Введение в курс
Геохимия – сравнительно молодая геологическая наука, возникшая в конце XIX века. Это комплексная наука, образовавшаяся на стыке двух фундаментальных наук – геологии и химии. В то же время она тесно соприкасается с физикой, а по ряду вопросов – с астрономией и биологией.
Основоположником геохимии является выдающийся русский ученый В.И. Вернадский, высокообразованный исследователь-естествоиспытатель с философским складом ума. Он дал определение геохимии как науки, указал объект и предмет исследования. Позже определения геохимии были даны А.Е. Ферсманом, В.И. Лебедевым и др. Так, по В.И. Вернадскому: «Геохимия научно изучает химические элементы, т.е. атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетическое на нашей планете соотношение». По А.Е. Ферсману, «Геохимия изучает историю химических элементов – атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических условиях природы». Известен ряд других определений: «Геохимия есть естественная история химических элементов» - А. Поланьский и К. Смуликовский. «Геохимия есть наука о распределении – концентрации и рассеянии химических элементов в земной коре» - В.И. Лебедев. «Геохимия – это история атомов Земли» - А.И. Перельман.
Задачи и проблемы геохимии исключительно многообразны, а потому и определения их значительно варьируют. По Ф.У. Кларку, каждая порода представляет собой химическую равновесную систему, которая может изменяться под действием различных агентов с образованием новой системы, стабильной в новых условиях; «определить, какие изменения возможны, как и где они происходят, наблюдать явления, которые сопровождают их, и отметить их окончательный результат – вот задача геохимика».
В.М. Гольдшмидт отмечает, что «основной задачей геохимии является, с одной стороны, количественное определение состава Земли и ее частей и, с другой – установление законов, которые контролируют распределение отдельных элементов».
А.Е. Ферсман задачу геохимии видел в «выяснении законов сочетания элементов и минералов в земной коре, их качественных и количественных соотношений в топографической и хронологической связи».
Какие же задачи и проблемы стоят перед современной геохимией? Нельзя забывать, что Земля является частью космоса и геохимия, таким образом, может рассматриваться как наиболее изученная часть более общей Kocмoхиmuu – науки, изучающей химический состав Земли, планет и Вселенной в целом. В освоении космоса сделан огромный скачок – получены объекты для сравнения: лунные породы, данные атмосферы Венеры, Марса, Юпитера. Современная геохимия включает много новых разделов, она дифференцировалась и, естественно, охватывает проблемы из различных областей естествознания. Так, появилась геохимия изотопов, ядерная геохимия, геохимия редких и рассеянных элементов в почвах, геохимия ландшафта, физическая геохимия, гидрогеохимия, прикладная геохимия, геохимия ноосферы и другие, со своими задачами и проблемами.
Основные задачи геохимии можно сформулировать так:
- Поведение и формы нахождения химических элементов в различных оболочках Земли (геосферах и при различных геологических процессах).
- Условия и закономерности миграции – концентрация (образование месторождений) и рассеяние химических элементов.
- Изучение изотопов химических элементов для решения вопросов о возрасте пород, источнике вещества, о палеотемпературах, решение генетических и других вопросов.
- Изучение изоморфных смесей; типоморфизм минералов.
- Изучение геохимии отдельных регионов земной коры.
- Дальнейшее повышение чувствительности и точности аналитических методов. Совершенствование методик геохимических исследований.
- Изучение миграции химических элементов в связи с деятельностью человека.
- Изучение космических объектов.
Некоторые проблемы геохимии:
- Геохимическая зональность.
- Законы дифференциации вещества Земли.
- Геодинамика и магматизм.
- Взаимодействие вещества мантии и коры.
- Геохимия мантии Земли.
- Кинетика и динамика процессов (магматического, гидротермального и др.).
- Химизм природных процессов минерало- и рудообразования; источники рудного вещества.
- Поиски минерального сырья.
- Происхождение химических элементов.
- Рациональное (комплексное) использование земных ресурсов.
- Гипергенное минералообразование.
- Геохимия ноосферы.
- Сохранение среды жизнеобитания.
- Геохимия внутриматериковых вод.
- Закономерности и механизмы осадкообразования.
- Проблемы, возникшие в связи с изучением космоса.
