Лекция 4. Атмосфера. Одна из важнейших оболочек, определяющих миграцию элементов

Атмосфера. Одна из важнейших оболочек, определяющих миграцию элементов. Особенно это касается летучих компонентов. Элемент должен быть или летуч или растворим.

Состав атмосферы. Современный состав характеризуется преоб­ладанием азота(78%), затем идет кислород (21%), 0,03% - СО₂ и аргон - около 1%, Пары воды составляют от 0,1-1%. Мощность около 1000км. Атмосфера подразделяется на тропосферу, стратосферу и ио­носферу, последняя играет важную роль благодаря озоновому экрану.

Эволюция атмосферы. Эволюция атмосферы шла параллельно общей эволюции земли. До появления жизни атмосфера и гидросфера имели близкий состав, в который кроме 95% воды входили так называемые кислые дымы, а точнее соединения соляной кислоты, серы, сероводорода, соединений фтора, углерода. Кислые воды постепенно растворяли оболочку и обусловливали глобальное развитие чисто абиогенных ге­охимических процессов. Постепенное расслоение атмосферы и гидросферы шло благодаря появлению фотосинтеза - около 2,7 млрд. лет назад. Это сопровождалось глобальным изъятием углерода в виде каустобиолитов (каустобиолиты - это аналог кислорода), о чем уже говорилось ранее и появлением резко восстановленной и резко окисленной среды.

По мнению геохимиков придерживающих планетоземельного происхождения Земли, состав атмосферы формировался исключительно в земных условиях и не был принесен из космоса. Об этом, в частности согласно Мейсона свидетельствует фактор дефицитности элементов, использует отношение содержания всех элементов к 10 000 атомов кремния, исходя из предположения максимальной устойчивости соединений кремния в космосе вообще. Если фактор дефицитности равен нулю, то элементы одинаково распространены и в космосе и на Зем­ле. Таковы элементы алюминий, фосфор, магний, натрий. Кроме того, о земном происхождении атмосферы говорит содержание криптона и ар­гона.

В течение геологического времени в атмосферу приносились: газы при кристаллизации магмы, кислород при разложении воды, кислород при фотосинтезе, гелий при распаде урана и тория, аргон при распаде калия.

Атмосфера теряла кислород за счет окисления водорода до воды, углекислый газ за счет образования горючих ископаемых и карбонатов, серу за счет окисления до сульфатов, азот за счет образования окислов. Весьма важным является окисление закисных форм же­леза до окисных. Это подтверждается исследованиями Энгеля об изменении химического состава осадочных пород. Окисление восстановленных форм железа - одна из причин разрушения биотита. Однако важно подчеркнуть поразительную устойчивость воcстановленных форм железа в биосфере в целом. Проблема соотношения форм железа одно из важнейших направлений в исследовании генезиса почв. Доста­точно вспомнить работы Зайдельмана, Веригиной, Кауричева. Вопросы хелатообразования и комплексообразования с железом – одна из важнейших и интересных проблем почвоведения.

В последние годы существенно изменяется поступление элементов в атмосферу таких соединений как метан, азотные соединения, серы, углерода, Однако следует учитывать, что некоторые элементы, поступающие в природные экосистемы являются биофильными и часть их может использоваться биологическими системами в силу гомеостатических процессов.

Оболочки и их взаимодействие

Таким образом, почва является сложным продуктом взаимодействия оболочек. Почву можно, таким образом, рассматривать в разных плоскостях, в рамках факторов почвообразования и в рамках взаимодейс­твия оболочек. Идея взаимодействия известна со времен В.И. Вер­надского, который писал, о том, что между безжизненной частью и жи­выми организмами идет непрерывный энергетический поток атомов, ко­торый пронизывает всю биосферу и определяет ее существование. Дру­гим важным замечанием является мысль Н.М. Сибирцева о том, что вы­ветривание идет наиболее интенсивно на границе раздела литосфе­ры, гидросферы и атмосферы и, что более важно биосферы.

В.О.Таргульян развивая принцип взаимодействия выделяет два ви­да оболочек - олигофазные (атмосфера и гидросфера) и полифазные 2 рода - оболочки взаимодействия - биосфера, почвы, коры выветрива­ния. Важная различная степень лабильности оболочек. Им предложены правила для оболочек.

Первое - правило взаимодействия, оно определяет контакт, взаимопроникновение и образование пограничных зон. В почвенном покро­ве на границе зон возникают наиболее интересное сочетание почв, в наземных экосистемах на границе с водными резко возрастает актив­ность живых организмов. В узких полосах контакта и выхода грунто­вых вод возникают своеобразные почвы. Результаты взаимодействия различны - это образование простых систем - инертных оболочек, простых смесей второго плана образо­вания - это химически активные оболочки, где образуются продукты реакции, но наиболее важным является появление новых, эмерджентных свойств, о которых уже говорилось выше.

Второе - правило стратификации. Минимальная - когда образует­ся трехчленная система - 2 субстрата и 1 пограничный слой. Макси­мальная стратификация - характерна для биосферы. В ней мы встреча­ем максимальное разнообразие вещества и энергии.

Третье - правило самоорганизации оболочек. Это имеет прямое отношение к теории диссипативных систем, стремящихся к равновесию, а также к теории гомеостазиса, использующегося в почвоведении, как и в биологии.

Типы образований соответственно различаются - от бескаркас­ных - газ, вода, до каркасных - литосфера и ее производные. Скорос­ти круговорота для этих образований различны. Для пород - 103 - 10, лет, а для атмосферы - 101-103 года. В соответствии с В.А. Ковдой наша планета прошла биологизацию, граниты - это былые биосфе­ры, прошедшие контакт с живыми организмами.

Твердофазные продукты образующиеся на месте названы по опре­делению В.О. Таргульяна - ситонами - почвы, коры выветрива­ния. Трансситоны - образованы при движении. Концепция ситонов принимается не всеми. Серьезные возражения выдвинуты Ю.Н. Зборищу­ком. Ясно одно, что почва является ареной взаимодействия основных потоков.

В рамках развития структурно-функциональной организации почв интересно отметить, взгляды Е.А.Дмитриева, который, рассматривая почву как природное естественно-историческое тело, так и как функцию почвообразователей. Наряду с принятием понятия ситон Е.А.Дмимтриев предлагает разделение почвоподобных тел на три группы.

Первый класс - организационно почвоподобных – донные отложения, а так же другие, имеющие подобное строение.

Второй класс образования - функционально почвоподобные т.е. те, которые обладают плодородием. Так, например, подстилки выпол­няют на определенном уровне своего развития функции почвы, опреде­ляя, таким образом, продуктивность древостоя.

Третий класс - это хорологически почвоподобные - это, напри­мер, каменные россыпи, отвалы, соляные коры.

Самое главное, что к ним применимы общие методы почвоведения.

Биологический круговорот, основные понятия, классификация. Роль круговорота в биосфере.

