25
нуждается. Фосфор, накопленный в отложениях на мелководьях в иле в процессе фоссилизации, высвобождается, когда в зимнее время среда становится анаэробной. Таким образом, естественные условия, способствующие выбыванию серы из круговорота при ее восстановлении в присутствии закисного железа, обеспечивают высвобождение фосфатов. В водной среде круговорот фосфора осуществляется живыми организмами с большой скоростью: от 10 минут в поверхностных водах до нескольких часов в океане.
Если в наземных экосистемах круговорот фосфора протекает в оптимальных условиях с минимум потерь, то в океане дело обстоит далеко не так. Это связано с седиментацией (осадконакоплением, осаждением) органических веществ и, в частности, с осаждением богатых фосфором трупов рыб, не использованных детритофагами фрагментов мертвого органического вещества. Выведение масс фосфора в осадочные толщи ориентировочно составляет (2-10)* 106 т/год.
Органический фосфор, осевший на небольшой глубине приливноотливных зон, может быть возвращен в круговорот после минерализации. Однако это не распространяется на глубоководные отложения, занимающие 85 % общей площади океана. Частично фосфор в поверхностные воды океана возвращается за счет апвеллинга (подъема океанических глубинных вод). Основная масса фосфатов, отложенных на больших морских глубинах, исключается из биосферы. Моря и океаны являются главными аккумуляторами фосфора. Попав в водоем, фосфорные соединения практически надолго выбывают из биологического круговорота.
Но элементы осадочного цикла не могут накапливаться до бесконечности на дне океана. Тектонические движения способствуют медленному подъему на поверхность осадочных пород, накопленных на дне геосинклиналей.
Характерная особенность глобального цикла фосфора – отсутствие постоянно действующего потока, возвращающего крупные массы элемента на сушу. Перенос его через атмосферу в форме аэрозолей незначителен и не может компенсировать вынос элемента с водным потоком с суши в океан. Медленное, но непрекращающееся осаждение фосфора в океане неуклонно выводит его из миграционных циклов низшего ранга. Глобальный цикл фосфора является наименее замкнутым по сравнению с другими рассмотренными ранее элементами. Единственный природный источник
26
поступления элемента в глобальный цикл – выветривающиеся горные породы суши. Прогрессирующая потеря фосфора континентами может быть восполнена только поступлением в зону гипергенеза осадочных пород, в которых был аккумулирован элемент. В некотором роде, возвращение фосфора на сушу связано с образованием гуано, но эта величина незначительна (0,1*106 т) и явно уступает выносу фосфора в гидросферу.
Хозяйственная деятельность человечества вносит существенные изменения в массообмен фосфора. Прогрессирующее внесение в обрабатываемые почвы фосфорных удобрений, значительная часть которых смывается, служит одним их главным факторов эвтрофикации озер и мелководных прибрежных участков эпиконтинентальных морей. В производстве фосфорных удобрений используется около 14*106т фосфора в год. Не менее сильное загрязнение соединениями фосфора происходит бытовыми и промышленными стоками.
Вопросы и задания
1.К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот фосфора?
2.В чем особенности наземного и морского путей трансформации фосфора?
3.Рассмотреть схему 10 (см. прил.) и выявить особенности преобразования фосфора в природе.
Биогеохимический цикл кальция
Кальций относится к главным элементам земной коры, его кларк 3,6 %. Кальций проявляет свойства типичного литофильного элемента, ведет себя как химически активный металл и образует свыше 400 минералов. Он относится к главным породообразующим химическим элементам и по количеству создаваемых минералов занимает четвертое место после водорода, кислорода и кремния. Минералы кальция представлены силикатами, окислами, карбонатами, сульфатами, вольфраматами, молибдатами и галогенами.
В магматических средних и основных породах сосредоточен в плагиоклазах. Значительно меньше кальция в кислых и ультраосновных породах. Максимальное накопление кальция (до 5,8) проявляется в базальтовом слое земной коры, по сравнению с 2,7 % в гранитном слое. В
27
целом минеральные формы нахождения кальция в изверженных породах отличаются большим разнообразием.
При выветривании горных пород в зоне гипергенеза в первую очередь разрушаются кальциевые силикаты. В зоне выветривания горных пород кальций интенсивно мигрирует в форме Са2+ и ведет себя как отчетливо выраженный биофильный элемент. Кальций играет ответственную роль в физиологии организмов. В растениях он участвует в углеводном и азотном обмене, в организме животных – в свертывании крови. Его содержание в живом веществе колеблется от 0,1 до 2 %. В организме животных кальция накапливается больше, чем в растениях. Масса кальция, содержащаяся в составе живого вещества суши, составляет около 30*109 т. Это количество на три порядка больше кальция, находящегося в биомассе фотосинтетиков океана (30*106т).
Главным источником кальция на суше является почва, куда элемент поступает в результате разрушения горных пород. Среднее содержание кальция в почвах – 0,6-2 %. В почвах он находится в составе первичных и вторичных минералов: плакиоклазов, слюд, роговых обманок, глинистых минералов, гидрослюд, кальцита, а также в составе простых солей и гумуса. Масса кальция в органическом веществе почвы равна 15*109т. Кальций является «стражем» плодородия почвы, обеспечивая ее благоприятные физико-химические свойства. Для растений кальций доступен в виде катиона.
