Структура Земли и ее циклы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Земля имеет массу 6 1021 т и состоит из 88 различных химических элементов. Несмотря на все изменения, наблюдаемые в самых разных масштабах времени и пространства, земля в целом остается удивительно постоянной. В последние годы стало особенно ясно, что крупные составные части земного шара, такие, как ядро, мантия, кора, океаны, атмосфера и биосфера могут рассматриваться как сложная, взаимодействующая система. В ней циклично происходит передача вещества от одного резервуара к другому (Сивер, 1983). Об их объемах можно получить представление из таблицы 2, а о химическом составе можно судить по данным, приведенным в таблице 3.

Горные породы выветриваются с образованием осадка, который потом заборанивается. При погружении на глубину породы испытывают метаморфизм и/или плавление. Позже они деформируются и перемещаются в горных цепях вверх, чтобы снова подвергнуться выветриванию и совершить новый цикл.

Таблица 1 Относительные размеры резервуаров Земли (Андруз и др., 1999, с. 26)

Таблица 2 10 самых распространенных химических элементов (% по массе)

Геологический цикл

В центре Земли находится металлическое ядро, состоящее из железа и никеля; ядро окружено мантией плотных горных пород, богатых магнием и железом. Схематично состав частей Земли приведен в таблице 4.

Таблица 3 Разрез Земли

1. Ядро и мантия

Вместе они составляют более 99,6 % общей массы Земли (Скиннер, 1989). Земля резко разделяется на две части - богатую железом (ядро) и силикатную (мантия и кора). Температура ядра оценивается в 4-5 тыс. °С, давление - на этих глубинах 1,5-3,5 млн. атм. Ядро Земли состоит из сплавов железа, находящихся в твердом состоянии в центральной и в жидком состоянии в остальной части ядра. Турбулентные течения жидкости и генерируют магнитное поле Земли (Джинлоз, 1983).

Огромная силикатная оболочка разогревается за счет распада радиоактивных изотопов. Подвод тепла возбуждает мощные конвективные течения в верхних слоях оболочки, сложенных пластичными породами. Крупномасштабные движения в мантии принимают вид течений плотного, твердого и пластичного вещества. Кора (и океаническая, и континентальная) лежит на плитах толщиной примерно 100 км. Новые плиты образуются в зонах срединно-океанических хребтов и охлаждаются по мере их движения в направлении от хребтов к океаническим желобам. В океанических желобах плиты погружаются и тонут в мантии. По мере погружения плотной плиты холодное вещество увлекается вниз, образуя нисходящую ветвь конвективной ячейки. Естественно, должны существовать и горизонтальные возвратные течения, переносящие вещество из областей океанических желобов к срединно-океаническим хребтам, и восходящие движения разогретого вещества, которые компенсируют нисходящие движения в области океанических желобов. В конвективных ячейках холодные опускающиеся участки жидкости отделены друг от друга расстоянием, примерно равным удвоенной глубине конвектирующего слоя. Считается, что глубина конвектирующего слоя Земли составляет примерно 700 км (Мак-Кензи, 1983).

2. Земная кора

Составляет 0,375 % земной массы. Она построена в основном из минералов, образующих горные породы. Химические элементы распределены в земной коре неравномерно, иногда скапливаясь в рудные месторождения. Земная кора с верхней частью мантии называется литосферой, лежащей на астеносфере.

Океаническая кора состоит из минералов, богатых кальцием, магнием, железом, алюминием и кремнием, составляющих базальты. Океаническая кора в среднем имеет толщину около 6 км (от 5 до 8 км) и она на порядок моложе континентальной. Кора этого типа создается и вновь уничтожается на пути от срединно-океанических хребтов к зонам субдукции, где она погружается обратно в мантию. Срединно-океанический хребет представляет собой границу между двумя жесткими плитами. В том месте, где проходит хребет, плиты медленно раздвигаются, и поступает нижележащая порода. Таким путем на гребнях срединно-океанических хребтов (общая протяженность 59 000 км) ежегодно образуется несколько квадратных километров новой океанической коры. Гребень хребта лежит на глубине в среднем 2,5 км, а по обе стороны от него дно океана погружается на глубину 5-6 км. (Франшто, 1983).

