ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОХИМИИ И ЕЁ МЕСТО В СИСТЕМЕ НАУК О ЗЕМЛЕ

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ГЕОХИМИИ

Термин геохимия предложен Ф.Шёнбейном (швейц. химик) в 1838 г. для обозначения науки о химических процессах в земной коре.

Этот термин использовал основатель геохимии В.И.Вернадский в первом десятилетии ХХ века для обозначения созданной им науки - науки об истории атомов земли.

В 70-х годах появилась информация о породах Луны, атмосферах Венеры и Марса. Поэтому Перельман отмечает, что геохимия - “изучает естественную историю атомов Земли и других планет земной группы”.

Некоторые определения геохимии ее основателей:

Ф.Кларк (1924): “Каждая порода рассматривается как химическая система, в которой под действием различных агентов происходят химические изменения. Изучение этих изменений и является предметом геохимии”.

В.И.Вернадский (1927): “Геохимия научно изучает химические элементы, т.е. атомы ЗК, и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве - времени, их генетические на нашей планете соотношения”.

А.Е.Ферсман (1932): “Геохимия изучает историю химических элементов - атомов ЗК и их поведение при различных термодинамических и физико-химических условиях природы”.

В.М.Гольшмидт (1954, в реакции А.Мюира): “Современная геохимия изучает распределение и содержание химических элементов в минералах, рудах, породах, почвах, водах и атмосфере и циркуляцию элементов в природе на основе свойств атомов и ионов”.

Наиболее удачны и верны определения подчеркивающие исторический характер геохимии.

Очень удачно определение польских геохимиков - геохимия есть естественная история химических элементов (то же определение дает и Перельман).

Геохимия как новая наука возникла из тесной взаимосвязи фундаментальных наук о природе - физики и химии с науками геологическими: минералогией, петрографией, геологией.

Единство геохимии - минералогии - петрологии реально отражает существующее в природе единство атома - минерала - горной породы.Геохимия - гибридная наука, возникшая на стыке химии и геологии. Непосредственным объектом геохимии является химический элемент - атом, поэтому её возникновение стало возможно, когда атомарный уровень исследования проник в естественные науки.

Геохимические знания до возникновения геохимии как науки (истоки геохимии):

1) Понятие о химическом элементе было впервые введено английским врачом и химиком Робертом Бойлем (1627 - 1691).

2) В 1676 г. Христиан Гюйгенс впервые высказал идею о единстве химического состава космоса.

3) В 1794 г. Э. Хладш доказал космическое происхождение метеоритов, в 1802 и 1804 гг. В.Гарвардом (Англия) и Т.Ловицем (Россия) выполнены первые химические анализы метеоритов. Это подтвердило идею о единстве химического состава мироздания (земли и космоса).

4) B 1815 г. В.Филлипсом (Англия) сделана первая попытка выяснить средний химический состав ЗК, оценена распространенность 10-ти химических элементов и показано количественное преобладание 4-х элементов: O, Si, Al, Fe.

5) Ж.Эли-де-Бомон (Франция, 1798 - 1894) связал историю химических элементов с магматическими и вулканическими процессами. Впервые нарисовал картину химической эволюции Земли, основываясь на физических и химических свойствах элементов (начиная от космической эпохи).

6) Возникновение геохимии стало возможным после утверждения атомно-молекулярной теории в физике и химии и выяснения основных особенностей строения атома на основании ПЗ Д.Менделеева, а также накопления большого числа эмпирических данных по распространению химических элементов в минералах и горных породах (всё это происходило в XIX веке).

7) Два открытия второй половины XIX века заложили фундамент геохимии:

- открытие в 1859 г. Р.Бунзеном и Г.Кирхгофом спектрального анализа

- открытие в 1869 г. Д.Менделеевым ПЗ химических элементов.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГЕОХИМИИ: РАБОТЫ Ф.КЛАРКА, В.И.ВЕРНАДСКОГО, В.М.ГОЛЬШМИДТА, А.Е.ФЕРСМАНА,.П.ВИНОГРАДОВА.

