Органические вещества в литосфере

Совокупность организмов Земли или какой-либо ее части В.И. Вернадский назвал живым веществом. Живое вещество располагается в географической оболочке в пределах важнейшего ее компонента - биосферы.

Живое вещество состоит в основном из воды и газов. На 98,8% оно образовано: кислородом (70%), углеродом (18%), водородом (10,5%) и азотом (0,8%). Девять важных для организмов элементов (Са, К, Si, Mg, Na, Cl, и Fe) составляют 1,2 % живого вещества. Остальные элементы входят в организмы в виде микроэлементов. Основную массу органического вещества образует фитомасса, достигающая 2,4-1012 т сухого вещества, на долю зоомассы и микробиомассы приходится 3,3-109 т. Большая часть фитомассы располагается на суше, на долю океана приходится 0,007 % от всей фитомассы, что составляет 1,7-10® т.

Живое вещество в биосфере выполняет в основном две функции: создание (синтез) органического вещества из неорганических элементов и разложение органического вещества до простейших неорганических элементов.

Образование органического вещества из неорганических соединений в результате процесса фотосинтеза, сущность которого была раскрыта К.А. Тимирязевым (1875), и процесса хемосинтеза микроорганизмов, который впервые описал С.Н. Виноградский (1890). Ежегодная продукция живого вещества составляет 2,3- 10й т. Большая часть из которого приходится на сушу - 1,710й т, в океане продуцируется 6-10’°т сухого органического вещества.

Продукт жизнедеятельности организмов, представленный органическим веществом, и органическое вещество отмерших организмов в термодинамических условиях географической оболочки чрезвычайно неустойчивы и под влиянием окислительно-восстановительных процессов и под действием аэробных и анаэробных микроорганизмов быстро разрушается и возвращается в биосферу, где используется живыми организмами.

Наиболее благоприятные условия для накопления углей и сланцев создаются в прибрежно-лагунных, озерно-болотных и прибрежно-дельтовых районах, которые отличаются высокой продуктивностью органического вещества при интенсивном накоплении терригенных отложений, способствующих его захоронению. В образовании углей выделяют два основных этапа. На первом этапе идет накопление растительных остатков и биохимическое преобразование органического соединения, без существенного участия высоких температур и давлений. В это время накапливаются основные компоненты углей - целлюлоза (С6 Н10 015) и лигнин (примерно С12 Н18 Оэ). На втором этапе углистое вещество перекрывается осадочными породами и углефицируется. При углефикации происходят уплотнение органической массы угля и ее химические изменения. Общая тенденция химического изменения при углефикации направлена к увеличению содержания углерода от 50 до 93 %, за счет уменьшения содержания кислорода с 40 до 3% и водорода с 67 до 2-3 %.              .

Г. Потонье и М.Д. Залесский выделяют три основные группы углей: гуммиты, сапропелиты и липтобиолиты. Гуммиты - угли, образующиеся из остатков наземных растений, Сапропелиты - угли, образовавшиеся из остатков фитопланктона, который опускается на дно и образует сапропеля, из которых в зоне диагенеза и катагенеза и формируется каменный уголь. Липтобиолиты - угли, возникшие из устойчивых растительных остатков - спор, кутикул, смол и др. С увеличением температуры и давления уголь изменяется, приспосабливаясь к изменяющимся условиям, при этом он проходит следующие основные стадии углефикации: буроугольная - длиннопламенная - газовая - жирная - коксовая - полуантрацитовая и антрацитовая.