Геохимия, как самостоятельная наука, имеет и свои методы, и методики исследования. В течение последних десятилетий минувшего века произошло кардинальное усовершенствование старых и развитие новых аналитических методов изучения горных пород и минералов, в связи с чем анализ геохимических данных превратился в неотъемлемую часть комплексных геологических исследований. Открылись новые возможности классификации магматических, метаморфических, осадочных пород, изучения эволюции их состава и строения, определения геодинамических (точнее – палеотектонических) обстановок их формирования:
Особая роль принадлежит углубленному геохимическому анализу периодической таблицы. Закон Менделеева, по словам А.Е. Ферсмана, «всесторонне и глубоко управляет сочетанием, распределением, миграцией и концентрацией химических элементов в природе…», этот закон - «путеводная звезда для геохимика». Геохимические законы распределения вещества в природе вытекают из Менделеевской таблицы, «в ней нет ничего придуманного; она – сама природа». По А.Н. Заварицкому, «нахождение химических элементов в земной коре зависит от строения атомов химических элементов».
- Методы составления диаграмм с целью классификации магматических пород, определения первичного состава метаморфических толщ, выделения магматических серий (дивариантные и тройные вариационные диаграммы), определения геодинамических обстановок формирования пород (тектоническая реконструкция) с использованием дискриминационных диаграмм. В основе этих методов лежат геохимические данные – содержания в породах главных химических элементов и элементов-примесей.
- При изучении осадочных пород широко используется методика петрохимических модулей (отношения петрогенных оксидов), которая позволяет решать ряд геологических задач: классификация осадочных пород, реконструкция физико-химических и геодинамических условий накопления и др.
- Геохимическое картирование включает составление геохимических разрезов, профилей, карт геохимических трендов. В основе метода лежит понятие о кларках элементов.
- Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых (литохимические, гидрогеохимические, атмохимические, биогеохимические) по первичным и вторичным ореолам рассеяния. Принципы геохимических методов поисков: особенности формирования ореолов, поисковые критерии и признаки (ассоциации элементов, геохимические индикаторы K/Rb, Mg/Li, Zr/Hf, Al/Ga, Th/U, Ca/Sr и др., минералы-концентраторы).
- Изучение соотношений пар стабильных изотопов в породах и минералах. Обычно используются изотопы О, S, С.
- Методы абсолютной геохронологии.
- В последние десятилетия широкое распространение приобретает моделирование химических природных процессов, отвечающих различным глубинным условиям Земли. Моделирование проводится на основе математических уравнений, описывающих различные геохимические процессы. По полученным данным строятся диаграммы (дивариантные, мультивариантные, тренды распределения РЗЭ).
Таким образом, геохимия как самостоятельная наука имеет свои объекты (предмет) исследования (горные породы, минералы, атомы –элементы земной коры); свои задачи и проблемы – познание законов лнижения атомов химических элементов, приводящих в одних частях лемной коры к рассеянию, а в других – к концентрации, т.е. выявление химической сущности геологических процессов и явлений; методы исследования, как заимствованные, так и собственно геохимические. Последние основаны на анализе природных систем и процессов с использованием периодической таблицы, объясняющей ассоциации элементов, обусловленные законами строения атомов, а также и средой. Кроме того, природные процессы рассматриваются во времени и пространстве (например, геохимическая зональность).
Сформулированное В.И. Вернадским, а затем и А.Е. Ферсманом понятие науки – изучение природных процессов на уровне атома – есть главная особенность методологии геохимии, ее специфика. Еще одна важная особенность методологии геохимии – изучение противоположно направленных природных процессов – миграция элементов (конценграция, с одной стороны, и рассеяние – с другой). В процессе развития науки менялись и подходы к изучению миграции. На первых этапах развития геохимии изучение миграции проводилось на вещественноэнергетическом уровне, затем подключился еще один очень важный аспект изучения – информационный. Если взаимодействие в пространстве определяется, прежде всего, обменом веществ и энергии, то в характеристике временных отношений на первый план выходит сохранение и передача информации
Энергетические, субстанционные и информационные процессы в природе протекают одновременно и согласованно. Их взаимосвязь отражена в законе сохранения вещества и энергии, в понятии «энтропии». Миграция может рассматриваться и в системном аспекте. Это и Земля в целом с ее оболочками, и гидросфера, атмосфера, кора выветривания, почва, т.е. любые объекты природы могут быть представлены как системы (геохимия систем). При изучении систем также исследуется вещество, энергия, информация, среда. Миграция химических элементов в различных системах может рассматриваться и по принципу геохимических барьеров].
