменение константы диссоциации угольной (а) и соляной (б)
кислоты в термобарическом поле
259
lg[S2-]/[SO/-]
Рис. 10.9. Соотношение активностей сульфид- и сульфат-ионов как
функция температуры при pH = 6 (7), 7 (2), 8 (3)
Температура, °С
о 100 200 300 400 500 600 700 800
Рис. 10.10. Области развития гидротермальных образований (7) и руд
ных месторождений (2) на диаграмме полей фаций метаморфизма
260
рис. 10.11. На рис. 10.10, 10.11 видно, что вся область гидротер-
MiuibHoro рудообразования тяготеет к верхним горизонтам земной
коры до давления 3 кбар (соответствует литостатическому давле¬
нию на глубине до 6 км). Область всей гидротермальной деятель¬
ности опускается до давлений 6 кбар (15 км). Здесь максимально
проявляются разрывные нарушения, а следовательно, и наибольшие
контрасты термодинамических потенциалов. В более глубоких зо¬
нах начинают преобладать пластические деформации. В этой же
100
200
300
Температура, °С
400 500
600
700
800
1’ис. 10.11. Термобарические параметры гидротермального рудообразо¬
вания и отдельных рудных месторождений:
1,2— золоторудное Колар, Березовское; 3 — медно-молибденовое Сорское;
^ оловорудное Эрнсфридерсдорф; 5, б — полиметаллическое рудное поле
Кпичка, Эгид; 7— ртутное Никитовское; указаны средние термобарические гра¬
ни* нты различных областей; частота встречаемости температуры и давления
I ид|ютермального рудообразования по сетке 100 “Сх200 бар (л = 1666): I — 2—5; П —
^ 20; III — 20—50; IV — 50—75; V — менее 75; VI — область гидротермальной
деятельности
261
Рис. 10.12. Модельное положение изобар
(сплошные линии) и изотерм (пунктирные
линии) на разных гипсометрических урон
нях вертикальной зоны тектонических Hii
рушений; в центре показано направление
тока флюида
области диапазон термобарических гра¬
диентов имеет максимальный разброс
и значительно выше, чем в среднем для
земной коры (наклонные прямые на
рис. 10.11). Это вновь отражает новы
шенную тектоническую активност!»,
создающую и термическую, и бариче¬
скую анизотропию.
Принципиальная гидродинамичес¬
кая модель внутрикоровой нарушен
ной зоны, не выходящей на поверхность, показана на рис. 10.12.
В этой области изотерма и изобара, располагающиеся горизон
тально в физически однородной толще, изгибаются. Изобара м
нижней части нарушенной области опускается вниз за счет бол1>-
шего падения сопротивления, чем в окружающих породах. Носи-
|§
Рис. 10.13. Схема строения гидротермальной системы в зоне нарушений;
а — интенсивность микродроблений (7) и концентрация газовых компонентом и
гидротермальном растворе (2); б — положение изобары (7) и изотермы (2); сече
ния: 1 — региональный фон; 11 — промежуточная зона; III — нарушенная зоии
262
гель теплоты флюид начинает подтягиваться к нарушенной зоне,
I) результате чего линия изотермы выгибается кверху. В верхней
части и изотерма, и изобара изгибаются кверху за счет прогрева и
подпора растворов.
В результате в наиболее нарушенной осевой части зоны дисло¬
каций будет наблюдаться максимальное понижение давления и,
следовательно, максимальная дегазация и понижение концентра¬
ции газовых компонентов в гидротермальном растворе (рис. 10.13).
Сравнивания различные сечения (I —III) от вмещающих пород
через промежуточную к зоне дробления, мы увидим изменение
гермобарических и физико-химических условий по нормали к
простиранию зоны нарушений. Все это показывает, что физиче¬
ская анизотропия может служить причиной возникновения хи¬
мических градиентов. Причем чем резче проявляется физическая
неоднородность, тем контраетнее химические градиенты.
Чтобы понять механизм действия физико-химических барьеров
II этой области, рассмотрим обшие закономерности изменения
кислотности эндогенного раствора в равномерном и анизотроп¬
ном вертикальном разрезе земной коры на разных глубинах (рис.
10.14). В изотропном термобарическом поле будет происходить
плавное изменение температуры и давления и, соответственно,
кислотности флюида (пунктирные линии). Если в разрезе нахо¬
дятся круто падаюшие нарушенные зоны повышенной проницае¬
мости, то кривая изменения кислотности в нарушенной зоне
Гис. 10.14. Изменение кислотности эндогенных растворов в зонах нару¬
шений (а) и при наличии слабопроницаемых экранов (б) на различных
глубинах
2М
(сплошная линия на рис. 10.14, а) будет отличаться от аналоги»!
ной кривой в региональном фоне. Между раствором в зоне пару
шений и норовым раствором регионального фона возникнет ра i
ность потенциалов АрН. Если же в разрезе находятся гидродииа
мические экраны, на которых происходят скачки давления (в но
дошве — подпор, у кровли — падение давления), то в этой обла
сти произойдет и скачкообразное изменение кислотности флюи
да (сплошная линия на рис. 10.14, б).
Сравнение скачков кислотности АрН при равных А/?, но на
разной глубине (при разных абсолютных значенршх температуры
и давления) выявляет одну чрезвычайно важную закономерносп.
На глубинах -1 км эти перепады дают максимальные значения,
постепенно уменьшаясь с глубиной. Эта закономерность связана
с зависимостью констант диссоциации кислот и оснований при
различных значениях температуры и давления {К-/(Г, р)). Для
разных соединений эти зависимости не идентичны, но общая тс и
денция сохраняется для всех электролитов.
В общем случае можно сказать, что химическая анизотропия рас
полагается по нормали к направлению физической анизотропии.
В реальных условиях обычно происходит одновременное из
менение нескольких взаимосвязанных параметров. В результаге
строгая классификация физико-химических барьеров затруднс
на, и лучше не искать классификационный тип того или иного
барьера, а в каждом конкретном случае проводить детальн1,1Й
анализ реальных геохимических ситуаций с учетом общих прим
ципов.
Общая закономерность: наиболее контрастные градиенты хи
мических параметров, возникающие при нарушении физической
однородности среды, активно проявляются в оптимальных гори
зонтах земной коры (температура 250 ± 100 °С; давление 1,2 ± 1 кбар)
и постепенно затухают с глубиной.
Биогеохимические барьеры. Это зоны резко повышенных ком
центраций по сравнению со средним содержанием в данном ланд
шафте тех или иных химических элементов в результате сниже
ния интенсивности биогенной миграции элементов. Этими зона
ми могут быть залежи торфа, почвы, лесная подстилка, тела орга
низмов — любые участки активной деятельности живого веще
ства. Они возникают на путях миграции элементов или на грани
цах их перехода от косного вещества к живому, и наоборот.
Классический пример биогеохимического барьера был дан
В. М. Гольдшмидтом в 1937 г. для гумусового слоя лесной почвы,
являющейся барьером для ряда микроэлементов, которые на нем
аккумулируются. Эти элементы поглощаются корнями деревьев
из почвы и подпочвенных горизонтов, а затем возвращаются it
нее с опавшими листьями. Не все элементы задерживаются в гу
мусовом слое, некоторые мигрируют сквозь него в грунтовые воды.
264
I"
<D ^
X
18.05 01.06 21.06 08.07 12.07 26.07 09.08 23.08 30.08 13.09 28.09
Дата
a
Время суток
б
Рис. 10.15. Изменение концентрации биомассы нитчатых водорослей {а)
Невской губы в течение вегетационного сезона и содержания кислорода
и воде {б) в зарослях высшей водной растительности у северного побере¬
жья в течение суток
Современные исследования показывают, что механизмы дей-
с гвия почв как биогеохимического барьера весьма сложны и вклю¬
чают взаимодействие различных биогеоценозов. Но данного типа
барьеры образуются не только на почвах, но и в других областях
активной жизнедеятельности флоры. Так, в мелководных бассей¬
нах хорошая прогреваемость воды в сочетании с благоприятным
световым режимом и обилием каменистого субстрата приводит к
бурному развитию нитчатых водорослей (рис. 10.15*), активному
накоплению биомасс, поглощению микроэлементов и выделению
кислорода. Периодические штормы приводят к отрыванию зна¬
чительных масс водорослей от субстрата и выбрасывают накопив¬
шиеся массы на берег. Но биомасса нитчатых водорослей на ка¬
менистом субстрате в прибрежье быстро восстанавливается. Про-
* См.: Донченко В. К. jj Региональная экология. — 1994. — № 2.
265
Рис. 10.16. Многолетняя динамика относительного содержания и
различных слоях лесной подстилки:
1 — листовой слой; 2 — ферментативный слой; 3 — гумифицированный cлoii
цесс повторяется периодически, захватывая и водные массы, и при
брежные зоны.
В отличие от косных геохимических барьеров, действующих
монотонно в течение определенного времени, активность биогсо
химических барьеров периодически меняется в течение времени
года и даже времени суток. Зависит она и от климатического по
яса, в котором расположена.
Биогеохимическим барьером (своеобразным фильтром) на nyi и
переноса техногенных загрязнений являются леса. Прежде веет
они задерживают пылевые частицы и аэрозоли. Наиболее актин
ны в этом отношении хвойные леса, смолистая хвоя которых,
как показали исследования последствий аварии Чернобыльской
атомной электростанции (АЭС), более интенсивно захватывас!
твердые частицы. В ближайшей 30-километровой зоне от АЭС
лесными кронами было перехвачено до 80 % радионуклидов. Захва¬
ченные частицы переходят в листовой слой, а затем постепеп
но — в более глубокие почвенные горизонты (рис. 10.16*).
Лесные массивы вокруг промышленных зон и мегаполисов слу¬
жат активными биогеохимическими барьерами.
Своеобразные биогеохимические барьеры используют при био
логической очистке бытовых и промышленных сточных вод,
См.: Щеглов А. И., Цветнова О. Б. // Природа. — 2001. — № 4.
266
заключающейся в биохимическом разрушении (минерализации)
микроорганизмами органических веществ (загрязнений органи¬
ческого происхождения), растворенных в сточных водах. Микро¬
организмы (бактерии) используют эти вещества как источник
питания и энергии для своей жизнедеятельности. В процессе дыха¬
ния микроорганизмов органические вещества окисляются, и ос-
иобождается энергия, необходимая для их жизненных функций,
биологическая очистка вод осуществляется на полях орошения,
и биологических прудах, искусственно создаваемой среде в усло-
ииях, близких к естественным.
Действие биогеохимических барьеров носит избирательный
характер. Каждый биологический вид имеет свой набор характер¬
ных для него макро- и микроэлементов.
Из макроэлементов биогеохимические барьеры наибольшее
значение имеют:
• для углерода — практически все скопления каустобиолитов
(почвы, торф, угли, нефти, газ) формируются на биогеохимиче¬
ских барьерах;
• кислорода — именно живое вещество разделяет углерод и
кислород углекислого газа, отправляя кислород в атмосферу; в на¬
стоящее время суммарная годовая продукция зеленым веще¬
ством кислорода составляет 3,2* Ю^^т/год, учитывая, что общее
современное количество кислорода в атмосфере составляет
•^1,18 • Ю^^т, его удвоение могло бы произойти всего за 3 700 лет;
• кальция — накопление известняков, мергелей, доломитов свя¬
зано с накоплением кальция в скелетах и раковинах организмов;
• фосфора — особенно четко биогеохимические барьеры про¬
являются при формировании залежей фосфоритов.
Все эти и аналогичные им барьеры работают как на макро-,
гак и на микроуровнях и приводят к накоплению не только круп¬
ных масс, но и отдельных простоев, прожилков и тому подобных
природных образований.
Для микроэлементов биогеохимический барьер наиболее спе¬
цифичен:
• для иода, который самостоятельных минералов не образует;
наиболее высокая концентрация иода в морепродуктах; особенно
богаты иодом морские водоросли, наиболее известная из них —
морская капуста (ламинария);
• германия, встречающегося в некоторых угольных месторож¬
дениях;
• селена, часто концентрирующегося в угленосных пластах и
нефтяных водах.
Маргинальные барьеры. Своеобразные геохимические барьеры —
места впадения рек в моря и океаны. Пресные воды реки несут
обломочный, взвешенный и растворенный материал. При попа¬
дании в море изменяются механические, физико-химические и
267
Река Гравитационный
Коагуляционно-
Биологический
Рис. 10.17. Маргинальный геохимический барьер при впадении рек и
моря и океаны
микробиологические условия транспорта, приводящие к осаж^ю
ПИЮ переносимых веществ. Здесь можно выделить три основные
барьерные зоны (рис. 10.17*). В месте впадения за счет изменения
скорости течения возникает гравитационный барьер. Происходит
осаждение переносимого механического материала. Осаждается
гравийный, а затем песчано-алевритовый материал. По мере уве¬
личения солености воды происходит коагуляция тончайшей взве
си, образование флоккул (лат. floccus — клочок) органического
вещества и гидратов железа — мощных сорбентов, происходят про
цессы сорбции многих растворенных элементов. В третьей зоне
основная активность принадлежит уже планктону, питающемуся
за счет растворенных элементов путем диализа пропускаемых че¬
рез себя масс воды. На маргинальных барьерах океанов задержи
вается 90 —95 % взвешенных и 30 —40 % растворенных веществ и
загрязнений речного стока.
Маргинальные барьеры являются типичным примером комп¬
лексного взаимодействия различных ввдов геохимических барье¬
ров. Строго говоря, во всех природных барьерах взаимодействую i
разные их типы. Даже в эндогенных барьерах зон пластового окис¬
ления (см. рис. 10.7) наряду с химическим взаимодействием уча¬
ствуют сорбционные, а порой и микробиологические процессы.
Техногенные барьеры. Техническая изобретательность челове¬
чества не только усилила многие естественные природные геохи¬
мические барьеры, но и создала многочисленные новые обстоя¬
тельства для резкой смены устоявшейся миграции отдельных эле¬
ментов. Эти новые условия подчас оказываются опасными для
жизнедеятельности не только отдельных видов живых организмои
(в том числе и человека), но и целых экосистем.
* См.: Лисицын А.П. Ц Геохимия биосферы. Доклады Межд. конф. — М.:
МГУ, 2006.
268
10.3. Процессы рудообразования на геохимических
барьерах
Рудные месторождения с геохимических позиций представля¬
ют собой горные породы с аномально высоким содержанием ка¬
ких-либо компонентов. Их формирование всегда связано с миг¬
рацией элементов и их концентрацией. Последняя происходит на
геохимических барьерах. В самом общем виде можно сказать, что
образование рудных тел есть результат возникновения комплекса
условий, приводящих к резкой смене противоречивых геохими¬
ческих обстановок: с высокой и низкой подвижностью рудных
элементов. А это, как мы уже знаем, и есть геохимический барьер.
Но этого мало. Для формирования рудного тела, в конечном сче-
ге, необходимо и достаточно выполнения трех основных условий:
I) наличие источника рудного вещества; 2) наличие условий для
миграции (переноса) рудного вещества; 3) геохимический барьер,
на котором происходит избирательная концентрация отдельных
компонентов; здесь происходит контрастная смена условий миг¬
рации и отложения.
Как отмечалось в предьщущих главах, источник рудного веще-
с гва определяется не суммарным его содержанием в породах или
расплавах, а долей миграционноспособной формы. Но миграция
может закончиться либо рассеянием, либо концентрированием.
Сочетанием этих трех обобщенных геохимических факторов в про-
С1ранстве и во времени исчерпываются принципиальные условия
иозникновения рудных тел, и эндогенных, и экзогенных.
Эти условия возникают не одноактно. Одни из них формируются
М1ДОЛГО до непосредственного момента рудообразованга и сохраня-
югся многие миллионы лет, пока в ходе геологического развития
конкретных участков земной коры не возникнет весь комплекс не¬
обходимых условий. Поэтому весь этот комплекс полезно разделить
па процессы рудоподготовительные и рудоконцентрируюпще.
Рассмотрим в общем виде совокупность геологических усло-
иий, приводящих к формированию рудных скоплений на геохи¬
мических барьерах (рис. 10.18). Будем двигаться непосредственно
or конечного результата — рудного тела к тем подготовительным
процессам, которые и определили возможность проявления ко¬
нечного результата.
С геохимической точки зрения для образования рудных скоп¬
лений вещества необходим геохимический барьер и источник
металла. Источником может являться не любая масса элементов,
а голько та, которая способна мигрировать на те или иные рассто¬
яния. Источник рудного вещества подразумевает наличие его под-
иижной формы, причем с достаточными большими ее массами.
Формирование повышенных концентраций может быть связа¬
но с процессом осадконакопления, а для отдельных горизонтов —
269
Геохимический
аспект
Геологический
аспект
Источник
металла
Рудное
тело
Геохимический
барьер
Общая масса
металла
Осадкообразова миг
Диагенез
Подвижная
Метаморфизм
форма
Магматизм
Условия
Кора выветривании
переноса
Метасоматоз
Условрш 1
отложения
Трещинообразован ис
Рис. 10.18. Возможные причинно-следственные связи между рудоподго
товительными и рудоконцентрируюшими процессами
и с диагенезом, метаморфизмом, магматизмом и формированием
древних кор выветривания. Так, еще С. С. Смирнов обратил вни
мание на то, что в полиметаллических месторождениях Рудного
Алтая промышленные тела включают руды свинца, цинка и меди,
а в месторождениях Восточного Забайкалья медь не дает промыт
ленных концентраций, а лишь минералогические выделения. Ом
объяснил этот эмпирический факт различием региональных фо
новых содержаний меди: повышенных на Алтае и пониженных и
Забайкалье. Позднее А. И.Тугаринов, сопоставляя распределение
урановых рудных провинций в пространстве и во времени, поксН
зал, что периодам появления эндогенных ураноносных провин¬
ций в истории Земли всегда предшествовало накопление его по¬
вышенных содержаний в осадочных комплексах.
Появление потенциально подвижных форм может происходить
при различных процессах преобразования пород. Это и диагенез,
и метаморфизм региональный или контактовый, и метасомати-
ческие преобразования, образование древних кор выветривания
и т.д. Примеси рудных элементов, запечатанные в породообразу¬
ющих минералах, не могут мигрировать, пока не освободятся oi
сковывающей их матрицы. Такое «освобождение» часто происхо¬
дит при наложении более поздних процессов изменения исход¬
ных пород, начиная от автометасоматических процессов до позд¬
них гипергенных изменений.
Условия, необходимые для подвижности отдельных элементов,
включают целый ряд факторов: температуру, давление, химичес¬
кий состав флюида и т.д. Они могут возникать под влиянием раз¬
личных геологических процессов, не всегда одновременно, а в
некоторой последовательности, подчеркивая тем самым роль ру-
270
/юподготовительных процессов. Наконец, в создании условий ло¬
кального отложения вновь могут участвовать многие геологичес¬
кие процессы, вплоть до трещинообразования.
Такое многообразие природных процессов, которые могут оп¬
ределять отложение руд на геохимических барьерах существует
только в обобщающей схеме. В реальных условиях всегда дей-
егвуют только некоторые из них. Для их выявления необходим
геохимический анализ истории геологического развития конкрет¬
ных территорий. Это еще раз подчеркивает неодноактность и по¬
ли генетичность процессов рудообразования.
10.4. Экологическая роль геохимических барьеров
Большинство устойчивых техногенных заражений связано с
накоплением элементов на геохимических барьерах. В противном
случае техногенные выбросы рассеиваются, давая широкие орео¬
лы. В то же время свойства геохимических барьеров могут с успе¬
хом использоваться для локализации техногенных загрязнений,
а также для надежного захоронения промышленных отходов. Под¬
робнее эти вопросы будут рассмотрены в гл. 12—14.
* * *
Любая остановка элемента на путях его миграции представляет
несомненный интерес и в теоретическом, и в практическом отно¬
шении. Причины, масштабы, пространственные и временные осо¬
бенности таких остановок раскрываются в теории геохимических
барьеров.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте понятие «геохимический барьер».
2. Назовите основные типы геохимических барьеров.
3. В чем заключаются контрастность и градиент барьера?
4. Какое значение имеет устойчивость барьера?
5. От каких факторов зависит масса элемента, сконцентрированного
на геохимическом барьере?
6. Какую роль живое вещество может играть в формировании геохи¬
мических барьеров?
7. Какую роль геохимические барьеры играют в процессах рудообра-
ювания?
8. Охарактеризуйте особенности техногенных барьеров?
9. В чем заключается экологическая роль геохимических барьеров?
Глава И
ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
• Природные круговые процессы • Метаболизм биосферы • Геохимичо
ские циклы отдельных элементов • Цикличность и эволюция
11.1. Природные круговые процессы
Еще в 1924 г. В. И. Вернадский в своих знаменитых «Очерках
геохимии» сформулировал основные положения теории геохими
ческих циклов: «История большинства химических элементе!! и
земной коре... характеризуется замкнутыми круговыми процесса
ми».
Нам наиболее знаком водный обмен, или круговорот воды и
природе, определенную часть которого мы наблюдаем повседнен
но. Скорость обмена в различных частях этого кругового процес¬
са весьма различна. Так, испарение лужи на асфальте, образовав
шейся после дождя, зависит от ее площади и глубины. На почве
часть воды впитается (с разной скоростью на песчаных или гли
нистых почвах) и начнет длинный путь. Чем глубже опускаюл ся
воды и чем теснее они связаны с твердой фазой пород (различаю i
воды гравитационные, капиллярные, пленочные, кристаллизаци
онные и конституционные), тем больше времени требуется для
обмена.
Оценка движения глубинных вод — дело непростое. Еще Гали
лео Галилей сказал, что легче изучить движение спутников Юпи
тера, чем течение воды. Поэтому оценки масс глубинных вод и
скорости их обмена несколько различаются у разных авторов.
Однако процентные соотношения между различными типами вод
и порадки скоростей обмена различаются не так уж сильно. Обоб
щенные значения приведены на рис. 11.1.
Вода не является каким-то исключением. Аналогичный круго¬
ворот характерен для всех элементов земной коры. Только время
обмена измеряется уже не сутками, а миллионами или сотнями
миллионов лет.
Карстовые пещеры — это результат растворения известковых
пород подземными водами, а образующиеся в пещерах сталакти¬
ты и сталагмиты (рис. 11.2), отложения травертин — отложение
выщелоченного вещества. Пески, глины и другие осадочные по¬
роды — результат разрушения кристаллических пород, переноса
вещества и его накопления в других точках пространства. Излия-
272
^\\\ 1
Ш8> l))'* см^
72,0 Ю'* см^
1 га леса испа¬
ряет 20—50 л
воды в сутки
1,6%
Доля гидросферы
в океане, литосфере, биосфере
Средние скорости обмена
Рис. 11.1. Круговорот воды в природе
ние лав и выбросы туч пепла при вулканических извержениях —
следствие перемещения расплавленного вещества земной коры.
Песчаные бури и накопления лесса — эоловое (воздушное, ветро¬
вое) перемещение вещества.
Ни один камень, ни один слагающий их минерал не вечен. Все
находится в вечном движении, образуя круговорот вещества зем¬
ной коры, входя в геохимические циклы (рис. 11.3).
Камни рождаются, растут и разрушаются (умирают). Продук¬
ты их распада переносятся водами и воздушными потоками. Илы,
накапливающиеся на дне водоемов, под тяжестью лежащих выше
отложений постепенно уплотняются и обезвоживаются (литофи-
цируются, превращаются в горную породу). Происходят процес¬
сы метаморфизма (греч. metamorphosis — преобразование). В ме¬
таморфизме различают две основные ветви: прогрессивную и ре¬
грессивную. На стадии прогрессивного метаморфизма происхо¬
дит постепенное увеличение температуры и давления. Под влия¬
нием давления и температуры микроскопические минералы, сла¬
гающие осадочные породы, перекристаллизовываются и укруп¬
няются.
273
Рис. 11.2. Карстовая пещера
Минеральные ассоциации элементов, образовавшиеся в усло¬
виях низких значений температуры и давления, перегруппировы¬
ваются, давая новые парагенезисы. Происходит изменение струк¬
туры и текстуры породы. Если для алюмосиликатов, образующих¬
ся в поверхностных условиях (глинистых, гидрослюдистых), для
алюминия характерно координационное число 6, то для глубин¬
ных (полевые шпаты) — 4. Упаковка атомов становится более
плотной.
На глубине, на локальных участках может происходить плав¬
ление алюмосиликатных пород, сначала в микро-, а затем и в
макромасштабах. При перемещении магм в более высокие гори¬
зонты земной коры, в область более низких температур и давле¬
ний, на их контактах с вмещающими породами иного состава об¬
разуются зоны контактового метаморфизма.
В результате уменьшения температуры и давления при подъ¬
еме горных пород в ходе орогенических движений начинаются
процессы регрессивной стадии метаморфизма. Это глобальный
цикл. На его фоне происходят многочисленные более локаль¬
ные перемещения вещества, так же как в круговороте воды одна
часть атмосферных осадков возвращается в океан с речными
потоками, другая — просачивается в горные породы, возвраща¬
ется в Мировой океан через значительно большие промежутки
времени.
В локальных геохимических циклах щзпото порадка на отдель¬
ных участках может происходить концентрирование отдельных групп
элементов — образование рудных месторождений. В пустотах воз¬
никающих при этом трещин кристаллизуются жильные и рудные
минералы, цветные и драгоценные камни. Все эти образования —
274
своеобразные «депо» отдельных групп элементов на пути их нит¬
рации в недрах земной коры.
Идея геохимических циклов как круговорота вещества зеиной
коры была четко сформулирована В. И. Вернадским. В то жевре-
мя Г. Вашингтон и В. Гольдшмидт, находившиеся под влиянием
идей Г. Розенбуша, допускали частичный круговорот между оса¬
дочными породами и океаном при общем направленном тренде
Рис. 11.3. Геохимические циклы разных масштабов:
/ — осадочные; 2 — метаморфогенные; 3 — гидротермальные рудные скопления
275
Si 28,5
Si 27,9
А1 8,4
А1 8,2
Ге 5,3
Ге5,1
Mg 2,0
Mg 2,1
Са 3,7
Са 3,6
Na 1,0
Na 2,9
К 2,6
К 2,6
Изверженные
^ породы и их
производные
Ювенильное
вещество
Рис. 11.4. Геохимическая миграция элементов согласно Г. Вашингтону и
В. Гольдшмидту; состав (%) земной коры показан справа; состав (%) осад¬
ков — слева; в центре — схема океана, который обогащается натрием во
времени
Выщелоченные осадки,
обедненные Na и т. д.
\
^ ^ Атмосфера ^ ^
Континентальные
^породы
Океан постоянного состава
Осадки океани
ческих впадин
\
Диагенез
2 „ 3 S
S Й S 3,
3
се s (U 5 л
Вулканизм
Si 29,4
А1 8,3
Ге4,4
Mg 1,8
Са 3,0
Na 2,3
К 2,6
’Магматизм^л^?'
►Плутонизм*'
Ювенильные
излияния
базальтов
Рис. 11.5. Полный геохимический цикл; указан средний состав (%) кон¬
тинентальных пород, соответствующий среднему составу древних осад¬
ков геосинклинальных трогов
перемещения от первичного ювенильного вещества (рис. 11.4*).
На этой основе проводился даже расчет возраста океана по кон¬
центрации в нем натрия, накапливающегося, но не покидающего
этот резервуар.
