Круговорот веществ

Круговорот веществ (далее К) на Земле, повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер. Эти процессы имеют определенное поступательное движение, т. к. при так называемых циклических превращениях в природе не происходит полного повторения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ. Понятие К нередко трактовалось метафизически, как движение по замкнутому кругу, что в корне ошибочно.

Около 5 млрд. лет назад произошла дифференциация вещества Земли, разделение его на ряд концентрических оболочек, или геосфер: атмосферу, гидросферу, земную кору, гранитную, базальтовую и др. оболочки, отличающиеся друг от друга характерным составом, физическими и термодинамическими свойствами. Эти оболочки в последующее геологическое время развивались в направлении дальнейшего наиболее устойчивого состояния. Между всеми геосферами и внутри каждой отдельной геосферы продолжался обмен веществом. Вначале наиболее существенную роль играл вынос вещества из недр Земли на поверхность в результате процессов выплавления легкоплавкого вещества Земли и дегазации.

Поскольку можно судить на основании сохранившихся геологических свидетельств, эта стадия обмена была еще очень обширной в архейскую эру (см. Докембрий). В то время имели место интенсивные колебательные движения в земной коре, обширные горообразовательные процессы, создавшие повсеместно складчатость, а также энергичная вулканическая деятельность, результатом которой явились мощные слои базальтов. Широко развиты были интрузии и процессы гранитизации. Все эти процессы осуществлялись в более грандиозных масштабах, чем в последующие геологические периоды. В архейскую эру на поверхность Земли выносились вещества в значительно больших количествах и, возможно, из более глубоких областей планеты. В дальнейшем обмен веществом между глубокими областями и поверхностью Земли сократился. В конце докембрия обособились более спокойные области земной коры — платформы и области интенсивной тектонической и магматической деятельности — геосинклинали. С течением времени платформы росли, а геосинклинальные области сужались.

В современный период обмен веществом между геосферами по вертикальному направлению достаточно определенно может наблюдаться в пределах 10—20 км от поверхности Земли и местами — в 50—60 км. Не исключено движение вещества и из более глубоких зон Земли, однако этот процесс в настоящее время уже не играет существенной роли в общем К на Земле. Непосредственно непрерывный К наблюдается в атмосфере, гидросфере, верхней части твердой литосферы и в биосфере. Со времени появления биосферы (около 3,5 млрд. лет назад) К на Земле изменился. К физико- превращениям прибавились биогенные процессы. Наконец, огромной геологической силой стала ныне деятельность человека. См. Земля (раздел Человек и Земля).

Т. о., К на Земле в процессе развития нашей планеты изменялся и в современный период с геологической точки зрения наиболее интенсивен на поверхности Земли. В интенсивный обмен захватывается в литосфере, атмосфере, гидросфере и биосфере единовременно лишь небольшая часть вещества этих оболочек. Наблюдаемый К на Земле слагается из множества разнообразных повторяющихся в основных чертах процессов превращения и перемещения вещества. Отдельные циклические процессы представляют собой последовательный ряд изменений вещества, чередующихся с временными состояниями равновесия. Как только вещество вышло из данной термодинамической системы, с которой оно находилось в равновесии, происходит его дальнейшее изменение, пока оно не возвратится частично к первоначальному состоянию. Полного возвращения к первоначальному состоянию никогда не происходит. Вместе с тем благодаря этим повторяющимся процессам на поверхности Земли обеспечивается известная стабильность ее рельефа. Яркой иллюстрацией этого может служить круговорот воды в природе (рис. 1).

