3 Методология геохимии

Глава 1. Методы геохимических исследований

Науки точные и в то же время традиционные, например химия,

математика, физика, используют специфические, лишь им свойственные

методы исследования. Геохимия, являясь наукой комплексной, использует,

соответственно, комплексные методы – геологические, геолого-

минералогические, физические, химические, термические, математические

и т. д.

Физические методы – это, прежде всего, физические методы анализа

вещества – рентгеноспектральный, спектральный, рентгеноструктурный анализ,

электронография, радиометрия, изотопный анализ, спектрофотометрия,

люминисценция, магнитохимические измерения величин магнитной

восприимчивости и т. д.

Химические методы исследования вещества включают полярографию,

фотокалориметрию, определение pH (щелочности или кислотности среды) и Eh

(окислительно-восстановительного потенциала) и классический полный

силикатный химический анализ вещества.

Из термических методов помимо термографии, позволяющей получать

кривые обезвоживания, температуры диссоциации карбонатов, точки

превращения, все большее распространение получают исследования

температур гомогенизации газово-жидких включений, температур

декрипитации и т. д.

Геохимические методы сосредоточены на изучении минералогической

и химической зональности, парагенеза минералов, образовавшихся из общей

многокомпонентной физико-химической системы, последовательности

выделения минералов, метасоматических замещениях одного минерала другим.

Поэтому геохимические методы исследований трудно отделить от

минералогических.

К методам геохимических исследований можно отнести геохимические

поиски и экспериментальное воспроизводство природных процессов. Среди

методов геохимических поисков следует отметить металлометрию,

позволяющую строить ореолы рассеяния элементов вокруг месторождений, как

8

в рыхлых, так и в кристаллических породах. Металлометрию можно отнести

и к геохимическим методам, так как ее конечной целью является построение

карт геохимических ореолов, и к химическим методам в том случае, если

содержание компонентов определяется химически.

Экспериментальное воспроизводство природных процессов получило

широкое распространение при синтезе минералов и при изучении процессов их

дальнейшего изменения, замещения и разрушения. Иногда таким способом

можно выяснить формы переноса химических элементов в каком-либо

процессе, состав рудоотлагающих растворов и условия образования отдельных

минералов.

Главная особенность методологии геохимии, определенная еще А.Е.

Ферсманом и В.И. Вернадским, состоит в изучении геологических процессов

на атомарном уровне. Важной составляющей методологии является также

изучение диаметрально противоположных сторон процесса, например,

концентрации и рассеяния элементов как составных частей миграции

элементов.

Поскольку геохимические процессы являются вероятностными, при их

изучении широко используют теорию вероятности и математическую

статистику.

Совокупность сведений о процессах миграции выделяют в особый раздел

геохимии – геохимию процессов миграции (геохимию процессов), который

состоит из самостоятельных направлений – геохимии эндогенных,

гидротермальных, экзогенных и других процессов.

При исследовании геохимических процессов, в частности, миграции

элементов, применяется системный подход, как метод геохимических

исследований. Например, Земля и земная кора неоднородны и расчленяются на

системы различного ранга. В различных системах: земной коре, гидросфере,

атмосфере и т. п. идут различные, порой разнонаправленные процессы,

связанные в одно целое.

Одной из составных частей изучения геохимических систем является

исследование их структуры, т. е. совокупности составных частей и способов

связи между ними. Связи между геохимическими системами можно

классифицировать как по типу среды, в которой они осуществляются,

например, водные, воздушные и т. д., так и по характеру взаимодействия.

В последнем случае можно говорить о прямых и обратных связях.

Прямая связь широко распространена в системах земной коры. Примерами

прямой связи являются влияние процессов окисления на формирование руд,

влияние радиоактивного распада на концентрацию в земной коре свинца,

аргона и т. д.

Обратная связь может быть сформулирована как воздействие

управляемого процесса на управляющий процесс или объект. Например,

появление ледников в результате похолодания привело к увеличению

отражательной способности Земли и, соответственно, к более сильному

лучеиспусканию, а это, в свою очередь, вызвало еще большее охлаждение

и развитие ледников.

