Глава I. Введение в геохимию

Геохимия – история химических

элементов нашей планеты.

В.И. Вернадский.

1.1 Предмет, история и методология геохимии

Предмет геохимии как науки.

Геохимия существует и развивается как единая система почти 100 лет и занимает важное место в системе наук о Земле. Как самостоятельная отрасль науки геохимия оформилась в первом десятилетии XX в. в России; её основателем был В.И. Вернадский. Термин «геохимия» предложен швейцарским химиком Ф. Шёнбейном в 1838 году для обозначения науки о химических процессах в земной коре. Но эти процессы изучают также минералогия, петрография и дру­гие науки, в связи с чем ещё одна наука, объединяющая реально су­ществующие отрасли знания, оказалась излишней. Поэтому термин «гео­химия» был использован В.И. Вернадским для обозначения созданной им науки – истории атомов Земли. В 70-х годах XX в. космонавтика достави­ла прямую информацию о породах Луны, атмосферах Венеры и Марса. Исследованием этих вопросов занялись геохимики, стали употреблять­ся словосочетания «геохимия Луны», «геохимия Марса». Поэтому теперь можно дать следующее определение предмета геохимии: геохимия изу­чает историю атомов Земли и других планет земной группы.

Геохимию определяют как науку, изучающую химию Земли в целом и отдельных её структурных единиц. Она изучает распределение и миграцию химичес­ких элементов на Земле в пространстве и во времени. Космохимия – наука о нахождении и распределении элементов во Вселенной в целом.

Для геохимии характерен «атомарный уровень исследования».

XX век справедливо называли «атомным» не только пото­му, что в прошлом столетии человечество овладело атомной энергией, но и в связи с проникновением идей атомистики в самые различные от­расли естествознания, развитием особого атомистического подхода – исследования природных процессов на «атомарном уровне», с точки зрения поведения атома в данной природной системе. Хотя корни этой методологии уходят в античную науку (Левкипп, Демокрит, Эпикур, Лук­реций Кар и др.), инструментом активного познания природы атом впер­вые стал в XIX веке после того, как Д. Дальтон и другие разработа­ли атомистическую теорию строения вещества. Развитие в XX веке представлений о сложном строении атома, об атомном ядре сделало физику и химию признанными лидерами естествознания и техники. Атомарный уровень исследования проник и в естественноистори­ческие науки, определив появление в них новых научных направлений, к числу которых относится и геохимия. Объект её изучения – хими­ческий элемент, его распределение и миграция в разных системах. Данный подход выявил новые научные задачи: определение среднего состава земной коры (проблема кларков), изучение всеобщего рассе­яния химических элементов, исследование неминеральной формы нахож­дения элементов в литосфере и др. Многие из этих задач даже не воз­никали до появления геохимии.

Другая особенность прошлого века – развитие наук на границе различ­ных отраслей знания. Подобные «гибридные науки» используют для ре­шения стоящих перед ними задач идеи, понятийный аппарат и методы разных, часто достаточно далёких друг от друга разделов естество­знания (геофизика, биофизика, биохимия, биокибернетика и т.д.). Геохимия – также гибридная наука, она возникла на стыке химии и геологии.

Таким образом, в становлении геохимии нашли отражение две важные особенности современного естествознания: изучение природ­ных явлений на атомарном уровне и возникновение гибридных наук. Современная геохимия включает в се­бя ряд самостоятельных наук, в связи с чем её следует рассматривать как систему наук, как часть более крупной системы – геологические науки. Как и все науки об атомах, геохимия быстро развивается. Гео­химические идеи и методы используются во многих науках о Земле, прикладное значение геохимии особенно выросло в эпоху научно-технического прогресса. Распрост­ранённость элементов в геосферах Земли и планет, миграция элемен­тов в природных и техногенных системах – основные теоретические проблемы геохимии.

История геохимии.

а) Возникновение геохимии.

