Металл в Нижегородском крае

«из одного состояния земля переходит в другое.

Прежних нет свойств у неё, но есть то, чего не было прежде».

Тит Лукреций Кар «О природе вещей».

По архивным данным в юго-западном углу Нижегородской губернии (Ардатовский уезд), неподалеку от Оки, в начале 18 века возникла горная промышленность. Для этого здесь были благоприятные условия: залегание чуть ли не на поверхности земли железных руд (глинистые бурые железняки или апатитовый железняк, переходящий в бурый), обилие энергоресурсов

( леса, реки), удобные водные пути сообщения. Приокский горный округ в народе получил название Малого Урала.

Я живу в городе Кулебаки. Более трёх веков стоит селение Кулебаки неподалёку от берегов немудрёной речки Тёши- правого притока Оки, петляющей между зелёных лугов, плакучих ив и перелесков. Город расположен в Приокской низменности и окружен со всех сторон знаменитыми дремучими Муромскими лесами, болотами, озерами, речушками и родниками с прозрачной ключевой водой. Вблизи Кулебак имелись богатые залежи железной руды, торфа, строительных материалов, что способствовало развитии здесь металлургической промышленности.

Из окон моего дома видна соседняя улица – Рудники, напрямую связанная с историей Кулебакского горного завода (ныне – ОАО «Русполимет»). Именно на этой улице располагались знаменитые «дудки» (узкий квадратный колодец, выборка руды из которого производилась лопатами, мотыгами, вёдрами) в которых добывали руду. По «лежнёвке» руду везли до узкоколейки (на ее месте сейчас улица Труда, где стоит наша школа), на завод.

Металл в Нижегородском крае в древности добывали практически повсюду: под Балахной, Лысковом, в Заволжье, вообще в болотистых местах, где поверхность почвы покрывалась ржавчиной (основной признак наличия железа в земле!). Добытую, красноватого цвета, руду прокаливали на кострах. Затем помещали в сыродутные домницы, двухметровой высоты. Снизу разводился на древесном угле огонь, с нагнетанием кузнечными мехами воздуха. При температуре 700-800 градусов из раскаленной руды скапывало вниз восстановленное железо, образующее вместе с золой бесформенный кусок- крицу, которую прокаливали уже в кузнечном горне и проковывали в прутья. Выплавляли металл отличного качества, отливали пушки и снаряды разных калибров, которыми в 18веке снабжались российские армия и флот, а в 1832 году отлиты фигуры богатырей и коней для триумфальных арок Москвы и Санкт-Петербурга.

Один из основоположников почвоведения – профессор В. В. Докучаев впервые указал, что почва – это не кладовая с запасами питательных веществ для растения, а продукт жизнедеятельности организмов, беспрерывно развивающаяся среда, в которой живут растения, бактерии, животные, грибы.

Ещё Лайель доказал, что лик Земли складывался постепенно под влиянием очень простых естественных явлений, которые мы можем наблюдать – размывающей и намывающей деятельности текучих вод, ветра, движения льдов, морских прибоев и т. д. Влияние этих явлений, помноженное на геологическое время, исчисляемое тысячами и миллионами лет, создало в конечном результате то состояние лика земли, которое мы сейчас наблюдаем.

Наряду с этим, следует учитывать деятельность больших масс воды и попеременных поднятий и опусканий суши (эпейрогенические движения).

Взаимодействие факторов, влияющих на процесс почвообразования

Время является косвенно влияющим фактором.

По мнению В. Докучаева: « почвы и грунты есть зеркало, яркое и вполне правдивое отражение, - непосредственный результат совокупного, весьма тесного, векового взаимодействия между водой, воздухом, землейс одной стороны, растительными и животными организмами и возрастом земли, с другой, - этими вечными и поныне действующими почвообразователями ».

Изучая историю и географию Нижегородского края, слушая рассказы моей покойной бабушки, учителя русского языка и литературы - Захаровой Нины Васильевны о «лежнёвке» на которой она жила в детстве, о старейших заводских династиях я заинтересовалась – откуда столько железа в нашей местности?

Цель статьи:

Откуда в нашей местности могла взяться руда?

Задачи:

1. Изучить растительный покров местности в различные исторические эпохи.

2. Изучить изменение климатических условий в крае в различные геологические эпохи.

3. Изучить механизмы образования соединений железа в природе.

4. Изучить геологические данные по Кулебакскому району.

Методики проведения исследовательской части работы.

