Кора выветривания — биокосная система

В. И. Вернадский писал: «Кора выветривания в химических процессах теснейшим образом связана с живым веществом, была биокосным телом…» (В. И. Вернадский, 1987. С. 70).

Корой выветривания, или элювием, называются рыхлые продукты изменения горных пород, образующиеся под почвой за счет поступления из нее растворов. От почвы кора выветривания отличается отсутствием биогенной аккумуляции элементов под влиянием растений. Основоположниками геохимии коры выветривания были Б. Б. Полынов и И. И. Гинзбург.

Протерозойские и архейские коры выветривания содержат отпечатки комплекса разных микроорганизмов: нитчатых, кокковидных, более крупных шаровидных и биопленки (Антошкина, 2012).

Биокосная природа коры выветривания проявляется в деятельности микроорганизмов, окисляющих органические соединения, поступающие из почвы. Миллионы микроорганизмов были обнаружены в 1 г каолинизированного гранита на глубине 12—17 м от поверхности.

Наиболее изучена группа тионовых бактерий, окисляющих сульфиды. Микроорганизмы были найдены в поровых водах коры выветривания глинистых сланцев нижнего карбона. Разнообразные микроорганизмы (до 1 млн клеток в 1 г породы) обитают в корочках выветренной породы на склонах Тянь-Шаня на высотах более 4200 м.

В корах выветривания живут и макроорганизмы, например различные землерои — сурки и др. Ходы их нор часто обнаруживаются глубоко под почвой. В местах нор сурка — тарбагана в Забайкалье на поверхность вынесены образцы горных пород с глубины в несколько метров.

Как и почва, кора выветривания имеет определенный геохимический профиль, т. е. состоит из горизонтов различного минерального и химического состава. Так, довольно распространена кора выветривания, верхние горизонты которой характеризуются кислой, а нижние — слабощелочной реакцией.

Наиболее благоприятные условия для формирования коры выветривания создаются во влажном и жарком климате при равнинном и спокойном тектоническом режиме. В этом случае ее мощность может достигать несколько десятков и даже сотен (по трещинам) метров. Богатый растительный покров определяет энергичное поступление из почвы в кору углекислоты, гумусовых кислот и других продуктов разложения растительных остатков. Разложение минералов горных пород идет в кислой среде, что определяет вынос большинства металлов и замещение водородом обменных катионов в поглощающем комплексе верхних горизонтов коры выветривания. Некоторые элементы (Mg, Ni, Со), вынесенные из верхних горизонтов, концентрируются в нижних горизонтах коры в результате повышения величины pH; так, вероятно, сформировались некоторые месторождения никеля (рис. 17). Подвижность в органоминеральной форме приобретают даже относительно инертные металлы, каковыми традиционно считались золото, ртуть, цирконий, олово, вольфрам и др. россыпеобразующие металлы.

В полярных районах, пустынях, районах развития многолетней мерзлоты, на крутых склонах гор кора выветривания маломощна или даже отсутствует.

Меньшая биогенность коры выветривания по сравнению с почвами и илами определяет меньшее ее разнообразие. Кора выветривания и континентальные отложения в своем распространении подчиняются закону зональности. Однако эти зоны не соответствуют зонам почв — они значительно шире. Например, все степи и пустыни относятся к одной зоне коры выветривания, хотя на этой территории рассмотрены четыре почвенные зоны. На изверженных породах и под черноземной, и под каштановой, и под сероземной почвами образуется одна и та же кора выветривания — обломочная обызвесткованная.

А. И. Перельман (1989) в систематике кор выветривания выделил окислительный и глеевый ряды, а для нижних горизонтов и сероводородный (сульфидный).

Рис. 17. Миграция химических элементов в элювиальной почве и залегающей под ней коре выветривания (по А. И. Перельману, 1977).

Сернокислая кора окисленного ряда возникает при выветривании пород, богатых сульфидами, в первую очередь пиритом. Окисление сульфидов, в котором участвуют тионовые бактерии, приводит к появлению серной кислоты, понижению pH. Начинается «сернокислое выветривание», происходит легкая миграция Zn, Си, Cd и других металлов. Сернокислые растворы, просачиваясь из зоны окисления вниз, реагируют с первичными сульфидами с образованием сероводорода:

Так, в нижней части зоны окисления возникает сероводородный барьер, на котором осаждаются металлы.