Важнейшим органическим веществом, которое образуется в осадочных породах, является нефть. Нефть - жидкая органическая порода, залегающая в рыхлых осадочных отложениях в виде рассеянных капель или крупных скоплений. Нефть состоит из углерода (84-87 %), водорода (12-14 %) и примесей кислорода, азота и серы (1-2 %).Представляет собой смесь трех групп углеводородов: метановых, нафтеновых и ароматических. К углеводородам в той или иной степени примешиваются асфальто-смолистые вещества и парафины. В зависимости от преобладания тех или других углеводородов различают метановые, нафтеновые, нафтеноароматические и другие типы нефти. Для метановой нефти характерно низкое содержание асфальтово-смолистых веществ и высокое содержание твердого парафина. Нафтеновые нефти отличаются низким содержанием ароматических углеводородов, твердого парафина и асфальтово-смолистых веществ. В природе обычно встречаются нефти, в которых наблюдается смешение всех трех групп углеводородов.

Существуют две теории образования нефти: осадочно-миграционная и теория неорганического происхождения нефти. Согласно осадочно-миграционной теории образование нефти

U

идет в осадочных породах за счет органических соединении биосферы, поступающих в осадочные отложения. На первом этапе за счет анаэробного разложения органических веществ создаются аминокислоты, углеводы и их производные, липиды, изопреноиды, стероиды, фенолы, гуминовые вещества и углеводороды. На втором этапе при температуре 60-150°С на глубине 2 - 4 км под воздействием биохимических и литогенетических процессов формируются микросгустки нефти, которые называют рассеянной нефтью или микронефтью. Постепенно количество микронефти увеличивается, и она «созревает», приобретая все свойства нефти, которая мигрирует вместе с водой или газом в геологические структуры, благоприятные для скопления нефти. К таким структурам относятся крупные депрессии (впадины, прогибы), сложенные пористыми терри- генными породами или известняками.

В последнее время в нефти открыты соединения, близкие по своей структуре к хлорофиллу и гемоглобину, что подтверждает органическое происхождение нефти.

Теория неорганического происхождения нефти, разработана впервые Д.И. Менделеевым (1876). Ее поддерживают Н.А. Кудрявцев, П.Н. Кропоткин, М.Г. Гринберг и другие. Эта теория подтверждается приуроченностью скопления нефти к разломам в земной коре и объясняет нахождение небольших скоплений нефти в магматических горных породах, в кратерах вулканов, в кимберлитовых трубках и вулканических газах. Все это говорит о том, что неорганические углеводороды также существуют, однако их роль в формировании залежей нефти не выяснена. Сравнение двух теорий происхождения нефти показывает, что эти теории не являются альтернативными, т.е. они не исключают друг друга. Развитие каждой из них несет в себе возможность познания процессов образования нефти.

Установленные запасы нефти около 2,2Ю12 т составляют лишь небольшую часть их возможного количества. По данным Н.Б. Воссоевича (1971), в осадочных породах содержание компонентов нефти составляет 70-80-1012 т. Однако большинство органических веществ в осадочных породах находится в рассеянном состоянии. Они встречаются в глинах, сланцах, известняках, песках и песчаниках. По массе они в тысячу, сотни тысяч раз превосходят все месторождения угля и нефти.

Живое вещество биосферы принимает активное участие в биогенном образовании пород и минералов. Многие организмы являются хорошими концентраторами химических элементов, преимущественно в твердом виде. По концентрационной особенности В.И .Вернадский живое вещество делил на три группы. К первой группе он отнес организмы в которых концентрация химических элементов достигла 10% и более от веса его тела. Во вторую группу входят организмы с концентрацией элементов от 1 до 10% от веса тела. Третью группу составляют организмы, которые не концентрируют химические элементы.

В первую группу организмов входят кремневые, алюминиевые, железистые, кальциевые, магниевые, бариевые, марганцевые, серные, стронциевые, фосфорные и калиевые концентраторы, представленные различными представителями водного и растительного мира.

Роль газов в литосфере определяется их активностью и теми термодинамическими условиями, в которых они находятся. Все газы А.И. Перельман (1989) делит на активные и пассивные. К активным газам относят lt;Э2, С02, Н20, H2S, СН, и Н2. Растворяясь в воде, эти газы определяют миграцию и дифференциацию вещества земной коры и, по выражению А.И. Перельмана, становятся «геохимическими диктаторами».

