Геохімія

11

кора Землі є головним об’єктом вивчення, і реакції, які в ній мають місце, можна зручно класифікувати за трьома головними напрямками:

перший - реакції між суттєвими складовими земної кори як такої;

другий - реакції, обумовлені взаємодією з водною оболонкою; третій -

реакції, викликані дією атмосфери."

В.І.Вернадський створив концепцію "немінеральної", "розсіяної" форми знаходження хімічних елементів.

!В.І.Вернадський чітко визначив предмет геохімії, визначив коло її проблем. "Геохімія науково вивчає хімічні елементи ... Вона вивчає їх історію, їх розподіл та рух в просторі-часі, їх генетичні на нашій планеті співвідношення".

Досліджуючи кругообіг кисню В.І.Вернадський першим зробив сенсаційний висновок - весь вільний кисень атмосфери є продуктом життєдіяльності живої речовини Землі (і це за умови коли розпад і окиснення живої речовини, окиснення величезних кількостей атомів Fe, Mn, Cr, S тощо постійно поглинають величезні кількості кисню).

Дослідження на стику геології, біології, палеонтології і відкриття планетарної ролі живої речовини дозволили В.І.Вернадському в середині 20-х років 20-го сторіччя заснувати нову науку - біогеохімію.

Великий вклад в розвиток геохімії належить учню В.І.Вернадського О.Є.Ферсману та норвежцю В.М.Гольдшміту. Їх заслуги дозволяють цих вчених також вважати засновниками геохімії.

О.Є.Ферсман (1883-1945) створив і прочитав (в 1912 році в Москві) перший курс геохімії, видав (протягом 1933-1939 років) перший підручник з геохімії (в 4-х томах), заснував Геохімічний інститут і створив школу геохіміків, представлену такими видатними вченими як Сауков, Власов, Щербаков, Щербина. Відкриття, в результаті проведених Ферсманом досліджень, низки родовищ підтвердило практичне значення геохімії як науки.

В.М.Гольдшміт (1888-1947) ще у своїй докторській дисертації у 1911 сформулював знамените правило фаз: за змінних температури і тиску кількість мінералів (фаз) визначається кількістю компонентів (окислів) які беруть участь в реакції. Загалом же Гольдшміт створив кристалохімічний напрямок в геохімії, розробив концепцію міграції, вирахував іонні радіуси, сформулював 1-й закон кристалохімії і правила ізоморфізму, заклав основи геохімії мінералів.

13

4)літогеохімія;

5)геохімія ендогенних процесів;

6)геохімія екзогенних процесів;

7)геохімія метаморфогенних процесів;

8)геохімія океану;

9)геохімія мантії тощо.

а також:

-розділи, присвячені геохімії окремих елементів;

-розділи, присвячені геохімії різних корисних копалин та їх пошуків;

-аналітична геохімія;

-геохімія ізотопів;

-ядерна геохімія;

-геохімія ландшафтів;

-геохімія рідкісних і розсіяних елементів в грунтах;

-фізична геохімія.

Геохімія, як вже зазначалося, є стиковою наукою, яка тісно пов’язана з

двома десятками дисциплін:

-Космохімія, астрофізика, астрономія;

-Фізика, експериментальна фізика, фізика твердого тіла, термодинаміка, кристалографія;

-Геологія, геофізика, петрографія, мінералогія, літологія, вчення про корисні копалини;

-Хімія, фізична хімія, кристалохімія;

-географія, грунтознавство, біологія;

-математика, математична статистика.

Основними сферами інтересів сучасних геохіміків (або, інакше кажучи, найзначнішими проблемами загальної геохімії) є:

1)кількісний та якісний розподіл хімічних елементів на Землі - в геосферах, окремих регіонах, провінціях, масивах, породах, мінералах;

2)кількісний та якісний розподіл хімічних елементів в Космосі. Дослідження речовини метеоритів, Місяця, Венери, Марсу та інших планет і небесних тіл;

3)хімізм природних процесів мінералоутворення, моделювання цих процесів в лабораторних умовах;

4)закони розподілу елементів по фазам при різних геохімічних процесах, дослідження форми знаходження елементів в мінералах;

5)типоморфізм мінералів, тобто історія мінералів записана на них самих, яка проявляється через їх склад, мікродомішки і властивості (колір, спектри люмінесценції, спектри поглинання, спектри ЯМР, ЯГР тощо);

6)ізотопна геохімія з її можливостями визначати вік мінералів, визначати джерела речовини та їх природу;

7)комплексне використання земних ресурсів, попередження забруднення геосфер, охорона навколишнього середовища;

8)прикладна геохімія - геохімічні методи пошуків корисних копалин які засновані на вивченні закономірностей розподілу хімічних елементів в літосфері, атмосфері, гідросфері та біосфері;

9)підвищення чутливості і точності аналітичних методів;

14

Методологія геохімії

Головною особливість методології геохімії (згідно В.І.Вернадського та О.Є.Ферсмана) є -

вивчення міграції атомів в земній корі та інших оболонках Землі, планетах земної групи.

