Роль органического вещества в процессе выветривания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 «КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И НЕФТЕГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ГЕОЛОГИИ И ГИДРОГЕОЛОГИИ

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПРОЦЕССЕ ВЫВЕТРИВАНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент 325 группы

 

 

«__» ____________  2013 г.                  ____________       Гизетдинов И.Р

 

 

Работа допущена к защите:

 

 

 

«__» ____________ 2013 г.                     _____________      Хузин И.А.

 

 

 

Казань – 2013 год

СОДЕРЖАНИЕ

 

Ведение………………………………………………………………………………3

1. Роль  микроорганизмов…………………………………………………………..4

2. Роль растений……………………………………………………………………..9

3. Роль животных…………………………………………………………………...12

4. Морское биогенное выветривание……………………………………………...14

5. Роль органического вещества в химических реакциях при выветривании….16

   5.1. Хелатизация………………………………………………………………….16

   5.2. Окисление –  восстановление………………………………………………..17

   5.3. Гидролиз……………………………………………………………………...18

6. Роль органического вещества в формировании коры выветривания………...20

7.Почвообразование………………………………………………………………..24

Заключение………………………………………………………………………….29

Литература…………………………………………………………………………..30

Текстовые приложения…………………………………………………………….31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

    Впервые учение о биосфере и геологической роли организмов сформулировано В.И. Вернадским. Он ввел понятие о «живом веществе» как перманентном геологическом деятеле, как аккумуляторе и перераспределителе солнечной энергии. В настоящее время считается неоспоримым фактом, что в разрушении горных пород и синтезе вторичных минералов принимают активное участие растения, животные и микроорганизмы, которые контролируют и корректируют направленность, кинетику и этапность выветривания. Все то, что могут делать с горной породой физическое и химическое выветривание, в состоянии и еще эффективнее способно сделать биогенное выветривание. Б.Б. Полынов утверждал, что сегодня стерильное выветривание на нашей планете вообще невозможно. Это конечно преувеличение, так как разрушение пород при морозном выветривании и образовании трещин разгрузки может происходить и без участия организмов и продуктов из жизнедеятельности. По мнению В.В. Вернадского, состав и свойства главных агентов выветривания – атмосферы и гидросферы, а также климата, коренным образом трансформированы деятельностью «живого вещества» планеты. И, поэтому, помня о том,  что кислород атмосферы является функцией фотосинтеза, даже в том случае, когда выветривание протекает без всяких следов живых и мертвых организмов, оно биогенное.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ

   Породы подвергаются воздействию самых разнообразных растений и животных, особенно микроорганизмов. Известны как химические, так и механические разрушения. Микробиологическое воздействие является в основном химическим [6].

    Попавшие случайно на породу небольшие количества органического вещества дают возможность размножаться многим сапрофитным бактериям, которые, выделяя углекислоту, способствуют дальнейшему выветриванию горных пород, частично растворяя их.

    С другой стороны, на тех же голых скалах могут поселяться не нуждающиеся в органическом веществе хемотрофные нитрифицирующие бактерии, образующие азотную кислоту. Незначительные количества аммиака, необходимые им для окисления, могут образовать сапрофитные микроорганизмы.

    Дальше поселяются некоторые сине - зеленые водоросли, фиксирующие атмосферный азот самостоятельно или в сообществе с азотфиксаторами; затем корковые лишайники, также являющиеся пионерами заселения таких местообитаний. Лишайники могут фиксировать атмосферный азот или за счет сине - зеленых организмов, или присутствующих в них азотфиксирующих бактерий. Затем уже появляются мхи и некоторые высшие растения. Так постепенно идет разрушение горных пород и одновременно создается почвенный перегной (гумус), растворимый в щелочах и осаждаемый в кислотах.

    Разрушающая способность микроорганизмов очень велика. В настоящее время известно, что специальные группы микроорганизмов могут использовать в качестве источника углерода для своего питания нефть, фенолы, парафин, нафталин и ряд других соединений, совершенно не доступных для большинства обычных сапрофитных микроорганизмов [3,стр. 162].

    На выветрелых поверхностях пород может находиться до 1 млн. бактерий в расчете на 1 г породы, а также сотни тысяч грибов, актиномицет и водорослей. Почвенные бактерии разделяются на гетеротрофные, которые получают энергию из органических источников, и автотрофные двух видов:

1) фотосинтезирующие, которые получают энергию от солнечных лучей;

2)хемотрофные, которые в процессе своего метаболизма окисляют минеральные компоненты, такие как сера и железо.

