ВЕТВЯЩАЯСЯ БИОСФЕРА (albercul) wrote,
ВЕТВЯЩАЯСЯ БИОСФЕРА
albercul

46. Соль биосферы Земли

Лимитирующий фактор жизни

Начало: (43), (44), (45)

соль

4. Главная солонка биосферы

Основным источником минеральных элементов жизни, грандиозной планетарной «солонкой», является земная кора, та гигантская «каменная чаша», которая сложена разнообразными кристаллическими горными породами. Образующая её масса минерального вещества в целом очень велика. Особенно в континентальной части земной коры, которая характеризуется весьма значительной толщиной (порядка 40 - 50 км, а в горных областях и того больше) и наряду с базальтовым основанием имеет мощный гранитный слой на всём своём протяжении. Однако это вовсе не означает, что, во-первых, земная кора насыщена именно теми минеральными элементами, которые необходимы для жизни и, во-вторых, эти элементы изначально находятся в доступной для неё форме.

сбз4-земная кора

Главная геохимическая особенность земной коры – чрезвычайно высокое содержание (кларк) кислорода, проистекающее от его способности образовывать очень прочные связи с различными элементами. Кислород составляет 46,6% от массы земной коры. Второе место занимает кремний, на долю которого приходится 27,72%. Кремнекислородные соединения (главным образом силикаты) практически полностью слагают объём земной коры, включая минералы, образующие гранит: кварц, полевые шпаты, слюды, роговую обманку.

сбз4-состав земной коры

Если учесть относительно более крупные размеры анионов кислорода по сравнению с катионами кремния, то нам откроется и вовсе парадоксальная картина - всё вещество земной коры предстанет в виде сплошного кислородного каркаса, в пустотах которого располагаются более мелкие катионы кремния, а также некоторых других химических элементов. Каркас кислородных анионов играет роль своеобразного геохимического фильтра, который допускает внутрь кристаллической решётки только положительно заряженные ионы определённого размера. Так вот, в числе допущенных элементов оказались алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Вместе с кислородом и кремнием они составили, как это было установлено ещё американским геохимиком Ф. Кларком, основную восьмерку химических элементов (преимущественно лёгких), на долю которых приходится в совокупности более 99% массы земной коры.

Такое своеобразие химического состава земная кора унаследовала от породившей её магмы, представляющей собой силикатный раствор-расплав, в котором изначально преобладают названные выше восемь химических элементов во главе с кислородом и кремнием. Разница состоит лишь в том, что магма содержит в себе ещё значительное количество летучих соединений в виде паров и газов, от которых она освобождается в процессе остывания и отвердения. Основная, силикатная часть магмы претерпевает при этом главным образом структурные (хотя и весьма сложные) изменения, связанные с последовательной кристаллизацией и закономерной сортировкой атомов содержащихся в ней химических элементов (ещё раз подчеркну, под контролем кислородно-кремниевого фильтра).

В магме (а, стало быть, и в порождённых ею магматических горных породах), конечно же, имеются и все другие химические элементы, отображенные в таблице Д.И. Мен­делеева. Так, в граните присутствуют титан, фосфор, марганец, сера, фтор, хлор, барий, стронций, литий, хром, рубидий, ванадий, цирконий, никель, медь, цинк и многие другие элементы. Одни элементы из категории малораспространённых, имеющие подходя­щий ионный радиус, вошли в кристаллохимические структуры силикатов в виде изоморфных примесей (надо заметить, что явления изоморфизма играют очень важную роль в химии сили­катов). Другие, обла­дающие слишком большими или слишком малыми радиусами ионов, не смогли преодолеть упомянутый фильтр и оказались в силу этого в магматическом остатке в неупорядоченной и рассеянной форме. Но все они в сумме составляют меньше 1 %!

Итак, земная кора, безусловно, располагает в потенции всеми необходимыми для жизни зольными элементами. Однако их кларки зачастую невелики. Многие элементы пребывают в рассеянном состоянии. Все они при этом изначально находятся в инертной, законсервированной форме, поскольку заключены в твёрдую каменную оболочку. Основная масса этих элементов располагается к тому же на недосягаемой (для тончайшей поверхностно-планетарной плёнки живого вещества) глубине. На этом фоне не только существование жизни, но и само её появление на Земле, выглядит   маловероятным и к тому же совершенно бесперспективным.

