Тема 4: Роль живых организмов в формировании земной коры и почв Возникновение

почв Возникновение под воздействием органической эволюции необратимых изменений в химическом составе

осадочных пород литосферы и почв Основная литература: Н.М. Страхов. Основы теории литогенеза, 1960-1963, т.1-3.

природы (наука «Палеонтология») изучены в большей степени?
Это объясняются следующим:
-

выдающимся практическим значением этих исследований,
- наличием богатого материала о горных породах, сформировавшихся в различные геологические эпохи,
- наличием обширных эмпирических материалов о растениях и животных прошлого,
- познавательным значением проблемы эволюции организмов.

видового признака организмов влечет за собой эволюцию литогенетических процессов
биохимическая концепция

осадкообразования –
в трудах отечественных ученых (Н.И. Андрусов, М.А. Егунов, Г.А. Надсон, Н.А. Соколов).

годах Я.В. Самойловым была сформулирована новая область науки – палеобиохимия.
Палеобиохимия

– наука, изучающая эволюцию земной коры в связи с эволюцией живого вещества

труды посвящены минералогии осадочных
пород, исследованию агрономических руд, биогеохимии.
Инициатор

изучения химического состава
современных морей и живых организмов, создатель палеобиохимии.
Способствовали становлению литологии как науки.
С1893 г. работал в Московском университете под руководством В. И. Вернадского.

С 1902 заведующий кафедрой минералогии и геологии в Новоалександрийском институте сельского хозяйства и лесоводства.
С 1906 профессор Московского с.-х.(сельскохозяйственный) института (ныне Московской с.-х.(сельскохозяйственный) академии им. К. А. Тимирязева), где создал минералогический музей агрономических руд.
В 1907—1911 приват-доцент, а в 1917—25 профессор Московского университета.
В 1908 организовал комиссию по геологическому исследованию фосфоритов в России,
В 1919 основал и возглавил Научный институт по удобрениям (ныне Научный институт по удобрениям и инсекто-фунгицидам им. Я. В. Самойлова).

ученых
(Л.С. Берг, Н.Б. Вассоевич, А.П. Виноградов, Н.М. Страхов, А.Б.

Ронов, А.И. Тугаринов и др.)
было четко показано влияние живого на изменение темпов литогенеза, минералогического и химического состава осадочных пород, закономерностей их физико-географического распространения и т.д., то есть роль живого вещества в формировании земной коры .

40-70 гг. ХХ века

общая теория Страхова о литогенезе и эволюции литогенетических процессов (1960-е

гг.)

Н.М. Страхов обосновал общую концепцию эволюции литогенеза и геохимических процессов в осадочной оболочке Земли под влиянием исторических преобразований живого.

Страховым разработана оригинальная схема эволюции внешних геосфер и осадочного породообразования в истории Земли.

Стра́хов Никола́й Миха́йлович
(1900-1978)
советский геолог, геохимик
один из создателей современной литологии

наука, изучающая эволюцию земной коры в связи с эволюцией живого

вещества
ХХ в., 30-40-е годы
биогеохимические работы В.И. Вернадского и Я.В. Самойлова.
Развитие идей биогенного, биохимического, биогеохимического осадконакопления в работах отечественных ученых (Л.С. Берг, Н.Б. Вассоевич, А.П. Виноградов, Н.М. Страхов, А.Б. Ронов, А.И. Тугаринов и др.)
1960-е годы
Обобщением многочисленных исследований стала общая теория Н.М. Страхова о литогенезе и эволюции литогенетических процессов.

испарением, существованием жидкой воды, по крайней мере, в течение теплого

времени года.

Ледовый тип литогенеза характерен для континентальных площадей с геологически длительным существованием ледового покрова большей или меньшей мощности.

Аридный тип литогенеза характерен для зон с повышенной температурой, но отрицательным балансом влаги, т.е. преобладанием испарения над массой атмосферных осадков.

Перечисленные три климатических типа осадочного породообразования занимают обширные зоны на поверхности Земли и в совокупности практически покрывают всю ее площадь.

Но в площади климатических типов вкраплены интразональные территории на площадях вулканических извержений и в их окрестностях, находящихся исключительно или преимущественно под действием эффузивного процесса. Для этих территорий характерен эффузивно-осадочный тип литогенеза, резко отличающийся их от климатических типов.

