CC BY
61
1. ФИЗИЧЪСКАЯ ГЕОГРАФИЯ, ГЕОХИМИЯ
ЛАНДШАФТОВ И ЭК0Л01 ИЯ
Т.Т.Тайсаев САМООРГАНИЗАЦИЯ МЕРЗЛОТНЫХ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ЛАНДШАФТОВ
В северном полушарии биогенные мерзлотные ландшафт (арктическая пустыня, тундра, тайга, лесостепи, степи) занимают огромные территории. Большая часть Аляски, Канады и России, а также высокогорья расположены в зоне многолетней мерзлоты. Возникновение мерзлотных ландшафтов связано с ледниковой эпохой. В то время они занимали значительно больше территории, чем в настоящее время. Интенсивное хозяйственное освоение северных регионов и областей высокогорья вызывает экологический риск и разрушает традиционное природопользование и уклад жизни коренных народов. Политика рационального природопользования и сохранения устойчивого развития мерзлотных ландшафтов требует исследования процессов самоорганизации систем, определяющих структуру и функционирование их.
Академики В.И.Вернадский, Б.Б.Полынов и их последователи А.И.Персльман (1975, 1991, 1995), М.А.Глазовскал (1988, 1992) и др. установили, что основой самоорганизации и саморегуляции природных геохимических ландшафтов являются биологический круговорот атомов (бик) - образование живого вещества и его разложение. Геохимический ландшафт - это сложная, открытая, динамичная, резко неравновесная, но упорядоченная, стационарная самоорганизующая система земной поверхности со многими положительными и отрицательными обратными связями ТГерельман, 1975, 1991). Самоорганизация ландшафта - :>то выражение ею целостности, относительной самостоятельности - способности сохранять свои особенности при изменении внешних условий ( в первую очередь, макроклимата), а также сохранение устойчивости ландшафта, структуры и функционирования его (Перельман, 1995). В последние годы процессы самоорганизации в различных системах природы оформились в самостоятельную науку - синергетику (Хакен, 1980; Нико-лис, Пригожин, 1979; Пригожин, Стенгсрс, 1986). Этой науке уделяют внимание география (Арманд, 1988) и геология (Летников, 1992; Синергетику ..., 1992).
Биосфера и ее подсистемы (ландшафты, моря, озера и т.д) рассматриваются как постоянно самоорганизующие системы. Си-
нергетика сжимает информацию, превращает ее в небольшое количество законов. Смысл синергетики, как новой интегральной науки, заключается в том, что в открытых неравновесных системах непрерывно возникают процессы самоорганизации, из физического, геологического, биологического, социального хаоса возникают устойчивые упорядоченные структуры - системы с новыми свойствами.
Одно из поразительных явлений в природе - спонтанное образование высокоупорядоченных структур из хаоса. К ним относятся биокосные системы (ландшафты, почвы, илы. озера, моря) - вы-сокоупорядоченные пространственные и временные структуры, возникшие из "хаотических" состояний природных тел (микроорганизмов, растений, животных, воды, горных пород). Что заставило живое вещество, почвы, воды и горные породы объединиться в ландшафт? Синергетика вскрывает общие явления самоорганизации от простейших физических, химических, геологических, биологических систем до сложных. Она изучает совместное действие отдельных частей какой-либо неупорядоченной системы, в результате происходит самоорганизация - возникают новые пространственные и временные системы. По современным понятиям процесс самоорганизации представляет автоматический процесс, предполагающий участие большого количества объектов (элементов, их соединений, систем), которые определяют совокупное, кооперативное действие. В процессе самоорганизации образуются и выживают комбинации, системы - минералы, горные породы и живые организмы, наиболее энергетически выгодные с точки зрения адаптации всего комплекса, сообщества и отдельных организмов.
При изучении самоорганизующих систем наиболее важным является выявление причин самоорганизации и главных факторов, определяющих действие их в соответствии с иерархической подчиненностью подсистем.
Мерзлотные ландшафты и их история.
Они представляют естественно-исторический комплекс -биогенный ландшафт, сложившийся из ряда подсистем в криолито-зоне под взаимодействием биогенных и криогенных процессов. Главными составляющими мерзлотного ландшафта в отличие от немерзлотного являются постоянное или временное присутствие мерзлых пород, подземного и поверхностного льда и снежного покрова. Основные территории распространения мерзлотных ландшафтов охватывают высокие полярные широты, внутренние горные
области Азии и высокогорья с постоянной среднегодово! отрицательной температурой воздуха и горных пород. Большие площади занимают своеобразные переходные ландшафты (тайга, лесостепи, степи) с островной мерзлотой или отсутствием таковой, расположенные на месте былых глициальпых и перигляциальных ландшафтов с характерными реликтовыми формами рельефа, осадочных пород, почв, кор выветривания и соответствующим биоценозом ледникового периода.
Мерзлотные ландшафты являются характерной составной частью географической оболочки Земли и тесно связаны с глобальными климатическими изменениями - ледниковыми периодами на планете.
Устойчивость мерзлотного ландшафта определяется холодным климатом, когда температурный режим обеспечивает сохранение мерзлоты, промерзание и образование подземного льда. Мерзлотный ландшафт чувствителен к тепловым воздействиям. Велика роль в сохранении мерзлоты и механизма обратной связи - развития живого вещества, почвенно-растительного , торфяного покрова, деятельного слоя, образующих теплоизоляционный защитный горизонт, предотвращающий деградацию мерзлоты.
