Глобальный цикл кальция

Кальций относится к главным элементам земной коры, его кларк 3,6 %. Содержание этого элемента уменьшается от глубин к гранитному слою литосферы. В базальтовом слое средняя концентрация 5,8 %, в гранитном — 2,7%.Кальций выпадает в осадок на ранних стадиях кристаллизации магмы, но содержится и в остаточных после кристаллизации растворах. Высокое содержание кальция в земной коре обусловливает многочисленные минералы (385 видов), около половины которых относится к гипогенным силикатам. В то же время из-за своих размеров катион Са²⁺ 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, главным образом бикарбонат Са(-НСО₃)₂ поступают в природные воды и мигрируют с ними в океан. Этот процесс развивается на протяжении более 3 млрд лет, но 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-фильтратами и выведением в виде пеллетов в осадок. Указанные процессы способствуют обильному накоплению кальция в составе мощных толщ известняков, доломитов, мергелей, известковых глин и др. Средняя концентрация СаО в осадочной толще, по А. Б. Ронову и А. А. Ярошевскому (1976), равна 15,91%,в гранитном слое земной коры — 3,79 %. Масса кальция в осадочном слое континентальной коры равна 272,8×10¹⁵ т, в гранитном слое — 222,8×10¹⁵ т. Из приведенных данных следует, что количество кальция в осадочной оболочке превышает его концентрацию в гранитном слое земной коры. Выяснение причины несбалансированности масс кальция в биосфере представляет одну из нерешенных проблем в геохимии.

Кальций играет ответственную роль в физиологии организмов. В растениях он участвует в углеводном и азотном обмене, для животных элемент необходим при построении наружного или внутреннего скелета. Он принимает участие во многих других физиологических процессах, в частности, в свертывании крови. Средняя концентрация кальция в наземной растительности по данным разных авторов составляет от 0,9% (Базилевич Н.И., 1974) до 1,80 % (Боуэн X., 1966). Масса кальция, содержащаяся в живом веществе суши, равна (22,5 — 45)×10⁹ т. Это количество на три порядка больше количества кальция, находящегося в биомассе фотосинтетиков океана (34×10⁶ т). Приняв среднюю концентрацию элемента в мертвом органическом веществе около 0,5%, можно подсчитать, что масса кальция, содержащаяся в растительных остатках, торфе и гумусе педосферы, близка к 25 • 10⁹ т, т. е. имеет тот же порядок, что и масса элемента во всем живом веществе Мировой суши. Очень ориентировочно можно принять среднюю концентрацию кальция в растворимом органическом веществе океана равной 0,5 % сухого вещества, а общую массу — 20×10⁹ т.

Благодаря динамическому равновесию между углекислым газом атмосферы и анионами [НСО₃]^- и [СО₃]^2- океанической воды в океане содержится огромная масса растворенных катионов кальция. Средняя концентрация кальция в океане 408 мг/л, общая, масса 559 • 10¹² т. Эта масса на четыре математических 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. В биологический круговорот на суше вовлекается (1,5 — 3,1)×10⁹ т/год кальция, в среднем 2,3×10⁹ т/год; в первичной биологической продукции океана в 2 раза меньше — 1,1×10⁹ т/год. Таким образом, кальций — характерный элемент живого вещества суши. Масса вовлеченного в годовой биологический круговорот кальция составляет 3,4×10⁹ т/год. С континентальным стоком выносится в форме катионов Са²⁺ нескольким более 0,5×10⁹ т/год. Меньшее количество удаляется с твердым стоком — 0,471×10⁹ т/год. Кроме того, с поверхности суши в океан с ветровой пылью выносится 0,048×10⁹ т/год кальция.

Средняя концентрация кальция в океанических атмосферных осадках, согласно В. С. Савенко (1976), равна 0,36 мг/л. В осадках, образующихся в течение года над Мировым океаном, содержится 164×10^б т. С учетом 20 % сухих осаждений (32,8×10⁶ т) общая масса кальция, поступающая на протяжении года из океана в атмосферу, составляет около 197×10⁶ т. Примерно 22×10^б т переносится с океаническими воздушными массами на сушу, а остальные вновь возвращаются в океан. Средняя концентрация кальция в атмосферных осадках над сушей 3 мг/л. Следовательно, в осадках, выпадающих на протяжении года на поверхность Мировой суши, содержится 339×10⁶ т. С учетом 20 % на сухое осаждение (68×10⁶ т) общая масса кальция, участвующая в годовом обмене суша—атмосфера, составляет 407×10⁶ т.