Накопление железа в различных органах растений

Известно, что дубильные вещества с соединениями железа, например с сернокислым или с хлористым железом, образуют зелёные или синие соединения вплоть до чёрно - синих. С этим связано то, что многие части растения после смерти при соприкосновении с водой или с почвой принимают чёрную окраску. Например, листья рдеста плавающего (Potamogeton natans) после смерти, находясь в воде, становятся чёрными, как уголь. Микроскопические исследования показывают, что такие листья изобилуют соединениями железа. При сжигании такого листа получается тёмно-ржаво-коричневая зола, состоящая главным образом из окиси железа.

Листья рдеста в свежем виде очень богаты дубильными веществами, и когда они осенью отмирают, то железо, проникающее из воды в мертвые клетки, осаждается в виде дубильно-кислого железа, и это продолжается до тех пор пока не свяжется вся дубильная кислота.

Водяные орехи рогульника (Trapa natans), водяного растения, часто встречающегося в большом количестве в озерах, до своего полного созревания обычно окрашены не в чёрный, а в светло-бурый цвет. Они чернеют только со временем - после продолжительного пребывания в воде, содержащей железо, и становятся чёрными, как уголь, по той же причине, что и листья рдеста.

Кожура семени конского каштана (Aesculus hippocastanum) сначала окрашена в бурый цвет, но, полежав долгое время в воде, или сыром песке, принимает черную окраску. Если положить осенью спелые бурые семена конского каштана в очень слабый раствор хлорного железа или железного купороса, то, через несколько дней, они почернеют. То, что в природе происходит медленно, в этом опыте совершается быстро.

На подверженных действию атмосферных осадков досчатых стенах и деревянных заборах, в которых вбиты железные гвозди, часто наблюдаются черноватые полосы длиной в несколько сантиметров. Они направлены низ от гвоздя. Это тоже явление местного накопления железа в дереве. Железо гвоздя в небольших количествах растворяется под действием углекислоты в дождевой воде, и эти следы железа, соединяясь с дубильными веществами дерева, образуют тёмное дубильное железо в виде чёрных полос. Это происходит только в мёртвых клетках, так как в живых клетках дубильного железа не образуется.

Накопление железа микроорганизмами

Перевод органического железа из окисного в закисное и наоборот осуществляется в основном микроорганизмами. С. Н. Виноградский обнаружил, что способностью окислять закисные соли железа в основном обладают бактерии рода Leptothrix.

Железобактерии- аэробы, их клетки соединены в длинные, а иногда ветвистые нити. Каждая нить покрыта защитным слизистым чехлом. Концами своих нитей железобактерии прикрепляются к камням и песчинкам, часто покрывая их сплошным войлоком. В процессе жизнедеятельности этих бактерий образуется окись железа, которая оседает вне клеток, в так называемых влагалищах, и придает им бурый цвет. Окисление закисного железа идет по схеме:

4Fe SO4 + O2 + 2H2SO4 = 2Fe2 (SO4)3 + 2H2O + 46, 1 КДж

Скопления отмерших железобактерий (гидрат окиси железа) образуют на дне стоячих водоёмов залежи болотной руды. Поколение за поколением железобактерии отмирают, а накопленное ими железо отлагается на дне водоёма, образуя толстые слои рыхлого ржавого осадка.

Теоретическая часть.

Железо широко распространено в природе и встречается в виде органических и минеральных соединений, входит в состав животных и растительных организмов. Оно содержится в дыхательных ферментах (каталаза и пероксидаза), цитохромах (осуществляют перенос электронов при дыхании и фотосинтезе), необходим для образования хлорофилла у растений (порфирины), хотя и не входит в его состав. При недостатке железа растения теряют зелёную окраску - хлороз, (особенно сильно у молодых растений). Железо входит в состав гемма гемоглобина и миоглобина у животных.

Железо бывает в форме нерастворимого окисного Fe3+ и растворимого закисного Fe2+.

Fe2+ Fe3+ + e

Перевод органического железа из окисного в закисное и наоборот осуществляется в основном микроорганизмами. Изменения в степени окисления железа влияют на цвет почвы. Окисленная форма железа (Fe3+) придает почве желтый, красный и коричневый цвет, тогда как восстановленная форма (Fe2+) обусловливает серый цвет, характерный для заболачиваемых почв.

Почва образуется в результате взаимодействия многих факторов. Это- климат, материнская порода (геологические условия), топография (рельеф или морфология поверхности), живые организмы и время.

Физическое и химическое разрушение материнской породы под влиянием климата и живых организмов - это выветривание. Температурный режим и осадки являются двумя главными климатическими факторами. Если количество выпадающих осадков превышает испарение, в почве может идти процесс выщелачивания, а в случае плохого дренажа почвы заболачиваются. Если испаряется больше влаги, чем выпадает осадков, происходит капиллярное поднятие воды от уровня грунтовых вод; в этом случае будет преобладать движение растворенных веществ вверх. Недостаток воды замедляет химическое выветривание и выщелачивание.