Самые отдалённые корни геохимии уходят к Теофрасту, Плинию и дру­гим античным учёным. Однако это были лишь предположения, на смену которым в XVII - XIX вв. пришли опытные данные о химических про­цессах в земной коре и их осмысление с позиций, которые мы те­перь именуем геохимическими. В XVII в. англичанин Р. Бойль изу­чал химию атмосферы и природных вод, а голландец X. Гюйгенс подо­шёл к пониманию жизни как космического явления. В XVIII в. М.В. Ломоносов обосновал значение химии для геологии, дал объяснение процессам образования угля, нефти, торфа, рассмотрел ряд других геохимических проблем в своих знаменитых книгах «О слоях земных» и «О рождении металлов». Француз А. Лавуазье заложил фундамент геохимии газов атмосферы, геохимии природных вод.

В первой половине XIX в. большое значение имел грандиозный труд шведского химика И. Берцелиуса в области химического анали­за горных пород, руд, минералов и вод. Он открыл торий, церий, се­лен, впервые получил в свободном состоянии кремний, титан, цирко­ний. В этот же период немецкий натуралист А. Гумбольт много внима­ния уделял влиянию жизни на окружающую среду, а его соотечествен­ники – химики К. Шпренгель и Ю. Либих и французы Ж. Дюма и Ж. Буссенго установили геохимическую роль растений. Эти работы послужи­ли основой будущей биогеохимии. В середине XIX в. немцы К. Бишоф и И. Брейтгаупт рассматривали химический состав земной коры, кру­говорот веществ в ней, они вплотную подошли к геохимии.

В 1859 г. появилась возможность определения в горных породах следов химических элементов с помощью метода спектрального анали­за (Г.Р. Кирхгоф и Г. Бунзен), этот метод сыграл исключительную роль в геохимии. Огромное значение имело открытие в 1862 г. Д.И. Менделеевым периодического закона: «Трудно найти для геохимии сре­ди обобщений природы другой закон, который был бы столь плодотвор­ным в её исканиях, трудно найти другое эмпирическое правило, кото­рое бы заключало в себе так много глубокого теоретического и прак­тического смысла», – писал о периодическом законе А.Е. Ферсман.

Этот закон используется в геохимической классификации элементов, при анализе величин радиусов атомов, ионов, других свойств элемен­тов, при характеристике их технологических свойств, геохимических особенностей отдельных процессов, систем, регионов и т.д. Закон Д.И. Менделеева – это подлинный компас геохимика; анализ научных и практических проблем на базе периодической системы – важная особенность методологии геохимии.

В 80-е годы XIX в. стал систематически заниматься определени­ем среднего состава земной коры Ф.У. Кларк (1847-1931) – руково­дитель химической лаборатории американского геологического комите­та в Вашингтоне. Он отобрал 880 наиболее точных анализов горных по­род и в 1889 году вычислил среднее содержание в них 10 химических элементов. Он считал, что анализы дают представление о твёрдой зем­ной коре мощностью 16 км. Кларк трактовал геохимию как совокупность сведений о химическом составе земной коры, развивая в этом отноше­нии взгляды учёных XIX в. «Эти данные – числа Кларка – долгое вре­мя не оказывали влияния на научную мысль, встречали возражения, и их огромное значение оценено было лишь за последнее десятилетие», – писал В.И. Вернадский. Кларк наряду с Вернадским стал заслуженно включаться в число основоположников геохимии.

б) Становление геохимии и её развитие в первой половине XX века.

