Биосфера как геологическая сила

Биосфера — оболочка Земли, в которой сосредоточена жизнь, — была выделена в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом, однако ее особое значение для геологических и геохимических процессов было выявлено значительно позднее акад. В. И. Вернадским. Биосфера окружает Землю сплошной оболочкой. Только кратеры действующих вулканов, потоки незастывшей лавы и, может быть, некоторые замкнутые ^водоемы с особенно высокой концентрацией минеральных солей и кислот могут считаться временно безжизненными, но только временно. Нижняя граница биосферы, по В. И.Вернадскому, «должна лежать выше областей, где господствуют горячие пары воды и температура не опускается ниже 100° С, в среднем на уровне 3—4 км от уровня геоида», т. е. положение этой границы определяется предельной (достаточно высокой) температурой, при которой могут существовать простейшие организмы.

Так, в термальных источниках камчатских вулканов колонии бактерий живут при температуре 85° С, а при температуре 82° С к ним присоединяются простейшие циановые водоросли. Споры некоторых растений (например, грибов) переносят температуру до 140° С, а некоторые микробы до 180° С. Богатая флора разнообразных бактерий (в том числе и аэробных, для жизни которых необходим свободный кислород) была обнаружена в водах нефтяных месторождений Кавказа на глубине до 1600 м и далее до 2—3 км, т. е. значительно глубже, чем была известна жизнь до тех пор. Организмы, по мнению В. И. Вернадского, для поддержания жизни на этих глубинах используют кислород, выделяющийся при радиоактивных превращениях, так как кислород воздуха на эти глубины уже не проникает. По подсчетам В. И. Вернадского, масса живой органической материи на Земле составляет примерно 0,001% от массы земной коры. Большая часть этой материи сосредоточена в океане, главным образом в форме планктона.

Геологическое значение живых организмов огромно. Каждый организм при жизни захватывает из окружающей среды то или иное количество химических элементов и также неизменно возвращает их обратно в окружающую среду, но уже в других сочетаниях. Количество вещества, пропускаемое и перерабатываемое таким образом живыми организмами, огромно. За 13 лет, например, организмы пропускают через себя такое количество углерода, которое в 10 раз превышает все его содержание в земной коре. В. И. Вернадский считает весь кислород атмосферы продуктом жизнедеятельности организмов. Скопления каменного угля, торфа, нефти, мела, известняков, фосфоритов, многих железных и марганцевых руд и т. п. — результат жизнедеятельности организмов, так же как почва — результат взаимодействия организмов с горными породами. При этом в биохимических процессах, происходящих на земной поверхности, первостепенное значение имеет энергия солнечного излучения. Она улавливается зернами хлорофилла зеленых растений и в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды создает углеводороды с выделением свободного кислорода, играющего огромную роль во многих геологических процессах, происходящих на земной поверхности. Из растений солнечная энергия в виде создаваемых ею продуктов попадает во все другие организмы, которые не могут непосредственно использовать энергию солнечных лучей.

Элементы, захваченные живыми организмами, проходят сложный и длительный путь. Углерод, например, извлекаемый растениями из воздуха в результате фотосинтеза, поступает в состав клетчатки, белка и т. д. Из растений он частично попадает в тела животных, т. е. в состав других организмов, и в процессе дыхания снова возвращается в атмосферу в виде наименее активной формы — С02. Другая часть углерода после гибели организмов сохраняется в их остатках — сапропелях, каменных углях, нефти — и лишь через очень длительное время возвращается в свою исходную малоактивную форму — СО 2. Этот круговорот углерода происходит исключительно за счет энергии солнечных лучей, трансформируемых хлорофиллом зеленых растений, и иначе не может происходить. Для представления масштабов работы, производимой живыми организмами, приведем некоторые данные из работы В. И. Вернадского (1925 г.).

К. Эренберг (начало XIX в.) доказал, что одна кремневая водоросль (диатомея), если не встретит препятствий, за 8 дней может дать массу материи, равную массе Земли. Одна бактерия в благоприятной ее росту среде может в один день дать количество неделимых, превышающее септиллионы особей (1025). Согласно Ф. Кону, бактерия холеры может в течение четырех с половиной суток дать потомство, объем которого равен объему океана, а плотность превышает плотность последнего. Скорость передачи геохимической энергии для бактерии холеры равна приблизительно 330 м/сек, т. е. близка к предельной скорости звука. В то же время наиболее медленно размножающийся организм — индийский слон — передает энергию со скоростью примерно 1 мм/сек.