Учитывая, что биогенный ток атомов является основным механизмом существования биосферы нетрудно понять, почему круговорот привлекает пристальное внимание почвоведов. Это тем более важно, что функция биосферы проявляется в живых организмах. Круговорот - это определенная концепция, которой пользуются для объяснения многих процессов происходящих в почве и в биосфере в целом. Концепция включает в себя, прежде всего примат живых орга­низмов, как основных факторов в наземных экосистемах. Диапазон роли круговорота широк - от геохимии, почвоведения - до экологии и проблем сельского хозяйства в целом. В экологии - это построение трофических звеньев и моделей экосистем. Трудно найти вопросы экологии, оторванные от круговоро­та. Достаточно обратиться к работам Одума, Дювиньо, Таусенда, Уиттеккера. Крупнейшие химики, такие как Коссович неоднократно обращались к вопросам круговорота. Полынов подчеркивал геологическую роль жи­вых организмов, говоря о том, что если в настоящее время мы и не наблюдаем, действия живых организмов, то это не значит, что они не работали в прошлом. Теория осадконакопления была бы выхолощена из неё убрать роль живых организмов. Особенно это касается образова­ния осадков в водных экосистемах. Если Пастер заявлял, что деструкция есть необходимое условие развития новой жизни, то Вильямс придал современное звучание проблеме биологического круговорота, сводя почвообразование к формуле - почвообразование - есть синтез и разрушение органического вещества. Современные взгляды о биологическом круговороте складывались под значительным влиянием таких исследователей как Н.И.Базиле­вич, Л.Е.Родни, Титлянова и многие других. Несомненно важно отметить роль университета, в частности работы Н.П.Ремезова и его учеников. В области геохимии, наиболее близкой к почвоведению важно от­метить работы Перельмана. Достаточно его положение о том, что кру­говорот является основным законом геохимии ландшафта, определяющим последовательную дифференциацию элементов-освобождение от быстро мигрирующих к накоплению слабомигрирующих. Это положение прозвуча­ло ранее в работах Титова, в его мыслях о так называемом зольном потенциале, который по мере развития ландшафта имеет тенденцию к увеличению.

Признавая работы В.И.Вернадского за ведущие отметим, что в биологическом круговороте роль живых организмов является ведущей. В связи с этим движущей силой является их функционирова­ние. В.И.Вернадский определил 2 основных биогеохимических принци­па.

Первый - это биогенная миграция,

Второй - эволюция организ­мов.

Биогенная миграция обусловлена деятельностью трех важнейших групп - микроорганизмов, многоклеточных и человека. Здесь особенно важен принцип разделения по типам трофии. Сами биогеохимические функции живых организмов включают в себя такие функции как газовые, концентрационные (первого рода - накопление всех элементов, второго - определенных групп элементов).

Биохимические, окислительно-восстановительные и биогеохимические функции человека, усиливают вовлечение в круговорот элементов пассажиров, тех, чья роль в биосфере была незначительна в силу слабой распространенности.

Второй биогеохимический принцип.

Продолжая рассматривать роль живых организмов в круговороте веществ, осветим второй биогеохимический принцип - это эволюцию живых организмов. Эволюция живых организмов - это механизм эволю­ции биосферы в целом, что подчеркивалось ранее. Раскроем важнейшие пути эволюции живых организмов в связи с биологическим круговоро­том.

Это ароморфоз - характеризуется повышением жизнедеятельности потомков. Идиоадаптация - относительная стабильность, ценогенез - возрастание числа потомков определенных групп. Дегенерация - снижение жизнедеятельности организмов. Каждый из этих путей эволюции может носить смешанный характер, особенно если иметь ввиду не чис­тые культуры микроорганизмов, или растений, а сложный системы - ячейки биосферы, где происходит преобразование вещества и энергии - биогеоценозы, или экосистемы.

Идиодаптация - характеризует относительную стабильность. Це­ногенез - характеризуется возрастанием числа потомков одного ви­да, семейства. Это приводит к упрощению круговорота, преобладанием автотрофов или гетеротрофов. В истории биосферы это как мы ранее говорили привело к разделению сфер.

Дегенерация - пример эволюции при разного рода катастрофах.

При всей спорности самих путей эволюции, оставим это для био­логов, должны отметить, что предложенные Северцовым пути эволюции удобны для объяснения особенностей круговорота. В частности это было блестяще использовано М.А.Глазовской, которая при классификации круговорота как раз использовала состояние взаимоотношений между живыми организмами и почвой. Ее предложения о компенсирован­ном и некомпенсированном типах круговорота являются пока мало развитыми.

При изучении круговорота выделим два важнейших подхода.

Пер­вый подход включает в себя развитие целостных представлений (холистичес­кий путь) от слово холос - целостность. С этим путем развито ста­новление концепций, на которых строится здание круговорота.

Первая концепция - это концепция биосферы, о которой мы гово­рили ранее. В контексте настоящего подчеркнем, прежде всего то, что натуралисты имеют дело с реально существующими системами, в отличие от математиков имеющих дело с абстрактными представления­ми. Концепция - это прежде всего стиль мышления.

Вторая концепция - концепция биогеоценозов. Она раскрывает устройство наземных и водных экосистем, причем не только их терри­ториальное положение (тогда бы речь шла о ландшафтах), но и их внутреннее содержание, а точнее однотипность процессов превращения веществ на каждом из уровней сложности организации БГЦ - от БГЦ до биосферы в целом.

Третья концепция - концепция геологической роли живых орга­низмов в трактовке Б.Б.Полынова. Важно подчеркнуть, не только то, что живые организмы играют роль в настоящий период, но и то, что и в прошлом они сыграли выдающуюся роль. Думается, что представления Б.Б.Полынова особенно имеют значение в контексте исторического формирования взглядов на роль организмов в биосфе­ре, что не всегда было принято, даже в 40-50 годы.

Четвертая концепция - концепция литогенеза по Н.М.Страхо­ву. Фактически она протягивает мостик от исторической роли организмов до сегодняшних особенностей породообразования. В схемах Н.М.Страхова постоянно присутствует роль живых организмов, особен­но это существенно просматривается при описании специфики осадко­накопления в водных бассейнах, где она особенно зрима.

Пятая концепция - это концепция системного подхода, она пре­дусматривает а) методологический подход к изучению БГЦ, б)выделение БГЦ, как единиц исследования, в)расчленение на компоненты, г)уста­новление внутренних связей, д)установление внешних связей. Послед­няя концепция выступает интегрирующей концепцией, которая присутс­твует на каждом из этапов исследования БИКА.

Второй подход - редукционный, означающий упрощение чего - ли­бо. Однако это не означает примитивного упрощения. В большей сте­пени это относится к эмпирическим наблюдениям, значение которых чрезвычайно велико. Эмпирические данные по запасам биомассы, сведе­ния о химическом составе растений и животных - все это "золотой фонд" биологического круговорота. В связи с этим отметим, что В.И. Вернадский придавал особое значение эмпирическим наблюдени­ям. Анализ прошедшего показал, что упреки в фактологии оказались неверными. Развитие моделирования это ясно показало.

Продолжим рассмотрение теоретических аспектов круговорота. Среди них интересны взгляды исследователей. Так, некоторые считают, что БИК следует отнести только к тем процессам, которые происходят внутри живых систем, например, когда речь идет о передислокации элементов из одних органов в другие. Явление довольно известное. Биогенный круговорот - следует рассматривать, когда речь идет о круговороте внутри БГЦ, между БГЦ и геохимический круговорот меж­ду геохимическими ландшафтами. Кроме того, если часть исследовате­лей придерживается мнения, что БИК - это функция живого вещест­ва, тогда как другие - функция БГЦ. Рамки как мы видим совершенно различны. Здесь сложности с определением структуры и функции. Ос­новной механизм круговорота - это функционирование живого вещест­ва.

Показатели круговорота. В самом общем плане следует разли­чать прежде всего фундаментальные показатели. Среди них а)хими­ческий состав живых организмов, б)продуктивность, в)энергетические величины.

Существенного внимания заслуживают показатели производного характера, те которые раскрывают особенности взаимодействия между организмами, с одной стороны и между организмами и окружающей сре­дой, с другой. Классическим примером является КБП, - это первый уровень. В рамках концептуально-балансовых моделей - это коэффици­енты рециркуляции и коэффициенты цикличности и ряд других.

Взаимоотношения между организмами характеризуют многие крите­рии (работы А.Л.Ковалевского).

