1) Геохимия — наука о химическом составе Земли и планет (космохимия), законах распределения и поведения химических элементов и изотопов в процессах формирования планет. горных пород, почв, природных вод и других объектов среды, в которой живет человек.

Весь окружающий нас мир – это мир химических элементов и их соединений в самых разных формах и фазовых состояниях. Буквально слово "геохимия" означает "химия Земли", но современная геохимия не ограничивается только нашей планетой, но включает в себя науку о химическом составе объектов космоса - космохимию.

Геохимия как наука о естественной истории атомов химических элементов (В.И.Вернадский) зародилась в начале прошлого века на стыке классических наук – химии, физики, геологии и биологии и по настоящее время имеет с ними тесную связь.

Разработка проблематики и методологии геохимии как самостоятельной науки, объектом которой являются атомы химических элементов в природе, стала возможной только в 20 веке благодаря основополагающим работам В.М. Гольдшмидта, В.И. Вернадского,А.Е. Ферсмана, А.П. Виноградова, Д.С. Коржинского на базе современных представлений о строении атома и физической химии.

В течение первой половины двадцатого века учёные использовали разнообразные методы для определения состава земной коры; геохимия многих редких элементов была изучена с использованием метода эмиссионной спектроскопии (В.И. Вернадский) и нового метода рентгеноспектрального анализа (В.М. Гольдшмидт и др.). Расшифровка кристаллических структур минералов методом рентгеновской дифракции позволила сформулировать законы распределения химических элементов по фазам природных систем (В.М. Гольдшмидт, А.Е. Ферсман). Родилась изотопная геохимия (Г. Юри, А.П. Виноградов). Принципиальная роль живого вещества в поведении химических элементов в биосфере была показана Вернадским.

Огромный прогресс науки и технологий после Второй мировой войны привёл к появлению новых методов, преимущественно физических методов исследований – рентгено-флюоресцентного, нейтронно-активационного, масс-спектрального с индукционно связанной плазмой, целой группы локальных методов, позволивших исследовать горные породы и минералы с высочайшей чувствительностью и точностью, используя при этом нанограммовые количества вещества.

главным предметом минералогии остается твердое химическое соединение - минерал,  то предмет геохимии - атом.

Задачи геохимии теснейшим образом переплетаются с петрографией и литологией. Образование отдельных минеральных ассоциаций в виде горных пород различного типа - закономерный процесс, который требует знания физико-химических свойств тех систем, из которых образуется порода как более устойчивая система в конкретной геологической обстановке. Любая порода содержит все элементы периодической системы и поэтому распределение элементов по минералам пород и в различных типах пород при высоких температурах представляет собой уже геохимическую задачу, связывающую геохимию с петрографией магматических пород.

Образование осадочных пород связано с кардинальным перераспределением химических элементов между жидкими и твердыми фазами, коллоидными системами, протекающим при низких температурах и давлениях в биосфере. Поэтому литология включает ряд непосредственно геохимических вопросов. Известно, что многие породы являются результатом химического осаждения элементов из концентрированных растворов, и здесь геохимический процесс выступает в «чистом» виде. Широко распространены в осадочной оболочке пород, образование которых непосредственно или косвенно связано с биогеохимическими процессами.

Таким образом, единство геохимии - минералогии - петрографии реально отражает существующее в природе единство атома - минерала - горной породы.

Прогресс геохимии в значительной мере способствует развитию геологии и географии. Геохимический подход к изучению геологических явлений становится неизбежным при изучении процессов магматизма в связи с закономерностями тектоники плит, рудообразования в различных геодинамических зонах и провинциях, геологической истории континентов и выяснении древних геодинамических обстановок. Без геохимии невозможно разобраться в процессах выветривания, формирования ландшафтных зон суши и биохимических зон моря. Географы изучают геохимию ландшафтов как результат вещественного обмена между подстилающими породами, почвами, водами, газами и живым веществом биосферы. Возникающие в атмосфере за счет взаимодействия газов с космической радиацией тритий и радиоуглерод (³Н, ¹⁴С и др.) позволяют количественно оценить газовый баланс и динамику атмосферы и глубинную циркуляцию вод мирового океана.

• геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых (Е.Г. Панова, А.В. Сергеев);

• геохимия осадочных пород, применение геохимических индикаторов при решении вопросов литогенеза (Е.Г. Панова, А.С.Альхов);

• геохимия окружающей среды – изучение закономерностей поведения и форм нахождения токсичных элементов в объектах окружающей среды (Г.Н.Гончаров, Е.Г.Панова, А.В.Сергеев, М.В.Чарыкова);

• термодинамика процессов минералообразования в экзогенных условиях - модельные эксперименты в химической лаборатории в сочетании с компьютерным моделированием (М.В.Чарыкова);

• геохимия изотопов – решение вопросов геохимической эволюции вещества и установления хронологии событий истории Земли (В.М.Саватенков, О.В.Якубович);

• геохимия ртути – исследование закономерностей миграции и форм нахождения ртути в различных природных и техногенных системах (Н.Р.Машьянов, С.Е.Погарев, В.В.Рыжов);

• исследование механизмов согласования глобальных событий в истории Земли с движением Солнечной системы и нуклеосинтеза химических элементов тяжелее железа (Г.Н.Гончаров);

• применение теоретических и экспериментальных методов геохимии для решения прикладных задач в различных областях знаний: в медицине, археологии, геммологии, химической технологии и др. (Е.В.Баданина, Г.Н.Гончаров, М.Л.Зорина, Е.Г.Панова).

2) Геохимия имеет глубокие корни. Её основы могут быть прослежены в античности, но многие из открытий, лежащих в основе науки, были сделаны между 1800 и 1910 годами. Была составлена периодическая система элементов, открыта радиоактивность и разработана термодинамика гетерогенных систем. Солнечный спектр был использован для определения состава Солнца. Эта информация, совместно с химическими анализами метеоритов, открыла дверь для нового понимания Вселенной.

В течение первой половины двадцатого века множество учёных использовали разнообразные методы для определения состава земной коры, и геохимия многих редких элементов была изучена с использованием появившегося метода эмиссионной спектроскопии. Вернадский основал биогеохимию. Кристаллические структурыбольшинства минералов были определены методом рентгеновской дифракции. Родилась изотопная геохимия. Огромный прогресс науки и технологий во время Второй мировой войны привёл к появлению новых приборов. Но геохимия в это время ещё развивалась сравнительно медленно. В 1950-х годах всего нескольких журналов было достаточно для публикации всех важных достижений в геохимии. На собрании Американского геофизического общества геохимических сессий было несколько, большинство из них было посвящено локальным проблемам и не выходили за рамки геохимии.

Однако в 1960-х годах начался расцвет геохимии, продолжающийся до сих пор. За это время в науке произошёл существенный прогресс. Атмосферная и морская геохимия интегрировались в геохимию твёрдой Земли; космохимия и биогеохимия внесли огромный вклад в наше понимание истории нашей планеты. Началось изучение Земли как единой системы.

Масштабные морские экспедиции показали, как и насколько быстро смешиваются воды океанов, они продемонстрировали связь между морской биологией, физическойокеанологией и морским осадконакоплением. Открытие гидротермальных источников показало, как формируются рудные месторождения. Были открыты прежде неизвестные экосистемы, и были выяснены факторы, которые управляют составом морской воды.

Теория тектоники плит преобразила геохимию. Геохимики наконец поняли поведение осадков и океанической коры в зонах субдукции, их погружение и эксгумацию. Новые эксперименты при температурах и давлениях глубин Земли позволили выяснить, какова трехмерная структура мантии и как происходит генерация магм. Доставка на Землю лунных пород, исследование с помощью космических аппаратов планет и их спутников и успешный поиск планет в других звёздных системахпроизвели революцию в нашем понимании Вселенной.

Геохимия также тесно срослась с экологией. Открытие озоновых дыр прозвучало как недвусмысленный тревожный признак и источник новых фундаментальных взглядов в фотохимии и динамике атмосферы. Увеличение содержания СО₂ в атмосфере вследствие сжигания ископаемого топлива и уничтожения лесов было и будет предметом основных дискуссий о глобальных антропогенных изменениях климата. Исследование этих явлений служит источником новой информации о взаимодействии атмосферы с биосферой, корой и океанами.

На сегодня геохимия заняла ведущее место среди наук о Земле. Она изучает глобальные перемещения вещества и энергии во времени и пространстве. Сбылось предсказание Вернадского о центральной роли геохимии среди наук о веществе.

Основоположники науки[править | править вики-текст]

Термин геохимия в 1838 г. ввёл К. Ф. Шёнбейн.

Геохимия как самостоятельная наука была создана: В. И. Вернадским, Ф. У. Кларком, А. Е. Ферсманом, В. М. Гольдшмидтом и А. П. Виноградовым.

