Вступ до курсу. Історія виникнення науки «Геохімія». Головні поняття геохімії

1. Введение в курс

2. Наука «Геохимия», история формирования и основные понятия.

3. Связь «Геохимии» с другими науками

1911. Введение в курс

Геохимия – сравнительно молодая геологическая наука, возникшая в конце XIX века. Это комплексная наука, образовавшаяся на стыке двух фундаментальных наук – геологии и химии. В то же время она тесно соприкасается с физикой, а по ряду вопросов – с астрономией и биологией.

Основоположником геохимии является выдающийся русский уче­ный В.И. Вернадский, высокообразованный исследователь-естество­испытатель с философским складом ума. Он дал определение геохимии как науки, указал объект и предмет исследования. Позже определения геохимии были даны А.Е. Ферсманом, В.И. Лебедевым и др. Так, по В.И. Вернадскому: «Геохимия научно изучает химические элементы, т.е. атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изу­чает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетическое на нашей планете соотношение». По А.Е. Ферсману, «Геохимия изучает историю химических элементов – атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических условиях при­роды». Известен ряд других определений: «Геохимия есть естественная история химических элементов» - А. Поланьский и К. Смуликовский. «Геохимия есть наука о распределении – концентрации и рассеянии хи­мических элементов в земной коре» - В.И. Лебедев. «Геохимия – это история атомов Земли» - А.И. Перельман.

Задачи и проблемы геохимии исключительно многообразны, а пото­му и определения их значительно варьируют. По Ф.У. Кларку, каждая порода представляет собой химическую равновесную систему, которая может изменяться под действием различных агентов с образованием новой системы, стабильной в новых условиях; «определить, какие из­менения возможны, как и где они происходят, наблюдать явления, ко­торые сопровождают их, и отметить их окончательный результат – вот задача геохимика».

В.М. Гольдшмидт отмечает, что «основной задачей геохимии является, с одной стороны, количественное определение со­става Земли и ее частей и, с другой – установление законов, которые контролируют распределение отдельных элементов».

А.Е. Ферсман задачу геохимии видел в «выяснении законов сочетания элементов и ми­нералов в земной коре, их качественных и количественных соотноше­ний в топографической и хронологической связи».

Какие же задачи и проблемы стоят перед современной геохимией? Нельзя забывать, что Земля является частью космоса и геохимия, таким образом, может рассматриваться как наиболее изученная часть более общей Kocмoхиmuu – науки, изучающей химический состав Земли, пла­нет и Вселенной в целом. В освоении космоса сделан огромный скачок – получены объекты для сравнения: лунные породы, данные атмосферы Венеры, Марса, Юпитера. Современная геохимия включает много но­вых разделов, она дифференцировалась и, естественно, охватывает про­блемы из различных областей естествознания. Так, появилась геохимия изотопов, ядерная геохимия, геохимия редких и рассеянных элементов в почвах, геохимия ландшафта, физическая геохимия, гидрогеохимия, прикладная геохимия, геохимия ноосферы и другие, со своими задача­ми и проблемами.

Основные задачи геохимии можно сформулировать так:

• Поведение и формы нахождения химических элементов в различ­ных оболочках Земли (геосферах и при различных геологических про­цессах).

• Условия и закономерности миграции – концентрация (образование месторождений) и рассеяние химических элементов.

• Изучение изотопов химических элементов для решения вопросов о возрасте пород, источнике вещества, о палеотемпературах, решение ге­нетических и других вопросов.

• Изучение изоморфных смесей; типоморфизм минералов.

• Изучение геохимии отдельных регионов земной коры.

• Дальнейшее повышение чувствительности и точности аналити­ческих методов. Совершенствование методик геохимических иссле­дований.

• Изучение миграции химических элементов в связи с деятельностью человека.

• Изучение космических объектов.

Некоторые проблемы геохимии:

• Геохимическая зональность.

• Законы дифференциации вещества Земли.

• Геодинамика и магматизм.

• Взаимодействие вещества мантии и коры.

• Геохимия мантии Земли.

• Кинетика и динамика процессов (магматического, гидротермально­го и др.).

• Химизм природных процессов минерало- и рудообразования; ис­точники рудного вещества.

• Поиски минерального сырья.

• Происхождение химических элементов.

• Рациональное (комплексное) использование земных ресурсов.

• Гипергенное минералообразование.

• Геохимия ноосферы.

• Сохранение среды жизнеобитания.

• Геохимия внутриматериковых вод.

• Закономерности и механизмы осадкообразования.

• Проблемы, возникшие в связи с изучением космоса.