Годы рождения геохимии 1908-1911, место рождения – кафедра минералогии Московского университета, которой с 1891 г. руководил В.И. Вернадский. Минералогию учёный трактовал как химию соединений земной коры и поэтому большое значение придавал точному химическо­му анализу минералов. До его работ господствовало представление о минеральной форме нахождения химических элементов в литосфере. Счи­талось, что медь входит в состав халькопирита (CuFeS₂) и других медных минералов, цинк – сфалерита (ZnS) и т. д. Сколько меди или цинка находится в гранитах или базальтах, т.е. породах, не содер­жащих минералы этих элементов, было неизвестно, и сама постановка вопроса не представлялась актуальной. Методы анализа тоже не всег­да позволяли решать подобные вопросы. Поэтому, когда В.И. Вернадский стал спектральным анализом определять в горных породах цезий, руби­дий, индий, таллий, висмут и другие редкие элементы, его работа ока­залась новаторской. Учёный создал представление о «неминеральной», «рассеянной» форме нахождения химических элементов. В.И. Вернадский при­шёл к выводу о всеобщем рассеянии химических элементов, о том, что «все элементы есть везде». В 1909 г. на XII съезде русских естест­воиспытателей и врачей учёный говорил: «В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем всё новые и новые элементы. Получается впечатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те элементы, какие наблюдаются на зем­ном шаре, в небесных пространствах. Вопрос связан лишь с улучшени­ем и уточнением методов исследования. При их улучшении мы находим Na, Li, Sr там, где их раньше не видели; при их уточнении мы от­крываем их в меньших пробах, чем делали раньше. История Ni, V, Au, U, He, иттроцериевой группы и т. д. приводит нас к одинако­вым выводам. Они находятся всюду и могут быть всюду констатированы, они собраны в состоянии величайшего рассеяния». В эти же годы вни­мание Вернадского привлекли природные газы, явление радиоактивности. Он всё более преодолевает «минералогическое мышление», выбирая в качестве объекта исследования химический элемент. Таким образом, геохимия выросла из минералогии. Её становлению способствовали от­крытия начала XX в., оформившие представление об атоме как о впол­не реальной и сложной системе.

Первый курс новой науки прочитал в 1912 г. для студентов Народ­ного университета им. A.JI. Шанявского в Москве талантливый ученик Вернадского, вместе с ним строивший здание геохимии, А.Е. Ферсман. Затем Вернадский и Ферсман перенесли свои исследования в Петербург, в Российскую Академию наук, действительным членом которой Вернадс­кий стал в 1912 г., Ферсман – в 1919 г. Большое значение в 20-е го­ды для развития науки за рубежом имело преподавание В.И. Вернадским геохимии в Праге и Париже.

Геохимические исследования А.Е. Ферсмана на Кольском полуост­рове в 20-х годах привели не только к выдающимся результатам, но и к открытию крупнейших месторождений апатитов и другого сырья, а в дальнейшем и к созданию первого в мире горнопромышленного центра за полярным кругом. Большое значение имели экспедиции Ферсмана в Среднюю Азию, на Урал и в другие рудные провинции бывшего СССР. В ходе этих работ создавалась школа геохимиков (К.А. Власов, А.А. Сауков, Д.И. Щербаков, В.В. Щербина и др.). Ферсман был основателем и ди­ректором Геохимического института Академии наук СССР в Ленинграде (1930 г.). В 1933-1939 гг. Ферсман опубликовал четыре тома «Гео­химии» – первое систематическое изложение этой науки.

Наибольшее внимание в этот период геохимики уделяли миграции элементов в растворах и расплавах, в которых элементы часто нахо­дятся в форме ионов. В связи с этим в геохимии большое значение приобрела ионная концепция, основоположником которой был норвежс­кий геохимик В.М. Гольдшмидт. Учёный вычислил размеры ионных ради­усов (1926 г.), сформулировал первый закон кристаллохимии и прави­ла изоморфизма, заложил основы геохимии минералов. Поэтому основ­ное развитие геохимии в 30-х и 40-х годах пошло по кристаллохими­ческому направлению. Второй закон кристаллохимии сформулировал физико-химик А.Ф. Капустинский (впоследствии член-корр. Академии на­ук СССР). Тогда же были созданы региональная геохимия, геохимия осадочных пород и руд, геохимия процессов выветривания, геохимия природных вод, геохимия галогенеза (изучение солёных озёр и под­земных рассолов на основе физико-химических идей Я. Вант-Гоффа и Н.С. Курнакова). В начале 20-х годов В.И. Вернадский заложил основы биогеохимии – науки о геохимической роли организмов. Наибольшее значение имели труды Вернадского «Биосфера» (1926 г.). «Очерки геохимии» (1927 г.), «Биогеохимические очерки» (1940 г.).

в) Геохимия в эпоху научно-технического прогресса.

В эпоху НТП проблема минерального сырья приобрела исключительно ва­жную роль. Выявилась потребность в германии, уране, бериллии, литии и др. редких элементах. В 60-е годы XX в. особо актуальной стала проблема загрязнения окружающей среды. Теоретической основой реше­ния обеих проблем во многом явились идеи и методы геохимии. Поэто­му во второй половине XX в. началось особенно быстрое её развитие.