В мерзлотных ландшафтах процесс самоорганизации осуществляется совместным участием биогенных и криогенных процессов, с деятельностью которых связана миграция элементов, их соединений, образование живого вещества, геохимических барьеров, геохимических аномалий, почв и горных пород. Чтобы подчеркнуть важность этого обстоятельства, нами предлагается специальный термин "криобиогенез". Самоорганизация мерзлотного ландшафта определяется криобиогенезом и эффектами которые он вызывает. Криобиогенез - это совокупность и единство биогенных и криогенных процессор формирующих мерзлотный ландшафт, в котором геохимические (биологические, биогеохимические, криогенные) явления и миграция химических элементов тесно связаны и взаимообусловлены энергией, веществом и информацией живого вещества и криогенеза и создают целостную систему с новым вещественно-энергетическим и информационным уровнем. Криобиогеиеч определяет внутреннее содержание мерзлотного ландшафта - единство всех многообразных свойств и отношений, т.е сущность данной биокосной системы.
Главным условием возникновения и развития мерзлотных ландшафтов является непрерывный периодический (зима - лето) круговорот вещества во времени - криогенный и биологический, проявляющиеся в единстве и взаимодействии друг с другом. Периодичность и взаимодействие главных противоположных зимних (криогенных) и летних (биогенных) процессов обеспечивают целостность системы. Периодичность явлений (зима - лето, оледенение -межледниковье) - важный признак мерзлотных ландшафтов, который мы вслед за Ф.А.Летниковым рассматриваем как обобщающий критерий и меру самоорганизации системы.
В мерзлотном ландшафте живое вещество и биологический круговорот выполняют основную организующую роль (по В.И.Вернадскому). Они связывают воедино биогенный и криогенный циклы миграции - потоки вещества и энергии биогенеза и криогенеза, создают новую информацию в системе, отличную от исходных составляющих.
Криобиогенез наиболее ярко проявляется в ландшафтах на рудных провинциях и полях, геохимически специализированных формациях, нефтегазоносных площадях, лессах, зонах разломов, выходах минеральных источников, где наиболее усилена взаимосвязь биогенных и криогенных процессов за счет активизации миграции и концентрации химических элементов в зоне криогенеза. При этом усиливаются биоразнообразие, бик и биологическая продуктивность ландшафта, и как следствие повышается геохимическая энергия живого вещества.
Ледниковые периоды с соответствующими мерзлотными ландшафтами в истории Земли неоднократно повторялись: поздний протерозой, ордовик, пермь-карбон, юра, четвертичный период (Зимы ... 1982). Крупные периоды горообразования совпадают с оледенением. Похолодание и альпийское горообразование в кайнозое завершились четвертичным ледниковым периодом, во время которого сформировались крупные ледниковые покровы, многочисленные центры горного оледенения и перигляциальные зоны, появились тундра, верховые болота,альпийские луга, широкое развитие получили степи и пустыни (Марков, 1960).
Четвергичный ледниковый период характеризуется удивительным разнообразием млекопитающих и ускоренной их эволюцией, связанной с периодическим сужением климатических поясов, вымиранием и перераспределением растении и животных в огром-
ныхмасштабах (Зимы ... 1982). Р.Т.Флинт отмечал, что из 119 видов млекопитающих . ныне обитающих в Европе и сопредельных частях Азии, 113 появились в четвертичном периоде и из них 6 - не ранее последнего оледенения. В ландшафтах ледникового периода произошла вынужденная адаптация животных к холодным условиям мест обитания (холодные воды полярных морей и мерзлотные наземные ландшафты), зародились новые виды. Па северные (полярные) и высокогорные виды оказали влияние низкие температуры, ограниченное количество свободной воды и сокращение территорий обитания за счет постоянных ледников. В высоких широтах большое влияние на растения и животных имели полярные ночи и дни, в высокогорье - ультрафиолетовое излучение. В мерзлотных ландшафтах холодные периоды (оледенение и зимы) во времени более продолжительные, чем теплые (межледниковье и лето). В этих условиях у растений и животных преобладали адаптации к холоду, усилились у них формообразование видов и возникновение новых видов и сообществ (криофитные растения, мамонтовая фауна, животные полярных морей).
Важное место в развитии геохимии мерзлотных ландшафтов занимал криогенно-эоловый этап, связанный с деятельностью ветров в условиях холодного сухого климата среднего-позднего плейстоцена в перга ляциальных ландшафтах - полупустынях, тундро-степях и степях (Томидиаро, Черненький, 1987; Таисаев, 1994). Активно криогенные и эоловые процессы проявились в предгориях и межгорных котловинах горных систем юга Сибири и Центральной Азии. Здесь сформировались сухие каменистые степи и полупустыни на дефляционных поверхностях с котловинами выдувания и со-ленакоплением в них, сопряженные с покровами эоловых песков и лессов. Указанные геохимические реликты являются характерными компонентами современных мерзлотных степей, лесостеней и тайги, а также степей и лесостепей, сформировавшихся на месте былых перигляциальных степей и тундростепей. В перигляциальной зоне лесс имеет эоловое происхождение.
Криогенно-эоловые отложения Восточной Арктики и Субарктики связаны с аккумуляцией пыли, приносимые ветрами на равнины внеледниковой зоны во время последних ледниковых эпох плейстоцена - зырянского и сартанского. На севере Евразии в пределах перигляциальной зоны образовались мерзлотно-лессовые покровы - едомный комплекс (Томирдиаро, Черненький, 1987) или север-
ный аридный пояс (Шило, 1987). Сохранность феномена природы -едомного комплекса отложений - объясняется присутствием многолетней мерзлоты с неразложившимися остатками растений и трупами мамонтовой фауны. В сухих и холодных приаридных степях обитали бизоны, яки, дикие лошади и сайга.
