Глава 15. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ И ЛАНДШАФТОВ

Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Земная кора и биосфера. Геохимический цикл

Связь между глубокими частями земной коры и биосферой ранее считалась прямой: полагали, что магматизм, складчатость, горообразование влияют на выветривание, осадкообразование, деятельность подземных вод и прочие экзогенные процессы. Обратное влияние экзогенных процессов на эндогенные не рассматривалось. Однако за последние десятилетия установлено, что связи между этими процессами не прямые, а обратные: биосфера влияет на состав гидротерм, магматизм. Так, доказана важная роль вадозных вод в питании гидротерм, установлено, что многие граниты образовались за счет переплавления осадочных пород, что сера части гидротермальных сульфидов имеет осадочное происхождение. Поэтому земную кору следует рассматривать как большую и сложную динамическую систему, развивающуюся на основе механизма положительной и отрицательной обратной связи.

Примером последней служит связь вулканизма с биосферой: вулканизм поставляет СО2 в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и карбонатообразование изымают СО2, связывают С в карбонатах и органических соединениях. В результате содержание СО2 в атмосфере и гидросфере уменьшается, система саморегулируется и стабилизируется. Единство земной коры находит выражение и в общих законах развития ее отдельных частей и коры в целом: необратимости эволюции, периодичности развития (циклоидальности), негэнтропийности.

Несколько важнейших геохимических процессов определяют своеобразие большинства систем земной коры, в том числе и биосферы. Это в первую очередь окислительно-восстановительные и щелочно-кислотные процессы, результаты которых особенно наглядны в биосфере.

Напомним, что важнейшей геохимической характеристикой большинства ландшафтов служит биологический круговорот атомов — бик, а это процесс окислительно-восстановительный. С водами ландшафта связаны окислительно-восстановительные (В и С) геохимические барьеры, значение которых было подробно рассмотрено в главах 4, 7—12. Велика роль и щелочно-кислотных условий — щелочных (D) и кислых (Е) барьеров.

Общие геохимические черты биосферы и земных глубин позволяют рассматривать земную кору с единых позиций как целостную систему. Это получило выражение в концепции "геохимического цикла", рассматривающей тектонические процессы, магматизм, осадкообразование и эволюцию жизни как звенья общего процесса.

 В 1939 г. В.И. Вернадский писал, что в земную кору входят биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочки, которые генетически между собой связаны и взятые в целом представляют одно явление. К "былым биосферам" ученый относил граниты, которые, по его представлениям, образовались за счет переплавления осадочных пород. Как и другие круговороты, геохимический цикл следует понимать как форму поступательного развития — циклоиду (15.3).

Согласно тектонике плит, в геохимическом цикле участвует не только земная кора, но и мантия, засасывающая в т.н. зонах Заварицкого-Беньофа осадочные породы, химические элементы которых при магматизме и горообразовании снова поступают в земную кору и биосферу.

СС>2 и Н2О в биосфере участвуют в синтезе органического вещества, С и Н являются геохимическими аккумуляторами солнечной энергии. Они "зарядились" ею в ландшафтах и верхних горизонтах моря. При участии микроорганизмов эти элементы окисляются до СО2 и Н2О, других соединений, т.е. геохимические аккумуляторы "разряжаются" и отдают заключенную в них энергию. Часть ее рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на геохимические процессы.

По Н.В. Белову и В.И. Лебедеву, А1 и некоторые другие металлы глинистых минералов также могут аккумулировать солнечную энергию. Они подчеркнули, что в характерных магматических минералах — полевых шпатах А1 находится в центре кислородных тетраэдров, а расстояние А1—О составляет 0,16—0,175 нм. В глинистых минералах часть А1 находится в шестерной координации, в которой расстояние А1—О уже 0,18—0,20 нм. Таким образом, в биосфере расстояние между Al и О в кристаллической решетке увеличилось. На это должна была затратиться энергия, и, следовательно, солнечная энергия аккумулировалась при превращении полевых шпатов в глины. Поэтому с энергетической точки зрения глины являются аналогами углей и других органических веществ. Опускаясь на большие глубины и расплавляясь, глинистые минералы превращаются в магму, из которой снова кристаллизуются полевые шпаты. При этом А1 переходит из октаэдров в тетраэдры, расстояние между ним и О уменьшается, энергия выделяется.