См.: Барт Т. // Проблемы геохимии. - М.: Наука, 1965. - С. 424-429.
276
(D
Материальный
обмен
Рис. 11.6. Схема геохимического цикла
Медленно и постепенно идеи В. И. Вернадского находили при¬
знание. Только в 1965 г. норвежский петролог Т. Барт внес суще¬
ственные изменения в схему В. Гольдшмидта (рис. 11.5), признав,
что большинство интрузивных пород прошло через осадочный этап
общего геохимического цикла. Современные данные геохимии
изотопов не оставили в этом никакого сомнения. Идеи В. И. Вер¬
надского утвердились окончательно.
Общая схема обмена веществом между резервуарами земной
коры, ее космическим окружением и мантийным основанием по¬
казана на рис. 11.6.
Основной областью взаимообмена веществ, геохимических
циклов является земная кора. В. И. Вернадский писал, что земная
кора является самодовлеющим целым, обладает определенной
организованностью, автаркией; процессы в ней начинаются и в
ней кончаются. Здесь идет основной круговорот, а космическое
пространство и мантия участвуют в этом процессе в значительно
меньшей степени. Космос являлся поставщиком вещества на ста¬
дии агломерации, в настоящее время это важнейший поставщик
энергии, поглощаемой живым веществом. Но он же является и
резервуаром, принимающим избыточную энергию.
277
Обмен вещества между земной корой и мантией пока не имеет
количественных оценок. Здесь возможны явления выплавления
мантийного материала и дегазация. Однако получить точные дан¬
ные для области, недоступной для непосредственного количествен¬
ного анализа, значительно сложнее. Самая глубокая скважина
(Кольская сверхглубокая СГ-3 — 11,6 км; рис. 11.7) не позволила
получить мантийного материала. Предварительные геофизичес¬
кие данные, дававгаие надежду на положительный результат, не
оправдались.
Рис. 11.7. Схематический разрез земной коры по данным глубокого бу¬
рения. Контур глубин разведочного бурения:
I — в шельфовой зоне; II — на твердые полезные ископаемые; III — нефтегазо¬
носных скважин; 1 — гидросфера Земли; 2 — океанические базальты; 3 — оса¬
дочные и осадочно-вулканогенные породы фанерозоя (возраст 500 млн лет); 4 —
докембрийские кристаллические породы гранитного слоя (возраст 1 000 — 3 000
млн лет и более); 5 — породы континентального базальтового слоя; 6 — породы
мантии; 7 — высокоскоростные слои — граница Конрада (скорость распростра¬
нения упругих колебаний v = 6,6 —6,8 км/с); 8 — граница Мохоровичича
{v = 8,0 км/с)
278
Значительно надежнее данные по массам резервуаров и скоро¬
стям обмена внутри коры. Ц хотя данные расчетов отдельных ав¬
торов могут расходиться, порядки величин, основанные на реаль¬
ных измерениях, в большинстве случаев существенно не различа¬
ются. Некоторые результаты будут приведены при рассмотрении
циклов отдельных элементов.
11.2. Метаболизм биосферы
Любой живой организм должен дышать и питаться. Процесс
дыхания включает как вдох^ так и выдох. Аналогично питание
всегда сопровождается вьщедением отработанных и инертных про¬
дуктов, поглощенных организмом. Эти процессы обмена веществ,
называемые метаболизмом (греч. metabole — перемена) лежат в
основе жизнедеятельности.
Процессы метаболизма в индивидуальных организмах изуча¬
ются в биологии. Нас же Должен интересовать метаболизм как
функция биосферы, его масштабы, направленность, интенсив¬
ность, его интегральный Результат и то значение, которое он
имеет в развитии самой биосферы и всей верхней части плане¬
ты. При этом мы должны рассматривать результаты взаимодей¬
ствия живого вещества с атмосферой, гидросферой и литосфе¬
рой, равно как и обмен вещества между этими земными оболоч¬
ками.
Каждый живой организм обладает функциями дыхания и пи¬
тания — обменом веществом с атмосферой в первом случае и лито-
и гидросферой во втором. Отмирающие растения и их части (ли¬
стья, стебли и т.п.) возвращаются в почву. Естественно, что эти
же функции присущи и совокупностям организмов, определен¬
ным биоценозам: лесам, степям и т.д.
Обмен идет и между неживыми объектами. Но живые организ¬
мы, используя присущие им катализаторы и энергию Солнца,
значительно ускоряют все обменные процессы.
Хотя мы сосредоточили внимание на одном растении, в его
метаболизме реально всегда участвует биоценоз ряда живых су¬
ществ.
Так, опавшая листва разлагается в почве существующими там
микроорганизмами, и только после этого освободившиеся эле¬
менты могут вновь служить питательным веществом для основ¬
ного растения.
В пищеварительном процессе животных самое активное уча¬
стие принимает целый ряд бактерий, а не только желудочный
сок.
Во всех случаях метаболизма организма и среды питания все¬
гда участвуют симбиозы различных организмов.
27'
11.3. Геохимические циклы отдельных элементов
Углерод. Распределение углерода по основным резервуарам
биосферы представлено на рис. 11.8. В атмосфере сосредоточено
2,3-10*^ т этого элемента. Почти столько же (1,2- 10‘^т) содер¬
жится в живом веществе. В гидросфере содержится углерода на
два порядка больше (1,3 • 10’‘‘т). Литосфера содержит углерода еще
на три порядка больше — 6,8 • 10‘^т, из них ~10‘^т в виде горючих
ископаемых (включая горючие сланцы). Здесь нет точных дан¬
ных, потому что еще не все горючие полезные ископаемые пол¬
ностью разведаны. Остальное — в виде различных карбонатов и
рассеянных органических соединений. Между этими основными
резервуарами поставлены стрелки, показывающие существующие
пути обмена данным элементом между местами его временного
нахождения. Они показывают основные направления природного
круговорота углерода.
Обмен углеродом межд(у различными группами организмов:
автотрофами, гетеротрофаци, растениями и животными, направ¬
ления и типы такого обмена показаны на рис. 11.9*. Весь этот
цикл можно разбить на несколько стадий. Первая стадия — это
использование растениям^ и автотрофными микроорганизмами
СО2 атмосферы для синтеза сложных органических соединений.
В этом процессе, называемом фотосинтезом, проявляется угле¬
кислотная функция живых организмов. Освобождающийся из СО2
кислород вьщеляется в атмосферу.
Вторая стадия — это использование образовавшихся органиче¬
ских соединений в пищу животными и людьми с вьщелением СО2
в атмосферу. Это дыхание квотных, частично возвращающее уг¬
лерод в атмосферу. После отмирания живых организмов углерод,
сконцентрированный в их телах, становится достоянием гетеро¬
трофных микроорганизмов. Здесь начинается третья стадия. В про¬
цессах дыхания и брожения они разлагают сложные органические
соединения, делают их бодее простыми и частично возвращают
СО2 в атмосферу. Эта стадия относительно независима от первых
двух.
Общий биогеохимический цикл углерода, выходящий за пре¬
делы собственно биосферы (рис. 11.10), также можно разделить
на несколько отдельных крупных стадий. К начальной стадии
можно отнести поглощение углекислого газа организмами в про¬
цессах фотосинтеза и хемосинтеза. За счет этого углерода постро¬
ены тела и скелеты организмов. Образовавшиеся органические
соединения используются в качестве питания другими гетеро¬
трофными сушествами. При отмирании организмов их тела и ске¬
леты переходят в осадок и постепенно литофицируются.
См.: Шипунов Ф.Я. Организованность биосферы. — М.: Наука, 1980.
280
Рис. 11.8. Распределение углерода по резервуарам биосферы
При дальнейшем метаморфизме осадков органическое веще¬
ство гумусового ряда дает начало торфам, бурым и каменным уг¬
лям, а сапропели дают начало продуктам нефтяного ряда (рис.
11.11). Эти две ветви отличаются в своих исходных позициях со¬
отношением водорода и углерода. Сапропель более богат водоро¬
дом, чем гумусовые вещества. В конечном итоге при глубоком
метаморфизме все они превращаются в графит.
Карбонатные скелеты организмов дают начало толщам извест¬
няков, метаморфизм которых приводит к превращению их в мра¬
мор. При дальнейшем повышении температуры в глубоких зонах
или на контактах с внедряющимися магматическими телами про¬
исходит диссоциация карбонатов, при которой катионы перехо¬
дят в силикаты и алюмосиликаты, а углекислый газ вьщеляется в
самостоятельную фазу.
Простейшей реакцией этого типа является взаимодействие каль¬
цита и кварца с образованием волластонита:
СаСОз + S102 = Са8Юз + СО2
Свободный углекислый газ при высоком давлении глубинных зон
может образовать самостоятельную жидкую фазу СО2. Ее следы
наблюдают в газово-жидких включениях в минералах (см. рис. 5.3).
281
Рис. 11.9. Биотический цикл углерода (1^Ц1 — стадии обмена)
В табл. 5.4 и на рис. 5.5, построенном по этим данным, было
показано температурное изменение парциального давления угле¬
кислого газа в этой системе, где при температуре около 300 °С
парциальное давление углекислого газа становится равным еди¬
нице и быстро растет при дальнейшем повышении температуры.
В более сложных природных системах, где кроме кварца присут¬
ствуют глинистые и гидрослюдистые алюмосиликаты, перемежа¬
ющиеся с рассеянными карбонатными минералами (мергели и
тонко переслаивающиеся карбонатные и алюмосиликатные поро¬
ды), процессы декарбонатизации происходят наиболее активно.
В результате среднее содержание СО2 Уменьшается от осадочных
толщ до парагнейсов на порядок (табл. U.1; см. рис. 5.4).
С другой стороны, мощные толщи чистых известняков могут со¬
храняться до весьма высоких температур, вплоть до плавления, да¬
вая карбонатные расплавы. Эвтектика отвечает температуре 1 240 °С,
давлению 39,5 атм. Образование карбонатных магм реально при бо¬
лее высоких значениях температуры и давления углекислого газа.
Вода и углекислый газ, выделяющиеся при метаморфизме оеа-
дочных пород в замкнутых условиях. Не могут покинуть твердую
фазу этой системы. Они остаются в межзерновом пространстве
282
Рис. 11.10. Геохимический цлкл углерода
[Н]:[С]
Рис. 11.11. Метаморфизм органических веществ гумусового и сапропе¬
левого ряда в осадочных отложениях
2S
н
Таблица 11.1
Среднее содержание воды и углерода в породах земной коры, мае. %
Группа пород
НоО
СО2
Осадочные породы
10,2* **7,68
0,46
Метаморфические сланцы
-2,8*
1,64
0,13
Парагнейсы
-0,5*
0,8
0,1
* Данные приведены в среднем для всей осадочной толщи (результаты В. П. Зве¬
рева). В верхних горизонтах содержание осадочных пород может достигать 30 %.
** Приближенные оценки.
ПОД ВЫСОКИМ давлением. Только по мере раскрытия системы (при
подъеме пород или в зонах нарушений) они вступают в кругово¬
рот.
Хотя количество углерода, содержащегося в почвах и растенргях
ничтожно мало, по сравнению с его количеством в литосфере, ско¬
рости обмена здесь на 3 — 5 порядков выше, чем в косных телах
земной коры. В результате их геохимическое значение во многих
случаях существенно превышает значение геологических тел, со¬
держащих большие массы углерода, но не способных к быстрому
обмену.
Особое значение обмен углерода между атмосферой, гидросфе¬
рой и живым веществом приобретает для анализа наиболее моло¬
дых процессов, происходящих в биосфере, тем более при ее пере¬
ходе в ноосферу в современный период ее развития. Оптимальное
решение многих современных экологических проблем требует
знания естественных закономерностей обмена вещества в поверх¬
ностных частях биосферы, происходящего со скоростями истори¬
ческого, а не геологического времени.
Большое значение для решения этих вопросов имеют резерву¬
ары с большими массами интересующих нас элементов. Они мо¬
гут играть очень важную роль природных буферов, стабилизиру¬
ющих установившееся состояние системы, являясь длительным
поставщиком одних элементов и поглотителями других. Так, по¬
вышение содержания CG2 в атмосфере тормозится поглощением
его океаном за счет растворения в воде. Увеличение концентра¬
ции углекислого газа в морской воде способствует ускорению ро¬
ста коралловых рифов и других организмов с кальциевым скеле¬
том.
С другой стороны, повышение средней температуры океана в
периоды активности Солнца уменьшает растворимость СО2 в оке¬
ане, способствует возврату ранее накопленного углекислого газа в
атмосферу. За 400 тыс. лет (рис. 11.12) размах колебаний не раз
284
400000 300000 200000 100000
Время, лет назад
2300
Рис. 11.12. Температурные колебания от средней современной точки,
принятой за нуль
составлял 17 °С, что весьма существенно для распределения угле¬
кислого газа между атмосферой и гидросферой.
Из рис. 11.12 видно, что изменение температуры поверхности
Земли носит циклический характер. В пределах приведенного
интервала времени хорошо просматриваются макроциклы с пе¬
риодом порядка 100000 лет. Существуют и более крупные циклы.
Так, периоды глобальных оледенений известны не тодько в чет¬
вертичное время, но и в палеозое (пермь, кембрий) и в протеро¬
зое. На этом примере мы видим связь земных геохимических цик¬
лов с Космосом (активностью Солнца и его положением в систе¬
ме Галактики).
Необходимо отметить еще одно существенное значение геохи¬
мического цикла углерода в круговороте других элементов, глав¬
ным образом металлов. Живое вещество после своего отмирания
активно поглощает целый ряд металлических элементов из вме¬
щающей среды. Торф и сапропели активно концентрируют U, V,
Мо, Se, Ni, Со, элементы платиновый группы. Их концентрация
в этих образованиях часто оказывается в несколько раз выще, чем
во вмещающих породах. Дальнейщий метаморфизм приводит к
изменению химического состава и структуры органических ве¬
ществ, уменьшению их сорбционной емкости. Меняются и фор¬
мы нахождения сорбированных элементов, что ведет к их бодее
позднему перераспределению, вплоть до образования промыш¬
ленных месторождений.
Это показывает, что не только цикл одного элемента может
иметь несколько разных ветвей более крупного или мелкого по¬
рядка, но и циклы разных элементов не являются вполне незави¬
симыми от путей круговорота других элементов.
285
Кислород. Рассматривая геохимический цикл углерода, мы уже
затронули и цикл кислорода. Хотя кислород — самый распрост¬
раненный элемент земной коры и составляет почти половину ее
массы, подавляющая его часть связана в тех или иных минералах
в виде ионов 0^~. Лишь ничтожная его часть находится в свобод¬
ном состоянии в виде молекул О2, которые могут активно всту¬
пать во взаимодействие с другими элементами, участвовать в окис¬
лительно-восстановительных процессах.
Круговорот кислорода начинается с фотосинтеза. Именно фо¬
тосинтез зеленых растений освободил кислород из углекислого
газа атмосферы и воды гидросферы. В процессе фотосинтеза в
настоящее время биогенно образуется -(2 — 3) • 10^^ т кислорода
в год. На наземные растения приходится 66,7 % этого показателя,
на водные растения — 33,3 %. При такой скорости фотосинтети-
ческой генерации свободного кислорода удвоение его современ¬
ного содержания потребовало бы 4 000 лет.
Из абиогенных источников свободного кислорода известны
фотодиссоциация паров Н2О на высоте 70 — 80 км и СО2 на высо¬
те 115 км. В сумме они могут давать 1,3 • 10^ т О2 в год. Ясно, что
эта величина несоизмеримо мала по сравнению с биогенным про¬
цессом.
Часть выделившегося свободного кислорода поглощается в
процессе дыхания организмов и окисления отмирающих органи¬
ческих веществ. Абиогенный расход свободного кислорода на окис¬
ление минеральных веществ литосферы оценивается величиной,
близкой к величине его абиогенного синтеза.
Таким образом, биогенный синтез свободного кислорода и его
биогенное потребление находятся во взаимно уравновешенном
балансе.
Суммируя отдельные источники и ветви миграции, можно на¬
метить следующие основные составляющие глобального цикла
кислорода (Дж. Уолкер, 1980):
• вьщеление растительностью мировой суши — 150 • 10^^ т/год;
• выделение фотосинтезирующими организмами океана —
120- Ю^Ч/год;
• поглощение процессами аэробного дыхания — 210 • 10^^ т/год;
• биологическая нитрификация и другие процессы — 70- 10^^
т/год.
Расход кислорода, связанный с техногенным окислением угле¬
рода при сжигании ископаемого топлива, здесь не учитывается.
Ничтожная масса кислорода атмосферы находится в виде озо¬
на О3, образующегося по схеме О2 + О = О3. Фотохимические
реакции образования озона наиболее интенсивно протекают на
высоте 30 км. Общая масса озона при нормальном давлении со¬
ставляла бы слой мощностью всего 2 — 4 мм. Однако роль озона
во всех земных процессах чрезвычайно велика, поскольку он за¬
286
держивает коротковолновую радиацию Солнца, губительную для
жизни. Поэтому жизнь на земной поверхности смогла развивать¬
ся только после образования озонового слоя. До этого жизнь су¬
ществовала лишь в океане.
Азот. В настоящее время азот составляет 78об.%и75,5 мае. %
атмосферы. Такой состав атмосферы — продукт геохимического
круговорота вещества между земными оболочками. Первоначаль¬
ная атмосфера должна была быть похожа на атмосферу ближай¬
ших планет земной группы. Атмосфера Марса: СО2 ~95 %, N2 2,5 %,
Аг 1,5 — 2 %, Н2О < 0,1 %; Венеры — практически полностью угле¬
кислая (97 %). Современный состав земной атмосферы — резуль¬
тат проявления азотных функций живого вещества биосферы.
Общая направленность биогеохимического круговорота азота —
его аккумуляция в молекулярной форме в атмосфере. В почвен¬
ном покрове содержится 1,5 • 10^^ т азота, в биомассе растений —
1,1 • 10^^ т, в биомассе животных — 6,1 • 10^ т. Масса азота в био¬
генных ископаемых пока точно не определена.
Биогеохимический цикл азота включает несколько стадий азот¬
ной функции живого вещества (рис. 11.13). Первая стадия отвеча¬
ет связыванию свободного молекулярного азота атмосферы. Этот
процесс осуществляется живыми организмами и называется био-
Рис. 11.13. Биогеохимический цикл азота и стадии азотной функции
живого вещества:
I — стадия азотфиксации; II — стадия аммонификации; III — стадия нитрофи¬
кации; IV — стадия денитрофикации
287
логической азотфиксацией. Конечными продуктами этой стадии
являются вещества белковой природы, аминокислоты и аммиак.
Вторая стадия — аммонификация — поступление в почву и в оке¬
ан азота в форме аммиака, синтезированного организмами, и
минерализация вещества живых организмов после их отмира¬
ния.
На третьей стадии биогеохимического цикла азота идет окис¬
ление аммиака и его превращение в нитраты живыми организ¬
мами. И, наконец, нитраты частично усваиваются растениями,
а частично восстанавливаются до аммиака и свободного молеку¬
лярного азота, поступающего в атмосферу.
Потеря азота этого цикла за счет отложения в осадочных поро¬
дах уравновешивается его поступлением при нитрификации, вы¬
ветривании, с вулканическими газами и фотоэлектрохимической
фиксацией. Пока отсутствуют точные данные как об отложении
азота органического происхождения в осадочных породах, так и о
сумме поступления азота в биосферу при процессах метаморфи-
зации пород и вулканизма.
Сера. Этот элемент играет важную роль в круговороте веще¬
ства биосферы. Содержание серы в земной коре, по данным
А.П. Виноградова, составляет 4,7 • 10"^%, в почвах 5,8 * 10"^%, в жи¬
вом веществе 5 • 10"^%, в морской воде 8,8 • 10"^%.
В биохимическом круговороте серы четко выделяются две ос¬
новные тенденции, связанные с ее окислением и восстановлени-
288
ем (рис. 11.14*). Ведущую роль здесь играют аэробные и анаэроб¬
ные серобактерии. Они активно участвуют в усвоении минераль¬
ной серы и включении ее в состав белков и аминокислот. Затем
происходит восстановление шестивалентной серы вплоть до ионов
(сероводородная функция живых организмов). Восстановлен¬
ная сера вновь активно соединяется с минеральным веществом,
образуя разнообразные сульфиды, широко распространенные в уг¬
лях и других горных породах, содержащих органические вещества.
Сдвиги отношений между и (см. рис. 4.5) при окисле¬
нии или восстановлении серы, особенно интенсивно проявля¬
ющиеся с участием бактерий, позволяют проследить пути мигра¬
ции этого элемента в различных геологических объектах. Близкие
значения обнаруживаются в сере колчеданных месторождений
Урала и породах основного состава. Наибольшее отклонение дают
океанические осадки (5(^"^8) = +20 %о), что связано с активной бак¬
териальной восстановительной деятельностью. Осадочные песча¬
ники, сланцы, известняки дают отклонение в противоположную
сторону (5(^"^S) = -14...-10%о). Генеральная выборка по осадоч¬
ным месторождениям дает два максимума в области положитель¬
ных и отрицательных значений 8(^'^S). Специальный анализ конк¬
ретных ситуаций с учетом истории геологического развития дан¬
ной территории позволяет конкретизировать источники серы в
реальных природных процессах, в том числе в месторождениях
полезных ископаемых.
11.4. Цикличность и эволюция
Цикл любого химического элемента не может быть вполне замк¬
нут уже потому, что движение элемента происходит не изолиро¬
ванно в статической среде, а на фоне изменения форм нахожде¬
ния и перемещения других элементов, их геохимических циклов.
Мы уже говорили, что в коре имеется множество циклов разного
масштаба. Испарение выпавших осадков с поверхности земли
происходит достаточно быстро. Их сток в крупные водоемы и
дальнейшее испарение занимает уже значительно большее вре¬
мя, а воды, просочившиеся в водоносные горизонты, будут пере¬
мещаться еще медленнее.
Таким образом, время оборота отдельных элементов неиден¬
тично. Движение происходит неравномерно и, более того, непо¬
стоянно. Происходят остановки на большее или меньшее время.
Такими «депо» на пути миграции элементов являются месторож¬
дения полезных ископаемых. Здесь сульфидные (и другие) руд¬
ные минералы могут сохраняться сотни миллионов лет, но будучи
выведенными на земную поверхность они подвергнутся окисле¬
нию, а слагающие их элементы включатся в потоки рассеяния.
Следовательно, возвращение в «исходную точку» невозможно в
принципе. «Исходная точка» за прошедшее время будет уже не та,
какая она была прежде, и на поверхности, и в недрах земной коры.
«После более или менее продолжительных и более или менее
сложных изменений, — писал В. И. Вернадский в «Очерках геохи¬
мии», — элемент возвращается к первичному соединению и на¬
чинает новый цикл, завершающийся для элемента новым возвра¬
щением к первоначальному состоянию... Эти циклы обратимы
лишь в главной части атомов, часть же элементов неизбежно и
постоянно выходит из круговорота. Этот выход закономерен, т.е.
круговой процесс не является вполне обратимым... Среди форм
такого выхода из цикла особое значение имеет рассеяние элемента,
его выход в форме свободных атомов. Быть может, элемент этим
путем выходит из цикла, иногда навсегда. Все же ясно, что если
даже будущие открытия более или менее изменят наши современ¬
ные представления, они не поколеблют основного эмпирического
обобщения: господствующего значения химических соединений и
обратимых циклов в истории главной массы земной коры»*.
Все сказанное относится в первую очередь к стабильным изо¬
топам. Радиоактивные элементы выходят из цикла в результате
своего распада, а радиогенные, образующиеся вновь, вступают в
круговорот.
Если учесть все эти особенности реальных геохимических цик¬
лов отдельных элементов, совершающихся к тому же на фоне дви¬
жения Земли в космическом пространстве, то все циклы различ¬
ного масштаба превращаются в спирали. Отдельный цикл прояв¬
ляется как некоторая тенденция к замыканию, а осевой тренд,
которым может быть и ветвь другого цикла более крупного масш¬
таба, дает направление общего эволюционного развития.
В целом в истории биосферы круговорот вещества и энергии
идет в сторону возникновения все более совершенных, т. е. устой¬
чивых и экономных циклов. Совершенствование циклов направ¬
лено на то, чтобы минимизировать безвозвратные потери геохи¬
мических систем. Поэтому с общепланетарной точки зрения жизнь
следует рассматривать как способ стабилизации существующих на
планете геохимических циклов.
* * *
Учение о круговороте вещества земной коры — геохимических
циклах — одно из центральных в современной геохимии. В геохи¬
* Вернадский В. И. Избранные сочинения. — М.: Изд-во АН СССР, 1954. ~
Т. 1. - С. 40.
290
мическом круговороте участвует все вещество земной коры, но в
разных масштабах и с разной интенсивностью. Поскольку движе¬
ние любого элемента происходит на фоне миграции других эле¬
ментов, ни один цикл не является вполне замкнутым. Все вместе
они определяют эволюционное развитие земной коры.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте понятие «геохимический цикл».
2. Опишите круговорот воды в природе.
3. Дайте характеристику глобальным и локальным циклам.
4. Дайте характеристику прогрессивному и регрессивному метамор¬
физму.
5. В чем заключаются особенности геохимического цикла углерода?
6. Какое значение в эволюции биосферы имеет геохимический цикл
кислорода?
7. Какую роль играют микроорганизмы в геохимическом цикле азо¬
та?
8. Какие функции могут выполнять отдельные геосферы?
9. Какова связь между цикличностью и эволюцией?
РАЗДЕЛ IV. ЭВС1ЮЦИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ
Глава 12
ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ
• Развитие представлений oi эволюции биосферы • Отличия эволюции
биоты и биосферы • Биогеокимический подход к проблемам эволю¬
ции • Страницы эволюции бшсферы • Роль биоты • Механизмы разделе¬
ния кислорода и углерода •Становление кислородной атмосферы и ме¬
ханизмы поддержания ее состава • Развитие процессов рудообразова-
ния*Два принципа эволюции биосферы • Геологические и биологиче¬
ские ритмы • Информационный обмен в биосфере
12,1 Идея эволюции
Изменение лика земной коры и ее более глубоких слоев от
самых ранних эпох докембрия и до наших дней фиксировалось
естествоиспытателями и натуралистами задолго до появления идеи
эволюции. Но только эволюционный подход к накопленным эм¬
пирическим данным позволил связать разрозненные факты в еди¬
ную стройную концепцию.
Учение о биосфере, также как и геохимия (история элементов
земной коры), — учение историческое, рассматривающее измене¬
ние (развитие) природы во времени, а следовательно, учение эво¬
люционное. Однако и само научное знание развивалось во време¬
ни — эволюционировало, Менялись ведущие научные идеи есте¬
ственно-научного знания и их социальная роль. Схематично это
показано в табл. 1.1.
Идея эволюции пришла в науку из биологии. Она зародилась
благодаря работам французского естествоиспытателя Ж. Б. Ламар¬
ка (1744—1829). Он впервые ввел в науку этот термин, как и тер¬
мин «биология». В своей работе «Гидрогеология» он одновремен¬
но высказал идеи о неразрывной связи живого и косного веще¬
ства планеты и их взаимном влиянии. Эти идеи, к сожалению, на
столетие после его смерти были забыты.