В Академии наук СССР были созданы крупный Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского в Москве и Институт геохимии им. А.П. Виноградова в Иркутске. В университетах были созданы ка­федры геохимии. Центры развития геохимии сложились в Англии, Кана­де, США, Японии, Франции, ФРГ и др. государствах.

Быстро развиваются традиционные направления по геохимии магматичес­ких, гидротермальных и гипергенных процессов. Всё большую роль в исследованиях играют методы физической химии, особенно термодинами­ки. В качестве самостоятельного направления оформилась физическая геохимия. Быстро развивается биогеохимия. Самостоятельными направ­лениями стали органическая геохимия (геохимия рассеянного органи­ческого вещества, геохимия нефти, газа), создаётся палеобиохимия. Развивается геохимия редких элементов, гидрохимия и гидрогеохимия. Выделилась геохимия океана. Быстро развиваются все разделы приклад­ной геохимии.

Методология геохимии.

Главная особенность методологии геохимии, уста­новленная В.И. Вернадским и А.Е. Ферсманом, – изучение миграции атомов в земной коре, других оболочках Земли, в планетах земной группы. Использование этой методологии позволило создать самостоя­тельную отрасль геохимии – науки, которой принадлежит важное место в системе наук о Земле.

В результате миграции происходит концентрация и рассеяние эле­ментов. Совокупность сведений о процессах миграции рационально вы­делить в особый раздел геохимии – геохимию процессов миграции, ко­торый состоит из самостоятельных направлений: гидротермальных, гипергенных, техногенных и др. процессов. Изучение противоположных сторон миграции – концентрации и рассеяния элементов – составляет одну из важных особенностей методологии геохимии. Выделяется четы­ре основных вида миграции химических элементов: механическая, фи­зико-химическая, биогенная и техногенная.

В первой половине XX в. исследования проводились на вещественно-энергетическом уровне. В последние десятилетия появился тре­тий аспект изучения миграции – информационный. Кроме социальной и биологической информации говорят и об информации в неживой приро­де. При изучении геохимии применяется системный подход. Системы, изучаемые в геохимии, по формам движения материи разделяются на четыре основных типа: абиогенные системы, биологические системы, биокосные системы, техногенные системы. При изучении геохимических систем необходимо выявлять их прямые и обратные связи (положитель­ные и отрицательные), анализировать явления саморегуляции, оцени­вать целостность, упорядоченность, централизацию, другие информа­ционные показатели.

Объектом геохимических исследований является конкретный хими­ческий элемент, его миграция в разных процессах и системах; в геохимии процессов изучается миграция элемента в определённом процессе (например, выветривание полевого шпата и в почве, и в водоносных слоях и в илах и т.д.); в геохимии систем изучается миграция элементов в определённых сис­темах, для которых характерны противоположные взаимосвязанные про­цессы, например, в гидротермальных системах протекает растворение, осаждение, разложение вмещающих пород, диффузия и т.д.; в геохимии элементов изучается поведение элемента в разных процес­сах и системах.

Принцип историзма – это важнейший методологический принцип геохимии. Огромное многообразие процессов и систем, изучаемых гео­химией, естественно выдвигает задачу их классификации. Периодический закон Д.И. Менделеева – основа для анализа научных и практических проблем на базе периодической системы – существенная особенность методологии геохимии. Этот за­кон используется в геохимической классификации элементов, при ана­лизе величин радиусов атомов, других свойств элементов, при харак­теристике их технологических свойств, геохимических особенностей отдельных процессов, систем и т. д.

Прикладная геохимия.