Среди активных газов А.И. Перельман различает: окислители (О,. Оэ, N02 и другие), восстановители (Н: Не, N2CO и другие), полярные газы, создающие щелочно-кислотные условия (С02, Н20, HCl, SOz и другие), органические газы - углеводороды и их производные (СН4, С2Н*, С,Н10 и другие). К инертным газам он относит Аг, Не, Ne, Кг, Хе+ и Rn.

В зависимости от ведущего процесса образования газов В.В. Белоусов (1937) выделил четыре типа подземных газов: биохимического, воздушного, химического и радиоактивного происхождения. Поддерживая классификацию В.В. Белоусова, необходимо отметить, что в образовании газов в литосфере активное участие принимают процессы литогенеза. Они создают как особые условия течения биохимических и химических процессов, так и придают им определенную направленность.

Газы биохимического происхождения образуются в географической оболочке в верхних горизонтах литосферы при разложении микроорганизмами органических веществ и в результате хемосинтеза. Типичными биохимическими газами являются метан, тяжелые углеводороды, С02, N2, H2S, 02 и Н2. Эти газы характерны для осадочных пород литосферы. Газы физико-химического и литологического происхождения формируются в зоне катагенеза, метагенеза и метаморфизма.

Кроме газов, которые образуются в самой литосфере, существуют два потока газа вне литосферы: верхний - из географической оболочки и нижний - из атмосферы. К газам географической оболочки, которые В.В. Белоусов назвал воздушными газами, традиционно относят газы кислородной атмосферы. Кроме этих газов в географической оболочке в анаэробных условиях формируются СН,, СО, H2S, N2 и другие. Газы географической оболочки в литосферу проникают по трещинам и порам, в адсорбированном виде на поверхности осадочных пород и в водных растворах. В воде хорошо растворяются С02, H2S, NH3, НС1 и HF. В водах океана концентрация растворенных газов достигает 13 см3/л. В подземных водах на глубине 1-4 км в среднем содержится 500 см3/л газов. В области нефтяных месторождений их концентрация может достигать 1000— 1500 см3/л. О поступлении мантийных газов в литосферу свидетельствует наличие в магмах гелия с относительно высоким изотопным отношением 3Не/*Не (в 1000 раз выше, чем в гранитном слое). Некоторые струи водорода также, по-видимому, имеют мантийное происхождение. Большинство исследователей к мантийным газам относят вулканические газы, однако в составе этих газов концентрируются и метаморфогенные. По расчетам И.Д. Рябчикова (1988), в современных магмах находится около 15 % мантийного вещества с содержанием воды до 0,014 %, С02 - 0,002 % и N2 - 0,0001 %, которые участвуют в образовании флюида, остальная его часть формируется за счет метарморфогенных компонентов. В общем, состав подземных газов Земли определяется составом горных пород, термодинамическими условиями их нахождения и влиянием окружающей среды, в данном случае географической оболочки и мантии.

Классификация подземных газов, основанная на генезисе и местонахождении, предложена Н.А. Соколовым в 1966 году. Он выделил: 1) газы земной атмосферы; 2) газы земной поверхности; 3) газы осадочных горных пород; 4. газы метаморфических горных пород; 5) газы гранитной и базальтовой оболочек и 6) газы мантии.

В зависимости от термодинамических условий в литосфере выделяются два состояния воды, две оболочки, разделенные критической температурой воды 374°С и давлением 10 кбар. Выше критических параметров воды распространены атмосферные и биосферные газы, а вода находится в жидком или парообразном состоянии. Пар и газы в этой оболочке образуют парогазовые системы, которые формируются вблизи магматических очагов.

В опытах по взаимодействию морской воды с породами при температуре 290-300 °С получалась газопаровая смесь, близкая по составу к подводным гидротермам. Содержание газа в паровой фазе гидротерм колеблется от 0,01% до десятков процентов по массе. Основными газами гидротерм являются С02, H2S, Н2, СН4, N2, NH3. В следовых количествах присутствуют инертные газы.