Геохимия, как самостоятельная наука, имеет и свои методы, и методики исследования. В течение последних десятилетий минувшего века произошло кардинальное усовершенствование старых и развитие новых аналитических методов изучения горных пород и минералов, в связи с чем анализ геохимических данных превратился в неотъемлемую часть комплексных геологических исследований. Открылись новые возможности классификации магматических, метаморфических, оса­дочных пород, изучения эволюции их состава и строения, определения геодинамических (точнее – палеотектонических) обстановок их форми­рования:

Особая роль принадлежит углубленному геохимическому анализу периодической таблицы. Закон Менделеева, по словам А.Е. Ферсмана, «всесторонне и глубоко управляет сочетанием, распределением, мигра­цией и концентрацией химических элементов в природе…», этот закон - «путеводная звезда для геохимика». Геохимические законы распреде­ления вещества в природе вытекают из Менделеевской таблицы, «в ней нет ничего придуманного; она – сама природа». По А.Н. Заварицкому, «нахождение химических элементов в земной коре зависит от строения атомов химических элементов».

• Методы составления диаграмм с целью классификации магмати­ческих пород, определения первичного состава метаморфических толщ, выделения магматических серий (дивариантные и тройные вариацион­ные диаграммы), определения геодинамических обстановок формиро­вания пород (тектоническая реконструкция) с использованием дискри­минационных диаграмм. В основе этих методов лежат геохимические данные – содержания в породах главных химических элементов и эле­ментов-примесей.

• При изучении осадочных пород широко используется методика петрохимических модулей (отношения петрогенных оксидов), которая позволяет решать ряд геологических задач: классификация осадочных пород, реконструкция физико-химических и геодинамических условий накопления и др.

• Геохимическое картирование включает составление геохимических разрезов, профилей, карт геохимических трендов. В основе метода ле­жит понятие о кларках элементов.

• Геохимические методы поисков месторождений полезных иско­паемых (литохимические, гидрогеохимические, атмохимические, био­геохимические) по первичным и вторичным ореолам рассеяния. Прин­ципы геохимических методов поисков: особенности формирования оре­олов, поисковые критерии и признаки (ассоциации элементов, геохими­ческие индикаторы K/Rb, Mg/Li, Zr/Hf, Al/Ga, Th/U, Ca/Sr и др., мине­ралы-концентраторы).

• Изучение соотношений пар стабильных изотопов в породах и минералах. Обычно используются изотопы О, S, С.

• Методы абсолютной геохронологии.

• В последние десятилетия широкое распространение приобретает моделирование химических природных процессов, отвечающих различ­ным глубинным условиям Земли. Моделирование проводится на основе математических уравнений, описывающих различные геохимические процессы. По полученным данным строятся диаграммы (дивариантные, мультивариантные, тренды распределения РЗЭ).

Таким образом, геохимия как самостоятельная наука имеет свои объекты (предмет) исследования (горные породы, минералы, атомы –элементы земной коры); свои задачи и проблемы – познание законов лнижения атомов химических элементов, приводящих в одних частях лемной коры к рассеянию, а в других – к концентрации, т.е. выявление химической сущности геологических процессов и явлений; методы ис­следования, как заимствованные, так и собственно геохимические. По­следние основаны на анализе природных систем и процессов с исполь­зованием периодической таблицы, объясняющей ассоциации элементов, обусловленные законами строения атомов, а также и средой. Кроме того, природные процессы рассматриваются во времени и простран­стве (например, геохимическая зональность).

Сформулированное В.И. Вернадским, а затем и А.Е. Ферсманом по­нятие науки – изучение природных процессов на уровне атома – есть главная особенность методологии геохимии, ее специфика. Еще одна важная особенность методологии геохимии – изучение противоположно направленных природных процессов – миграция элементов (конценграция, с одной стороны, и рассеяние – с другой). В процессе развития науки менялись и подходы к изучению миграции. На первых этапах развития геохимии изучение миграции проводилось на вещественно­энергетическом уровне, затем подключился еще один очень важный аспект изучения – информационный. Если взаимодействие в простран­стве определяется, прежде всего, обменом веществ и энергии, то в ха­рактеристике временных отношений на первый план выходит сохране­ние и передача информации

Энергетические, субстанционные и ин­формационные процессы в природе протекают одновременно и согла­сованно. Их взаимосвязь отражена в законе сохранения вещества и энергии, в понятии «энтропии». Миграция может рассматриваться и в системном аспекте. Это и Земля в целом с ее оболочками, и гидро­сфера, атмосфера, кора выветривания, почва, т.е. любые объекты при­роды могут быть представлены как системы (геохимия систем). При изучении систем также исследуется вещество, энергия, информация, среда. Миграция химических элементов в различных системах может рассматриваться и по принципу геохимических барьеров].

Еще один важный методологический принцип геохимии – историзм. Нужно не просто описать объект и объяснить механизм его появления, но еще и обратиться к временной форме существования материи (кроме пространства и движения). Это ретроспективное направление систем­ных исследований или, по выражению Л.Н. Овчинникова, метод ретросказания – теоретической реставрации – ключ от настоящего к прошлому. Процессы миграции можно рассматривать и как вероятност­ные, и как детерминированные, для анализа которых используются раз­ные математические аппараты.