В ледниковых ландшафтах четко проявлена самоорганизация системы, связанная с живым веществом и биологическим круговоротом. О высокой степени самоорганизации мерзлотных туад-ростепей и луговоетепей среднего-позднего плейстоцена свидетельствует мамонтовая фауна. Она обитала на богатых разнотравьем плодородных пастбищах и природными солонцами, развитых на лессовых и рудоносных формациях, нефтегазоносных и соленосных площадях севера Евразии и Северной Америки. По данным О.П.Пармузина (1993), за 10 тысяч лет до гибели мамонтовой фауны на равнинах Северо-Востока Азии кормились не менее 40 млн. крупнейших млекопитающих суши Это значительно больше, чем прокармливает Африка. Какая высокая биопродуктивность мерзлотных ландшафтов? Какими факторами можно объяснить феномен расцвета разнообразия жизни в ледниковый период? Ответ, очевидно, определяется особенностями совершенства самоорганизации ландшафтов рудных провинций и лессовых покровов, обеспечивающих млекопитающих необходимыми кормами и минеральным питанием.
Сохранившиеся от вымирания современные виды мамонтовой фауны (лоси, олени, косули, яки, горные козлы, снежные бараны, снежные козы, снежные барсы, бурые и белые медведи и др.)также отражаю! высокий уровень самоорганизации мест обитания - ландшафтов этих животных в соответствующих группах мерзлотных ландшафтов. Крупные размеры животных мамонтовой фауны (современных и вымерших видов) свидетельствует об обеспеченности ландшафтов кальцием, фосфором, магнием и другими катионами, а также микроэлементами. Достаточное минеральное питание животных и богатые кормовые ресурсы обеспечивали оптимальные условия для их развития и усиленного развития биологического круговорота - основы самоорганизации мерзлотных ландшафтов.
Прослеживается преемственность в высокой степени самоорганизации мерзлотных ландшафтов в четвертичном периоде, от ледниковых эпох до настоящего времени. Возникновение и развитие
мерзлотных ландшафтов - эго одно из важнейших моментов истории биосферы, эволюции органического мира, формирования современных видов растений и животных и появления и расселения человека в холодных регионах планеты.
Самоорганизация мерзлотного ландшафта как биокосной системы обеспечивается внутренними связями зоны криогенеза с биогенными процессами. Она способствует сохранению структуры и функционированию ландшафта и его устойчивости при стабильности термического режима криолитозоны. В этих ландшафтах механизм самоорганизации регулируется сезонным режимом тепла и определяется единством зимнего (криогенного) и летнего (биогенного) циклов самоорганизации. Криогенез горных пород является одним из основных источников минерального питания растений и животных. После разложения живого вещества часть подвижных элементов снова возвращается в ландшафт, вовлекаема в бик и удерживается там. В мерзлотных ландшафтах образуются энергетически наиболее устойчивые для данной системы минералы (лед, сульфаты, карбонаты, окислы), горные породы (лед, криопелит, лессы) и организмы, а также биокосные системы - почвы, поверхностные воды и т.д. Рассмотрим указанные циклы самоорганизации.
Зимний цикл.
Для этого цикла особо выражено криогенное выветривание горных пород. С криогенным выветриванием связаны перигляци-альный литогенез (Шило, 1971, 1985), образование лессовидных отложений (Конищев, 1981), криолитогенез (Ершов, 1982). Развитие криогенного литогенеза происходит в условиях постоянного присутствия в течение года двух фаз воды - твердой и жидкой, частых фазовых переходов воды, активизирующих физико-механические и физико-химические явления. Происходят усиленное дробление, дезинтеграция горных пород, агрегирование и коагуляция глинистых и коллоидных частиц, накопление пылевагых фракций (криопелита).
В мерзлотных ландшафтах наблюдается ряд геологических процессов и форм: повторно-жильные льды, криотурбации, морозное пучение, инфекционные бугры пучения, а также полигональные структурные формы - медальоны, каменные кольца, многоугольники. В этих ландшафтах проявлены склоновые процессы: солифлюк-ция и курумы. С деградацией мерзлоты, вытаиванием подземных льдов, просадками поверхности земли и образованием западин связаны термокарстовые процессы. Они вызваны потеплением климата
или нарушением, удалением почвенно-растительного покрова, рытьем траншей и каналов. При миграции или осушении термокарстовых озер образуются аласы - луга. Эти ценные пастбища, сенокосы и пашни с усиленным бик распространены в Якутии, на Северо-Востоке Азии, Канады и др.
В процессе преобразования почв, горных пород при отрицательной температуре (криогенез по И.А.Тютюнову) образуются геохимические поля. Незамерзающие пленочные воды (растворы) под действием градиента концентрации и температуры формируют восходящие потоки вещества к поверхности, образуют криогенные солевые ореолы в почвах, дисперсных отложениях, в снежном и ледяном покрове (Мельников, Иванов и др., 1988; Макаров, 1987). При криогенной метаморфизации вод характерны увеличение минерализации их, осаждение (вымораживание) карбонатов, сульфатов, других солей с микроэлементами. В результате криогенного концентрирования отжимаемых вод образуются высокоминерализованные воды - криопэги. Они характерны для соленых озер Забайкалья, Прибайкалья, Якутии и др., а также для подмерзлотных и межмерзлотных вод.
Высокая растворимость кислорода и углекислого газа в пленочных водах определяет выветривание алюмосиликатов, окисление сульфидов. При окислении сульфидных руд образуются сульфатные зоны легко растворимых солей железа, меди и других металлов. В зоне криогенеза наряду с грубообломочным материалом образуется тонкодисперсный - разнообразные глинистые минералы с высокой поверхностной энергией. Зимой воды рек и озер тундр, заболоченной тайги и гольцов подо льдом становятся глеевыми из-за расхода кислорода на окисление органического вещества, дыхание рыбы и насекомых. В этих условиях случаются гибель рыб (заморы) и возможно восстановление металлов.
В снежном покрове накапливается большое количество минерального вещества (твердого и растворенного), кислорода, углекислого газа. Со снежниками связано образование нивального мелкозема, выносимого талыми водами на днище каров, цирков, трогов, речных долин. Для многих животных и растений снег служит убежищем, защищающим их от холода: некоторые грызуны (лемминги, полевки) и размножаются под снегом. С.С.Шварц (1993) рассматривает подснежное размножение грызунов как приспособление, которое позволило им освоить тундру и давать полное потомство иеза-
висимо от капризов природы. Грызуны под снегом находят обильный корм - корни многолетних трав. Многие копытные (олени, кабаны, овцебыки и др.) питаются растительностью из-под снега.
