Химический состав земной коры

Данные о среднем составе  органического вещества суши (за исключением 5 % зольных элементов) приведены  в табл. 2.1. Результаты исследований указывают, что на соотношение химических элементов сильно влияет преобладание углеводов и лигнина. Предполагается, что в органическом веществе фитомассы континентов углеводы составляют немногим более 60, лигнин — около 30, липиды и белки примерно по 5 %.

Таблица 21

Средний состав органического  вещества растительности суши

(после исключения зольных  элементов), %

 

Биомасса и ее главные  компоненты Химический элемент

 

С Н О N

Растения суши*  54 6 37 2,8

Биомасса суши**  48 7 41 2,0

Углеводы  40 7 50 1,5

Лигнин  62 6 30 1,0

Липиды  70 10 18 -0,5

Белки  50 7 23 16,0

 

* По А.П. Виноградову, 1967

** По Е.А. Романкевичу, 1988

 

В табл. 2.2 обобщены расчеты  относительного содержания главных  химических элементов в фитомассе суши. Для сравнения приведены аналогичные данные для зоомассы, которые менее обоснованы. Несмотря на некоторые различия, данные X. Боуэна и Е.А. Романкевича о составе фитомассы могут рассматриваться в качестве кларков живого вещества Мировой суши и Земли.

Таблица 22

Относительное содержание химических элементов в живом веществе Мировой  суши, %

 

 

Химический элемент Растения Животные

Сырая масса (А П Виноградов, 1954) Пересчет на сухое вещество Сухое вещество (X Боуэн, 1966) Пересчет на золу Сухое вещество (Е А Романке-вич, 1988) Пересчет на золу Сухое вещество (X Боуэн, 1966) Сухое вещество (Е А Романке-вич, 1988)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

С  18,00 45,00 45,40 _ 46,30 — 46,50 51,0

О  70,00 45,40 41,00 — 39,60 — 18,60 26,8

Н  10,50 5,75 5,50 — 6,70 — 7,00 7,4

N  0,30 0,75 0,30 — 1,90 — 10,00 9,8

S  0,05 0,13 0,34 6,8 0,48 1,2 0,50 0,5

Р  0,06 0,175 0,23 4,6 0,20 4,7 1,70-4,40 —

Са  0,50 1,25 1,80 36,0 1,50 35,1 0,02-8,5 —

К  0,30 0,75 1,40 28,0 1,10 25,7 0,74 —

Mg  0,04 0,10 0,32 6,4 0,32 7,5 0,10 —

Na  0,02 0,05 0,12 2,4 0,12 2,8 0,40 —

 

Окончание табл. 2.2

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Cl  0,02 0,05 0,20 4,0 0,20 4,7 0,28 —

Si  0,20 0,50 0,50 10,0 0,30 7,0 0,012-0,60 —

Al  0,005 0,013 0,05 1,0 0,03 0,7 0,004—0,01 —

Fe  0,10 0,025 0,014 0,4 0,02 0,5 0,016 —

Сумма  99,70 99,84 99,87 99,5 98,77 99,9 — 

 

Завершая обзор основных черт химического состава живого вещества Земли, необходимо отметить следующее: при всей уникальности живого вещества как феномена нашей планеты существуют факты, свидетельствующие о его  связях с Космосом. Это проявляется  как в структурной организации (проявления диссим-метрии), так и в составе. При сравнении распространенности атомов химических элементов А.Дельсемм (1981) обнаружил близость соотношения атомов в составе микроорганизмов, с одной стороны, и в межзвездном газе и газовом веществе комет — с другой. Наши расчеты показали, что такое сходство существует и для живого вещества Земли в целом (табл. 2.3). Конечно, распространенность атомов нужно рассчитывать в реально существующей живой (сырой) биомассе, а не в условной форме сухого органического вещества. В качестве исходных были использованы данные А. П. Виноградова о сырой массе живого вещества (см. табл. 2.2). Распространенность атомов нормирована по отношению к 1000 атомам кремния.

