Геохимический цикл

Геохимический цикл - совокупность последовательно происходящих геохимических процессов, в которых элементы после ряда миграций возвращаются в исходное состояние. Впервые термин «Геохимический цикл» был предложен 1922г. А. Е. Ферсманом.

Геохимический цикл – процесс, начинающийся c самого зарождения Земли. Любая планета, будучи непрозрачной, поглощает (и аккумулирует) часть энергии, излучаемой центральным светилом, и нагревается, и тогда между нагретой планетой и холодным космосом возникает температурный градиент (разница температур). Земля обладает достаточно подвижной газообразной оболочкой (атмосферой), и температурный градиент порождает в ней - просто за счет конвекции - физико- химический круговорот. В этот круговорот с неизбежностью вовлекается жидкая и твердая оболочки планеты (мировой океан и кора выветривания), в результате чего возникает глобальный геохимический цикл. Более простые геохимические циклы (т.е. прообразы экосистем) существуют в условиях периодического падения поступающей в них энергии - в те моменты, когда они в результате вращения планеты оказываются на ее теневой стороне.

Геохимические циклы Земной коры охватывают основной процессы:

• магматической дифференциации;
• кристаллизации с образованием магматических пород;
• постмагматического преобразования пород под влиянием эндогенных флюидов;
• выветривания;
• переноса материала водами с химической дифференциацией и разделением веществ по фациям при осаждении в морских бассейнах;
• процессы раннего и позднего диагенеза с формированием осадочных пород; эпигенетического изменения и метаморфизма при погружениях под отлагающиеся осадки.

Геохимические циклы наиболее выражено можно проследить для отдельных химических элементов (углерод, азот, фосфор и др.), при этом геохимический цикл может быть осложнён биогенным циклом: извлечение элемента из почвы или осадочной породы растениями, поедание растений животными, отмирание животных и растений и возвращение элемента в осадочную породу.

Группа циклических или органогенных элементов.

Циклические или органогенные элементы имеют наибольшую суммарную массу в биосфере. Для этих элементов характерны многочисленные химические обратимые процессы.

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).

Этот характер земных химических реакций для кислорода был замечен учеными Д. Прингль и Д. Пристлей, открывшими в 1773г. земные газы (O₂, CO₂, H₂O, NH₃, H₂S, SO₂, SO₃, H₂, CH₄, CO, CHOH, CSO, NO₂) и изучившими их свойства. 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 элементов, их выход в форме свободных атомов.

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, гафний и германий не входят в живое вещество.

Геохимический цикл углерода - это комплекс процессов, в ходе которых происходит перенос углерода между различными геохимическими резервуарами. В истории Земли углеродный цикл менялся весьма значительно, эти изменения были как медленные постепенные, так и резкие катастрофические события. Важнейшую роль в круговороте углерода играют живые организмы. В различных формах углерод присутствует во всех оболочках Земли.

Все углеродистые соединения, находящиеся и образующиеся в биосфере, связаны с живым веществом. Большинство  минералов, содержащих углерод, происходят в своей основе из живого вещества и представляют метаморфизованные продукты минеральных веществ, когда-то связанных с жизнью.

CO₂ – единственное ювенильное и фреатическое соединение углерода, проникающее 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 (газы болот),  другие выделяются при разработке каменноугольных копей, третьи - генетически связаны с нефтяными месторождениями. Происхождение других углеводородов связано с рассеянным органическим веществом осадочных пород и в значительной мере имеет сложное происхождение (выраженное 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-CH_4.

При изучении изменений в геохимических циклах элементов необходимо учитывать временной масштаб явлений. Одни процессы могут привносить малозаметные изменения, которые на длительных геологических промежутках времени становятся решающими. Иные изменения могут носить катастрофический характер, и происходить за очень короткие времена. При этом понятие времени характеристики «долго» и «медленно» в этом контексте относительны. Примером, несомненно, мгновенного в геологической шкале времени события в геохимическом цикле углерода является позднепалеоценовый термальный максимум.

Геохимический цикл азота

В круговороте соединений азота чрезвычайно большую роль играют микроорганизмы: азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы. Все остальные организмы влияют на цикл азота только после ассимиляции его в состав своих клеток. Бобовые и представители некоторых родов других сосудистых растений, например, ольха (Alnus), казуарина (Casuarina), араукария (Araucaria), гинкго (Ginkgo)фиксируют азот только с помощью бактерий-симбионтов. Некоторые лишайники фиксируют азот с помощью симбиотических сине-зеленых водорослей.

Биологическая фиксация молекулярного азота свободноживущими и симбиотическими микроорганизмами происходит в автотрофном и гетеротрофном ярусах экосистем.

Важную роль в геохимическом цикле азота играет микроэлемент молибден, входящий в состав системы азотфиксирующих ферментов. В некоторых условиях молибден служит лимитирующим фактором. Фиксировать азот способны лишь немногие роды микроорганизмов.

Общее количество азота в атмосфере оценивается приблизительно в 3,8∙10¹⁵ т, тогда как в водах Мирового океана – в 2,0∙10¹³ т.

Геохимический цикл фосфора

Геохимический цикл фосфора в большой мере отличается от циклов углерода и азота. Кларк этого элемента в земной коре равен 0,093%. Это в несколько десятков раз больше кларка азота, но в отличие от последнего фосфор не играет роли одного из главных элементов оболочек Земли. Тем не менее, его геохимический цикл включает в себя разнообразные пути миграции в земной коре, интенсивный биологический круговорот и миграцию в гидросфере.

Фосфор является одним из главных органогенных элементов. Органические соединения фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, сложных белков, фосфолипидов мембран, являются основой биоэнергетических процессов. Фосфор концентрируется живым веществом, где его содержание примерно в 10 раз больше, чем в земной коре.

На поверхности суши протекает интенсивный круговорот фосфора в системе почва→ растения → животные → почва. В связи с тем, что минеральные соединения фосфора труднорастворимы и содержащийся в них элемент почти недоступен растениям, последние преимущественно используют его легкорастворимые формы, образующиеся при разложении органических остатков.

Круговорот фосфора происходит и в системе суша → Мировой океан, основой которого является вынос фосфатов с речным стоком, взаимодействие их с кальцием, образование фосфоритов, залежи которых со временем выходят на поверхность и снова включаются в миграционные процессы.

Литература.

Вернадский В. И. Биосфера. – М.: Мысль, 1967;

Перельман А. И. Геохимия биосферы. – М.: Наука, 1973;

Бургеля Н. К., Мырлян Н. Ф. Геохимия и окружающая среда. – М.:  Штиинца, 1985.