Первая по-настоящему геохимическая проблема и направление геохимии это изучение распространения и распределения химических элементов в геологических телах и объектах от минералов и пород к ЗК в целом, определение среднего состав ЗК.

Это направление было заложено Ф.Кларком. Он трактовал геохимию как совокупность сведений о химическом составе ЗК и не ставил в качестве задачи геохимии изучение истории атомов планеты. В 1889 г. Ф.Кларк на основе огромного количества анализов горных пород (отобрав 880 анализов) дал первую сводную таблицу среднего химического состава ЗК. В 1908 г. выходит его сводка по геохимии “Data of geochemistry”: данные по составу горных пород, почв, вод; приведен баланс главных химических элементов в верхних оболочках Земли. В 1924 г. совместно с Г.Вашингтоном он публикует последнюю таблицу средней распространенности элементов в 16-км слое Земли - это обобщение послужило фундаментом геохимии.

В.И. Вернадский

Рождение геохимии как отдельной науки произошло в 1908 - 1911 гг. благодаря В.И.Вернадскому. До его работ господствовало представление о минеральной форме нахождения элементов; широко используя спектральный анализ, он определял содержания редких элементов в горных породах и создал представление о “неминеральной”, “рассеянной” форме нахождения химических элементов (“все элементы есть везде”, но в разных количествах). В трудах В.И.Вернадского дано чёткое определение геохимии, круга изучаемых ею проблем (распределение элементов; история элементов). Первый курс геохимии в России был прочитан в 1912 г. А.Е.Фердсманом, а развитию геохимии за рубежом способствовало преподавание В.И.Вернадским геохимии в Праге и Париже.

Работы В.И.Вернадского охватывают многие разделы геохимии:

- показана важная роль живого вещества в миграции химических элементов (биогеохимия)

- всесторонне оценено значение радиоактивности для всех наук о Земле (ядерная геология) и т.д.

Вокруг В.И.Вернадского формировалась геохимическая школа: А.Е.Ферсман, А.П.Виноградов и многие другие. Он был организатором Радиевого института, биогеохимической лаборатории, Комитета по метеоритам.

А.Е.Ферсман

В 1933 -39 гг. вышел его фундаментальный 4-х томный труд “Геохимия”, который всесторонне оценил проблему распространенности элементов, связав её с последними достижениями астро- и атомной физики. Работы А.Е.Ферсмана были посвящены изучению миграции химическихэлементов в зависимости от строения их атомов и общих физико-химических свойств.

Также А.Е.Ферсман:

1) Выделил факторы миграции химических элементов

2) Дал классификацию геохимических процессов

3) Разрабатывал геоэнергетическую теорию для объяснения последовательности выделения минералов из растворов и расплавов в зависимости от величины энергии кристаллической решётки

4) Был основателем геохимических методов поисков ПИ

5) Оставил плеяду учеников и последователей: В.В.Щербина, А.А.Сауков, К.Власов, Д.И.Щербаков и д.р.

В.М. Гольшмидт (1888 - 1947)

1) На основании данных о строении атомов и их нахождении в природных телах в 1924 г. предложил первую геохимическую классификацию элементов, широко известную и используемую до наших дней

2) Вычислил ионные радиусы для объяснения форм нахождения элементов в минералах, разработал правила изоморфизма

3) Сформулировал цели и задачи геохимии.

ПОДРАЗДЕЛЕНИЯ ИЛИ НАПРАВЛЕНИЯ ГЕОХИМИИ

Некоторые подразделения геохимии:

1) Региональная геохимия (А.Е.Ферсман, 20-е гг.)

2) Геохимия осадочных пород и руд

3) Геохимия процессов выветривания и коры выветривания

4) Биогеохимия (Вернадский, 20-е гг.)

5) Геохимия природных вод (30-е гг.)

6) Геохимия галогенеза

7) Геохимия техногенеза (Ферсман, 20-е гг.)