Круговорот может быть охарактеризован статическими показателя­ми, характеризующим отдельные блоки экосистем, а также раскрывающи­ми особенности динамики. В основе своей БИК на 80-90% представлен статическими показателями.

Динамика круговорота, а тем более в рамках теории Титляновой показала насколько существенно изменяется представление о круговороте элементов. Особенно метод интенсивностей потоков.

Остановимся последовательно на фундаментальных показателях. Химический состав организмов. Работы Сестини, Пиршле. Фрей-Вислинга, Ферсмана, Купера (изложены в Бике - Богатырев, Рыжова) последова­тельно показывают поиски и оригинальные объяснения особенностей химии живого вещества.

Виноградов сформулировал основополагающие позиции - состав живых организмов определяется двумя факторами - для макроэлементов - это эволюционное прошлое, а для микроэлементов - это особенности

геохимических условий территории.

В этом отношении блестяще идею эволюционного фактора развивала Варицева (изложено в БИКЕ - Богатырев и Рыжова).

М.А.Глазовская большое внимание уделяет процессам зонального плана, выдвигая положение об аридонитных и гуматокатных элементах, связывая их содержание с биоклиматическими условиями. Важно упомянуть, что одно из лучших обобщений по химии живых организмов было сделано В.А.Ковдой.

Несомненно, что эволюция живых организмов приводила к сущест­венным изменениям окружающей биосферы, а также и других смежных сфер. Об этом уже говорилось. В контексте круговорота отметим, что постепенно абиотические циклы сменялись биогеохимическими цикла­ми, что усложняло циклы круговорота, приводила к большему времени удержания элементов в живой и биогенной сфере, приводило к многократному использованию элемента в БГЦ. Вот отсюда и те характерис­тик, о которых уже говорилось - коэффициенты рециркуляции и цик­личности - фактически это показатели, раскрывающие идею Бэра о бе­режливости организмов по отношению к элементам.

В эволюционном плане важно отметить, что В.А.Ковда подчеркивал, что в целом эволюция химического состав эволюционирует в сто­рону увеличения в живом веществе кальция и калия при уменьшении кремния.

Лекция 6

Тема:БГЦ, Продуктивность, структура и функционирование БГЦ, Детрит. Классификация круговорота.

БГЦ - основная единица организации биосферы. По В.Н.Сукачеву БГЦ - однороден (см. определение в словаре и в пособии). Но главное - для БГЦ - однотипностиь обмена веществ, или круговорота. По тиморф­феву-ресовсокому в пределах БГЦ нельзя провести границу. БГЦ равен экосистеме, но последняя безразмерная единица. БГЦ примерно равен элементарному ландшафту, но взаимоотношение несколько сложнее. Суть в том, что граница БГЦ проводиться по фитоценозу, а элементарного ландшафта по положению в катене и они могут не совпадать.

Важно то, что используя термин ландшафт мы должны всегда ис­пользовать прилагательное. Нельзя говорить просто ландшафт. Так, крупная территориальная единица - географический ландшафт - аналог крупных регионов - таких БИОМ в понимании Уиттеккера. Но задача изучения ландшафта другая, нежели БГЦ. Для ландшафта - это отражение на карте, а для БГЦ - это изучение круговорота.

БГЦ взаимодействуют между собой. Это взаимодействие отражено в нескольких принципах выделения БГЦ систем. Знаменательно, что в этих принципах четко прослеживается взаимосвязь с почвенно-гено­химическими характеристиками. В этом видится взаимоное взаимопро­никновение биогеоценологии и почвоведения.

Всего 5 принципов выделения БГЦ систем. Контрастность, принцип минимума связей, взаимоуравниваемых БГЦ, Кинетичсекой законченности и инвариантности структурного плана БГЦ. (для преподавателей - они все изложены в словаре и в пособии по БИКУ)

Важно отметить, что эти принципы конкретизованые в показателях БИКА. Так, К.Н.Манаков предложил понятие - контрастность БИКА (со­отношение емкостей круговорота сопряженных, да и просто сравнива­емых БГЦ.

Продуктивность. Ранее подчеркивалось, что показатели круговорота могут быть целиком построены на продуктивности. Поэтому продук­тивность следует рассматривать, как фундаментальное свойство БГЦ. По Храмову - это способность создавать, трансформировать и консервировать органическое вещество.

В изучении продуктивности отметим 2 направления.

Первое - это общая задача решения проблемы фотосиснтеза и в моделях и в естественных экосистемах.

Второе - это изучение про­дуктивности в естественных экосистемах. Согласно Лавренко изуче­ние продуктивности поставлено в ряд важнейших задач биогеоцено­тических проблем.

Программа МБП. Ее значение и работы на стационарах. В изуче­нии продуктивности основным признано установление связей продук­ционного процесса с гидротермикой. Продуктивность и радиационный баланс. Продуктивность и радиа­ционный индекс сухости (изложено в словаре и пособии по кругово­роту). Радиационный баланс используется в расчетах по определению затрат энергии на почвообразование, поэтому эта величина важная. Важна другая величина ФАР (см. пособие по круговороту). При расчетах продуктивности важное значение имеет чистота про­дукция, та, что остается в биогеоценозе. В рамках биоэнергетики по Хильми - количество затраченной энергии на создание единицы продукции значительно выше, чем та, что может быть определена калори­метрически в растительном веществе. Чистая продукция - эта та, что остается за минусом расходов на автотрофное и гетеротрофное дыха­ние, включая привнос органического вещества и учитывая вынос вещ­ества. Для смежных и сопряженных экосистем это имеет колоссаль­ное значение. Так, только на севере около 50% опада может быть вынесено из пределов БГЦ из наземных экосистем в водные.

Важно изменение продуктивности по зонам. Основные законо­мерности сводятся к увеличению продуктивности с севера на юг, т.е. с увеличением радиационного баланса. Н.И.Базилевич обраща­ет внимание, на близость продуктивности автоморфных и гидроморф­ных ландшафтов особенно в северных регионах с последующим рас­хождением этих величин. Это объясняется тем, что величина продукции является сложной величиной. В частности в тундровых экосистемах продуктивность террасовых заболоченных ландшафтов даже при отно­сительно неблагоприятном гидротермическом режиме сравнима с автоморфными ландшафтами. В зональном аспекте важно отметить, что продуктивность одних и тех же видов, например мхов, может быть одина­кова в тундрах и таежных системах. Общие запасы, как видно из ри­сунка меняются от 50 ц/га до 10 000 ц/га в тропических ландшафтах.

Величины продуктивности использованы для характеристики структуры и функционирования экосистем.

Структура представляет, прежде всего, соотношение частей вхо­дящих в биомассу и мортмассу. Это первый и важнейший критерий. В числе второго критерия предлагается (Н.И.Базилевич) целый набор показателей, фактически детализирующих раздельно живую и мортмассу по трофическим группам таксономическим уровням.

Показатели функционирования.

1)величина первичной продуктивности и КПД ФАР.

2)Отношение первичной продукции к запасу фитомас­сы.

3)Скорость круговорота, оцениваемая по отношению к продук­ции: запасов мортмассы, фитомассы и мотрмассы, мотрмассы и почвенно­го гумуса.

4)удельной скорости продукционного и деструкционного процесса.

5)емкости БИКА.

6)Скорости освобождения элементов при деструкции.

7)скорости использования первичной продукции фитофага­ми.

8)вклада дыхания различных групп растений.

9)удельных трат на дыхание различными организмами.

Открытость системы. Учитывает следующие параметры:

1)Эффектив­ность использования первичной продукции.

2)Отношение всех входящих и выходящих потоков к первичной продукции.

3)Величина чистой про­дукции.

4)вклад экосистемы в кислородный блок экосистемы.

5)интен­сивность выветривания.

