Глава 5. Биогеохимическое рассеяние

Сначала на нашей планете появилась вода, а потом уже жизнь. Вода, как сказал В.И. Вернадский, предназначена для жизни. Без воды жизнь невозможна. Живые организмы представляют собой жидкие, полужидкие и коллоидные системы. Как указывалось в главе 2, наибольшее количество воды содержится в морских организмах – от 70 до 99,9 % от их живого веса. В наземных организмах этот процент меньше – от 60 до 80 %. За свою жизнь организм пропускает через себя такое количество воды, которое во много раз превышает его собственный вес. Можно сказать, что через биосферу, особенно через ее верхнюю часть, происходит интенсивный круговорот воды. Биогенная миграция воды приводит к изменению ее состава и минерализации. Важно при этом отметить, что поглощение химических элементов из воды носит избирательный характер, поэтому во многих случаях вода после биологической обработки приобретает новые свойства и состав. Кроме того, сами живые организмы активно участвуют в химических процессах. Например, в фотосинтезе происходит образование свободного кислорода и поглощение углекислого газа. Микроорганизмы активно участвуют в изменении химического состава подземных вод и газов как в окислительной, так и в восстановительной среде. Из сказанного видно, насколько велика роль биогенного рассеяния в природе. Подтвердим этот вывод конкретными материалами.

Биогенное рассеяние растительности. Растительный покров весьма чутко реагирует на изменение ландшафтно-климатической обстановки. Эта зависимость весьма хорошо фиксируется географической зональностью – широтной и высотной. Для каждой из географических зон характерна определенная ассоциация растительных компонентов. Растительность четко реагирует на геологическую обстановку (определенный биоценоз развивается на песчаном, глинистом или скальном основании), на изменение гидрогеологических условий (места разгрузки подземных вод, глубина их залегания, степень засоленности почвенных и грунтовых вод, влияние криогенных процессов), экологическую ситуацию (различные проявления угнетенного состояния растительного покрова). Для решения указанных выше вопросов проводится геоботаническая съемка. С ее помощью изучаются индикаторы, характеризующие определенную обстановку, осуществляется их картирование и соответствующий мониторинг.

Для того чтобы определить возможность использования растительности для рудопоисковых целей, следует решить много различных задач. Назовем некоторые из них.

Металлоносность растений. Избирательная способность растений поглощать химические элементы приводит к тому, что их химический состав отличается разнообразием и определенной несхожестью. Разнообразие состава способствует широкому представительству в них индикаторов рудоносности, включающих такие элементы как свинец, цинк, молибден, мышьяк, серебро, золото, никель, кобальт, уран, радий, литий и рубидий. Вместе с тем следует упомянуть и о растениях-концентраторах, способных накапливать в себе определенные компоненты. Так, например, концентратором молибдена являются нижние листья рододендрона, багульник и осока (Сибирь). Концентратором меди, молибдена, золота и радиоактивных элементов является полынь (Казахстан, Узбекистан) [18].

Возможности поглощения растительностью химических элементов из почвы и подземных растворов не беспредельны. Поэтому вводится понятие о биологических барьерах. В соответствии с этим понятием растения делятся на две группы – барьерные и безбарьерные. Для большинства химических элементов наблюдается барьерный тип поглощения растительностью, поэтому при проведении биогеохимических поисков надо учитывать характер накопления рудных элементов растениями. В связи с этим следует упомянуть, что индикаторы оруденения неравномерно распределяются по частям растений (листья, ветки, кора, ствол, корни). Одна группа растений характеризуется тем, что концентрация индикаторов растет от корней к листьям. Они называются базипетальными. Другая группа растений называется акропетальными. В них максимальная концентрация индикаторов оруденения наблюдается в стеблях и корнях. Большинство растений относится к базипетальным. Это облегчает проведение поисков, поскольку в них отбираются листья, хвоя, стебли, и растительности не причиняется большого вреда. Важно еще и то, что листья и молодые побеги обладают наибольшей зольностью – 5-10 %. Отростки ветвей имеют зольность 2-8 %. Пониженную зольность имеют хвоя и кора деревьев. Самое низкое ее значение наблюдается у древесины – 0,5-2%.

В зависимости от физиологических процессов в растениях, водных условий содержание металлов в растительных организмах изменяется. В периоды физиологического покоя оно становится наиболее низким. В вегетационный период их содержание возрастает в 5-20 раз. В период длительных дождей с листьев смывается поверхностная пленка, обогащенная металлами, образовавшаяся в результате испарения сока растений. В это время металлоносность растений значительно уменьшается.

Глубинность биогеохимических исследований зависит от глубины проникновения корневой системы. Она претерпевает весьма большие колебания. Так, например, у можжевельника корни уходят на глубину 25-70 метров, у сосны и полыни – на 25 метров, у акации – на 68 метров, у саксаула – на 37 метров. В условиях засушливого климата растительности приходится глубоко выдвигать свои щупальца для того, чтобы получать водное питание. В обстановке гумидного климата такой проблемы нет. В областях развития многолетней мерзлоты глубина проникновения корневой системы весьма ограничена.

Методика биогеохимических исследований. Своеобразие металлоносности растений требует учета их особенностей при проведении работ. Для того чтобы определиться с индикатором, концентратором, распределением элементов по частям растений, режимом поведения и многим другим показателям, на первом этапе исследований проводят опытно-методические работы. Их целью является установление стандартов опробования и определение методики исследований. Поэтому на первом этапе исследований стараются проводить работы на известных месторождениях, рудных полях в пределах установленных лито- и гидрогеохимических ореолов рассеяния.