породообразование и выведение вещества из природного круговорота развивается по общей

схеме, выражающей сущность литогенеза как природного явления вообще:

мобилизация вещества выветриванием материнских пород (связана с водосборными площадями водоемов) – выветривание (выщелачивание) горных пород;
 
перенос осадочного материала и частичное отложение его в путях перемещения - миграция, смыв, субаэральное осадконакопление;
 
поступление осадков в конечные водоемы стока и седиментация в соответствии с физико-химическими и гидробиологическими особенностями бассейнов – бассейновое осадконакопление;
 
преобразование осадков в породы, их метаморфизация – диагенез, метагенез (не рассматриваем).

над испарением, существованием жидкой воды, по крайней мере, в течение

теплого времени года.
В современный геологический момент влажные зоны в совокупности занимают большую часть земной поверхности, в прошлые геологические эпохи господство гумидных условий на поверхности Земли было выражено еще сильнее.
Отложения гумидных зон слагают наибольшую массу пород стратисферы.

Химическое выветривание (выщелачивание) горных пород на водосборах водоемов.
Биологическое выщелачивание - процесс механического разрушения и метаморфизации горных пород под воздействием живых организмов, продуктов их жизнедеятельности и разложения органических остатков - способствуют преобразованию кристаллических решеток первичных минералов. Биологическое выщелачивание придает воде свойства агрессивности не только к карбонатным, но к изверженным породам.

мобилизующее действие биологического фактора являются сильно заболоченные равнины гумидных поясов.

ХИМИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ГУМИДНЫХ ЗОН ПРИВОДИТ К:
поверхностному стоку с большим количеством органического вещества
интенсификации выноса многих химических элементов, в том числе тяжелых металлов (V, Cr и др.);
образованию двух принципиально разных типов вещества:

A) твердые фазы (взвешенный материал ) начинает осаждаться еще в пределах водосборов и образуют т.н. кору выветривания .

B) растворы ряда компонентов продолжает мигрировать и, в конце концов, поступает конечный водоем стока, формируя химические и биогенные отложения.

массе гидросферы не накапливаются, они целиком выпадают в осадок и

мгновенно в геологическом масштабе времени. Седиментация взвесей отличается своей полнотой и завершенностью.

Растворенное вещество в пределах речных вод, дельтовой зоне стыка речных и морских вод, морских вод участвует в дальнейших процессах дифференциации вещества:

происходит активное биологическое извлечение биогенных элементов планктоном, особенно фитопланктоном.
гидробионты переводят эти элементы в новую форму, употребляя для строения своего тела.
после отмирания и разложения остатков организмов большая часть биогенных элементов вновь возвращается в водную толщу либо поступает в донные отложения не в той форме, в какой они поступили в водную экосистему (неслись рекой), а предварительно пройдя через тела организмов.
Итак, совершенно очевидна роль живого вещества в формировании химического состава вод и осадков и, в конечном счете, - в грандиозном акте дифференциации вещества в биосфере.

из них относятся типично биогенные элементы и их соединения (SiO2,

карбонаты, фосфор), а также само органическое вещество, захораниваемое в морских отложениях. В их осаждении решающую, а иногда (SiO2) и исключительную роль играет непосредственно биологическое извлечение их из воды и отложение в виде раковинного материала или продуктов разрушения органического вещества. Химические процессы имеют место лишь в специфической обстановке: у CaCO3 – в прибрежной зоне теплых морей, у фосфора – также в прибрежной зоне при наличии глубинных восходящих течений. Но в целом химический механизм осадконакопления соединений первой группы играет совершенно подчиненную роль.

элементов (группу железа), осаждающихся в водной массе бассейнов, образуют Fe,

Mn и, вероятно, Al. Содержание этих элементов в водной толще незначительно, причем главная масса их приходится на металлорганические соединения, весьма незначительная – на гидроксиды. Последние образуют коллоидные суспензии с малым размером мицелл и осаждаются в виде гелей гидроксидов, например, Fe(OH)3. Предполагается, что постепенный гидролиз соответствующих металлорганических соединений в водной толще приводит к образованию гидроксидов, которые далее коагулируют и осаждаются. Поглощение этих элементов организмами и вхождение в круговорот живого вещества происходит в виде коллоидных гидроксидов, прилипающих к стенкам гидробионтов и растворяемых далее с помощью кислых выделений клеток. Часть элементов после отмирания организмов седиментирует в донные отложения в виде взвешенного вещества, другая – разделяет судьбу металлорганических соединений. Таким образом, у второй группы элементов ведущим химическим процессом является коагуляция.