    Хемотрофные бактерии — одни из самых важных в процессе выветривания. Они проявляют наибольшую деятельность в восстановительных условиях, для которых характерно образование сульфидов. Пирит (FeS2)  оказывает большое влияние на качество воды. Начальная реакция выветривания является чисто химической и заключается в окислении пирита:

FeS2+H2O+7(O)→ FeSO4+H2SO4

     Окисление сульфата железа ускоряется при участии некоторых микроорганизмов, называемых тиобактериями (Thiobacillus ferrooxidans),  которые окисляют двухвалентное сернокислое железо в трехвалентное:

2FeSO4+(O)+ H2SO4→Fe2(SO4)3+H2O

    Затем трехвалентное сернокислое железо реагирует  с пиритом с образованием двухвалентного сернокислого железа:

Fe2(SO4)3+FeS2→3FeSO4+2S

    При участии тионовых окисляющих бактерий полученная сера перерабатывается в серную кислоту:

S+3(O)+H2O→H2SO4

    Так как серная кислота представляет собой сильный агент выветривания, то в обстановке окисления пирита pH обычно понижается до 3. Бактериальной деятельностью может быть обусловлено удаление кремнезема из тропических почв, а частично и карбонатная минерализация в пещерах и, возможно, других обстановках. Азотофиксирующие бактерии (азобактерии) переводят азот в соединение NH+4 в и могут также перевести соединения NO-3 в NH+4 . Эти соединения влияют на pH почвы и оказывают, несомненно, большое воздействие на все другие почвенные биоты. Было установлено, что популяции бактерий наследуют только выветрелые поверхности пород, уже после того, как на них начали расти грибы, но после своего проявления бактерии разрушают силикаты быстро, как и грибы.

    Продукты бактериального выветривания могут иметь практическое значение, например, в районе озера Элиот в Канаде, где был установлено, что вода в старых рудниках становиться кислой и в ней появляются растворенные уран и трехвалентное железо в промышленных концентрациях. Опыты пока,  что бактерии группы Ferrobacillius - Thiobacillus способствовали эффективному выщелачивающему воздействию кислого окисляющего раствора, тогда как в отсутствии бактерий выщелачивания не было.

    В настоящее время хорошо показана роль микроорганизмов в биогенном разрушении минералов. Действительно, биохимическое извлечение минеральных компонентов, вероятно, представляет собой промышленность будущего. Однако еще не вполне известны детали этих процессов и их количественные характеристики. Наряду с другими неясными аспектами этих процессов, в экспериментах по бактериальному выщелачиванию, в которых было обнаружено, что периоды покоя (без промывания) обусловливают затем повышение степени выщелачивания: содержание меди возрастает примерно в 16 раз после 14-ти дневного периода покоя.

    Почвенные водоросли — это нитевидные или одноклеточные растения с хлорофиллом. Они являются одним из первых поселенцев на обнаруженной поверхности пород, использующих CO2, N2 (в случае азотфиксирующих сине - зеленых водорослей) и малые количества питательных веществ из минералов. Образование пленок пустынного загара связывалось с деятельностью колоний сине - зеленых водорослей, которые мобилизуют ионы Fe  и концентрируют оксиды на поверхности пород. Было обнаружено, что пленки пустынного загара на породах в ледниковом районе центральной части Тянь - Шаня содержат огромное количество микроорганизмов (до 1 млн. на 1 г породы), включая бактерии, водоросли и грибы.

     Р. Дорн и Т. Оберлендер установили с помощью сканирующего электронного микроскопа, что пленки пустынного загара, состоящие из оксидов марганца, имеют по — существу микробиологическое происхождение, и что эти микробы могли действительно развиваться в культурных средах.

    Д. Эштон обнаружил водоросли в трещинах спайности крупных зерен полевых шпатов и между зернами кварца в гранитах у мыса Уилсон и повсюду в штате Виктория. Поскольку водоросли весьма распространены в тех участках, которые длительное время остаются влажными (например, трещины и пустоты под отдельными камнями), они проникают под поверхность пород на глубину до 5 см [6].

    Лишайники — симбиотические организмы, образованные грибом (гетеротрофный микобионт) и водорослями или цианобактериями (автотрофный фикобионт). Морфологическая основа лишайника образована грибом, обеспечивающим защиту автотрофных компонентов от высыхания и действия крайних температур и снабжение их водой и минеральными солями. Гриб использует углеводы, синтезируемые фикобионтами. Это многоатомные спирты в симбиозе с водорослями и глюкоза в симбиозе с цианобактериями. Выделение больших количеств спиртов происходит только под влиянием гриба в составе лишайника. Цианобактерии способны к азотфиксации, связанный азот передается грибу. Лишайники могут существовать в самых неблагоприятных условиях, где отдельно ни тот ни другой их компонент не смог бы развиваться [Приложение 1][1, стр.247]. Они удерживают поверхностную пленку воды и извлекая питательные вещества из минералов за счет ионного обмена. Лишайники, растущие на породах, можно назвать литофильными. Они оказывают механическое и химическое воздействие на минералы [Приложение 2.1-2.2]. Во влажном состоянии лишайники разбухают, при высушивании сжимаются и при этом могут отторгать фрагменты минералов, которые поглощаются тканью лишайника.  Гифы грибов проникают по трещинам спайности слюд, полевых шпатов и других минералов, образуя плотную сетку и разрушая минералы на мельчайшие фрагменты.

