Роль геохимических циклов в биосфере (стр. 1 из 4)

1. Группа циклических или органогенных элементов

Циклические или органогенные элементы имеют наибольшую суммарную массу в биосфере.

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

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

Элементы этой группы образуют циклы, характеризуемые химическими соединениями, молекулами или кристаллами. 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 наши будущие открытия более или менее изменят наши современные представления, они не поколеблют основного эмпирического обобщения – господствующего значения химических соединений и обратимых циклов в истории главной массы земной коры.

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

2. Геохимический круговорот углерода

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

CO₂ – единственный ювенильный и фреатический минерал углерода, проникающий в большом количестве в биосферу.

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

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

Углеводороды (главным образом метан), которые, несомненно, приходят из глубоких слоев земной коры, только отчасти ювенильного происхождения. Большая часть их массы образуется в вадозных областях: таковы газы болот (биохимический продукт). Другая создается в стратисфере, например газы, выделяющиеся в каменноугольных копях.

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

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

Морская жизнь → морской ил → осадочные породы → газы.

Переход в газы должен происходить в процессах биохимического и безжизненного изменения в бескислородной среде.

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

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

Геохимический цикл углерода

живое вещество

Биосфера CH₄ CO₂ живое CO₂

вещество карбонаты

карбонаты

CH₄ угли нефти

Фреатические карбонаты самородный углерод

оболочки C

карбонаты (графит) CO₂

карбонаты

Ювенильные CH₄ CO₂ CO самородный (графит)

оболочки

каолиновые

алюмосиликаты

металлические С

карбиды

карбоносиликаты CO₂

карбиды

карбонаты

CO₂ металлические карбонаты алмаз

3. Жизненный цикл углерода

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

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