Часто при реализации данного типа обратной связи мы наблюдаем

«эффект лавины». Такая обратная связь положительна. Обратная связь может

и ослаблять какой-либо процесс, в этом случае она отрицательна. Например,

в эпохи вулканизма в атмосферу выбрасывалось много CO2, что способствовало

потеплению климата и усилению фотосинтеза. Эти процессы вызвали

активизацию углеродообразования и карбонатообразования в морях, что

привело, в свою очередь, к изъятию избыточного СО2.

Обратная связь определяет явление саморегулирования: всякое отклонение

от стационарного состояния вызывает такие процессы, которые

возвращают систему в исходное состояние. В физической химии это

положение обосновывается законами термодинамики и носит название

«принципа Ле-Шателье». Обобщенная теория систем распространяет его на

любые системы, именуя «обобщенным принципом Ле-Шателье: всякая

система подвижного равновесия стремится измениться таким образом,

чтобы эффект внешнего воздействия был минимальным».

Во многих системах можно выделить так называемый структурный центр.

Такие системы называются централизованными. Это, к примеру, Солнечная

система (центр – Солнце), разрушающиеся на земной поверхности руды (центр

– первичные руды) или горно-обогатительный комбинат (центр – управление

ГОКа). Существуют также нецентрализованные системы, системы с двумя или

многими центрами – бицентрические и полицентрические. Изучение любой

системы начинается с поиска и изучения центра. Принцип централизаци –

важная особенность методологии геохимии.

По уровню организации материи системы, изучаемые в геохимии,

разделяются на три основных типа:

1. Абиогенные системы, в которых протекают только процессы

механической и физико-химической миграции. Это магматические очаги

в земной коре и мантии, гидротермальные системы, многолетнемерзлые толщи

пород, отдельные минералы и др.

2. Биокосные системы, для которых характерны биогенная миграция,

тесное взаимопроникновение живых организмов и неорганической материи.

В этих системах развиваются явления механической миграции, но

определяющее значение имеет биогенная миграция. Примерами биокосных

10

систем являются почва, кора выветривания, природный ландшафт, мировой

океан, река и т. д. Самая крупная биокосная система – биосфера, т. е. вся

область, населенная живыми организмами.

3. Техногенные системы с ведущим значением техногенной миграции.

К техногенным системам относятся промышленные предприятия, города,

транспортные артерии и т. п. В результате миграции вещества возникает

геохимическая зональность, в этом случае система разделяется на отдельные

зоны. Зональность бывает также разного порядка – от планетарной до

региональной и зональности отдельного месторождения. Кроме того,

существует горизонтальная (субгоризонтальная, латеральная) и вертикальная

зональность Изучение геохимической зональности – крайне важная задача

геохимии.

Помимо изучения отдельных процессов и систем существует еще один

важный аспект геохимического исследования – это геохимия отдельных

элементов, объектом исследования которой служит конкретный химический

элемент, его миграция в разных процессах и системах. Данный раздел геохимии

включает в себя несколько направлений: геохимию редких элементов,

геохимию щелочных металлов и др.

Таким образом, различия перечисленных выше аспектов геохимического

исследования сводятся к следующему.

В геохимии процессов изучается миграция химических элементов

в определенном процессе, который распространен в различных частях земной

коры, в разных системах. Например, выветривание полевых шпатов развивается

и в почвах, и в корах выветривания, и в водоносных горизонтах и т. д.

В геохимии систем изучается миграция химических элементов

в различных системах, для которых характерны противоположные

взаимосвязанные процессы. Например, в гидротермальных системах протекают

растворение, осаждение, разложение вмещающих пород и т. д.

В геохимии элементов изучается поведение конкретного элемента

в разных процессах и системах.

Важно отметить, что в прошлые исторические эпохи миграция вещества

протекала не так, как сейчас. Поэтому историзм является важнейшим

методологическим принципом геохимии. Важность подобного подхода

подчеркивали В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман, а А.А. Сауков предложил

выделить «историческую геохимию» в самостоятельный раздел науки.__