С поверхности океана испаряется ежегодно огромное количество воды, но при этом нарушается ее изотопный состав: она становится беднее тяжелым по сравнению с океанической водой (в результате фракционирования изотопов при испарении). Между поверхностным слоем воды океана и массой воды более глубоких его зон существует свой регулярный, установившийся обмен. Между парами воды и водой атмосферы и водоемов устанавливаются локальные временные равновесия. Пары воды в атмосфере конденсируются, захватывая газы атмосферы и вулканические газы, а затем вода обрушивается на сушу. Часть воды при этом входит в соединения, другая в виде сорбированной и многих др. форм связывается рыхлыми осадками земной коры, погребается вместе с ними и надолго оставляет основной цикл. Осадки в процессе метаморфизации и погружения в глубь Земли под влиянием давления и высокой температуры (например, интрузии) теряют воду, которая поднимается по порам пород и появляется в виде горячих источников или пластовых вод на поверхности Земли, или, наконец, выбрасывается с парами при вулканической деятельности вместе с некоторым количеством ювенильных вод и газов. Другая же, основная масса воды, извлекая растворимые соединения из пород литосферы, разрушая их, стекает реками обратно в океан. В результате этого процесса солевой состав океана в геологическом времени изменяется. элементы, образующие легкорастворимые соединения, накапливаются в морской воде. Труднорастворимые соединения элементов быстро достигают дна океана.

Другой пример — круговорот Известняки (как и др. породы) на континенте разрушаются, и растворимые соли (двууглекислые и др.) реками сносятся в море. Ежегодно в море сбрасывается с континента около 5·10⁸т В теплых морях углекислый интенсивно потребляется низшими организмами — фораминиферами, кораллами и др. — на постройку своих скелетов. После гибели этих организмов их скелеты из углекислого образуют осадки на дне морей. Со временем происходит их метаморфизация, в результате чего формируется порода — известняк. При регрессии моря известняк обнажается, оказывается на суше и начинается процесс его разрушения. Но состав вновь образующегося известняка несколько иной. Так, оказалось, что палеозойские известняки более богаты углекислым и сопровождаются доломитом, известняки же более молодые — беднее углекислым а образования пластов доломитов в современную эпоху почти не происходит. Наконец, при излиянии лавы известняки частично могут быть ею ассимилированы, т. е. войти в большой К

Т. о., отдельные циклические процессы, слагающие общий К на Земле, никогда не являются полностью обратимыми. Часть вещества в повторяющихся процессах превращения рассеивается и отвлекается в частные круговороты или захватывается временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.

Продолжительность того пли иного цикла можно условно оценить по тому времени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещества могла обернуться один раз на Земле в том или ином процессе (см. табл. 1).

Табл. 1. — Время, достаточное для полного оборота вещества

Вещество	Время (годы)
Углекислый газ атмосферы (через фотосинтез)	ок. 300
атмосферы (через фотосинтез)	ок. 2000
Вода океана (путем испарения)	ок. 10⁶
атмосферы (путем окисления электрическими разрядами, фотохимическим путем и биологической фиксацией)	ок. 10⁸
Вещество континентов (путем денудации — выветривания)	ок. 10⁸

В К участвуют элементы и соединения, более сложные ассоциации вещества и организмы. Процессы изменения вещества могут носить преимущественно характер механического перемещения, физико- превращения, еще более сложного биологического преобразования или носить смешанный характер. К, как и отдельные циклические процессы на Земле, поддерживаются притекающей к ним энергией. Ее основными источниками являются солнечная радиация, энергия положения (гравитационная) и радиогенное тепло Земли, когда-то имевшее исключительное значение в происходивших на Земле процессах. Энергия, возникшая при и др. реакциях, имеет второстепенное значение. Для отдельных частных круговоротов вещества можно оценить затраченную энергию; например, для ежегодного испарения масс воды с поверхности океана расходуется около 10,5·10²³ дж (2,5·10²³кал), или 10% от всей получаемой Землей энергии Солнца.

Классификация К на Земле еще не разработана. Можно говорить, например, о круговоротах отдельных элементов или о биологическом К в биосфере; можно выделить круговорот газов атмосферы или воды, твердых веществ в литосфере и, наконец, К в пределах 2—3 смежных геосфер. Изучением К занимались многие русские ученые. В. И. Вернадский выделил геохимическую группу так называемых циклических элементов; к ним относят практически все широко распространенные и многие редкие элементы, например серу, В. Р. Вильямс и многие др. рассматривали биологические циклы углекислоты, и др. в связи с изучением плодородия почв. Из цикличности элементов особенно важную роль в биогенном цикле (см. Биогеохимия) играют сера.