В результаті міграції відбувається концентрація та розсіяння хімічних елементів.

Вчення про процеси концентрації є однією з теоретичних основ науки про рудні родовища.

Вивчення процесів розсіяння має найбільше значення при геохімічних пошуках корисних копалин і в боротьбі із забрудненням навколишнього середовища.

В любому міграційному процесі наявні як імовірнісна (велика кількість чинників, часто протидіючих, нерідко носять випадковий характер) так і детермінована (більш характерна для процесів концентрації) складові, вагомість впливу яких залежить від конкретних умов міграції. При оцінці першої з них застосовуються теорія імовірності та математична статистика, а другої - математичний апарат диференціальних рівнянь.

Існують три основні аспекти геохімічних досліджень:

1)геохімія процесів - вивчення міграції елементів в певному процесі, тобто загальні принципи та особливості реалізації цього процесу в різних системах (вивітрювання польових шпатів має місце і в грунтах, і в корах вивітрювання, і в мулі, і в водоносних горизонтах;

2)геохімія систем - вивчення міграції елементів в певних системах, для яких характерні

протилежні взаємопов’язані процеси;

3) геохімія елементів - вивчення міграції конкретного елемента в різних процесах і системах.

ПРОЦЕСИ МІГРАЦІЇ (геохімія процесів)

Фактична сукупність відомостей щодо процесів міграції утворюють окремий особливий розділ геохімії - геохімію процесів міграції,

окремими напрямками якого є: геохімія магматичних, гідротермальних,

гіпергенних, техногенних процесів тощо.

Види міграції доцільно виділяти по видам руху матерії. Таким чином основними видами міграції є: 1) механічна; 2) фізико-хімічна; 3) біогенна; 4) техногенна;

Аналіз процесів міграції повинен задовольняти наступні 3 позиції:

-вивчення змін речовини;

-вивчення змін енергії;

-вивчення змін інформації (аналіз геохімічних процесів з інформаційних позицій, утвердився впродовж останніх десятиріч, адже нині інформація трактується як одне з фундаментальних понять того ж рангу що й речовина, енергія, простір, час).

СИСТЕМНИЙ ПІДХІД (геохімія систем)

Системами є Земля в цілому, земна кора, гідросфера, атмосфера,

артезіанський та річковий басейн, грунт, кора вивітрювання, живий організм, ландшафт тощо. Для систем характерні наявність протилежних за впливами процесів які зв’язують компоненти системи в єдине ціле.

15

При системних дослідженнях в геохімії велике значення мають методи загальної теорії систем, теорії інформації, кібернетики. Для багатьох систем (аналогічно до біологічних та соціальних) характерні нелінійні співвідношення (незначний за інтенсивністю сигнал призводить до суттєвих, навіть катастрофічних, змін в системі).

В геохімії вивчаються системи 4 основних типів:

1)абіогенні системи, для яких характерні виключно механічні та фізико-хімічні процеси міграції (магматичні, гідротермальні системи, тощо);

2)біогенні системи - живі організми та їх асоціації (біоценози);

3)біокосні системи - для яких характерне взаємопроникнення живих організмів та неорганічної ("косної" за Вернадським) матерії. В цих системах (біосфера, гідросфера, ландшафти, кори вивітрювання, грунти тощо) наявні і механічна і фізико-хімічна міграція але біогенна має визначальне значення.

4)техногенні системи - в них провідне значення має техногенна міграція, хоча наявні і всі інші види міграції (промислові підприємства, міста, агроландшафти, транспортні магістралі тощо).

Геохімія вивчає ті ж системи що й інші науки про Землю, специфіка її в тому що вона вивчає їх

(системи) на атомарному рівні. В геохімії систем виокремились самостійні наукові напрямки: геохімія рудних родовищ, океану, ландшафту тощо.

В результаті міграції в системах формується геохімічна зональність: система розчленовується на хімічно відмінні частини - геохімічні зони, підзони, горизонти тощо.

Зональність є різноранговою (деякі дослідники, наприклад Л.М.Овчинников, виділяють до 12 рангів): від вертикальної зональності Землі як планети, до зональності в межах родовища, грунтового розрізу та ще дрібнішої (мікрозональність в межах окремого мінералу).