При выветривании основных пород значительная часть кремния связывается в различные силикаты, которые в дальнейшем формируют алевриты и глины.

Некоторые почвы образуются на перемещённых материалах, таких, как золовые пески, аллювиальные (наносные) отложения и ледниковые морены.

Географическое распределение отдельных элементов, особенно микроэлементов, очень неравномерно. Это один из факторов, от которых зависит распространение различных растений.

Осенью 1881 года, к В. В. Докучаеву обратилось Нижегородское губернское земство с предложением: « взять на себя определение во всей губернии качества грунтов (термин «почва» не был тогда ещё общепринятым) с точным обозначением их границ». Цель этого определения была чисто фискальная (т. е. относящаяся к интересам фиска-государственной казны). Губернское земство собиралось установить поземельный налог в соответствии с новой оценкой почвы. Нижегородское земство сочло недостаточным устарелый статистический метод оценки земель и решило положить в основу такой оценки естественно - научное исследование почв целой губернии.

Докучаев понимал, что для выяснения закономерностей в изменении характера почвы нужно тщательно изучать не только почву, но и все остальные элементы природы. «Здесь – говорил учёный,- что ни шаг, то перемена, что ни имение, то особенности, требующие для своего объяснения массы данных из самых разнообразных областей естествознания».

В1886 году вышли в свет «Материалы к оценке земель Нижегородской губернии», составившие 14 солидных томов. Они включали подробное поуездное естественно – историческое описание почв губернии и богатейшие обобщенные данные по ее геологии, климату, растительному и животному миру. В ходе выполнения этой работы В. В. Докучаев сформулировал положения учения о почве как о самостоятельном природном теле, как о «четвёртом царстве природы». « почвы и грунты есть зеркало, яркое и вполне правдивое отражение, - непосредственный результат совокупного, весьма тесного, векового взаимодействия между водой, воздухом, землейс одной стороны, растительными и животными организмами и возрастом земли, с другой, - этими вечными и поныне действующими почвообразователями ».

П. А. Кропоткин создал гипотезу о последовательных оледенениях Русской равнины в предшествующую эпоху, о ледниковом происхождении большинства поверхностных отложений, одевающих, эту великую Равнину.

Многие из геологических эпох оставили на территории области мощные пласты образований, что образовало живой документ геологической истории земли.

Что было на территории области в архейскую эру и в начале палеозойской – неизвестно. Нет достоверных достоверных данных, чтобы утверждать, было ли здесь море или суша, так как морских отложений этих времён у нас не обнаружено даже на больших глубинах.

Известно, что в третьем, девонском, периоде палеозойской эры, затем в каменноугольный период эта суша была залита водой и представляла дно довольно глубокого моря. Почти всё вторую половину палеозойской эры, в течение многих десятков миллионов лет на территории области и окружающих её пространств бушевали морские волны, и лишь к концу эры дно моря стало постепенно подниматься и кое– где из воды выступила суша. Остатки моря в виде мелководных заливов и солёных озёр ещё долго испаряли воду, оставив местами после своего высыхания скопления различных солей, растворённых в морской воде. В эти времена имела место грандиозная «геологическая революция» - возникла горная цепь – Уральский хребет.

Проходили миллионы лет. Горы постепенно разрушались. Многочисленные бурные потоки воды волокли с гор много твёрдого материала. Всё это отсортировывалось и откладывалось в пресноводных водоёмах того времени.

В течение мезозойской эры море дважды заливало южные части области, оставив следы своего пребывания в виде морских отложений с остатками аммонитов и белемнитов.

В середине юрского периода мезозойской эры (190 – 195 млн. лет назад), значительная часть Русской платформы, включая территорию Нижегородской области, на долгие миллионы лет снова погружается в пучину Мирового океана и постепенно покрывается осадками Юрского и Мелового морей. Процессы разрушения Земной поверхности продолжали преобладать над процессами осадконакопления. В среднеюрскую эпоху шло образование озёрных водоёмов, разрушение горных пород, сопровождавшееся сносом речными системами механических частиц, растворов солей кальция, магния, железа, продуктов разложения почвенно-растительного покрова. В озёрных водоёмах происходило накопление осадков в виде песчано-глинистых пород, в некоторых из них – даже образование сидеритовых железных руд. Значительные скопления округлых глыб и конкреций сидерита ( Fe CO3) обусловили (по мнению учёных) возникновение на юго-западе Нижегородской области ( Первомайский, Кулебакский, Выксунский районы) небольшого железорудного бассейна. Но, несмотря на высокое качество этих руд, разработки их прекратились в связи с небольшими запасами сырья и сложностью горнотехнических условий.