Их возрождение тесно связано с Ч.Р. Дарвином, опубликовав¬
шим в 1859 г. свой основной труд «Происхождение видов путем
естественного отбора». Высказанные здесь мысли об эволюцион¬
ном развитии органического мира не только быстро охватили умы
292
ученых-биологов, но и резко изменили все научное мировоззре¬
ние натуралистов, покорив широкие слои интеллигенции.
В отличие от известных представлений об эволюции биологи¬
ческих видов, учение о биосфере значительно более многогранно.
Оно охватывает и живое, и косное вещество поверхностных обо¬
лочек нашей планеты. По существу, это следующий шаг в разви¬
тии эволюционного учения. Шаг, который становится особенно
актуальным именно сейчас, когда человечество стоит перед выбо¬
ром направления своего дальнейшего пути.
Правильное понимание процессов и явлений различного про¬
странственно-временного масштаба, протекающих в биосфере,
требует, по меньшей мере, многоуровневого их рассмотрения,
начиная с глобального — общепланетарного. Вместе с тем иссле¬
дование процессов такого масштаба до последнего времени счи¬
талось прерогативой геологических наук. Отраслевое подразделе¬
ние естественных наук достаточно условно и не имеет четких гра¬
ниц. Объект исследований у них общий — Земля и ее космиче¬
ское окружение.
Может показаться, что эти два представления о жизни — биоло¬
гическое и геохимическое — несовместимы. Однако более глубокий
анализ позволяет разобраться в наблюдаемом различии. Он указы¬
вает, что мы имеем дело с различным выражением тождественных
явлений и, действительно, встречаемся с проявлениями жизни, по-
разному рассматриваемыми геологией и биологией. Сопоставление
двух точек зрения: биологической и геохимической — углубляет и
изменяет научный охват явлений жизни, эволюции биоты, литосфе¬
ры, гидросферы, атмосферы и всей биосферы в целом.
В биологии обычно вид рассматривается геометрически: на пер¬
вое место выступает форма, морфологические признаки. В биогео-
химических явлениях на первое место выступает число. Вид рас¬
сматривается арифметически. Подобно физическим и химиче¬
ским явлениям — химическим соединениям и физико-химиче¬
ским системам — отдельные виды животных и растений должны
в геохимии характеризоваться и различаться числовыми констан¬
тами. Числовые константы заменяют морфологические призна¬
ки, указываемые биологами при диагнозе вида. Это позволяет глуб¬
же проникнуть в суть процессов эволюции.
В биогеохимических процессах необходимо принимать во вни¬
мание числовые константы: среднюю массу организма, его сред¬
ний элементарный химический состав и отвечающую ему сред¬
нюю геохимическую энергию, т.е. свойственную организму спо¬
собность производить перемещение — миграцию химических эле¬
ментов в среде его жизни.
В биогеохимии вместо формы (морфологии), свойственной
виду, выступают его материя и его энергия. Вид может рассмат¬
риваться как некоторое веи^ество, такое же как другие вещества
293
земной коры: вода, твердые минералы и горные породы, которые
одновременно с организмами участвуют в геохимических процес¬
сах. Выраженный таким путем «вид» биолога может рассматриваться
как однородное живое вещество, характеризуемое массой, эле¬
ментарным химическим составом и геохимической энергией.
В геохимии мы имеем дело с атомами. В биосфере мы отлича¬
ем организмы как особые автономные объемы — поля, в которых
собираются определенные атомы в определенных количествах и
сочетаниях. Это количество и есть характерное свойство каждого
организма, каждого вида. Оно указывает, сколько атомов орга¬
низм данного вида может со свойственной ему силой извлечь из
окружающей среды и удержать, находясь в поле биосферы. Зная
объем организма и количество находящихся в этом объеме атомов
и выражая все явления числами, мы получаем наиболее отвлечен¬
ное и в то же время реальное количественное выражение вида,
как оно отражается в геологических процессах планеты. Мы по¬
лучаем все эти данные, измеряя размеры организма, его массу и
его химический состав. Полученные числа и их распределение в
объеме организма есть его видовые геохимические признаки.
Захват живым веществом и удерживание в нем известного ко¬
личества атомов и их изотопов столь же характерно для организ¬
ма, как его форма или физиологические функции. По существу,
такие процессы более глубоко отражают основные черты суще¬
ствования живых организмов и происходящие в них изменения,
чем чисто морфологические их признаки.
Выражение вида в атомных числах, отнесенных к объему орга¬
низмов, и соотношения чисел атомов разных элементов не ис¬
ключают, а только дополняют обычную биологическую характе¬
ристику того же самого объема вида.
Живое однородное вещество для геохимика и виды для биоло¬
га отражают разные аспекты одного и того же природного явле¬
ния. Но атомное выражение биологических видов приближает нас
к пониманию взаимосвязи живых организмов с косной средой их
обитания. Они выводят нас на трофические (пищевые) цепи и,
в конце концов, на метаболизм между организмами и средой их
обитания. Сама жизнъ есть постоянный обмен атомов между жи¬
вым веществом и косной средой литосферы, гидросферы и атмо¬
сферы (см. рис. 11.8). Однако вопрос о происхождении жизни до
сих пор остается открытым.
12.2. Происхождение жизни
Вопрос о происхождении жизни всегда вызывал повышенный
интерес. Мы не имеем никаких эмпирических фактов, позволя¬
ющих говорить о начале жизни на Земле. Но мы ничего не знаем
294
и о периоде азоя — периоде, когда на Земле не могло существо¬
вать живое вещество. Единственное, что мы можем утверждать,
не выходя за пределы эмпирических фактов: «Все живое от живо¬
го». Этот принцип был сформулирован флорентийским натура¬
листом Франчиско Реди (1626—1697) и вошел в науку под его
именем.
Сегодня описано около 2 млн видов животных, более 1,5 млн
насекомых, примерно 0,5 млн видов растений, свыше 100 тыс.
видов грибов и 40 тыс. видов простейших.
Оставляя в стороне взгляды древних, отметим, что со времен
Э. Геккеля эту проблему наиболее часто сводили к чисто химиче¬
ской задаче: как синтезировать сложные органические макромо¬
лекулы (белки и нуклеиновые кислоты) из простых соединений
(метана, аммиака, сероводорода и пр.), которые составляли пер¬
вичную атмосферу Земли.
В 1920-е гг. А. И. Опарин и Дж.Холдейн экспериментально
показали, что в растворах высокомолекулярных органических со¬
единений могут возникать зоны повышенной их концентрации.
Затем в 1953 г. С. Миллер при помощи электрических разрядов,
имитирующих грозы, синтезировал ряд органических соединений,
в том числе аминокислоты. Через некоторое время С. Фоксу уда¬
лось соединить отдельные молекулы в короткие нерегулярные
цепи. Подобные полипептидные цепи были позднее найдены среди
прочих простых органических соединений в метеоритном веще¬
стве. Этим исчерпываются успехи, достигнутые в рамках концеп¬
ции абиогенеза.
Однако полученные органические соединения не только не
обладали активными функциями живого вещества, но и не отве¬
чали требованию диссимметрии, установленному Л. Пастером еще
в 1848 г., — различной оптической активностью (способностью
молекул по-разному отклонять луч поляризованного света), отли¬
чающей живое вещество от косного. Сейчас известно, что все белки
на нашей планете построены только из левовращающих амино¬
кислот, а нуклеиновые кислоты — из правовращающих сахаров;
это свойство, называемое хиральной чистотой, считается одной
из фундаментальных характеристик живого.
Между тем даже успешный синтез «живых» макромолекул сам
по себе проблемы не решает. Для того чтобы макромолекулы «за¬
работали», они должны быть организованы в клетку. Все так на¬
зываемые доклеточные формы жизни — вирусы — являются внут¬
риклеточными паразитами (размножаются только внутри клетки),
а потому вряд ли могут являться предшественниками клеток.
Вероятность случайного возникновения аминокислотно-нук¬
леотидной последовательности, отвечающей живой клетке, пол¬
ностью отвергается теорией вероятности и математической стати¬
стикой.
295
Таким образом, в рамках чисто химического подхода проблема
зарождения жизни принципиально неразрешима.
В качестве альтернативы абиогенезу выступала концепция пан¬
спермии, связанная с именами таких выдающихся ученых, как
Г. Гельмгольц, У. Томпсон (лорд Кельвин), С. Аррениус. Идея пан¬
спермии предполагает, что жизнь столь же вечна и повсеместна,
как материя, и зародыши ее постоянно путешествуют по космосу.
С. Аррениус путем расчетов доказывал принципиальную возмож¬
ность переноса бактериальных спор с планеты на планету под
действием давления света. Предполагалось, что вещество Земли в
момент ее образования из газопылевого облака уже было «инфи¬
цировано» зародышами жизни.
Все попытки обнаружить живые существа (или их ископаемые
остатки) вне Земли пока не дали положительного результата. Не¬
однократно появлявшиеся сообщения о находках следов жизни в
метеоритах основаны на интерпретации некоторых бактериопо-
добных неорганических включений. Метеоритное вещество ока¬
залось достаточно богатым органическими соединениями, однако
все они не обладают хиральной чистотой. Таким образом, по край¬
ней мере, положение, касающееся повсеместности распростране¬
ния жизни во Вселенной, не нашло подтверждения. Это заставля¬
ет сделать неутешительный вывод, что панспермия, так же как и
абиогенез, не дает удовлетворительного ответа на вопрос о воз¬
никновении жизни на Земле.
Новый подход к решению этой проблемы наметился лишь в
последнее время в связи с развитием теории самоорганизующих¬
ся систем. Самоорганизующейся называют такую систему, кото¬
рая обладает способностью корректировать свое поведение на ос¬
нове предшествующего опыта (сам термин был введен в 1947 г.
одним из создателей кибернетики физиологом У. Эшби). Если рас¬
смотрение процессов развития (в том числе биологических сис¬
тем из первичных неживых компонентов) принципиально невоз¬
можно в рамках классической термодинамики, то с позиций тео¬
рии информации и неравновесной термодинамики открываются
новые возможности. Многие перспективные модели последних
лет: самовоспроизведения автоматов Дж. Неймана (1960), запоми¬
нающегося шума Г. Кастлера (1966), гиперциклы М. Эйгена (1982),
разрушение зеркальной симметрии В.И.Гольданского (1986) —
работают только в рамках теории информации и диссипативных
систем. Именно поэтому все они не имеют отношения к класси¬
ческому абиогенезу: если Э. Геккель и А. И. Опарин сводили био¬
логию к химии, то в отличие от них М.Эйген скорее сводит хи¬
мию к биологии.
С позиции теории систем новая информация возникает в ней
только тогда, когда происходит случайный выбор с последующим
запоминанием его результатов. Один из основоположников ки-
296
Рис. 12.1. Общая схема сайзера:
/ — полинуклеотидная матрица; — ферменты (белки); круговая стрелка над
матрицей иллюстрирует процесс репликации; стрелки, направленные вертикально
вниз, иллюстрируют процессы трансляции; стрелки от ферментов £’i, ..., Е^
поясняют, что эти ферменты катализируют процессы трансляции и репликации
бернетики Дж.фон Нейман, решавший проблему самовоспроиз¬
ведения автоматов, установил принципиальную возможность этого
процесса. Оказалось, способность к самовоспроизведению прин¬
ципиально зависит от сложности организации. На низшем уровне
сложность является вырождающейся, т.е. каждый автомат спосо¬
бен воспроизводить лишь менее сложные автоматы. Существует,
однако, вполне определенный критический уровень сложности,
начиная с которого эта склонность к вырождению перестает быть
всеобщей: «Сложность, точно так же как и структура организмов,
ниже некого минимального уровня является вырождающейся,
а выше этого уровня становится самоподдерживающейся или даже
может расти»*.
Биохимик Г. Кастлер проанализировал поведение системы орга¬
нических кислот в рамках теории информации и пришел к выво¬
ду, что новая информация возникает в системе только в том слу¬
чае, если в ней происходит случайный выбор с последующим за¬
поминанием его результатов, а не целенаправленный отбор наи¬
лучшего варианта. Возможность возникновения новой информа¬
ции определяется свойствами информации как таковой, т.е. ин¬
формация в отличие от материи и энергии может быть заново
создана и, соответственно, безвозвратно утрачена.
Наконец, М. Эйгену удалось найти реальный класс химических
реакций, компоненты которых вели себя подобно дарвиновским
видам, т.е. обладали способностью «отбираться» и, соответствен¬
но, эволюционировать в сторону увеличения сложности органи¬
зации. Именно такими свойствами, как выяснилось, и обладают
нелинейные автокаталитические цепи, названные им гиперцик¬
лами.
В 1980 г. В.А. Ратнер и В.В.Шамин (Новосибирск) и Д.Уайт
(Калифорния) предложили модель, которую назвали «сайзер»
(SYSER — сокращение от SYstem of SElf-Reproduction) (рис. 12.1).
* Редъко В. Г. Эволюционная кибернетика. Курс лекций. Лекция 6.
www.keldysh.ru/pages/BioCyber/Lectures.html
297
Подходы к проблеме проиехождения жизни на базе теории
информации и термодинамики диссипативных систем принци¬
пиально отличаются от химического подхода к задаче синтеза слож¬
ных органических макромолекул из простых соединений, состав¬
лявших первичную атмосферу Земли, и от идеи панспермии. Они
идут в направлении, к которому независимо друг от друга прихо¬
дили такие исследователи, как Дж. Бернал (1969) и М.М. Камши-
лов (1972): жизнь как феномен должна предшествовать появле¬
нию конкретных живых существ. Этот вывод сближает подходы
сторонников химического синтеза и панспермии.
12.3. Круговорот вещества — механизм развития
Биосфера в своей минеральной части кажется неизменной в
течение всего геологического времени, по крайней мере с архея.
За все время земного существования, вплоть до появления циви¬
лизованного человечества, не был создан ни один новый мине¬
ральный вид. Менялись только количественные соотношения
между ними.
Виды минералов на нашей планете остаются неизменными во
времени или изменяются с его ходом одинаковым образом: во все
геологические периоды образовывались те же самые химические
соединения, что и теперь. Кварц остается кварцем, даже если он
образовался в архее, а не в кайнозое. Нет ни одного случая, ука¬
зывающего на связь того или иного минерального вида с опреде¬
ленной геологической эпохой. Это резко отличает виды минера¬
лов от живого вещества, от вида живых организмов. Виды живых
организмов резко меняются в течение геологического времени:
все время создаются новые виды растений и животных. Виды ми¬
нералов всегда одни и те же.
Но если мы сравним количественные соотношения минераль¬
ных видов и слагаемых ими горных пород, образовавшихся в
различные геологические эпохи, то они совсем не будут иден¬
тичны. В докембрийских гранитоидах широко развиты плагиог-
раниты и отсутствуют аляскитовые граниты. В кайнозойских гра¬
нитоидах соотношение меняется на обратное. Среди осадочных
пород архея не было известняков. Огромные толщи карбонатных
пород стали накапливаться только после появления организмов с
кальциевым скелетом. При их метаморфизме образуются мрамо¬
ры, гибридные гранодиориты, углекисловодные эндогенные флю¬
иды и т.д. Изменяются глобальные геохимические циьслы. Совре¬
менная кислородная атмосфера стала образовываться только пос¬
ле появления зеленых растений с хлорофилловой функцией. Эво¬
люционирует вся система биосферы: и живое, и неживое веще¬
ство коры.
298
Все меняется (в геологическом масштабе времени) и меняется
не хаотически, а сохраняя некоторую направленность. Просле¬
дим эту направленность на примере наиболее доступных нашему
наблюдению изменений состава атмосферы, гидросферы и верх¬
них частей земной коры.
12.4. Страницы эволюции биосферы
Вспомним, что первичная атмосфера Земли, скорее всего, была
углекислометановой, как и атмосферы других планет земной груп¬
пы (см. гл. 3). Ее дальнейшее изменение связано с развитием живых
организмов. До появления организмов с хлорофилловой функци¬
ей еще в докембрии основным механизмом выделения свободно¬
го кислорода была реакция фотодиссоциации водяных паров под
Рис. 12.2. Докембрий, 700 млн лет назад.
Бесскелетные организмы только в океане (по рисунку С. В. Наугольных)
299
действием ультрафиолетового излучения. Поэтому жизнь могла
развиваться только в океане (рис. 12.2). Но уже в кембрии за счет
фотосинтетических реакций:
СО2 + HjO + световая энергия О2
содержание кислорода в атмосфере достигло 0,1 % современного
уровня и стало экраном против губительного для живого веще¬
ства ультрафиолета (эффект Юри). Постепенно ращдиряются аре¬
алы и разнообразие водорослей. Однако подавляющая часть кис¬
лорода, выделяющегося в результате жизнедеятельности живых
организмов, расходуется на окисление компонентов атмосферы и
гидросферы. Значительные массы двухвалентного железа, раство¬
ренные в первичном океане, имевщем кислую (много СО2) вос¬
становительную среду, окисляются до трехвалентного состояния
и переходят в осадки. За счет уменьщения количества СО2 снижа¬
ется кислотность океанических вод, и в результате увеличения
активности ионов СОз^" начинается отложение железистых и маг¬
незиально-железистых карбонатов. В совокупности эти процессы
дают начало массовому накоплению железистых осздков, послу-
живщих материалом для железистых кварцитов, основная доля
которых сосредоточена в породах этого периода.
Разные авторы дают схожую общую картину появления и даль-
нейщего изменения содержания свободного кислорода в земной
атмосфере (рис. 12.3*, 12.4**). Все выводы связаны с анализом
развития биоты.
В ордовикский период процесс формирования (сислородной
атмосферы становится необратимым, и начинается направленное
накопление кислорода в воздущной оболочке. Происходит экс¬
пансия водорослей с последующим выходом их на поверхность,
что приводит к усилению фотосинтеза. Масса генерируемого при
фотосинтезе кислорода превыщает его расход на окисление в ли¬
тогенезе. Организмы от брожения переходят к энергетически бо¬
лее выгодным процессам дыхания. По мере накопления кислоро¬
да в атмосфере создаются условия для образования стабильного
озонового экрана и появления многочисленных форм жизни.
Концентрация кислорода в атмосфере (10% современного уров¬
ня) подготовила эволюционный скачок в биосфере.
Среднедевонский период характеризуется динамическим рав¬
новесием в производстве и потреблении кислорода, разнообрази¬
ем органической жизни, массовым выходом растений на сущу,
началом развития псилофитовой флоры, достигавщей высоты 30—
40 м (рис. 12.5), активным вулканизмом. В это время происходит
* См.; Розанова А.Ю. — www.macroevolution.narod.ru
** Трофимчук А. А., Молчанов В. В., Параев В. В. Ц Вестник ОГГГГН РАН. —
2000. - Т. 3. - № 13.
Рис. 12.3. Появление разных групп организмов в истории Земли и
схема оксигенезации атмосферы
массовое образование карбонатных и терригенных отложений,
накопление красноцветов.
В позднедевонско-раннекаменноугольный период геологиче¬
ской истории происходит резкое увеличение массы кислорода.
Продолжается экспансия и расцвет наземной растительности и,
как следствие, расширение масштабов фотосинтеза. Масса кисло¬
рода в воздухе впервые достигает современного уровня и более
уже никогда не опускается ниже него. В конце указанного перио¬
да происходит исчезновение лепидофитовой флоры.
Период средний карбон —ранняя юра отмечен динамическим
равновесием «приход —расход» кислорода. Продолжается экспан¬
сия наземной растительности. Распространяется богатая кордаи-
товая флора (рис. 12.6).
В пермокарбоне и ранней юре отмечается усиленное углена-
копление. В триасе отмечаются мощный орогенез, магматическая
деятельность, красноцветная седиментация и глобальная нивели¬
ровка флористической дифференциации.
В мезо-кайнозое (рис. 12.7) растет генерация биогенного кис¬
лорода. Богатая и разнообразная растительность, господство по¬
крытосеменных с интенсивным фотосинтезом. Развитие покры¬
тосеменных растений существенно расширило общую поверхность
301
U)
о
ю
Рис. 12.4. Этапы становления кислородной атмосферы и сопутствую¬
щие им эпохальные события:
1 — линия генерированного кислорода характеризует периодичность изменения
его производства при фотосинтезе; 2 — дифференциальная линия характеризует
разность «приход - расход» кислорода по геологическим эпохам, она показывает
изменение скорости обогащения атмосферы биогенным кислородом и отражает
периодичность колебаний его производства и потребления; 3 — интегральная
линия — результат суммирования разностей «приход - расход» нарастающим
итогом, характеризует тренд изменения абсолютной массы атмосферного кисло¬
рода; обозначения эпох даны в прил. 2
4279 Ю'^т
(итоговая разность
кислорода,
генерированного
при фотосинтезе ^
и расходованного ^ х
в литогенезе) /
/
/
/
/
/ 2500-10'^ т
/ (масса кислорода,
/ необходимого
/ для образования 2 500
^ сульфат-иона
современной
гидросферы)
2000
/0(30-
3 500-
3 000-
3
579 т
(несбалансированный остаток) j 5qq
/1_
1200 • 10^"^ т (масса кислорода
современной атмосферы)
(Я
§
л
о
S
о
<D
3"
S
о
§
S
ю
1000-
о « о
W S о
S 2 Н
О) Д
н S
О ' ■
2: ^
^ W о
h-j W о
Й i
О й CD
0 о сг
1 « S
” ^ "1
Й S Ё
О • ^
дз
S
о
S
о
о
я
р
П)
2
X
W
о
в
О)
to
Е
CD
Рис. 12.7. Ландшафт палеогенового периода, 55 млн лет назад
(по рисунку С. В. Наугольных)
масса осадков имела кремнисто-глинистый состав. Появление
мощных карбонатных толщ не только кардинально изменило со¬
став осадочного чехла, но и повлияло на все дальнейшие процес¬
сы прогрессивного и регрессивного метаморфизма. В составе эн¬
догенных флюидов существенную роль начинает играть углекис¬
лый газ. По существу, огромные массы углекислого газа первич¬
ной атмосферы перекачиваются в литосферу, но не физико-хи¬
мическим путем, а через живое вещество биосферы.
Мягкие тела живых организмов создают не только залежи угля,
нефти и газа, но и то рассеянное органическое вещество, которое
содержится в любой осадочной и метаморфической породе. Их
общая масса существенно превышает массу скоплений горючих
полезных ископаемых. По данным А. Б. Ронова и других исследо¬
вателей, среднее содержание углерода органического происхож¬
дения (Сорг) в земной коре составляет 0,06 мае. %. Это около чет¬
верти всего углерода (СО2 + Сор^), сосредоточенного в земной коре.
Этот углерод во многом способствует созданию восстановитель¬
ных обстановок, характерных для эндогенных процессов.
В настоящее время все зеленые растения планеты генерируют
кислород в количестве порядка 1,2 • 10*’ т/год. При такой интен¬
сивности поступления О2 в результате фотосинтеза для удвоения
массы всего кислорода атмосферы потребовалось бы всего несколь¬
ко тысяч лет. Однако наряду с образованием свободного кислоро¬
да в атмосфере происходит постоянный его расход на различные
процессы окисления. Это и поверхностное окисление отмираю¬
щего органического вещества, и образование различных кор вы¬
ветривания, и окисление продуктов вулканических извержений.
В настоящее время к этому добавляется расход кислорода на сжи¬
гание ископаемого топлива, металлургические и другие техноло¬
гические процессы. Это вносит свои коррективы в установивши¬
еся ранее равновесия.
304
lM
Рис. 12.8. Схема разделения углекислого газа атмосферы на кислород и
углерод. Кислород возвращается в атмосферу, углерод отправляется в
литосферу
Таким образом, геохимия кислорода и углерода теснейшим
образом связаны между собой на протяжении всей геологической
истории земной коры. Обмен этими элементами между тремя гео¬
сферами в значительной части происходит через живое вещество.
Поглощая энергию солнечных лучей, оно разделяет углерод и
кислород углекислого газа, возвращая кислород в атмосферу и
направляя углерод в литосферу. Здесь происходит разделение его
путей на две ветви: карбонатную, формируемую скелетами орга¬
низмов, и каустобиолитную — образуемую мягкими телами орга¬
низмов (рис. 12.8).
Пожалуй, углекислокислородная функция живого вещества
может рассматриваться как центральное звено, определяющее
химический состав всех трех косных оболочек земной коры: ат¬
мосферу, гидросферу и литосферу.
Точных оценок изменения парциального давления углекисло¬
го газа наземной атмосферы пока нет. X. Холленд приводит ори¬
ентировочные данные, отражающие общую тенденцию этих про¬
цессов (рис. 12.9). В первый миллиард лет геологической истории
содержание этого компонента уменьшается более чем вдвое. Два
миллиарда лет тому назад в атмосфере остается около 3 % перво-
305
Рис. 12.9. Изменение парциально/
го давления углекислого газа
атмосферы в истории Земли
начально содержавшегося углекислого газа, а 1 млрд лет назад
содержание этого компонента становится практически равным
современному.
Таким образом, первые 2,5 млрд лет живое вещество интен¬
сивно работает на преобразование химического состава косных
оболочек Земли. Эти процессы углублялись по мере эволюции
биоты. В течение всего фанерозоя этот процесс идет уже только в
рамках общего геохимического круговорота вещества земной коры,
поддерживая состав атмосферы.
Основной по массе элемент современной атмосферы — азот —
также не составлял основу первичной газовой оболочки Земли.
Процессы денитрофикации в биогеохимическом цикле азота, раз¬
ложение и окисление его соединений поставляют свободный азот
в атмосферу, а организмы, осуществляющие биологическую азот-
фиксацию, развиты не столь широко, как фиксирующие углерод.
Фотохимические реакции в атмосфере, связывающие этот не столь
химически активный элемент, не мешают его накоплению в газо¬
вой фазе.
12.5. Эволюция процессов рудообразования
Биогеохимические циклы рассмотренных элементов оказыва¬
ют существенное влияние на историю остальных атомов биосфе¬
ры. Изменение химизма атмосферы и гидросферы приводит к
массовому отложению карбонатов, горючих сланцев, железистых
кварцитов, фосфоритов, рассматриваемых как полезные ископае¬
мые (рис. 12.10*).
Формирование рудных провинций с различными типами мес¬
торождений начинается с накопления повышенных содержаний
См.: Холодов В. В. Геохимия осадочного процесса. — М.: Геос, 2006.
306
307
60
250
600
1000
I 1700
a 1900
PQ
2700 -
Кайнозой
Палеозой
Рис. 12.11. Интенсивность формирования
осадочных (/) и эндогенных (2) уранонос¬
ных провинций в истории Земли
Рифей
Архей
)
/
1JL
Интенсивность
некоторых элементов в осадочных по-
родах в результате биогеохимической
концентрации вещества и образования
осадочных месторождений, а затем в
продолжающихся процессах метамор¬
физма, магматизма и в результате даль-
нейщей дифференциации появляются
эндогенные рудные скопления. А. И. Ту¬
гаринов, сопоставляя эпохи формиро¬
вания рудных провинций (рис. 12.11*),
показал, что периодам появления эн¬
догенных ураноносных провинций в
истории Земли предществовали перио¬
ды формирования осадочных его накоп¬
лений. Главную причину накопления урана в древнейщих оса¬
дочных породах автор видит в изменении состава атмосферы и
накоплении органического вещества, вызывавщих осаждение урана.
Дальнейщее образование рудных скоплений идет не одноактно,
а ступенчато, но при этом обычно наблюдается первичное регио¬
нальное повыщение содержаний в осадочных и метаморфических
формациях (черные сланцы), а затем образование более контраст¬
ных жильных скоплений.