Лекция 7

Деструкция

Деструкция - есть необходимое условие развитие новой жиз­ни. Это положение Пастера подчеркивает значение процессов разруше­ния органического вещества (см. Статью Структурон-функциональная организация наземных форм детрита). Вильямс говорил, что сущность почвообразования - это синтез и разложения органического вещества.

Критерии потенциальной и актуальной устойчивости. Критерии потенциальной - в основе лежит биохимический состав растительности и растительных остатков.

1.Соотношение лигнина и пентозы (Раковский полагает учесть и гексозы), как различных по своей устойчивости. Если преобладают (больше 1 пентозы - это неустойчивые соединения), если меньше 0,5 - это устойчивые.

2.Фактически эту же идею развивал Ю.А.Жданов (да сын знамени­того Жданова) предлагая в качестве критерия устойчивости:

а) Удельную информационную емкость

б) Среднюю степень окисления.

Последний используется в химии почв, но надо помнить, что этот показатель был предложен для чистых веществ.

3.Теплота сгорания. Размах от 4 до 9 ккал/г, Грищеноко пола­гает, что чем меньше эта величина, тем быстрее идет разрушение. Это так, но надо учитывать реальную ситуацию. Так, мхи низкокалорий­ны, но в гидроморфных условиях накапливаются с образованием сое­динений с высокой теплотой сгорания.

4. Значение азота как ключа к разложению. В процессе разло­жения содержание углерода снижается, а азота увеличивается. Если азот и критерий к разложению, то лигнин механизм, регулирующий скорость разложения. Особенно важно в связи с этим образование комплексов лигнина и белков. Отсюда теория лигно-протеинового про­исхождения гумуса по Ваксману.

Таким образом, соотношение продукционного процесса и разложения являются ключевыми. Отсюда его использование в характеристиках структуры и функционирования экосистем.

Интересно сравнить затраты на декарбоксилирование - они сос­тавляют от 30 до 55 ккал/моль, тогда как включение 1 моля СО₂ оз­начает запасание 114 ккал/моль.

В модельных условиях возможно установление потенциальной устойчивости, установления механизмов и кинетики процессов. Блестящие работы Паникова.

В натурных приходится идти от экспериментов и установления скорости разложения разными методами - от потери в весе до скорос­ти дыхания.

Типология круговорота

Классификация может быть построена на различных критериях.

1.Субстантивные подходы (показатели продуктивности, содержание и запасы элементов, энергетические величины)

2.Факторные, использование зонального положения изучаемой эко­системы, использование принадлежности к растительному сообществу. Самый часто встречаемый критерий (Перельман, Базилевич, Зонн, Гла­зовская) это показатели продуктивности.

3.Факторно-субстантивные показатели - настоящий подход предпо­лагает использование как факторов так и субстантивных показателей.

Это наиболее распространенный подход. Его использование находим у

Зонна, Перельмана, Глазовской и Базилевич.

Обращает на себя внимание особенно группировка типологии круговорота М.А.Глазовской - единственная в своем роде, которая использует эволюционный принцип. В основе этого принципа является соотношение нахождения элементов в живом веществе и почвенной сфере. Можно сказать, что ее подход к классификации типов кругово­рота является уникальным (см. Словарь по круговороту).

Однако традиционно используемых классификацией является ти­пология по Н.И. Базилевич. Ее классификация предполагает, группы признаков:

1)Принадлежность к зоне.

2)Структура биомасса (биомасса, прирост, опад, истинный при­рост, подстилка)

3)Подстилочно-опаднй коэффициент - по нему судят о скорости круговорота). Одно важное замечание - современный опад может быть не идентичен подстилке -это разновременные образования.

4)Элементы в годичном приросте.

5)Средняя зольность опада.

6)Емкость круговорота - количество элементов идущих на прирост. Пример тип - азотный, бореальный, тундровый, низкозольный, малопродуктивный, зрсирйный, с участием кальция и магния.

На земном шаре 4 группы круговоротов преобладают. Среди них:

1.Азотные - это тундровые, хвойные, лиственничные, а также субтропические.

2.Кальциевые - широколиственные леса, полукустарничковые и полупустынные экосистемы.

3.Кремниемые типы характерны для степей, саванн, влажные тро­пики.

4.Круговорт с участием хлора.

Наибольшее разнообразие для азотных типов круговорота. Для кремния - 7 типов, для кальция- 3 типа, для хлора - 2типа.

По континентам распределение имеет следующий характер:

1.Для Сев, Америки и Азии - Азотный тип.

2.Европнейский континент - Кальциевый тип и для Австралии кремневый.

3.Для Южной Америки - кремниевый тип.

Подробно о типах и распределении см. «Круговорот и его роль в почвообразовании».

На суше в целом 42% Азотный тип,12% кальциевый, кремниевый - 36%,

Существует ли зональность круговорота.

1. Она положена в основу классификации. Скорее связь опосредо­ванная через тип растительности.

2. Во - вторых, многие критерии для наземных экосистем перекрыва­ются, это касается и структуры их функционирования. ТИАК. коэффициент рециркуляции углерода для тундр и степных экосистем примерно одного порядка. Для тундр - 0,75 и 0,71 для степей.

3.Классификация не включает всего разнообразия,

4.Она построена на эмпирических показателях.

5.Не учитывает динамики накопления и потерь органического вещества.

Но нет альтернатив. Поэтому классификация Н.И.Базилевич выдер­жала испытание временем и является классическим образцом типоло­гии круговорота.

Лекция 8

Говоря о БИКЕ мы подчеркивали, что он является одним из важней­ших геохимических законов и характеризуется направленностью. Вместе с тем понятно, что реализация выветривания и дальнейшая миграция осуществляется с помощью и при непосредственном участии живого вещества. В добиогенные эпохи преимущественная роль принадлежала чистым геохимическим процессам. В рамках теории почвообразования выветриванию принадлежит особая роль, причем фундаментальная. Спра­ведливо замечание Ферсмана о том, что два основных фактора опреде­ляют геохимию данной области - ее геологическое прошлое и климати­ческое настоящее.

Концепция выветривания долго и последовательно вырабатыва­лась в смежных областях естествознания.

Первый фундаментальный подход разрабатывается в геоло­гии, второй подход принадлежит геохимии, где этому вопросу уделяют самое серьезное внимание. Третий подход вырабатывается в почвове­дении. Последнее особенно важно, при рассмотрении эволюции почв. Достаточно вспомнить концепцию В.А.Ковды, а также некоторые важнейшие положения М.А.Глазовской, последняя, развитие почв как раз и видила в том, что (Вспоминаю...)

Выветривание связано таким образом, с различными раздела­ми, включая теорию осадконакопления, корами выветривания, почвообра­зованием и образованием различного рода месторождений.

Выветривание - общий термин, обозначающий всякий процесс разрушения. Ферсман предложил термин гипергенез, понимая под этим со­вокупность гипергенных процессов.

Ферсману принадлежит классификация гипергенных процессов. Он выделяет собственно гипергенез - гипергенное изменение кристалли­ческих пород.

Гипергенез охватывает все сферы. Ферсман перечислил важней­шие факторы выветривания. Среди них он назвал температуру, давле­ние, рН, кислород, коллоидное состояние вещества (вспомним работы Винтерса о роли Н-бентонита, чье значение в выветривания анортита выше чем роль гумусовых веществ или уксусной кислоты - глина сама факторы выветривания).

Он подчеркнул роль живых веществ, но что более важно продук­тов их жизнедеятельности (отметим роль детрита как активного аге­нта в выветривании, подстилки играют роль в подзолообразовании). Недоокисленное органическое вещество играет существенную роль. Поэтому справедливо положение о роли детрита в наземных и водных экосистемах.