Зимой би(к резко ослаблен. Он поддерживается многолетними растениями, которые после прекращения роста, удерживают минеральные и питательные вещества и обеспечивают начало пищевой цепи в экосистемах. В питании травоядных и птиц тайги, тундры преобладает грубый корм: ветви, корни, семена, ягоды, лишайники. Зимой самки крупных травоядных вынашивают зародыши в эмбриональном состоянии (латентная стадия). Недостаток солей и питательных веществ - одна из причин медленного развития зар цыша, приспособления животных к зиме. У некоторых зверей зимой выпадают рога после использования из них минеральных веществ. С наступлением холодов часть животных (бурый медведь, сурки, суслики и др) залегает в спячку, используя летние запасы питательных веществ - жиры. Минимальный обмен веществ обеспечивает их необходимой энергией. Зимняя спячка легко решает проблему питания и является очень мудрым и надежным средством борьбы с холодом, она спасает животных от холодов и бескормицы, сохраняет их половые клетки и зародыши. Например, длиннохвостый суслик в высокогорье Восточного Саяна и Северо-Востоке Азии приспособился переносить резкие колебания суточных и сезонных температур, достигающих 30° С и 80-85° С соответственно. Он впадает в спячку зимой в течение девяти месяцев. При этом выживает в случае, когда его тело замерзает до -4" С. Поразительная терморегуляция.
Таким образом, зимой в ландшафте заметно сокращены биологические процессы и информация за счет экстремальных условий (низких температур, отсутствия свободной воды, уменьшения интенсивности физико-химических процессов). В то время проявлена криогенная консервация растений и некоторых животных (зимние спячки), выражающиеся в резком ослаблении биохимических процессов и реакций. При глубоком замораживании долго сохраняются семена растений. Сохранение генетической информации при консервации является одним из главных приспособлений растений и животных к холоду и развития бик. Благодаря криоконсервации, возникли и выжили многие виды ледникового периода. Они сохранились и в современных мерзлотных ландшафтах.
За зиму в ландшафте происходят мобилизация минеральных веществ из зоны криогенеза и концентрация их в почве, дис-
персных отложениях, снегу, льду и сохранение их в многолетних растениях.
Зимы, зимы планеты (оледенения) не время геохимического покоя, а время спедифической мобилизации и накопления химических элементов, минералов, горных пород (лед, сульфаты, карбонаты, глины, лесс и т.д). Скопившиеся за зиму огромные массы снега и льда в горах представляют потенциальную энергию, которая переходит летом в кинетическую энергию водных потоков и является мощным фактором механической, физико-химической, биогеохимической миграции химических элементов. В мерзлотных ландшафтах талая биологически активная вода присутствует почти все лето. Талые воды, активно взаимодействуя с горными породами, выщелачивают из них химические элементы и влияют на водную миграцию их. Это воды ледников, снегов, наледей в высокогорье, надмерзлот-ные воды тундры, тайги и лесостепей. обеспечивающие растения и животные минеральными веществами.
Формирование и развитие мерзлотных ландшафтов в течение года (зима - лето) следуют рассматривать как своеобразную модель и ключ к пониманию эволюции ландшафтов криолитозоны в четвертичном периоде с чередованием ледниковых и межледниковых эпох, ландшафтов былой перигляциальной зоны, а также современных ландшафтов бореального пояса с сезонной и островной мерзлотой.
Таким образом, особенности самоорганизации зимнего цикла - подсистемы мерзлотного ландшафта определяются отрицательной температурой, присутствием мерзлых горных пород, замерзанием и криогенной метаморфнзацией воды, фазовыми переходами воды, отсутствием свободной воды, диффузионными потоками незамерзающей влаги. При замерзании горных пород , превращении воды в лед криогенная система становится более упорядоченной, приближается к некоторой равновесной замкнутой системе, т.е состоянию, в котором резко ослабляются и затухают флюктуации (колебания) температуры, физико-химических параметров, ослаблен бик.
Летнии цикл и биогеохимические барьеры
Накопившиеся за зиму легкорастворимые соли, микроэлементы и тонкодисперсные породы летом вовлекаются в бик. Весной сочный зеленый корм, талые воды и обилие природных солонцов -продуктов криогенеча быстро ликвидируют минеральный голод животных. У самок лосей, изюбрей, оленей и др. идет быстрое раз-
витие зародыша, и появляется потомство. У самцов изюбрей и оленей быстро растут панты - источники пантокрина, образуются рога. За лего происходит стремительный бик. Растения эффективно используют солнечное тепло, в гольцах и разреженных светлохвой-ных лиственничных лесах и тундре приземистые растения ( кустарники, кустарнички, мхи, травы, лишайники) получают достаточное количество тепла в приповерхностном хорошо прогреваемом слое для роста и развития. Чашеобразные цветЕ.1 высокогорий при помощи фокусирования солнечных лучей аккумулируют тепло внутри себя, тем самым ускоряют созревание завязи. В горной тайге и гольцах биологическое разнообразие видов возрастает на южных склонах - горных степях (убурах). Речные и ледниковые долины южного направления богаты растительностью, хорошими луговыми пастбищами, чем северные. Это связано с активной мобилизацией минерального вещества с южных водосборов. Интенсивный бик субальпийских лугов во многом обеспечивается участием талых вод снегов и ледников, выносящих минеральное вещество зимнего цикла.
