Смыкович Людмила Ивановна Курс лекций геохимия

для студентов географического факультета

I курс заочного отделения

Специальность «География», «Геоэкология»

Минск

2013

Тема 1. Предмет, методология и основные понятия геохимии

Термин «геохимия» предложен швейцарским химиком Ф.Шенбейном (1838) для обозначения науки о химических процессах в земной коре. По В.И.Вернадскому «Геохимия – история химических элементов нашей планеты». А.И.Перельман (1989) определил геохимию как науку, которая изучает «историю атомов Земли и других планет земной группы». Н.К.Чертко (2001) «Геахимия вывучае заканамернасци миграцыи, канцэнтрацыи и рассейваньня химичных элементау у зямной кары пад уплывам прыродных, тэхнагенных фактарау и геахимичных працэсау».

Основные теоретические проблемы геохимии – распространенность элементов в геосферах Земли и планет и миграция элементов в природных и техногенных системах.

Объектом изучения геохимии является химический элемент, его распределение и миграция в разных системах. Главная особенность методологии геохимии – изучение миграции атомов в земной коре, в других оболочках Земли, планетах земной группы.

Наибольшее развитие геохимия получила в 20 веке, т.к. 20 век – «атомный» век: человечество овладело атомной энергией; идеи атомистики стали проникать во многие области естествознания, многие природные процессы стали изучаться на «атомарном уровне».

Геохимия, как и многие науки, возникшие в 20 в., гибридная наука – она возникла на границе различных отраслей знаний – химии и геологии. Т.о., 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 ее следует рассматривать как систему наук, и как часть еще более крупной системы – геологические науки.

История геохимии – по Перельману А.И. (с.8-14), по Чертко Н.К.

Некоторые направления, которые стали оформляться в геохимии к концу 20 в.: традиционные направления: геохимия магматических, гидротермальных и гипергенных процессов, физическая геохимия (изучает термодинамические методы); биогеохимия; органическая геохимия (геохимия рассеянного органического вещества, геохимия нефти и газа); палеобиогеохимия; геохимия редких элементов; гидрогеохимия; геохимия океана; геохимия изотопов. На стыке ландшафтоведения и геохимии возникла геохимия ландшафта (ГХЛ).

А.И.Перельман выделил виды миграции по формам движения материи:1) механическая, 2) физико-химическая, 3) биогенная, 4) техногенная. Дискутируется вопрос о выделении геологической и географической форм движения материи. В каждом виде различают три аспекта анализа миграции: изменение вещества, энергии и информации.

В геохимии выделяются 3 раздела: геохимия процессов, геохимия систем и геохимия элементов. Геохимия систем базируется на системном подходе. Геохимия изучает те же системы, что и другие науки о земле; специфика ее состоит в изучении систем на атомарном уровне. К системам относятся Земля в целом, земная кора, гидросфера, атмосфера, почва, живой организм, ландшафт, государство и т.д.

Системы, изучаемые в геохимии, разделяются на 4 основных типа: 1) абиогенные системы, в которых протекают только процессы механической и физико-химической миграции. Это магматические, гидротермальные и др. процессы.

2) Биологические системы: живые организмы и их ассоциации, например, биоценозы.

3) Биокосные системы, для которых характерно взаимопроникновение живых организмов и неорганической («косной» по В.И.Вернадскому) материи. В этих системах развиваются явления и механической, и физико-химической миграции, но определяющую роль имеет биогенная миграция. Таковы почвы, коры выветривания, природные ландшафты, реки, моря и т.д. Самая крупная биокосная система – биосфера, т.е. вся область планеты, населенная живыми организмами.

4) Техногенные системы характеризуются ведущим значением техногенной миграции, хотя в них имеют место и все остальные виды миграции (города, промпредприятия, автострады и т.д.).

Система образуется из компонентов и связей между этими компонентами. При изучении систем особенно большое значение приобретает информационный подход, т.к. с ним связаны такие понятия, как обратная связь в системе, центр, структура системы, сложность, упорядоченность, самоорганизация и другие важные характеристики системы.