Ферсман детализировал геохимические типы процессов гиперге­неза:

I.а) Собственно гипергенез,

IIб) Педогенез (почвообразование - образование почвы).

IIIв) Сингенез - образование минералов, происходящее в осадках во время их осаждения. (Пустовалов назвал это ранним диагенезом).

г)Диагенез - (перерождение) - превращение осадка в поро­ду. Причина -нарушение физ-хим равновесия между частями внутри осадка и окружающей средой. Это происходит в широком диапазоне температур и в различных гидротермических зонах.

IVДиагенез разделяется на две подгруппы процессов:

1)Взаимодействие составных частей осадка, которое приво­дит, если для этого есть возможности

- к перекристаллизации

- к старению коллоидов (изменению знакомого вам кинетического и дзета-потенциала).

- к образованию конкреций

- к возникновению более устойчивых минеральных модификаций. При химическом взаимодействии составных частей происходит:

а) восстановление - в присутствии органического вещества.

б) превращение бикарбонатов в карбонаты.

в) образование сидерита из бурых окислов железа.

При взаимодействии осадка с окружающей средой происходит:

- растворение и удаление неустойчивых составных частей,

- осаждение новообразований,

- химическое взаимодействие осадка и окружающей среды,

- дегидратация,

- цементация.

Выделяют диагенез осадка - переход рыхлого осадка в породу. Процессы преобразования происходят и в породе - поэтому иногда го­ворят и о диагенезе породы *(другой термин эпигенез)

V. Катагенез (от слова, вниз)

Химико - минералогическое преобразование осадочных пород при взаимодействии двух петрографически и геохмически разнородных осадочных пород вне зоны диагенеза и метаморфизации.

Примером является проникновение окиси железа (коллоидальной) к поверхности известняков, вызывающее их слабое ожелезнение в са­мой верхней части (в Подмосковье) - это поздний диагенез.

VI. Галогенез - процессы в насыщенных растворах озер и лагун приводят к разделению двух ассоциаций:

а) осадка (кремний, алюминий, железо, сера, углерод)

б) рассола (щелочные и щелочно-земельные элементы, а также хлор и бром)

Галогенез явление для аридных районов с последующей эволюци­ей явлений галогенеза и засоленных почв (пример – Каспий, Арал и другие).

VII. Гидрогенез - процесс похожий на катагенез - также выз­ванный вертикальным движением воды, но с образованием новых мине­ралов.

VIII. Механогенез - аналог физического выветривания. Фундаментальное значение классификации Ферсмана неоспоримо - оно фактически описывает все важнейшие преобразования минеральной основы и взаимоотношений осадка (взвешенных) компонентов и осад­ка). Кроме того, важнейшие подразделения были использованы позднее Страховым в его типологии литогенеза.

Выветривание характеризуется однонаправленностью, при которой обратного построения кристаллической решетки, особенно высокотемпе­ратурных минералов нет - только опять через высокие температуры и давления. Исключений нет, а находки подобно теории образования маг­нетита в подстилках несостоятельны и как оказалось в последстви­и ошибочны.

Выветривание и почвообразование.

Эти два процесса не тождественны.

а) Выветривание имеет большее пространственное (вертикальное и площадное распространение). Выветривание идет везде - и под водой и под землей.

б) Почвообразование - это всегда горизонты, а зона выветривания не всегда.

в) Выветривание может участвовать в почве двумя путями:

а) создавать рыхлый нанос (многократно подвергаясь выветрива­нию)

г) выветривание действует непосредственно в профиле почвы

д) выветривание трактуется чрезвычайно широко, почвообразование - точное.

В геологии выветривание трактуется как всякое превращение минера­лов.

Определение геохимика Рича созвучно определению Сибирцева, но дано гораздо позже на 50 лет. Рич подчеркивал, что выветривание - реакция минералов на изменение окружающей среды по сравнению с теми условиями, которые существовали в момент образования мине­ралов. Фактически этим самым он подчеркивал примат роли происхож­дения минералов.

Сибирцев подчеркивал, что выветривание идет сверху, под влия­нием периферических сил, и дает продукты менее компактные, чем по­рода.

Конечно сегодня следует добавить роль подземных горячих вод участвующих в гидротермальной обработке пород, что приводит к об­разованию вторичных минералов. Об этом прямо говорит теория гидро­термально-вадозного происхождения вторичных минералов по Разумовой.

Глинка - выветривание и почвообразование идет параллель­но, Это разрыхление и распад минералов. Глинка впервые сформулиро­вал одно из важнейших положений в геохимии ландшафта – «выветрива­ние идет тогда интенсивно, когда идет постоянный отток вновь обра­зующихся продуктов».

Выветривание с геохимических позиций - по Перельману:

а) удаление водных и присоединение воздушных мигрантов. Выветривание с точки зрения литолога, а точнее с седименто-логичской точки зрения может рассматриваться как процесс очистки или рафинирования пород - Пример образование бокситов, чье проис­хождение трактуют чаще всего как очистку соединений.

Глина с точки зрения геолога-магматиста – это петрологический мусор, а для седиментолога - залежи каолинита - это пример высоко­го класса очистки пород.

Выветривание и диагенез два процесса неотделимы. Так, вывет­ривание полевого шпата в каолинит может быть на месте, или шпат разрушается и преобразуется далее из алюминия и кремния в глинис­тые минералы и сланцы.

Сложилось несколько направлений в выветривании:

а) Диагностика и исследование выветривания первичных минералов под микроскопом в целях установления соотношения трудно и легко ­разрушаемых минералов на морфологическом уровне, а также при ис­пользовании электронного зонда, позволяющего установить потери элементов в кристаллической решетки (Работы Шобы и других).

б) Расчеты кварцево-полевошпатового индекса. (Следует лишь учиты­вать, что этот расчет ведется на число зерен, а затем результаты переводятся на весь профиль. В частности В.В.Иванов показал, что количество полевых шпатов может быть увеличено в гор. А2, но зато они просто измельчены, и это нельзя оценивать как богатство элю­виального горизонта легко разрушаемыми минералами.

в) Степень выветривания дает представление о различных типах резервов. Начиная с Неуструева, Кравкова, а затем Афанасьева дела­лись последовательно попытки разделения минеральной массы. Следует вспомнить и Н.М.Сибирцева, который разделял минеральную массу, го­воря, что песок - это балласт.

Блестящее в этом отношении сделано обобщение В.М.Фридланда, который обобщил материалы по этому вопросу. Он предлагал выде­лять активную часть - почвенные растворы и катионы поглощенные, поверхностно-активную - глинистые минералы - продукт как он пред­полагал биологических процессов (заблуждение), а также потенциаль­ную часть - первичные минералы - место соприкосновения биологичес­кого круговорота и большого геологического. Нельзя не остановиться на предложениях Н.И.Горбунова о типах резерва.

г) Расчеты кларков - концентраций и рассеивания - вполне ха­рактеризуют направленность преобразования минеральной основы, но лучше всего, там, где нет вторичного поглощения элементов.

д) Расчеты элювиально - иллювиальных коэффициентов по А.А.Ро­де. По ним судят об относительном перемещении элементов в пределах профиля почвы по сравнению с наименее подвижным кремнием.

е) Одним из простейших показателей является определение рН растирания - варьирующего от 5 для кварца и 9 для нефелина, таким образом сопоставляя одни и те же минералы в различных горизонтах можно составить себе представление об их выветренности, но опять же с учетом условий.

ж) Сопоставление химического состава автохтонных кутан и внутренних частей пород или включений. Такой подход был предло­жен одним из первых Глинкой. В.О.Таргульян развил эту идею и пред­ложил этот методический подход для установления типа выветривания в различных почвах гумидного пояса. Так, им выделены тимаферный, ти­альферный и ряд других типов выветривания.

