На чем земля держится

Все метаморфозы минералов, о которых мы только что узнали, скорее удивляют, чем убеждают в том, что они - начало зарождения коры выветривания. Действительно, метасоматоз лишь одно из первых звеньев сложнейшей природной машины, перемалывающей скальную породу в глину, песок, лёсс, превращающей горные страны в равнины, создающей почву для будущих почв.

Чуть раньше мы сравнили перестройку кристаллической решетки минерала с капитальным ремонтом дома. Но при этом ни словом не упомянули, куда деваются узлы старого каркаса. Теперь настало время вспомнить и о них. Новая кора выветривания зарождается в тот момент, когда из решеток минералов на свободу вырываются первые химические элементы. Они тут же включаются в круговорот между живой и неживой природой, между сушей и морем. Поток атомов, молекул, ионов поглощается растениями, разносится ветром и водными потоками. По пути они образуют новые соединения, минералы, горные породы, ландшафты. Ибо от некоторых химических элементов порой многое зависит в окружающей среде. Их избыток или недостаток определяет почвы, растительность, рельеф местности. Правда, квартиранты таблицы Менделеева ведут себя не как им заблагорассудится, а подчиняются жестким законам, установленным природой, в том числе и закону зональности. Более того, каждый химический элемент, освободившийся из кристаллической решетки, обретает определенную, свойственную только ему одному степень подвижности. Среди них встречаются и очень непоседливые элементы и соединения, и крайне консервативные. Правда, иногда обстоятельства, а точнее, климатические условия заставляют оставаться дома даже самых заядлых путешественников или, наоборот, сниматься с насиженных мест неторопливых лежебок.

Выдающийся советский почвовед академик Б. Б. Полынов первым указал на химические элементы, от которых зависят состав и свойства грунтов, почв, а значит, и облик окружающей среды. Его книга "Кора выветривания" [1934] - яркий и увлекательный рассказ о том, как атомы, молекулы и ионы разделили всю поверхность нашей планеты на сферы влияния. Но прежде чем пуститься по следам, оставленным элементами в ландшафтах, ученый посвятил долгие годы изучению их подвижности. Не то чтобы это было сложным делом, но ему предстояло исследовать содержимое тысяч проб, полученных при выпаривании речных вод из различных районов мира. Доминирующие в них атомы и молекулы вошли в число самых заядлых путешественников - мигрантов. Полынов разделял понятия "преобладание" и "количественное превосходство". По его мнению, важно знать не общее количество вещества, а ту долю, которая растворена и унесена водой из пород. Ведь содержание элементов в них разнится порой в тысячи и десятки тысяч раз.

"Мы видим, - писал он, - что состав растворенной в речной воде минеральной части существенно отличается от состава тех пород, которые отдают воде свои минеральные части. Мы видим, что хлор, составляющий ничтожную часть массы свежих, не тронутых выветриванием первичных пород, в минеральном остатке воды превышает 6%. Это произошло, понятно, не потому, что в речную воду попал откуда-то новый хлор, но потому, что его соединения в породах растворились в воде гораздо скорее, чем соединения других элементов.

Схема распределения континентальных и морских осадков в конце первичного цикла выветривании. 1 - аллитный элювий; 2 - сиаллитная аккумуляция; 3 - карбонатная аккумуляция; 4 - хлоридно-сульфатная аккумуляция; 5 - отложения береговой зоны; 6 - терригенные илы; 7 - пелагические илы; 8 - глубоководные красные илы; 9 - первичные изверженные породы

Представим себе, что в некоторый определенный срок времени какая-либо определенной величины масса горной породы отдает в раствор речной воды весь заключавшийся в ней хлор. Если бы соединения серы этой породы обладали такой же подвижностью... то количество SO₄^2-, растворенного в речной воде, должно быть в три раза больше, чем количество хлора... В действительности... сера... перешла за этот же промежуток времени в раствор лишь в количестве 57% ее массы, заключенной в горной породе" [Полынов, 1934, с. 189-190].