Так, энергия, поглощенная в биосфере, выделяется в магматических очагах и наряду с радиоактивной энергией, по Белову и Лебедеву, может служить причиной горообразования и других эндогенных процессов. Глинистые минералы выступают в роли своеобразных "горючих ископаемых", которые в отличие от угля отдают заключенную в них энергию лишь при высоких температурах плавления пород. К сожалению, данная гипотеза еще не стала теорией, ее проверка затрудняется сложностью эксперимента. Но если гипотеза верна, то понятие о геохимическом цикле вещества дополняется понятием о переносе энергии, который также связывает процессы земной поверхности и магматизма. В.А. Ильин и А.В. Щербаков подчеркивают также большое значение поглощения солнечной энергии на земной поверхности при дезинтеграции пород и ее выделение при метаморфизме.

В геохимическом цикле закономерно меняется и количество информации. При переплавлении осадочных пород разнообразие уменьшается, так как возникает гомогенный расплав — магма, увеличивается тепловое хаотическое движение атомов и молекул — возрастает энтропия системы. При остывании магматического очага и кристаллизации серии изверженных пород (например, диориты — гранодиориты — граниты) разнообразие увеличивается, информация растет. Самое большое разнообразие и уменьшение энтропии характерно для биосферы с ее миллионами видов организмов, большим числом ландшафтов, почв и других биокосных систем. В биосфере возник новый биологический вид информации, увеличилось ее общее количество.

В земной коре и биосфере, следовательно, развиты две категории процессов: идущие с накоплением энергии, увеличением разнообразия, дифференциации, сложности, т.е. ростом информации и уменьшением энтропии и процессы с выделением энергии, увеличением энтропии, уменьшением разнообразия и сложности информации. Обе категории процессов характерны как для биосферы, так и для земных глубин, но первые явно преобладают в биосфере и особенно в ландшафтах, а вторые — в очагах регионального метаморфизма и магматизма.

В земных глубинах большое значение приобретают радиоактивный распад и другие эндогенные источники энергии. Следовательно, для земной коры характерно взаимодействие солнечной и глубинной энергии: энергия биосферы тем или иным путем взаимодействует с внутренней энергией Земли. Поэтому геохимический цикл не замкнут и в нижней части, так как продукты биосферы испытывают влияние эндогенных факторов.

В 1955 г. один из авторов (А.И. Перельман) писал о необходимости рассматривать с позиций цикличности процессы биосферы и магматизма, причинные связи между ними. Мы полагали, что при разработке общей теории наук о Земле нельзя игнорировать существование глубоких и обратимых связей между развитием жизни на Земле, осадкообразованием, тектоническими явлениями и магматизмом. Именно в связях между поверхностными и магматическими процессами проявляется один из основных законов наук о Земле, а сами процессы отражают единое грандиозное по длительности и сложности развитие земной коры.

За прошедшие годы получены подтверждения существования геохимического цикла. Так, А.В. Сидоренко и другие писали о большом круговороте газов: при осадкообразовании поглощаются СО2 (в известняках и других карбонатных породах), Н2О (в глинах), О, N (в органических веществах), которые снова превращаются в газы при погружении осадочных толщ, их метаморфизме, переработке магматизмом и вулканизмом. Таково грандиозное "дыхание земной коры".

