Поиск

Важнейшие особенности геологического круговорота веществ
27.10.2015

Современная геофизика и геология рисуют следующую картину строения земного шара. Ядро Земли окружено внутренними оболочками колоссальной мощности, сложенными вязким веществом. Оболочка, подстилающая земную кору, называется мантией (верхней и нижней). Граница верхней и нижней мантии залегает на глубине 900—1000 км.
Верхняя мантия характеризуется температурами, измеряемыми тысячами градусов, и давлением порядка тысяч атмосфер; в ней непрерывно генерируются подвижные жидкие и газообразные компоненты (магма, лавы, термальные воды, пары воды, углеводороды, двуокись углерода и др.), которые поступают в течение миллиардов лет в верхние отделы земной коры, формируя литосферу, гидросферу, атмосферу.
Верхняя граница верхней мантии находится на глубинах около 10—20 км под дном океана, 30—35 км — на платформах, 60—70 км и более — в области горных сооружений. Общая мощность верхней и нижней мантий в направлении к ядру измеряется величиной порядка 2900 км (табл. 1).

Важнейшие особенности геологического круговорота веществ

Над мантией лежат ультрабазальты, которые перекрываются мощным (до 15 км) слоем базальта. Выше расположена толща 15—30—35-километрового гранитного слоя. Гранитный слой в свою очередь перекрыт относительно незначительной оболочкой осадочных пород мощностью около 2—5 км. Затем следует кора выветривания мощностью от нескольких дециметров или метров до десятков метров, образовавшаяся в последние геологические эпохи. Наконец, суша континентов и мелководья морей покрыты тонким и неравномерным слоем почв, мощность которых измеряется лишь сантиметрами и метрами (рис. 4). Наиболее деятельной частью почвенного покрова является гумусовая оболочка, созданная в результате прямого влияния организмов на кору выветривания.
Земная кора со всеми ее оболочками находится в процессе непрерывного развития. Первоначальным источником осадочных пород явились продукты, поступающие из верхней мантии, в частности магматические породы, которые в процессе выветривания и почвообразования, денудации, сноса и переотложения покрывались толщами осадочных пород и почв. Однако колебательные тектонические движения, характерные для земной коры, сопровождались глубоким погружением осадочных толщ в недра, где они подвергались воздействию большого давления, высокой температуры и превращались в метаморфические горные породы.
Важнейшие особенности геологического круговорота веществ