В состав организмов входят различные элементы — одни в больших количествах и постоянно, другие в малых количествах и, возможно, не всегда. К первой группе относятся С, О, Н, N, S, Р, К, Fе. Однако этот список расширяется все больше и больше. К числу биогенных элементов, т. е. элементов, несущих определенные жизненные функции, относится, например, йод, концентрирующийся в щитовидной железе позвоночных животных, марганец — в окислительных ферментах клюва птиц, цинк — в яде змей, медь в составе дыхательных пигментов некоторых моллюсков и т. д. В настоящее время в составе организмов с несомненностью установлено 60 элементов, причем по мере совершенствования методики определения количество это постоянно увеличивается.

Роль организмов как концентраторов некоторых элементов чрезвычайно велика: достаточно вспомнить концентрацию углерода в месторождениях каменных углей, нефти, торфа, кальция в известняках и т. д. Всего известно 20—22 химических элемента, которые могут концентрироваться в организмах в значительных количествах.

В золе каменных углей часто в том или ином количестве концентрируются такие элементы, как Рb, Zn, Ni, Рt, Ве, U, редкие земли. Зола некоторых углей рассматривается как руда на редкие элементы. Установлено, что часто накопление редких элементов в углях связано с растительностью, из которой они образовались: через корни растений вместе с почвенными растворами попадают различные элементы, часть которых вообще не нужна для жизни растений. Установлено также, что химический состав среды, в которой живут те или иные организмы, оказывает на них самое непосредственное влияние. С одной стороны, среда определяет распространение организмов, с другой — вызывает их изменение. Организмы реагируют на избыток или недостаток тех или иных химических элементов в среде их обитания. Этим прежде всего часто определяется подбор организмов: приспособленные к данной среде виды вытесняют менее приспособленных. Многие болезни, так называемые эндемии, возникают в связи с избытком или недостатком различных элементов в среде обитания организмов: недостаток, например, в почвах магния, марганца и железа вызывает хлороз и другие заболевания растений, недостаток фосфора и кальция — заболевание костей, недостаток йода — появление зоба у людей ит. д.

Приспособляясь к среде, организмы испытывают соответствующие биологические изменения, которые сводятся к повышению или понижению в тканях организма количества тех или иных химических элементов, со временем закрепляющихся и переходящих по наследству. Так (по акад. А. П. Виноградову), организмы с богатым содержанием натрия были в недавнем прошлом связаны с областями солончаков, многие тропические и субтропические растения, богатые алюминием, по-видимому, рослина латеритах ит. п. Выяснено, что некоторые растения, живущие над месторождениями цинка, содержат в золе до 13% цинка. Солянка, растущая на солончаках, содержит до 10% КаСl. Д. П. Малюга показал, что над месторождениями никеля и кобальта, приуроченными к древней коре выветривания, растут растения, богатые этими металлами, и т. д. Свойство растений захватывать из почвы различные элементы и концентрировать их в своих тканях используется в настоящее время при поисках полезных ископаемых.