Розрізняють латеральну (широтні геохімічні зони, навколорудні зміни,

зональність осадків в водоймі в напрямку від берега) і вертикальну зональність (рудні жили, кори вивітрювання, грунт, мул, водні басейни).

Вивчення геохімічної зональності є одним з провідних методологічних принципів геохімії систем.

Вивчення інформації

При дослідженні систем (як і випадку геохімії процесів) крім речовини та енергетики слід вивчати й інформацію, адже лише інформаційний підхід дозволяє встановити такі важливі властивості системи як: зворотній зв’язок, центр, структура,

складність, впорядкованість, самоорганізація тощо.

16

Структура - сукупність складових частин системи і спосіб зв’язку між

ними.

Прямий зв’язок (A B) – явище (процес) A є причиною явища (процесу) B .

Наприклад: вплив сонячного випромінювання на екзогенні процеси, грунтових процесів на формування кори вивітрювання, грунтових вод на живлення рік.

Прямий зв’язок надзвичайно характерний для ландшафтів, у багатьох їхніх типах він має чільне значення.

Зворотній зв’язок – (A B) - A є причиною B, яке, в свою чергу,

впливає на A. Такі зв’язки також характерні для ландшафтів. Це взаємодії грунт - рослинність, рослина - тварина тощо.

Зворотній зв’язок є позитивним у випадку якщо результат процесу посилює його, система розвивається й усе далі йде від вихідного стану.

Наприклад – похолодання призводить до збільшення поверхні льодовиків, а це, в свою чергу, завдяки збільшенню коефіцієнту відбиття сонячних променів, сприяє подальшому похолоданню. Прикладом позитивного оберненого зв’язку є також процес засолення грунтів, за якого кожна нова порція солі, що надійшла в грунт із грунтових вод,

погіршує умови життя рослин, сприяє розрідженню рослинного покрову і сприяє випаровуванню з поверхні грунту, тобто засоленню.

Позитивний зворотній зв’язок спостерігається також при заростанні озер: рослини, що щорічно відмирають, слугують матеріалом для утворення сапропелю, у результаті глибина озера зменшується, а

заростання збільшується, озеро перетворюється на болото. Взагалі позитивні зворотні зв’язки є характерними для техногенних систем.

Зворотній зв’язок є негативним – у випадку коли результат впливає на причину таким чином щоб повернути систему до стану рівноваги.

Іншими словами - за негативного зворотного зв’язку результати процесу послабляють його дію і сприяють стабілізації системи, відновленню її вихідного стану. Наприклад – зростання вмісту CO2 є сприятливим для

17

потепління (парниковий ефект) і наростання інтенсивності фотосинтезу,

а це призводить до посиленого вилучення CO2 з атмосфери. Інший приклад - збільшення рослинної маси в ландшафті призводить до збільшення продуктів розкладання рослинних залишків - гумусових кислот, що, промиваючи грунт, вилуговують з нього живильні речовини,

погіршуючи тим самим умови життя рослин. Це призводить до зменшення рослинної маси.

Таким чином, в результаті дії негативного зворотного зв’язку розвивається саморегуляція – всяке відхилення від стабільного стану викликає процеси які повертають систему в попередній стан. В хімії це положення обгрунтоване термодинамікою, і має назву принцип гальмуючої протидії Ле Шательє. Теорія систем розповсюджує цей принцип на всі системи із зворотнім зв’язком (узагальнений принцип Ле Шательє: всяка система рухомої рівноваги намагається змінитися таким чином, щоб звести до мінімуму ефект зовнішнього впливу).

Надзвичайно важливу роль механізм зворотного зв’язку відіграє в культурних (техногенних ландшафтах) де дуже часто він стає провідним.

До речі, зв’язки в системах, крім поділу на прямі та зворотні, слід ранжувати за їх значимістю, важливістю для характеристики конкретної системи, оскільки одні з них є визначальними, а інші – другорядними.

Так

Структурний центр - існує в багатьох системах, є головною частиною системи яка визначає її своєрідність.

Централізованими системами є Сонячна система (Сонце), тварина

(нервова система, мозок), природний ландшафт (грунт і рослинний покрив вододілів), техногенний ландшафт (місто, село, підприємство тощо) тощо. Відомі також нецентралізовані системи, біцентричні та поліцентричні системи.

18

При вивченні геохімії систем необхідно виявляти їх прямі та зворотні зв’язки (додатні та від’ємні), аналізувати явища саморегуляції, оцінювати цілісність, впорядкованість, централізацію та інші інформативні показники.