Геологическое по длительности время воздействия давления и высоких температур, свойственных недрам земной коры, расплавление и образование магмы в результате нагрева, вызываемого радиоактивным распадом, приводят со временем к полному преобразованию осадочных и метаморфических пород в магматические.
С момента появления на земном шаре жизни и особенно растительного покрова в этих циклах все больше увеличивается роль биогеохимических и почвенных процессов.
Таким образом, большой геологический круговорот веществ включает в себя последовательные процессы выветривания массивно-кристаллических пород, образование толщ осадочных пород, погружение их на большие глубины, метаморфизацию и новое преобразование метаморфических пород в массивно-кристаллические. Формирование и разрушение почвенного покрова, снос и переотложение разрушенных почв или их погребение начиная с девонского времени являются постоянным звеном геологического круговорота материи.
В геологической истории земной коры и географических условиях земного шара очень большая роль принадлежит также смещению и миграции полюсов и материков. Есть указания на то, что в настоящую эпоху Америка и Евразия сближаются. Расстояние между Гренландией и Европой за время с 1870 по 1907 г. уменьшалось в среднем на 32 см в год.
Многие исследователи начиная с А. Вегенера считают, что современные материки образовались в результате распада одного или двух древних «сверхматериков» на отдельные части, которые постепенно раздвинулись, заняв современное положение. Горизонтальное смещение материков и полюсов наряду с вертикальными колебательными тектоническими движениями суши вносили, очевидно, грандиозные изменения в обстановку и характер древнего почвообразовательного процесса. Однако об этом мы можем судить лишь по косвенным признакам — свойствам осадочных пород.
Данные геологии, геофизики и геохимии позволяют представить некоторые наиболее общие черты истории формирования земной коры в связи с развитием истории почвообразовательного процесса. Общий возраст земного шара исчисляется величиной порядка 4—6 млрд. лет, хотя некоторые исследователи считают возможным увеличить возраст Земли до 8—10 млрд. лет. Процессы формирования литосферы земного шара продолжаются около 2 млрд. лет. Во всяком случае, возраст древнейших минералов земной коры, определенный современными методами, основанными на изучении продуктов радиоактивного распада, исчисляется величиной 1,6—2,5 млрд. лет.
Таким образом, длительность собственно геологической истории земного шара составляет около половины всего возраста нашей планеты. Ho для теории почвообразовательных процессов особое значение имеет та часть геологической истории земного шара, которая связана с появлением первых осадочных пород — продуктов древнейшего выветривания первичных магматических пород.
Первые признаки формирования на земной коре осадочных пород, подвергшихся метаморфизации и превращению в гнейсы и гранитогнейсы, относятся к докембрию. Если гнейсы и граниты рассматривать как продукты превращения древнейших осадочных пород, то, вероятно, продолжительность циклов осадконакопления составляет около 2 млрд. лет.
Общепризнанно, что жизнь на земном шаре появилась лишь во второй половине докембрия. В целом колоссальный по продолжительности докембрийский период характеризовался на суше отсутствием жизни и по преимуществу чисто минеральным и, возможно, даже стерильным характером процессов континентального выветривания, седиментации и образования осадочных механических и химических отложений. Более80% времени геологической истории земной коры относится к докембрию и проходило в условиях отсутствия жизни. Однако в последней трети докембрия организмы начали оказывать существенное влияние на ход геологических и геохимических процессов в земной коре. Бактерии и водоросли появились уже и на суше, а в гидросфере к этому времени жизнь достигла заметного развития.
В известной мере можно определить время начала жизни на Земле по соотношениям изотопов С12/С13 и особенно S32/S34. Отношение С12/С13 в среднем равно 89. В органических соединениях это отношение выше. Живое вещество как бы концентрирует более легкий изотоп углерода. Так, отношение С12/С13 в лигнитах достигает 93,1, в нефти и горючих газах — 94,1, в животном угле — 92,5. В карбонатах чисто минерального присхождения углеродное отношение опускается до 87,9.
Параллельно с историей развития жизни на Земле шло биогенное накопление С12 в осадочных породах. Пользуясь этим критерием, финский геохимик Ранкама в 1954 г. пришел к выводу, что в районе Южной Манитобы первые признаки биогенных осадков, обогащенных легким изотопом углерода, можно выявить в отложениях, имеющих возраст 2,5 млрд. лет. Нельзя, однако, считать эти цифры общепризнанными и достоверными.