Структура системы – совокупность составных частей системы и способ связи между ними. Общая теория систем различает прямые и обратные связи. Прямая связь: А→В, управляющий орган А (причина) влияет на управляемый процесс В (следствие). Пример: Солнце → Земля.

Символ обратной связи - А↔В, т.е. управляющий орган А (причина) влияет на управляемый процесс В (следствие), а управляемый процесс В влияет на управляющий орган А. Обратная связь положительна, когда результат процесса усиливает его и система эволюционирует, т.е. удаляется от исходного состояния. Пример: образование ледников. Положительная обратная связь особенно характерна для техногенных систем, при этом часто действует экспоненциальный закон лавин. Пример: мелиорация.

Обратная связь отрицательна, когда результат процесса ослабляет процесс и стабилизирует систему, восстанавливая ее исходное состояние. Пример: ледник или любая природная система. В результате действия отрицательной обратной связи развивается саморегулирование: всякое отклонение от стационарного состояния вызывает в системе процессы, возвращающие ее в исходное состояние.

Центр системы: во многих системах существует структурный центр – главная ее часть, определяющая своеобразие системы. Примеры централизованных систем.

Т.о., при изучении геохимии систем необходимо выявлять их прямые и обратные связи (положительные и отрицательные), анализировать явления саморегуляции, оценивать целостность, упорядоченность, централизацию и др. информационные показатели.

Геохимия элементов изучает конкретный химический элемент, особенности его миграции, распространенность в различных системах, участие в различных процессах.

Важнейший методологический принцип геохимии – принцип историзма. Он заключается в том, что необходимо учитывать условия былых геологических эпох. Это поможет правильно объяснить многие современные геохимические особенности строения оболочек Земли.

Систематика геохимической информации. Один из распространенных способов систематики информации – компоновка сведений в таблицах, построенных по двум координатам. Это матричный способ систематики по образцу периодической системы Д.И.Менделеева. Выделяются два главных фактора (параметра, причины), определяющие формирование объектов исследования – системы или процесса. Это и будут, соответственно, строки и столбцы матрицы. Например, для систематики геохимических барьеров (ГХБ) такими важнейшими условиями являются щелочно-кислотные (ЩКУ) и окислительно-восстановительные условия (ОВУ) (подробнее – самостоятельно). Правильный выбор факторов позволяет не только систематизировать полученные факты, но и прогнозировать еще неизвестные науке.

Практическое приложение геохимии (прикладная геохимия). Теоретические представления геохимии используются при поисках, добыче, переработке минерального сырья. Геохимические методы поисков полезных ископаемых основываются на том, что рудные тела и первичный геохимический ореол месторождения, непосредственно примыкающий к рудному телу, в результате выветривания и денудации формирует вторичный (эпигенетический) ореол рассеяния, который может быть обнаружен при опробовании почв, пород (литохимический ореол), в водах (гидрогеохимический), в атмосфере (атмогеохимический), в организмах (биогеохимический).

Представление об ореолах рассеяния, о геохимических аномалиях заимствованы из теории геохимических поисков для решения проблемы загрязнения окружающей среды. Появились такие понятия, как техногенные геохимические аномалии, техногенные ореолы рассеяния, техногенные барьеры и др. Широко стоит задача изучения геохимии городов.

С содержанием химических элементов (как природным, так и техногенным) в окружающей среде все чаще связывают здоровье человека. Существуют оптимальные содержания элементов, нарушения которых приводят к заболеванию. Так, при недостатке йода в ландшафте у людей развивается эндемический зоб, при дефиците фтора в питьевой воде – кариес, при избытке фтора – флюороз, при избытке молибдена в воде – подагра и др. Распространение многих болезней подчиняется закону географической зональности. Задача геохимии состоит в изучении законов распределения химических элементов в ландшафтах и, т.о., в предоставлении медицине исходных данных для выяснения природных предпосылок болезней.

Геохимия помогает решать многие вопросы с/х, связанные с дефицитом или избытком химических элементов в почвах, растениях, кормах.

Геохимия находит применение в современных технологиях, например, в химической отрасли, строительстве.