Впервые термин «геохимия» употребил в 1838 году швейцарский химик Христиан Фридрих Шенбейн (1799–1868). «Уже несколько лет тому назад, — писал он в 1842 году, — я публично высказал свое убеждение, что, прежде чем может идти речь о настоящей геологической науке, мы должны иметь геохимию, которая должна направить свое внимание на химическую природу масс, составляющих наш земной шар, и на их происхождение, по крайней мере, столько же, сколько и на относительную древность этих образований и в них погребенных остатков допотопных растений и животных. С уверенностью можно, конечно, утверждать, что геологи не вечно будут следовать тому направлению, последователями которого они сейчас являются. Они, для расширения своей науки, как только окаменелости не смогут достаточно служить им, должны будут искать новые вспомогательные средства и, без сомнения, тогда введут в геологию минералого-химические пути исследования. Время, когда это свершится, кажется мне не столь далеким». Немного позднее, в 1866 году, известный немецкий химик и фармацевт Карл Фридрих Мор (кстати, это он ввел понятие «нормальность раствора», разработал метод определения серебра, сконструировал бюретку и пипетку) напечатал замечательный труд «История Земли. Геология на новых основаниях». В этой книге, анализируя геологические знания своего времени, Мор с ужасом отмечал, что геологи создали свою «физику» и «химию», в которых «легчайшие тела тонут в тяжелейших средах», а пар имеет силу, «какая не снилась обычной физике». Сравнивая относительную силу двух важных кислот, угольной и кремниевой, в различных геологических условиях, он показал, что ближе к поверхности сильнее угольная кислота, поскольку вытесняет кремниевую из ее солей. А в глубине Земли, в области высоких температур и давлений, наоборот, кремниевая становится сильнее. Это был уже вполне современный геохимический подход, основанный на эмпирических минералогических данных.

3) 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.

4) 5)

Элемент % массы Кислород 49.5 Кремний 25.3 Алюминий 7.5 Железо 5.08 Кальций 3.39 Натрий 2.63 Калий 2.4 Магний 1.93 Водород 0.97 Титан 0.62 Углерод 0.1 Марганец 0.09 Фосфор 0.08 Фтор 0.065 Сера 0.05 Барий 0.05 Хлор 0.045 Стронций 0.04 Рубидий 0.031 Цирконий 0.02 Хром 0.02 Ванадий 0.015 Азот 0.01 Медь 0.01 Никель 0.008 Цинк 0.005 Олово 0.004 Кобальт 0.003 Свинец 0.0016 Мышьяк 0.0005 Бор 0.0003 Уран 0.0003 Бром 0.00016 Йод 0.00003 Серебро 0.00001 Ртуть 0.000007 Золото 0.0000005 Платина 0.0000005 Радий 0.0000000001

Распространенность химических элементов в земной коре. Развитие и существование жизни на Земле несомненно должны определяться распространенностью химических элементов в поверхностных частях земной коры, в пределах которых существуют организмы. Основу этих частей, как и земной коры в целом, составляют горные породы, образующие литосферу. Если рассматривать весь блок живого вещества Земли, то можно считать, что его существование обусловлено особенностями распространенности химических элементов в земной коре в целом. Эти особенности были довольно хорошо изучены такими выдающимися учеными, как В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, В.М. Гольдшмидт, Ф.У. Кларк.

Для характеристики рассматриваемых особенностей часто используется термин "кларк" – среднее содержание определенного элемента в конкретной очень крупной геохимической системе. У нас он обычно выражается в процентах, хотя в западных странах все чаще выражают в млн^-1, г/т, млрд^-1 (табл. 3.1). Сам термин "кларк" был введен в науку А.Е. Ферсманом в честь Ф.У. Кларка, впервые определившего содержание в земной коре наиболее распространенных элементов.

Первоначально (Ф.У. Кларк, 1889) были определены проценты от массы земной коры для отдельных химических элементов, названные массовыми кларками земной коры (табл. 3.2). Потом было установлено, какой процент занимают объемы атомов определенных химических элементов от общего объема земной коры, а также их числа от общего числа атомов в земной коре, названные (соответственно) объемными и атомными кларками земной коры. Позже были установлены средние содержания химических элементов в различных типах горных пород (кларки горных пород) и в отдельных крупных регионах типа Кавказа или Урала (местные или региональные кларки).

Вернемся к рассмотрению закономерностей распространения химических элементов в различных крупных геохимических системах и в первую очередь в земной коре.

