книги / Основы геохимии

Войткевич Г. В., Закруткин В. В.

Основы геохимии. Учеб, пособие для студентов геологиче­ ских специальностей вузов. М., «Высш. школа», 1976.

368 с. с ил. и табл.

В книге освещены основные проблемы геохимии, взаимоотношение ее с другими науками, история геохимии! приведены основные сведения о строении вещества, необ­ ходимые для понимания геохимических процессов. Много внимания уделено пробле­ ме распространения химических элементов в различных природных системах, законо­ мерностям изотопных соотношений. Строение, состав и основные физические свойства Земли изложены с учетом последних достижений геофизики и космохимии. Описаны формы нахождения химических элементов в природе, химия верхних оболочек Земли, роль живого вещества в геохимических процессах биосферы Земли, основные особен­ ности геохимических процессов, проблема происхождения и химической эволюции Земли, вопросы формирования океана и атмосферы, основные геохимические особенно­ сти наиболее распространенных элементов земной коры.

(6) Издательство «Высшая школа», 1976 г.

ВВЕДЕНИЕ

Г л а в а I

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ГЕОХИМИИ

Это изумительная наука, знаете! Она еще мало развита сравнительно с другими, но уже и теперь она представляется мне каким-то всеви­ дящим оком. Ее зоркий смелый взгляд проникает и в огненную мас­ су Солнца, и во тьму земной коры, и в невидимые частицы вашего серд­ ца, и в безмолвную жизнь дерева.

А. М. Горький

СОДЕРЖАНИЕ ГЕОХИМИИ

Современные достижения в области изучения строения вещества — кристаллов и атомов, атомных ядер и элементарных частиц, сверх­ плотных фаз и органических соединений — раскрывают широкие возможности в познании естественной истории химических элементов в пределах видимой части космоса и в пределах нашей Земли.

Изучение естественной истории атомов химических элементов во многом способствует пониманию основных факторов развития нашей планеты и позволяет совершенно по-новому представить себе механизм образования земной коры, слагающих ее горных пород и минералов, закономерностей формирования месторождений полезных ископаемых. Отсюда нетрудно представить себе геохимию как науку о Земле, в которую наиболее глубоко проникли идеи современной атомистики. Пожалуй, трудно назвать такую другую науку о Земле, которая была бы так взаимосвязана с современной научно-технической революци­ ей, как геохимия.

По мнению основателей геохимии Ф. Кларка, В. Ил Вернадского, А. Е. Ферсмана и В. М. Гольдшмидта, содержание геохимии может быть выражено следующим образом.

По Ф. Кларку (1924), «в наших целях каждая порода может рас­ сматриваться как химическая система, в которой под действием раз­ личных агентов происходят химические изменения. Каждое такое из­ менение связано с нарушением равновесия и последующим возникнове­ нием новой системы, которая при новых условиях становится более устойчивой. Изучение этих изменений и является предметом геохимии».

По В. И. Вернадскому (1927), «геохимия научно изучает химиче­ ские элементы, т. е. атомы земной коры, и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве — времени, их генетические на нашей планете соотно­ шения».

4

По А. Е.Ферсману (1932), «геохимия изучает историю химических элементов — атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических и физико-химических условиях природы».

По В. М. Гольдшмидту (1954 г., в редакции А. Мюира), «совре­ менная геохимия изучает распределение и содержание химических элементов в минералах, рудах, породах, почвах, водах и атмосфере

ициркуляцию элементов в природе на основе свойств атомов и ионов».

Вруководстве по геохи­

ских геохимиков. Определе­ ние содержания геохимии как науки об истории земных атомов не

только предполагает обязательное решение такой важной задачи, как изучение распределения элементов в различных природных объектах, но и подключает геохимию к главной задаче всех наук о Земле — выяснению происхождения и истории развития нашей пла­ неты и законов этого развития. Таким образом, современная геохи­ мия изучает историю атомов химических элементов Земли.

Геохимия как новая наука о Земле возникла из тесной взаимосвязи фундаментальных наук о природе — физики и химии с науками геологическими: минералогией, петрографией, геологией. Связь гео­ химии с ближайшими родственными естественными науками по идее А. Ферсмана может быть выражена схемой, представленной на рис. 1.

Связь геохимии с физикой и химией имеет особый характер. С од­ ной стороны, геохимия широко использует экспериментальную мето­ дику физики и химии при решении задач изучения распределения элементов в различных телах Земли. С другой стороны, геохимия для объяснения ассоциаций элементов в природе широко использует основные законы физики и химии, а также данные, относящиеся к параметрам атомов и физико-химическим свойствам элементов. Для решения ряда геохимических задач неизбежно участие физиков-экспе- риментаторов, в частности при изотопных измерениях, при примене­ нии методов нейтронной активации и др. Особая роль принадлежит физике и химии в моделировании химических процессов, отвечающих условиям глубоких недр Земли. Многие крупные открытия в области физики впоследствии приобретали выдающееся значение в науках о

5

Земле. Как отмечал В. И. Вернадский, физик, работая вне кругозо­ ра геолога, иногда открывает область новых геологических явлений.