8) Геохимические методы поисков ПИ

9) Геохимия природных ландшафтов

10) Геохимия радиоактивных и радиогенных изотопов.

Традиционные направления геохимии:

1) Геохимия магматических процессов

2) Геохимия гидротермальных процессов 

3)    Геохимия гипергенных процессов

Более новые направления геохимии:

1) Биогеохимия

2) Органическая геохимия

3) Геохимия редких элементов

4) Гидрохимия и геохимия океана

5) Геохимия изотопов

6) Геохимия ландшафта

7) Прикладная геохимия.

Три аспекта геохимических исследований:

- геохимия процессов (миграция элементов в определённом процессе в разных системах)

- геохимия систем (миграция элементов в определённых системах с разными процессами)

- геохимия элементов (поведение конкретных элементов в разных процессах и системах).

МЕТОДОЛОГИЯ ГЕОХИМИИ

Важнейший методологический принцип геохимии - принцип актуализма.

Основная направленность - изучение миграции, двух её сторон: рассеяния и концентрации. Процессы миграции происходят под влиянием большого числа факторов, нередко носящих случайный характер, следовательно процессы миграции являются вероятностными (при их изучении используется теория вероятностей и математическая статистика). В то же время явления миграции, ведущие к концентрации элементов, являются детерминированными.

Системный подход

Системы, изучаемые в геохимии, делятся на 4 типа:

- абиогенные (процессы механической и физико-механической миграции) магматических, гидротермальных и д.р.

- биологические (биогенная миграция)

- биокосные (взаимопроникновение живых организмов и неорганической материи - физико-химическая и биогенная миграция)

- техногенные (ведущая роль техногенной миграции).

В результате миграций в системах формируется геохимическая зональность; система расчленяется на геохимические зоны, подзоны, горизонты и т.д. Зональность бывает различных рангов (12 - по Л.И.Овчинникову): от грандиозной зональности Земли как планеты, до зональности отдельного минерала. Различают зональность латеральную и вертикальную. Изучение геохимической зональности систем - важная задача геохимии и один из ведущих методологических принципов геохимии систем.

ГЕОХИМИЯ В СЕРЕДИНЕ ХХ ВЕКА И ЕЁ СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Развитие геохимии в середине ХХ века связано с появлением новых, прецизионных методов определения концентрации и форм нахождения элементов. Этот сдвиг произошёл в послевоенные годы благодаря бурному развитию ядерной физики, сказавшемуся на смежных науках.

1) Важнейшим было открытие изотопов большинства элементов и создание аппаратуры для измерения их распространенности. Первые измерения изотопов Pb сделаны А.Киром в 1938 г. Это заложило основы для развития изотопной геохимии и её раздела геохронологии, включая индикаторные свойства радиогенных и стабильных изотопов для понимания происхождения горных пород и минералов, источников рудного вещества и палеотермометрии (в СССР это школа А.П.Виноградова).

2) Развитие экспериментальных исследований

а) для познания гидротермальных процессов - доказано ионное состояние растворов, установлены формы переноса рудных компонентов в виде комплексных соединеий.

б) для понимания процессов образования магматических пород, в том числе процессов кристаллизации расплавов (школа Н.Боуэна в Институте Карнеги, Вашингтон).

3) Термобарогеохимия - определение температуры и давления, состава растворов жидких и расплавленных включений.

4) Развитие космохимии - изучение метеоритов, пород Луны и других планет, атмосфер планет.

5) Масса новых данных по распределению элементов.

Современное состояние геохимии:

1)    Срастание геохимии с другими науками о Земле

2)    Дифференциация различных разделов геохимии

3) Широкое развитие геохимии окружающей среды - экогеохимии и геохимии техногенеза.

Геохимические методы исследования

Д.И.Менделеев “Наука начинается с тех пор, как начинает измерять. Точая наук немыслима без меры.”

1) В геохимии для изучения распределения и форм нахождения элементов используются физико-химические методы анализа вещества, они служат для определения содержания элементов и их изотопов.