    Лишайники отмирают с образованием "протослоя органических веществ", который является основой для произрастания мхов и высших растений (хотя для некоторых мягких мхов почти или совсем не требуется предварительная стадия лишайников). В конечном итоге в результате разрушения минералов и бактериальной гумификации возникает образование, которое может быть названо " почвой" в самом обычном смысле этого слова. " Почва" или минеральная пыль, образуемая на ранних стадиях лишайниками, богата органическим веществом и содержит обычно больше P, Mg, Ca, K, S, и Fe,  чем материнская порода. Д. Веблей и другие привели описания микробиологии пород и выветрелых камней. Они установили, что количество микроорганизмов увеличивается с возрастанием числа лишайников. Бактерии, актиномицеты (микроорганизмы, занимающие промежуточное место между бактериями и грибами) обнаружены во внутренних частях выветрелых пористых камней, но они отсутствовали в невыветрелых породах. Большая часть этих микроорганизмов в чистых культурах в лабораторных условиях способствовала растворению кремнезема.

    Л. Помар и другие описали поверхности известняков в Испании, которые были покрыты микроорганизмами нескольких видов, причем каждый вид обусловливал специфическое изменение пород. Водоросли оставляли следы сверления, а грибы оказывали более эффективное воздействие и оставляли размытые коррозионные бороздки вдоль гифов. Лишайники оставляли самые глубокие ямки растворения – иногда глубиной более 15 мм [6].

    Итак, разрушительную работу в горных породах начинают бактерии, которые подготавливают почву для появления микрофлоры, а затем лишайников и мхов. Организмы в процессе своей жизнедеятельности поглощают из разрушаемой породы химические элементы такие как: P, S, Cl, K, Ca, Mg, Na, Sr, B, Si, Al, Fe, Mn и другие; а органические кислоты и CO2, образующиеся при разложении органических масс, способствуют процессам растворения и гидролиза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. РОЛЬ РАСТЕНИЙ

    Высшие растения воздействуют на выветривание пород различными путями. Давление, вызываемое растущими корнями, может расширять трещины, вследствие чего порода разрушается несколько быстрее, чем это могло произойти иным путем [Приложение 3]. Высшие растения создают определенный микроклимат у поверхности земли и посредством дыхания корней изменяют почвенный воздух; повышение содержания СО2 в почвенном воздухе имеет важное значение для химического выветривания, особенно у известняков.

    Некоторые формы рельефа обусловлены относительно интенсивным выветриванием вокруг некоторого защищенного участка. О. В. Бутузов описал останцы —  крупные невысокие холмы – образовавшиеся под 60 – летними соснами, где выщелачивание было значительно менее интенсивным, чем на участках, лишенных древесного покрова.

    Главные корни деревьев обычно проникают на глубину 3 м, а тонкие корешки на глубину 7 м. Рекордная глубина в 53 м была установлена для корневой системы мескита в США. У мыса Уилсон в штате Виктория (Австралия) на участке, покрытом ксерофильным лесом, корень толщиной 6 мм обнаружен на глубине 5 м. Этот корень был окружен зоной серой песчанистой глины шириной 6 мм, которая сменялась зоной песчанистого дезинтегрированного гранита шириной 2,5 см. Почвенный слой в этом районе имеет мощность всего 60 см, так что приведенный пример показывает важную роль корневой системы в выветривании на больших глубинах.

    Накопление микроэлементов растениями и их перевод в поверхностный слой почвы влияют на природу почвенного профиля и профиля выветривания, и конечно на ход процесса выветривания. Растения поглощают некоторые микроэлементы и после отмирания возвращают их в поверхностный слой почвы, таким образом, совершается определенный цикл в перемещении этих микроэлементов. Циклическое перемещение питательных веществ растений хорошо известно, однако существуют также циклы перемещения (круговорота) других микроэлементов, в том числе кремния и алюминия. Некоторые растения представляют собой концентраторы кремнезема, который возвращается в почву в виде опалового фитолита — зерен причудливой формы, долгое время определявшихся как спикулы губок. Эти зерна составляют значительную часть минеральной фракции некоторых австралийских почв. Е. Ченери описал цикл алюминия в почвах и растениях. А. Б. Костин и др. привели пример воздействия на почвообразование растения аккумулирующего алюминий — снежной травы (Роа саespitosa). Эта трава обусловливает появление в почвах тонкого слоя гиббсита, хотя происходит все это в холодных условиях альпийских гумусовых почв.