группу входят микроэлементы (V, Cr, Ni, Co, Cu, Ba, Sr,

Pb и др. – т.н. элементы-спутники. Основным путем извлечения тяжелых металлов и Sr из морской воды является их адсорбция гелями Fe, Mn и Al, а также коагулировавшей терригенной силикатной мутью. Определенную роль в их осаждении играют и живые организмы. То есть, у третьей группы элементов ведущим процессом является адсорбция и седиментация.

IV группа
Имеются также т.н. реликтовые соли NaCl, KCl, MgCl2, MgSO4, CaSO4. Они не осаждаются химически, не извлекаются биологически и поэтому накапливаются в водной массе океанов и морей, определяя состав воды Мирового океана. В осадке они появляются лишь в составе растворов захороняемой иловой воды.

на дне водоема входят в состав морских осадков, будущих пород
солевая

масса в наддонной воде повышает общий запас солей в гидросфере.
Ведущая роль организмов в извлечении растворенных веществ из воды. Химическое их осаждение в зависимости от растворимости, колебаний рН, сорбции играет второстепенную роль.
Влияние гидродинамического режима на размещение продуктов химико-биологического осаждения в осадках на площади водоемов.
Зависимость скорости осаждения от размера частиц. Полное осаждение аллохтонных и автохтонных частиц всех размеров укладывается в годичный цикл и может растягиваться на многие тысячи и даже десятки тысяч лет, например, в океанах с глубинами > 5000 м.
5. Наиболее характерные породы-индикаторы гумидного литогенеза - железные, бокситовые, марганцевые руды, кварцевые пески, каолины.

и осаждения веществ из растворов.
ОТСУТСТВИЕ ВОДЫ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ ПОДАВЛЯЕТ

ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОРГАНИЗМОВ.
Для ледового осадкообразования характерна простая, примитивная форма – механическое осадкообразование с невыраженной или минимально выраженной дифференциацией вещества без участия химической и биологической мобилизации вещества.
ПОЭТОМУ ЗДЕСЬ ПРАКТИЧЕСКИ НЕТ ЦЕННЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.
Осадочный материал образуется за счет механического (морозного) выветривания скал, не покрытых льдом или снегом.
Сам ледник, медленно передвигаясь, отрывает от ложа выступающие участки и уносит обломки с собой.
Материал вулканических выбросов выпадает на поверхности ледников и разделяет судьбу терригенного материала.

над выпадением осадков приводит к сухости аридных зон, что сказывается

на процессах выветривания.
ПРОЦЕСС ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИЗУЕТСЯ СНИЖЕНИЕМ РОЛИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ В ИХ ГЕОХИМИИ И СТАНОВИТСЯ ЧИСТО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ.
Включается весьма активная деятельность ветра.
Сухость климата и исчезновение на поверхности лесов, а затем и сплошного травянистого покрова приводит к характерному выпадению из набора осадков аридной зоны углей всех видов, углистых сланцев и континентальных пород, обогащенных органическим веществом.
В осадках аридной зоны отсутствуют породы, характерные для гумидного литогенеза.

ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ГУМИДНОГО СЕДИМЕНТОГЕНЕЗА СВОЕЙ ПОЛНОТОЙ И БОЛЬШЕЙ СЛОЖНОСТЬЮ.
Бассейны

засушливых аридных зон прогрессивно осолоняются в ходе их развития, осолонение идет за счет накопления биологически индифферентных солей: NaCl, MgSO4, CaSO4, MgСl2 и др.
Характерны следующие стадии осадконакопления:
1. Первоначально (карбонатная стадия) - осаждаются наименее растворимые карбонаты кальция, магния – кальцит, доломит, а также силикаты магния – сепиолит, керолит.
2. В следующую стадию (сульфатную) гипс, ангидрит и т.д.
3. В последнюю (хлоридную) стадию садится галит, калий-магний хлоридные и сульфатные минералы.

