Строение литосферы

Схема строения Земли без верхней атмосферы дана в табл. 9.

Таблица 9

Строение Земли (без верхней атмосферы)

Атмосфера в целом простирается до высоты 20 км. Вся Земля без атмосферы имеет объём 10²¹ м³ и массу 6×10²⁴ кг. Сейсмические исследования свидетельствуют о том, что при землетрясениях возникают различные сейсмические волны, распространяющиеся в породах Земли с разными скоростями. Наиболее быстрые из них – первичные, или Р -волны, - распространяются подобно звуковым, с колебаниями, совпадающими с направлением распространения (продольные волны). Наиболее медленные сейсмические волны, так называемые S-волны, или вторичные, по характеру колебаний подобны световым. Они имеют колебания, перпендикулярные к направлению распространения. В 1926 г. югославский геолог А. Мохоровичич обнаружил резкое увеличение скоростей Р - и S - волн на глубине около 50 км. Эту границу раздела стали называть поверхностью Мохоровичича, или сокращенно - Мохо. Оболочку твёрдой литосферы, лежащую выше поверхности Мохо, принято называть земной корой, а лежащую ниже мощную оболочку – мантей. Мощность коры под континентами, вероятно, значительно больше, нежели под океаном. Земная кора подразделяется на три подслоя: осадочный слой, «гранитный» и «базатовый» (табл. 10).

Земная кора сложена магматическими и осадочными породами, а также метаморфическими породами, образовавшимися за счёт тех и других.

Таблица10

Подслои земной коры

Горные породы – это естественные минеральные агрегаты определённого состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел. Состав, строение и условия залегания горных пород обусловлены особенностями формирующих их геологических процессов, которые происходят в определённой обстановке внутри земной коры или на земной поверхности. В зависимости от характера главных геологических процессов различают три генетических класса горных пород: осадочные, магматические и метаморфические.

Магматические горные породы – это естественные минеральные агрегаты, возникающие при кристаллизации магм (силикатных, а иногда и несиликатных расплавов) в недрах Земли или на её поверхности. Классификация магматических пород отражает существование двух главных групп, различающихся по условиям образования и залегания: плутонических (глубинных) и вулканических, сформировавшихся на поверхности Земли или вблизи неё. По содержанию кремнезёма магматические породы делятся на кислые (SiO₂ – 70 – 90%), средние (SiO₂ около 60%), основные (SiO₂ около 50%) и ультраосновные (SiO₂ менее 40%). Примером магматических пород служат вулканическая основная порода и гранит (плутоническая кислая порода).

Осадочные горные породы – это те породы, которые существуют в термодинамических условиях, характерных для поверхностной части земной коры, и образуются в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трёх процессов одновременно. Незначительная часть осадочных пород формируется в результате жизнедеятельности растений, создающих за счёт фотосинтеза новое органическое вещество – горячую породу. Многие осадочные породы являются важнейшими полезными ископаемыми. Примерами осадочных пород служат песчаники, которые можно рассматривать как скопления кварца и, следовательно, концентраторы кремнезёма (SiO₂), и известняки – концентраторы СаО. С геохимической точки зрения горные породы – это естественные закономерные ассоциаты минералов, состоящих преимущественно из петрогенных элементов. К минералам наиболее распространённых осадочных пород относятся кварц (SiO₂), ортоклаз (КАSi₃O₈), каолинит (Al₄Si₄O₁₀(OH)₈), кальцит (СаСО₃), доломит (СаMg(CO₃)₂) и др.

Метаморфическими называют породы, основные особенности которых (минеральный состав, структура, текстура) обусловлены процессами метаморфизма, тогда как признаки первичного осадочного магматического происхождения частично или полностью утрачены. Метаморфические породы – сланцы, гранулиты, эклогиты и др. типичные для них минералы – слюда, полевой шпат и гранат соответственно. Породы, испытывающие метаморфизм, преобразуются, стремясь к химическому или физическому равновесию с новыми для них температурными и бароическими (рТ) условиями. Происходящие при этом химические реакции управляются законами термодинамики. Так, реакции с отрицательными значениями изобарно-изотермического потенциала (DG) сопровождаются выделением водяного пара из-за его большой энтропии. Закономерное строение метаморфических комплексов и соответствие в целом состава многих метаморфических пород принципам термодинамики служат подтверждением того, что для метаморфических пород достигается (хотя и не всегда) почти полное химическое равновесие. Для большинства из них типична крупнозернистая структура (исключение составляют сланцы, роговики и др.).