Еще один важный методологический принцип геохимии – историзм. Нужно не просто описать объект и объяснить механизм его появления, но еще и обратиться к временной форме существования материи (кроме пространства и движения). Это ретроспективное направление системных исследований или, по выражению Л.Н. Овчинникова, метод ретросказания – теоретической реставрации – ключ от настоящего к прошлому. Процессы миграции можно рассматривать и как вероятностные, и как детерминированные, для анализа которых используются разные математические аппараты.
2. Наука «Геохимия», история формирования и основные понятия
Историю геохимии удобно изложить поэтапно, как это сделано А.Е. Ферсманом, отметив в каждом этапе фундаментальные открытия в области естествознания, которые оказали существенное влияние на развитие химии, минералоги, физики и, в итоге, геохимии. Геохимия выросла из минералогии и химии, точное понимание которых оформилось примерно к XVI веку.
I этап – эмпирический
Агрикола (1494 – 1555) – врач, металлург, минералог. Оставил многочисленные работы по рудным месторождениям того времени. Его геохимические идеи связаны с происхождением минералов, отложившихся, по его представлениям, из растворов, протекавших по трещинам.
/'. Бойль (1627 – 1691) – основатель учения о химических элементов
А Лавуазье (1743 – 1794) выделил в чистом виде 31 элемент. Современные представления об элементе исходят из понятия, данного Лавуазье
MB. Ломоносов (1711 – 1765) был убежденным атомистом. Он заложил основы химико-генетического направления в минералогии. В ею работах также высказаны серьезные геохимические идеи, выделен ряд поисковых критериев (минерализованные воды, цвет зоны окисление рул, оседание почвы под зонами окисления сульфидных руд, характер расшгелмюсти и др.). Ясно представляя связь минералогии с химией, он сформулировал и обосновал закон сохранения вещества – фундаментальный закон всего естествознания. Во многих вопросах он опередил науку своего времени. В его честь назван минерал ломоносовит
Р. Гаюи и Ж. Роме де Лшь – представлял морфолого-описательного направления, создали основу для такой точной науки, как кристаллография (открытие закона целых чисел, описание форм кристаллов и др.).
К XIX веку был накоплен огромный фактический материал, что привело к оформлению многих самостоятельных наук, к критическому пересмотру старых представлений, к установлению связи между разрозненными научными течениями. XIX век называют веком синтеза минералов. Моделирование процессов природного минералообразования, эксперименты в минералогии заложили «краеугольный камень» будущей новой науки – геохимии. Дж. Холл (1801 г.) первым превратил мел в кристаллический мрамор. Ж. Гей-Люссак в 1823 г. получил гематит. Ф. Фуке и Мишель-Леей в лаборатории получили породообразующие минералы – олигоклаз, лабрадор, нефелин, лейцит. Позднее в той же лаборатории молодой В.И. Вернадский синтезировал силлиманит и разработал основы классической теории строения алюмосиликатов (1891 г.). К. Дельгер получил сульфиды (пирит, пирротин, галенит, киноварь, халькопирит, борнит, бурнонит и др.). К.Д. Хрущев (конец XIX в.) синтезировал кварц, тридимит, магнезиальную слюду, роговую обманку, циркон. А. Морозевич получил искусственные кристаллы корунда, силлиманита, энстатита, авгита, содалита, кордиерита.
В XIX веке полностью оформились как самостоятельные науки минералогия, кристаллография, петрография, палеонтология. Г. Гесс (1840 г.) сформулировал законы, положившие начало термохимии, а затем и кристаллохимии (минерал гессит Ag2Te). Й.Я. Берцелиус (1779 -1848) назвал минералогию «химией земной коры». Он открыл Се, Se, Th, Та. Получил в чистом виде Si. В его честь назван минерал берцеллианит.