Процессы образования минералов и горных пород в земной коре
Минералы — это природные химические соединения, возникающие при различных химических и физико-химических процессах, протекающих в земной коре.
Горные породы — это природные образования, слагающие разнообразные геологические тела, из которых построена земная кора (литосфера). Они представляют собой закономерные сочетания или механические смеси различных по составу кристаллических минеральных зерен, наряду с которыми могут присутствовать аморфное вещество и органические остатки; к горным породам относятся встречающиеся в земной коре смеси жидких минеральных веществ (неорганических и органических).
Минералы, на долю которых приходится основная часть объема горных пород, называются, породообразующими. В большинстве своем они представлены широко распространенными силикатами и алюмосиликатами, иногда карбонатами, хлоридами, фосфатами, окислами и гидроокислами. Минералы, обычно присутствующие в горных породах в незначительном количестве как примеси, носят название акцессорных.
Изучение состава, свойств, условий образования и нахождения минералов в природе — основное содержание минералогии. Наука, изучающая горные породы, называется петрографией (от греч. язтра — скала, камень; урасрсо — пишу: описание камней).
Все процессы образования минералов и горных пород могут быть разбиты на три группы:
A. Эндогенные (внутренние), или, как их часто называют, гипогенные (глубинные) процессы, происходящие за счет внутренней тепловой энергии земного шара.
Б. Экзогенные (внешние), или гипергенные (поверхностные) процессы, происходящие на поверхности земли главным образом под воздействием солнечной энергии.
B. Метаморфические (метаморфогенные) процессы, связанные с перерождением ранее образовавшихся минеральных ассоциаций (как экзогенных, так и эндогенных) в результате изменяющихся физико-химических условий, среди которых главное место занимают изменения давления и температуры.
А. ЭНДОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
1. Магматические процессы протекают в силикатных расплавах (магме), возникающих в глубинах земли. Застывание и кристаллизация магм приводят к образованию различных магматических (изверженных) горных пород (температура 700—800°, иногда до 1200°). По способу образования магматические породы делятся на внедрившиеся (интрузивные) и излившиеся (эффузивные). Первые формируются на большей или меньшей глубине от поверхности земли, в толще осадочных, метаморфических или других изверженных пород, которые они прорывают* Вторые образуются из магмы, достигшей земной поверхности при извержениях вулканов; это затвердевшие вулканические лавы и близкие к ним породы.
2. Пегматитовые процессы выражаются в том, что после кристаллизации основного объема магмы и образования интрузивных пород сохраняется в жидком состоянии небольшая часть магмы, обогащенная летучими веществами и имеющая относительно пониженную температуру затвердевания. Этот остаточный силикатный расплав в дальнейшем дает начало особым минеральным телам — различным типам пегматитовых жил (начальная температура формирования 600—700°).
3. Пневматолитовые (большей частью эксгаляционные) процессы происходят в кратерах, на склонах вулканов и в пустотах лавовых потоков; они проявляются в образовании минералов непосредственно из вулканических эксгаляций — газов и паров (температура выше 200—300°).
4. Пневматолито-гидротермальные процессы совершаются под воздействием (на горные породы) высокотемпературных газово-водных растворов (надкритических флюидов) и носят главным образом метасоматический характер, т. е. выражаются в замещении минералов ранее образовавшихся горных пород (температура 300—500°) новообразованными минеральными ассоциациями.
5. Гидротермальные процессы протекают с участием горячих водных растворов, восходящих из магматических очагов; как правило, эти растворы циркулируют вдоль трещин, при заполнении которых формируются характерные минеральные тела — гидротермальные жилы. Различают высокотемпературные (200—300°), среднетемпературные (100—200°) и низкотемпературные (<100°) гидротермальные процессы.
Б. ЭКЗОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
При экзогенных процессах образуются осадочные горные породы и соответствующие минеральные месторождения (см. ниже). Формы проявления экзогенных процессов следующие: физическое и химическое выветривание горных пород различного происхождения, перенос продуктов Выветривания, отложение их в виде осадка и последующее окаменение последнего.
1. Физическое выветривание состоит в механическом разрушении горных пород под влиянием колебаний температуры воздуха, замерзания и оттаивания воды в трещинах, вымывания частичек горных пород текучими водами или выдувания их ветром, дробления береговых скал морскими волнами, перетирания пород при движении ледников и т. п.
2. Химическое выветривание заключается в частичном или полном разложении минералов горных пород под влиянием кислорода воздуха, углекислоты и атмосферных и грунтовых вод. Последние обычно содержат в растворенном состоянии угольную, иногда серную и другие, в том числе органические, кислоты, выделяемые в процессе жизнедеятельности бактерий и при разложении растительных остатков в почвах, торфяниках и пр.