Совокупность имеющихся данных свидетельствует о том, что вещество земной коры сложено в основном лёгкими элементами (по Fe включительно), а элементы, следующие в «Периодической системе» за железом, в сумме составляют доли процента. Отмечается также, что элементы, имеющие чётное значение атомной массы, значительно преобладают: они образуют ~ 86% общей массы земной коры. Следует отметить, что в метеоритах это отклонение ещё выше и составляет в металлических метеоритах 92%, в каменных – 98%.

Средний химический состав земной коры, по данным разных авторов, приведён в табл. 11. Её анализ позволяет сделать следующие важные выводы:

Таблица 11

Химический состав земной коры, мас. %

1)земная кора сложена в основном из восьми элементов: О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K;

2)на долю остальных 84 элементов приходится менее одного процента массы коры;

3)среди главнейших по распространённости элементов особая роль в земной коре принадлежит кислороду.

Особая роль кислорода состоит в том, что его атомы составляют 47% массы коры и почти 90% объёма важнейших породообразующих минералов. Биосфера, в наши дни охватившая всю гидросферу и верхнюю часть литосферы, всегда черпала неограниченные ресурсы кислорода именно из этих, твёрдой и жидкой, оксисфер Земли. Кислородная атмосфера, без которой немыслима высокоорганизованная жизнь на Земле, является производной этих оксисфер.

Имеется ряд геохимических классификаций элементов. В настоящее время получает распространение геохимическая классификация, согласно которой все элементы земной коры делятся на пять групп: литофильные, халькофильные, сидерофильные, атмофильные и биофильные (табл. 12).

Литофильные – это элементы горных пород. На внешней оболочке их ионов находится 2 или 8 электронов. Литофильные элементы трудно восстанавливаются до элементарного состояния. Обычно они связаны с кислородом и составляют основную массу силикатов и амоносиликатов.

Таблица 12

Вариант геохимической классификации элементов

Встречаются также в виде сульфатов, фосфатов, боратов, карбонатов и галогенидов.[e1]

Халькофильные элементы – это элементы сульфидных руд. На внешней оболочке их ионов располагается 8 (S, Se, Te) или 18 (у остальных) электронов. В природе встречаются в виде сульфидов, селенидов, теллуридов, а также в самородном состоянии (Cu, Hg, Ag, Pb, Zn, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Sn).

Сидерофильные элементы – это элементы с достраивающимися электронными d и f-оболочками. Они обнаруживают специфическое средство к мышьяку и сере (PtAs_2, FeAs_2, NiAs₂, FeS, NiS, MoS₂ и др.), а также к фосфору, углероду, азоту. Почти все сидерофильные элементы встречаются также и в самородном состоянии.

Атмофильные элементы – это элементы атмосферы. Большинство из них имеет атомы с заполненными электронными оболочками (инертные газы). К атмофильным относят также азот и водород. Вследствие высоких потенциалов ионизации атмофильные элементы с трудом вступают в соединения с другими элементами и потому в природе находятся (кроме Н) главным образом в элементарном (самородном) состоянии.

Биофильные элементы – это элементы, входящие в состав органических компонентов биосферы. Они требуют специального рассмотрения не только в плане излагаемой геохимической классификации элементов, но и в плане вопросов, связанных с химической экологией. Общим свойством жизни является присутствие в живом веществе активных белковых молекул. С химической точки зрения живое и биогенное вещество биосферы представлено спиртами, например С₂Н₅ОН, жирными кислотами, например СН₃СООН, аминокислотами, составляющими основу белка.

Из названных органических соединений образуются сложные молекулы углеводов, белков, жиров и нуклеиновых кислот. Биологическая роль нуклеиновых кислот состоит в хранении, реализации и передаче наследственной информации, «записанной» в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов – так называемого генетического кода. Средний химический состав белков, жиров и углеводов приведён в табл. 13.

Таблица 13

Средний химический состав белков, жиров и углеводов, мас. %

Исходя из среднего химического состава белков, жиров и углеводов, можно полагать, что указанные в табл. 13 элементы составляют основу биофильного ряда. Показательны в этом отношении и данные, приведённые в табл. 14, отражающей средний элементный состав растений и человека. Элементный состав изучен пока у ограниченного числа растений и животных, и поэтому обобщающая картина состава живого вещества – дело будущего. В настоящее время в различных организмах установлено более 60 элементов.

