25

Биогеохимический цикл кальция

Массы химических элементов поступали в глобальные циклы из 2-х источников: благодаря процессам дегазации мантии и выносу вулканических газов и за счет мобилизации из земной коры. Большая часть химических элементов была вовлечена в миграцию в результате гипергенной трансформации алюмосиликатного вещества земной коры.

Кальций относится к главным элементам земной коры, его кларк 2,96%. Содержание элемента уменьшается от глубин к гранитному слою литосферы. В базальтовом слое его концентрация 5,8%; в гранитном – 2,7%. Са выпадает в осадок в ранние стадии кристаллизации магмы, а также содержится в остаточных после кристаллизации растворах. Высокое содержание кальция в земной коре обусловливает наличие многочисленных минералов (385), около половины которых относится к гипогенным силикатам. Из-за своих размеров катион Са⁺ не может войти в структуру гипергенных силикатов. Поэтому при выветривании и трансформации гипогенных силикатов в глинистые минералы освобождается большое количество этого элемента.

Его водорастворимые соединения, гл. обр., бикарбонат Са(НСО₃)₂ поступают в природные воды и мигрируют с ними в океан. Хотя этот процесс развивается на протяжении более 2 млрд. лет, концентрация элемента в океанической воде всего лишь в 30 раз больше по сравнению с водами рек. Это обусловлено ограниченной растворимостью карбоната кальция, а главное – активным поглощением элемента планктонными организмами. Указанные процессы способствуют обильному накоплению кальция в составе мощных толщ известняков, доломитов, мергелей, известковых глин и др. Средняя концентрация СаО в осадочной толще равна 15,9%. Масса кальция в осадочной оболочке равна 272,8×10¹⁵ т.

Кальций играет ответственную роль в физиологии организмов. В растениях он участвует в углеводном и азотном обмене, для животных Са необходим для построения наружного или внутреннего скелета, участвует он также в свертывании крови. Масса кальция, содержащаяся в живом веществе суши, равна (22,5-45)×10⁹ т. Это количество на 3 порядка больше количества кальция, находящегося в биомассе фотосинтетиков океана – 34× 10⁶ т. Масса кальция, содержащаяся в растительных остатках, торфе и гумусе педосферы, равна 15×10⁹ т, т.е. имеет тот порядок, что и масса элемента во всем живом веществе Мировой суши. Масса кальция в растворимом органическом веществе океана – 20× 10⁹ т.

Благодаря динамическому равновесию углекислого газа в атмосфере с анионами (НСО₃)^- и (СО₃)^2- в океанической воде в океане содержится огромная масса растворенных катионов кальция. Их масса в океане – 5,6×10¹⁴ т, что на 4 порядка превышает количество элемента, связанного в живом и мертвом органическом веществе планеты.

Для процесса глобального массообмена кальция главное значение имеют биологический круговорот и водная миграция ионов в системе суша-океан. Масса вовлеченного в годовой биологический круговорот кальция составляет 3,4×10⁹ т/год. Размеры вовлечения кальция в биологический круговорот сильно различаются в разных природных зонах. Лесостепная растительность (широколиственная и травянистая) ежегодно потребляет 100 кг/га кальция, а тундровая растительность – только 8,6 кг/га. В наибольшем количестве он требуется растительности степей. Подсчитано, что в доисторический период его потребление с приростом составляло 137 кг/га в год. Весь этот кальций возвращался в почву с растительным опадом, т.е. малый биологический круговорот кальция носил почти замкнутый характер. В настоящее время растительность полей выносит ежегодно только 30-50 кг/га кальция, но большая его часть отчуждается с урожаем. Нарушение биогеохимического круговорота кальция происходит за счет использования карбонатных пород в строительстве, сельском хозяйстве (известкование почв), металлургической промышленности.