С конца мелового периода, в связи с общим поднятием территории, море навсегда покинуло пределы Нижегородского края.

К полезным ископаемым четверичных отложений относится торф, залежи которого окружают город. В некоторых низинных болотах наблюдаются скопления окислов железа, приносимых поверхностными водами. В грунте аккумулируется железистый ортишейн: карбонаты, хлориды, сульфаты и др. подобные соли выносятся из горизонта С.

Материалы гидрогеологической съёмки на территории Кулебакского района подтверждают наличие 13 водоносных горизонтов. По химическому составу воды в основном гидрокарбональные кальциево-магниевые, пресные с невысокой минерализацией.

Столетие от столетия климат становился прохладней. У нас в стране были три оледенения (100, 75, 35 тыс. лет) и две межледниковые эпохи (100, свыше 60 тыс. лет).

В зависимости от рельефа и почв меняется и растительный покров: встречаются чистые сосновые боры, сосново-широколиственные, дубравы и мелколиственные леса. Дубравы привели с собой много других растений – клён, вяз, липу, ясень. Эти деревья не образовали самостоятельных лесов, лишь кое-где в южной части встречаются небольшие липовые рощи.

На суглинистых почвах встречаются дубовые леса (ещё до середины 19 века ежегодно выбирался корабельный дуб). В нашем районе его сплавляли по петляющей среди лесов речке Тёше, притоке Оки, благо дуба много росло по берегам. Но тяжёлые деревья тонули, что привело к образованию запруд. И сейчас ещё опасно купаться в некоторых местах. Для учёных наличие дуба на суглинках - показатель железа в почве.

«Почвы и грунты есть зеркало, яркое и вполне правдивое отражение,- непосредственный результат совокупного, весьма тесного, векового взаимодействия между водой, воздухом, землёй с одной стороны, растительными и животными организмами с другой».

В 1905 году в Дрездене вышел из строя городской водопровод. Трубы диаметром 10 сантиметров заросли изнутри отложениями железа.

Русский микробиолог С. Н. Виноградский сделал смелое предположение, которое многим показалось необоснованной фантазией. «Колоссальные залежи железных руд, - заявил он, - должны быть приписаны деятельности бактерий».

Каждому случалось видеть ржавые настои в воде прудов, озер, в водных прогалинах лесных болот. Красно-бурый войлок, устилающий дно ручья, образовавшегося в результате прорыва водопроводной трубы. Всё это деятельность железобактерий, которые живут повсюду. И везде, где поселяются железобактерии, они находят самую ничтожную частицу соединений железа, извлекают её из раствора, поглощают, впитывают в себя.

С. Н. Виноградский обнаружил, что способностью окислять закисные соли железа в основном обладают бактерии рода Leptothrix.

Их клетки соединены в длинные, а иногда ветвистые нити. Каждая нить покрыта защитным слизистым чехлом. Концами своих нитей железобактерии прикрепляются к камням и песчинкам, часто покрывая их сплошным войлоком. Вода постоянно со всех сторон омывает клетки бактерий, а они захватывают и впитывают растворённые в воде сложные соединения железа. В теле бактерий эти соединения разлагаются на более простые. Остаётся окись железа, нечто вроде ржавчины, которая отлагается в слизистом чехле бактериальных нитей. Постепенно железа накапливается всё больше и больше. Тогда за слоем ржавчины нельзя уже разглядеть ни самих бактерий, ни их слизистого чехла. Они скрываются в плотных железистых футлярах.

Поколение за поколением железобактерии отмирают, а накопленное ими железо отлагается на дне водоёма, образуя толстые слои рыхлого ржавого осадка. Слой этот со временем уплотняется, погребая в своей толще стебли и корни, водных и болотных растений. Но тут в дело вступают другие бактерии. Разлагая растительные остатки, они, будто по спецзаказу, очищают отложения железа от посторонних примесей. А слой железистого ила продолжает уплотняться. Так образуются отложения бурого железняка. В зависимости от происхождения железную руду называют болотной, озёрной или луговой.

По такой схеме, видимо, на протяжении десятков миллионов лет происходило образование местных железных руд, но, так как море занимало территорию края по времени больше, то эти отложения небольшие.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

• Гидрогеологические исследования и особенности растительного покрова Кулебакского района указывают на высокое содержание окислов железа в почве.

• Образование местных железных руд - результат деятельности железобактерий.

Поэтому версию о ледниковом происхождении «железной аномалии» я считаю несостоятельной, хотя ещё П. А. Кропоткин указывал на ледниковое происхождение большинства поверхностных отложений, одевающих великую Русскую равнину. Именно этот факт нашёл отражение в гидрогеологических данных Кулебакского района.