|
Конспект лекций, прочитанных в ГЕОХИ РАН в зимнем семестре 2003-2004 г.
Содержание
1. В состав биосферы в соответствии с пониманием В.И. Вернадского входит гидросфера, атмосфера, живое вещество и верхняя часть земной коры с весьма неопределенным положением нижней границы; здесь в состав биосферы включены только почвы континентов и илы океанов.
2. При таком понимании объема биосферы ее средний химический состав близок к составу резко преобладающей по массе гидросферы и предопределен геохимическими законами дегазации земных недр и взаимодействия избыточных летучих с породами земной коры.
3. Наблюдаются значимые корреляции содержаний большинства химических элементов (за исключением избыточных летучих) во всех резервуарах биосферы с их распространенностью в верхней части континентальной коры; таким образом, главным фактором, определяющим распространенность большинства элементов в резервуарах биосферы и биосфере в целом, является состав земной коры, который, в свою очередь, предопределен законами выплавления вещества земной коры из мантии и космической распространенностью химических элементов.
4. Основная прямая геохимическая функция живого вещества в биосфере заключается в создании новых, вне влияния жизни не образующихся в существенных количествах форм соединений химических элементов, прежде всего, огромной гаммы органических соединений и свободного молекулярного кислорода, биогеохимические потоки которых строго количественно связаны стехиометрией реакции фотосинтеза (СО2 + Н2О > СН2О + О2), а также некоторых соединений S, N, молекулярного водорода и др.; такие вещества и соединения надо считать биогенными в прямом смысле этого слова.
5. Косвенное влияние живого вещества заключается в создании в биосфере ее ос-новной геохимической структуры - расщепления на аэробную (О2) и анаэробную (Сорг) обстановки; разнонаправленные термодинамически обусловленные геохимические реакции в этих обстановках, идущие нередко при участии микроорганизмов, предопределяют многообразие несовместимых форм нахождения химических элементов в биосфере, а циклический характер биогеохимических процессов обеспечивает постоянное воспроизводство этих обстановок в течение всей геологической истории биосферы.
6. Важным фактором влияния деятельности живого вещества на геохимические процессы в биосфере является огромная скорость биохимических реакций, обусловленная специфическим ферментативным катализом, что ведет к легкости достижения термодинамического равновесия продуктов биогеохимических реакций в среде жизни и в значительной степени определяет равновесный характер аутигенного минералообразования.
7. Биосферу можно представить как динамическую систему, в которой резервуары связаны между собой потоками вещества (и энергии), а система в целом является откры-той по отношению к земной коре и поступлению мантийного материала. Модель такой системы относится к классу динамических систем с обратными отрицательными связями (J = ?m; J - поток, m - масса резервуара, ? - динамический параметр). Это означает, что при постоянных граничных условиях такая система, представленная самой себе, подчиненная действию собственных законов, приходит к стационарному, неизменному во времени состоянию; временной масштаб достижения стационарного состояния по порядку величины соответствует среднему времени пребывания вещества в резервуаре живого вещества, которое очень мало по сравнению с геологической длительностью существования биосферы. Таким образом, основной геохимический закон биосферы - стационарность, постоянство биогеохимических процессов в течение всей геологической истории; этот вывод является теоретическим основанием одного из важнейших положений концепции биосферы Вернадского - постоянства геохимических функций живого вещества.
8. В стационарном состоянии составы взаимодействующих резервуаров биосферы определяются балансом потоков, питающих и покидающих резервуары. Малая масса живого вещества и небольшой временной масштаб (первые годы) биогеохимического круговорота ведут к тому, что собственно биогеохимические процессы (потоки вещества) контролируют лишь локальные обстановки (например, в почвах или в формирующихся осадках на ранних стадиях диагенеза); в глобальном масштабе состав подвижных резер-вуаров - гидросферы и атмосферы - контролируется балансом геохимических потоков - взаимодействием с твердыми породами земной коры в процессах выветривания и осад-кообразования.
9. Законы биогеохимического и геохимического круговоротов и временные масштабы достижения стационарного состояния (первые миллионы - первые сотни миллионов лет) позволяют предполагать, что состояние биосферы, близкое к современному, должно было сформироваться в течение первых сотен миллионов лет геологической истории и не подвергалось в дальнейшем никакой существенной геохимической перестройке.
Табл. 54. Массы резервуаров биосферы
Табл. 55. Химический состав атмосферы
Табл. 56. Распространенность химических элементов в гидросфере
Табл. 57. Распространенность химических элементов в почвах континентов
Табл. 58. Распространенность химических элементов в современных илах океанов
Табл. 59. Распространенность химических элементов в живом веществе
Табл. 60. Распространенность химических элементов в биосфере |
 
 
Рис. 45. Соотношения распространенности химических элементов в почвах конти-нентов и илах океанов с их распространенностью в верхней части континентальной коры (число атомов на 106 атомов Si) |
 
 
Рис. 46. Соотношения распространенности химических элементов в гидросфере и живом веществе с их распространенностью в верхней части континентальной коры (чис-ло атомов на 106 атомов Si) |
  
  
  
  
 
Рис. 47. Балансы распределения N, He, Ar. Kr, Xe, Cl, H, Br, Na, S, Mg, O, K, B, Sr, Li, Ca в резервуарах биосферы |
  
  
  
  
 
Рис. 48. Балансы распределения Mo, F, Rb, I, U, C, Cd, As, P, Cs, Tl, Ba, V, Si, Ge в резервуарах биосферы |
  
  
  
  
Рис. 49. Балансы распределения Sb, Ni, Zn, Cu, Pb, Sn, Co, Mn, Cr, Be, Nb, Sc, Y в ре-зервуарах биосферы |
  
  
  
  
  
  
Рис. 50. Балансы распределения редкоземельных элементов, Th, Ti, Zr, Fe, Al, Ga в резервуарах биосферы |
Табл. 61. Глобальные биогеохимические потоки химических элементов
Табл. 62. Среднее время обращения химических элементов в биосфере
Табл. 63. Глобальные потоки химических элементов в биогеохимическом круговороте и в процессах выветривания
Табл. 64. Принцип стационарности геохимического и биогеохимического круговоротов |
Рис. 51. Замкнутная часть круговорота углерода в биосфере |
1. Для создания глобальной резервуарной модели биосферы требуется:
- обоснование схемы резервуарной модели, адекватно отражающей крупномасштабную структуру биосферы;
- уточнение оценок распространенности химических элементов в резервуарах биосферы и разработка соответствующих оценок с учетом крупномасштабной ее неоднородности;
- количественная оценка потоков химических элементов между резервуарами биосферы с учетом крупномасштабной ее неоднородности.
2. Создание геохимической карты биосферы и разработка методологии ее биогеохимического районирования (например, на основе принципов геохимии ландшафтов) и количественной характеристики крупномасштабной неоднородности, что позволит начать построение пространственно распределенных моделей геохимической структуры и динамики биосферы.
3. Систематика геохимических функций живого вещества, конкретизация биогеохимических реакций, протекающих при прямом участии живого вещества и ведущих к геохимически значимым следствиям, оценки соответствующих потоков химических элементов, их соединений и связи этих функций с определенными носителями в ходе геологической истории биосферы.
4. Оценка на основе резервуарной модели биосферы системы факторов, определяющих устойчивость биосферы как системы и ее чувствительности к внешним воздействиям.
<<Назад Содержание Вперед>>
|