И вот здесь начинаются поистине удивительные события, которые в корне меняют дело. Выплавленная из магмы и оказавшаяся на поверхности (в силу вертикальных тектонических процессов) земная кора вступает в качественно новую фазу своей эволюции. Начинается грандиозное по своим масштабам и последствиям выветривание горных пород, или гипергенез. Причиной этого весьма сложного планетарного явления служит то обстоятельство, что структура и химическое строение минерального вещества закономерно стремится к равновесию с окружающей его средой и, стало быть, прочные и устойчивые системы из атомов, образовавшиеся в одних условиях, становятся совершенно неустойчивыми - в других. Горные породы земной коры сложены минералами, возникшими в глубинах при очень высоких температурах и давлении. Однако на поверхности суши давление не превышает одну атмосферу, низка и температура, которая к тому же непостоянна и подвержена сезонным и суточным колебаниям. Наконец, что очень важно, земная кора находится под прямым воздействием солнечной энергии и воды. На этом фоне в твёрдых породах (в их поверхностных слоях) исподволь начинается перегруппировка атомов и образование новых минералов, которые соответствовали бы изменившимся внешним условиям.

сбз4-горные породы


сбз4-выветривание2

Если говорить конкретно, трёхмерные кристаллические силикаты перестраиваются в почти двухмерные плоские структуры. В зоне гипергенеза образуются принципиально новые силикаты (ранняя Земля их ещё не знала) – глины, которые составлены из плоских, микроскопических размеров (порядка 0,001 мм) кристаллических частиц, представляющих собой листы кремнекислородных тетраэдров, связанных в двух- или трехслойные пакеты. Эти листы в процессе выветривания последовательно «штампуются» на поверхности горной породы и отделяются от неё под действием воды. Кристаллохимическая структура глинистых минералов приходит в равновесие с новыми усло­виями. На поверхности суши мягкие, податливые глины оказываются в геохимическом отношении более устойчивыми, чем «несокрушимый» гранит.
                            сбз4-кремне-кислородные тетраэдры                                             Кремне-кислородны тетраэдры

                        сбз4-чешуйка глины   сбз4-тетраэдрОдиночный тетраэдр

В контексте рассматриваемой мною проблемы минерального питания биосферы наибольшее значение имеет, однако, то обстоятельство, что в процессе выветривания толщи горных пород, составленные трехмерными силикатами, освобождаются от катионов химических элементов с большим ионным радиусом, поскольку им становится тесно в плоских пакетах. Диффузия катионов начинается в результате того, что на границе контакта глубинного силиката и воды возникает перепад концентрации: в воде мало катионов, но есть протоны, а в минерале много катионов. Катионы уходят в воду (вымываются) и затем с ней выносятся за пределы зоны выветривания. Потеря заряда при уходе катиона компенсируется внедряющимися в структуру протонами воды, которые связываются с ионами кислорода.

По данным геохимической науки, первыми из горной породы уходят в водные растворы кальций, натрий, калий, а затем магний и железо. Вместе с ними частично удаляются атомы, находившиеся в виде изоморфной примеси или в состоянии неупорядоченного рассея­ния. В результате помимо кислорода и кремния в конечных продуктах выветривания остается только алюминий. Такова цена приобретённой устойчивости!

сбз4-глина карьерная

     Конечный продукт выветривания: карьерная глина

В целом же от всего этого происходит колоссальный выигрыш: природа получает реальную перспективу для дальнейшей эволюции в сторону жизни (которой на Земле еще нет). Дело в том, что н
еобходимые для будущей жизни зольные химические элементы освобождаются от каменного плена, переходят в подвижное растворимое состояние, тем самым создаются предпосылки для их включения в грядущие биологические процессы. Вследствие гипергенного преобразования вещества земной коры на поверхности суши начинается грандиозное по своим масштабам движение (миграция) атомов в природных водах. Значительная часть высвободившихся элементов с речным стоком покидает сушу и направляется в сторону океана, вливаясь в «первичный бульон».

Tags: выветривание, вымывание химических элементов, гипергенез, глины, земная кора, кларки
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 46 comments