В.М. Севергин (1765 – 1826), развивая химико-генетическое направление, ввел важнейшее геохимическое понятие «об естественных ассоциациях минералов», о парагенезисе, которое он назвал «смежность минералов»
Х.Ф. Шенбейн (1799 – 1868) – швейцарский химик, в 1838 г. впервые произнесший слово «геохимия». Он писал: «С уверенностью можно утверждать, что геологи не вечно будут следовать тому направлению, последователями которого они являются сейчас. Они, для расширения своей науки, как только окаменелости не смогут достаточно служить им, должны искать новых вспомогательных средств и без сомнения тогда введут в геологию минералогически-химический элемент. Время, когда это свершится, кажется мне не столь далеким».
И середине XIX века были высказаны мысли явно геохимического харектера.
Карл Бишофф (1792 – 1870) – немецкий ученый – нарисовал картину истории многих элементов, в круговороте которых принимает участие вода, показал, что история элемента может быть представлена в иидс кругового процесса. Он, также впервые, геохимически проанализировал судьбу отдельных элементов при остывании магмы; выяснил концентрацию элементов в горных породах и коре выветривания; отметил, что наибольшее количество элементов приурочено к гранитам (Sn, W, Mo, Nb, Та, U, Th, РЗ). Он – плутонист, основатель контракционной теории (в его честь назван минерал бишоффит).
И. Брейтгаупт (1791 – 1873) установил закономерности ассоциаций минералов. Ввел в науку термин «парагенезис» минералов (в его честь назван минерал брейтгауптит ).
Фундамент для возникновения геохимии заложили работы Д. И. Менделеева (1834 – 1907) – периодический закон (1869) и Р. Бунзена, Г. Кирхгофа – открытие спектрального анализа (1859). Нужно еще отметить следующие открытия: A.M. Бутлеров в 1861 г. открыл закон строения химических соединений; У. Крукс в 1880 г. открыл катодные лучи, представляющие собой поток электронов; Е.С. Федоров в 1890 г. открыл законы строения кристаллов, установил 230 пространственных ipynn симметрии; В.К. Рентген в 1895 г. открыл рентгеновские лучи (невидимые глазом электромагнитные излучения с длиной волны 10~5-10 * нм). Он был первым лауреатом Нобелевской премии. А.А. Беккерель в 1896 г. открыл радиоактивность (нобелевский лауреат 1903 г.); П. Кюри и М. Складовская Кюри исследовали радиоактивное излучение. Открыли Ро, Ra в 1898 г. (Нобелевская премия 1903 г.).
Перечнем этих имен и работ не ограничивается содержание эмпирического периода. К концу XIX века уже наметился переход от описательной минералогии к познанию жизни минералов и природных химических процессов возникновения минералов – утверждение химии в минералогии
II этап – аналитический (физико-химический)
Это конец XIX и начало XX века. Ему предшествовали величайшие открытия в области физики и химии. Э. Резерфорд в 1911 г. предложил планетарную модель атома; открыл а- и (3-лучи. Первый осуществил искусственную ядерную реакцию. Предсказал существование нейтрона (Нобелевская премия в 1908 г.). М. Лауэ в 1912 г. открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах (Нобелевская премия 1914 г.).
Н. Бор в 1913 г. предложил теорию строения атома. Он является одним из создателей современной физики (Нобелевская премия 1922 г.). Ф.У.Кларк (1847 – 1931), будучи главным химиком геолкома США, явился одним из основоположников геохимии. Его работы по определению состава земной коры стали фундаментом геохимии.
Как самостоятельная наука геохимия оформилась в начале XX века в России благодаря гениальным трудам В.И. Вернадского (1863 – 1945).