Континентальная кора составляет более половины массы коры в целом или 0,29 % массы всей Земли. Мощность континентальной коры находится в интервале от 10 до 70 км. Она содержит меньше железа, кальция и магния, нежели океаническая кора, но сравнительно больше кремния, алюминия, натрия и калия, т. е. более легких элементов. Континенты плавают в астеносфере. Континентальная кора покрывает около 45 % поверхности Земли. В гидросфере больше воды, чем могут вместить углубления, образованные плотной океанической корой, поэтому края континентов погружены в воду (континентальный шельф и континентальный склон). Континентальная кора древнее океанической (возраст самой древней океанической коры не превышает 200 млн. лет). Она подвержена постоянным тектоническим движениям, эрозии, вулканизму, осадконакоплению (Берчфил, 1983), проходя собственный цикл развития, сопровождающийся ее разрушением и новым созиданием. Ежегодно около 1010 т твердого и растворенного вещества, образовавшегося при эрозии земной поверхности, удаляется реками, ветром и ледниками.

Выделяют два основных типа пород: изверженные или вулканические горные породы, образованные магмой, формирующейся в глубоких частях земной коры или в верхней мантии; осадочные горные породы, образующиеся при уплотнении материала, получающегося при эрозии континентальных пород и отлагающегося в депрессиях на континентах или на шельфе. Со временем слои этих отложений погружаются на все большую глубину, подвергаясь действию высоких давлений и температур. Образуются метаморфические горные породы. Расплавляясь, они формируют магму вновь. Можно делить породы как недеформированные (осадочные и вулканические) и деформированные (осадочные, магматические, метаморфические). Основная масса континентальной коры сложена именно породами второй группы.

В тех случаях, когда дивергенция плит континентальной литосферы заканчивается после растяжения на несколько десятков километров, зоны ослабленной континентальной коры остаются в виде рифтовых зон на континентах. Примерами могут служить: долина Рейна, Байкальская зона, рифтовые долины Восточной Африки, Рио-Гранде на юго-западе США (молодые активные рифты), рифт Осло (280 млн. лет), рифт Кеванаван в центре США (1 млрд. лет), рифты Атапуско и Батерст на северо-западе Канады (>2 млрд. лет).

Элементы, входящие в состав континентальной коры: O - 45,2 %, Si - 27,2 %, Al - 8 %, Ca - 5,1 %, Mg - 2,8 %, Na - 2,3 %, K - 1,7 %, Ti - 0,9 % (Скиннер, 1989).

3. Гидросфера

Водная оболочка составляет 0,025 % (0,25 10-3) массы Земли. Объем гидросферы 1375 106 км3. Океаны покрывают 70,8 % земной поверхности и имеют среднюю глубину 3,96 км. В каждом кубическом километре морской воды растворено 36 миллионов тонн твердых веществ. Средний химический состав растворенных в морской воде веществ: Cl - 55,07 %, Na - 30,62 %, Mg - 3,68 %, S - 2,73 %, Ca - 1,18 %, K - 1,10 %, Br - 0,19 %, C - 0,08 %, Sr - 0,02 %, B - 0,01 %.

Подавляющая часть воды на Земле сосредоточена в Мировом Океане. Если гипотетически распределить всю воду планеты на поверхности шара с площадью равной земной, то мы получим слой воды мощностью 2,6 км. Толина слоя пресной воды при этом составила бы 50 м. Из них 49,5 м - вода, сосредоточенная в полярных льдах и ледниках и только 0,5 м - вода, находящаяся в озерах и водохранилищах, т. е., доступная для использования человечеством. Наглядно это представлено на рисунке 7.

Средний ионный состав океанской и пресной воды дан в таблице 5, состав озерных и речных вод - в таблицах 6 и 7.