1. Элементы распространены в земной коре крайне неравномерно. Одних из них в миллиард миллиардов раз (от n · 10 до n · 10^-16) больше, чем других. На долю только О и Si приходится около 70% массы земной коры. Если к ним добавить еще шесть элементов (Al, Fe, Ca, Mg, К, Na), то их суммарная масса составит около 99% массы коры. Добавив к ним еще 29 наиболее распространенных элементов, получим прибавку всего около 1%, при этом на большую часть (по числу) всех оставшихся элементов будут приходиться лишь сотые доли процентов массы земной коры.

Если учитывать объемы атомов, то рассматриваемая неравномерность станет еще более контрастной.

Многие исследователи группировали химические элементы с учетом их кларкового содержания. Так, иногда породообразующими называются 9 наиболее распространенных в литосфере химических элементов: О, Si, Al, Fe, Ca, К, Na, Mg, Ti. На их долю приходится 99,5 % массы земной коры.

Элементы с массовыми кларками меньше 1·10^-2% часто называют редкими. Однако при таком подходе к редким следует относить более 70% химических элементов, известных в земной коре. Ясна бессмысленность

6) О составе пород мантии судят по обломкам, выносимым кимберлитовой магмой с глубины, где наряду с перидотитами содержащими гранат, шпинель, алмазы, встречаются включения высоко метаморфизованных пород — эклогитов.

Эклогиты близки по составу основной глубинной породе — габбро, но отличаются от нее большей плотностью, что говорит о том, что они были сформированы на большой глубине при больших давлениях (глубина до 150–200 км — глубина зарождения алмазов).

Анализируя средний состав пород верхней мантии ученые пришли к выводу о том, что она состоит главным образом из перидотита с гранатом. Такие породы они называют (А. Е. Рингвуд, 1962) пиролитом (по корням породообразующих эту породу минералам — пироксена и оливина) или пироксеново-оливиновой. Эта порода по предположениям ученых (В. Н. Жарков) должна распространяться до глубины 350—400 км. Ее состав: 57% оливина, 17% ортопироксена, 12% клинопироксена, 14% граната.

Верхний слой мантии считают твердым до глубины 100–200, а иногда даже до 400 км. Этот слой называют слоем В (по К. Буллену) или волноводом и совместно с земной корой включают в состав литосферы (литос — камень).

ЛИТОСФЕРА (термин lithosphere введен в геологическую литературу Дж. Баррелом в 1916 г.) — верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю мантию до волновода Голицина-Гуттенберга. Мощность литосферы в океанах в пределах рифтовых долин срединно-океанических хребтов 5–10 км, и до 70–80 км по периферии океанов, что позволяет указывать на ее связь с возрастом. Литосфера континентов в большинстве случаев образована одной лишь корой (под молодыми платформами и орогенами), и только в пределах неактивизированных частей древних платформ включает еще 50–100-километровый слой внешней мантии. Средняя же толщина литосферы — ленты, которая движется по астеносфере составляет 80 км (Городницкий, Сорохтин, 1979).

Ниже литосферы в мантии отмечается менее вязкий (или более жидкий, податливый) или более пластичный слой, называемый АСТЕНОСФЕРНЫМ (греч. астенос — слабый) или слоем Голицина. Граница литосферы и астеносферы — фазовая, т. е. характеризуется постепенным переходом частично расплавленного вещества астеносферы в кристаллическое литосферы.

С астеносферным слоем связывают горизонтальные перемещения литосферных плит (литосферные плиты скользят по нему как по маслу). Под рифтами срединно-океанических хребтов этот слой залегает на глубинах 2–3 км от поверхности дна, а под континентами его часто не могут обнаружить и на глубинах 200–250 км, от чего иногда говорят о его линзовидном распространении (идея астенолинз). Нижняя граница астеносферы залегает на глубинах 300–400 км.

Ниже астеносферного слоя залегает подастеносферный слой (слой Голицина) до глубин 700–1000 км. Состав его считают примерно тем же, что и астеносферного, т. е. состоящим из оливина, пироксена и граната, только их фазовое состояние несколько иное — шпинелевое. В этом состоянии атомы и молекулы минералов приобретают плотнейшую упаковку близкую к кубической гранецентрированной, в результате чего плотность горных пород возрастает на 11% по отношению к оливиновой упаковке вышележащих слоев пиролита.

В основании слоя Голицина на глубинах 700–1000 км происходит еще большее уплотнение «горных пород», где структура шпинели переходит в перевскитовую (Ca,TiO3). Поэтому нижний слой мантии (нижнюю мантию) называют перевскитовым или слоем D. Этот слой распространяется до глубины 2900 км, с которой начинается уже жидкое внешнее ядро Земли.