Основные современные методы анализа включают:

а) Оптический атомный спектральный анализ – основан на характеристических спектрах элементов, которые являются таким же основным свойством химических элементов, как его атомный номер. Спектры испускаются внешними электронами атомов. Атомизируют порошковую пробу. Различают качественный (какие элементы присутствуют в образце) и полуколичественный анализ (сколько каждого элемента в образце). Интенсивность (яркость) спектральных линий увеличивается с ростом относительной доли элемента в образце. ПО – 10*10^-3 – 10*10^-4 мас.%, навеска ~50 мг. Достоинства – не нужно вскрывать пробу и переводить в раствор, экспрессность метода, определение до 70 химических элементов одновременно. Недостатки – низкая воспроизводимость результатов, ~20-30% для средних содержаний элементов, для высоких и низких до 50-80%. Тем неменее этот метод стал основным из-за своей экспрессности для геохимического метода поисков месторождений. Недостаточная правильность не имеет большого значения на начальном этапе поисковых работ, важно не пропустить аномальных концентраций. Он позволяет получить экспресс-информацию. Используется для определения редких элементов.

б) Рентгено-флуоресцентный - в настоящее время наиболее широко используемый метод для определения главных и редких элементов в породах. Можно определить до 80 элементов при широком ряде концентраций от 100% до первых г/т без перевода пробы в раствор..

Главным образом определяются петрогенные элементы, из редких элементов обычно определяют Ba, Rb, Sr, Zr, Hf, Nb, Y и др.

Достоинства - широкий круг элементов, большой диапазон содержаний, экспрессность. Ограничения - кроме элементов легче Na, а с достаточной чувствительностью элементы с номерами от 18 до 40.

Для анализа петрогенных элементов – пробу в состоянии пудры сплавляют в печах для однородности и получают тонкий диск. Для Ba, Rb, Sr, Zr, Hf, Nb, Y - используют порошок.

Навеска - 2-6 г. Воспр. 3-6 отн.%. ПО 2-6*10^-4 %, 2-6*10^-3 %.

с) Масс-спектрометрия

Сущность метода заключается в том, что поток заряженных ионов разгоняется в загнутой трубке в вакууме под действием постоянного магнитного поля. Ионы начинают двигаться по окружностям различного радиуса в зависимости от массы. Это позволяет их сепарировать и определять раздельно.

· Масс-спектрометрия с индуктивносвязанной плазмой ISP-MS применяется для определения абсолютных концентраций широкого спектра микроэлементов, возможен анализ очень низких концентраций 0,01*10^-6 г/т. Требуется перевод проб в раствор (навеска 25-100мг). Очень низкий ПО, хорошая точность и воспроизводимость.

Локальные методы анализа:

a) Электронно-микропробный или микрозондовый анализ

Метод предназначен для проведения химического анализа на поверхности образца (минерала) в области размером несколько кубических микрометров без его разрушения в ряду элементов от лития до урана. По принципу аналогичен рентгено-флуоресцентному методу, но образец возбуждается потоком электронов. Измеряется интенсивность вторичных рентгеновских лучей, длина волны которых характерна для каждого элемента, пики оцениваются относительно стандарта. Размер пучка 1-2 мкм, то есть метод имеет высокую разрешающую способность. Предел обнаружения – 0,01%, чаще используется для определения содержания главных (петрогенных) элементов в минералах.

 Возможность анализа в “точке” позволяет исследовать в минералах зональность, структуры распада, обнаружить микровключения одних минералов в других. Применяется для анализа силикатных стекол, и, следовательно, очень важен в экспериментальной петрологии.

b) Ион-микропробный анализ (ионный зонд)

Метод предназначен для проведения локального химического анализа приповерхностных слоев твердых тел в ряду элементов от водорода до урана. Сочетает точность и воспроизводимость масс-спектрометрии с разрешающей способностью электронного микропробного анализа. Поверхность образца облучается точно сфокусированным потоком ионов кислорода (~ 20мкм), что вызывает излучение вторичных ионов. Предел обнаружения 1*10^-6 %, что дает возможность исследовать характер распределения элементов-примесей в минералах.