Важную роль в самоорганизации мерзлотных ландшафтов выполняют биогеохимические барьеры, возникновение которых происходит летом. Они удерживают значительное количество органического и минерального веществ и препятствуют выносу их за пределы ландшафта. Химические элементы и их органо-минеральные соединения в барьерной зоне многократно вовлекаются в бик и удерживаются в ландшафте. Они поступают на барьер из криогенных образований (ледников,снежников, наледей, талых вод), со склоновыми и восходящими трещинами водами. Барьер усиливает информацию в ландшафте - увеличивается концентрация химических элементов, возникают геохимические аномалии, и как следствие проявлено биоразнообразие. В высокогорье, в областях горного оледенения лугово-болотные ландшафты с озерами на днищах каров и трогов и луга вокруг наледей на выходах трещинных вод являются ярким примером биогеохимических барьерных зон и барьеров с разнообразной биотой.
В мерзлотных ландшафтах хорошо проявлено биогенное накопление элементов. В гольцовых ландшафтах высоких плоскогорий ягель - олений мох участвует в образовании лишайниково-моховой тундры. Ягель активно поглощает растворимые формы элементов из почвогрунтов и вод на путях горизонтальной и верти-
кальной миграции. Дня ягеля характерно и воздушное питание. Лишайники умеренно накапливакгг многие микроэлементы - Ах больше 1 (Тайсаев, 1994). Это их видовой признак.
Химический состав золы лиственницы даурской - доминанта таежно-мерзлотных ландшафтов хорошо отражает его видовой состав независимо от его произростания на различных горных породах (Тайсаев, 1981). В ветвях и хвое лиственницы по сравнению древесиной в большом количестве накапливаются Р, Яе, Мп, К, а"Са преобладает в составе древесины. Резко преобладает калий над натрием , соотношение К и N3 равно 32, а в древесине - 7. Содержание марганца в лиственнице равно 5-6, сосне - 2,7, осоке - 0,3, луговом разнотравье - 0,1 %. Лиственница является концентратом марганца.
A, лиственницы образует следующие ряды: Р, Мп (150-40); 5, Zn,
B, Си (20-10); К, N4, Ва, Р, Мо (5-2); РЬ, Бп, АЧ, Со, Сг, N3, Ре, в!, Т1 (1-0 ,п). Энергичное накопление указанных элементов в лиственнице способствуют активному участию их в бик таежно-мерзлотных ландшафтов.
Интенсивно накапливаются микроэлементы в лиственнице даурской на выходах минеральных источников. В этих ландшафтах Ах многих микроэлементов увеличивается в десятки раз по сравнению с типичными. Здесь отражается связь водной и биогенной миграции элементов.
Лиственница даурская как вид является наиболее холодоустойчивым растением , хорошо приспособленным к суровому климату и многолетней мерзлоте и обладает высокой биологической устойчивостью (Поздняков, 1975). Светлые редкостойные леса из лиственницы даурской с мохово-лишайниковыми и кустарниковыми ассоциациями определяют достаточно высокую самоорганизацию таежно-мерзлотных ландшафтов Восточной Сибири и надежность геохимического соответствия (когерентности по А.И.Перельману, 1991) основных компонентов ландшафта друг другу.
Биогеохимические барьеры связаны с биологическим круговоротом вещества. Они ярко проявлены на болотах и озерах: торфах, донных осадках и железистых осадках.
Болота широко развиты в таежных и гольцовых (тундровых) ландшафтах равнин пенепленов и межгорных впадин гор юга Сибири и севера Евразии. На Витимском плоскогорий выделяются
осоковые, злаково-осоковые».всшшницые гррфБГЧГуча ■чем зеленых
■
17
I
I ь- - _______________
мхов, хвощей и кустарников. Степень разложения их колеблется от 5 до 50%. Краевые части торфяников - эго механические и сорбци-онные барьеры на пути взвешенных и растворимых веществ от склонов до живого русла речек. Торфяные воды обогащены Са, 8, Мп, Р, Ре (Тайсаев, 1981)- Эти элементы мобилизуются биогеохимическими процессами и слагают минеральные и органо-минеральные новообразования в торфяниках.
Ряды А< для растений и кларки концентрации (КК) для торфяников верхового болота Витимского плоскогорья имеют вид:
осока: Мо, Мп, (30-5); №, Ре, 8п, Сг, Тт (0,5-0,01); сфагнум: Ъх\, Мо, Мп, Си (30-5); Бе, М, Сг, Бп, Т1 (2-0,1) и торфяники: Си. №, 2п, Ре, Мп, Мо, Сг (8-2); Р, Ва, РЬ, 5п, Ве (1-0,4).
Многие элементы хорошо поглощаются болотной растительностью и после отмирания ее обогащают торфа. Растения и торфяники удерживают элементы и препятствуют выносу их за пределы ландшафтов.
В торфяниках развиваются глеевые барьеры. Они проявляются у подножия склонов на границе тайги с заболоченными днищами распадков. Здесь наряду с сорбцией возможно и восстановление золота, меди и др. металлов. Поэтому на болотах (растения, торфа, железистые осадки, илы), особенно в пределах рудоносных формаций, формируются разнообразные аномалии микроэлементов на путях латеральной и вертикальной миграции их. Наиболее характерны аномалии золота, меди, молибдена, урана, свинца и др. (Тайсаев, 1981). На юге Витимского плоскогорья при кислом глеевом выщелачивании урана и молибдена из палеозойских рудоносных гранитоидов и меловых ураноносных отложений (мохейская свита) по обширным заболоченным падям на глеевом и сорбционном барьерах (С4 и 04 по А.И.Перельман) возникли аномалии этих металлов.