Океан и атмосфера образуют единую систему. Основным источником, из которого углекислый газ поступает в атмосферу, является океан, в котором в настоящее время растворено в 60 раз больше углерода, чем его содержится в углекислом газе атмосферы. (Брокер, 1983)

Таблица 4 Средний ионный состав (в %) морской и пресной воды

Таблица 5 Средний состав (в %) озерных вод

Таблица 6 Средний состав речных вод (мг л-1) (Wetzel, 2001)

4. Атмосфера

Воздушная оболочка составляет 0,0001 % (10-6) массы Земли, сильно перемешана, состоит из азота, кислорода и аргона на 99,9 %. За счет динамической активности земной атмосферы перераспределяется получаемая Землей солнечная энергия. Атмосфера Земли - это рабочее тело «тепловой машины» планеты. Азот практически не участвует в геохимических процессах и поэтому накапливается в атмосфере, как и аргон. Кислород циркулирует в ионосфере, океане, биосфере и осадочных породах. Количество его в атмосфере определяется скоростью химических реакций и фотосинтеза, которые связывают свободный кислород атмосферы с восстановленным углеродом и частично депонируют его в осадочных породах. По количеству молекул в атмосфере 79 % N2, 20 % O2, 1 % Ar. Остальные составляющие атмосферы имеют столь низкую концентрацию, что она выражается не %, а в млн.-1. Таковы СО2 (340), Ne (18), He (5), O3 (2) (Ингерсол, 1983).

Нижняя часть атмосферы - тропосфера мощностью 12-15 км, составляющая 80 % массы атмосферы. Затем на высоте от 20 до 40 км лежит тонкий озоновый слой. Выше тропопаузы расположены 40 км стратосферы, на которую приходится примерно 19 % массы атмосферы. Следующие за стратопаузой 800-1300 км занимает ионосфера (0,9 % массы атмосферы), над ней находится экзосфера, простирающаяся до 10 000 км.

Атмосферу также подразделяют на хорошо перемешиваемую гомосферу, простирающуюся до высоты 120 км от поверхности Земли, и гетеросферу, где силы гравитации преобладают над перемешиванием. Они разделены турбопаузой.

5. Биосфера

Живая оболочка составляет 3·10-9 массы Земли. Необходимо помнить, что она «теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он не мог бы существовать» (Вернадский, 2004, с. 56). На протяжении всей истории биосферы ее самыми влиятельными с точки зрения планетарных процессов составляющими были зеленые растения и микроорганизмы. Взаимодействие биосферы, гидросферы и атмосферы друг с другом и с наружными слоями земной коры не только всеобъемлюще, но и постоянно: это круговороты, состоящие из круговоротов, которые, в свою очередь, складываются из круговоротов. Добрая треть от всего числа химических элементов участвует в биологических круговоротах. Благодаря биологическим процессам в земной коре образовались массивные скопления кремния, железа, марганца, серы и углерода (Клауд, 1983). «Все минералы верхних частей земной коры - свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия (бурые железняки и доломиты) и многие сотни других - непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни» (Вернадский, 2004, с. 54).

Кислород атмосферы - продукт фотосинтеза зеленых растений. Количественные показатели биосферы в сопоставлении с другими оболочками Земли приведены в таблице 8. Несмотря на ничтожную, по сравнению с другими геосферами массу, биосфера - наиболее могущественная по своей трансформирующей силе оболочка Земли. Как писал В. И. Вернадский: «С исчезновением жизни на земной поверхности шли бы лишь медленные, от нас скрытые изменения, связанные с земной тектоникой. … Исчезли бы главные деятели процессов выветривания. … Неизбежно установилось бы химическое равновесие, химическое спокойствие, которое временами и местами нарушалось бы привносом веществ из земных глубин» (2004, с. 55). О структуре биосферы, ее химическом составе и функциональных характеристиках можно судить по материалам таблиц 9-13.

Необходимо постоянно иметь в виду, что главными «действующими лицами» в функционировании биосферы являются не сразу бросающиеся в глаза яркие и часто экзотические представители многоклеточных животных и даже не деревья, образующие обширные леса, а микроскопические одноклеточные организмы, в первую очередь - прокариоты. Академик Г. А. Заварзин (1999; 2001; 2003) вообще считает, что биосфера всегда состояла, главным образом, из бактерий, тогда как остальные организмы - не более, чем добавление к бактериям. Как известно, бактериальные сообщества, в отличие от сообществ эукариотов, могут обеспечивать работу автономных, т. е., замкнутых полностью по всем элементам биогеохимических циклов.

Биомасса микроорганизмов океана составляет около трети всей биомассы биоты планеты, биомасса бактерий суши сравнима с биомассой растений. Таким образом, биомасса прокариот - от половины до 90 % всего живого вещества биосферы.

Таблица 7 Сравнение биосферы с другими геосферами Земли (Акимова, Хаскин, 2000)

Таблица 8 Биомасса растений и животных биосферы (Акимова, Хаскин, 2000)

Таблица 9 Сопоставление биосферы и техносферы

6. Природные циклы

Экзогенный и эндогенный циклы

Весь взаимообмен между отдельными резервуарами - оболочками планеты имеет циклический характер. Мы уже упоминали большой геологический цикл (см. рис. 6). Более подробное его рассмотрение позволяет выделить в нем два цикла, называемые в англоязычных источниках экзогенный и эндогенный (рис. 8). Циклы, в функционировании которых участвует биота, называются биогеохимическими. Схема такого цикла приведена на рис. 9.

Видно, что вовлеченные в биогеохимический цикл вещества составляют два больших «фонда»:

обменный фонд, вещество которого совершает постоянную циркуляцию между живыми организмами и окружающей их средой;

резервный фонд, вещество которого не участвует в данный момент в кругообороте, но которое может быть вовлечено. По месту сосредоточения большинства вещества резервного фонда все биогеохимические циклы разделяют на осадочные циклы (резервный фонд в земной коре) и циклы газообразных веществ (резервный фонд в атмосфере).

Гидрологический цикл

С детства, еще из учебников природоведения, всем памятен наиболее простой и наглядный «кругооборот воды в природе», который представлен на рис. 10 как глобальный гидрологический цикл. Вода под действием энергии солнца постоянно испаряется, конденсируется в атмосфере и в виде осадков возвращается на поверхность океана и континентов. Вертикальные потоки испарения и осадков хорошо сбалансированы между собой, как и потоки горизонтального транспорта в атмосфере (с поверхности океана на сушу) и поверхностного стока (с суши в океан).

Биогеохимический цикл на фоне упрощенной схемы потока энергии

7. Циклы биогенных элементов

Другой пример глобального цикла, также хорошо известный каждому со школьной скамьи, - цикл углерода, приведенный на рис. 11. Главный резервный фонд составляет углерод, растворенный в Мировом океане, оперативно доставляемый атмосферой в регионы, где происходит наиболее интенсивное связывание углекислоты в процессе фотосинтеза. Колоссальные количества углерода ежегодно связываются и трансформируются биотой, играющей в этом цикле ведущую роль. Тесно связан с углеродным циклом и цикл кислорода, резервный фонд которого в атмосфере, как мы уже отмечали выше, создан исключительно благодаря деятельности биоты. Два главных процесса, постоянно осуществляющихся биотой - продукция и деструкция органического вещества (фотосинтез и дыхание/брожение) сводятся к чрезвычайно простому уравнению реакции:

nСО2 + nН2О Ўк (СН2О)n + nО2.

Естественно, это - крайняя степень упрощения, биохимические и биофизические механизмы обеих реакций достаточно сложны, но данная форма записи достаточно наглядно демонстрирует неразрывную связь циклов углерода и кислорода. Большая часть органического углерода находится в керогене.

Не менее важны, хотя и меньше известны циклы других необходимых для построения живого вещества элементов - азота и фосфора. Резервный фонд первого находится в атмосфере (рис. 12), второго - в литосфере.

Являясь самым массовым газом в атмосфере, азот, тем не менее, не может напрямую вовлекаться зелеными растениями в биогеохимический цикл. Молекулярный азот - вещество крайне инертное и в реакции вступать не расположенное. Два атома в его молекуле прочно удерживаются тремя ковалентными связями: . Для их разрыва и превращения молекулярного азота в вещества, которые растения способны усваивать и включать в свой метаболизм, необходимо затратить энергию и энергию достаточно значительную.

В атмосфере некоторое количество азота превращается в окись и двуокись азота, которые, связываясь с молекулами воды, переходят в ионную форму нитритов и нитратов. При этом затрачивается энергия электрических разрядов. Таким путем вовлекается в биогеохимический цикл примерно 20 % всего участвующего в нем азота. Весь остальной азот становится доступен растениям и, следовательно, остальной биоте только благодаря деятельности прокариотических микроорганизмов - бактерий, способных усваивать молекулярный азот, превращая его в ионы аммония:

N2 + 2H2O + 2(CH2O) 2NH4+ + 2CO2.