— основной биогенный элемент; он играет важнейшую роль в образовании живого вещества биосферы. Углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями, ассимилируется и превращается в разнообразные и многочисленные органические соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения продуцируют в год около 1,5·10¹¹ т в виде органической массы, что соответствует 5,86·10²⁰дж (1,4·10²⁰кал) энергии. Растения частично поедаются животными (при этом образуются более или менее сложные пищевые цепи). В конечном счете органическое вещество в результате дыхания организмов, разложения их трупов, процессов брожения, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим др. каустобиолитам — каменным углям, нефти, горючим газам (рис. 2).

В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые).

В активном круговороте участвует очень небольшая часть всей его массы (табл. 2). Огромное количество кислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и др. пород. Между углекислым газом атмосферы и водой океана, в свою очередь, существует подвижное равновесие.

Табл. 2. — Содержание на поверхности Земли и в земной коре (16 км мощности)

	В т	В г на 1 см² поверхности Земли
Животные	5×10⁹	0,0015
Растения	5×10¹¹	0,1
Атмосфера	6,4×10¹¹	0,125
Океан	3,8×10¹³	7,5
Массивные породы: базальты и др. основные породы	1,7×10¹⁴	33,0
граниты, гранодиориты	2,9×10¹⁵	567
Угли, нефти и другие каустобиолиты	6,4×10¹⁵	663
сланцы	1×10¹⁶	2000
Карбонаты	1,3×10¹⁶	2500
Всего	3,2×10¹⁶	5770

Многие водные организмы поглощают углекислый создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Из атмосферы было извлечено и захоронено в десятки тысяч раз больше углекислого газа, чем в ней находится в данный момент. Атмосфера пополняется углекислым газом благодаря процессам разложения органического вещества, карбонатов и др., а также, все в большей мере, в результате индустриальной деятельности человека. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из углекислого газа и паров воды. Некоторая часть углекислого газа и воды, извергаемых вулканами, возрождается из осадочных пород, в частности известняков, при контакте магмы с ними и их ассимиляции магмой. В процессе круговорота происходит неоднократное фракционирование его по изотопному составу (¹²—¹³), особенно в магматогенном процессе (образование ₂, алмазов, карбонатов), при биогенном образовании органического вещества (угля, нефти, тканей организмов и др.).

Источником на Земле был вулканогенный ₃, окисленный ₂ (процесс окисления сопровождается нарушением его изотопного состава — ¹⁴—¹⁵). Основная масса на поверхности Земли находится в виде газа (₂) в атмосфере. Известны два пути его вовлечения в биогенный круговорот (рис. 3): 1) процессы электрического (в тихом разряде) и фотохимического окисления воздуха, дающие разные окислы (₂, "₃ и др.), которые растворяются в дождевой воде и вносятся т. о. в почвы, воду океана; 2) биологическая фиксация ₂ клубеньковыми бактериями, свободными и др. микроорганизмами (см. Азотфиксация). Первый путь дает около 30 мг "₃ на 1 м²поверхности Земли в год, второй — около 100 мг "₃на 1 м² в год. Значение в обмене веществ организмов общеизвестно. Он входит в состав и их разнообразных производных. Остатки организмов на поверхности Земли или погребенные в толще пород подвергаются разрушению при участии многочисленных микроорганизмов. В этих процессах органический подвергается различным превращениям. В результате процесса денитрификации при участии бактерий образуется элементарный возвращающийся непосредственно в атмосферу. Так, например, наблюдаются подземные газовые струи, состоящие почти из чистого ₂. Биогенный характер этих струй доказывается отсутствием в их составе (⁴⁰), обычного в атмосфере. При разложении образуются также аммиак и его производные, попадающие затем в воздух и в воду океана. В биосфере в результате нитрификации — окисления аммиака и др. органических соединений при участии бактерии Nitrosomonas и нитробактерий — образуются различные окислы (₂, , ₂₃ и ₂₅). кислота с металлами дает соли. селитра образуется на поверхности Земли в атмосфере в условиях жаркого и сухого климата в местах отложений остатков водорослей. Скопления селитры можно наблюдать в пустынях на дне ниш выдувания. В результате деятельности денитрифицирующих бактерий соли кислоты могут восстанавливаться до кислоты и далее до свободного
Источник в биосфере — главным образом апатит, встречающийся во всех магматических породах. В превращениях (рис. 4) большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают из почв, водных растворов. входит в состав нуклеиновых кислот, лецитинов, фитина и др. органических соединений; особенно много в костях животных. С гибелью организмов возвращается в почву и в донные отложения. Он концентрируется в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, гуано, что создает условия для образования богатых пород, которые, в свою очередь, служат источниками в биогенном цикле.