И ученый заключил: об интенсивности миграции химических элементов можно судить по отношению их содержания в минеральном осадке природных вод к концентрации в горных породах. Простые расчеты показывают: хлор и сера выщелачиваются в тысячу раз быстрее, чем кремний, алюминий и железо. Но это только начало и конец цепи миграционных способностей элементов. Что же находится посередине? Опыты в лаборатории и несложные арифметические действия помогают выстроить в ряд и остальные химические элементы менделеевской таблицы, чье содержание в земной коре поддается учету. Такими же шустрыми, как сера и хлор, оказались бор, бром и йод. Кальций, магний, натрий, фтор, стронций, цинк, уран, молибден, селен уступали им в резвости. За ними с трудом поспевали кремний, калий, марганец, фосфор, барий, радий, никель, медь, литий, кобальт. В самом же хвосте вместе с алюминием и железом плелись титан, металлы платиновой группы и олово. Наконец цепь готова. Но она меньше всего напоминала ту последовательность, которую искал Полынов. Склонность химических элементов к путешествиям от хлора к алюминию убывала... скачками. Вырисовывались контуры многоступенчатого процесса. "Первая фаза, - разъяснял его суть ученый, - знаменуется тем, что продукты выветривания лишаются соединений хлора и серы. Само собой разумеется, что с этими анионами уходит и некоторое количество катионов, но значительная часть последних остается еще связанной с другими анионами и главным образом... в форме силикатов.

Во второй фазе продукты выветривания, уже лишенные соединений хлора и серы, лишаются щелочных и щелочноземельных оснований. Эта фаза расчленяется на две стадии, соответственно более высокой подвижности кальциево-натриевых соединений по сравнению с магнезиально-калиевыми.

В третьей фазе лишенные в значительной части щелочных и щелочноземельных оснований продукты выветривания лишаются кремнезема силикатов. И наконец, в последней - четвертой стадии, когда продукты выветривания слагаются почти исключительно полуторными окислами (окислами железа и алюминия. - М. Б.), последние также подвергаются большему или меньшему перемещению" [Там же, с. 191].

Выделенные фазы выветривания открывали перед Полыновым новую картину эволюции вулканических обломков в глины. Ученый понимал, что результаты переработки могут быть разные. Чем больше отпущено природой тепла, влаги и времени, тем ощутимее результат. Он выделил четыре основных типа коры выветривания. Первый, почти нетронутый выветриванием - обломочный. Это, по существу, первозданные породы, исторгнутые из недр, или реликты прошлых геологических эпох. Они сохраняются в крайне сухих и холодных районах нашей планеты, где дожди по нескольку лет не орошают землю. Таковы высокогорные пустыни Памира и Тибета. Здесь даже подвижные ионы хлора и серы превратились в домоседов.

Но достаточно спуститься из-за облаков в предгорные области, где дожди выпадают гораздо чаще (хотя испарение здесь и преобладает над увлажнением), и появятся первые следы переработки скальной породы - обызвесткованные коры. Выхваченные из кристаллической решетки минералов, ион хлора, а за ним и ион серы вызывают перестройку всей обломочной массы. Рождаются глинистые минералы (монтмориллонит, бейделлит, мусковит и т. д.). "Миграция этих элементов, - отмечал Полынов, - накладывает яркий отпечаток и на почвы, и на местные воды, и на растительность и связывает все эти "черты ландшафта" между собой крепкой причинной связью" [Полынов, 1956, с. 430].

В умеренно теплом и влажном климате, где осадки преобладают над испарением, материалы прошлых геологических эпох теряют вместе с серой и хлором карбонаты кальция, натрия и других щелочных и щелочноземельных соединений. Начинают разрушаться силикаты. Рождаются глины, в которых преобладает кремний и алюминий. Это - сиаллитная кора выветривания. Она получила название от первых букв латинских названий кремния и алюминия (силиций и алюминиум).