окрестностях принципиально иной источник осадочного материала - он поступает не

в результате выветривания континентальных площадей, а из глубинных горизонтов земной коры – ювенильных слоев - в ходе вулканических извержений в виде механически выброшенных крупных и мелких частиц (пепла и т.п.), гидротермальных растворов и газовых выбросов.

В силу эпизодичности и громадной скорости этих выносов полностью или почти полностью подавляется течение осадочного процесса климатических типов, осадкообразование приобретает специфические черты.
Процессы поддерживаются запасами эндогенной энергии соответствующих зон Земли.

гумидном
Пепел:
Механически выносимые пепловые и другие частицы представляют собой частички

вулканических пород самого разного состава, самые мелкодисперные частицы поступают в атмосферный воздух и переносятся на значительные расстояния

Раствор:
Гидротермальные растворы также резко отличаются от поверхностных: они обогащены SiO2, Mn, Fe, Al, а также микроэлементами: Cu, As, P, Pb, Zn и многими другими.
Поступают в конечные водоемы стока.

Газовые выбросы:
В составе газовых выбросов поступают CO, CO2, NH3, H2S, HCl, SO3, меньше - H и CH4, полностью (Н) или практически полностью (CH4) отсутствующие в материале, поступающем с континентов. Поступают в атмосферный воздух и растворяются в воде Мирового океана.

отложениях рассматриваемого типа возникают и рудные тела.

Железные руды сложены

оксидными формами железа (гематит), сульфидами Fe (пирит), Cu, Pb, Zn, Ag и т.д.

Марганцевые руды имеют карбанатный и карбонатно-кальциевый состав.

Накопления кремнезема в виде яшм и кремнистых сланцев более многочисленны.

его влиянием на литогенез.
Начиная с середины протерозоя хемогенный литогенез

постепенно сменился биогенным.

Факторами этой замены были все усиливающаяся фотосинтезирующая деятельность растений, рост общей биомассы в связи с освоением жизнью пелигиалических зон моря, выходом ее на сушу и включением все большего числа химических соединений и элементов в процессы метаболизма.

Рассмотренные 4 типа литогенеза возникли и существовали с древнейших доступных науке времен истории Земли. Во всяком случае, они были дифференцированы уже в те периоды, от которых до нас дошли первые породы (ок. 3.8 млрд. лет).

ЛИТОСФЕРЕ:
1. Климатические условия разных участков (Т, влажность).
2. Тектонический режим

(наиболее эффективный) .
Тектонически-активный высокогорный рельеф подавляет химико-биологическое выщелачивание
Тектонически-неактивный (равнинный рельеф) благоприятствует химико-биологическому выщелачиванию

из круговорота: «какая-нибудь стотысячная или миллионная часть химических элементов, проходящих

через живое вещество».

Вся остальная масса элементов удерживается живым веществом в круговороте – этим обеспечивается стабильность биосферы.

исторических преобразований растительного мира.

Каустобиолиты – это природные продукты распадения

остатков организмов, термин, предложенный Г. Потонье и др.

Классификация каустобиолитов по преобладающим процессам:
продукты разложения одноклеточных водорослей и микроскопически мелких животных – получаются богатые углеводородами битумозные сланцы, богхеды и др.
продукты разложения болотной зеленой моховой и травянистой растительности – получаются торфы.
продукты распада лесной, болотной растительности - создаются каменные угли.

- это водная бескислородная или бедная кислородом среда
Образование каменных углей

имеет связь с болотами, с большими скоплениями растений на территориях с влажным климатом, в устьях и дельтах больших рек, в равнинах их бассейнов, на берегах континентов и островов, в низинных областях приливов и отливов. Это места скопления огромной массы болотистых лесов, находящихся в состоянии медленного разложения.

Образование нефтей и битуминозных сланцев приурочено к стоячим водоемам с богатым растворенным органическим веществом, бедным аэробными микробами. Источником нефтей являются водные организмы - планктон, одноклеточные водоросли, мелкие животные, споры в периоды взрывов размножения. Под влиянием особых условий поверхность водовместилищ в течение короткого времени покрывается мириадами организмов, сотнями тысяч одноклеточных и т.д. Организмы отмирают, не будучи употреблены в пищу другими, их остатки собираются на дне – их вещество выходит в значительной части из цикла жизни – круговорота элементов. В течение миллионов лет вещество находится в состоянии медленных превращений.