Железистые осадки болот. Они характерны для низинных болот. Они, как и зоны ожелезнения разломов и рыхлых отложений, связаны с кислородным барьером (АД Болотные воды богаты органикой, алюминием и железом. Величина окисляемости достигает 25-55 мг О/л. В надмерзлотных водах миграционная способность большинства рудных элементов значительно вьгше, чем в водах расчлененного рельефа. Многие металлы мигрируют в коллоидной форме и в составе различных металлорганических соединений. В этих условиях усилена миграция таких трудноподвижных элемен-
тов как Ре, А1, йь Летом на болотах происходит выпадение железистых осадков. Они богаты органикой (среднее содержание С орг. равно 12,1 %■ Зола железистых осадков состоит в среднем на 94 % из ре, вц Са, А1 (Ье абсолютно преобладает) и на 5 % из Мп, Р, ТЧ, Мч, 8, К, Na. Высокие концентрации Са, Р, Б, Мп связаны с биогенной аккумуляцией их. Активные сорбционные свойства железистых осадков, определенные наличием в них гидроокислов железа, марганца, кремнезема и органических веществ, приводят к эогаще-нию их целым рядом рудных элементов.
Железистые осадки - характерное проявление кислородно-сорбционного барьера (А6 6) в мерзлотных ландшафтах.. Этот барьер типичен для донных осадков мелких озер и речек, дренирующих заболоченные водосборы. Особенно интенсивно ожелезнение этих осадков в рудных полях с сульфидной минерализацией. Кислород-но-сорбционный барьер формируется и в Байкале. Ожелезнение осадков проявлено в дельтах крупных рек на границе болото-озер и в поверхностном окисленном слое байкальских илов. КК железистых осадков имеют следующий ряд: Ав (25); Мп, Мо, 7,п, Со, Ва, РЬ, Аи (7-1); Р, Бп, Бг, Сг, V (0,6-0,1). Накопление рудных элементов в железистых осадках болот используется при геохимической оценке природных и техногенных ландшафтов, геохимических поисках рудных месторождений.
Аномалии РЬ, Хп, С<1, Aq в торфах, железистых осадках и растительности характерны для заболоченных флангов озерного и Холоднинского колчеданно-полиметаллических полей. Вокруг этих полей были богатейшие пастбища диких животных с солонцами и охотничьи угодия.
Болота с торфяниками и железистыми осадками - это комплексные геохимические барьеры (биогеохимические, сорбционные, глеевые, кислородные и механические ). Они определяют концентрацию элементов в болотных и озерно-болотных ландшафтах гольцов (тундр) и тайги.
К?- [ная концентрация зок в зодогор 'цмых полях голь-•ШВ,- Она изучена на месторождениях золото-кварцевой и золото-сульфидной формации Восточного Саяна и Забайкалья. На золотых месторождениях формируются комплексные лито-, гидро- и биогеохимические аномалии, зимой золото концентрируется в снежном покрове над золоторудными зонами.
Биогеохимические аномалии золота на днище ледникового кара и в подножии курумовых склонов связаны с суффозионными и водными ореолами золото-кварцевых жильных зон. Содержание золота в ернике, смородине , рододендроне и коре сибирской лиственницы достигает 1,7 - 5, в ягеле и мху - 1-2, торфах - 0,01-0,1 г/т, отражая высокие содержания золота в талых водах и суффозионных ореолах, на которых они растут. В процессе криогенного преобразования суффозионных ореолов тонкое золото переходит в раствор и поглощается растениями.
Золотом обогащаются литофильные лишайники, покрывающие скалы и глыбы. Содержание золота в черных листовать« лишайниках -»ависит от содержания его в исходных горных породах, на которых они поселяются. Высокие содержания золота (больше 1 г/т) отмечены в лишайниках на золотосодержащих породах. Литофильные лишайники - хороший индикатор золотоносности горных пород.
Из гольцовых растений только ягель (олений мох) образует сомкнутые сообщества. Они занимают большие площади в лишай-никово-моховых гольцах. В этих ландшафтах активно окисляющиеся зимой золотосульфидные руды в черносланцевых толщах выделяются гидро- и биогеохимическими аномалиями золота. Содержание золота в золе ягеля колеблется от 0,02 до 2 г/т. Ягель - хороший биообъект для геохимического картирования природных ландшафтов и поисков золота. Лишайниково-моховые гольцы с богатыми ягельниками на рудоносных формациях являются хорошими пастбищами диких и домашних оленей (Тайсаев, 1994).
Растения поглощают растворимые формы золота и накапливают его в продуктах разложения в пределах природных и техногенных потоков рассеяния. Золото хорошо концентрируется в ветвях и коре даурской лиственницы, лишайниках кустарниках, мху и торфах. Высокие концентрации золота (О.п -п г/т) и его спутников обнаруживаются во вторичных лесах (лиственница, сосна, береза) и травах, выросших через 30-60 - лет на отвалах отработанных россыпей.
Золото по пищевым цепям поступает в организм животных, живущих на золоторудных полях. В организме длиннохвостых сусликов таких ландшафтов накапливается золота в 170-150 раз больше, чем на фоновых. Высоки содержания золота в экскрементах диких и домашних животных. Они являются носителями аномалий
зролота. Биогенная миграция золота усиливается летом на высокогорных пасгбишах золоторудных полей, где пасутся тысячи голов крупного рогатого скота и лошадей. Они освоили пастбища диких копытных животных, которых привлекали здесь обилие природных солонцов вокруг месторождений.
Золото - универсальный индикатор для изучения геохимических процессов в мерзлотном ландшафте. Этот металл обладает разнообразной формой миграции (механический, водный и биогенный) и концентрируется на геохимических барьерах (Тайсаев, 1991). Особо ценно то, что по золоту четко прослеживаются единство и взаимосвязь криогенного и биогенштго циклов миграции.
Животные - индикаторы самоорганизации ландшафтов.
Особо велико значение млекопитающих в изучении самоорганизации и биоразнообразия ландшафтов (наземных и водных). Большинство этих животных венчает пищевую пирамиду, отражает видовой состав трофической связи. В этой связи Е.А.Шварц, С.В.Пушкарев и др, (1996) пишут: "Млекопитающие являются одной из наиболее удобных таксономических групп для изучения связи между биоразнообразием наземных экосистем и климатом и не только потому, что они являются одним из наиболее хорошо изученных классов биоты, но и потому, что существует возможность прямого сравнения размещения современных и ископаемых форм, видового состава, разнообразия таксоценов в течение различных эпох плейстоцена и голоцена."