з) Потеря при прокаливании как вполне обычная и простая ве­личина была использована Волобуевым (график). Он впервые попытался сформулировать положение о том, что различия в этой величине свя­заны с процессами выветривания.

и) Соотношение Са:Na, показывает изменения в ряду альбит анортит косвенно указывая на направление в выветривании.

Факторы выветривания

Факторы выветривания последовательно обсуждаются многими исследователями. В самом общем виде они разделяются на две группы: Первая группа - это группа внутренних факторов, обусловленных про­исхождением минералов и свойствами элементов. Рассмотрим последовательно основные причины устойчивости.

1.Происхождение минералов. Блестящий образец в этом отношении создан Голдичем и Боэноном. В их схеме отлично сохраняется связь между происхождением (условиями образования минералов и особен­ностями их последующего гипергенеза).

Лекция 9

Внутренние факторы выветривания (продолжение).

2. Наряду с потенциальной устойчивостью минералов, которая предопределяется их происхождением, важное место принадлежит прочности свя­зи в системе элемент-кислород. Американские исследователи показали, что эта связь закономерно уменьшается от системы кремний-кислород к сис­теме алюминий-кислород и далее кальций-кислород. Понятно, что это отно­сительное суждение, но тем нее менее показывает насколько изменяется эта величина. Это объясняет быструю подвижность калия в процессе гипер­генеза.

3.Огромный шаг вперед был сделан Ферсманым, который один из первых предложил рассчитывать энергию кристаллической решетки. Под ней он пони­мал энергию, которая необходима для того, чтобы компоненты разошлись на бесконечно далекое расстояние между собой. Капустинский подчеркивал, что для расчета энергии кристаллической решетки необходимо знать состав вещества, валентность и радиусы ионов, Фактически эта идея восходит к идеям Бутлерова, который говорил о химической природе тела, необходимо напомнить первый принцип Гольдшмита, который, определяя энергию кристал­лической решетки подчеркивал, что ее структура определяется числом ее структурных единиц, размером и поляризационными свойствами.

Ферсман предложил рассчитывать энергетический коэффициент как пай энергии, который вносит каждый элемент в данное гетерополярное соединение, зная ЭКИ каждого элемента можно рассчитать ЭКР.

От энергии кристаллической решетки зависит механическая прочность минералов, растворимость, направление изоморфного замещения, термическая стойкость. В самом общем виде ЭКР есть функция структурных единиц, радиусов, валентностей и поляризационных свойств.

Следует отметить, что при расчетах ЭКР исходили из принципа адди­тивности и в большей степени в расчет принималась ионная связь чем ко­валентная. Но, даже при этих допущениях понятие ЭКР сыграла свою роль в поисках определения устойчивости минералов мерой и весом. Размах вели­чин ЭКР значителен - от 3097 для кварца до 183,3 для NaCE.

Значительный вклад по использованию понятия ЭКР был сделан Волубуевым. Основные положения его концепции сводятся к тому, что максималь­ная ЭКР характерна для почв богатых остаточными минералами и мала для тех, для которых много новообразований. Почвы сопряжены с определенными фазами выветривания. Однако, для того, чтобы четко увидеть сходство и различие почв в этом отношении необходимо рассчитывать ЭКР на бескрем­неземную часть, тогда можно действительно увидеть, что ферралитные и си­аддитные почвы расходятся по этим показателям. Отметим, что позднее на это обращал существенное внимание С.В.Зонн, подчеркивая необходимость расчета молекулярных отношений в целях установления типа выветривания исключительно для тонкодисперсной части почвы, то есть сравниваться должны те фракции, которые являются продуктом наиболее длительного пре­образования. При другом подходе кремний всегда будет преобладать и в красных ферралитных песчаных почвах и в подзолах. Конечно в рамках сов­ременной концепции унаследованности вторичных минералов в почвах, это нужно иметь в виду.

4.Электроотрифцательность как величину характеризующую соотношение доли ковалентной и ионной связей также следует отнести к критериям потенциальной устойчивости минералов. (график) Примером является возможности открывающиеся для выхода алюминия из кристаллической решетки. Она как раз связана с увеличенной долью ионной связи в системе Al-O,что позволяет внедряться иону водорода с последующим присоединением гид­роксильной группы.

5.Ионный потенциал относится к числу механизмов определяющих пове­дение элементов. Заметим конечно, что выветривание трудно оторвать от последующего акта выноса элементов. Отношение заряда к радиусу ионов позволяет сгруппировать элементы на несколько групп. С низкими величи­нами - это группа щелочных и щелочных земель, с высокими - к ним относятся прежде всего элементы мигрирующие в виде анионов(например, фосфор, азот и др), промежуточную группу образуют элементы дающие непод­вижные гидролизаты. Своеобразно положение кремния, характеризующегося высокой прочностью удержания в кристаллической решетке, но зато относи­тельно разнообразной формой миграции, в этом отношении отметим работы Брусиловского.

Среди внутренних факторов особенно при сравнительном анализе не­обходимо иметь ввиду состояние выветренового материала на момент исс­ледования, его коружение в системе гипергенеза, положение в системе поч­венных горизонтов.

Внешние факторы

1. Среди внешних факторов выветривания температура является одним из важнейших. Раманн был одним из первых, кто попытался вычислить так назы­ваемый фактор выветривания, используя величину относительной диссоциа­ции воды и времени в течение которого возможно выветривание. А, по его данным этот фактор варьирует от 170 в арктическом поясе до 1620 в тропическом. Достаточно много работ, показывающих, что при увеличении температу­ры возрастает выщелачивание элементов. Ее влияние тем сильнее, чем сла­бее электролит. Так, концентрация активных ионов водорода в воде изменя­ется в 10 раз, при изменении температуры на 100^оС, хотя воды остается нейтральной, но все-таки рН снижается от 7,11 при 0^оС до 6.12 при 100^оС.

Следует учитывать, что для зон с холодным климатом огромную роль играет смена циклов промораживания-оттаивания. В частности была показа­на деструкция первичных минералов.

Температурный фактор усиливает скорости реакций. Теоретически при увеличении температуры на 10^оС. скорости возрастают в 2 раза, но надо учитывать, что это правило не для гетерогенных реакций, а для идеальных сред. В области гипергенеза скорости вряд ли увеличиваются в 1.5 раза.

Есть верхний предел положительного влияния температур на выветривание в обычном понимании. При высоких температурах речь уже идет о специфических явлениях сложного порядка, которые могут приводит к новооб­разованным минералам. Это происходит при так называемом гидротермально­-водозном цикле преобразования первичных пород. Подробнее это будем рассматривать в разделе о корах выветривания.

2.Вода активный фактор выветривания и миграции. Не случайно Вер­надский писал о том, что в природе мы имеем два основных фактора мигра­ции веществ - живое вещество и природные воды.

Возможности химического взаимодействия молекул осуществляются при столкновении до тех расстояний, при которых электроны и атомы одной из них попадают в сферу действия электрических полей других молекул. На самом деле очень малая доля активных частиц обладает высокой кинети­ческой энергией способной преодолеть потенциальный барьер молекул.

Значение воды значительно высокой диэлектрической проницаемости равной 81 (это означает, что в воде снижается тяжение ионов в 81 раз). Диполи воды справляются с ковалентными связями не столь успешно, но если присутствуют ионная связь, тогда эффект достигается за счет доли связей приходящихся на тип ионной. Если же вода содержит органическое вещество - это резко повышает ее действие.