Таблица 14

Средний элементный состав растения и человека,
% сухого вещества

Растворимые элементы, жизненно необходимые организмам, называют биогенными элементами. Элементы и их соединения, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах, часто называют микробиогенными элементами. Для растений, например, особенно важны 10 микроэлементов: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, V, Co. По функциям эти элементы можно разделить на три группы:

Mn, Fe, Cl, Zn, V – необходимые для фотосинтеза;

Mo, В, Co, Fe – необходимые для азотного обмена;

Mn, B, Co, Cu, Si – необходимые для других метаболических функций.

Все эти элементы, кроме бора, требуются и животным. Кроме того, животным могут требоваться селен, хром, никель, фтор, йод, олово.

Биохимические функции живого вещества весьма многообразны. Важнейшими из них являются:

1) концентрационные, состоящие в аккумуляции живыми организмами химических элементов из внешней среды. Таковы по своей природе грандиозные толщи осадочных карбонатных пород, диатониты, слои инфузорных скоплений, месторождения угля, нефти, газа, фосфоритов, графита и других биогенных скоплений;

2) окислительно-восстановительные, связанные с переменой валентности атомов при биохимических процессах, например: современные отложения железо-марганцевых конкреций на дне Тихого и Атлантического океанов, образование дерновых, болотных, озёрных бобовых руд и т.д.; здесь важно отметить, что многовалентные атомы Fe, Mn, Cr, S и других элементов в результате многих тысяч реакций окисления и распада вещества Земли поглощали гигантские количества О₂, а жизнь продолжала и продолжает его воспроизводить;

3) функции, связанные с биохимическими превращениями живого вещества и новообразованием газовых продуктов («газовые» функции) – CO₂, O₂, N₂, H₂, H₂O, H₂S, NH₃, CH₄ и др.;

4) наконец, сюда же следует отнести и функции живого вещества в форме мыслящего интеллекта (ноосфера), открывающего новые пути концентрации и рассеяния атомов и их соединений, превращений одних элементов в другие, извлечения и использования заключенной в атомах и окружающей среде энергии.

Важным компонентом литосферы являются подземные воды, заслуживающие подробного рассмотрения, коль скоро они вносят ещё и существенный вклад в общий водный баланс биосферы в целом. Не случайно подземные воды относят ещё и к гидросфере, называя их «подземной гидросферой». Поскольку речь идёт о подземных водах, то естественно, что само их присутствие здесь, свойства, распределение во многом определяются свойствами пород, такими, как пористость, водопроницаемость, влагоёмкость, водоносность. Формально все породы по отношению к воде можно разделить на водопроницаемые и водоупорные. Однако в геологическом масштабе пространства и времени водоупорных пород в природе не существует. Даже такие жёсткие породы, как базальт и гранит, подвергаются трещиноватостям уже при ничтожных подвижках микросейсмического порядка.

Вода в породах может находиться в свободном и связанном состоянии. В свободном состоянии в пространстве между частицами пород она подчиняется силам земного притяжения (гравитации) либо частично удерживается в капиллярах пород менисковыми силами. Образно это можно сравнить с водой, пропитывающей губку. В связанном состоянии вода в породах может быть либо в плёночном, либо в адсорбированном виде, удерживаясь между зёрнами пород адсорбционными силами. Говоря о связанной воде, следует иметь в виду две формы её связи: физически связанную и химически связанную. Химически связанная вода – это так называемая кристаллизационная вода. Она прочно связана с кристаллами минералов химическими силами и входит в состав минерала. Примером может служить малахит CuCO₃×Cu(OH)_2, удалить воду из которого можно лишь при нагревании выше 300 - 400°С. Физически связанная вода, в свою очередь, может быть как прочно связанной с породами, так и рыхло связанной. Прочносвязанная вода удерживается физическими законами – громадными давлениями в недрах (около 10 тыс. кгс/см²). По свидетельствам, она близка к твёрдому телу; при смачивании частиц породы выделяется тепло. Называют её гигроскопической, сорбированной или гидратационной. Рыхлосвязанная вода обволакивает частицы породы. Она обладает повышенной вязкостью, может очень медленно передвигаться по поверхности частиц породы, как жидкость. На эту воду не оказывает влияния гравитация, и замерзает она не при нуле, а при минус 1,5°С. В физически связанном состоянии вода присутствует, например, в глауберовой соли (Na₂SO₄×10H₂O) и может быть удалена при нагревании до 100 - 200°С. Количество физически и химически связанных вод в составе минерала может быть подчас весьма значительным, достигая
60 – 65 вес. %.