К аналогичному выводу прищел Дж. Браун, анализируя массу
данных по изотопии свинца, полученных в лабораториях всего
мира, показав, что все его эндогенные месторождения тесно свя¬
заны с прохождением этого элемента через биогеохимический
цикл.
Постепенно вещество земной коры все более и более диффе¬
ренцируется. Идет не усреднение, а пространственное разделение
элементов, минералов, горных пород. Это направленное развитие
представляет другую сторону, другой аспект эволюционного уче¬
ния — аспект эволюции биосферы как целостной природной си¬
стемы.
Накопленный огромный эмпирический материал однозначно
свидетельствует о направленном эволюционном развитии земной
коры. Древние ландщафты не были похожи на современные, а
горные породы, откладывавщиеся в бассейнах прощлых эпох, прин¬
ципиально отличались от тех, что мы можем наблюдать сейчас.
* См.: Тугаринов А. и. Химия земной коры. — М.: Изд-во АН СССР, 1963. —
С. 153-177.
308
12.6. Основные принципы эволюции биосфе11|ы
Долгое время эволюция рассматривалась как биологическая
проблема развития биоты. Косная природа оставалась в стороне
от этого анализа. Биогеохимия изменила положения вещей.
Учитывая многочисленные эмпирические факты, В. И., Вернад¬
ский в отличие от преимущественно морфологического,, класси¬
фикационного подхода к идее эволюции переносит цен'тр тяже¬
сти на организованность всей системы биосферы. В био1:^еохими-
ческих явлениях на первое место выступает число.
Этот вопрос «... далеко не может быть безразличным для тео¬
рий эволюции, — писал В. И. Вернадский в работе «Эволюция ви¬
дов и живое вещество», — ибо он, мне кажется, логически неиз¬
бежно указывает на существование определенного напр;авления,
в котором должен идти эволюционный процесс. То же н:аправле-
ние, вытекающее из данных наблюдения, вполне совпадает в сво¬
ем научно точном обозначении с принципами механики, со всем
нашим знанием о земных физико-химических процессах, одним
из которых является биогенная миграция атомов. С существова¬
нием такого определенного направления эволюционного процес¬
са, который при дальнейшем развитии науки, несомненно, мож¬
но будет определить количественно, должна считаться ка:ждая тео¬
рия эволюции»*.
В этом аспекте эволюция видов является лишь однини из эле¬
ментов эволюции биосферы как системы. Борьба за существова¬
ние, на которой концентрирует внимание биология, этго только
один из факторов эволюции видов и, может быть, далеко не са¬
мый важный.
Любой вид существует только в симбиозе, в ландшафте, в гео¬
графических (по сути физико-химических) условиях. Ландшафт
каждой геологической эпохи имеет свою неповторимую специ¬
фику. И, в конечном счете, выигрывают те организмы и те биоце¬
нозы, которые лучше вписываются в общую тенденцию развития
биосферы. Но они же наряду с космическими и геологическими
процессами влияют на дальнейшее формирование биосферы и ее
ландшафтов.
Укрепившееся разделение природных процессов на экзоген¬
ные и эндогенные позволяет более детально и точно изучить осо¬
бенности каждого из них, но затрудняет понимание их глубокого
взаимодействия, общих тенденций эволюции биосферы. По об¬
разному выражению Н. Винера, наука едина, а разделение на на¬
уки необходимо только для правильного распределения сил и
средств.
* Вернадский В. И. Избранные сочинения. — М.: Изд-во АН СССР, I960. —
Т. 5. - С. 247.
309
в. и. Вернадский сформулировал два основных принципа раз¬
вития биосферы, характеризующих наиболее характерные черты
биогенной миграции химических элементов.
• Биогенная миграция химических элементов в биосфере стре¬
мится к максимальному своему проявлению.
• Эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, ус¬
тойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличиваю¬
щем проявление биогенной миграции атомов в биосфере.
К ним сегодня следует добавить еще, по крайней мере, два:
• эволюционируют не отдельные виды, а целые биоценозы и
биосфера в целом;
• биосфера развивается как диссипативная система, понижаю¬
щая свою энтропию за счет космической энергии.
И действительно, эволюционное развитие органического мира
сначала в океане, а затем на суше не только меняет направление
геохимической миграции элементов, но и последовательно уве¬
личивает интенсивность этих процессов. Так, интенсивность фор¬
мирования биомассы, поглощения углекислого газа и вьщеления
свободного кислорода последовательно увеличивается при выхо¬
де жизни на сушу, появлении лесов, смене папоротниковых хвой¬
ными, а затем лиственными лесами и т. д. Однако при этом растет
и скорость поглощения кислорода в корах выветривания при окис¬
лении разлагающегося органического вещества и т.п. Вступают в
действие новые обратные связи, ускоряется биогеохимический
обмен вещества.
12.7. Геологические и биологические ритмы
Развитие биосферы идет, хотя и непрерывно, но не монотонно,
как и все природные процессы. Периодическая повторяемость био¬
логических процессов хорошо известна каждому. Пробуждение ра¬
стительности весной, ее бурное цветение летом и увядание осенью
повторяется каждый год. Смена дня и ночи, смена лунных фаз. Все
эти ритмы связаны с космосом, имеют космические причины.
Однако есть ритмы, зависящие от внутренних особенностей
развития живых и косных систем. Все организмы рождаются, живут
и умирают, уступая место новым особям, повторяющим тот же
цикл. Ритмичность наблюдается в некоторых типах осадочных
пород. Наиболее характерными представителями таких образова¬
ний являются флишевые отложения* с ритмами разных порядков
(рис. 12.12), крустификационные жилы и даже отдельные мине-
* Флиш — серия морских осадочных горных пород преимущественно обло¬
мочного происхождения, характеризующаяся ритмичным чередованием слоев
нескольких литологических разновидностей.
310
Рис. 12.12. Обнажение черноморских флишевых толщ
Рис. 12.13. Долина гейзеров (Камчатка); на переднем плане гейзер в ста¬
дии фонтанирования, на заднем — в стадии паровыделения
311
ральные индивиды, в которых можно наблюдать чередование от¬
дельных зон роста (см. рис. 9.7).
Действие гейзеров (рис. 12.13), извержение вулканов происхо¬
дит не непрерывно, а через некоторые промежутки времени. По¬
добных примеров бесконечно много.
Причины ритмических процессов можно разделить:
• на внешние, инициированные событиями, находящимися вне
данной системы, например космические по отношению к зем¬
ным;
• внутренние, присущие закономерностям развития самой си¬
стемы, например биоритмы (сокращение сердечной мышцы и т.д.).
Наиболее наглядным примером периодичности природных
процессов, обусловленных внутренними причинами, могут слу¬
жить гейзеры, имеющие постоянную периодичность действий
нескольких фаз развития. Механизм действия такой системы ос¬
нован на взаимодействии поверхностных (холодных) и глубин¬
ных (перегретых) вод (рис. 12.14), его можно разделить на 4 ста¬
дии. Холодные поверхностные воды, поступая в трещину, по ко¬
торой движется перегретый пар, создают в канале водяную проб¬
ку — стадия покоя. Перегретая вода, накапливаясь под водяной
пробкой, поднимаясь все выше и выше, начинает ее медленно
вытеснять — стадия излияния. Когда мощность пробки сокраща¬
ется, перегретая вода резко вскипает и выбрасывает остатки хо¬
лодной воды вместе с пузырьками газа — стадия фонтанирования.
И, наконец, начинается свободный выход вскипевшего пара — ста¬
дия паровыделения, при которой исчерпывается весь запас нако-
Холодные воды
Перегретые воды и пар
Рис. 12.14. Основные стадии действия гейзеров:
а — стадия покоя; б — стадия излияния; в — стадия фонтанирования; г
стадия паровыделения
312
пившейся энергии перегретого пара. Периодичность функциони¬
рования каждого отдельного гейзера индивидуальна и зависит от
гидродинамических характеристик холодной и перегретой воды,
определяющих скорости их поступления в трещину. Такой дина¬
мический механизм периодического действия может функциони¬
ровать многие годы.
На этом примере хорошо видно, что объединение двух (или
более) процессов с независимыми источниками вещества и энер¬
гии, взаимодействующих по принципу обратной связи, может
приводить к периодически действующим циклическим явлени¬
ям.
В химии известны периодически действующие колебательные
(ритмические, автокаталитические) реакции, которые наиболее
широко распространены в биологических объектах. Типичным
примером может служить цикл Кребса — циклический фермента¬
тивный процесс полного окисления в организмах ди- и трикарбо-
новых кислот, конечный этап, завершающий распад углеводов,
жиров и белков с вьщелением СО2 и Н2О в организме животных,
в результате которого накапливается энергия, обеспечивающая
жизнедеятельность организмов.
В микромире строгая периодичность проявляется в явлениях
радиоактивного распада ядер элементов. Ритмичность этого про¬
цесса не зависит от внешних условий, что позволяет использовать
это явление для исчисления геологического возраста природных
объектов (см. гл. 4).
В мегамире наиболее изучено влияние солнечной активности
(рис. 12.15), проявляющейся с периодичностью ~11 лет, которое
сказывается на атмосферных и многих другие краткосрочных био¬
сферных явлениях. Более длительные периоды имеют различные
варианты взаиморасположения планет Солнечной системы (па¬
рад планет и др.). Наибольшую длительность имеет галактичес¬
кий год — промежуток времени, за который Солнечная систе¬
ма совершает оборот вокруг центра Галактики — примерно за
200 ±30 млн лет. Это значит, что галактический возраст нашей
планеты всего около 25 галактических лет, а возраст фанерозоя
приближается к 2,7 галактическим годам. Возраст кайнозоя со¬
ставляет всего 0,1 галактического года.
Основной причиной периодичности активности Солнца явля¬
ются ядерные реакции внутри Солнца. Однако на нее влияют и
другие космические факторы, что и приводит к отклонениям в
строгой периодичности солнечной активности.
В реальных условиях обычно наблюдается взаимодействие не¬
скольких внутренних и внешних факторов, периоды которых не
совпадают. Их совместное действие приводит к наложению по¬
тенциально гармонических колебаний и отклонениям четкой пе¬
риодичности однотипных природных процессов. Именно так вы-
313
Рис. 12.15. Изменение среднегодовой (/) и максимальной (2) солнечной
активности (а); температурные аномалии Земли за последние 150 лет
(ф; обработка данных по солнечной активности (в) с прогнозом до 2100 г.
(/ — максимальная солнечная активность; 2 — тренд ее изменения; S —
долголетняя составляющая)
глядит периодическое изменение средней температуры поверхно¬
сти Земли (см. рис. 11.12).
Развитие биоты также происходило немонотонно. Палеонто¬
логи подсчитали, что на Земле наблюдались периоды, когда про¬
исходила массовая гибель живых организмов. На рубеже ордови¬
ка-силура произошло первое в фанерозое великое вымирание.
Исчезло 35 % семейств морских животных, около 60 % родов. Но
это вымирание происходило не одноактно. Его скорость в этт
период приближалась к 20 семействам за миллион лет. Второе
великое вымирание — переход к мезозойской эре жизни. Вымер¬
ли гониатиды (отряд головоногих моллюсков), последние трило¬
биты, табуляты и четырехлучевые кораллы, бластоидеи, древние
ежи, большинство брахиопод и т.д. Исчезло около половины се¬
314
мейств и более 80 % родов. В растительном царстве голосеменные
приобрели господство.
Следующее великое вымирание, резкие изменения в наземной
флоре произошли в меловой период мезозойской эры. Исчезло
50 % семейств и более 80 % родов. Появились первые покрыто¬
семенные растения, стали расти уже современные дуб, бук, бе¬
реза и т. д. Наземная фауна меняется меньше: господствуют дино¬
завры, появляются змеи, настоящие птицы, правда, еще зубастые.
Из млекопитающих известны не только сумчатые, но и настоя¬
щие плацентарные, в том числе первые насекомоядные.
В конце мелового периода — четвертое великое вымирание —
исчезло 16 % семейств и около 50 % родов.
Последняя — кайнозойская эра наступила 65 млн лет назад.
Принципиальных изменений в наземной флоре уже не было, фа¬
уна изменилась существенно. Вымирали динозавры. Ведущая роль
перешла к млекопитающим. В морях вымерли аммониты и бе¬
лемниты. Более разнообразной стала фауна морских позвоноч¬
ных: появились киты и сирены, заменившие вымерших ихтиозав¬
ров и плезиозавров. В фауне рыб, как и в меловом периоде, гос¬
подствовали костистые рыбы.
В неогене, когда площади континентов почти полностью осво¬
бодились от воды, наземная флора приобрела вид, близкий к со¬
временному.
Около 10—12 тыс. лет назад вымерли арктические слоны —
мамонты, арктические бизоны, лошади, арктические сайгаки и
яки, азиатские овцебыки, шерстистые носороги, львы, бурунду¬
ки, бобры и многие другие представители животного и раститель¬
ного мира. За последние 250 млн лет периоды вымирания обнару¬
живают некоторую периодическую зависимость (рис. 12.16). Наи¬
большее количество максимумов кривой вымирания отвечает пе¬
риодичности 26 млн лет. Причины этих процессов многообразны.
Так, смена голосеменных растений покрытосеменными, привела
к вымиранию более 80 % видов насекомых. Очевидно, что такие
вымирания земных живых организмов — процессы сложные, ко-
Рис. 12.16. Сокращение видового состава организмов Земли
315
торые зависят от множества причин: резких изменений климата,
оледенений, флуктуаций уровня океанов, снижения концентра¬
ции кислорода в водах морей и океанов и, наконец, различных
внеземных обстоятельств.
Все эти факты, как и многие другие, показывают, что биологи¬
ческие, геологические и космические ритмы влияют на процессы
эволюции биосферы.
В целом эволюция биосферы шла по пути усложнения струк¬
туры биологических сообществ и среды их обитания, умножения
числа видов и ускорения биогеохимической миграции элементов.
Эволюционный процесс сопровождался увеличением эффектив¬
ности преобразования энергии и вещества биологическими сис¬
темами: организмами, популяциями, сообществами.
12.8. Развитие информационного обмена в биосфере
Эволюция биосферы может рассматриваться с информацион¬
ной точки зрения хотя бы потому, что у всех природных тел име¬
ется память.
Понятие информации введено Клодом Шенноном достаточно
формально, для решения вопросов технической передачи данных.
Любая деятельность человека представляет собой процесс сбора и
переработки информации, принятия на ее основе решений и их
выполнения. В широком смысле информация — это совокупность
фактических данных и зависимости между ними. В этом понима¬
нии информационный обмен характерен не только для социума,
но и для всей живой и косной природы.
Связь между энтропией (хУ) как мерой рассеяния энергии и
термодинамической вероятностью макроскопического состояния
системы (Z>) дает знаменитое уравнение Больцмана:
S=klnD.
(12.1)
показывающее, что вероятность вариантов макроскопического
состояния системы тем больше, чем выше ее энтропия.
Соотношение между энтропией по Л. Больцману и информа¬
цией по К. Шеннону (/) определяется формулой:
хУ+ / = const,
(12.2)
которая показывает, что введение понятия «информация» содер¬
жательно ничего не меняет, т.е. оно не вносит никаких дополни¬
тельных данных в описание процесса, переводя его с языка тер¬
модинамики на язык теории информации.
Все наблюдения над природными кристаллами показывают, чю
минералы растут не из атомов, а из частиц молекулярного или
надмолекулярного размера (из кластеров). Их размещение проис-
316
Рис. 12.17. Виды винтовых отложений частиц при росте кристаллов:
а — отложение частиц при росте кристалла идет по двум встречным винтовым
направлениям, образуя уступы — ступени квадратной формы; б — отложение
частиц при росте кристалла идет только в одном винтовом направлении; в —
частицы откладываются при росте кристалла только в одном винтовом направ¬
лении, образуя уступы в виде поднимающейся вверх округлой спирали
ходит не хаотично, а в строгом соответствии с заложенной в струк¬
туре кристалла информационной памятью (рис. 12.17). Примене¬
ние этих подходов в минералогии позволяет создать мост между
традиционной кристаллохимией и наукой о росте кристаллов.
Растущий кристалл не только сохраняет память о расположе¬
нии атомов в своей кристаллической решетке, но и передает ее в
окружающее пространство, формируя его ближний порядок, в ре¬
зультате чего вновь пришедшие атомы ориентируются согласно
данной информации, образуют молекулярные группировки и даже
целые кластеры, подчиняющиеся закономерности, заданной кри¬
сталлом. Для разных форм кристаллов одного и того же вещества
эти кластеры роста различны по структурам и размерам. Они яв¬
ляются индикаторами условий минералообразования.
Любые геологические образования начинаются не с нуля, а с
того состояния геологического пространства, которое данная тер¬
ритория достигла в своем предьщущем развитии. Поскольку со¬
бытия здесь разворачиваются во времени, образуются своеобраз¬
ные эволюционные ряды. Очень четко наличие эволюционных
рядов в последовательности гранитоидного магматизма было по¬
казано Д.В.Рундквистом (рис. 12.18*). Здесь каждая следующая
(1)ормация гранитоидного ряда представляет собой продукт пе¬
рерождения предьщущей формации. При каждой тектонической
* Рундквист Д.В. // Проблемы развития советской геологии. — Л.: Недра,
1971. - С. 267-273.
317
активизации процесс начинается не с нуля, а с того состояния, на
котором он остановился на предыдущей стадии.
В отличие от эволюции живого вещества, где идет постоянное
последовательное обновление организмов, эволюция косной ма¬
терии идет не непрерывно, а ступенчато, с периодами активиза¬
ции и временными, часто достаточно длительными, остановками.
В живом веществе идет постоянная передача генетической ин¬
формации между организмами разных поколений, и происходит
обмен соматической информацией между разными организма¬
ми. Генетическая информация закрепляется в хромосомах — орга-
неллах наследственности — и передается от организма к организ¬
му. Соматическая (греч. soma — тело) информация приобретается
жизненным опытом и не передается через гены.
Биосфера как совокупность живого и косного вещества хранит
все эти виды информации. Можно сказать, что биосфера, как и
отдельные организмы, «помнит» свое прошлое, поскольку у нее
есть механизмы памяти.
Во-первых, это генетическая память организмов биосферы, ее
составляющих, а во-вторых, «память среды», т.е. необратимые
изменения на планете, происходящие в процессе эволюции био¬
сферы как целого на протяжении всей истории ее развития.
Информационная взаимосвязь живого и косного вещества пла¬
неты проявляется еще и в способности живого воспринимать сиг¬
налы внешнего мира и реагировать на них. Для живых организ¬
мов была выделена даже категория «предвестников явлений», т.е.
таких событий или явлений, которые говорят о наступлении дру¬
гих событий или явлений. Здесь мы подходим к фундаментально¬
му понятию информации, чрезвычайно важному при рассмотре-
Рис. 12.18. Модель строения гранитоидных массивов на различных ста¬
диях (I —III) эволюции земной коры:
1 — габброиды; 2 — диориты; 3 — тоналиты; 4 — гранодиориты; 5 — граниты; 6
лейкограниты; 7— граносиениты; 8 — гранитогнесы основания; 9 — эффузимы
различного состава; 10 — подводящие каналы
318
НИИ биосферы как целого и общих законов ее планетного функ¬
ционирования и развития. Вся биосфера пронизана информатив¬
ными связями, они образуют главную предпосылку ее проявле¬
ний. Энергетический баланс, круговорот вещества — это все част¬
ные формы информационных связей, особенно плотных в био¬
сфере. Поэтому биосфера — высокоразвитая информационная
кибернетическая система и может быть понята только как целое в
функциональных аспектах своей жизнедеятельности и в эволю¬
ционных аспектах своей динамики.
Принципиально новая ситуация сложилась с появлением на
планете человека. Развитие человеческой цивилизации началось
с появления вида Homo sapiens, представители которого облада¬
ли развитой нервной системой. Но главное, отличавщее людей от
всех иных биологических видов заключалось в том, что они обла¬
дали новыми способами передачи важной для выживания инфор¬
мации. Это стало возможным после возникновения абстрактного
мыщления и языковых средств коммуникации. Иначе говоря, глав¬
ным «эволюционным изобретением» человека было то, что он
научился передавать огромное количество информации не только
генетическим путем " от поколения к поколению, но и посред¬
ством речи. В итоге каждый человек получил возможность ис¬
пользовать в своей жйзни индивидуальный опыт множества дру¬
гих людей, причем зачастую не только современников, но и лю¬
дей прошлого.
Хорощо известно, что такие эволюционные достижения нерв¬
ной системы, как возможность использования чужого индивиду¬
ального опыта через наблюдение, подражание и обучение, пере¬
дача сведений о ситуации, например об опасности, а также раз¬
личные способы коммуникации существовали и существуют не
только у человека. Многие виды высщих, особенно социальных,
животных в той или иной степени владеют этими средствами,
используют для общения механизмы звуковой и обонятельной
коммуникации, и это способствует их успещному выживанию.
Однако только в случае человека, как показывает вся история раз¬
вития человечества, упомянутый обобщенный опыт, важнейщие
навыки в целом накапливаются в человеческой популяции в тече¬
ние этой истории. У животных не происходит такого накопления
опыта, а то немногое, что известно стае и передается от поколе¬
ния к поколению, касается главным образом конкретных условий
обитания. Весьма часто при этом основным носителем «мудро¬
сти» выступает вожак стаи или же стайная элита. Например, у
ряда перелетных птиП, далеко не каждая особь может стать вожа¬
ком, а потенциальных вожаков специально воспитывают другие,
более опытные птицьь
И эволюция человека, и эволюция всей жизни на Земле так
или иначе связаны с запоминанием, накоплением информации.
319
Понимая обучение в широком, эволюционном смысле, можно
сказать, что оно возможно не только при наличии нервной систе¬
мы в процессе индивидуального развития, но и на основе исполь¬
зования иных механизмов памяти, например генетической памя¬
ти. Действительно, в результате естественного отбора происходит
как бы обучение на популяционном уровне, поскольку при этом
выявляется и сохраняется в поколениях существенная для выжи¬
вания генетическая информация. Поэтому ход эволюции жизни
на Земле можно описать как постепенное «самообучение» живого
способам эксплуатации среды.
Поскольку скорости и объемы обмена информацией с помо¬
щью языковых средств несравненно выше, чем в случае генети¬
ческого запоминания, то и эволюционные изменения биосферы
планеты с появлением человека происходят много быстрее. По¬
этому с тех пор, как информационный обмен между организмами
стал осуществляться языковыми средствами и на вербальном уров¬
не, наступил новый — информационно-технический этап сверх¬
быстрой эволюции биосферы.
Таким образом, само появление Homo sapiens является зако¬
номерным результатом развития биосферы и полностью отвечает
двум основным принципам В. И. Вернадского, определяющим на¬
правление ее эволюции.
12.9. Косное и живое в эволюции биосферы
Традиционно эволюция биосферы рассматривалась геологами
и биологами весьма различно. Геологи придавали главенствующее
значение процессам эндогенной дифференциации вещества коры
и верхней мантии. Процессы дегазации, зонного плавления и маг¬
матической дифференциации, казалось, могли объяснить все из¬
менения, наблюдаемые на поверхности нашей планеты. Биологи,
со своей стороны, ограничивались детализацией эволюции «древа
жизни» со всеми его ответвлениями и тупиковыми направления¬
ми. Оба эти подхода развивались независимо, не оказывая суще¬
ственного влияния друг на друга.
Е. Снядецкий, польский врач и натуралист, еще в начале XIX и.
высказал идею об обратно пропорциональной зависимости между
массой организма и интенсивностью его обмена с окружающей
средой. Чем меньше организмы, тем интенсивнее идет их размнО"
жение и увеличение общей массы. На микроорганизмы легла вся
тяжесть преобразования первичной атмосферы. По существую¬
щим ориентировочным оценкам к концу протерозоя вся первич¬
ная атмосфера была уже полностью переработана. Дальнейшее
развитие биоты не только поддерживало установившиеся равно^
весия, но и последовательно ускоряло биогеохимическую мигра¬
320
i
цию элементов и все активнее влияло на круговорот вещества в
более глубоких частях литосферы, расширяя области былых био¬
сфер.
И действительно, эволюционное развитие органического мира,
начавшееся в океане, а затем захватившее и сушу, не только ме¬
няло направления геохимической миграции элементов, но и по¬
следовательно увеличивало интенсивность миграционных процес¬
сов. Так, интенсивность формирования биомассы, поглощения
углекислого газа и выделения свободного кислорода последова¬
тельно увеличивалось при выходе жизни на сушу, появлении ле¬
сов, смене папоротниковых хвойными, а затем и лиственными
лесами и т.д. Чем выше интенсивность перехода элементов из
одних геологических тел в другие, тем быстрее происходит биогео-
химический круговорот вещества.
В результате в ходе эволюции биосферы ее живые организмы
оказываются не только связующим звеном обмена веществом и
энергией между внешними оболочками нашей планеты (атмосфе¬
рой, гидросферой и литосферой), но и мощнейшим катализато¬
ром геохимического круговорота вещества, взаимодействия и орга¬
низованности геосфер.
Тенденция дифференциации вещества и ускорения его круго¬
ворота не является прерогативой живого вещества. Она характер¬
на для любых естественных тел природы. Если среди гранитоидов
в докембрии преобладают плагиограниты, то в палеозое посте¬
пенно растет доля лейкократовых гранитов. В мезозое новообра¬
зованные плагиграниты становятся редкостью, уступая место аляс-
китовым гранитам. Выше мы уже говорили о тенденции углубле¬
ния дифференциации магматических пород, вызванной тем, что
при каждой тектонической активизации процесс начитается не с
нуля, а с того состояния, на котором он остановился на предьщу-
щей стадии.
Эта тенденция проявляется и в процессах рудообразования.
В докембрийских золотоурановых месторождениях промышлен¬
ные концентрации золота и урана могут находиться в одном шту¬
фе. Наиболее яркий пример — месторождение Витватерсранд (Юж¬
ная Африка). В палеозойских месторождениях мы уже не встреча¬
ем такого содружества этих элементов, хотя и золотые, и урано¬
вые месторождения могут находиться на одних и тех же террито¬
риях. В мезозойских образованиях они расходятся еще дальше.
Если рудные массы отдельных элементов, сосредоточенные в
месторождениях разных геологических эпох, нормировать по дли¬
тельности этих геологических периодов, то мы увидим последо¬
вательное возрастание интенсивности рудообразующих процес¬
сов.
Пока здесь можно говорить только о некоторой тенденции;
нужны надежные количественные расчеты, которые могли бы
321
подтвердить или опровергнуть эти предположения, базирующие¬
ся на ограниченном количественном материале. Но сам феномен
ускорения биогеохимических циклов и роста интенсивности диф¬
ференциации элементов как фундаментальная тенденция ощуща¬
ется достаточно отчетливо. В нем проявляется совместное влия¬
ние живого и косного вещества на общий тренд эволюции био¬
сферы и всей земной коры. И вряд ли можно говорить о главен¬
ствующей роли того или другого в отдельности.
* * *
Биосфера занимает особое место в развитии земной коры, осу¬
ществляя динамический обмен веществом и энергией между ат¬
мосферой, гидросферой и литосферой. Она эволюционирует как
единая сложная органоминеральная система. В ее истории выжи¬
вают те структуры (минеральные комплексы, виды, сообщества,
биогеоценозы), которые лучше соответствуют основной тенден¬
ции ее развития — интенсификации и ускорению биогеохими¬
ческих циклов.
