Окислительно-восстановительная и кислотно-щелочная зональность. Биологический круговорот атомов представляет собой окислительно-восстановительный процесс, и именно поэтому главные черты всех биокосных систем определяются окислительно-восстановительными реакциями. В каждой системе наблюдается зональность, которая характерна и для биосферы в целом: окислительная зона (атмосфера, ландшафт в целом, океаны и моря, частично водоносные горизонты), восстановительная зона (многие илы морей и океанов, глубокие подземные воды).
Наряду с живым веществом другим важнейшим компонентом биокосных систем является вода, которая также участвует в круговоротах различного масштаба и продолжительности.
Существенно, что в различных биокосных системах обнаруживаются одни и те же классы водной миграции, типоморфные элементы. Например, кислые системы характерны и для почв, и для коры выветривания, и для илов, и для водоносных горизонтов, и для ландшафтов. То же относится к сернокислому, кальциевому, кислому глеевому и другим классам. Это также свидетельствует о принадлежности биокосных систем к одной группе явлений, об их единстве.
С круговоротом воды и водной миграцией связано существование в биокосных системах кислотно-щелочной зональности. Кислотную обстановку в биосфере создают углерод (угольная и органические кислоты), сера (H2S, H2SO4), в частных случаях — хлор (HCl) и фтор (HF). Остальные анионогенные элементы не имеют существенного значения из-за их низкого среднего содержания в земной коре (кларков). Но и у названных четырех элементов кларки очень невелики и, во всяком случае, намного меньше, чем у главных катионов, формирующих щелочную среду:
| Кларки элементов, создающих кислотную среду | Кларки элементов, создающих щелочную среду |
|---|---|
| C — 2,3 · 10-2 | Ca — 2,96 |
| S — 4,7 · 10-2 | Na — 2,50 |
| Cl — 1,7 · 10-2 | К — 2,50 |
| F — 6,6 · 10-2 | Mg — 1,87 |
| Σ 1,53 · 10-1 | Σ 9,83 |
Таким образом, в литосфере явно наблюдается дефицит кислотообразующих элементов, среди которых ведущую роль в верхней части литосферы играет углерод.
Разложение органических веществ микроорганизмами поставляет в биокосные системы угольную и органические кислоты, которые и являются существенным источником кислой реакции. Важным источником углекислого газа на глубинах являются также процессы разложения карбонатов. В верхней части биосферы локальным источником сернокислой среды служит окисление пирита и других дисульфидов.
При взаимодействии кислых вод с горными породами преобладающие по массе катионы горных пород нейтрализуют кислоты. В результате гидролиза происходит подщелачивание раствора, так как угольная и органическая кислоты являются кислотами средней или слабой силы, в то время как главные катионы образуют сильные основания. Так, при взаимодействии кислых вод с горными породами кислая среда сменяется щелочной. В результате в различных частях биосферы возникает кислотнощелочная зональность — смена кислотных горизонтов щелочными. Наиболее изучены эти явления в почвах, коре выветривания и илах.
Во всех районах влажного и теплого климата в элювиальных почвах происходит быстрое разложение растительных остатков, в связи с чем в верхние горизонты почв поступает много гумусовых кислот и углекислого газа. Оснований для их нейтрализации, как правило, не хватает, и в горизонте А почв возникает кислая и слабокислая среда (рН = 4,0—6,5). По сравнению с атмосферными осадками кислотность возрастает в десятки и сотни раз. Мигрируя в нижние горизонты почвы, эти кислые растворы взаимодействуют с минералами горных пород, разлагают их с освобождением сильных катионов — кальция, натрия, магния, калия и др. В результате кислоты частично или полностью нейтрализуются, pH повышается. Так в элювиальных почвах гумидных ландшафтов возникает кислотно-щелочная зональность.
Но принципиально сходная картина наблюдается и в черноземных, и в болотных, и во многих других почвах: в верхних горизонтах среда более кислая (или менее щелочная), чем в нижних.
Кислотно-щелочная зональность характерна и для илов, механизм ее возникновения и последовательность горизонтов, в общем, те же, что и в почвах (более кислые горизонты сверху, менее кислые — снизу).
Четко выражена кислотно-щелочная зональность в коре выветривания влажных тропиков, в верхние горизонты которой просачиваются кислые растворы из почвы. В нижней части коры создастся нейтральная или даже щелочная среда, обусловленная как принесенными сверху катионами, так и продуктами разложения первичных минералов нижних горизонтов. Особенно наглядна эта кислотно-щелочная зональность в древней коре выветривания ультраосновных пород Урала. Из верхних горизонтов коры — зоны охр и нонтронитов магний выносился, и там господствовала кислая реакция, а в нижних горизонтах — «выщелоченных серпентинитах» и «зоне дезинтеграции» он осаждался в форме магнезита, доломита, гидромагнезита, керолита, магниевого монтмориллонита и даже брусита — Mg(OH)2 (последний только в зоне дезинтеграции). Так в результате приноса магния сверху в нижних горизонтах возникала щелочная среда, а в коре выветривания в целом — кислотно-щелочная зональность. Следовательно, кислое выщелачивание, удаляя катионы из верхних горизонтов, приводило к развитию щелочной среды в нижних горизонтах.
Кислотно-щелочная зональность характерна и для водоносных горизонтов, и для водных масс рек, озер, морей и океанов. Конкретные формы зональности различны, но ее причины везде обусловлены процессами разложения органических веществ, биологическим круговоротом атомов.
Геохимические барьеры. Как мы убедились, геохимия много внимания уделяет физико-химическим обстановкам биокосных систем, выделяя сернокислый, кислый, кальциевый, содовый и прочие их классы. Отдельные классы господствуют на огромных пространствах. Например, все воды Мирового океана относятся к одному соленосному классу. Постепенно выявилась необходимость изучения границ между геохимическими обстановками, т. е. тех участков, где один класс сменяется другим. Нередко к подобным границам приурочены концентрации химических элементов. Такие границы автор в 1961 г. предложил именовать геохимическими барьерами, которые можно определить так же, как участки земной коры, где на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и как следствие их концентрация (рис. 29).
Понятие о геохимических барьерах является одной из методологических основ изучения процессов образования руд, а следовательно, и решения такого важного практического вопроса, как прогнозирование месторождений полезных ископаемых, т. е. выделение района для поисков данного типа руд. На этой основе намечается возможность прогнозирования новых генетических типов рудных месторождений, еще неизвестных в природе. Не менее велико значение понятия о барьерах и для выяснения природы геохимических аномалий, для разработки методики поисков месторождений. Это понятие важно и для решения проблем охраны природы и борьбы с загрязнением окружающей среды.
Те участки земной коры, которые мы теперь именуем барьерами, конечно, и раньше привлекали внимание ученых, но только как конкретное проявление различных процессов, как частные случаи. Теперь же они рассматриваются с общих позиций — как самостоятельный объект исследования, особое научное понятие. При классификации геохимических барьеров автор исходил из представлений о формах движения материи, что позволило выделить четыре основных типа барьеров — механические, физико-химические, биогеохимические (накопление элементов организмами) и техногенные. К последним относятся концентрации элементов, связанные с хозяйственной деятельностью человечества. Рассмотрим более подробно физико-химические барьеры.