Таблица 2.3

Распространенность атомов главных химических

элементов живого вещества

 

Химический элемент Распространенность, атомные %

 

в космосе в целом (А. Камерон, 1973) в летучей фракции комет (А.Дельсемм, 1981) в живом веществе Земли

Н  76,50 56,0 63,3

О  0,82 31,0 26,6'

С  0,34 10,0 8,9

N  0,12 2,7 1,2

S  0,0015 0,3 0,01

 

Относительное содержание химических элементов не дает представления  о количестве элементов, содержащихся в живом веществе суши. Для этого  необходимо установить массу живого вещества и на этой основе определить массы отдельных элементов. Как  отмечено выше, подавляющую часть  массы живого вещества суши составляют растения, преимущественно высшие.

Согласно данным Н. И. Базилевич  и Л. Е. Родина (1967, 1974), О.П.Добродеева и И.А.Суетовой (1976) естественная фитомас-са континентов до активного воздействия человека составляла 6,25×1012 т, в пересчете на 40 % сухого вещества — 2,5×1012 т. В этой массе содержалось при 5 %-й зольности 0,125×1012 т зольных элементов. В настоящее время под воздействием хозяйственной деятельности людей фитомасса сократилась не менее чем на 25 % и, следовательно, составляет около 1,88×1012 т сухого вещества, в котором содержится 94×109 т зольных элементов, 865×109 т углерода и 36×109 т азота. Массы других элементов оцениваются в соответствии с их кларками по Е.А. Романкевичу (1988) следующими значениями:

 

Химический элемент      Масса, 109 т

S........................................................................................... 9,0

Р........................................................................................... 3,8

Са........................................................................................ 28,2

К.......................................................................................... 20,7

Mg......................................................................................... 6,0

Na.......................................................................................... 2,3

Cl........................................................................................... 3,8

Si........................................................................................... 5,6

Al........................................................................................... 0,6

Fe........................................................................................... 0,5

 

Биомасса животных суши немногим более 1 % массы растений.

Состав живого вещества суши не ограничивается главными химическими  элементами. По данным табл. 2.2, в составе  живого вещества, рассчитанного разными  авторами, имеется общая особенность: сумма значений относительного содержания элементов немногим не достигает 100 %; недостающую часть образуют около 70 химических элементов, рассеянных в  живом веществе; они содержатся в  ничтожном количестве, измеряемом в  мкг/г сухого вещества, или р×р×м (1×10-4  %).

Масса живого вещества океана составляет менее 1 % массы растительности Мировой суши. Особенность структуры  живого вещества океана в том, что  масса консументов превышает массу продуцентов — фотосинтезирующих организмов. Согласно данным ^Е. А. Романкевича (1988) суммарная масса животных и бактерий Мирового океана близка к 4,5- 109 т, масса растений — 3,5× 109 т. Преобладающую часть массы продуцентов океана составляет фитопланктон.

Химический состав живого вещества суши и океана неодинаков. Живое вещество океана отличается более  высоким содержанием воды (около 80 %), азота и серы, а также значительно большим содержанием зольных элементов, составляющих 40 — 50 % от сухой биомассы.

Средние значения концентрации химических элементов в живом  веществе океана окончательно не определены. По данным А.Романкевича (1988) средние значения главных элементов следующие (в процентах сухой массы): С - 50,1; Н - 7,4; О - 29,1; N – 10,4; S – 2,0. Согласно Х.Боуэну в сухой биомассе водорослей содержится (в процентах сухой массы): К — 5,20; Na — 3,30; Si – 2,0; S – 1,20; Са – 1,00; Mg – 0,52; С1- 0,47; Р – 0,35.

Таким образом, в растениях  океана по сравнению с растительностью  суши значительно выше концентрация почти всех главных зольных элементов, особенно натрия и магния, а также  хлора и серы.

Еще заметнее выражено превышение концентрации многих рассеянных элементов. Так, в фотосинтезирующих организмах океана в сотни раз выше концентрация иода и брома, в десятки раз — некоторых тяжелых металлов (кадмия, цинка, ртути, свинца, ванадия и др.) и близких им поливалентных элементов (мышьяка). Отмеченное иллюстрирует рис. 2.1, где показано соотношение средних концентраций рассеянных элементов в растениях суши и океана.