Биологические циклы серы также приводили к постепенному обогащению осадочных отложений легким изотопом S32. Отношение S32/S34 в метеоритах и ультраосновных породах равно 22,22. В осадочных породах биогенного происхождения наблюдаются большие величины. Подсчеты отношения S32/S34 показывают, что значительная роль биологических циклов в геохимии серы отмечается последние 800 млн. лет. К этому времени относятся и первые известные отложения сапропелей.
Таким образом, ранние стадии биологического круговорота, связанного с жизнедеятельностью низших организмов на суше и водных организмов в морях, отмечаются в конце докембрия и начались примерно 0,8—1 млрд. лет назад. Возраст биологического круговорота веществ, следовательно, составляет примерно 15—20% времени общей истории существования земного шара. Однако есть основание предполагать, что самые примитивные организмы существовали и раньше. He исключено поэтому, что продолжительность биологического круговорота в истории Земли составляет 25—30% времени ее существования.
Возраст почвообразовательного процесса на земном шаре значительно меньше общей продолжительности биологического круговорота. Почвообразование началось лишь со времени появления растений на мелководьях и суше. Первые растения наземного типа появились на прибрежноморской суше в девоне, т. е. около 300—400 млн. лет назад. Можно считать, что примерно 5—10% времени геологической истории земного шара сопровождалось нарастающим значением и распространением на поверхности суши почвообразовательного процесса.
Итак, лишь геологически недавние отрезки времени в истории земной коры характеризуются развитием почвообразовательного процесса и формированием биологического круговорота, связанного с жизнедеятельностью высших растений и животных на суше. Столь же невелика абсолютная и относительная масса почвенных горизонтов земного шара по отношению ко всей земной коре. По подсчетам Кларка, 20-километровая толща земной коры на 95% представлена массой изверженных магматических горных пород, остальные 5% приходятся на осадочные породы.
Глинообразование является существенной особенностью геологической истории, так как глины составляют 4% веса земной коры, песчаные отложения — 0,75% и известняки — 0,25%. Вес почвенных горизонтов по отношению к земной коре составляет лишь тысячные доли процента.
Почвообразовательный процесс имел чрезвычайно сложную историю, и его непрерывность многократно нарушалась тектоническими процессами, эрозией, денудацией и накоплением осадков, морскими трансгрессиями и наступлением ледников. На большей части земной суши наблюдаемый ныне почвенный покров сформировался лишь во второй половине современного геологического периода — антропогена. Продолжительность антропогена составляет около 1—2 млн. лет. Однако некоторые поверхности планеты, по-видимому, сохранились сравнительно мало измененными с конца третичного периода. Почвенный покров этой третичной суши является значительно более древним. Таковы почвы тропического пояса. Африки и Южной Америки или пустынь Центральной Азии.
Антропоген характеризовался неоднократными оледенениями, которые уничтожили почвы, сформировавшиеся в доледниковое и межледниковое время. В северо-западной части Европы ледниковый период закончился, по-видимому, лишь около 10 000 тыс. лет, а в Скандинавии — 5— 6 тыс. лет назад.
Таким образом, продолжительность почвообразовательного процесса на ледниковых, послеледниковых и приледниковых отложениях составляют не более 5—10 тыс. лет. Так, возраст почв Русской равнины исчисляется величинами 8—12 тыс. лег. Почвы великой аллювиальной равнины Восточного Китая насчитывают возраст порядка 2—3 тыс. лет. В некоторых частях земного шара имеется совсем молодая суша, насчитывающая 100—200—500 лет. Таковы прибрежные низменности в районе Каспийского моря, где возраст почв исчисляется десятками и сотнями лет.
Четвертичный период потому и называется антропогеном, что появление человека произошло именно в это время. Хозяйственная деятельность человека, оказывающая ныне исключительное влияние на природу и почвенные процессы, насчитывает, по археологическим данным, 15— 20 тыс. лет. Влияние доисторического человека на природу и почву было локальным. Однако первобытный человек, знавший огонь, уже существенно нарушал природу отдельных ландшафтов. И в этом ограниченном смысле влияние человека на почвы и растительность насчитывает до 50 тыс., а может быть, и до 100 тыс. лет.
Итак, в истории геологических и биологических круговоротов, формирующих земную кору и почвенный покров, необходимо различать этапы: а) абиотический, охватывающий большую часть докембрия, 2— 3 млрд. лет; б) биотический, значительно более короткий, порядка 0,8—1 млрд. лет; в) почвенный, продолжительностью порядка 300—400 млн. лет; г) антропогеновый, наименее продолжительный, порядка 1 млн. лет, в котором послеледниковое почвообразование длится не более 50—60 тыс. лет и деятельность человека оказывает влияние на почвообразовательный процесс лишь около 10—20 тыс. лет. Ниже приводится геопедохронология земной коры (в годах):
Важнейшие особенности геологического круговорота веществ