Животные являются важным звеном и показателем самоорганизации ландшафтов, наличия убежищ в высоких широтах и в высокогорье (Тайсаев, 1994). Они отражают обеспеченность ландшафтов питательными и минеральными веществами, концентрируются на геохимически специализированных породах (лессах, цеолитах, фосфоритах, черных сланцах и т.д.), а также рудных площадях. Многие животные мерзлотных ландшафтов являются литофагами, поедают глины, цеолиты, лессы, соли, грязи озер и минеральных источников, карбонаты и т.д. В гольцовых и гольцово-таежных ландшафтах на рудоносных площадях Восточного Саяна, Прибайкалья, Забайкалья, Патомского нагорья и др., богатых ягелем, до недавнего обитали самые крупные стада диких и домашних северных оленей, были хорошие охотничьи угодия. Эти ландшафты поражали богатством лососевых и хариузовых рыб, т.к. озерно-речные системы были достаточно обеспечены пищей для них.
Овцебык, песец, северные олени и др., живущие в арктической пустыне и тундре вдоль побережий Северного Ледовитого океана и на островах, свободных от материкового ледника, ярко отражают условия самоорганизации самых суровых экстремально холодных ландшафтов планеты. Эти ландшафты бедны жизнью. Биологическая продуктивность их малая. Лишайники, мхи и цветковые образуют куртинки. Ьиологи поддерживают гипотезу о существовании убежищ в Арктике, основываясь на разобщенных ключевых ареалах растений и животных ("нунатаковая" гипотеза). Так, норвежские ботаники обнаружили более 60 видов сосудистых растений на некоторых нунатаках Гренландии, примерно в 150 км от края ледникового покрова (Зимы ... 1982). Выживание такой довольно богатой флоры объясняется благоприятными местными условиями - большим количеством солнечного света на небольших выходах коренных пород, окруженных снегами и льдами с высокими значениями альбедо.
Высокие гребни высокогорий севера Евразии и Америки также не покрывались ледниками и представляли "нунатаковые" ландшафты среди льдов. Древняя изоляция в сочетании с химическим составом пород была важным фактором адаптации и сохранения видов. Так, ландшафты высокогорных Саян на улыраосновных породах являлись очагами видообразования, где определяющую роль играл отбор на химической основе, на породах, богатых Mg, Сг, Ni, Со, Си.
Анализ структуры этих ландшафтов Арктики , взаимодействия криогенных и биогенных факторов, особенно видового состава организмов, распределения и пищевой цепи растений и животных показывают достаточный уровень самоорганизации и информации систем в соответствии с поступлением потоков вещества и энергии. Поражает высокая самоорганизация самих животных. Особенно это проявлено у овцебыка, обитающего главным образом в арктической пустыне, устойчивого его как вида, полностью адаптированного к очень скудным кормовым ресурсам и суровому климату с коротким летом. "Это пример высокой пластичности млекопитающих ледникового периода, сохранившихся до настоящего времени.
Индикаторами самоорганизации и совершенства ландшафтов высокогорий Азии - субальпийских лугов и криофитных степей являются сообщества фауны - горный козел, снежный баран
и снежный барс. Последний питается травоядными животными, хорошо отражает связи между биоразнобразием высокогорных экосистем в геохимических ландшафтах рудоносных формаций, рудных полей и минеральных источников. В этих ландшафтах, богатых кормовыми ресурсами и солонцами, характерно наибольшее скопление указанных животных (Прихубсугулье, Саян, Алтай и др.).
За легний цикл почвы, растения, животные, воды' заряжаются энергией, накапливают минеральные и питательные вещества. К осени перед зимней спячкой многие животные накапливают запасы жира. В это время у крупных млекопитающих после жировки начинается гон. Зачатие совпадает со временем наибольшего накопления в организме животных необходимых веществ - временем высокой биологической потенции.
Годичные циклы - одни из универсальных явлений в живой природе и биокосных системах. Закономерное изменение условий миграции элементов в течение года в мерзлотных ландшафтах вызвало в эволюции видов разнообразные адаптации к этой периодичности, как зачатие, и появление потомства у животных приурочено к наиболее благоприятному времени года - лету, а переживание зимы происходит в наиболее устойчивом состоянии. С резкими сезонными изменениями среды обитания у животных развиты осеннее запасание жиров, зимние спячки, сезонные миграции, летние линьки, рос и сброс рогов - регуляторов минерального баланса. Поэтому животные являются важным звеном самоорганизации ландшафтов. Значение их в биологическом круговороте элементов велико. Ведь у животных сильно проявлена автономная самоорганизация, она отражает уровень самоорганизации и самого ландшафта, где они обитают.
Высокая самоорганизация мерзлотных ландшафтов рудных провинций, нефтегазоносных, угленосных площадей с высокой биопродуктивностью и обилием животных (зверя и рыбы) было главным фактором освоения их древним человеком. Он оценил и использовал в начале биологический, а затем минеральный потенциалы ландшафтов. Основные очаги заселения древним человеком юга Сибири, севера и северо-востока Азии, Северной Америки и высокогорий полностью совпадают с мерзлотными или былыми мерзлотными ландшафтами таких геохимически аномальных регионов, где возникли благоприятные экологические ниши - убежища для человека.
Заключение
1. Живое вещество (растительный и животный мир) и многолетняя мерзлота - компоненты единой системы, которая в каждом конкретном районе в условиях данной климатической и геолого-геоморфологической обстановки находится в состоянии некоторого динамического равновесия. Стабильность такого равновесия - сви детельство высокой упорядоченности и устойчивости развития мерзлотного ландшафта.