Углекислый газ в гидротермах появляется за счет декарбо- нитизации вмещающих пород, окисленные органические газы приносятся метеорными водами или поступают из пород коллектора. Сероводород имеет двойственную природу. Он обра-

зуется как при разложении сульфатов вмещающих пород, так и из вулканических газов Н2, S4 и S02.

Основным источником водорода большинство исследователей считают термическую диссоциацию воды. Азот в основном имеет атмосферное происхождение или образуется за счет деструкции органических соединений. Метан и его гомологи имеют биохимический генезис, а аммиак освобождается из вмещающих пород. Соотношение газовой составляющей изменяется в широких пределах. Главную массу газов образует углекислота, ее содержание колеблется от 20 до 95 %. Большие колебания свойственны водороду - от 0,16 до 50 %. В отдельных случаях газ состоит в основном из азота. Метан и сероводород почти всегда играют второстепенную роль. Краткий анализ структуры газопаровых систем верхней зоны литосферы показывает, что газы этой зоны формируются или за счет взаимодействия воды с вмещающими породами или за счет взаимодействия верхней литосферы с географической оболочкой.

На больших глубинах, где температура выше критической для воды (375 °С), а давление выше 10 кбар, свойства водных и газовых растворов постепенно сближаются (табл. 56). Поэтому водно-газовые растворы стали называть флюидами, под которыми понимают водно-газовые растворы большой плотности, растворяющие и переносящие породно-минеральные компоненты. Основу флюидов образуют Н20, С02 , СН4, H2S и другие соединения с низкими температурами кипения, именуемые летучими компонентами.

Наряду с летучими компонентами мантийно-метаморфогенные флюиды несут к поверхности Земли и нелетучие соединения, такие как Si02, MgO, FeO, CaO, NazO и другие. Флюиды, превосходящие по плотности воду, растворяют эти компоненты так же хорошо, как в обычных условиях вода растворяет соль.

Экспериментальные исследования И.Д. Рябчикова показали, что растворимость ряда соединений достигает высоких значений. Так, например, растворимость кремнеза при температуре 1100°С и давлении 30 кбар достигает 35 %, в то время как растворимость поваренной соли в обычных условиях близка к 25 %. Растворимость слюдистого перидотита еще выше, она при тех же условиях достигает 50 %. В общем, растворимость силикатов и окислов во флюиде изменяется в широких пределах, что обеспечивает химическую дифференциацию вещества при продвижении флюидов от мантии к поверхности Земли. Указанная дифференциация объясняет концентрацию тех или

иных элементов на разных глубинах и, в частности, концентрацию калия на глубине большей, чем концентрация натрия.

Количество газов по В.А. Соколову в осадочных породах достигает 2,14*1014 т. Из них на долю СН4 приходится 39%, С02 - 27,4%, N, - 26%, тяжелые углеводороды составляют всего 6,4%, а Н2 H2S и S03, вместе взятые, - 0,5%. В магматических породах гранитного слоя содержится 1 * 1015 т газов. Из

них СО, (83,8%),              N,              (11%), Н, (3%),              H,S              + SO,              (2%) и СН,

(0,2%).              2              2              2              2              4

Особое место в литосфере занимают газы вулканов. По данным Е.Н. Мархинина (1980), основными компонентами вулканических газов являются Н.О, СО,, СО, СН4, Н2, N2, NH„, S2, H2S, S02, S03, HC1, HF (табл. 57). Вода составляет 95% молекулярного состава газа. Состав вулканических газов разных вулканов колеблется в широких пределах.