В левой части графика  расположена ассоциация элементов, имеющих повышенную концентрацию в  фотосинтезирующих организмах океана, в правой — суши.

 

Избирательная аккумуляция

организмами моря     организмами суши

 

 

Рис. 2.1. Соотношение средних  концентраций рассеянных

     элементов  в растениях океана и суши:

               

 

Мысль В.И.Вернадского о том, что в живом веществе находятся все химические элементы, долгое время подвергалась сомнению. Это обусловливалось незначительным содержанием многих элементов и отсутствием достаточно чувствительных методов анализа. Систематическое изучение рассеянных элементов в живых организмах было организовано В. И. Вернадским. А. П. Виноградов (1937) впервые рассчитал среднее содержание химических элементов в суммарном веществе живых организмов. Несколько позже аналогичные расчеты произвели английские ученые Д.Уэбб и У.Ферон.

Ранее отмечалось, что концентрация главных элементов в разных биологических  объектах изменяется. Размах колебания  концентраций рассеянных элементов  значительно больше. Известно, что  концентрация иода в морских водорослях в несколько сотен раз больше, чем в наземных растениях. В муравьях семейства Gamponitinae концентрация марганца составляет сотые доли процента, а в муравьях семейства Ропеппае — в тысячу раз меньше (Виноградов А. П., 1963). Концентрация рассеянных элементов в одних и тех же организмах, но обитающих в разных местах, также неодинакова. В асцидиях Черного моря концентрация ванадия в 8 — 100 раз и свинца в 10 — 80 раз выше, чем в животных из Охотского моря (Ковальский В. В., 1974). Концентрация рассеянных элементов сильно варьирует в однотипных организмах даже в пределах одного района. Например, средняя концентрация лития в распространенных семействах травянистой растительности в бассейне реки Зеравшан (Средняя Азия) меняется в 100 раз (Ездакова Л. А., 1976).

Так как состав фитомассы суши определяет кларки всего живого вещества Земли, то наибольший интерес представляют данные о содержании рассеянных элементов в растениях. К настоящему времени имеется значительный объем информации, однако она распределена неравномерно и относится преимущественно к вегетирующим органам. На современном уровне знаний можно дать следующую оценку масс рассеянных элементов, находящихся в растительности Мировой суши:

 

Группа элементов      Масса, млн т

I - Мn ................................................................................ 100n

И - Sr, Zn, Ti, В, Ва, Сu.................................................... 100n

III - Zr, Вг, F, Rb, Pb, Ni, Cr, V, Li........................................ n

IV - La, Y, Co, Mo, I, Sn, As, Be...................................... 0,1n

V - Se, Ga, Ag, U, Hg, Sb, Cd...................................    ....0,01n

 

Следовательно, массы рассеянных элементов, связанные в растительности суши, представлены внушительными значениями: от десятков миллионов тонн до десятков тысяч тонн, а масса марганца приближается к значениям таких элементов, как алюминий и железо.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Каковы принципиальные  различия главных и рассеянных  элементов в земной коре?

2. Изложите представления  В.И.Вернадского о рассеянии химических элементов и формах их нахождения.

3. Какие термины на  европейских языках используются  для обозначения рассеянных элементов?

4. Перечислите распространенные  формы нахождения элементов в  земной коре.

5. Дайте определение геохимических  параметров «кларк» и «кларк концентрации» применительно к земной коре.

6. Приведите примеры геохимической  неоднородности земной коры как  главного компонента состава  окружающей среды.

7. Дайте определение понятий  «геохимический фон», «геохимическая  провинция», «геохимическая аномалия».

 

ТЕМЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ  РАБОТЫ

 

1. По имеющимся в литературе  данным рассчитайте кларки концентраций почвообразующих пород выбранного региона.

2. Используя имеющиеся  аналитические данные, рассчитайте  стати-стические параметры распределения двух выбранных тяжелых металлов, постройте вариационные кривые или гистограммы распределения концентраций металлов и определите их фоновое значение.