Окончив Петербургский университет, где его учителями были В.В. Докучаев, Д.И. Менделеев, А.А. Иностранцев, A.M. Бутлеров, он в 1891 г. возглавил кафедру минералогии в Московском университете. Здесь сложился коллектив «большой силы»: А.Е. Ферсман, Я.В. Самойлов, ПЛ. Пилипенко, А.А. Иванов, возникла блестящая школа минералогов и геохимиков. В.И. Вернадский создает генетическую минералогию, придавая минералогии новое содержание. От химии минералов, от изоморфизма, энергетического анализа природных процессов В.И. Вернадский пришел к изучению атома, к его истории и поведению в геологических процессах, т.е. к геохимии. Основополагающие идеи В.И. Вернадского – минералогия есть история минералов в земной коре; минерал – это продукт химических реакций, химическое соединение, устойчивость которого определяется термодинамическими параметрами (Р, Т, концентрация и др.). С именем В.И. Вернадского связано начало дифференциации геохимии (биогеохимия, радиогеология). Он впервые сформулировал задачи и проблемы геохимии, указал место ее среди других наук и пути ее развития. Им дана история химических элементов в земной коре: С, Al, Th, Си, U и др. Он выделил «состояние рассеяния» элементов как одну из форм нахождения - «неминеральную»; дал геохимическую классификацию элементов (позже это сделали и другие ученые). В.И. Вернадский исключительно глубоко и точно определил роль радиоактивных элементов (и явление радиоактивности) и их значение в жизни Земли.
Этот этап истории геохимии связан также с именами петрографов И. Фогта (1858 – 1932) и П. Ниггли (1888 – 1953). Они заложили основу физико-химической петрографии, которая открыла широкие возможности для определения химического состава земной коры. Позже, в 50 -70-е годы XX столетия вопросами физикохимии процессов минералообразования при метаморфизме и метасоматозе занимался Д.С. Коржинский и его последователи Л.И. Шабынин, В.А. Жариков, А.А. Маракушев, Л.Л. Перчук и др.
III этап – кристаллохимический
В 30-е и 40-е годы XX века основное развитие геохимии проходило по кристаллохимическому направлению благодаря выдающимся работам В.М.Гольдишидта (1888 – 1947) – представителя норвежской школы. Известно, что в растворах и расплавах элементы чаще всего находятся в состоянии ионов, и при их взаимодействии большое значение приобретают параметры – размер (радиус) и заряд (валентность). Именно этими вопросами и занялся В.М. Гольдшмидт. Им впервые экспериментально определены размеры радиусов атомов и ионов, что позволило объяснить закономерности изоморфизма, формы кристаллов, предсказывать ассоциации. В.М. Гольдшмидт сформулировал первый закон кристаллохимии и правила изоморфизма. В своей докторской диссертации, посвященной явлениям контактового метаморфизма, он сформулировал минералогическое правило фаз (при изменяющихся Г и Р число фаз – минералов определяется числом компонентов, участвующих в реакции). В.М. Гольдшмидт исследовал историю (миграцию) элементов семейства железа (Ti,V, Сг, Mn, Со, Ni), а также распространение в земной коре Se, Li, Rb, Cs, Be, As, Au, В, элементов группы Pt и TR, дал геохимическую классификацию.
В этом направлении работали также В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, Л.Ф. Капустинский, У.А. Брегг, К. Шибольд, Л. Паулинг, Т. Барт, П. Ниггли, Н.В. Белов, Г.Б. Бокий и другие ученые
IV этап – геоэнергетический
Этот этап связан с именем А.Е. Ферсмана (1883 – 1945). В 1912 г. Ферсман прочитал первый курс новой науки – геохимии. Им создано более 1000 трудов и среди них уникальные монографии: «Пегматиты», «Геохимия» (пятитомник) – неисчерпаемый источник мыслей и идей, «Полезные ископаемые Кольского полуострова». Последняя была удостоена Государственной премии 1-й степени в 1942 г., а в 1943 г. A.I-. Ферсману была присуждена высшая геологическая награда мира Английским королевским обществом – медаль Волластона, сделанная из палладия.
Идеи А.Е. Ферсмана в области энергии геологических процессов Подняли минералогию и геохимию на новую ступень развития. Все природные процессы и явления он рассматривал с энергетических пошипи (кларки, миграция, изоморфизм). Ему принадлежат термины: «кларк», «геофаза», «гипергенез», «миграция элементов», «параген», «эндокриптия», «геохимические уровни и ступени» и др. А.Е. Ферсман разработал теоретические основы геохимических методов поисков, дал определение геохимии и геохимическую классификацию элементов, выделил факторы миграции и изоморфизма.