В тропиках избыток тепла и влаги заставляет пускаться в странствия даже кремний. Правда, он извлекается только из самых неустойчивых комбинаций кремния и кислорода - силикатов. Кварц же остается почти нетронутым. О рождающихся здесь корах выветривания Полынов писал: "Исследования показывают, что в этой коре выветривания накопилось большое количество алюминия и железа. Но это остаточное накопление. Их много не потому, что они откуда-либо принесены и накопились, а потому, что удалены огромные количества других элементов... Воды, промывающие эту красную кору выветривания, в наибольшей степени содержат кремнезем... до 50% всей массы растворенных в воде веществ. Таким образом, мы имеем ландшафт, характеризующийся четвертой группой миграционного ряда, первые ряды уже в значительной степени вымыты, энергично вымывается третий ряд и... некоторую подвижность начинают обнаруживать железо и алюминий" [Полынов, 1948, с. 611-612].

Впрочем, это лишь схема. В природе все гораздо сложнее. Ведь кора выветривания так же, как и почва, есть зеркало и вполне правдивое отражение векового взаимодействия между климатом, горными породами, организмами и, конечно, геологической истории той страны, где она образовалась. Но схема не отвлеченная, а помогающая разобраться во многих вопросах, которые встают перед почвоведами, ландшафтоведами и другими естествоиспытателями. Один из примеров такой задачи и ее решения приводил сам Полынов. "Если ехать по железной дороге из Ленинграда в Псков, - пишет он, - то недалеко от г. Порхова, у местечка, именуемого Красной Горкой, можно наблюдать интересную картину. По одну сторону дороги видна большая пологая возвышенность, частью покрытая дубовой рощей, частью же занятая культурными полями. В соответствующее время года эти поля отмечаются густыми всходами хлебных злаков и носят все признаки того, что обычно называют тучными полями. Внизу, у подошвы этой возвышенности, расстилается луг с небольшим ручьем чистой, прозрачной воды, покрытый пестрым ковром цветов, среди которых заметно обилие головок клевера.

Совершенно иная картина - по другую сторону дороги. И там возвышенность, но она покрыта темным еловым лесом с примесью березы и осины. И там около леса есть культурные поля, но простым глазом можно заметить, что урожайность этих более редких всходов и самое качество хлебов явно ниже. И там есть луговое понижение у подножия возвышенности, но никаких ярких цветов на этих лугах нет. Они покрыты осоками, среди сплошных зарослей которых выделяются пятна болотных мочажин с кочками" [Там же, с. 599-600].

Как объяснить эти разительные контрасты нищеты и изобилия? Ответ кроется в самих описаниях Полынова. Заметим, по одну сторону дороги расположились дубовые рощи, тучные поля, луг, покрытый клевером, по другую - еловый лес, худосочные нивы и сырой луг с пятнами болот. Явно все дело в почвах. Но почему в сходных условиях рождаются столь непохожие представители четвертого "царства"? Видимо, подстилающий материал, т. е. кора выветривания, на которой они образовались, был разный. В частности, обилие клевера - прямое указание на богатство породы кальцием. И действительно, в первом случае возвышенность сложена из так называемой карбонатной морены - породы, которая содержит много углекислой извести. При исследовании почв возвышенности обнаружено, что на поверхности уже углекислой извести нет, она промыта и вынесена до глубины около метра. Но все же в другой форме кальция осталось достаточно, чтобы давать высокие урожаи хлебов, чтобы расти дубу, который, вообще говоря, в этих широтах не так уж распространен. Но еще больше углекислой извести внизу, куда она переносится водой, промывающей эту возвышенность. Грунтовые воды и жесткая вода ручья содержат ее там в предельном количестве, т. е. в том, в котором она может растворяться в воде. Эта вода питает луговые травы, и потому-то мы и встречаем там клевер, ибо он, как и другие травы того же семейства, обладает особенно высокой избирательной способностью к извести.