Контрольные вопросы
1. Когда появилась идея эволюции биосферы? В чем ее суть?
2. Расскажите, что известно о происхождении жизни на Земле.
3. Как менялись представления об эволюции биосферы?
4. В чем суть биогеохимического подхода к проблемам эволюции?
5. Как менялся лик Земли в ходе ее геологического развития?
6. Какова роль биоты в эволюции геосфер?
7. Как происходило формирование современной атмосферы?
8. Как влияла эволюция биосферы на процессы рудообразования?
9. Назовите основные принципы эволюции биосферы.
10. Какие биологические и геологические ритмы вы знаете?
11. Как происходит информационный обмен в биосфере?
Глава 13
ПЕРЕХОД БИОСФЕРЫ В НООСФЕРУ
• Появление человека — новый этап эволюции биосферы • Человек —
геологическая сила • Масштабы воздействия человека на биосферу • Ло¬
кальное и глобальное изменение природной организованности био¬
сферы «Время вхождения в ноосферу • Этапы перехода биосферы в
ноосферу • Эрозия земель • Изменение минерального и химического
состава поверхности Земли, водного, газового, теплового и радиоак¬
тивного баланса в биосфере • Человечество становится единым це¬
лым • Информация в развитии ноосферы
13.1. Появление человека — новый этап
эволюции биосферы
Вся история развития биосферы, последовательное ускорение
биогеохимического круговорота элементов и усложнение органи¬
зованности биосферы привели к появлению на поверхности на¬
шей планеты новой геологической силы — социально организую¬
щегося человечества. Биосфера перешла к новому этапу своего раз¬
вития — ноосфере.
Биосфера в ходе развития неоднократно переживала кризис¬
ные моменты. Живые организмы не раз меняли направление и
характер биогеохимической миграции элементов. Каждый раз это
были кардинальные качественные изменения.
На ранних этапах своего развития, когда появились организмы
с хлорофилловой функцией, начала формироваться кислородная
атмосфера. Организмы с кальциевой функцией перевели значи¬
тельные массы углерода в литосферу, изменив характер метамор¬
фических процессов. Выход жизни на сушу существенно ускорил
миграционные циклы, захватив всю поверхность планеты.
Появление Homo sapiens продолжило основные тенденции эво¬
люционных биогеохимических процессов. На планете появилась
очередная новая геологическая сила.
«В биосфере существует великая геологическая, быть может,
космическая, сила..., — писал В.И.Вернадский в 1925 г. — Эта
сила, по-видимому, не есть проявление энергии или новая осо¬
бенная ее форма. Она не может быть, во всяком случае, просто и
ясно выражена в форме известных нам видов энергии.... Эта сила
есть разум человека, устремленная и организованная воля его, как
существа общественного. Проявление этой силы в окружающей
323
среде явилось после мириада веков выражением единства сово¬
купности организмов — монолита жизни — «живого вещества», —
одной лишь частью которого является человечество»*.
Для всех живых существ характерно стремление к экспансии,
увеличению массы живого вещества путем роста и размножения,
расширению ареала заселения. Как отмечалось в гл. 6, одна диа¬
томовая водоросль при благоприятных условиях за 8 сут может
дать материю объемом, равным объему нашей планеты, а в тече¬
ние следующего часа удвоить этот объем. Эти тенденции ограни¬
чиваются только наличием соответствующих климатических ус¬
ловий и продуктов жизнеобеспечения.
Аналогичные стремления заложены и в генах Homo sapiens.
Однако способы реализации этих стремлений у человека принци¬
пиально отличаются от всего остального живого мира. В отличие
от животного мира Человек начинает создавать и использовать
орудия, направленные на достижение своих целей. Это уже не
клыки и когти, а топоры и стрелы. Создание орудий, расширяю¬
щих чисто биологические возможности индивида, положило на¬
чало совершенствованию разума. Человек стал мыслящим суще¬
ством.
Уже на ранних стадиях развития первобытной цивилизации
человек в поисках продуктов своего жизнеобеспечения стал при¬
менять новые методы, не характерные для всего остального цар¬
ства живых организмов. Охота свойственна всем хищным суще¬
ствам. Но охота с использованием приспособленных для этого
орудий, копий, стрел — привилегия только человека. Многие жи¬
вотные запасают корм, но возделывание земли и выращивание
нужных растений — прерогатива человека.
В этих своих действиях человек постоянно совершенствовал и
изобретал новые орудия труда. Для этого требовалось постоянное
усиление мысленной работы, в процессе которой шло совершен¬
ствование разума не только индивидуального, но и коллективно¬
го. Необходимо было не только накапливать, но и передавать на¬
копленные знания. Совершенствовался разум, совершенствова¬
лись методы передачи накопленной информации между людьми
и поколениями.
Человеческий разум не только создавал новые орудия произ¬
водства, но и менял методы увеличения массы продуктов жизне¬
обеспечения. Огненно-подсечное земледелие, уничтожая леса,
превращало их в пахотные земли. Стада скота, вытаптывая травя¬
ной покров, способствовали превращению степей в пустыни. До¬
быча полезных для человека ископаемых стала выводить на по¬
верхность элементы, скрытые в недрах, и изменять направление и
* Вернадский В. И. Автотрофность человечества // Труды биогеохимической
лаборатории. Вып. 16. — М.; Наука, 1980. — С. 228.
324
скорость их геохимических циклов. Началось новое, ранее отсут¬
ствовавшее преобразование «лика Земли».
13.2. Человек — геологическая сила
На протяжении многих веков результаты деятельности чело¬
века были столь незначительны по сравнению с естественными
геологическими процессами, что никак не могли влиять на есте¬
ственные биогеохимические циклы элементов. Используемые ре¬
сурсы жизнеобеспечения не выходили за пределы естественных
продуктов биосферы, а выделяемые продукты жизнедеятельно¬
сти быстро перерабатывались в биогеохимических круговоротах
веществ.
Но, начиная с палеолита, человек не столько развивался физио¬
логически, сколько медленно, но верно развивал внешнее тело
цивилизации (от каменного топора до суперкомпьютера). Этот
процесс имел экепоненциальный характер, незаметный вначале
он достигает своего апогея именно в наше время.
До новой эры при тяжелых горных работах человек использо¬
вал только мускульную силу и воду (рис. 13.1). Проект примитив¬
ного экскаватора Леонардо да Винчи создал только в XV в. (рис.
13.2).
Прошли еще века, прежде чем появился первый паровой дви¬
гатель Дж.Уатта (1774—1784), быстро нашедший свое примене¬
ние в фабричном производстве, а затем и в других областях. Па¬
ровоз Стефенсона появился только в начале XIX в. (рис. 13.3). До
Рис. 13.1. Использование мышечной силы при добыче полезных иско¬
паемых (гравюра IV век до н.э.). Водяное колесо — простейший гидрав¬
лический двигатель
325
Рис. 13.2. Проект экскаватора Леонардо да Винчи, XV в.
конца XIX в. паровая машина оставалась основным универсаль¬
ным двигателем.
Первый двигатель внутреннего сгорания Э. Ленуара появился в
1859 г., первый автомобиль с таким двигателем — в 1885 г., а его
активное техническое использование началось уже на границе XIX
и XX в. (рис. 13.4).
Технический прогресс вплоть до XX в. развивался настолько
медленно, что его результаты не слишком влияли на окружаю-
Рис. 13.3. Паровоз Стефенсона, 1825 г.
326
Рис. 13.4. Автомобиль с двигателем внутреннего сгорания
щую природу. Еще в середине XIX в. Ч. Лайель писал, что если бы
все живущие на земле народы попытались выломать лаву, вытек¬
шую в течение одного извержения из исландских вулканов в 1783 г.,
и попробовали перенести ее в глубочайшие пучины океана, то
они проработали бы несколько тысячелетий и не выполнили бы
этой задачи.
Хотя М. Фарадей открыл явление вращения проводника с то¬
ком вокруг полюса постоянного магнита в 1821 г., а Б. С.Якоби
построил электродвигатель с непосредственным вращением яко¬
ря в 1834 г., промышленное применение электродвигателя нача¬
лось только в XX в. После того как в 1888 г. Н. Тесла разработал
первый электрический двигатель современного образца, чем от¬
крыл новую эру в технике, а затем Шраге и Рихтер в 1910 г. изоб¬
рели первый коллекторный электродвигатель трехфазного тока,
электроэнергия стала быстро внедряться в промышленность.
Таким образом, активное использование различных видов энер¬
гии (кроме энергии текущей воды) насчитывает всего около двух
веков. Начало XIX в. — паровые двигатели, конец XIX в. — двига¬
тели внутреннего сгорания, XX в. — электродвигатели.
Двадцатый век ознаменовался быстрым развитием металлур¬
гии, химической, а затем и ядерной промышленности. К этому
следует добавить активную разработку новых видов оружия, в том
числе химического, применявшегося в Первой мировой войне,
ядерного, нашедшего применение во Второй мировой войне, и био¬
логического, к счастью, не нашедшего применения. Военная ин¬
дустрия влияла на окружающую природу не только в периоды
своего применения, но и при разработке, испытаниях и накопле¬
нии оружейных запасов.
Каждое из этих технических новшеств все более интенсивно
меняло облик планеты, ее биосферу сознательно и главным обра¬
зом бессознательно. Меняло физически и химически воздушную
оболочку суши, ее природные воды, ее рельеф и почвенный по¬
327
кров. Ландшафт современного горнодобывающего предприятия
(рис. 13.5) мало чем напоминает пейзаж разработок древности (см.
рис. 13.1).
Таким образом, в последние века человеческое общество все
активнее влияет на среду, окружающую живое вещество. Это об¬
щество становится в биосфере основным агентом, могущество
которого растет с ходом времени с все увеличивающейся быстро¬
той. Человечество по-новому и с возрастающей силой изменяет
структуру самих основ биосферы, становится все более независи¬
мым от других форм жизни и эволюционирует к новому жизнен¬
ному проявлению.
Человек почувствовал себя хозяином природы, забыв мудрые
слова Фрэнсиса Бэкона: «Над природой не властвуют, если ей не
подчиняются». Покорение природы — стало парадигмой XX в.
Новые технологии, новые материалы, новые средства связи
(и физической, и информационной) быстро становятся повсед¬
невными, привычными, обьщенными. Но за все нужно платить, и
мы платим тем, что все острее начинаем ощущать и прямые, и
косвенные последствия этого самого технического прогресса: заг¬
рязнение окружающей среды, рост преступности, агрессивности,
насилия, наркомании и т. п.
Человек долго не замечал результатов своего воздействия на
окружающую его природу. Лишь к концу XX в. стало окончатель¬
но ясно: человек стал реальной геологической силой, меняющей
весь облик планеты. Его воздействие на природу стало соизмери¬
мо с естественными геологическими силами. Так, среднегодовое
извержение лав составляет порадка 65 км^, снос твердого веще¬
ства с континентов в океан — в среднем 25 кмУгод, а человече-
Рис. 13.5. Техника современного карьера (двигатели внутреннего сгора¬
ния и электродвигатели)
328
ство в процессе своей жизнедеятельности механически переме¬
щает -100 кмVгoд. Это и добыча полезных ископаемых, и строи¬
тельные, и дорожные работы. И если в масштабах планеты это
воздействие еще буферируется естественными сршами биосферы,
то на локальных участках природа уже не может нивелировать
техногенные воздействия человека. Требуются специальные ме¬
тоды рекультивации земель.
Для сравнения предлагаем проанализировать следующие дан¬
ные по локальным естественным и техногенным перемещениям
вещества:
• на Курильских островах протяженностью 1 200 км находятся
32 вулкана; с 1930 по 1963 г. извергнуто 2,6 км^ вулканического
материала; в среднем это составляет 0,08 км^ в год или 6,7 • 10“^ км^
в год на 1 км протяженности островов;
• на территории Кривого Рога протяженностью 75 км действуют
7 карьеров и 8 подземных рудников; с 1953 по 1991 г. извлечено не
менее 2,2 км^ горных пород; в среднем этот составляет 0,06 км^ в
год или 8,0 • км^ в год на 1 км протяженности территории.
Но не только массы перемещаемого вещества создают участки
экологической напряженности. Человек создает участки с повы¬
шенной концентрацией отдельных элементов и их соединений,
что отсутствует в естественных условиях. Редчайший природный
минерал — самородное железо человек производит в огромных
количествах, металлический алюминий в заметных количествах
вообще не встречается в природе. Радиоактивные элементы, рас¬
сеянные в горных породах, человек концентрирует в невиданных
масштабах. Более того, он синтезирует новые радиоактивные тех¬
ногенные изотопы, не существующие в естественной обстановке.
Новые синтетические материалы не разлагаются существующими
в природе бактериями и постепенно накапливаются в самых не¬
подходящих местах. Химические производства создают в боль¬
шом количестве новые соединения, меняющие облик поверхно¬
сти планеты и проникающие в подземные воды, делая их непри¬
годными для питья.
Только к концу XX в. под влиянием нарастающих экологиче¬
ских кризисов началось некоторое отрезвление общественного
мышления, и стали проводиться поиски выхода из экстремаль¬
ных ситуаций. Стали усиленно разрабатываться различные эко¬
логические проекты как локальные, так и глобальные. При всем
их многообразии все они характеризуются одной общей чертой —
общим алгоритмом, алгоритмом, построенном на утопии, унасле¬
дованной из прошлого века, и основанном на широко укрепив¬
шейся иллюзии всемогущества технического прогресса.
Инстинктивно ощущая, что именно технический прогресс и
породил те экологические проблемы, с которыми встретилась
цивилизация, человечество выдвигает лозунг: «Запретить!» Запре¬
329
тить сбрасывать отходы! Запретить заражать почвы, воды, атмо¬
сферу. Кажется, все это правильно. Но как запретить прогресс?
Общий подход к решению проблем взаимодействия природы и
человека, его методология были заложены В. И. Вернадским еще в
первой половине прошлого столетия в учении о биосфере и ее
переходе в ноосферу.
13.3. Ноосфера — стадия развития биосферы
Уже в начале XX в. влияние человека, развиваемой им техники
на состояние окружающей среды стало ощущаться все более от¬
четливо. Идея необходимости осмысления быстрого роста внеш¬
него тела цивилизации, влияния технического прогресса на со¬
стояние природы и ход естественных процессов уже носилась в
воздухе. Появились близкие по содержанию термины А. П. Пав¬
лова, Д.Н.Анучина, И.М.Гревса, П.Т.Шардена, Э.Ле Руа и дру¬
гих исследователей, обозначающие достаточно близкие понятия,
но все они имели ясно выраженный антропоцентрический ак¬
цент. В них в центре всего стоит человек как главное звено всей
системы, все остальное — среда, на которую он воздействует.
Понятие ноосфера В. И. Вернадского существенно отличается
от понятий «антропосфера», «техносфера», «социосфера», «пнев¬
мосфера», существовавших ранее, в том числе и от понятия «ноо¬
сфера» П.Т.Шардена и Э.Ле Руа, по крайней мере, в двух отно¬
шениях. Во-первых, по своей сути оно не антропоцентрическое,
а геоцентрическое или даже природоцентрическое (понимая при¬
роду в самом широком смысле этого слова). Это отличие наибо¬
лее принципиально, поскольку определяет архитектуру всей
дальнейшей конструкции. Человек здесь, в отличие от антропо¬
центрического подхода, не только часть природы, но и ее порож¬
дение, неразрывно с ней связанное. Человек не управляет разви¬
тием ноосферы, а только участвует в ее эволюции. «Человече¬
ство, — писал В. И. Вернадский, — взятое в целом, не безразлично
в стихийных, естественных процессах, идущих на земной поверх¬
ности. Оно здесь теснейшим образом связано с другими организ¬
мами и совершает с ними вместе огромную определенного рода
геологическую работу»*. Суть этой работы в изменении направле¬
ния и скорости естественного круговорота элементов. «Мы имеем
здесь типичную картину стихийного геологического, естествен¬
ного процесса... Чрезвычайно характерно, что геохимическая роль
культурного человечества совершенно соответствует геохимиче¬
ской роли живого вещества»*. Это отличие в понятиях «ноосфе¬
* Вернадский В. И. Наука как геологическая сила // О науке. — Дубна: Фе¬
никс, 1997. — Т. 1. — С. 131.
330
ра» не формально, оно ориентирует на разный способ мышления
и, что самое главное, разные практические действия.
Во-вторых, не сила человека, не его власть и воля определяют
развитие ноосферы, а разум (noos). Ноосфера это не сфера техни¬
ки, не сфера человека, и даже не сфера социума, а сфера разума
(в широком понимании этого слова, «мысляшая оболочка» пла¬
неты).
Для В. И. Вернадского, при всей строгости его мышления, не
характерны формальные определения. Он скорее старался разъяс¬
нить сущность употребляемых им понятий, чем сформулировать
однозначные дефиниции. В результате в различных контекстах
один и тот же термин может приобретать различные нюансы, от¬
тенять тот или иной аспект его значения.
Сам термин ноосфера заимствован им у французского нату¬
ралиста и философа Эдгара Ле Руа, друга палеонтолога и теолога
Пьера Тейяра де Шардена, тесно обшавшегося с В. И. Вернадским
во время его пребывания в Париже. Сам ученый так писал об
этом. «В 1922—1923 гг. на лекциях в Сорбонне в Париже я при¬
нял как основу биосферы биогеохимические явления. Часть этих
лекций была напечатана в моей книге «Очерки геохимии», кото¬
рая впервые была издана на французском языке в 1924 г., а затем
в 1927 г. — в русском переводе. Приняв установленную мною
биогеохимическую основу биосферы за исходное, французский
математик и философ бергсонианец Э.Ле Руа в своих лекциях в
Колледж де Франс в Париже ввел в 1927 г. понятие ноосферы как
современной стадии, геологически переживаемой биосферой. Он
подчеркивал при этом, что пришел к такому представлению вме¬
сте со своим другом, крупнейшим теологом и палеонтологом Тейь-
яром де Шарденом»*.
Развитие разума осуществляется через научную мысль, которая
постепенно становится «планетным явлением». В ней В. И. Вернад¬
ский видел то начало, которое и определяет качественное изме¬
нение, ведущее к возникновению новой стадии ноосферы. Био¬
сфера, созданная в течение всего геологического времени, с по¬
явлением Homo Sapiens начинает все сильнее и глубже меняться
под влиянием научной мысли человечества, его коллективного разу¬
ма. Вновь создавщийся геологический фактор — научная мысль —
меняет явления жизни, геологические процессы, энергетику пла¬
неты. Эта сторона хода научной мысли человека является природ¬
ным явлением, входит в природные явления. Она возникла в про¬
цессе эволюции биосферы и закономерно меняется во времени.
Но в то же время научная мысль сама по себе не существует,
она создается человеческой живой личностью, есть ее проявле¬
* Вернадский В. И. Несколько слов о ноосфере // Научная мысль как пла¬
нетное явление. — М.: Наука, 1991. — С. 241.
331
ние. В мире реально существуют только личности, создающие и
высказывающие научную мысль, проявляющие научное творче¬
ство — духовную энергрш. Ими созданные невесомые ценно¬
сти — научная мысль и научное открытие в дальнейшем меняют
указанным раньше образом ход процессов биосферы, окружаю¬
щей нас природы.
Иными словами, В. И. Вернадский понимает под ноосферой не
сферу в геометрическом смысле этого слова, не вещественную обо¬
лочку планеты, а совокупность материального и духовного, биосфе¬
ру, организованную коллективной научной мыслью всех людей, на¬
селяющих нашу планету, их невесомыми ценностями, меняющими
ход биосферных процессов. Методологическая база такого подхода
зиждется на многовековом эмпирическом опыте многих поколений,
суммированная в аксиомах современного научного знания.
«Ноосфера — последнее из многих состояний эволюции био¬
сферы в геологической истории — состояние наших дней. Ход
этого процесса только начинает нам выясняться из изучения ее
геологического прошлого в некоторых своих аспектах. Приведу
несколько примеров. Пятьсот миллионов лет тому назад, в кемб¬
рийской геологической эре, впервые в биосфере появились бога¬
тые кальцием скелетные образования животных, а растений —
больше двух миллиардов лет тому назад. Эта кальциевая функция
живого вещества, ныне мощно развитая, была одной из важней¬
ших эволюционных стадий геологического изменения биосферы.
Не менее важное изменение биосферы произошло 70—110 млн
лет тому назад, во время меловой системы и особенно третичной.
В эту эпоху впервые создались в биосфере наши зеленые леса,
всем нам родные и близкие. Это другая большая эволюционная
стадия, аналогичная ноосфере. Вероятно, в этих лесах эволюци¬
онным путем появился человек около 15 — 20 млн лет тому назад.
Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное изме¬
нение биосферы. Мы входим в ноосферу»*, — писал В. И. Вернад¬
ский в последнем своем труде, опубликованном уже после его
кончины. Таким образом, по В. И. Вернадскому, ноосфера — это
часть биосферы, организованная цивилизацией, закономерная ста¬
дия ее развития.
13.4. Начало ноосферы
В литературе о ноосфере существуют различные трактовки о
времени начала формирования сферы разума. Объективно такое
различие трактовок возникает потому, что В. И. Вернадский в своих
* Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера // Биосфера. Мысли и наброски. —
М.: Издательский дом «Ноосфера», 2001. — С. 177.
332
трудах использует это понятие и в прошедшем, и в настоящем,
и в будущем времени. Все зависит от контекста.
Как видно из приведенных выше цитат В. И. Вернадского: «мы
переживаем» и «мы входим» — это в геологическом, а не истори¬
ческом масштабе времени. Не случайно он сравнивает этот про¬
цесс перехода биосферы в ноосферу с кризисными периодами
самой биосферы, начиная с кембрия и охватывая период времени
в 500 млн лет. В геологическом масштабе вся история человека —
настоящее время, четвертичный период. Это общий, достаточно
широкий подход автора концепции. В других местах в зависимо¬
сти от контекста он употребляет этот термин и в прошедшем, и в
настоящем, и в будущем времени. Но это совсем не небрежность
и не изменение взглядов, как это порой трактуется.
По В. И. Вернадскому, переход биосферы в ноосферу процесс
не одноактный и катастрофический, а достаточно сложный и дли¬
тельный, незавершенный, начавшийся с появлением человека ра¬
зумного, продолжающийся сейчас и простирающийся в будущее.
Другое дело, что со временем роль человека как геологической силы,
его энергетические возможности экспоненциально возрастают.
Именно в наше время результат воздействия человека на биосферу
в ряде случаев начинает превышать действие природных буферных
систем, регулирующих естественные круговороты элементов, и со¬
здает опасные для человечества ситуации. Но чтобы правильно
выбирать стратегию дальнейшего поведения, нельзя ориентироваться
только на текущий момент, игнорируя предшествующую историю
природы и человека как ее закономерного творения.
Предупреждая человечество о возможных негативных послед¬
ствиях бездумного вторжения в установившиеся системы биосфе¬
ры, В. И. Вернадский акцентирует внимание на текущем моменте,
употребляя понятие ноосфера в настоящем времени. «Биосфера в
наш исторический момент геологически быстро переходит в но¬
вое состояние — в ноосферу, т. е. такого рода состояние, в кото¬
ром должны проявляться разум и направляемая им работа челове¬
ка как новая, небывалая на планете геологическая сила»*. В ана¬
логичном контексте он употребляет это понятие и в будущем вре¬
мени. «Человечество, взятое в целом, становится мощной геоло¬
гической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, стано¬
вится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыс¬
лящего человечества как единого целого. Это новое состояние
биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть
ноосфера»**. Если анализировать эти цитаты в отрыве от общего
* Вернадский В. И. Размышления натуралиста. — М.: Наука, 1977. — Кн. 2. —
С. 150.
** Вернадский В. И. Несколько слов о ноосфере // Научная мысль как пла¬
нетное явление. — М.: Наука, 1991. — С. 241.
333
контекста, то теряется смысл, который вкладывал в них автор,
часто происходит путаница в трактовке самого понятия.
В. И. Вернадский не связывал возникновение ноосферы с ка¬
кой-либо единой, жестко зафиксированной точкой на шкале вре¬
мени. Она начинает формироваться с момента появления Homo
Sapiens, формируется сейчас и будет развиваться, пока существу¬
ет человечество. Таким образом, ноосфера — это стадия развития
биосферы, которая начинается с момента появления человечес¬
кого разума, продолжается в наше время и будет развиваться в
будущем.
13.5. Ноосфера нашего времени
Говоря о ноосфере, начало формирования которой уходит в
далекий палеолит, когда появился Homo sapiens, которого, может
быть, правильнее называть Homo sapiens faber (человек разум¬
ный, производящий), В. И. Вернадский постоянно подчеркивает
особенность нашего времени, когда его давление на биосферу на¬
чинает достигать критических значений.
«Раньше организмы влияли на историю только тех атомов, ко¬
торые были нужны для их роста, размножения, питания, дыха¬
ния. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные
для техники и для создания цивилизованных форм жизни. Чело¬
век действует здесь не как Homo sapiens, а как Homo sapiens
faber»*. По мере роста технической оснащенности последовательно
возрастают эти различия в биогеохимическом и ноосферном кру¬
говороте элементов. Постепенно накапливающиеся количествен¬
ные изменения приводят к качественным скачкам.
13.6. Энергия ноосферного развития
Любые вещественные преобразования сопровождаются и энер¬
гетическим перераспределением. Об энергетических аспектах био¬
сферы мы уже говорили в гл. 6. Но какова же энергия все усили¬
вающихся ноосферных преобразований? Мысль не есть форма
энергии. Как же может она изменять материальные процессы?
«Человеческий разум..., — писал В. И. Вернадский, — не является
формой энергии, а производит действия, как будто ей отвеча¬
ющие». И сам же предлагает ответ: «...при умственной работе идет
только перераспределение, а не увеличение работы»**.
* Вернадский В. И. Избранные сочинения. — М.: Изд-во АН СССР, 1954. —
Т. 1. - С. 222.
** Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окруже¬
ния. — М.: Наука, 1965. — С. 272.
334
Рис. 13.6. Палка, используемая как рычаг, увеличивает мускульную силу
при той же энергии
Простейшие изобретения позволили человеку во много раз
увеличить свою силу. Обычный рычаг, не требуя дополнительной
энергии, во много раз увеличивает мускульную силу (рис. 13.6).
Именно этот прием используется природой у всех позвоночных
животных. Легкое нажатие на курок ружья освобождает энергию,
сосредоточенную в пороховом заряде. Но пальцем управляет мысль,
разум.
Более сложные «творения разума» открыли многочисленные
пути активного использования сил Природы. Человек построил
плотину, подал воду на лопасти турбины, получил в генераторе
электрический ток, передал его по проводам. Что, изменилась
энергия реки? Была подкачка энергии извне? Просто человек пе¬
рераспределил естественные энергетические потоки в простран¬
стве и во времени. Подобных примеров можно привести великое
множество (рис. 13.7).