Позже вопросами геоэнергетики занимались А.Ф. Капустинский, А.А. Сауков, В.И. Лебедев, B.C. Урусов и др
ВЫВОДЫ
Время рождения геохимии как науки – 1908-1911 года, место рождения – МГУ, кафедра минералогии, которой в те годы руководил В.И.Вернадский, который является основателем этой науки. Он дал такое определение геохимии: «геохимия изучает всю историю атомов (ионов) химических элементов Земли». Первый курс геохимии был прочитан в Москве А.Е.Ферсманом в Народном университете. Им же в 1933-1939 гг. была выпущена «Геохимия» в 4 томах, где были впервые систематизированы данные о миграции и концентрации химических элементов с объяснением причин, обусловивших их.
Основы геохимии закладывались с древних времен:
Атомистический подход в понимании мира – Левкипп (440-500 г до н.э.), Демокрит (460-370 г до н.э.), Лкуреций Кар.
Бойль (1621-1691) – представления об океане как среде, в которой растворяются большинство горных пород и компонентов атмосферы
Лавуазье (1743-1794) – история элементарных газов в земной коре, исследования природных вод.
М.В. Ломоносов – впервые установил происхождение руд, углей.
Шенбейнввел понятие науки «Геохимия» -1848
1859 – немецкие ученые Г.Р.Киргофф и Р.В.Бунзен заложили основы спектрального анализа;
1869 – открытие Д.И.Менделеевым периодического закона;
1896 – открытие А.А.Беккерелем радиоактивности;
1897 – открытие Дж.Томсоном электрона;
1898 – открытие П.Кюри и М.Кюри-Склодовской сильно радиоактивных элементов (радия и полония);
1911 – открытие Э.Резерфордом атомного ядра и создание модели атома.
Основные понятия геохимии.
Кристаллическая решетка, минерал, горная порода, атомные и ионные радиусы, кларк, кларк концентрации (КК), геохимическое поле
Кристаллическая решетка –закономерное расположениеи атомов, ионов, молекул в пространстве (минерале) в виде совокупности узлов (атомов, ионов, молекул).
Атомные и ионные радиусы –радиусы ионов и атомов (расстояния между центрами «шаров» при плотнейшей упаковке)
Кларк – среднее содержание элемента в земной коре (в определенной группе пород)
Кларк концентрации – отношение содержания элемента в породе к кларку.
Геохимическое поле– геологическое пространство, охарактеризованное цифрами содержаний химических элементов Сx, как функциями координат и времени Сx = f(x, y, z, T)>0
3. Связь «Геохимии» с другими науками
Заслуживают особого внимания вопросы методологии геохимии для правильной оценки ее достижений, подходов для дальнейшего изучения вещества и преподавания предмета. Будучи наукой сложной, состоящей из ряда других обособившихся в ней наук, направлений или систем, геохимия сама является частью геологической системы знаний. Так, петрография - минералогия - геохимия - это цепь геологических наук, которая реально отражает существующее в природе единство: горная порода - минерал - атом.
Геохимия использует идеи философии диалектического материализма. Как говорит Л.Н. Овчинников [49], «дифференциация вещества Земли - закономерное отражение движения и развития материи в диалектическом единстве пространства и времени. Эти всеобщие формы бытия материи особенно ясно обнаруживают свое единство в геологических процессах и в тех закономерностях, которые определяют образование продуктов этих процессов».
Поскольку геохимия - наука комплексная, она использует весь арсенал методов сопредельных наук. Химические методы - химический анализ, полярография, фотоколориметрия, измерение рН и Eh, термография, деривато-термография, гомогения и другие; физические методы - рентгеновский (рентгенофазовый, рентгено-структурный, рентгеноспектральный), спектральный, люминесцентный, радиометрический, изотопный, магнитометрический, микрозондовый анализы, электропарамагнитный резонанс, ИК-спектроскопия, оптическая спектроскопия, ядерная гамма-резонансная спектроскопия, растровая электронная микроскопия [62, 43]; геологические методы — геологическое картирование, палеонтологический, стратиграфический методы, микроструктурный анализ, шлиховой метод, оптическая петрография, минераграфия, литологический анализ пород, геофизический метод, стереометаллогенические исследования.
лекцІя №2
Походження і поширеність хімічних елементів у природі
1. Происхождение химических элементов
2. Особенности распределения химических элементов
Дата добавления: 2015-08-21; просмотров: 643;