По предположению Е.Н. Мархинина, состав газов зависит от состава мантии, от стадии дегазации мантии, а также от тектонических структур литосферы. Для выяснения степени влияния указанных факторов Е.Н. Мархинин сравнил состав газов ряда вулканов, расположенных в разных структурах земной коры. По мнению Е.Н. Мархинина, мантия под океанами и континентами различна. Под океанами она более кислая, чем под континентами, так как мантия под континентами истратила кислое вещество на формирование континентальной коры. Газы вулканов геосинклинальной зоны отличаются наибольшим содержанием Н2, НС1, HF, СО, в то время как в газах вулканов Гавайских островов преобладают С02 и S02. Большое содержание S02 Е.Н. Мархинин объясняет более кислым составом океанической мантии. Газы континентального вулкана Ньирагонго резко отличаются от газов вулканов геосинклинальных областей, и особенно, от газов океанических вулканов. В нем отсутствуют галоидные соединения, содержится ничтожное количество Н2, СО и SOz. Его газы на 86,3 % состоят из С02, характеризуя заключительную стадию дегазации континентальной коры. Выводы Е.Н. Мархинина в отношении начальных и заключительных стадий дегазации мантии довольно спорные, так как и океаническая кора уже прошла много стадий дегазации, а дегазация континентальной коры далеко еще не закончена. Основной же вывод о том, что разные типы вулканических газов континентальной и океанической коры несут информацию о различии в составе континентальной и океанической мантии, справедлив и подтверждается ранее приведенными данными.

Таблица 57

Состав вулканических газов, объемные % (по данным Е.Н. Мархинина, 1980)

ВЫВОДЫ

Вода, газы и органика предстают перед нами как самые активные и подвижные вещества литосферы. Они являются структурными неотъемлемыми частями литосферы и вместе с горными породами и минералами образуют сложную единую функционирующую систему. Связь подземных вод, газов и органических соединений с породно-минеральным веществом литосферы происходит во всем объеме и по многим направлениям, т.е. как связь частей и целого. Связь подземных вод с гидросферой, органических веществ с живым веществом географической оболочки и газов с атмосферой может рассматриваться лишь в направлении изучения внешних связей литосферы с окружающей средой.

Анализируя процесс образования литосферы, С.Ш. Шварцев (1982) пришел к выводу, что осадочно-метаморфический процесс создания земной коры - «это своего рода инверсионный механизм, через который в наружных оболочках Земли циклически обращаются огромные массы химических соединений: воды, газов, рудообразующих элементов, органических веществ» (с. 51). Главный механизм этого обращения принадлежит воде и газам. Механический, физический и химический захват воды осадками делает возможным гидрогеологический круговорот воды и связанное с ней движение горно-породного вещества литосферы.

Подземные воды, газы и органические вещества создают условия гравитационной дифференциации вещества и через биохимические, физические и химические процессы осуществляют эту дифференциацию.

Воды, газы в форме флюидов играют большую роль в магматических, метаморфических и метасоматических процессах, часто определяя их начало (саму возможность) этих процессов и обеспечивая механизм их осуществления.

В.В. Сидоренко (1976) выдвинул концепцию о ведущей и определяющей роли в формировании земной коры экзогенных, биогенных и метаморфических процессов, в которых основную роль выполняют вода, живое вещество и газы.

Неравномерное распределение воды, живого вещества определяло дифференциацию литосферы на материки и океанические впадины, чем объяснялся разный характер и темп эволюции континентальной и океанической коры.

Вопросы для контроля

/. Типы вещества, слагающего литосферу. Физические свойства воды. ' Щелочно-кислотная обстановка в земной коре и ее характеристика. Окислительно-восстановительная обстановка. Таксономические единицы, принятые в схемах классификации подземных вод. Характер взаимодействия в системе «порода - вода». Характер взаимодействия в системе «вода - порода». Химическая типизация подземных вод. Типы вод по характеру залегания ее в горных породах. Гипотезы происхождения подземных вод. Типы круговоротов вод. Особенности гидрогеологического круговорота вод. Живое вещество и его роль в формировании структур земной коры. Типы газов литосферы, их генезис и роль в функционировании литосферы.