Круговорот серы также тесно связан с живым веществом. Сера в виде трехокиси (₃), двуокиси (₂), сероводорода (₂) и главным образом элементарной серы выбрасывается вулканами. Кроме того, в природе имеются в большом количестве различные сульфиды металлов: и др. Сульфидная сера окисляется в биосфере при участии многочисленных микроорганизмов до сульфатной серы ("₄) почв и водоемов. Сульфаты поглощаются растениями. В организмах сера входит в состав аминокислот и а у растений, кроме того, — в состав эфирных масел и т. д. Процессы разрушения остатков организмов в почвах и в илах морей сопровождаются очень сложными превращениями серы. При разрушении с участием микроорганизмов образуется сероводород, который далее окисляется либо до элементарной серы, либо до сульфатов. В этом процессе участвуют разнообразные микроорганизмы, создающие многочисленные промежуточные соединения серы. Известны месторождения серы биогенного происхождения. Сероводород может вновь образовать "вторичные" сульфиды, а сульфатная сера — залежи гипса. В свою очередь, сульфиды и гипс вновь подвергаются разрушению, и сера возобновляет свою миграцию. В целом все вещество литосферы интенсивно подвергается превращениям, участвуя в так называемом малом и большом К Под влиянием лучей Солнца, углекислого газа, воды, живого вещества происходит разрушение вещества поверхности Земли. Продукты разрушения уносятся ветром или, будучи растворены в воде, сбрасываются в моря и океаны, где они осаждаются, откладываются на дне, уплотняются, цементируются, образуют слоистые осадочные породы, а затем под влиянием давления превращаются в сланцы. Так, ежегодно выносится реками около 2,7·10⁹ т вещества. Этот К на Земле называют малым (см. рис. 5).

В большом К участвуют сланцы и др. породы, образующиеся в процессе малого К В результате дальнейшего погружения они попадают в магматическую область Земли, подвергаются действию давления и высокой температуры, переплавляются и в виде изверженных магматических пород могут быть вновь вынесены на поверхность Земли. Изучение К на Земле имеет не только познавательное значение, но и представляет глубокий практический интерес. Воздействие человека на природные процессы становится все значительнее. Последствия этого воздействия стали сравнимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции веществ и энергии, появляются многие тысячи соединений, прежде ей не свойственных. Создаются новые водные бассейны; тем самым меняется круговорот воды. В руках человека концентрируются огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные количества веществ для удобрения полей и т. д. Меняется обычный ход геохимических процессов. Глубокое изучение всех природных превращений веществ на Земле — необходимое условие рационального воздействия человека на среду его обитания и изменения природных условий в желаемом для него направлении (см. Охрана природы, Природопользование).

Лит.: Вернадский В. И., Очерки геохимии, 4 изд., М.— Свердловск, 1934; Ферсман А. Е., Геохимия, т. 1—4, Л., 1933—39; Виноградов А. П., Геохимия редких и рассеянных элементов в почвах, М., 1950; его же. Введение в геохимию океана, М., 1967; Вильямс В. Р., Собр. соч., т. 6, М., 1951; Borchert ., Zur Geochemie des Kohlenstoffs, "Geochimica et Cosmochimica acta", 1951, v. 2, № 1; Rankama К., Sanama . G., Geochemistry, Chi., 1950.

А. П. Виноградов.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.