Важными характеристиками, связанными с отношением пород к воде, являются влагоёмкость и водоотдача. Влагоёмкостью называют способность горных пород вмещать и удерживать определённое количество воды. Высокой влагоёмкостью обладают глины, средней – мелкие пески, слабой – галечники. Влагоёмкость зависит от размера частиц: чем меньше их размер, тем больше влагоёмкость.

Водоотдача – это отношение количества воды, которое может отдать порода, к общему содержанию воды в ней. Здесь зависимость обратная: процент водоотдачи тем больше, чем крупнее частицы породы. Вода, заполняющая поры, трещины и пустоты пород, может находиться в них во всех трёх фазах – твёрдой, жидкой и газообразной, из которых первая наиболее характерна для зон вечной мерзлоты. В парообразном отношении подземная вода может конденсироваться до жидкости и переходить из жидкости в пар. Она передвигается из областей с повышенными давлением и температурой в области с более низкими их значениями, в направлении, обратном парциальному давлению водяного пара. Передвижение гравитационных подземных вод происходит главным образом тремя путями: флюацией, диффузией и фильтрацией.

Флюацией называется «вливание» воды в какую-либо ёмкость в породах. Например, в известняках в результате выщелачивания в земной поверхности образуются воронки, которые продолжаются вглубь многочисленной системой трубок, каналов, каверен и пустот, иногда даже пещер, тоже выщелоченных водой в породе. Стекающая с поверхности дождевая и талая вода через эти воронки будет проникать в породы. Флюация происходит преимущественно под влиянием силы тяжести.

Диффузия сводится к перемещению подземных водных растворов с мест с большей концентрацией в места с меньшей. Скорость этого процесса хотя и невелика, но всё же реально ощутима в геологическом масштабе времени. Сюда же следует отнести и осмос – медленное проникновение одной жидкости в другую через полупроницаемые перегородки.

Фильтрация – это просачивание воды по мелким порам породы. Именно таким образом дождевая вода проникает в песок. Фильтрация протекает под влиянием гравитации, а также может происходить в сторону снижения давления и температуры. Под влиянием давления пород и газов она может протекать и снизу вверх. Что касается скорости фильтрации, то она значительно выше скорости диффузии и зависит от многих факторов (пористости пород, вязкости водного раствора, градиента давления и т.д.).

Сугубо условно подземную гидросферу можно разделить на два яруса. Для суши средней границей между ними можно принять так называемую «границу Конрада», расположенную на глубине 20 км от поверхности. На этой границе среднее давление для континентов около 6 Кбар, а температура около 560°С. Главные породы – граниты, перекрытые осадочной толщей средней мощности в 2 км. Общая масса гравитационных вод – 1,5×10²³ г или 150 млн. км³. Это составляет примерно лишь 1/3 всей воды верхнего яруса, так как в породах содержится ещё примерно 4,2×10²³ г связанной воды как в форме молекул Н₂О, гидроксила ОН^-, так и гидроксония Н₃О⁺. Это составит ещё 420 млн. км³. Таким образом, всего воды в верхнем ярусе литосферы 570 млн. км³. В нижнем ярусе, между границей Конрада и поверхностью Махоровичича, возможно существование 5×10²³ г или 500 млн. км³ свободной воды. Общее количество подземных вод, разумеется, не может ограничиваться поверхностью Махоровичича. В мантии вода также вероятна, хотя и очень трудна для учёта. Тем не менее если исходить из массы мантии 4×10²⁷ г и содержания в ней 0,5% воды, то общий запас её в мантии составит 2×10²⁵ г. Таким образом, содержание всей воды выше поверхности Махоровичича составит около 1%, а остальные 99% приходятся на запас в мантии.