3.Фактор, который связан с водой - это углекислота. Совершенно не случайно ей отводится роль среди важнейших реакций. Значение ее широко и простирается от наземных вод до водных экосистем. Глинка подчеркивая действие углекислоты говорил о том, что не смотря на различие в факто­рах выветривания, которое наблюдается в верхней толще, в нижних гори­зонтах различных отложений и почв мы будем иметь с одним общим факто­ром - углекислотой. Значение этого фактора поддерживается почти во всех работах посвященных выветриванию - от Ферсмана до Страхова и Перельма­на. В древние времена в силу повышенного содержания СО₂ его роль была более велика по мнению Страхова.

4.Кислотность. Интегральный фактор,связаннный с типом минералов.В протолочке кварц дает рН около 5,тогда как нефелин - 9,В зоне гипер­генеза рН на ранних стадиях почвообразования обусловлено комплексом выветривающихся минералов, а на поздних - в большей степени органическими остатками, то - есть фактически ролью живого вещества, биогенного и био­косного.

Потенциальное поведение основных элементов описывается схемой Корренса. Однако в действительности все обстоит сложнее, так как на это накладываются внешние факторы и разного рода хелатирующие агенты.

5.Совокупное действие температурного фактора и водного режима рассматривали многие исследователи. Страхов предполагает, что для поте­ри 20% кремнезема в тропических условиях необходимо около 300 лет, тог­да как в подзолистой зоне - до 4400 лет, то - есть в 7- 14 раз больше. В аридных же районах вообще ход выветривания чрезвычайной замедлен. Кроме редкого явления - так называемого солевого выветривания.

6.Рельеф. Среди факторов ему принадлежит особое место. Рельеф явля­ется производным от эпейрогенических движений. Мощность кор выветрива­ния, плаща ныне существующих покровных и моренных отложений обусловли­вает соотношение темпов смыва и темпов химического выветривания. По предлению Страхова темпы смыва, не должны препятствовать переходу элюв­ия из щелочной стадии в кислую. Это условие в большей степени реализу­ется для равнинных территонрий. В самом общем виде рельеф определяет скорости потенциального выноса как растворенных, так и взвешенных мате­риалов.

Отметим, что перечисленные выше факторы и их сочетание с учетом фактора времени по-разному реализуется на различных континентах.

По Страхову фактически работают два фактора - климат разных

участков и тектонический режим территории. Отсюда ярко выраженная зо­нальная дифференциация отложений в пределах гумидных территорий.

В полосе тундр элювиальный процесс затухает. По данным В.В.Иванова выделен специфический процесс характерный для тундр - это поверхност­ное элювиирование, захватывающее преимущественно верхние грубогумусные горизонты. В условиях формирования почв при близком залегании мерзлоты это имеет существенное значение. Фактически полного вертикального элю­виирования почвенного профиля не происходит. Исключение составляет предположение В.О.Таргульяна о почвенной ретинизации гумуса к фронту мерзлоты.

Н.М. Страховым выделено два участка, где выветривание интенсивно:

а) Таежно-подзолистая зона, за исключением Средне-Сибирского на­горья, где химическое выветривание затухает.

б) Полоса интенсивного выветривания приурочена к зоне тропических лесов, где мощность толщ достигает порядка 100м, различающаяся в своем вертикальном разрезе.

Во всех зонах всегда важным является соотношение механической и химической денудации. В числе характерных особенностей химического выветривания, по словам Н.М.Страхова - это значительная быстрота процес­сов. Но чем легче формируется кора, тем быстрее она разрушается, если тектоника усиливается. Поэтому кора выветривания редко встречается в разрезах. Мы наблюдаем лишь ее жалкие остатки. В тропическом климате хи­мическое выветривание в условиях равнинного рельефа в 20-40 раз выше больше, чем в климате умеренно-влажном. Эффективность же механического смыва всего лишь выше в 5 - 10 раз.

Рассматривая соотношение механической и химической денудации, отметим, что она различна для равнинных, предгорных и горных террито­рий. Особенно хорошо это видно при сопоставлении степени выноса в виде

твердого и растворимого стока.

В заключение подчеркнем, что принцип соотношения механической и химической денудации и были положен Н.М. Страховым в основу разделения на типы литогенеза, такие как ледовый, гумидный, эффузионно - осадочный и

аридный.

Лекция 10

Основные реакции, сопровождающие выветривание. Типы литогенеза. Идея по стадийного изменения от минералов к по стадийному изменению осадков и в дальнейшем почв и почвенного покрова чрезвычай­но продуктивна. Рассмотрим последовательно эти важнейшие вопросы.

Механизмом по стадийного изменения минералов являются скорос­ти протекания реакций, как функция совокупного действия внешних и внутренних факторов. В основе лежат реакции, протекающие с минера­лами.

Так, гидролиз является одной из классических реакций, хотя и спорных. Суть реакции сводится к взаимодействию иона водорода воды с полевым шпатом, с последующим вытеснением калия, который поглоща­ется растениями, последующим образованием каолинита и выносом группы ОН. Согласно гипотезе Коржинского это обусловливает преиму­щественное подкисление суши, то - есть кислая часть реакции оста­ется в наземных экосистемах, а щелочная определяет подщелачивание океана. Правда, Н.М. Страхов придерживался несколько других взгля­дов.

Окисление также является одной из важнейших реакций, протекаю­щих в биосфере, с тех самых времен, как мы говорили с ранее, когда появилась резко окислительная и восстановительная часть. Окисление двухвалентного железа в кремнекислородных тетраэдрах связывают

распадение структуры минерала. Окисление сульфидов в сульфаты, об­разование лимонита, как конечного продукта, формирование гипса в результате взаимодействия серной кислоты и известняков - все это примеры реакций окисления.

В обычных условиях наших гумидных ландшафтов реакции окисле­ния двухвалентного железа в трехвалентное нельзя отнести в число быстрых реакций. Экспериментальные исследования показывают, что отмечается только динамика изменения соотношений двух и трехва­лентных форм железа, не обязательно включающая в себя необрат­имость образующихся продуктов. Совершенно не случайно геохимики говорят об устойчивости двухвалентных форм железа. Даже в условиях тундровых ландшафтов сизые пятна оглеения обнаруживаются на по­верхности почв пятен с довольно высокими величинами содержания двухвалентных форм железа.

Реакции восстановления более интенсивно протекают в водое­мах, и в гидроморфных ландшафтах, но конечно за исключением тех случаев, когда речь идет о проточном увлажнении. С этими процесса­ми связывают образование некоторых кор выветривания, образование сульфидов железа в угольных пластах рассматривают как результат восстановления сульфатных растворов органическим веществом.

В почвоведении эти два процесса (окисление и восстановление) связаны для подзолистых почв с соотношениям процессов оподзолива­ния и оглеения, по разному воздействующих на первичные минералы. В частности еще Глинка обращал внимание на эти два важных процес­са. Оглеение имеет большее распространение, другое дело протека­ет в кислой или щелочной среде, или при периодической смене реак­ции среды.

Карбонитизация связана с растворением минералов и переходом элементов в карбонаты. Этому сопутствует образование бикарбона­тов, что может быть в ходе выветривания ортоклаза. Карбонатно-каль­циевое равновесие одно из важнейших в природных ландшафтах. Это важный фактор выветривания, по мнению Глинки в нижних горизонтах почв мы имеем один важнейший агент выветривания независимо от ре­гиона - это угольная кислота.

Гидратация - присоединение воды, если этому способствуют условия. Образование лимонита. Реакция ведет к увеличению объема, уве­личению величины от прокаливания. Последняя и была использована в качестве основного критерия для разделения почв по интенсивности минерального преобразования. Основная тенденция сводится к увели­чению этой величины от нескольких процентов в сиаллитных почвах - до десятков в ферралитных почвах.