При окислении сульфидных руд в известняках сернокислые растворы металлов усредняются с вмещающими карбонатами. В результате на щелочном барьере образуются гидроксиды и карбонаты металлов. Среди вторичных карбонатов металлов особо выделяются малахит и лазурит — зеленые и синие карбонаты меди.

Кислая кора выветривания окислительного ряда образуется во влажном климате. Богатый растительный покров определяет здесь энергияное поступление в кору из почвы углекислоты, гумусовых кислот и других продуктов разложения растительных остатков. Для нейтрализации кислых продуктов не хватает катионов, и реакция вод сохраняется кислой, разложение минералов проходит в кислой среде, что определяет вынос большинства металлов. В кислой коре образуются каолинит, галлуазит и другие глинистые минералы. Наиболее энергичное кислое выветривание протекает во влажных тропиках (см. рис. 17). В нижних горизонтах коры в результате повышения pH концентрируются некоторые элементы, выщелоченные из верхних горизонтов.

Нейтральная и щелочная кора выветривания окислительного ряда широко распространена в сухом климате. Выветривание здесь проникает неглубоко, и кора имеет малую мощность. На скальных породах она представлена обломками пород, покрытых корочками карбонатов. Наиболее подвижный и накапливающийся мигрант — кальций, входящий в карбонаты. Богатство коры кальцием определяет ее слабощелочную реакцию, слабую миграцию железа и алюминия.

Кислая кора выветривания глеевого ряда образуется под глеевыми почвами, преимущественно на гумидных равнинах. Для нее характерны кислая реакция среды из-за присутствия продуктов жизнедеятельности и почвообразования, вынос катионов и образование глинистых минералов, преимущественно гидрослюдистого типа. Органическое вещество благоприятствует глеевой обстановке и низким значениям окислительно-восстановительного потенциала. Здесь высокая миграционная подвижность железа и марганца, частично фосфора и некоторых редких элементов. В северной части Западно-Сибирской низменности кислая глеевая кора представлена подпочвенными сизыми глеевыми горизонтами, обедненными железом и марганцем.

Отбеленные глеево-элювиальные горизонты широко распространены в коре выветривания (древние коры выветривания на Урале и в Казахстане). Их светло-серая окраска появляется в результате восстановления соединений железа, их растворения и выноса из водоносных глеевых горизонтов. Главная роль в восстановлении элементов принадлежит различным группам гетеротрофных организмов. Спороносные и неспороносные бактерии, грибы, актиномицеты окисляют органические вещества при восстановлении металлов с переменной валентностью. За счет этого микроорганизмы получают энергию, необходимую для ассимиляции углекислого газа. Большая группа бактерий и грибов выделяет специфические хелатообразующие соединения, извлекающие трехвалентное железо из кристаллических решеток гидроксидов и одновременно переводящие его в двухвалентные формы. Из грибов в процессе хелатирования участвуют Fusarium, Aspergillus, Penicillium, из бактерий — Вас. cereus, Вас. thuringiensis и др. Большинство соединений двухвалентного железа окрашено в серовато-зеленоватые и голубоватые тона, поэтому наличие восстановительной глеевой обстановки легко определяется по внешнему виду пород. При быстром просыхании глеевые горизонты сохраняют серовато-голубоватую окраску. Очень часто они имеют светло-серый цвет из-за выноса из них восстановленных соединений железа. Наряду с низким содержанием железа они значительно обеднены катионогенными элементами (Со, Ni, Zn, Си, Сг, РЬ и др.).

Нейтральная и щелочная глеевая кора выветривания менее распространена. Миграция железа в ней происходит на сравнительно небольшие расстояния и с малой интенсивностью, марганец мигрирует интенсивно.

Кора выветривания сульфидного ряда на земной поверхности не образуется, но горизонты с сульфидами возникают в нижней части коры окислительного ряда. Например, в коре выветривания медно-колчедановых месторождений Мугоджар нижние глинистые горизонты серо-голубые и обогащены пиритом, а верхняя часть коры красная, с гидроксидами железа.