развития живого
Все крупные эпохи повышенного накопления в осадках органического вещества

:
Отвечают возрастанию биомассы в эти эпохи
Являются следствием принципиальных «биологических обновлений живых организмов»

Важнейшими среди этих событий являются:
фотосинтез у прокариот (3.7-3.5 млрд. лет тому назад);
появление эукариот (1.9-1.6 млрд. лет тому назад);
массовое развитие колониальных форм (1.6-1.3 млрд. лет);
возникновение митоза, мейоза, метафитов и метазоев (1.0-0.9 млрд. лет);
экспансия многоклеточных (0.6-0.5 млрд. лет).

биологическом круговороте как форме развития почв (1926 г.) возникло как

синтез идей В.В. Докучаева об особой роли почвы в биосфере и проникших в почвоведение геохимических идей (П.С. Косович и др.).
Вильямс впервые развил представление об эволюции органического мира как главной движущей силе эволюции почв:
Сущность процесса почвообразования состоит в циклическом процессе синтеза и разложения органических соединений. Этот процесс изменяет режимы минерального и водного питания растений и вызывает, в итоге, смену растительных формаций.
Эволюция почв – это составная часть единого почвообразовательного процесса, проявление одного общего динамического процесса воздействия элементов биосферы на однородные элементы литосферы.
Однако эта концепция базировалась лишь на чисто биологических факторах и игнорировала роль абиотических факторов (глобальные изменения климата, рельефа, уровня грунтовых вод, вулканизм, денудация и т.п.).

составляет синтез идей чисто биологической концепции Вильямса и идей В.В.

Докучаева и В.И. Вернадского, внедрение геохимических идей Вернадского в почвоведение.
Большой вклад в их развитие внесли работы отечественных почвоведов и геохимиков Б.Б. Полынова, В.А. Ковды, А.И. Перельмана, а также французского почвоведа Г. Эрхарта (геохимическая роль леса). Биогеохимические аспекты эволюции почв разрабатываются в трудах М.А. Глазовской, А.П. Виноградова, В.А. Ковды, К.И. Лукашева, Г.В. и В.В. Добровольских, А.Н. и Э.Б. Тюрюкановых и др.
Трудами Полынова было подтверждено основное положение концепции Вильямса о том, что биогеохимическое почвообразовательное действие осуществляется через малый биологический круговорот.

Особая роль в эволюции почв принадлежит процессам разложения, а не синтеза органического вещества, так как при разложении освобождается огромное количество энергии в тепловой или химически работоспособной форме (Полынов).

«Учение о почвах» (1973).

Ковда выделяет 5 этапов в эволюции почв:

-скальный почвообразовательный процесс или первичное биогеохимическое выветривание,
-первичный почвообразовательный процесс,
-лесное и болотное тропическое почвообразование,
-возникновение луговых, черноземных почв,
-формирование современных почв.

Предлагаемая Ковдой схема является гипотезой, основанной на палеоботанические данных об эволюции растительного покрова и на фактах почвенной геохимии о почвообразовательной роли отдельных групп бактерий, грибов и растений.

приспособления процессов образования коры выветривания к потребностям биосферы (Успенский, 1956).
В

целом подтверждается верность идей Вернадского о переходе эволюции органического мира (эволюции видов) в эволюцию биосферы.
Следы этого перехода запечатлены в газовом составе атмосферы, в химических свойствах и солевом составе гидросферы, в химическом и минералогическом составе литосферы, в структуре образующих ее пород, в почвенном покрове Земли.

Органический мир, эволюционируя как единое целое, изменяет геохимическое строение и энергетику биосферы, механизмы регуляции происходящих в ней абиотических процессов.

В свою очередь, эти изменения, преломляясь, через сложную сеть внутривидовых и биоценотических взаимодействий, становятся ведущими факторами дальнейшей эволюции живого.

достижения всех наук, стройную, концепцию эволюции геохимического строения биосферы и

ее движущих сил.
Необходимы новые подходы, методы и данные для синтеза имеющихся сведений и обобщений об эволюции биосферы с эволюционной теорией.
Синтетическая теория эволюции – СТЭ (Колчинский)