Среди продуктов химического разложения горных пород легкорастворимые соединения (соли калия, натрия, кальция, магния) уносятся водными потоками. Труднорастворимые соединения кремния, алюминия, железа накапливаются и формируют так называемые коры выветривания, представленные обычно глинистыми породами остаточного происхождения (т. е. образовавшимися на месте без существенного перемещения). Остаточные продукты могут подвергаться последующему размыву, переносу и переотложению в других местах, входя в состав осадочных пород. Специфический характер имеют процессы химического выветривания сульфидных руд, поскольку при окислении сульфидов образуются серная кислота и легкорастворимые сульфаты.
3. Перенос продуктов выветривания осуществляется реками, ручьями, временными водными потоками, морскими волнами и течениями, ледниками, ветром и другими геологическими агентами, действующими на поверхности земли. Перенос сопровождается непрерывным дополнительным разрушением, истиранием и окатыванием обломков, их сортировкой по размеру и весу. Длительный и неоднократный перемыв рыхлых отложений ведет к концентрации наиболее тяжелых, прочных и устойчивых минералов в различного рода россыпях (морских, речных, дельтовых, озерных, ледниковых, остаточных, склоновых и др.).
4. Осадкообразование заключается в отложении материала разрушенных горных пород в озерах, морях и океанах. В зависимости от того, каким путем происходит осаждение — механически (осаждение взвешенных частиц), вследствие процессов коагуляции коллоидных растворов, кристаллизации из насыщенных истинных растворов или, наконец, при участии живых организмов, в том числе бактерий, различают механические, коллоидные, химические и биохимические осадочные процессы и соответствующие осадки.
5. Диагенетические процессы охватывают все явления преобразования осадков сразу же после их отложения и уплотнения и выражаются преимущественно в обезвоживании гидроокислов, раскристаллизации коллоидных осадков, замещении органических остатков карбонатами, минералами кремнезема, сульфидами железа и т. п. Результатом этих процессов являются окаменение осадков (литификация) и образование осадочных горных пород.
6. Инфильтрационные процессы возникают при выветривании горных пород, когда значительная часть химических элементов выщелачивается грунтовыми водами, которые, просачиваясь сквозь толщу осадочных пород, взаимодействуют с ними и образуют специфические низкотемпературные минеральные ассоциации.
В. МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ (МЕТАМОРФИЗМ)
Различают следующие типы процессов метаморфизма:
1. Регионально-метаморфические процессы (региональный метаморфизм). В зонах интенсивного прогибания земной коры осадочные и изверженные породы иногда попадают в условия повышенных температур и давлений, а также подвергаются воздействию высокотемпературных водных растворов. В результате на больших территориях происходит перекристаллизация пород с существенным изменением их первоначального минерального состава. Значительно меняется облик пород: из тонко-зернистых, землистых или стекловатых они превращаются в кристаллические породы и обычно приобретают сланцеватое сложение.
С процессами регионального метаморфизма сопряжено формирование жил альпийского типа, или альпийских жил, обычно представленных полыми трещинами с наросшими на их стенках кристаллами тех же минералов, из которых сложены вмещающие метаморфические породы.
2. Динамометаморфические процессы (динамометаморфизм). Преобразование горных пород под воздействием интенсивного ориентированного давления протекает в отличие от регионального метаморфизма в пределах сравнительно узких зон нарушений сплошности пород (разломов земной коры). Этот процесс выражается в деформации пород — их дроблении, рассланце- вании — и нередко сопровождается перекристаллизацией.
3. Контактово-метаморфические процессы (контактовый метаморфизм). Проявляются вокруг массивов изверженных пород (особенно гранитоидов) и обусловлены их тепловым воздействием на вмещающие осадочные и осадочно-метаморфические породы. Контактово-метаморфические процессы часто тесно связаны с контактово-метасоматическими (см. ниже).
4. Метасоматические процессы (метасоматоз). Метаморфические процессы в строгом смысле термина ограничиваются явлениями перекристаллизации вещества горных пород под воздействием высокой температуры, давления и при участии нагретых водных растворов, что приводит к образованию новых минеральных ассоциаций без существенного изменения валового химического состава исходных горных пород. Аналогичные процессы, сопровождающиеся значительным изменением химического состава исходных пород, носят название метасоматиче- ских процессов. Частным случаем последних являются контак- тово-метасоматические процессы, выражающиеся в химическом взаимодействии изверженных пород с контрастными по химическому составу вмещающими породами.
Между всеми перечисленными процессами минералообразования наблюдаются, естественно, взаимные переходы, и в природе не всегда удается их четко расчленить.