Итак, между тектоно-магматическими процессами и процессами биосферы существует обратная связь, в совокупности эти процессы образуют геохимический цикл. Логично предположить, что осадочные породы, образовавшиеся в биосферах докембрия и начала палеозоя, были метаморфизованы и гранитизированы каледонским магматизмом и орогенезом, осадки, накопившиеся в девоне и нижнем карбоне, — герцинским магматизмом и орогенезом и т.д. Отсюда следует, что особенности биосферы протерозоя должны были найти отражение в байкальской металлогении, особенности докембрийской и нижнепалеозойской биосферы — в каледонской, палеозойской — в герцинской и т.д. Иначе говоря, причину своеобразия металлогении отдельных эпох следует искать также в своеобразии предшествующей биосферы. Эта концепция в последние годы находит все больше приверженцев.

Г.В. Войткевич писал: "Осадконакопление в биосфере все более подвергалось влиянию жизни. Это привело к резким концентрациям новых веществ в осадочной оболочке, в ее отдельных частях. Вовлеченные впоследствии в процессы ультраметаморфизма, древние толщи осадочных пород становятся потенциально рудоносными. В этом кроется одна из причин металлогенических провинций в земной коре". С подобных позиций трактовал эндогенное рудообразование и А.И. Тугаринов. Так как в ходе геологического времени росла дифференциация осадочных пород и биосферы в целом, то естественно, что в каждом последующем тектоно- магматическом цикле перерабатывались все более и более дифференцированные осадки, более богатые геохимическими аккумуляторами.

А это должно было усиливать энергию тектонических процессов, рудообразования, увеличивать высоту воздымавшихся горных хребтов. Первопричина увеличения сложности и разнообразия эндогенных систем, которую установили Д. Рундквист и другие исследователи, возможно, состоит в развитии биосферы, увеличении ее сложности и разнообразия, прогрессивном накоплении в ней солнечной энергии. Объяснить прогрессивное развитие эндогенных систем за счет глубинных источников энергии трудно, так как количество радиогенного тепла со временем не увеличивалось, а уменьшалось. Поэтому своеобразие металлогении отдельных зон земной коры, прогрессивную эволюцию эндогенной металлогении необходимо увязать с прогрессивной эволюцией осадкообразования, ростом разнообразия биосферы, накоплением в ней солнечной энергии в углях, глинах и других породах.

Признание земной коры динамической системой, развивающейся на основе механизма обратной связи, ставит вопрос о центре (или центрах) этой системы. Можно ли вообще говорить о центре земной коры, т.е. о такой ее части, которая имеет ведущее значение, определяет функционирование системы в целом? Существует один центр или их два и больше, система является биоцентрической или полицентрической? Несомненно, одним из центров является биосфера, которая уже несколько миллиардов лет поглощает солнечную энергию и в процессе биологического и других круговоротов превращает ее в энергию геохимических процессов. Другим возможным центром, управляющим механизмом земной коры, является верхняя мантия или нижние горизонты земной коры с очагами магматизма. Очевидно, что установление центров, т.е. частей земной коры, управляющих ее механизмом, в частности выявление относительной роли поверхностного (биосферного) и глубинного (мантийного и др.) центров, составляет важную задачу наук о Земле.

Сказанное позволяет сформулировать закон прогрессивного развития верхней оболочки нашей планеты: земная кора и верхняя мантия представляют собой сложную динамическую систему с обратными связями; непрерывное поступление в систему солнечной энергии, а также глубинной энергии определяет направленное развитие тектоносферы и биосферы, в ходе которого увеличиваются их сложность и разнообразие, неравновесность, накапливается свободная энергия, уменьшается энтропия. Это прогрессивное развитие осуществляется через систему последовательных геохимических циклов — тектономагматических и биосферных (А.И. Перельман).

Контрольные вопросы

1.         Приведите доказательства необратимой эволюции земной коры, биосферы и ландшафтов. В чем проявляется периодичность их развития?

2.         Каковы современные данные о роли катастроф в истории биосферы?

3.         Что представляет собой большой круговорот веществ в земной коре?

4.         Охарактеризуйте гипотезу геохимических аккумуляторов.

5.         Каково возможное влияние биосферы на эндогенные процессы?

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов