Биогеохимический цикл кремния

Биогеохимический цикл кремния.

СОДЕРЖАНИЕ

   Введение…………………………………………………………………………...1

1. Общее представление о биогеохимических циклах элементов………………..2

2. Глобальный цикл кремния………………………………………………………..3

3. Миграция и аккумуляция соединений  в системе «почва- вода»………….......4

4. Биогеохимическая миграция кремния в сухих тропических экосистемах……5

5. Биогеохимическая миграция кремния во влажных бореальных и тропических

    экосистемах……………………………………………………………………......6

6. Влажные тропические экосистемы………………………………...…………….7

7. Основные потоки в глобальном цикле кремния……………………………...…8

    Заключение……………………………………………………………………….10

    Список используемой литературы……………….……………………………..11

Общее представление о биогеохимических циклах элементов.

      Биогеохимические циклы элементов - это превращения и перемещения химических элементов, через косную (совокупность тех веществ в биосфере  в образовании которых живые организмы не участвуют) и органическую природу при активном участии живого вещества.

     Химический элемент циркулирует в биосфере по различным путям биологического круговорота, поглощается живым веществом  и заряжается энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешние среды. Такие в большей или меньшей степени замкнутые пути были названы Вернадским (Очерки геохимии) « биогеохимическими циклами», («био» относятся здесь к живым организмам, а «гео»- к горным породам, воздухе, воде). В каждом биогеохимическом цикле (т.е. для каждого отдельного элемента), можно выделить 2 фонда.

1) Резервный - большая масса медленно движущихся веществ, содержащих данный элемент, в основном  в составе абиотического компонента. Фонд размещен за пределами живых организмов, во внешней среде.

2) Обменный (аподвижный)- меньший фонд, но более активный. Для него характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

    Резервный фонд иногда называют недоступным, а обменный циркулируемый фонд - доступным, хотя между ними существует постоянный медленный обмен.

    Среди биогеохимических циклов выделяют циклы 2-х типов: газообразных и осадочных веществ. Такое деление-проявление склонности химических элементов образовывать соединения того или иного типа в условиях Земли. Так, С, N, S, O находятся в циклах преимущественно в виде летучих соединений, тогда как P, Fe, Ca сосредоточены в негазообразных веществах.

Глобальный цикл кремния.

     Кремний- 2-й (после кислорода) по массе элемент земной коры. Он накапливается в веществе земной коры в процессе его выплавления. Содержание элемента в верхней мантии около 19%, в базальтах- 24%, в гранитах- 32,3% (Виноградов А.П, 1962).

  Прочное сочетание катиона кремния с 4-мя анионами кислорода является основной структурной единицей кристаллического вещества земной коры. В гранитном слое литосферы оксид кремния составляет 63, 08%, что составляет  2427,5 * 1015 т. кремния. Кремний повсеместно содержится в природных водах и широко используется растениями и животными для построения оболочек клеток, прочных тканей и скелета. Средняя концентрация кремния в наземной растительности 0,5 % сухого вещества, в планктоне – 5%. В биологический круговорот ненарушенной человеком растительностью суши ежегодно захватывалось 0,86* 109 т кремния.

  Биологический круговорот в океане обусловлен преимущественно жизнедеятельностью диатолевых и радиоляривых планктонных водорослей и последующим растворением их скелетов. Оценки масс кремния участвующих в биологическом круговороте, весьма разноречивы. При средней концентрации кремния в планктоне 5% через биологический круговорот проходит 5,5 *109 тонн в год этого элемента.

В мертвом органическом веществе суши концентрацию кремния можно ориентировочно принять равной 1%, а массу около 50* 109 тонн.

     В природных водах элемент присутствует в виде нейтрального гидрата Si(OH)4, в меньшем количестве в виде анионов типа Si(OH)3O.Для водной миграции кремния характерно преобладающее движение от суши к океану, которое не компенсируется в обратном направлении. Концентрация элемента в морской воде в 2 раза ниже, чем в речной. Среднюю концентрацию элемента в твердом веществе континентального стока оценить трудно. Она безусловно превышает концентрацию в глинистых отложениях, т.к. с суши выносится большое количество алеврита- песчаного, преимущественно кварцевого материала. Суммарное количество кремния в гранитном слое и осадочной оболочке равно 2918* 1015 тонн. Следовательно, на протяжении фанерозоя из земной коры было извлечено около 17% кремния от его массы, изначально содержащимся в гранитном слое.

  В.И.Вернадский («Очерки геохимии») считал, что история большинства химических элементов, образующих 99,7% массы биосферы, может быть понята лишь с учетом круговых миграций. Он специально отметил, что « эти циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть же элементов неизбежно и постоянно выходит из круговорота. Этот выход закономерен, т.е. круговой процесс не является вполне обратимым.

Миграция и аккумуляция соединений кремния в системе «почва-вода».

    Кремний постоянно поступает в почвенные растворы и грунтовые воды в результате  гидролиза дисперсных алюмосиликатов и растворения различных кремниевых минералов, в таких как кварц, опал и халцедон. Разложение отмершей органической массы также служит важным источником поступления кремния. При контакте воды с различными минералами в раствор переходит от 5 до 20 мг/л оксида кремния. В максимальной степени это выражено при выветривании свежих вулканических пород, характером для почв и коры выветривания районов с активным вулканизмом - Японии, Индонезии, Филиппин, Чили, Перу, Камчатки с активным вулканизмом. Например, газовое поступление растворов кремния в поверхности воды Камчатского полуострова равно 3-13т/км2. Преобладающей формой кремния в почвенном растворе и природных водах является ионные и молекулярные соединения ортокремниевой кислоты и метакремниевой кислоты. Другими соединениями кремния являются кремнийорганические полимеры, коллоидные растворы, гидроксида кремния и тонкие суспензии с типичной формой nSiO2 * mH2O.Полимеры кремниевой кислоты имеют молекулярный вес от 1000 до 70000 у.е. Миграция кремния сильно возрастает с повышением рН и температуры. В щелочно-почвенных растворах солончаков растворимость аморфного кремния может достигать 100-200 мг/л. Рост температуры также приводит к увеличению растворимости кремния.

    Растворимость кремниевых гелей также возрастает под воздействием солей натрия. Например, почвенный раствор солонца- почвы, содержащей натрий - может быть обогащен кремнием в количестве до 500 мг/л. Напротив, присутствие сульфатов, бикарбонатов и карбонатов кальция и магния резко уменьшает растворимость кремния и вызывает отложение соответствующих щелочноземельных солей или формирование пленок оксида кремния на поверхности почвенных частиц.

  Аналогичное выпадение соединений кремния в осадок происходит при испарении или замерзании почвенного раствора. Иногда эти процессы сопровождаются формированием слоев кремнезема толщиной до 4-5 м, например, в долине р. Миссисипи.

   Включение кремния в биогеохимические пищевые цепи приводит к формированию биогенных отложений. Диатоловые водоросли, радиолярии и некоторые высшие растения (н.р., бамбук) могут накапливать растворенный кремний с последовательным образованием его аморфных соединений типа опала. Однако эти процессы являются обратимыми, и деполимеризация возвращает кремний обратно в коллоидные и растворенные формы

Биогеохимическая миграция кремния в сухих тропических экосистемах.

  Исследователями в середине ХХ в была установлена значительная геохимическая и биогеохимическая миграция кремния в засушливых экосистемах. В 1970-1980гг был выполнен детальный анализ этой проблемы. Выветривание геологических пород, особенно в условиях сухих содовых тропиков Австралии и Азии, поставляет большие количества ионно - и коллоидно-растворенных соединений кремния в природной воде. Увеличение щелочности почвенного раствора и природных вод и увеличение окислительно-восстановительного потенциала стимулирует биогеохимическую миграцию кремнезема. Испарение, транспирация, химические взаимодействия с солями кальция, магния, с полуторными окислами приводят к ограничению миграции и аккумуляции в почвах вторичных кремниевых минералов ( опала, халцедона, кристобаллита, кварца, глинистых минералов). Все эти процессы ответственны за формирование в Центральной Австралии обширных областей с покровом силкрита, опала и вторичного кварца как реликта влажных тропических зон.

      В сухостепных и пустынных экосистемах Африки и Южной Америки (например, экосистемах саванны) имеются благоприятные условия для формирования и аккумуляции вторичных соединений кремнезема.

    Биоаккумуляция  кремния в растениях и формирование вторичных минералов наблюдается также и в пустынях Египта. Но, наиболее характерны эти процессы для депрессий Великого Африканского рифта. В конце неогена и в четвертичный период эти территории подвергались интенсивным геологическим воздействиям, включая сильный содовый вулканизм и сопровождала его потоки лава, выпадение пепла, формирование подземных термальных вод, тектонические поднятия и опускания, многочисленные смены периодов гидроморфизма и аридизации. Практическое отсутствие геохимического стока в этой северо-восточной части Африки, Древняя геологическая история и интенсивные процессы физического и химического выветривания определили миграции многих химических соединений. Наличие гидрокарбонатитов привело в дальнейшем к формированию и аккумуляции соды, перераспределению кремния и образованию кремниевых солончаков и силкритов.

Биогеохимическая миграция кремния во влажных бореальных и тропических экосистемах.

Влажные бореальные экосистемы.

    Современная биогеохимическая аккумуляция соединений кремния наблюдается в различных местах Северной Европы, таких как Гренландия, Карелия, Кольский полуостров, также Приморье, часть России высокие концентрации кремния (15- 30 мг/л) были установлены в озерных водоемах. В этих регионах кремний является продолжателем процессов выветривания горных пород. Довольно мощные (1-15м) отложения диатомитов и трепела расположены в донных отложениях озер, в толщах послеледниковых наносов и почв. В настоящее время подобная аккумуляция кремния в виде минерала опала происходит в бореальных торфяных экосистемах Белоруссии и поймах.

различных рек Среднерусской равнины. Биогеохимические механизмы формирования кремния связаны с эвапотранспирацией грунтовых вод, обогащающих кремний и отложением его в аморфных соединений.

    С другой стороны, обильное формирование « кремнеземистой присыпки» наблюдается в подзолистых и серых лесных почвах на глубине 0.5- 2 м в лесных и лесостепных экосистемах Средней равнины, Южной Сибири, Маньчжурии, Приамурья. По мнению Ковды (« Геохимия ландшафта»), в этом случае современные процессы подзолообразования накладываются на предшествующие процессы осаждения кремнезема из ледниковых и послеледниковых вод со стороны моренных отложений богатых измельченными обломками изверженных и метаморфизированных пород и выносивших большое количество кремнезема гидролитического выветривания.

    Периодическое промерзание почв приводит также к отложениям кремния из осадка поверхностных и грунтовых вод в виде присыпок, песчинок и опаловидного материала. Химический состав кремнийсодержащих отложений показан в таблице 1. Отложения вторичного тонкокристаллического аморфного кремнезема и кварца вокруг живых мочковатых корней растений формируют « кремнеземистую присыпку» на глубинах 20-80-100 см в серых лесных и подзолистых глеевых почв. Выпав из раствора, осадок кремнезема кристаллизуется, превращается в кварц.

  Аккумуляция кремния в верхних 40 см дерново-подзолистых почв бореальных лесных экосистем достигает 55 кг/га, а в слое 0-200 см -80- 100  в кг/га оксида кремния. Одновременно происходит аккумуляция окислов железа, алюминия, титана в количестве всего нескольких кг на га..

Таблица 1.