Человек не черпает какую-то неведомую энергию из Космоса,
но использует массу информации, накопленной человечеством за
всю историю его существования. Вспомним, что между научным
открытием и его массовым применением (паровоз, двигатель внут¬
реннего сгорания, электродвигатель) лежит огромный труд, свя¬
занный с накоплением дополнительных информационных ресур¬
сов. Именно эти информационные ресурсы и воплощаются в но-
Рис. 13.7. Преобразование механической энергии воды реки в энергию
электрическую
М;
335
вых технических средствах использования естественных энерге¬
тических потоков природы.
Процесс усовершенствования, организованности, использова¬
ния информационных ресурсов имеет начало в глубокой древно¬
сти. Современник Ч.Дарвина — крупнейший геолог Д.Дана вы¬
явил эмпирическое обобщение, которое показывает, что эволю¬
ция живого вещества идет в определенном направлении. Он по¬
казал, что в ходе геологического времени, т. е. на протяжении двух
миллиардов лет, а, наверное, много больше, наблюдается усовер¬
шенствование центральной нервной системы (мозга), начиная от
моллюсков и кончая человеком. Это явление было названо им
цефализацией. Достигнутый уровень центральной нервной систе¬
мы уже не идет вспять, только вперед, постепенно усложняясь в
своей организации. Этот процесс ускорился с появлением чело¬
века и совершенствованием его разума. Информация стала пере¬
даваться сначала вербально, затем письменно, далее с помощью
электронных средств. Развитие последних (в том числе компью¬
терных технологий) идет, как и нервной системы, главным обра¬
зом по пути усложнения их внутренних систем (в том числе про¬
граммного обеспечения).
Все это показывает, что информация не является энергией и
не создает энергию, но меняет направление и плотность ее рас¬
пределения в пространстве и во времени.
13.7. Научная мысль
Научное знание, проявляющееся как геологическая сила, со¬
здающая ноосферу, не случайное явление — корни его чрезвы¬
чайно глубоки. С древнейших времен, не оставивших нам имен
творцов научной мысли, но сохранивших плоды их деятельности
в технических изобретениях, религиозных и философских иска¬
ниях, все развитие цивилизации тесно связано с накоплением
научного знания. На протяжении тысячелетий оно всегда явля¬
лось могущественным социальным фактором, отражающимся на
процессе эволюции биосферы и ее переходе в ноосферу. Эллины
указывали на огромные знания, которые были получены ими от
Египта, Халдеи, Востока. От поколения к поколению шло накоп¬
ление научного знания и его реализация в технических продуктах
цивилизации. В результате последовательно от каменных орудий
труда человечество пришло к космическим аппаратам и инфор¬
мационным технологиям.
Однако не следует считать, что научные открытия всегда ис¬
пользовались во благо человечества. В греческом языке слово noos
(разум) означает способность понимания и осмысления. Однако
в русском языке слово разум подчас обозначает еще и нечто «ра-
336
Рис. 13.8. Наука, как и палка, имеет два конца
зумное, доброе, вечное», прогрессивное, способствующее перехо¬
ду от низшего к высшему, от менее совершенного к более совер¬
шенному. Именно здесь лежат истоки трактовки ноосферы как
какого-то идеального будущего состояния биосферы. Вероятно,
именно так трактуют понятие разум те, кто понимает под ноо¬
сферой «утопическое будущее», синоним некоторой социально-
политической утопии коммунизма и прочих, более ранних мечта¬
ний человечества о «земном рае».
Многовековая история науки показывает, что любое научное
открытие может быть использовано и во благо, и во вред. Палка
может быть использована и как рычаг, с помощью которого уве¬
личивается мускульная сила, но палкой можно и убить (рис. 13.8).
Огонь может согревать, с его помощью можно выполнять множе¬
ство других полезных функций, а можно устроить пожар.
Вспомним пословицу «Топором можно дрова рубить, а можно
человека убить».
Само по себе научное открытие нейтрально. На что оно будет
направлено, находится вне области научного знания.
13.8. Информация в развитии ноосферы
С появлением человека на планете сложилась принципиально
новая ситуация. Развитие человеческой цивилизации началось с
появления вида Homo sapiens, представители которого обладали
развитой нервной системой. Но главное, отличавшее людей от
всех иных биологических видов, заключалось в том, что они обла¬
дали новыми способами передачи важной для выживания инфор¬
мации. Это стало возможным после возникновения абстрактного
мышления и языковых средств коммуникации. Иначе говоря, глав¬
ным эволюционным изобретением человека было то, что он на¬
учился передавать огромное количество информации не только
генетическим путем — от поколения к поколению, но и посред¬
ством речи. В итоге каждый человек получил возможность ис¬
пользовать в своей жизни индивидуальный опыт множества дру¬
337
гих людей, причем зачастую не только современников, но и лю¬
дей прошлого.
И эволюция человека, и эволюция всей жизни на Земле так
или иначе связаны с запоминанием, накоплением информации.
Понимая обучение в широком, эволюционном смысле, можно
сказать, что оно осуществимо не только при наличии нервной
системы в процессе индивидуального развития, но и на основе
использования иных механизмов памяти, например генетической
памяти. Действительно, в результате естественного отбора проис¬
ходит как бы обучение на популяционном уровне, поскольку при
этом выявляется и сохраняется в поколениях существенная для
выживания генетическая информация. Ход эволюции жизни на
Земле можно описать как постепенное «самообучение» живого
способам эксплуатации среды.
Такие эволюционные достижения нервной системы, как воз¬
можность использования чужого индивидуального опыта через
наблюдение, подражание и обучение, передача сведений о ситуа¬
ции, например об опасности, а также различные способы комму¬
никации существовали и существуют не только у человека. Мно¬
гие виды высших, особенно социальных животных в той или иной
степени владеют этими средствами, используют для общения раз¬
личные механизмы коммуникации, и это способствует их успеш¬
ному выживанию. Однако только ддя человека характерен обоб¬
щенный опыт, передающийся через научное знание. Важнейшие
навыки, накапливающиеся в человеческой популяции в течение
многовековой истории на соматическом уровне, передаются от
поколения к поколению средствами передачи информации, от¬
сутствующими в мире животных. У животных накопление такого
опыта если и происходит, то передается только через механизмы
подражания.
Поскольку скорости и объемы обмена информацией с помо¬
щью языковых средств несравненно выше, чем в случае генетиче¬
ских, то и эволюционные изменения биосферы планеты с появле¬
нием человека происходят много быстрее. Поэтому с тех пор, как
информационный обмен между организмами стал осуществляться
языковыми средствами на вербальном уровне, наступил новый —
информационно-технический этап эволюции биосферы.
Дальнейшее развитие информационных связей — письменность,
печать, телеграф, радио, телевидение, Интернет — ведет к после¬
довательному ускорению обмена информацией и эволюции био¬
сферы.
* * *
Ноосфера как последняя стадия развития биосферы характе¬
ризуется появлением на планете новой геологической силы —
338
научной мысли социального человечества. Цивилизация не толь¬
ко приводит к перемещению масс вещества, соизмеримому с пе¬
ремещением, совершаемым целым рядом геологических процес¬
сов, но и создает на поверхности планеты новые вещества и даже
новые техногенные радиоактивные элементы. По своему значе¬
нию это явление столь же существенно, как и выход жизни на
сушу, появление древовидной растительности, смена голосемен¬
ных покрытосеменными и другими качественными изменениями
биосферы.
Контрольные вопросы
1. Что изменилось в биосфере с появлением человека?
2. Каковы масштабы воздействия человека на биосферу и как они
менялись во времени?
3. Каковы локальные и глобальные изменения биосферы под влия¬
нием техногенеза?
4. Охарактеризуйте понятие «ноосфера».
5. В чем особенности современной ноосферы?
6. Какова энергия ноосферного развития? Назовите источник этой
энергии.
7. Какие изменения поверхности Земли, ее водного, газового, тепло¬
вого и радиационного баланса происходят в результате современной де¬
ятельности человека?
8. Какова роль научной мысли в развитии ноосферы?
9. Какое значение имеет информационный обмен в развитии ноо¬
сферы?
Глава 14
ПУТИ НООСФЕРНОГО РАЗВИТИЯ
• Общая экология •Техническое мышление и его результаты • Идея по¬
корения природы и стратегия рационального природопользования • Су¬
ществующие подходы •Тупик запретительных методов • Промышленная
экология • Пути выхода из кризисных ситуаций • Согласование антропо¬
генной деятельности с законами природы • Биогеохимические и антро¬
погенные циклы миграции вещества • Палеолитическая и неолитическая
революции • Понятие «коэволюция» • Безотходные технологии и ресур¬
сосбережение
14.1. Общая экология
В гл. 13 мы рассмотрели вопрос о переходе биосферы в ноо¬
сферу. Принципиальные отличия этой новой стадии развития сфе¬
ры жизни требуют сознательного подхода к выбору путей даль¬
нейшего ее развития, путей, согласующихся с основными закона¬
ми природы. Эти пути не столь очевидны и пока еще не разрабо¬
таны научной мыслью.
Выработка общей стратегии решения проблем взаимодействия
природы и человека составляет задачу новой, быстро развиваю¬
щейся науки — экологии. Пока еще здесь делаются первые шаги.
Далеко не все ясно и надежно отработано. Тем более важно дви¬
гаться не хаотично, а в правильных направлениях.
Термин «экология» (греч. oikos — место обитания, дом; logos —
учение) в науку ввел немецкий биолог Эрнест Геккель. В 1866 г.
он обозначил этим термином общую науку об отношениях орга¬
низмов к окружающей среде, куда мы относим в широком смысле
все «условия существования»*.
Представление о содержании термина «экология» непрерывно
расширяется, постепенно приобретая междисциплинарный харак¬
тер. Сегодня это понятие ближе всего к изначальному понима¬
нию греческого термина и означает учение о биосфере как месте
обитания человека, особенностях ее развития и роли цивилиза¬
ции в этом процессе.
Методология экологической стратегии была заложена В. И. Вер¬
надским еще в первой половине прошлого столетия в учение о
биосфере и ее переходе в ноосферу. Сейчас эта молодая синтети¬
* Большая Советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1972. —
Т. 29. - С. 1776.
340
ческая наука быстро набирается опыта и уверенно приобретает
одно из центральных мест в понимании путей совместного разви¬
тия человека и среды его обитания.
14.2. Техническое мышление
Двадцатый век, ознаменовавшийся невиданным дотоле альян¬
сом науки и техники, породил и специфическое техническое мыш¬
ление, пронизавшее не только науку и производство, но и гумани¬
тарные области общественной жизни и даже бытовое мышление.
Первые шаги научно-технического содружества были настоль¬
ко стремительны и впечатляющи, что достаточно быстро породи¬
ли общественные иллюзии всемогущества технического прогрес¬
са. Не случайно успешные реализации новых научных открытий
породили лозунг: «Мы не можем ждать милости от природы!»,
быстро охвативший все слои общественного мышления. Страте¬
гия покорения природы сулила сказочные перспективы.
Только к концу XX в. человечество стало задумываться над
возможными последствиями такой стратегии и искать выходы из
возникающих проблем. Но существующие экологические пробле¬
мы рождены техническим прогрессом, а решить их обычно пыта¬
ются теми же техническими и политическими методами.
Однако технический прогресс существует не сам по себе. Его
направляет человек. Он только инструмент в руках человека. Че¬
ловека грамотного, понимающего обстановку, в которой ему при¬
ходится действовать, или стихийно подчиняющегося животным
инстинктам.
14.3. Экологические обстановки
Все многообразие обстановок экологического неблагополучия
по первопричине своего возникновения может быть разделено на
две основные группы:
1) геогенные, возникающие в результате геологического раз¬
вития данного участка земной коры, — то, что происходило на
этой территории в предшествующие геологические времена (ос¬
тавлено нам в наследство прошедшими эпохами) и происходит в
настоящее время;
2) техногенные, обусловленные воздействием на природу все
более мощных технических средств получения продуктов жизне¬
обеспечения и комфорта.
К первой группе относятся грозные явления природы: земле¬
трясения, цунами, снежные лавины и селевые потоки, явления
карста и суффозии, горные обвалы и развитие оврагов, наводне¬
341
ния и подтопления и т.п. Вторая группа включает многочислен¬
ные последствия технического воздействия на природу, начиная
от механического перемещения грунтов до радиоактивного зара¬
жения атмосферы, гидросферы и литосферы искусственно полу¬
ченными радионуклидами. Между этими двумя группами нет гра¬
ницы.
Человеческая деятельность может провоцировать, а может ни¬
велировать негативные природные явления или, по крайней мере,
информировать об их наступлении и тем самым смягчать послед¬
ствия.
Строя здания в сейсмоопасном районе, необходимо предус¬
мотреть его сейсмостойкость. В лавиноопасных районах необхо¬
димо предусматривать комплекс долгосрочных и краткосрочных
мероприятий, снижающих возможные катастрофические послед¬
ствия природных явлений.
В то же время природные системы обладают способностью
смягчать резкие воздействия, обладают буферной емкостью. Од¬
норазовые выбросы в атмосферу, гидросферу или почвенный по¬
кров рассеиваются, нивелируются и, в конечном счете, перераба¬
тываются, если они не превышают буферной емкости данной си¬
стемы.
Биогеохимические циклы создают динамические контакты меж¬
ду отдельными локальными системами, создавая, таким образом,
более сложные системы с большей буферной емкостью. Грамот¬
ные подходы к этим вопросам с учетом законов развития есте¬
ственных природных систем позволяют минимизировать эколо¬
гические негативные явления.
14.4. Существующие подходы к решению экологических
проблем
Практические действия по снятию техногенного давления ци¬
вилизации на природу в настоящее время сводятся, главным об¬
разом, к мониторингу и промышленной экологии.
Мониторинг — слежение за состоянием окружающей природ¬
ной среды с целью предупреждения о создающихся критических
ситуациях. Это в какой-то мере то же, что в медицине анализ
крови, мочи и т.п.
Хороший анализ необходим для правильного диагноза, но что
нужно анализировать и какие выводы из результатов анализа сле¬
дует делать, выходит за пределы его задач.
За последнее время получены многочисленные результаты по
совершенствованию методик анализа объектов окружающей сре¬
ды, повышению их надежности и экспрессности. Но анализ не
лечит болезнь. Для лечения нужны терапия и хирургия. Сейчас
342
широко распространены методы ликвидации техногенного давле¬
ния на природу, сводящиеся к запретительным мероприятиям.
Запретительные методы не решают проблемы. Они могут ока¬
зать только экстренную («скорую») помощь, а для лечения нуж¬
на систематическая экологическая профилактика и терапия. Бо¬
лее того, запрет без дальнейших действий может не только не
решить проблему, но и привести к дальнейшему осложнению
ситуации.
В качестве образного сравнения можно обратиться к попытке
решить задачу мешающего ручейка с помощью запруды. На ка¬
кое-то время задача действительно решается. Ручей перестает ме¬
шать. Но раньше или позже накопившаяся вода прорвет плотину,
и бурный поток приведет к печальным последствиям. Выход —
отвести ручей в соответствии с законами гидродинамики и релье¬
фом местности.
Это только крайний, утрированный пример, имитирующий
множество реальных повседневных задач, правильное решение
которых зависит от стратегии выбранного пути.
Промышленная экология — раздел экологии, изучающий воз-
дейетвие промышленности (от отдельных предприятий до техно¬
сферы) на природу, а также влияние условий природной среды на
функционирование предприятий и их комплексов.
В 1970—1980-е гг. особенно актуальной стала проблема охра¬
ны окружающей среды и обеспечения безопасности жизнедеятель¬
ности. Девизом тех лет стал лозунг: «От техники безопасности к
безопасной технике». Во многих учебных заведениях стали возни¬
кать кафедры промышленной экологии, подготавливающие спе¬
циалистов в области экологического контроля и охраны окружа¬
ющей среды.
Промышленная экология является несомненным шагом впе¬
ред по сравнению с запретительным подходом. Она рассматрива¬
ет вопросы экологии разных отраслей промышленности, приори¬
тетные принципы формирования экологически безопасных и энер¬
госберегающих технологий обезвреживания отходов (газообраз¬
ных, жидких и твердых), разрабатывает методики анализа влия¬
ния технических параметров процессов и аппаратов (машин) на
условия образования вредных выбросов в атмо-, лито- и гидро¬
сферу, а также вопросы предварительной подготовки и вторич¬
ной переработки отходов.
Все эти усилия позволили во многих случаях переломить раз¬
витие негативных ситуаций. Так, в середине XX в. во многих круп¬
ных бассейнах Европы сложились угрожающие ситуации. В бас¬
сейне Рейна (рис. 14.1) вплоть до 1960-х гг. систематически уве¬
личивалось содержание тяжелых элементов. Принятые меры не
только стабилизировали обстановку, но и позволили вернуть си¬
туацию к исходному состоянию.
343
Рис. 14.1. Изменение экологической обстановки в бассейне Рейна: превы¬
шение содержания ртути (7), кадмия (2), цинка (3), свинца (4), меди (5)
относительно фона
Особое значение эти мероприятия приобретают в районах круп¬
ных промышленных предприятий, вблизи которых создаются уг¬
рожающие ситуации (рис. 14.2), а жилые массивы отстоят от про¬
мышленных зон менее чем на 5 —10 км. Опасные экологические
ситуации часто создаются около горнорудных комбинатов. Отва-
Расстояние, км
а
Расстояние, км
б
Рис. 14.2. Распределение выпадающих масс свинца {а) и кадмия {б) на
площади локальной биогеохимической аномалии, образованной свин¬
цовоплавильным заводом в г. Чимкенте (пунктирной линией показан
уровень фона)
344
лы горных пород, особенно содержащих сульфидные компонен¬
ты, под влиянием атмосферных осадков и кислорода воздуха окис¬
ляются (горят) создавая новые минеральные ассоциации (рис. 14.3).
Просачивающиеся воды разносят освобождающиеся химические
элементы на болыаие расстояния, создавая ореолы загрязнения в
почвах, поверхностных и подземных водах.
Еще опаснее искусственные хвостохранилища промышленных
отходов обогатительных и перерабатывающих предприятий. Про¬
рыв плотин обычно чреват катастрофическими последствиями. Так,
разрушение в 1998 г. плотины-отстойника, находящейся в 30 км к
северо-западу от Севильи (рис. 14.4), вызвало утечку кислот и
токсичных отходов общим объемом 4 500 м^, повлекшую тяже¬
лейшие последствия для экологии региона. Загрязненная мышь¬
яком и цинком вода причинила также серьезный ущерб нацио¬
нальному природному заповеднику, частично попав в Гвадалкви¬
вир и Атлантический океан. Общая площадь загрязнений соста¬
вила 4 402 га.
Наиболее высокую потенциальную опасность представляет
прорыв плотин — хранилищ радиоактивных отходов. Так, оце¬
ночные расчеты, выполненные Производственным объединени¬
ем «Маяк», показали, что при полном разрушении плотины №11
этого предприятия произойдет разовое крупномасштабное поступ¬
ление до 20 • 10^ м^ загрязненной радионуклидами воды с донны¬
ми отложениями с суммарной активностью до (15 —20) • 10^ Ки.
Попадание этих вод в открытую гидрографическую сеть грозит
катастрофическими последствиями для речной системы Исеть—
Рис. 14.3. Горящий отвал полиметаллического месторождения {а) и схе¬
ма его строения (б); показано распределение минералов горящего отва¬
ла:
1 — медь, цинкит, виллемит; 2 — антлерит, девиллин, натрохальцит, арсенолит,
клаудетит; 3 — халькантит, ганнингит; 4 — медь, боршантит, антлерит
345
Рис. 14.4. Плотина-отстойник к северо-западу от Севильи после разру¬
шения
Тобол —Обь. Приход фронта волны к ближайшему населенному
пункту (пос. Муслимово) произойдет спустя примерно 8 ч.
В последнее время все большую актуальность приобретает
проблема роста промышленных и бытовых отходов, особенно ост¬
ро ощущаюш;аяся в крупных мегаполисах. По официальной стати¬
стике на территории г. Москвы ежегодно образуется более 18 млн т
(49,3 тыс. т/сут) отходов. В их числе 3 млн т промышленных отхо¬
дов, около 4 млн т твердых бытовых отходов, 2 млн т отходов от
сноса ветхого жилого фонда, 3 млн т осадков сточных вод, 6 млн т
загрязненных грунтов.
В качестве примера рассмотрим структуру твердых бытовых
отходов (%):
Бумага, картон 37,0
Пищевые отходы 30,6
Текстиль 5,4
Полимеры 5,2
Металлы 3,8
Стекло 3,7
Дерево 1,9
Кости 1,9
Камни, керамика 0,8
Резина 0,5
Прочие вещества 9,2
Преобладающая часть отходов, образуемых на предприятиях
г. Москвы, размещается на территории Московской области. На
протяжении последних 15 лет среднегодовой прирост объемов
образования отходов составляет ~3 %.
346
^ 7
I ^
I ^
\ 4
Рис. 14.5. Состав твердых бытовых отходов в зависимости от уровня раз¬
вития стран:
I — слаборазвитые страны; II — развивающиеся; III — развитые; 1 — органиче¬
ские продукты; 2 — металлы; 3 — стекло; 4 — текстиль, кожа, резина; 5 — плас¬
тические массы; 6 — бумага; 7 — другие продукты
Характерно изменение структуры отходов в странах разного
уровня развития (рис. 14.5*). В слаборазвитых странах резко преоб¬
ладают органические отходы, составляющие ~60 %. В развитых стра¬
нах их количество сокращается более чем вдвое. Здесь на первое
место выходят бумажные отходы, количество которых достигает 30 %,
и стекло. В развивающихся странах значительные объемы составля¬
ют пластические массы, текстиль, резина и кожа. Их количество
сокращается в развитых странах за счет вторичной переработки.
Количество металлов в структуре отходов, составляющее в первой
группе -10 %, сокращается во второй и вновь растет в третьей.
14.5. Минимизация техногенных загрязнений
Минимизация всех негативных явлений не может сводиться к
чисто техническим мероприятиям без учета реальных геологичес¬
ких, геофизических и геохимических обстановок. Более того, запас
эмпирических знаний, полученных при изучении рудных месторож¬
дений, может быть плодотворно использован для выработки меха¬
низмов создания техногенных месторождений полезных компонен¬
тов, формирующихся на искусственных геохимических барьерах.
* См.: Титова А. В. Стратегия управления твердыми бытовыми и промыш¬
ленными отходами в целях стабилизации биосферных процессов. — Автореф.
дис. - М.: РУДН, 2006.
347
Осадки
Наблюдательные шурфы
S
pH 6,5-7,5
Рис. 14.6. Заградительный известковый барьер на пути кислых вод с тяже¬
лыми элементами, образующимися при окислении горных отвалов
Намечающиеся подходы, пока имеющие случайный характер, дают
обнадеживающие результаты. Приведем примеры.
Сооружение вокруг сульфидоносных отвалов траншей, запол¬
ненных известняком (рис. 14.6), ограждает окружающие террито¬
рии и водные артерии от загрязнения кислыми водами с тяжелы¬
ми элементами, образующимися при окислении горных отвалов.
На известковом барьере происходит не только нейтрализация
кислых вод, но и гидролиз ряда элементов, которые периодиче¬
ски могут извлекаться и пускаться в промышленную переработку.
Если отвал полиметаллического месторождения формировать
не хаотично, а целенаправленно, создавая окислительно-восста¬
новительный геохимический барьер, то на нем из рассеянной меди
с забалансовым содержанием через несколько лет формируются
дендритовидные вьщеления самородной меди (рис. 14.7). Эти но¬
вообразованные техногенные рудные тела не только могут иметь
промышленное значение, но и, оттягивая на себя тяжелые метал¬
лы, сокращают их расползание и образование ореолов техноген¬
ного загрязнения территорий.
Искусственные геохимические барьеры можно создавать не толь¬
ко для меди, но и для других элементов. Таким путем можно фор-
Рис. 14.7. Самородная медь, обра¬
зовавшаяся на искусственном гео¬
химическом барьере
348
Bi, Си, Zn, Cd
Рис. 14.8. Окислительно-восстановительный, кислотно-щелочной и сорб¬
ционный барьер в плотине хвостохранилища
мировать своеобразные техногенные месторождения для промыш¬
ленного использования если не в настоящее время, то в будущем.
Своеобразные комплексные окислительно-восстановительные,
кислотно-щелочные и сорбционные барьеры могут создаваться в
теле плотин хвостохранилищ (рис. 14.8). Пульпа хвостохранилища
обычно имеет кислую реакцию, содержит высокие концентрации
железа и более низкие — некоторых других элементов. Если тело
плотины сформировано таким образом, что сквозь него происхо¬
дит медленное просачивание раствора, то на внешней стороне об¬
разуется пленка гидроксидов железа, сорбирующая значительные
количества тяжелых металлов. Вытекающая вода очищается от ток¬
сичных примесей и одновременно образует рудный концентрат.
Пример очистки шахтных вод уранового месторождения приве¬
ден на рис. 14.9. Обильные подземные воды, откачиваемые из шахт
уранового месторождения в песчаниках, первоначально сбрасыва¬
лись в речную сеть. Значительная обводненность шахт вымывала
существенные количества полезного компонента, приводя к разу-
боживанию рудных тел и загрязнению окружающей среды.
Для очистки этих вод были сооружены бетонные емкости, куда
сливалась вода, поступающая из шахт. По мере их заполнения в
них добавляли местную глину из соседнего карьера. Глина сорби¬
ровала большую часть растворенного урана. Через некоторое вре¬
мя очищенная вода сливалась, а отстой смешивался с пустой по¬
родой и подавался на кучное выщелачивание. В результате уран.
Отстой
Кучное
выщелачивание
/X
Уран
Рис. 14.9. Система очистки шахтных вод уранового месторождения
349
вымываемый шахтными водами, не пропадал, а возвращался в
производство. Это позволило в течение года окупить затраты на
сооружение отстойников и разработку глин.
Характерной чертой всех приведенных примеров является ис¬
пользование естественных природных закономерностей миграции,
рассеяния и концентрации элементов для изменения направле¬
ния их круговорота нужным для человека образом. В отличие от
чисто технических способов очистки они не требуют значитель¬
ных затрат энергии, используя естественные природные силы.
Любое энергетическое сырье (углеводородное, гидродинамическое
или атомное) экологически наиболее «грязное».
14.6. Системный подход
При всей важности промышленной экологии она развивает
подходы к решению частных задач, число которых бесконечно,
но не дает целостного подхода к решению общих вопросов эколо¬
гии. Если мы вспомним, что эволюционируют не отдельные виды,
а симбиозы (см. гл. 12), составляющие вместе с окружающим их
косным веществом целостные экосистемы, то станет ясно, что
для решения проблем необходим системный подход.
Изменения в почвенном покрове очень быстро сказываются на
растительном покрове. Растительный покров в существенной мере
влияет на видовой состав живущей здесь фауны. В биологии изве¬
стны многочисленные модели типа ресурс — потребитель или хищ¬
ник-жертва, действующие по принципу обратной связи и рас¬
крывающие волнообразный характер взаимодействия этих двух
взаимозависимых компонент (рис. 14.10). Истощение ресурса по
мере его потребления замедляет рост биомассы, но по мере вос¬
становления ресурса вновь начинает происходить ее рост. В нор¬
мальных условиях возникает волнообразное повторение циклов.