2) Для понимания процессов перераспределения и концентрации элементов в геохимии используются методы термодинамики, позволяющие количественно описать поведение элементов в растворах, при выплавлении и кристаллизации расплавов.

3) Методы кристаллохимии применяются для изучения условий вхождения элементов в кристаллические решетки минеральных фаз, объяснения закономерностей распределения в них микроэлементов, познания процессов изоморфизма и вероятных форм рассеянного состояния элементов.

4) Методы изучения условий образования минералов и пород. Они позволяют определить температуру, давление, состав исходных расплавов и минералообразующих растворов.

5)

 Численное моделирование магматических процессов по редким элементам.

6)

Методы изучения возраста геологических образований.

7)

Физико-химичеcкое моделирование природных процессов.

8)

 Экспериментальная геохимия.

Практическое применение геохимии

1. Геохимические исследования широко применяются при решении разнообразных задач геологии, петрологии, минералогии и учения о ПИ, в этом заключается ее практическое или прикладное значение. Индикаторные свойства химических элементов в геологических процессах (главным образом редких элементов и изотопных отношений) - для выяснения источников рудного вещества и рудообразующих растворов, выявления связи рудообразования с магматизмом и метаморфизмом, установления генезиса магматических пород, источников расплавов, тектонических обстановок формирования магматических пород, источников сноса терригенных пород и т.д.

2. Классическим полем деятельности прикладной геохимии явлются поиски полезных ископаемых, существует целый раздел геохимии именцемый геохимическими методами поисков ПИ. Он имеет свою понятийную базу. Основные понятия :

геохимический фон - среднее или модальное содержание хим. элемента в пределах однородной системы, объекта,

геохимическая аномалия - область содержания хим. элемента или численных значений других параметров на заданном уровне, отличающихся от геохимического фона. (Аномалии глобальные, региональные, локальные; положительные и отрицательные). По комплексу геохимических признаков различают аномалии рудные и безрудные (не имеющие связи с оруденением).

Ореолы рассеяния:

первичные - поле концентрации элемента не являющееся рудой, т.е. с содержанием ниже кондиционного, формируется одновременно с месторождением,

вторичные - поле повышенных концентраций в ландшафте, образующееся при разрушении на земной поверхности рудных тел и первичных ореолов (литохимические, гидрогеохимические, атмохимические, биогеохимические).

3. Генетическая и технологическая геохимия руд: изучение закономерностей распределения элементов примесей в рудных телах имеет большое практическое значение для разработки рациональных технологий их извлечения, изыскания новых источников сырья, и теоретическое значение для понимания механизмов и условий образования руд, т.е. их генезиса.

4. Металлогения и прогноз рудных месторождений - изучение закономерностей распределения элементов в пределах крупных коровых сегментов для оценки их перспектив на обнаружение ПИ и локальный прогноз потенциальной рудоносности геологических тел.

6. Радиогеохронология - исследование возможностей различных изотопных методов для датирования тех или иных событий и процессов, поиск новых методов.

7. Геохимия окружающей среды, экогеохимия или геохимия техногенеза - исследование миграции химических элементов в связи с деятельностью человека.

Человеческое общество стало большой геохим. силой, сопоставимой с силами природы. Добыча ПИ, сжигание нефти, газа, угля, выплавление металлов из руд, развитие земледелия и животноводства, урбанизация оказывают сильное влияние на распределение химических элементов, они вызывают новый тип геохимических процессов - техногенную миграцию.

При изучении техногенеза используют хорошо разработанную теорию геохимических поисков, моделью загрязнения окружающей Среды от локального источника может служить разрушающееся рудное месторождение с характерными для него ореолами рассеяния. Возникли такие понятия как техногенные геохимические аномалии, техногенные ореолы рассеяния, техногенные барьеры.