На следующем этапе проводится определение глубины корневой системы. Для степных и полупустынных районов глубинность исследований определяется в 30-50 м, для гумидных районов – 10-30 м, а для районов распространения многолетней мерзлоты – 10 м. Устанавливается шаг опробование 2-5 м для маломощных рудных тел. Решается вопрос о том, какие растения являются безбарьерными и какие части у них являются наиболее представительными. Выбирают растения-концентраторы (береза для цинка, осина для кадмия, клевер луговой для олова). Продолжительность проведения работ не должна превышать 3-5 недель. После обильных дождей работа прекращается на 2-3 дня. Для анализа отбираются одни и те же части растений. Это могут быть трава, листья, хвоя, кора, стебель. Вес пробы зависит от количества золы, которую можно из нее получить. Для спектрального анализа требуется 100-200 мг исходного материала. Отсюда понятно, что вес пробы должен быть 20-50 г. Озоление проб проводится в специально оборудованных печах и капсулах. Желательно, чтобы проба не попадала в зону открытого огня. Это нужно для того, чтобы не потерять при озолении летучие компоненты.

Интерпретация результатов. Одной из главных задач этого этапа работ является разбраковка аномалий, полученных в результате поисков. Составляются и анализируются рабочие таблицы, где фиксируются глубина корневой системы, максимальная концентрация элементов-индикаторов, изменение концентрации элементов во времени для построения режимных графиков, распределение элементов-индикаторов в разных частях растений, величина РПК (растительно-почвенный коэффициент) в различных элементах ландшафта, формы и содержание химических компонентов в почвенно-покровных отложениях, доступных для усвоения растительностью. Далее рассматривается связь выявленных аномалий с геолого-структурными, геофизическими, геохимическими, гидрогеологическими и другими условиями. На основании комплексного анализа этих данных делается вывод о поисковом значении геохимических аномалий. При необходимости эти аномалии могут изучаться в экологических целях, когда важно установить причину и контуры загрязнения природной среды.

Микробиохимические исследования. Микроорганизмы образуют наиболее активную часть биосферы и распространены в ней практически повсеместно. Велика их роль в преобразовании химического и газового состава подземных вод. При этом наиболее активно используются такие биофильные элементы как углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор, железо, марганец, мышьяк, кремнезем, йод, натрий, кальций, магний, хлор и другие элементы. Микроорганизмы контролируют направленность окислительных и восстановительных процессов, при которых указанные выше компоненты повышают или понижают свою валентность. Их участие в геохимических процессах по своим последствиям оказывается более весомым, чем у макроорганизмов. В одном грамме почвы содержится 10⁵-10⁹ особей бактерий. Наиболее благоприятная температура для существования и функционирования микроорганизмов 4-33 ^оС, а для термофилов около 40 ^оС. Большинство бактерий погибает при температуре более 65 ^оС. Но имеются споробактерии, которые погибают только после кипячения при температуре 160 ^оС. Минимальная отрицательная температура, которую могут выдержать бактерии, достигает –170 ^оС. Бактерии в процессе своей деятельности образуют свободную серную и свободную азотную кислоту, органические кислоты и сероводород. Исключительно велика их роль в преобразовании и разложении органического вещества. Его гумификация приводит в конце концов к образованию месторождений нефти, газа, угля и других органических веществ. Этот процесс непрерывен и бесконечен. В результате деятельности микроорганизмов образуются простые химические вещества – углекислота (СО₂), вода (Н₂О), соединения азота (NH₃) и др.

Микроорганизмы активно участвуют в создании и разрушении полезных ископаемых. Прежде всего это относится к месторождениям нефти и газа. Распределение микрофлоры в нефтегазоносных районах зависит от минерализации и состава подземных вод, температуры и органического вещества, являющихся источником их питания. Количество бактерий в верхней части разреза достигает десятков и сотен тысяч клеток в одном мл. Наиболее активны в этих водах гнилостные бактерии и сапрофиты, результатом деятельности которых являются водород, сероводород и углекислый газ. Кроме того, в этой зоне функционируют водородокисляющие, денитрифицирующие, разлагающие клетчатку, образующие метан и другие бактерии. В глубоких зонах нефтегазоносных провинций развиваются тионово-кислые, десульфурирующие, углеводородокисляющие, денитрифицирующие, водородобразующие и другие формы бактерий. Количество бактерий может достигать сотен тысяч и даже миллионов клеток в одном мл воды. Поисковые признаки микрофлоры на нефтегазоносность должны рассматриваться в совокупности с другими показателями – геохимическими, гидрогеохимическими, геофизическими и т. д.

Другая группа месторождений полезных ископаемых, в разрушении которых микроорганизмы активно участвуют, связана с сульфидным оруденением. Они разлагают сульфиды, способствуют переходу металлов в растворенное в воде состояние. В условиях благоприятного биоценоза интенсивность выноса металлов может возрастать на несколько десятков процентов. Такая способность микробов используется для выщелачивания рудных отвалов на некоторых месторождениях Урала и Канады. Биоценоз микроорганизмов, участвующих в разрушении сульфидных месторождений, весьма разнообразен. Они представлены теоново-кислыми, железобактериями, серобактериями, азотными бактериями и другими типами. Подробнее о процессах окисления сульфидных месторождений рассказано в главе 7.