В затрудненных условиях (общая нехватка ресурсов или ограни-
Рис. 14.10. Волновое развитие в системе ресурс (7) — потребитель {2) в
нормальных {а) и трудных (б) условиях
350
1997
□ 0-1 год
1 — 3 года
^ 4 — 8 лет
Рис. Цц Изменение возрастной структуры поголовья каспийской кильки
чение роста потребителя внешними причинами) будет наблюдаться
постепенное затухание общего процесса. Это самый простой при-
Развития сложной биокосной системы. Вспомним, что жизнь
в биосфере построена в виде пирамиды, в основании которой на¬
ходятся простейшие микроорганизмы (см. рис. 6.14).
® 2000 г. на Северном Каспии наблюдалась массовая гибель
тюлецей. Первой гипотезой о причине гибели было отравление.
Однако содержание токсичных компонентов не было критиче-
ским, я вскрытие погибших животных показало отсутствие пря¬
мых Цризнаков токсикоза, в связи с чем была выдвинута гипотеза
кумулятивного политоксикоза. Более детальные исследования
обнаружили высокую степень истощения большей части погиб-
ших Лсивотных. Большая часть популяции тюленей нагуливает жир
в TQxijiQQ время, а в холодный период мигрирует к северу, где на
льду Происходит размножение и линька. По сезонам наблюдается
резкая изменчивость пищевой активности. Во время нагула в лет¬
ний Период в южных частях Каспия основным кормом служит
килька. Изменение биохимического состояния южных частей
Касппя существенно сократило поголовье кильки в этой части
бассейна, что хорошо видно и из изменения его возрастной струк¬
туры (рнс. 14.11), спровоцировав в результате недостаток питания
тюлепей, что и привело к их гибели в северных широтах.
Подобные примеры показывают, что обилие аналитических
данных еще не решает проблемы. К их непосредственной связи с
конкретными негативными экологическими явлениями следует
относиться с большой осторожностью. Иногда они могут действо¬
вать Опосредованно, через несколько промежуточных звеньев. В дру¬
гих сдуяаях вообще могут не иметь никакого значения в предпола¬
гаемых связях. Отсутствие системного подхода может приводить к
кардинальным ошибкам.
14.7. Ноосферная стратегия XXI века
Стратегия, к которой подошла наша цивилизация, вытекает из
всей Мировой истории развития человечества. Она требует не толь¬
351
ко системного подхода к существующей ситуации, но и сознатель¬
ного учета всех основных закономерностей эволюции биосферы.
Об этом неоднократно писал наш соотечественник Н.Н. Моисеев,
автор модели «ядерной зимы».
В истории развития цивилизации отмечается, по крайней мере,
две крупные «революции». Первая, палеолитическая, связана с
использованием простейших орудий труда. Именно она привела
к превращению Homo sapiens (человека мыслящего) в Homo
sapiens faber (человека мыслящего, создающего). При охоте и со¬
бирательстве стали использовать простейшие орудия. Человек стал
отличаться от животного. Вторая, неолитическая, революция про¬
изошла в начале голоцена (т. е. около 10—12 тыс. лет тому назад).
В начале неолита люди были, прежде всего, охотниками и соби¬
рателями. Однако в связи с усовершенствованием оружия челове¬
чество весьма быстро, может быть за одно-два тысячелетия, изве¬
ло всех крупных копытных и мамонтов — основу своего пищево¬
го рациона времен раннего неолита, и охота уже не могла больше
обеспечить пропитание людей. Человек оказался на грани голод¬
ной смерти и был обречен на деградацию. Человечеству предос¬
тавлялась альтернатива: либо оно будет продолжать жить по-ста¬
рому, постепенно совершенетвуя свои технологии, либо перейдет
к новому типу цивилизации.
Судя по всему, многие популяции наших предков были на гра¬
ни исчезновения. А некоторые вымерли, не сумев справиться с
трудностями, или были уничтожены другими популяциями чело¬
века в борьбе за ресурс, который был у них общим. Однако в
целом судьба кроманьонцев оказалась более благополучной, и нео¬
литический кризис, несмотря на то что население планеты
уменьшилось почти на порядок, был стартом нового этапа в раз¬
витии человечества. Человек изобрел земледелие, а несколько по¬
зднее и скотоводство, т.е. начал создавать искусственные биогео-
химические циклы — искусственный кругооборот веществ в при¬
роде. Тем самым он качественно изменил свою экологическую
нишу и положил начало той цивилизации, плодами которой мы
пользуемся и сегодня.
Процесс создания новой экологической ниши в преддверии и
в начале голоцена носил стихийный характер, и человечество за
«победу» над кризисом заплатило огромную цену. Это вырази¬
лось не только в виде голода, но и в виде опустошительной бес¬
компромиссной борьбы за ресурс современного жизнеобеспече¬
ния, борьбы, с результатами которой связаны современные поли¬
тические и экологические трудности.
Двадцать первый век вьщвинул перед человечеством новую про¬
блему, не возникавшую на протяжении всей предыдущей исто¬
рии. Это утилизация продуктов жизнедеятельности. Ни одно жи¬
вое существо не может развиваться в среде собственных отходов.
352
1000-
1900
2000
Годы
Годы
б
Рис. 14.12. Рост потребления железа {а) и пресной воды {б)
Экосистема, потребляя продукты жизнеобеспечения, должна
выделять эквивалентные количества веществ. Иначе ей грозит
взрыв. Следовательно, человек должен не только добывать про¬
дукты для своего жизнеобеспечения, но и предусматривать пути
утилизации продуктов жизнедеятельности. Здесь важно подчерк¬
нуть, что в системе метаболизма живого и косного вещества вы¬
деление избыточной энтропии должно иметь такое же важное
значение, как и получение продуктов жизнеобеспечения (подроб¬
нее см. гл. 7).
До середины XX в. буферная емкость естественных природных
систем успевала нивелировать и перерабатывать техногенные про¬
дукты цивилизации. Экспоненциальный рост технического про¬
изводства (рис. 14.12), появление новых веществ, таких как плас¬
тические материалы, для которых в природе не выработаны меха¬
низмы разложения и включения в биогеохимические циклы, по¬
ставили перед человечеством новые задачи, не возникавшие на
всем протяжении геологической истории Земли. Человек их по¬
родил, он должен их и утилизировать. Это определяет перед ци¬
вилизацией кардинальные вопросы, такие же как в периоды па¬
леолитической и неолитической революций.
14.8. Пути решения глобальных экологических проблем
Методологическая основа для решения этих проблем заложена
в ноосферной концепции В. И. Вернадского.
Здесь намечаются следующие основные направления:
353
1) минимизация извлечения из природы продуктов жизнеобес¬
печения за счет более рационального их использования;
2) симбиотическая система получения продуктов жизнеобес¬
печения;
3) рецикл внутри системы;
4) создание депо продуктов жизнедеятельности — техногенные
месторождения вместо «техногенных помоек»;
5) возвращение продуктов жизнедеятельности в биогеохими-
ческие циклы биосферы (включение элементов в естественный
круговорот).
Систематические исследования в этих направлениях во всем
мире пока только начинаются. Во многом исследования идут всле¬
пую по отдельным узким направлениям. Более общая теоретиче¬
ская база, дающая направление развития научной мысли, явно
необходима.
14.9. Минимизация извлечения продуктов
жизнеобеспечения
Весь XX в. характеризовался преобладанием экстенсивных под¬
ходов к получению продуктов жизнеобеспечения. Больше чугуна
и стали, больше угля и нефти.
Весь топливно-энергетический комплекс можно условно разде¬
лить на три крупных блока: получение сырья, его транспортировка
и использование. Основные капиталовложения шли в первый блок.
В то же время транспортировка не только поглощает значи¬
тельную часть добытых энергетических ресурсов (на перекачку
газа по газопроводам тратится 10 % (и более) добытой энергии),
но и часто вызывает экологически опасные ситуации (прорыв тру¬
бопроводов, катастрофы при перевозке и т.д.).
Немалые резервы заложены и в последнем блоке — потребле¬
ние. Традиционно мы отапливаем помещения, располагая бата¬
реи отопления в нижней части помещения, рассчитывая, что теп¬
лый воздух, поднимаясь вверх, нагреет весь объем. В высоких
промыншенных помещениях это чревато существенными потеря¬
ми, поскольку теплый воздух у потолка создаст значительные пе¬
регревы (рис. 14.13). Перенос нагревателя в верхнюю часть суще¬
ственно сократит потери тепла. Внедрение систем инфракрасного
отопления позволит еще сократить потери тепла. Так, по данным
компании «Газэнергосеть-СПб» внедрение сберегающих техноло¬
гий на промыншенных предприятиях Санкт-Петербурга и обла¬
сти позволит высвободить объемы природного газа, составляю¬
щие ориентировочно до 30 % потребляемого объема или около
3 — 3,5 млрд м^.
Гигантомания, характерная для XX в., создала многие эколо¬
гически опасные ситуации. Гигантские водохранилища не только
354
10
1
—Ш
S 8
г
1
- /
J 4
PQ
J
2
0
Т1
^ Температук,а, °С
Рис. 14.13. Варианты расположения отопительн^хх приборов и эпюры
распределения температур:
а — традиционный тепловой нагрев снизу; б — сверху, q _ инфракрасный ис¬
точник сверху
занимают территории плодородных земель и Пленяют уровень под¬
земных вод, но и нарушают нормальное судоходство (требуют со-
здания шлюзовых систем), наносят непопр^зл^^ый ущерб рыбо¬
водству, меняют весь микроклимат региона.
Замена водохранилищ водоводами (рис. (4 14) полностью со¬
храняет энергетические показатели гидросистемы и снимает все
перечисленные выше негативные явления.
355
2 3
Рис. 14.14. Замена водохранилищ водоводами:
а — профиль; б — водозабор и водовод; в — общий вид; г — план; 1 — ложе
русла реки; 2 — верхний бьеф; 3 — плотина; 4 — турбина; 5 — шлюзы; 6 —
нижний бьеф; 7 — напорный водовод
14.10. Симбиотическая система получения продуктов
жизнеобеспечения
Симбиотическая система получения продуктов жизнеобеспе¬
чения подразумевает взаимную выгодность отдельных ее элемен¬
тов. В природе такие системы имеют весьма широкое распростра-
356
нение. Почвенные микроорганизмы способствуют усвоению ра¬
стениями минеральных веществ. Трофические цепи животных (в том
числе и человека) всегда насыщены микроорганизмами, участвую¬
щими в процессе пищеварения. Все эти сообщества развиваются на
основе взаимовыгодного (симбиотического) существования.
Рост численности населения планеты требовал соответству¬
ющего наращивания массы продуктов жизнеобеспечения, и чело¬
вечество последовательно совершенствовало соответствующие тех¬
нологии (рис. 14.15).
В результате неолитической революции люди перешли от со¬
бирательства и охоты к земледелию и скотоводству. Затем появи¬
лись травопольная система земледелия, а свободное скотоводство,
когда животные сами добывали себе пищу, сменилось выпасным,
при котором животные группируются в стада и целенаправленно
перегоняются на определенные пастбища. На следующей стадии
травопольная система земледелия сменилась более сложной мно¬
гопольной*, а выпасное скотоводство постепенно стало вытесняться
стойловым содержанием, при котором заготавливаемые корма
доставляются к местам содержания скота. В настоящее время все
шире развиваются парниковые хозяйства и фабричное животно¬
водство с комбикормами.
Что дальше? Уже начиная с многопольного севооборота и стой¬
лового животноводства идет процесс объединения земледелия и
животноводства. Это сближение оказывается взаимовыгодным как
одной, так и другой стороне. Такое симбиотическое взаимодей¬
ствие характерно для очень многих биосферных сообществ. Су¬
ществует теория, согласно которой появление первых эукариот**
связано с возникновением симбиоза двух прокариот, каждый из
которых выполнял свои биохимические функции. Взаимовыгод¬
ное объединение двух и более организмов часто оказывалось бо¬
лее приспособленным к изменяющимся условиям среды. С этих
позиций не столько борьба за существование, сколько взаимопо¬
мощь являются движущим механизмом эволюции.
Вся исторршески складывавшаяся система увеличения ресурсов
жизнеобеспечения от простейших организмов до человеческих ци¬
вилизаций указывает на последовательное возникновение и услож¬
нение симбиотических комплексов (минеральный субстрат, почва,
растения, животные, человек). Все симбиозы, от простейших до слож¬
ных, подразумевают формирование взаимовыгодных сожительств.
* Многопольно-травяная система земледелия — выгонная система земледе¬
лия, предусматривающая использование половины или большей части земли
под многолетние травы — на укос и на выпас, остальной площади — под зерно¬
вые и другие однолетние культуры.
** ^кариоты — все высшие организмы, клетки которых содержат оформ¬
ленное ядро, чем отличаются от прокариот — низших организмов, не содержа¬
щих ядра.
357
Рис. 14.15. Развитие ресурсов жизнеобеспечения человека
Человек, введя в биосферу технику, не должен игнорировать
этого основополагающего принципа природы. Любая игра «в одни
ворота» нежизнеспособна. В современных условиях, когда техно¬
генез активно включился в биогеохимический круговорот веще¬
ства, встает проблема биотехносимбиоза (рис. 14.16), при кото¬
ром не только косное вещество должно быть полезным живому,
но и живое, и техногенное — должны быть полезными косному,
должны естественным образом вписываться в геохимический кру¬
говорот элементов.
Идея автотрофности возникла в конце цервой четверти XX в.
под влиянием успехов органической химии и химического синте¬
за органических соединений. Создавалось впечатление, что не¬
органический синтез углеводов, белков и жиров сможет заменить
традиционные биогенные продукты питания. Позднее успехи гео¬
химии изотопов показали, что органическая пища отличается от
аналогичных по химическому составу косных веществ иным соот-
нощением изотопов, строящих эти соединенрщ. В 1925 г. В. И. Вер¬
надский опубликовал на французском языке статью «Автотроф-
ность человечества», однако, позднее ознакомивщись с результа¬
тами геохимии изотопов, он поставил вопрос, не явится ли искус¬
ственное изготовление пищи человека утопией, подчеркнув, что
для этого необходимо синтезировать вещества не только анало¬
гичного химического состава, но и с аналогичным соотнощением
изотопов.
358
Если термин «автотрофность» не сводить только к пищевым
продуктам, а понимать более широко — как продукты жизнеобес¬
печения, то мы уже сейчас активно заменяем необходимые для
жизни предметы одежды, быта изготовленными не из организмов
растительного и животного мира, а из минеральных веществ. Син¬
тетические ткани, меха, упаковочные материалы и множество дру¬
гих предметов окружающего нас мира все чаще изготовляют из
минеральных веществ.
Рецикл внутри системы обеспечивает более полное использо¬
вание сырья, увеличение выхода целевых продуктов, утилизацию
отходов производства и затрачиваемой энергии.
Большинство добываемых руд помимо основного (основных)
компонента содержит дополнительные составляющие, которые
могут быть использованы при комплексной переработке сырья.
Если учесть, что на разведку и разработку рудных тел затрачены
немалые энергетические ресурсы, рудная масса извлечена на по¬
верхность, а рекультивация территории потребует дополнитель¬
ных (и немалых) капиталовложений, то максимальное использо¬
вание всей извлеченной рудной массы часто оказывается весьма
рентабельным. Для этого в большинстве случаев требуется изме¬
нить традиционные технологии переработки минерального сы¬
рья. Именно в этом направлении ведутся многие исследования в
рамках промышленной экологии.
Минимизация промышленных и бытовых отходов начинается
с их сортировки. В какой-то мере это минимизация энтропии
социума (см. гл. 7). Существует много схем управления отходами,
всегда включающих их сортировку и извлечение из свалочного
материала полезных компонентов. Не последнее место здесь за-
Рис. 14.16. Системы получения продуктов жизнеобеспечения в органи¬
ческом мире
359
нимают экономические стимулы. Так, в густонаселенных районах
США стоимость помещения бытовых отходов на свалку достигает
80 долл./т.
Уже на первых стадиях формирования отходов рекомендуется
не только раздельный сбор отходов промышленных и бытовых,
но и группировка их по типам. Так, не следует смешивать бумаж¬
ные, стеклянные, металлические и другие бытовые отходы. Если
бы мы извлекли из мусора и пустили в переработку всю бумагу и
картон, то мы бы не только спасли огромные площади лесов, но и
почти на 40 % снизили объем вывозимых на свалки твердых быто¬
вых отходов. Вместе с пищевыми отходами этот показатель дос¬
тиг бы V3 вывозимого мусора.
До настоящего времени достаточно острой для всех стран ос¬
тается проблема утилизации амортизированных автошин. В Ев¬
ропе ежегодно образуется около 2 млн т амортизированных шин,
а объем их переработки методом измельчения не превышает 10 %.
Вместе с тем амортизированная шина представляет собой ценное
вторичное сырье, содержащее 65 — 70% резины, 15 — 25% высо¬
кокачественного металла, 10—15% текстильного корда. Эконо¬
мически эффективная переработка автошин позволяет не только
решить экологические проблемы, но и обеспечить высокую рен¬
табельность перерабатывающих производств. Полученный в ре¬
зультате переработки автошин резиновый порошок практически
без потери качества используется при изготовлении широкого
спектра резинотехнических изделий: подкладок, прокладок, шлан¬
гов, вело- и автокамер, уплотнительных колец, резиновых сочле¬
нений, профилей, молдингов и т. д. При этом замена натуральных
и синтетических каучуков резиновой крошкой позволяет эконо¬
мить до 400 — 500 долл./т продукции.
Создание депо продуктов жизнедеятельности — организация
«техногенных месторождений» вместо «техногенных помоек» имеет
большие перспективы. Это и целенаправленное формирование
горных отвалов, и поиски безопасных способов консервации про¬
мышленных отходов, в том числе радиоактивных.
Фактически многие месторождения полезных ископаемых яв¬
ляются скоплением токсичных элементов и их ассоциаций.
Так, месторождения мышьяка, содержащие тысячи тонн этого
элемента, могут сотни миллионов лет сохраняться в недрах, не
принося никакого вреда окр>экающей природе. Любое месторож¬
дение можно рассматривать как «помойки природы», куда она
сбросила избыточные для данных условий элементы. Наверное,
здесь можно поучиться у природы. Может быть, по аналогии с
наукой бионикой нужна и наука геоника.
Возвращение продуктов жизнедеятельности в биогеохимиче-
ские циклы биосферы — наиболее кардинальное решение многих
проблем утилизации продуктов жизнедеятельности цивилизации.
360
Для практического воплощения этого пути необходимо глубокое
знание законов естественного круговорота элементов, начиная от
мелких местных геохимических циклов до более глубоких гори¬
зонтов земной коры.
* * *
Таким образом, дальнейшая эволюция цивилизации уже не
может идти спонтанно, без осмысленного использования бога¬
тейшего опыта накопленного знания.
Н. Н. Моисеев отмечал, что знание — это единственная форма
коллективной собственности, которая только умножается, если
ею будут пользоваться люди. Развитие, основанное на глубоком
знании естественных законов природы, он назвал коэволюцией.
Или люди сделают так, чтобы на планете стало меньше «гря¬
зи», или «грязь» сделает так, чтобы на Земле было меньше людей.
«Развитие мысли, — писал В. И. Вернадский, — в ходе времени
неизбежно представляется такой же частью изменения природы во
времени, какой является эволюция химических элементов, косми¬
ческих тел, животных и растительных форм. Это — процесс, ничем
не отличающийся от других естественных процессов... Мыслящий
человек есть мера всему. Он есть огромное планетное явление»*.
Будущее человечества как части единой системы биосферы за¬
висит от того, когда оно поймет свою связь с Природой (Высшим
Разумом, Богом, Мировой информацией) и примет на себя ответ¬
ственность не только за развитие общества (к чему стремились
все утописты), но и биосферы в целом.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте связь экологии с учением о биосфере и ноосфере.
2. В чем различия идеи покорения природы и стратегии рациональ¬
ного природопользования?
3. Охарактеризуйте существующие подходы к решению экологиче¬
ских проблем.
4. В чем достоинства и недостатки запретительных методов решения
экологических проблем?
5. Каковы задачи промышленной экологии?
6. Какие существуют пути выхода из кризисных экологических ситу¬
аций?
7. Почему необходимо согласование антропогенной деятельности с
законами природы?
8. Охарактеризуйте антропогенные экологические катастрофы.
9. Приведите примеры ноосферного решения экологических проблем.
10. В чем суть симбиотической системы получения продуктов жизне¬
обеспечения?
* Вернадский В. И. Размышление натуралиста. — М.: Наука, 1975. — С. 65.
362
(D
s
Д
a>
О
s
Оч
C
о
Л
S
09
О
&
О
s
s
n
в
s
s
c>
M
eo
tt
о
H
s
§
§
»4
H
U
О
Qi
X
X
A
H
О
u
90
рц
Й e5
S ? 2
s c
W ^
s 3
H Ч S
о o.g
2 2
tr^ о *
M О
CN G Q
Д £.
S Л
Dh s 5
g 5 Ч
к ^ о
rn m
hQ O
2
о ^ H
Cl( 3 G
О G Л
<=^ s 8
о G §.
1^ ct3 tt
bQ rv о
i^s
S Q.
&
G hQ 3 Й
W ^ & G
(U ex G (D
ex о >. fc:[
U G 3 G
^ a
T
CN
fS
о
О
о
О
h-H
•4
T-H
to
40
hh'' cg
2 ^
Л s
^ я
CO ex
a Ю
Ю Ю
« 3 ex
8 ^
G о ЧН
^ &3
pH ^ g
8 8 g
.5 ж
>> * 3
^ К
Й 3
s Ё
Я Л
о
to
40
40^
o"
o'
_ о
;§ 3
Ч i>
T
о о
40
to
|3
PQ
PQ
o^
to
и
40
T
о
7
1
О
1
rsT
О (Jh
lO
c3
I ;z:
o^
о
to
ад
s
(N
7
7
7
го
7
7
7
oC
о
1
о
о
1
О
lo
NO
ON
m
1
О
WO
7
о
о
о
WO
40^
о
о
О
т—Н
о
о
о
(N
m
(N
rs
о
ON
го^
^',
оо^
ОО^
го^
ON
ON
оо"
WO
Tf
огГ
CN
fN
I
гч
ГП
го
1
ГЦ
1
7
1
1
го
7
OO^
о
1
о
о
1
OO
ГЧ
m
1
О
WO
о
1
О
о
ГО
ГО^
о
О
f—н
о
i
О
о
о
(N
m
40^
(N
' ,
о
го
CN
ОО
го
ГЧ
чо"
суС
WO
(N
7
о
CN
О
(N
1
о
1
m
OO
tn^
7
о
го
гч
m
1
О
го
1
о
7
о
гч"
7
о
7
о
го
1
о
7
о
7
о
7
о
cn
m
о
WO
ГЧ
40
ГЧ
oi
m
гч
40
WO
оо
T
7
СП
7
го
7
«7
7
40
CN
о
NO
о
7
о
1
ri
wo
40^
о
wo
оо
о"
7
о
7
о
о
оо
WO
оо^
1гГ
О
о
WO
о
WO
о
ГЧ
1
О
о
WO
ГЧ
j—j
WO
V-H
ГЧ
г7
WO
ГО
7
го
7
7
о
7
7
7
(N
7
о
о
7
о
1
о
ro
(N
no"
о
Tj-
ON
о"
7
о
7
о
о
40
wo^
оо"
1
о
wo^
о
40^
о
го
о
оо
о
wo^
T-H
m
m
oo"
г7
гч
<N
гч
»-н
O^
ГЧ
1
о
7
о
7
о
7
о
!>.
7
о
7
о
7
о
О
о
tn
оо
7
о
7
о
го
1
о
го
1
о
7
о
7
о
ON
t—.
1
o"
04
^-
’Т'
т
т
to
m
wo
го
гч
гч
ГЧ
rs
го
ГЧ
O^
oo
fN
1
О
o^
7
о
1
(N
1
О
О
7
о
7
о
о
7
о
о
wo"
7
о
WO
ГО
ГЧ
О
7
о
7
о
го
О
CN
,-H
W0
ГЧ
’-Н
Ю
Г-.
40
WO
гч
оо
WO
го
oo
(N
Ph
00
6
Ьн
<
(Й
U
О
1УЗ
Н
>
«-Ч
и
с
S
CJ
о
и
Z
и
й
N
03
о
(U
о
363
$
§
о
X л fct
3 Й о
5 ? §•
Т
Т
rs
Г4|
ГП
(
7
т|-
40
7
S С
X X
S Э
о
о
о
1
о
О
о
о
о
о
1
1
1
О
40
о
о
н S
^ o.g
2 5
г-
•о
cn"
lo^
го
04
Г4Г
CN
го
<о
oq G о
(D
1 1 3 3
Т
о
40
1
т
7
7
7
Г<-)
1
т
7
7
|t*i
sgsg
о
40^
чо"
о
40
о
40
1
о
?N
10^
rj-
о
го
о
Н-—(
Г41
о
гч
о
т-Н
CN
1
1
1
1
о
о
го
3 о
4 л
о - н
Он 3 S
Т
т
ГЧ
7
о н о
о
1
о
О
7
о
7
7
"Y
40
1
7
j
^ S 2
(U ® S
03 ч
Он о
'~~^
о
1
о
о
еду
1“—н
о
1
1
1
О
о
О
to
10
о
2 ^ Й
т—Н
оГ
го
го
CN
OJ
to
S о
2 ^ -г 3
S л а й
® 3 Й S
Ct S Й
о
40
о
т
о
1
гч
1
О
7
о
7
о
7
о
7
о
40
О
S О д S
2^ 2 Ь
to
1
т
1
40
1
1
1
1
1
и G 3 д
сЗ
о1
•о
оо
г4
гч
04
!>.
0> HH*" о
Э 3 |2 ч
т
40
7
7
7
7
ГГ)
т
40
1
7
1 ° ^ S
$ О ОЗ 2
о
о
о
1
о
о
о
о
1
о
н—Н
о
1
1
1
о
О
о
Д О сх
О е 03 ю
О ^ ю
^ оЗ
rsl
»о
со
to^
CN
-
гм
1
1
04
04
(-Ц
«3d
2 ^ ^
о R S
<п
1
*v
7
гп
7
т
7
7
40
7
X о
2 о 3
д Й
fin Н
а 3 д
о
»о
о
«о
о
to
1
о
гч
о
1
о
го
о
о
Г4|
1
1
1
о
гм
1
О
to
о
to
>> ® 3
2 13
а н Й
Д S S
® 2^ о
(U о м
2 д
S о
^ S ^
о
го
т
1
О
о
10
1
Т
о
to
го
о
1—н
rs
О
оо
СП
о
го
un
О
го
>о
1
О
Н—(
40
1
Т
о
7
о
04
о
7
О
04
О
1 н
2 ®
ел
<
(U
оо
Vh
PQ
^-1
X)
t-1
ел
(-Н
N
JO
о
S
о
Н
д
с2
'ТО
Он
ед
<
'ТО
и
364
О
1
о
о
Г'
1
о
»о
о
1
т
о
7
о
го
о
го
о
7
о
7
о
1
7
о
1
о
7
о
7
о
7
о
7
о
lo
гч
UO
го
40
04
гч
04
го
ОО
го
ОО
го
UO
т-^
о
гп
о
т
о
40
о
о
О
гч
1
О
го
о
го
О
7
о
7
о
1
7
о
7
о
7
о
7
о
7
о
7
о
7^
1
"Г
го
1
UO
UO
04
10
ю
rs
ОО
гГ
UO
ю
CN
4о"
40
1
о
Т
о
wo
1
о
о
о
1
т
о
гя
о
о
7
о
СП
1
о
7
о
1
7
о
7
о
7
о
7
о
т1-
о
7
о
40^
(N
го
40^
гч"
т—Н
UO
го
оо"
40
40^
04
UO
04
ю
гч
чо"
fN
7
W0
1
WO
1
о
о
о
о
г-н
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
ч—н
1
1
wo^
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
rs
го
чо"
wo
1
Т
т
о
г-
7
7
7
7
го
1
7
7
7
7
7
7
о
о
1
о
о
1
о
о
о
о
о
о
1
о
о
о
о
о
о
UO
*
*
го
10
гч
UO
Jh
UO
ОО
•Г4
-н
rs
гч
40
WO
WO
WO
W0
W0
7
О
О
о
о
о
О
О
1
1
1
1
1
о
1
1
1
1
1—1
’-н
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
ГО
UO
Jh
7
WO
40
Ш
1
7
7
7
WO
1
WO
1
WO
1
40
1
7
7
о
7
о
о
о
о
о
1
О
т-^
о
о
о
О
о
1
О
О
о
о
1—ц
ио^
го
о
UO
40
го
UO
40
fN
ОО
»iO
г-
й
й
сл
X)
сл
<D
н
_
<D
X
ел
и
а
да
а
да
о
и
Vh
да
'О
:z;
S
да
а
ел
Й
да
"О
о
Н
>>
о
о
X
365
а;
у
о
X л t[
я S 2
1^1
^ X
Т
о
‘?