2. Мерзлотные ландшафты в соответствии с учением В.В.Докучаева о природныл юнах являются зональными ландшафтами высоких широт и поясными - высокогорий криолитозоны.
3. Самоорганизующим процессом мерзлотного ландшафта является криобиогенез, который проявляется в соответствии с периодичностью двух противоположных геохимических (зимнего и летнего) циклов системы.
4. Организующую роль в ландшафте выполняют живое вещество и бик. Они формирую! механизм обратной отрицательной связи в системе, которая стабилизирует и восстанавливает ее исходное состояние, образует биогеохимические барьеры, сохраняет мерзлоту. Живое вещество и бик обеспечивают устойчивость и саморегулирование системы.
5. Самоорганизация мерзлотных геохимических ландшафтов является следствием единства и взаимодействия в условиях неотектонических поднятий и похолодания.
6. Чередование зимы и лета в течение года, ледниковых и межледниковых эпох подчиняется глобальным процессам: вращению Земли вокруг солнца, горообразованию и положению континентов относительно высоких широ г, связанных с движением лито-сферных плит.
Литература
1. Арманд А.Д. Самоорганизация и саморегулирование географических систем. М.: Наука, 1988. - 202с.
2. Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука, 1965. - 215с.
3. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. М.: Высшая школа, 1988. - 328с.
4. Глазовская М.А. Биогеохимическая организованность экологического пространства в природных и антропогенных ландшаф-
тах как критерий их устойчивости. //Изв. РАН. Сер.геогр, 1992,-№5. - С.5-12.
5 Ершов Э.Д- Криолитогенез. М., Недра, 1982. - 211 с.
6. Зимы нашей планеты. М., Мир, 1982. - 334с.
7. Конищев В Н. Формирование состава дисперсных пород в крио-литосфере. Новосибирск: Наука, 1981. - 197с.
8. Летников Ф.А. Синергетика геологических систем,- М., Цаука, 1992.-205с.
9. Макаров В.Н., Винокуров И.П. Геохимические поиски скрытых месторождений в криолитозоне. Якутск: ИМ СО АН СССР, 1987.- 108с.
10. Марков К.К. Палеогеография. М: Изд. МГУ, изд. 2-е, 1960.-268 с.
Ц. Мельников П.И., Иванов О.П., Макаров В.Н. и др. Явление криогенной миграции химических элементов и его значение для поисков месторождений в районах многолетней мерзлоты//Докл. АН СССР, 1988.Т.303.- №4.-С.963-967.
12. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. - 512с.
13. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа, 1975. -341с.
14. Перельман А.И. Биологический круговорот атомов - важнейший геохимический параметр природных ландшафтов//Вест. МГУ, Сер.5„ Геогр., 1991.-№3.-С.З-8.
15. Перельман А.И. Геохимический ландшафт как самоорганизующаяся система//Вест. МГУ. сер. 5 Геогр., 1995, №4, с. 10-17.
16. Поздняков Л.К. Даурская лиственница. М.: Наука, 1975. - 140с.
17. Полынов Б.Б. Геохимические ландшафты. В сб. "Географические работы". М.: 1952 - с.10-25.
18. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.: Мир, 1986. -431с.
19. Синергетика геологических систем: Тез.док. Иркутск, ИЗК СО РАН, 1992. - 140с.
20. Тайсаев Т.Т. Геохимия таежно-мерзлотных ландшафтов и поиски рудных месторождений. Новосибирск: Наука, 1981. - 137с.
21. Тайсаев Т.Т. Криогенные системы некоторых золотокварцевых месторождений //Докл. АН СССР, 1991. т.317, №2. - с.440-443.
22. Тайсаев Т.Т. Геохимия мерзлотных ландшафтов (на примере гор юга Сибири) Диссерт. на соиск. учен. степ, д.г.н. Иркутск, ИГ СО РАН, 1994 -51с.
23. Томирдиаро C.B., Черненький Б.И. Криогенно эоловые отложения Восточной Артики и Субартики. М.: Наука, 1987. - 198 с.
24. Тютюнов И.А. Процессы изменения и преобразования почв и горных пород при отрицательной температуре. М.: АН СССР, 1960. - 125с.
25. Хакен Г. Синергетика М.: Мир, 1980 - 400с
26. Шварц Е.А., Пушкарев C.B., Кревер В.Г., Островский М.А. География видового богатства млекопитающих Северной Евразии (в пределах территории бывшего СССР)//Докл. РАН, 1Q96.- Т.346.-№5. - С.682 - 686.
27. Шило H.A. Перигляциальный литогенез в общей схеме процесса континентального породообразования Тр. С ЖНИИ,- Вып. 38, 1971.-С.З-57.
28. Шило H.A. Основы учения о россыпях. М.: Наука, 1985. - 400 с.
29. Шило H.A. Происхождение современных ландшаф тов континентального Севера//Тихоокеанская геология, 1989, № 1.-С.З-10.
30. Шило H.A., Карташов И.П., Чатык-Карр Н.Г., Шумлов Ю.В. Теория перигляциального россыпеобразов ания/УТихоокеан-ская геология, 1991.- № 5. - С. 112-121.
Статья подготовлена при содействии РФФИ (№ 97-06-80042).
1.Ц.ДАМБИЕВ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ РЕСПУБЛИКИ
Вопросам природного районирования уделялось определенное внимание: Л.С.Берг (1913), Н.К.Рожков (1915), К.Н.Миротворцев (1923), Е.С.Соллертинский ('928) и др. Следует отметить, что только в некоторых случаях отмечается наиболее полное физико-географическое районирование: В.С.Преображенский и др. (1959), В.Б.Сочава и др. (1963,1977), В.С.Михеев (1988) Остальные схемы, базируясь на территориальных различиях про странственного распределения одного из компонентов природной среды, в большей мере имеют прикладное специфическое значение. Хотя именно физико-географическое районирование в максимально достоверной степени отражает реальную сложность строе