Катионный обмен - частный случай замещения катионов метал­лов ионами водорода. Диализ - процесс освобождения коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных веществ от истинно рас­творенных веществ. Глинистые минералы подвергаются диализу в во­де, особенно в озерах. Этот процесс мы о взяли на вооружение, когда очищаем глины в лаборатории. В природе процесс идет в маршевых почвах, болотах, но там, где поступают новые порции воды, то - есть при проточном увлажнении. Иногда это приводит к образованию чистой глины - каолинита (Миссури).

Таким образом, реакции различны не только по своему харак­теру, но и последовательности.

Роль соотношения выветривания и почвообразования Соотношение выветривания и почвообразования используется чрезвычайно плодотворно. Приведем несколько примеров. Первый каса­ется двух поясов подзолистых почв на Алтае. В самом нижнем поясе при небольшом содержании потенциальной части, при небольшом коли­честве освобождающихся оснований подзолообразовани происходит. Еще выше, где почвы также щебенчатые, но освобождение оснований идет интенсивно подзолообразование затухает. И еще выше, где ослабляется выветривание - возникает второй пояс оподзоленных почв. В южных районах, где температуры выше, ослабление выветривания не является столь резким и поэтому второй пояс оподзоленности не вы­ражен.

Оподзоливание не плохой, хотя и сложная модель для объяснения соотношения выветривания и почвообразования. Вопрос должен быть поставлен следующим образом - все ли изменения мы должны тракто­вать как результат почвообразования? Масштаб этих процессов, по мнению В.В.Иванова неоднороден и тесно связан с предыдущими ста­диями выветривания, а возможно и предыдущего почвообразования.

В.В.Ивановым рассмотрено несколько коэффициентов, характери­зующих процессы разрушения минералов. Первый из них - коэффициент устойчивости - отношение суммы устойчивых минералов (акцессор­ных, рудных) к относительно неустойчивым (Роговая обманка, хлот, эпи­дот). Показано, что наименьший коэффициент устойчивости характерен для А2 горизонтов и возрастает в В и С горизонтах. В целом это ко­эффициент возрастает от почв покровных суглинков и моренным и да­лее к почвам на делювиальных отложениях. Возрастание идет к наим­енее разрушенным отложениям. Примечательно, что В.В. Иванов привлека­ет к такому объяснению и флотационные способности минералов, в частности подчеркивая наименьшую удельную массу и флотационные способности роговых обманок.

Подзолообразование не сказывается сколько-нибудь заметно на количественном распределении тяжелых минералов и не может быть использовано для диагностики. Окварцовывание - второй теоретичес­кий диагностический признак. Но накопление кварца и его прелариро­вание над полевыми шпатами наблюдается редко. В силу того, что вполне вероятно предположить дробление полевых шпатов, приводяще­го к их относительному увеличению.

Интересен показатель, характеризующий соотношение измененных и неизмененных полевых шпатов. Показано, что максимальный коэффици­ент обнаруживается для горизонтов А2, по сравнению с нижележащей толщей, причем этот показатель растет в ряду покровные суглинки­, морена, делювиальные суглинки.

Очевидно, как считает В.В. Иванов представление о масштабе из­менения первичных минералов нуждается в корректировке в сторону уменьшения. Одна из причин слабого изменения минералов - это ис­черпывание резерва и прохождение кислотного гидролиза непосредс­твенно по дефектам минералов.

Стадийность и типология внутрипочвенного выветривания по Таргульяну, фактически использующего подходы Глинки и подстроенная на сопоставлении химического состава автохтонных кутан и состава внутренних частей обломков пород позволила выделить несколько ти­пов выветривания. Первый из них - это кислый окислительный, остаточ­но тиальферный, тот, что аналогичен сиаллитному типу выветривания с характерным накоплением в продуктах выветривания - титана, алюми­ния, железа и остаточного кварца.

Кислый эллювиально-глеевый (остаточно-тисиальный) - характерен для кислых восстановительных кор, характеризуется накоплением ти­тана, кварца и алюминия. Кислый хелювильный глеевый - подзолис­тый, характеризуется накоплением остаточного кварца и титана.

Примером является генезис подбуров, относящихся казалось бы к самотсоятельной группе почв, но тем не менее при определенном уровне выветривания и возможность осуществления дренирования про­цесс склоняется к оподзоливанию и тогда говорят об оподзоленных подбурах.

Достаточны интересны примеры для черноземов. Так, на базальтах формируются черноземы. Отличие лишь в щебенчатости. В условиях горнолуговых экосистем на базальтах формируются горнолуговые черноземовидные почвы. В гумидных областях на карбонтах формируются дерново-карбонатные почвы. Таким образом, процессы выветривания имеют большое генетическое значение, а следовательно и таксономи­ческое, особенно в почвах промывного типа и меньше в почвах непро­мывного типа.

Важно отметить, что В.В. Докучаев отмечал, что "явления зо­нальности могут быть прослежены в минеральном царстве гораздо глубже почв, они резко выражены и на характере почти всех четвер­тичных отложений" Глинка отмечал, что в географии химических про­цессов среди поверхностных горизонтов земной коры существует яс­ная закономерность, виновником которой является, прежде всего, кли­мат. В свою очередь Ферсман подчеркивал, что широтные и высотные климатические зоны вызывают соответствующую зональность и в гео­химических процессах.

Стадийность отложений. Несомненно, что стадийность выветривания самым тесным образом связана со стадийностью отложений. Не случай­но схема Н.М.Страхова начинается с мобилизации материала, которая внутренне обусловлена характером выветривания.

Вначале отметим, что группировка осадков может быть построена на различных принципах:

1)минералогических,

2)генетическая (например, морские, ледниковые отложения)

3) эволюционный подход (особенно он характерен при группиров­ке кор выветривания)

4)биоклиматический (учитывающий экзогенные и эндогенные фак­торы).

Н.М. Страхов один из немногих исследователей, который развивая теорию литогенеза, построенную на эмпирических наблюдениях, разра­ботал общую схему литогенеза, включающую последовательное поста­дийное изменение осадков - от процесса образования до глубокой пе­реработке. Достоинство схемы, что она может использоваться для лю­бых регионов. Достоинство их том, что она эргономично впитала в себя важнейшие положения Ферсмана о диагенезе и катагенезе. Фактически пользуясь ей он и описал многообразие форм литогенеза. Его схема состоит из нескольких этапов:

Схема литогенеза по Н.М. Страхову

1)Седиментогенез, включающий в себя мобилизацию, перенос и осаждение.

2)Диагенез - состоит из окислительного и восстановительного минералообразования и последующего перераспредления аутигенных стяжений.

3)Катагенез - региональная литификация осадков.

4)Прометаморфизм - предполагает глубокое преобразование ми­нералов.

Достоинство типологии осадков по Н.М. Страхову заключается также в том,что в каждом типе литогенеза прослежена не только судьба наземных и водных форм отложений и их последующее преобра­зование, но и особенности формирования руд. Происхождение последних Н.М.Страхов связывает с особенностями осадконакопления.

Типология осадков

Гумидные формации

Основными механизмом их образования служат эпейрогенеческие движе­ния, что определяет разнонапрвленность поднятий и опусканий различных участков суши. Это приводит к образованию в депрессиях седиментационных полей. Центрами являются морские бассейны. Эти области существуют дли­тельное время, обусловливая геохимическое сопряжение суши и водных эко­систем.

Породы различны - от песков и песчаников до известняков и крем­нистых пород. Характерно образование руд алюминия, железа, фосфора, мар­ганца, углей и горючих ископаемых, типа сланцев.

Примеры - Русская платформа - отложения юрских глин, мела, пермские глины (примеры - Костромская область, Архангельская, третичные отложения Казахстана). Мощность осадков р