Теоретические положения геохимии используется при поисках, добыче и переработке минерального сырья, при охране среды, в здра­воохранении, сельском хозяйстве. Важнейшие понятия прикладной гео­химии – «геохимическое поле», «геохимическая аномалия», «геохими­ческий фон». Геохимическое поле – это пространство, характеризуе­мое количественными содержаниями химических элементов. Геохими­ческий фон данной системы (участка) – это среднее или модальное содержание химического элемента в пределах геохимической однород­ной системы (участка). Геохимическая аномалия – это область со­держаний химического элемента или численных значений других гео­химических показателей (pH, Eh и т.д.) на заданном уровне, от­личающихся от геохимического фона. Аномалии могут быть глобальны­ми, региональными, локальными, точечными и т.д. К геохимическим аномалиям принадлежат и рудные месторождения. Различают положи­тельные (выше фона) и отрицательные (ниже фона) аномалии.

а) Геохимические методы поисков полезных ископаемых.

Месторождения полезных ископаемых образуются в результате концент­рации элементов. Та часть поля концентрации, в которой содержание элементов достигает величин, допускающих их эксплуатацию, называ­ется рудным телом или залежью полезного ископаемого, а само веще­ство с кондиционным содержанием элемента – рудой. Остальная часть поля концентрации называется первичным геохимическим ореолом мес­торождения. Граница между рудным телом и первичным ореолом опре­деляется требованиями промышленности. Протяжённость первичных оре­олов измеряется десятками, сотнями и тысячами метров, причём не­редко ореол достигает земной поверхности, в то время как рудное тело расположено на глубине. При выщелачивании руд и ореолов эле­менты поступают в поверхностные и подземные воды. Растения также накапливают рудные элементы, повышается их содержание и в живот­ных. Так возникает повышенная концентрация элементов в ландшафте, образующая вторичный (эпигенетический) ореол рассеяния. Различают литохимические ореолы – в почвах, породах; гидрогеохимические – в водах; атмохимические – в атмосфере; биогеохимичесние – в организ­мах.

б) Геохимия и проблема окружающей среды.

Человеческое общество стало большой геохимической силой, по мощности и суммарному эффекту вполне сопоставимой с самыми гранди­озными силами природы. Добыча полезных ископаемых, сжигание нефти, газа, угля, выплавка металлов из руд, экспорт, импорт, развитие земледелия и животноводства, урбанизация оказывают столь сильное влияние на миграцию химических элементов, что возникла необходи­мость выделения особой категории геохимических процессов – техно­генной миграции (техногенеза). Их изучение приобрело очень большое значение в связи с загрязнением окружающей среды. В результате возникли понятия о техногенных геохимических аномалиях, техноген­ных ореолах рассеяния, техногенных барьерах. В геохимии техногене­за уже наметились самостоятельные направления, среди которых наи­большее практическое значение приобрела геохимия городов.

в) Геохимия и здравоохранение.

Здоровье человека во многом определяется содержанием химических элементов в окружающей среде – в почве, воде, атмосфере, продуктах питания. Существуют оптимальные содержания, нарушения которых при­водят к заболеванию. Так, при недостатке иода в ландшафте или пи­ще развивается эндемический зоб (особенно в горных районах), при дефиците фтора в питьевой воде – кариес зубов, при избытке фтора – флюороз, при избытке молибдена в воде – подагра и т. д. Задача ге­охимии состоит в изучении законов распределения химических элемен­тов в ландшафтах и, таким образом, в предоставлении медицине исход­ных данных для выяснения причин заболеваний, разработки их профи­лактики и методов лечения.

г) Геохимия и сельское хозяйство.

Многие болезни культурных растений и домашних животных также связаны с дефицитом или избытком химических элементов в окружаю­щей среде. Известно, что некоторые болезни животных и растений связаны с дефицитом или избытком кальция, меди, кобальта, бора, свинца, селена, молибдена и других элементов. Геохимические исс­ледования актуальны также при применении удобрений и минеральной подкормки животных.

д) Геохимия и химическая технология.

Изучая законы распределения химических элементов в горных поро­дах и минералах, геохимия изыскивает новые источники сырья для промышленности. Так, с помощью геохимических методов были установ­лены источники рения (молибденовые руды), гафния (цирконы), кад­мия и индия (полиметаллические руды), германия (зола углей) и т.д. Выявляя ассоциацию элементов в определённом типе руд, геохимик ре­комендует технологу извлекать все компоненты (а не только главные), намечает наиболее рациональные пути извлечения элементов из руд.