о
*т
о
ю
1
О
т
о
т
о
Т
о
т—1
О
1
1
1
0
"f
0
S 1-г ®
о о Э
го
го
оо
3
13
го
(3
го
^ 2 о
го
гч
го
го
оо"
(N с о
(U
^ ^ •'C^
S ё ^ Э
т
о
<4П
о
f
*?
ж
1
о
ж
Г|-
*?
^ о ^ в
1—Н
о
о
О
о
о
о
Э о S «
10
WO
in
1
1
1
1
о е vb 5
О
гч"
гч"
го
40
го
rs
3
° й
а 3 я
о Н СХ
С S о
Т
о
О
Т
о
Т
о
т
о
т
о
Т
о
00
1
0
7
о
о
40
1
О
(D я ®
т—Н
^-Н
Т-Н
1
1
^ 5
л rv о
ч аз
го
3
in
in
го^
»п
оо
Н ^ Й
Я о.
го
40
4о"
Рн
S я 3 g
7
* 3 ё я
ч 2 S ^
D &1 Д (t)
1
1
1
1
о
о
Н
о
1
1
1
1
1
1
Л О >. Ч
и с 3 я
с^
г-
2 Я' d
ю
оо
ж ^ н ^
S § g S
Т
о
w->
1
О
т
о
*?
о
Т
о
о
Т
о
о
vp
0
О
"f
0
2 л л
т—Н
т—Н
1-Н
г-н
г-н
т—Н
1
1
т—1
я о Ян
о я л VD
0 ^ 3
ГЧ
ГЧ
40
-
оо^
-
1—н
Г-"
-
04
(-1
«3d
2 ^ ^
40
® о н
о сх ®
О О ^
1
о
О
о
vp
0
О
"f
0
Й с н
1
1
1
1
1
1
1
1-—н
i-H
’—t
ж
S 3 *
оо
-
ГЧ
Ш
-
>> ® 3
^
3 S g
я я я
>о
■ж
1
»о
40
1
О
1Л1
"f
«о
О
оо
»о
О
т
1/|5
О
Т
я Рн
о
О
о
т“Н
о
0
г-н
О
О
о
о
<1^ р tt
S н я
гч
т—Н
UO
in
3
ОО
т-Н
«So
to
ГЧ
оо
in
ГЧ
го
^ S 3
го
1 н
2 я
Ч (D
}-i
Ш
в
н
я
Сн-н
д
а
Н
(D
сл
о
}н
-»—»
Рч
я
<
W)
д
366
"Г
о
1
о
о
о
"Г
о
1
о
'Т
о
УГ)
о
"Г
о
УП^
СП
о
УП
о
in
'Т
о
о
оо
о
1-
о
гч
оо
СП
in
"f
о
1Г1
1
О
г<
1
О
t—н
Г|-
о
о
ш
СП
rj-
о
WO
о
CS
О
СП
"Г
о
40
о
Н
д:>
Он
S
ХЗ
Н
р
s
Д
<L>
О
s
Оч
p:
Э
и
T
X
ee
&
Оч
H
и
X
X
fj
a
s
о
о
s
о
X*
><
о
X
о
с
(^
о
s
Оц
s
ч
t=I
BuuAdJirojj
(BH3xode)
Bde
(Биэхоное)
HOG
о
H
c3
PQ
H S
t=t hQ
О
Oh
CX ®
^ <L>
ffi Д S'
ry a> о
^ Я" H
Д О ^
Й H =S
Д- о <D
О 'S ^
2 <D c
0^0
tS C ^
CX
=s
H
Я
a.)
О
pa
(U jS
^ s
Я H
Л c=;
О ^
3S
3
я
o>
Я
<D
Г0
^ SS
PQ ®
2
я ®
<D P
2
о о
Д 5.
Я «
^ SS
ра W
^ S
я ®
о <1^
Я
О
ю
>.
я
о
зЯ
я
я
я
я
я
я
я
Он
о о
(D <1^
СЗ я
оо^
сао^
о
in
'Р
o'
я-
СП
я-
40
5Я
О сЗ
« д
о о
я я
CD (D
S5
’5 W
Я СЗ
Я Я
о о
Рч Рч
as
40
о
оо
7Х иоеониБ^
in
40
7]Д[ MoeoeojAj
HOGOdOHHcJ)
368
3
PQ
О
s
я
я
X
Рн
я
я
я
п
со
о
G
=я
о ^
2 ffl
S g
а ®
/S'
О ^
зЯ
3
р
(U
и
3
Я
(D
Я
я
я
р
о
=я
3
я
<L>
я
(D
со
I
о
р
(D
и
«
3
я
о
я
я
я
о
«
3
я
<L>
я ^
(D =Я
? 3
(U я
я 3
я g
и vb
5Я
я
я
я;
(D
р
я
я
я
я
(D
р
и
я
^ SS
я да
о о
^ £
я S
5Я я
S в
о ^
3 ^
^ &
<L> 2^
с в
и
^ £
я к
да 5
2
^ S'
2
® £
® £
3 ^
^ й
•
Ci;
S'
я
я
я
3
я
я
я
я
я
р
5Я я
я я
1> 0>
пз
оо
зя S'
я я
2
Jjs) =я
я S
р ^
S >>
>=^ 5
я S
и 3
зЯ я
‘-' я
я
о
я
я
о
п
р
о
я
2
о
я
я
о
я;
р
о
Ci;
зя S'
я я
О g
зя =5
я S
р ^
ю ^
3 ^
S
о
о
(N
Я
я-
Ш
ON
(N
УГ)
40
о
40
СП
СП
я-
я-
г-
я-
о ю
^ S
^Zd иоесюхгви
иинх(1э9
^Zd
иоеоэ1ши иинЬ'э(1э
’ZJ
И0£0Э1ШП ИИНЖИН
УГ)
CN
2(j иоеоэ1ши
СП
УП
369
s
X
<D
n
о
s
a
C
Pm
lO
s
§
« X
^ к
о л
i §
S я
о Си
s «
о В
S1?
Й &
л ""
I
^1
X Л
<
»!
W
X
О
5S
:s:
X
X
cd
Л
« «
S ^ S ^
д in д о
X гм ^ Tj-
g"^ S "X
« > PC >
»n
40
« ’5
СЗ ^
>г
и
t:^
X
(U
«
m
m
m
=S
о
'&'
S
Oh
О «
^ s
+1
о
о
40
5S
<D
-e
s
о 'S
СГ) Д
+1 X
^ 5
^ о
5S
CJ
tsl
O,
О ^
^ ЗД
+1 s
о *
5
m S
. Cu
О
oo
о
3S ^
Д w
Д rs
gOH
X 3®
^ о
’I s
X &
X H
a о
<u o.
CQ X
5® ^
® о
Д m
X
Dh^
0> rn
PQ Pii
5
Д CM
tj m
CL) ^
Cl ГЧ
U
® о
Д о
® -H
X
3®
CD
'Э
®
Oh
CN
fN^
S' p^
® Ph
• S- =S
о о
<л c ®
® ^ CL
® 5Д ,js:
® ® s
Д ® §
X X ^
CL CL CL
0> CD
PQ PQ 2
3® g
s ^
® ' ■
X
® ^Ph
® =® dS
® ® Д
Я ® Й
^ ^ S
® ®
PC PC S
О
in
+1
о
in
40
P^
PLh
S'
®
3® CD
® CL
Д c^
яВ
ей
CL 3®
^ О
CO
3®
®
я
®
X
о
CL
H --
я ^
^ j Hoeodaiodxi
о
in
+1
о
о
m
гм
370
л
л
е
S
S
а;
I
список ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература
Алексеенко В. А. Экологическая геохимия / В. А. Алексеенко. — М. :
Логос, 2000. — 626 с.
Безуглова О. С. Биогеохимия / О. С. Безуглова. — Ростов н/Д : Фе¬
никс, 2000. — 320 с.
Вернадский В. И. Очерки геохимии / В. И. Вернадский. — М. : На¬
ука, 1983. — 422 с.
Вернадский В. И. Биосфера. Мысли и наброски / В. И. Вернад¬
ский. — М. : Издательский дом «Ноосфера», 2001. — 244 с.
Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера / В. И. Вернадский. — М. :
Наука, 1989. - 261 с.
Вернадский В. И. Избранные сочинения : в 5 т. / В. И. Вернадский. —
М. ; Л. : Изд-во АН СССР, 1954-1960.
Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окру¬
жения / В. И. Вернадский. — М. : Наука, 1987. — 339 с.
Войткевич Г. В. Основы геохимии / Г. В. Войткевич, В. В. Закруткин. —
М. : Высш. шк., 1976. — 368 с.
Добровольский В. В. Основы биогеохимии / В. В. Добровольский. —
М. : Издательский центр «Академия», 2003. — 400 с.
Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии /
Г. А. Заварзин. — М. : Наука, 2004. — 348 с.
Мейсон Б. Основы геохимии / Б. Мейсон. — М. : Недра, 1971. —
312 с.
Мияки Я. Основы геохимии / Я. Мияки. — М. : Недра, 1969. — 327 с.
Перельман А. И. Геохимия / А. И. Перельман. — М. : Высш. шк.,
1979. - 423 с.
Сауков А. А. Геохимия / А.А. Сауков.— М. : Наука, 1966. — 487 с.
Савенко В. С. Что такое жизнь? Геохимический подход / В. С. Савен-
ко. — М. : Логос, 2004. — 203 с.
Трофимов В. Т. Экологическая геология : учебник / В. Т. Трофимов,
Д. Г. Зилинг. — М. : ЗАО «Геоинформмарк», 2002. — 415 с.
Тугаринов А. И. Общая геохимия / А. И. Тугаринов. — М. : Атомиз-
дат, 1973. — 288 с.
Тюрюканов А.Н. Н. В. Тимофеев-Ресовский : Биосферные разду¬
мья / А. Н.Тюрюканов, В. М. Федоров. — М. : Изд-во РАЕН, 1996. —
368 с.
Ферсман А. Е. Геохимия : в 4 т. / А. Е. Ферсман. — Л. : ОНТИ, 1934 —
1939.
Холодов В.Н. Геохимия осадочного процесса / В. Н.Холодов. — М. :
ГЕОС, 2006. - 608 с.
Шипунов Ф.Я. Организованность биосферы / Ф. Я. Шипунов. — М. :
Наука, 1980. - 291 с.
Ш
Справочная литература
Берч Фр. Справочник для геологов по физическим константам / Фр. Берч,
Дж. Шерер, Г. Спайсер. — М. : Изд-во иностр. лит., 1949. — 303 с.
Краткий справочник по геохимии / [Г.В.Войткевич и др.]. — М. :
Недра, 1977. - 184 с.
Иванов В. В. Экологическая геохимия элементов : справочник : в 6 кн. /
В.В.Иванов. — М. : Экология, 1994—1996.
Краткий справочник физико-химических величин. — Л. : Химия,
1974. - 200 с.
Наумов Г. Б. Справочник термодинамических величин (для геоло¬
гов) / Г. Б. Наумов, Б.Н.Рыженко, И. Л.Ходаковский. — М. : Атомиздат,
1971. - 240 с.
Справочник физических констант горных пород. — М. : Мир, 1969. —
543 с.
Дополнительная литература
К главе 1
Вернадский В. И. Труды по всеобщей истории науки / В. И. Вернад¬
ский. — М. : Наука, 1988. — 336 с.
Джуа М. История химии / М.Джуа. — М. : Мир, 1966. — 452 с.
История геологии / под ред. И. В. Батюшковой. — М. : Наука, 1973. —
388 с.
К главе 2
Арсеньев А. С. Анализ развивающегося понятия / А. С. Арсеньев,
B. С.Библер, Б. М. Кедров. — М. : Наука, 1967. — 239 с.
Вернадский В. И. О научном мировоззрении // Вопросы философии
и психологии. — 1902. — № 65. — С. 1409—1465.
Вернадский В. И. О науке / В. И. Вернадский. — Дубна : Издатель¬
ский центр «Феникс», 1997. — Т. 1. — С. 11—67.
Вернадский В. И. Труды по философии естествознания / В. И. Вер¬
надский. — М. : Наука, 2000. — С. 18 — 49.
Вернадский В. И. Биосфера / В. И. Вернадский. — М. : Мысль, 1967. —
C. 235-240.
Вернадский В. И. Избранные труды по истории науки / В. И. Вернад¬
ский. - М. : Наука, 1981. - С. 190-214.
Планк М. Единство физической картины мира / М. Планк. — М. :
Наука, 1966. - С. 23-230.
Пуанкаре А. О науке / А. Пуанкаре. — М. : Наука, 1990. — 643 с.
Эйнштейн А. Принципы научного исследования // Физика и реаль¬
ность. — М. : Наука, 1965. — С. 8—10.
К главе 3
Виноградов А. П. Химическая эволюция Земли // Первое чтение имени
В. И. Вернадского. — М. : Изд-во АН СССР, 1959. — 23 с.
373
Гаврусевин Б. Л. Основы общей геохимии / Б. А.Гаврусевич. — М. :
Недра, 1968.
Флоренский К. П. О начальном этапе дифференциации вещества Зем¬
ли // Геохимия. — 1965. — № 8. — С. 909 — 917.
К главе 4
Вернадский В. И. О значении радиогеологии // Избранные сочине¬
ния. - М. : Изд-во АН СССР, 1954. - Т. 1. - С. 692.
Титаева Н.А. Ядерная геохимия / Н. А.Титаева. — М. : Изд-во МГУ,
2000. - 336 с.
Шуколюков Ю.А. Графические методы изотопной геологии /
Ю.А. Шуколюков, И. М. Горохов, О. А.Левченков. — М. : Недра, 1974. —
208 с.
К главе 5
Зверев В. 77. Подземные воды земной коры и геологические процес¬
сы / В. П. Зверев. — М. : Научный мир, 2006. — 256 с.
Крайнов С. Р. Геохимия подземных вод / С. Р. Крайнов, Б. Н. Рыжен-
ко, В. М. Швец. — М. : Наука, 2004. — 677 с.
Ронов А. Б, Химическое строение земной коры и геохимический ба¬
ланс главных элементов / А. Б. Ронов, А. А.Ярошевский, А. А. Мигдисов. —
М. : Наука, 1990. ~ 182 с.
К главе 6
Заварзин Г. А. Бактерии и состав атмосферы / Г. А. Заварзин. — М. :
Наука, 1984. ~ 199 с.
Лапо А. В. Следы былых биосфер / А. В. Лапо. — М. : Знание, 1987. —
205 с.
Перельман А. И. Биокосные системы Земли / А. И. Перельман. — М. :
Наука, 1977. - 160 с.
Перельман А. И. Очерки геохимии ландшафта / А. И. Перельман. —
М. : Географиздат, 1955. — 392 с.
Перельман А. И. Геохимия ландшафтов / А. И. Перельман, Н. И. Ка¬
симов. — М. : Астрея-2000, 1999. — 768 с.
Савенко В. С. Что такое жизнь? Геохимический подход / В. С. Савен-
ко. — М. : Логос, 2004. — 203 с.
Тюрюканов А. Н. Биосферные раздумья / А. Н. Тюрюканов, В. М. Фе¬
доров. — М. : Изд-во РАЕН, 1996. — 368 с.
К главе 7
Буллах А. Г. Физико-химические свойства минералов и компонентов
гидротермальных растворов / А. Г. Буллах, К. Г. Буллах. — Л. : Недра,
1978. - 167 с.
Гаррелс Р.М. Растворы, минералы, равновесия / Р. М. Гаррелс,
Ч.Л.Краст. — М. : Мир, 1968.
374
Киреев В.Л. Краткий курс физической химии / В. А. Киреев. — М. :
Химия, 1978. — 624 с.
Мюллер Р. Химическая петрология / Р. Мюллер, С. Саксена. — М. :
Мир, 1980. - 517 с.
Шредингер Э, Что такое жизнь с точки зрения физики / Э.Шредин-
гер. — М. : Изд-во иностр. лит., 1947. — 148 с.
Эверет Д. Введение в химическую термодинамику / Д. Эверет. — М. :
Изд-во иностр. лит., 1963. — 299 с.
К главе 8
Цимбал Л. Ф. К методике количественного анализа форм нахожде¬
ния урана в горных породах // Л. Ф. Цимбал, Г. Б. Наумов, И. Г. Макси¬
мова // Геохимия. — 1986. — № 4. — С. 502 — 512.
К главе 9
Наумов Г. Б. Основы физико-химической модели уранового рудооб-
разования / Г. Б. Наумов. — М. : Атомиздат, 1978. — 216 с.
Ферсман А.Е. Миграция химических элементов / А. Е. Ферсман. —
Геохимия. - Т. 2. - Л. : ОНТИ, 1934.
К главе 10
Алексеенко В. А. Геохимические барьеры / В. А. Алексеенко, Л. П. Алек¬
сеенко. — М. : Логос, 2003.
Геохимическая роль и место рудоподготовительных процессов в мо¬
делях гидротермального рудообразования / [Г. Б. Наумов и др.] // Гене¬
тические модели эндогенных рудных формаций. — Новосибирск : На¬
ука, 1983. - С. 34-42.
К главе 11
Вернадский В, И. Научная мысль как планетное явление // Труды по
философии естествознания. — М. : Наука, 2000. — С. 316 — 451.
К главе 12
Вернадский В. И. Несколько слов о ноосфере // Успехи современной
биологии. - 1944. - Т. 18. - № 2. - С. 113-120.
Вернадский В. И. Философские мысли натуралиста / В. И. Вернад¬
ский. — М. : Наука, 1988. — С. 503 — 512.
Вернадский В. И. Эволюция видов и живое вещество // Природа. —
1928. - № 3. - С. 227.
Вернадский В, И. Избранные сочинения / В. И. Вернадский. — М. :
Изд-во АН СССР, 1960. - Т. 5. - С. 238-251.
Розанов А. Ю. Ископаемые бактерии и новый взгляд на процесс седи¬
ментации // Соросовский образовательный журнал. — 1999. — № 10. —
С. 63-68.
375
Экологическая химия / [Ф.Кортэ и др.] ; пер. с нем. — М. : Мир,
1996. - 396 с.
К главе 13
Вернадский В, И. Научная мысль как планетное явление // Труды по
философии естествознания. — М. : Наука, 2000. — С. 316 — 451.
Наумов Г. Б. Аксиомы ноосферной концепции В. И. Вернадского //
Науковедение. — 2001. — Nq 4. — С. 146 — 162.
Наумов Г, Б. О понятии ноосфера // Науковедение. — 2002. — № 3. —
С. 86-96.
К главе 14
Горшков С. 77. Концептуальные основы геоэкологии / С. П. Горшков. —
Смоленск : Изд-во Смолен, гуманитарного ун-та, 1998. — 448 с.
Заварзин Г. А. Смена парадигм в биологии // Вестник РАН. — 1995. —
Т. 65. - № 1. - С. 8-23.
Моисеев Н. Н Универсум. Информация. Общество. — М. : Устойчи¬
вый мир, 2001. —200 с.
Сает Ю.Е. Геохимия окружающей среды / Ю.Е.Сает, Б.А. Ревич,
Е.П.Янин. — М. : Недра, 1990. — 335 с.
Трансформация экологических функций литосферы в эпоху техноге¬
неза / [В.Т.Трофимов и др.]. — М. : Ноосфера, 2006. — 720 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
От автора 3
Введение 9
РАЗДЕЛ I
ГЕОХИМИЯ - НАУКА XXI ВЕКА
Глава 1. Из истории геохимических идей 12
Глава 2. Методология естественно-научного изучения
природы 25
2Л. Естественные тела природы 25
2.2. Эмпирические факты и эмпирические
обобщения 27
2.3. Научные объяснения 28
2.4. Анализ и синтез 29
2.5. Система научного знания 30
2.6. Научные принципы 31
2.7. Представления о Космосе 36
2.8. Физическая и химическая анизотропия 38
2.9. Диссимметрия 39
2.10. Степень открытости и равновесности геохимических
систем 41
2.11. Место геохимии в естественно-научном
знании 42
2.12. Классификации природных объектов 43
2.13. Моделирование природных процессов 46
РАЗДЕЛ II
СТРОЕНИЕ И СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Глава 3. Распространенность химических элементов в природных
объектах 48
3.1. Строение атомов химических элементов 48
3.2. Распространенность элементов в космосе 50
3.3. Современные взгляды на происхождение
Солнечной системы 58
3.4. Эволюция представлений о происхождении
земных оболочек 60
3.5. Средний элементный состав земной коры
и ее слоев 63
3.6. Преобладающие минералы пород литосферы 65
377
3.7. Анализ распределения химических элементов 67
3.8. Масштабы объектов и анализа 73
3.9. Картирование распределения элементов 78
Глава 4. Основы геохимии изотопов 80
4.1. Стабильные и радиоактивные изотопы 80
4.2. Принципы методов радиогенного определения возраста
геологических объектов 88
4.3. Радиогенные изотопы 90
4.4. Методы неравновесного изотопного
датирования 96
4.5. Космогенные радионуклиды — трассеры
природных процессов 96
Глава 5. Строение и состав земных геосфер 101
5.1. Геосферы Земли 101
5.2. Атмосфера 102
5.3. Гидросфера 114
5.4. Литосфера 131
Глава 6. Биосфера 138
6.1. Понятие «биосфера» : 138
6.2. Понятие «живое веш,ество» 142
6.3. Возникновение биосферы 144
6.4. Биокосные тела 146
6.5. Различия между живым и косным веществом 148
6.6. Геохимические функции живого вещества 150
6.7. Геохимические функции абиотических
геосфер 156
6.8. Биомасса Земли 157
6.9. Границы биосферы 158
6.10. Структура биосферы 159
6.11. Биокосные системы 165
6.12. Энергетика биосферы 169
6.13. Организованность биосферы 172
6.14. Области былых биосфер 174
Глава 7. Термодинамика геохимических процессов 177
7.1. Термодинамика в геохимии 177
7.2. Термодинамические системы 178
7.3. Исходные положения термодинамики 180
7.4. Состояние химического равновесия 184
7.5. Термодинамические расчеты 187
7.6. Физико-химические диаграммы 193
7.7. Равновесное и устойчивое состояния 203
7.8. Кинетика геохимических процессов 205
378
7.9. Подвижность компонентов и локальные равновесия
в реальных геологических системах 207
7.10. Термодинамика живого вещества 208
РАЗДЕЛ III
ГЕОХИМИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ
Глава 8. Формы нахождения элементов
в геологических телах 211
8.1. Понятие о формах нахождения элементов 211
8.2. Минеральные формы 211
8.3. Формы нахождения элементов в горных породах 220
8.4. Формы нахождения элементов в растворах,
расплавах и газах 221
8.5. Элементы в живых организмах 224
Глава 9. Миграция химических элементов 227
9.1. Миграция и ее параметры 227
9.2. Факторы миграции 229
9.3. Дифференциальная миграция 229
9.4. Поверхностный перенос 230
9.5. Эндогенная миграция элементов 232
9.6. Механизмы миграции 237
Глава 10. Геохимические барьеры 251
10.1. Основные характеристики геохимического
барьера 251
10.2. Типы барьеров 253
10.3. Процессы рудообразования на геохимических
барьерах 269
10.4. Экологическая роль геохимических барьеров 271
Глава 11. Геохимические циклы 272
11.1. Природные круговые процессы 272
11.2. Метаболизм биосферы 279
11.3. Геохимические циклы отдельных элементов 280
11.4. Цикличность и эволюция 289
РАЗДЕЛ IV
ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ
Глава 12. Эволюция биосферы 292
12.1. Идея эволюции 292
12.2. Происхождение жизни 294
12.3. Круговорот вещества — механизм развития 298
379
12.4. Страницы эволюции биосферы 299
12.5. Эволюция процессов рудообразования 306
12.6. Основные принципы эволюции биосферы 309
12.7. Геологические и биологические ритмы 310
12.8. Развитие информационного обмена в биосфере 316
12.9. Косное и живое в эволюции биосферы 320
Глава 13. Переход биосферы в ноосферу 323
13.1. Появление человека — новый этап
эволюции биосферы 323
13.2. Человек — геологическая сила 325
13.3. Ноосфера — стадия развития биосферы 330
13.4. Начало ноосферы 332
13.5. Ноосфера нашего времени 334
13.6. Энергия ноосферного развития 334
13.7. Научная мысль 336
13.8. Информация в развитии ноосферы 337
Глава 14. Пути ноосферного развития 340
14.1. Общая экология 340
14.2. Техническое мышление 341
14.3. Экологические обстановки 341
14.4. Существующие подходы к решению экологических
проблем 342
14.5. Минимизация техногенных загрязнений 347
14.6. Системный подход 350
14.7. Ноосферная стратегия XXI века 351
14.8. Пути решения глобальных экологических проблем 353
14.9. Минимизация извлечения продуктов жизнеобеспечения.... 354
14.10. Симбиотическая система получения продуктов
жизнеобеспечения 356
Приложения 362
Список литературы 372
Учебное издание
Наумов Георгий Борисович
Геохимия биосферы
Учебное пособие
Редактор Е. Б. Мисаилова
Технический редактор О. Н. Крайнова
Компьютерная верстка: А. А. Ратникова
Корректор В. В. Лоскутова, Л. В. Гаврилина
Изд. № 101114673. Подписано в печать 29.01.2010. Формат 60x90/16.
Гарнитура «Таймс». Печать офсетная. Бумага офсетная № 1.
Уел. печ. л. 24,0. Тираж 2 000 экз. Заказ № 6062
Издательский центр «Академия», www.academia-moscow.ru
125252, Москва, ул. Зорге, д. 15, корп. 1, пом. 266.
Адрес для корреспонденции: 129085, г. Москва, пр-т Мира, д. 101в, стр. 1, а/я 48.
Тел. 8(495)648-05-07, факс 8(495)616-00-29.
Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.60.953.Д.007831.07.09 от 06.07.2009.
Отпечатано в ОАО «Тверской полиграфический комбинат».
170024, г. Тверь, пр-т Ленина, 5.