"Совершенно иное дело - на другой стороне. Там моренные ледниковые отложения представлены выщелоченными глинами и суглинками, в которых кальций содержится в ничтожном количестве; в полном соответствии с этим находятся и почвы полей, в которых уже видны признаки подзолообразования, в результате чего - низкая урожайность хлебов и унылые мокрые луга со мхами и осоками и мягкой, бедной солями водой" [Там же, с. 600-601].

Итак, каков фундамент, таково и здание. Но это не единственное следствие, вытекающее из задачи Полынова. Оказывается, обломки горных пород и уже готовая кора выветривания - предмет экспорта и импорта. В нашем случае ледник в буквальном смысле этого слова откопал и перенес на большое расстояние дефицитные для юга тайги карбонатные обломки. Они-то и создали уголок изобилия среди однообразных и скудных ландшафтов лесной зоны. Однако пройдет время и природа возьмет свое, разрушит и выщелочит карбонаты. И тогда дубы сменятся елями и березами, поля и луга потеряют былое плодородие.

А куда денутся химические элементы, покинувшие горные породы? Должен же когда-нибудь настать конец их странствиям? Безусловно. И порой это происходит много раньше, чем можно было бы предположить. Дело в том, что далеко не все атомы, молекулы или ионы, освобожденные из кристаллических решеток, образуют простые соли, вроде соды и углекислого кальция. Например, алюминий, кремний, железо, титан и марганец почти не создают подвижных солей. Передвигаться они могут лишь в форме коллоидов. И не только перемещаться, но и создавать новые коры выветривания. Ибо коллоидная частичка мицелла весьма неспокойное существо. Она устремлена во внешний мир отрицательными и положительными электрическими зарядами своего компенсирующего слоя, через который ведутся все переговоры и торговые сделки с окружающим ее миром. Мицелла всегда готова захватить более слабого конкурента или присоединиться к более сильному партнеру. Так незаметно зарождается новая кора выветривания, практически не содержащая простых солей.

Гидраты окислов железа: диатомовые водоросли и фитолитарии (в корочках выветривания на скалах Тянь-Шаня)

"Коллоидное состояние вещества чрезвычайно характерно для коры выветривания, - отмечает советский геохимик А. И. Перельман, - при интенсивном выветривании почти все твердые составные части коры находятся в коллоидном состоянии или же при своем образовании проходят через коллоидное состояние. Таковы многочисленные глинистые минералы, гидрослюды кремния, железа, алюминия" [Перельман, 1977, с. 64-65]. Итак, один ответ на поставленные вопросы получен. Метасоматоз и другие механизмы гипергенного производства работают над созданием материала для коллоидов.

Но существуют и иные потребители этих продуктов - живые организмы. Более 80 лет назад американский ученый Р. Холланд высказал предположение, что мощные красноцветные коры выветривания, латериты, - это своеобразная тропическая болезнь базальтов и других пород, исторгнутых из недр. Преувеличение? Конечно. Но его гипотеза содержала и рациональное зерно. Сорок лет спустя В. И. Вернадский напишет: "Процессы выветривания, в частности резко выраженные в биосфере, всегда биогенны и биокосны. Микроскопическая жизнь в них играет ведущую роль" [1965, с. 155]. Полынов отмечал, что в 1 г выветрелого гранита на глубине 12-17 м численность микроорганизмов составляла несколько миллионов. В 70-х годах в воде, заключенной в поры глинистых сланцев, найдены Микробы, возраст которых превышал 200 млн лет. Исследования же по выщелачиванию сульфидных руд тионовыми и другими видами бактерий окончательно подтвердили мысль Вернадского. Сегодня участие микроорганизмов в создании коры выветривания ни у кого не вызывает сомнений, так же как и... роль дождевых червей в почвообразовании. Но микробы далеко не единственные и не главные строители фундамента для современных и будущих почв, ибо кора выветривания - продукт совместного творчества всех сил природы.