Говоря о химическом составе природной воды, отметим, что самой редкой водой поверхности литосферы является пресная вода, которая составляет около 2% всех поверхностных вод. Примерно то же следует сказать и о подземной свободной воде верхнего яруса литосферы. Среди пресных преобладают гидрокарбонатные воды; подчинённое распространение имеют сульфатные и хлоридные. Минерализованные, солёные и главным образом рассольные (более 50 г/л) воды, принадлежащие к классу хлоридных, составляют 98% всех подземных свободных вод верхней части литосферы. Если учесть, что 97% всех поверхностных вод также относится к минерализованным водам хлоридного класса, то становится совершенно очевидным удельное значение хлоридных, минерализованных и рассольных вод в гидросфере нашей планеты, по крайней мере вплоть до поверхности Конрада. На сегодня имеются основания полагать, что в нижней части литосферы существуют силикатные воды и флюиды, в то время как в верхней части литосферы, за исключением приповерхностных зон с пресной водой, имеются только хлоридные солёные воды и рассолы.

Происхождение всех вод Земли тесно связано с происхождением самой Земли. В этой связи прежде всего хотелось бы отметить, что в недрах Земли при высоких температурах может протекать синтез воды из двуокиси углерода и водорода:

- при температуре 1000°С

4СО₂+2Н₂«2Н₂О+3С+3О₂,

- при красном калении

СО₂+Н₂«СО+Н₂О.

На поверхности Земли и в её атмосфере при сгорании углеводородов также возникает первозданная вода:

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О.

Это происходит, например, при сгорании бензина, угля метеоритной пыли или углистых метеоритов. В случаях с углистыми метеоритами имеет место её поступление из межпланетного пространства. Но вода из космоса может поступать и другими путями, в частности за счёт «солнечного ветра». Последний несёт в нашу атмосферу корпускулы (протоны и др.), которые, присоединяя в земной атмосфере электроны, могут превращаться в атомы водорода и кислорода с образованием молекул воды. При этом, очевидно, сначала создаются гидроксил- и пергидроксил-радикалы, которые, реагируя друг с другом или с водородом, образуют молекулы воды, выделяя при этом тепло:

ОН^×+Н«Н₂О (16 ккал/моль),

ОН’+НО₂«О₂+Н₂О (71 ккал/моль).

Обратимость процессов определяется тем, что под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца возможна также фотодиссоциация, заставляющая идти реакции и в обратном направлении. Состав «солнечного ветра» грубо может быть представлен следующими относительными значениями, если водород принять за 1000 частиц:

ядра водорода (протоны) 1000,0

- «– гелия 160,0

- «– лития, берилла, бора 3,5

- «– углерода, азота, кислорода 7,0

- «– остальные (с атомами, номерами больше 10) 2,5.

Если принять во внимание, что солнечная система окружена большим количеством комет, с которыми Земля за время своего существования неоднократно сталкивалась, и учесть, что в состав кометного вещества, помимо ряда других компонентов в форме снега и льда входит вода, то возникает и новый канал, который мог обусловить доставку воды из космоса. Однако и «солнечный ветер», и кометы, и метеориты, и метеоритная пыль, и образование первичной («ювенильной») воды в атмосфере, и метаболическая вода живых организмов хотя и должны быть упомянуты, но в приходной статье баланса воды нашей планеты недостаточны для образования поверхностной и подземной гидросферы. Очевидно всё же, что главной приходной статьёй земной воды продолжают оставаться глубокие недра планеты.

Одним из важных компонентов литосферы является почва. Её значение не только в общем геологическом плане, но особенно и в экологическом весьма велико. Почва – это та среда, где, по существу, взаимодействует большая часть элементов биосферы: вода и воздух, живые организмы. В этом плане почву можно определить как продукт выветривания, реорганизации и формирования верхних слоёв земной коры под влиянием жизни, атмосферы и обменных процессов. В эволюции почв отмечается несколько стадий. Молодые почвы являются результатом постепенного выветривания материнской породы. Процесс эволюции почв заканчивается, когда возникает равновесное состояние почвы с растительностью и климатом. Стоит только одному фактору, влияющему на равновесие, измениться, как эволюция почв возобновляется.

Почва состоит из нескольких горизонтов (слоёв с одинаковыми признаками), возникающих в результате сложного взаимодействия материнских горных пород (подпочвы), климата, растительных и животных организмов (особенно бактерий), рельефа местности.