Слід пам’ятати, що характерною рисою великих систем (до числа яких належать земна кора, гідросфера, атмосфера, ландшафт тощо) є

величезне число випадкових чинників, що впливають на їхній розвиток

(“примхи погоди” і т.д.). У зв’язку з цим багато процесів носять імовірнісний характер, що визначає велику роль теорії імовірності в їхньому дослідженні. З іншого боку, було б значним перебільшенням вважати всі процеси, що відбуваються в цих системах, імовірнісними,

адже в них існує і чимало детермінованих процесів.

Дуже важливим, при вивченні геохімії систем, процесів та елементів є врахування принципів централізації та історизму.

Принцип централізації – вивчення системи слід починати з вивчення її центру.

Принцип історизму – міграція в минулі геологічні епохи відбувалась не так як зараз. Наприклад, в докембрії більшу роль відігравав вулканізм, іншим був склад атмосфери і гідросфери (відрізнялися і процеси, і системи, а, відповідно, і геохімія окремих елементів).

Проблема систематики (класифікації)

Велике розмаїття процесів і систем, які вивчає геохімія, висуває на чільне місце проблему їх класифікації. Існують геохімічні класифікації хімічних елементів, природних вод, рудних родовищ тощо. Але якщо при класифікації хімічних елементів дискретний принцип систематики є адекватним дискретній природі об’єкту (атоми дискретні – це або кисень, або азот чи фтор – проміжних варіантів не існує), то для процесів та систем характерною є неперервність, наявність поступових переходів:

гідротермальні процеси - метаморфічні процеси - ультраметаморфічні процеси – магматичні процеси

Те саме стосується pH, солоності води, типів грунтів, порід, ландшафтів тощо. А це значить що використання дискретних понять і термінів при класифікації неперервних об’єктів вносить певний суб’єктивізм і призводить до загрублення інформації (не через недосконалість класифікації, а саме у зв’язку з неперервністю об’єктів). Як наслідок, дослідники часто змушені виділяти таксони чи межі які не обумовлені природою явища.

Одним з найбільш вживаних є матричний (табличний) принцип систематики геохімічної інформації. Класичним прикладом використання матричного принципу систематики інформації є періодична таблиця Менделєєва, яка побудована по двом координатам – періодам (строчки матриці, які відповідають квантовим шарам K, L, M, N, O, P, Q і характеризуються головними квантовими числами – 1, 2, 3, 4, і т.д.) та групам (стовпці матриці, які об’єднують елементи з близькими хімічними властивостями, що пов’язано з будовою зовнішніх квантових шарів). Така систематизація інформації дозволила Менделєєву не лише аргументовано пояснити відмінності і подібність властивостей відомих хімічних елементів, а й передбачити існування ще невідомих елементів.

19

Основне правило матричної систематизація інформації: необхідно розкрити характерне для досліджуваного об’єкту внутрішнє протиріччя, виділити два основних чинники і використати їх для побудови матриці.

20

ПРИКЛАДНА ГЕОХІМІЯ (ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ ГЕОХІМІЇ (за Перельманом)

Теоретичні уявлення геохімії широко використовуються при пошуках, видобутку та переробці мінеральної сировини, охороні навколишнього середовища, охороні здоров’я, в сільському господарстві. До найважливіших понять прикладної геохімії належать: геохімічне поле,

геохімічна аномалія, геохімічний фон.

Геохімічне поле (за А.П.Солововим) – простір який характеризується кількісними вмістами хімічних елементів.

Геохімічний фон системи (ділянки) – середнє або модальне значення вмісту хімічного елементу в межах геохімічно однорідної системи (ділянки).

Геохімічна аномалія – область вмістів хімічного елементу або числових значень іншого геохімічного параметру (Eh, pH тощо) на заданому рівні, який відрізняється від геохімічного фону на обумовлену величину.

Аномалії можуть бути глобальними, регіональними, локальними, точковими тощо. Родовище також є геохімічною аномалією. Аномалії можуть бути позитивними (додатними) – значення вищі за фонові, або негативними (від’ємними) – значення нижчі за фонові.

Найкраще розроблено застосування геохімії при пошуках корисних копалин, яке має всі ознаки самостійної прикладної науки (фактичний матеріал, понятійний апарат, методи дослідження, теорія).

Геохімічні методи пошуків корисних копалин

(мал. з с.23 Перельмана –oreoly.cdr)

Родовища утворюються внаслідок концентрації відповідних елементів. Та частина поля концентрації, в якій вміст елементів досягає величин, що допускають промислову експлуатацію є рудним тілом, або покладами корисних копалин, а сама речовина з кондиційним вмістом елементу

– рудою.