Кальций, участвуя в жизненных циклах живых организмов, после их отмирания и минерализации органических остатков и в прижизненном цикле с экскрементами возвращается в почву и становится доступным для включения в повторный круговорот. Этот наземный цикл кальция нарушается выщелачиванием – выносом его со стоком в реке и моря. Выщелачивание кальция из почвы приводит к деградации ее плодородия и к ослаблению корневых систем растений.
Вионном стоке с материков кальций занимает первое место среди катионов. Средняя концентрация кальция в океане – 408 мг/л, общая масса – 559*1012т, что на четыре математических порядка превышает количество элемента, связанного в живом и мертвом органическом веществе планеты.
ВМировом океане геохимическая история кальция связана с карбонатной системой равновесия, температурой и деятельностью живых организмов. Воды высоких широт и морских глубин недонасыщены
28
углекислым кальцием в связи с низкими температурами и значениями рН. В этой обстановке углекислота в морской воде образует угольную кислоту, растворяющую СаСО3 донных отложений. В экваториальной зоне между 300 южной широты в морской воде образуются области перенасыщения СаСО3, что приводит к массовому росту коралловых рифов и устричных банок с известковым материалом. Кальций является характерным элементом для огромного числа организмов от одноклеточных глобигерин до высших многоклеточных млекопитающих.
Миграция кальция в океане с участием живых организмов – важное звено его геохимического круговорота. Кальций активно поглощается планктонными организмами и выводится в виде пеллетов в осадок. Некоторые живые организмы моря накапливают элемент в виде арагонита и кальцита. Арагонит неустойчив и со временем переходит в кальцит. В некоторых раковинах двустворчатых моллюсков встречаются монокристаллы кальцита длиной более 7 см. В тропических морях обитают ежи, имеющие длинные иголки из кальцита. После гибели этих организмов их скелеты из СаСО3 образует осадки на дне морей. Сравнительно небольшая часть кальция осаждается в замкнутых и полузамкнутых водоемах, образуя доломит, ангидрит, гипс. Средняя концентрация СаО в осадочной толще равна 16 %, в гранитном слое земной коры – 2,71 %. Масса кальция в осадочной оболочке равна 272,8*1015 т.
Со временем происходит метаморфизация осадочных пород, в результате которой формируется порода – известняк. При термальном метаморфизме доломит переходит в сочетание кальцита и периклаза. Осуществляются также химические реакции, связанные с образованием силикатов кальция. В простейшем случае происходит реакция между кальцитом и кремнеземом с образованием волластонита и выделением углекислоты. При контактовом метаморфизме, при взаимодействии магмы с карбонатными породами, образуются скварны – сложные ассоциации Сапироксенов и Са-гранатов.
Карбонатные породы – известняки и доломиты – являются главными агентами переноса углекислоты в глубинные горизонты земной коры. При регрессии моря известняк обнажается, оказывается на суше и снова начинается процесс его разрушения.
Для процесса глобального массообмена кальция главное значение имеют биологический круговорот и водная миграция ионов в системе «суша
29
– океан». В биологический круговорот на суше вовлекается 2,3 *109т/год кальция; в первичной биологической продукции океана в 2 раза меньше. Поэтому кальций – характерный элемент живого вещества суши.
Биогеохимический цикл кальция в настоящее время сильно нарушается техногенным фактором. Карбонатные породы интенсивно извлекаются из недр Земли и перевозятся на значительные расстояния для использования в металлургии, строительстве и сельском хозяйстве. Кальций, отчуждаемый из почв с урожаем сельскохозяйственных культур, нарушает баланс биологического круговорота. Внесение кальция с удобрениями и мелиорантами не может восполнить потерь кальция из биосферы.
Вопросы и задания
1. К какому типу биогеохимических циклов относится круговорот кальция?
2.Как происходит круговорот кальция в природе?
3.В чем особенности биогеохимических преобразований кальция согласно схеме 12 (см. прил.)?
Биогеохимический цикл кремния
Кремний – второй после кислорода по массе элемент земной коры. Он интенсивно накапливается в веществе литосферы в процессе его выплавления. Содержание элемента в верхней мантии около 19 %, в базальтах – 24 %, в гранитах – 32 %. Прочное сочетание катиона кремния с четырьмя анионами кислорода является основной структурной единицей кристаллического вещества земной коры. Комбинации кремнекислородных тетраэдров создают все известное разнообразие радикалов силикатных минералов и окислов кремния. В гранитном слое литосферы концентрация SiO2 составляет 63 %, что соответствует 2427,5*1015 т кремния. Известно свыше 800 минералов, содержащих кремний, главными из которых являются кварц, оливин, калиевой шпат, плагиоклаз и другие минералы.
Исключительно велико значение в химии биосферы кремнезема SiO2, на долю которого от состава литосферы приходится 87 % SiO2 в зависимости от термодинамических условий выступает в разных полиморфных модификациях. С плотностью 4,35 г/см3 SiO2 играет существенную роль в составе нижней мантии Земли в виде нижней мантии Земли в виде китита. Наиболее распространенной SiO2 в земной коре является кварц (2, 65 г/ см3 ),