Поверхностный горизонт (по крайней мере в умеренных широтах) состоит из остатков растительности, составляющих основу гумуса, избыток или недостаток которого определяет плодородие почвы. Основные функции гумуса сводятся к серии сложных обменных процессов, в которых участвуют не только азот, кислород, углерод и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве. Под гумусовым горизонтом располагается горизонт, соответствующий выщелоченной части почвы, и горизонт, отвечающий материнской породе. Почва состоит из трёх фаз: твёрдой, жидкой и газообразной. В твёрдой фазе преобладают минеральные образования – первичные (кварц, полевые шпаты, слюда) и вторичные (каолинит, гидрослюды и др.). К этой же фазе относятся различные органические вещества, в том числе гумус, или перегной, а также почвенные коллоиды, имеющие органическое, минеральное или органоминеральное происхождение. Жидкую фазу почвы, или почвенный раствор, составляет вода с растворёнными в ней органическими и минеральными соединениями, а также газами. Газовую фазу почвы составляет «почвенный воздух», включающий газы, заполняющие свободные от воды поры, а также газы, адсорбированные коллоидными частицами и растворённые в почвенном растворе. Слоистая структура почвы возникает в результате взаимных перемещений в ней продуктов органического и неорганического происхождения.

В почвоведении существует несколько классификаций почв, единой классификации нет. И всё же имеет смысл указать на три категории почв, названные почвоведами зональными, интразональными и азональными. На эволюцию почв первой категории климатические факторы и растительность настолько повлияли, что они почти освободились от материнской породы. Эволюция почв второй категории зависит от одного ведущего фактора, часто от подстилающей породы. Наконец, азональные почвы – это почвы недавних эллювиальных или моренных наносов. Они состоят из более или менее крупных обломков материнской породы и иногда покрыты растительностью.

Важным компонентом почвы, способствующим изменению её физико-химических свойств, является биомасса. Кроме микроскопических организмов, таких, как бактерии, водоросли, грибы или простейшие одноклеточные, в почве живут черви и членистоногие. Многие специалисты, исследуя различные организмы в почве, получили данные об их биомассе (табл. 15).

Таблица 15

Средний состав биомассы почвы

Количество земли, проходящее через пищеварительный тракт червей, значительно. На гектаре огородной почвы количество испражнений червей достигает 200 т в год, что равно слою толщиной 14 мм. При гниении органических веществ значительная часть содержащегося в них азота превращается, а аммиак, который под влиянием живущих в почве нитрифицирующих бактерий окисляется в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве солями угольной кислоты, например с углекислым кальцием, образует селитру:

2НNO₃+CaCO₃=Ca(NO₃)₂+CO₂+H₂O.

Однако некоторая часть органического азота всегда выделяется при гниении в свободном виде в атмосферу. Существуют бактерии, которые при недостаточном доступе кислорода могут отнимать его от солей азотной кислоты, разрушая их с выделением свободного азота. Действие этих денитрифицирующих бактерий приводит к тому, что часть связанного азота из доступной для зелёных растений формы (нитратов) переходит в недоступную форму (свободный азот). Таким образом, далеко не весь азот, входящий в состав погибших растений, возвращается обратно в почву, часть его постоянно выделяется в свободном виде и, следовательно, теряется для растений. Непрерывная убыль минеральных азотных соединений давно должна была бы привести к полному прекращению жизни на Земле, если бы в природе не существовали процессы, возмещающие потери азота. К числу таких процессов относятся, прежде всего, происходящие в атмосфере электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество окислов азота. Последние дают с водой азотную кислоту, превращающуюся в почве в селитру. Другим источником пополнения азотных соединений почвы является жизнедеятельность так называемых азотобактерий, способных усваивать атмосферный азот. Некоторые из этих бактерий поселяются на корнях растений, вызывая образование характерных вздутий – «клубеньков», почему они и получили название клубеньковых бактерий. Усваивая атмосферный азот, клубеньковые бактерии перерабатывают его в азотные соединения, а растения, в свою очередь, превращают последние в белки и другие сложные вещества. Таким образом в природе совершается непрерывный круговорот азота.

И всё же, несмотря на замкнутость азотного цикла, для получения высоких урожаев необходимо вносить в почву химические соединения, содержащие в своём составе азот.

Безусловно, необходим для всех живых существ и фосфор, так как он входит в состав различных белковых веществ растительного и животного происхождения. В растениях фосфор содержится главным образом в белках семян, в животных организмах – в белках молока, крови, мозговой и нервной тканях. Большое количество фосфора содержится в костях позвоночных животных в виде фосфата кальция – Са₂(РО₄)₃. При сжигании костей все органические вещества сгорают, а остающаяся зола состоит главным образом из фосфата кальция.