Приведенное уравнение реакции - не более чем схема, поскольку реальные процессы намного сложнее. Достаточно упомянуть, что для фиксации азота бактерии используют энергию, получаемую при разложении значительно большего количества органического вещества, чем это следует из приведенного уравнения. На связывание 1 г азота расходуется энергия, заключенная примерно в 10 г углеводов. Микробиологическое связывание азота постоянно происходит с мощностью примерно 1 г год-2 м-2. Образование из ионов аммония нитрит- и нитрат-анионов может происходить уже самопроизвольно в присутствии кислорода, а вот образование из неорганических веществ (аммония, нитритов, нитратов) аминокислот и нуклеотидов, белков и нуклеиновых кислот возможно только в результате биохимических реакций, осуществляющихся растениями. Организмы биоты, использовав азот, возвращают его в атмосферу. Цикл замыкается.

Значительно проще биогеохимический круговорот фосфора (рис. 13). В результате эрозии фосфаты вымываются из богатых ими осадочных и вулканических пород, в растворенной форме усваиваются растениями, включаясь в состав живого вещества. В организмах фосфор используется для построения нуклеиновых кислот и как важный компонент «энергетической валюты» биохимии - АТФ. По использовании, фосфор выводится из биоты вновь в форме фосфатов и захоранивается в донных осадках.

Круговорот фосфора

Если учитывать азот и фосфор в приведенном выше уравнении фотосинтеза/дыхания, то мы получим:

106 СO2 + 16 NO3- + HPO42- + 122 H2O + 18 H+ Ўк C106H263O110N16P + 138 O2.

Значения коэффициентов в этом уравнении будут увеличиваться по мере учета все новых и новых элементов, участвующих в построении живого вещества.

Кроме вышерассмотренных к числу «больших» элементов, необходимых для жизни, относится сера. Резервный фонд ее, как и у фосфора, сосредоточен в осадочных породах. Цикл ее достаточно прост (рис. 14), но он интересен тем, что в нем очень существенную (едва ли не большую, чем в цикле азота) роль играют микроорганизмы.

Основной источник серы - выветривание, благодаря которому сера вовлекается в кругооборот из своего осадочного резервного фонда (сульфидсодержащих горных пород):

FeS2 + 3.5 O2 + H2O FeSO4 + H2SO4

Схема круговорота серы

Сульфатредуцирующие бактерии, использующие серу в качестве акцептора электронов (как мы - кислород) для извлечения необходимой им энергии из органических веществ, образуют сероводород в отсутствие кислорода:

земля гидросфера планета биогенный

H2SO4 + 2(CH2O) 2CO2 + 2H2O+H2S,

H2SO4 + 4H2 4 H2O + H2S.

Примером таких бактерий является облигатный анаэроб Desulfovibrio.

В присутствии кислорода целый ряд серных бактерий окисляет сероводород до серы и серной кислоты:

H2S + O S + H2O,

S + 1.5 O2 + H2O H2SO4.

Это, например, Beggiatoa, и Thiothrix, которые накапливают серу внутри своих клеток. Бактерии рода Thiobacillus также окисляют сульфиты до серы и сульфатов, откладывая серу снаружи клеток:

2 Na2S2O3 + O2 2S + 2Na2SO4.

Главным образом, благодаря этим и подобным им бактериям и сформировались современные запасы самородной серы. В отсутствие кислорода бактерия Thiobacillus denitrificans окисляет серу и сульфиты до сульфатов, используя нитраты. Здесь мы видим связь циклов азота и серы:

5S2O32- + 8NO3- + 2 HCO3- 10 SO42-+2 CO2 + H2O + 4N2,

5S + 6 NO3- + 2CO3- 5 SO42- + 2CO2 + 3N2.

Существуют и бактерии, использующие серу в хемосинтезе органического вещества - зеленые серные бактерии:

CO2 + 2 H2S (CH2O) + H2O + 2S,

2CO2 + 2H2O + H2S 2(CH2O) + H2SO4,

и пурпурные бактерии:

2 CO2+Na2S2O3+3H2O 2(CH2O) + Na2SO4 + H2SO4.

Транспорт любых веществ между оболочками Земли можно достаточно наглядно описать с помощью предложенной С. Манахэном универсальной схемы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Универсальная схема для описания циркуляции веществ между резервуарами Земли.

Размещено на Allbest.ru