Геохимия тесно связана с геофизикой. Вопросы энергетики раз­ личных зон нашей планеты связаны с распределением носителей ак­ тивной энергии — радиоактивных элементов, которое осуществляется по геохимическим законам. Можно считать, что с атомарным составом мантии связаны явления сейсмики и геотермии, электропроводности вещества и его магнитные свойства, полиморфные превращения и реакции в условиях высокого давления. Иначе говоря, поскольку химический состав земного вещества определяет его физические свойст­ ва, постольку геохимия неразрывно связана с геофизикой. Поиско­ вые работы на ряд месторождений полезных ископаемых (газы, нефть, радиоактивные элементы) ведутся одновременно геофизическими и геохимическими методами.

Мы можем отметить важную и значительную роль кристаллохи­ мии в развитии геохимических идей. Кристаллохимия служит также связующим звеном между геохимией и кристаллографией и минерало­ гией. Современная кристаллохимия, вооруженная тончайшей мето­ дикой рентгеноструктурного анализа, доставляет для геохимии дан­ ные первостепенной важности. Ценность этих данных определяется тем, что подавляющее количество химических элементов земной коры находится в соединениях, обладающих кристаллической структурой. В современной минералогии резко усиливается кристаллохимическое направление, дающее наиболее глубокое объяснение свойствам мине­ ралов и их генезису. Мы можем отметить ряд проблем химии земной коры, которые одинаково важны для геохимии и минералогии. Сюда относятся проблемы минералотермометрии, состава минералообразую­ щих растворов, изоморфизма в зависимости от условий и др. Геохимия связана с минералогией в той степени, в какой химический элемент свя­ зан с твердыми химическими соединениями. По А. Е. Ферсману, минералогия была той наукой, в которой в первую очередь происхо­ дило накопление обильного фактического материала, послужившего основанием современной геохимии. Однако главным объектом минерало­ гии остается твердое химическое соединение — минерал, объектом геохимии — атом.

Задачи геохимии теснейшим образом переплетаются с петрографи­ ей и литологией. Образование отдельных минеральных ассоциаций в виде горных пород различного типа — закономерный процесс, кото­ рый требует знания физико-химических свойств тех систем, из которых образуется порода как более устойчивая система в конкретной геологи­ ческой обстановке. Дифференциация магмы, явления ассимиляции, метасоматоза и контактового метаморфизма сопровождаются пере­ группировкой атомов. Образование любой горной породы есть резуль­ тат перегруппировки наиболее распространенных элементов: О, Si, Al, Fe, Са, Na, К, Mg, Н, Ti, Р. Во всех пересчетах химических анали­ зов пород, как известно, фигурируют эти элементы или их окислы. Химическая сторона изучения горных пород приобрела настолько важное значение, что возникла петрохимия — наука о законах из­ менения состава горных пород. Но любая порода содержит все устой­

6

чивые элементы периодической системы и поэтому распределение элементов по минералам пород и в различных типах пород представ­ ляет собой уже геохимическую задачу, связывающую геохимию с петрографией.

Образование осадочных пород связано с кардинальным перераспре­ делением химических элементов между жидкими и твердыми фазами

иколлоидными системами, поэтому литогенез включает ряд непосред­ ственно геохимических вопросов. Известно, что многие породы явля­ ются результатом химического осаждения элементов из концентриро­ ванных растворов, и здесь геохимический процесс выступает в «чис­ том» виде. В связи с этим неудивительно, что ряд крупных литологов оказались перед необходимостью решать геохимические вопросы при выяснении сложных процессов седиментации в разных физико-хими­ ческих условиях.

Таким образом, единство геохимии — минералогии — петрогра­ фии реально отражает существующее в природе единство атома — ми­ нерала — горной породы.

Прогресс геохимии в значительной мере способствует развитию геологии и географии. Химический подход к изучению геологических явлений становится неизбежным при изучении процессов выветривания, явлений окраски ландшафта, формирования ландшафтных зон суши

ибиономических зон моря. В то же время геохимия при исследовании явлений прошлого неизбежно идет одной дорогой с исторической гео­ логией и палеонтологией. Решение кардинальных проблем историче­ ской геологии определяется, собственно говоря, геохимическими ме­ тодами: методом изотопной палеотермометрии (по отношению изото­ пов 180 160 в карбонатах раковин морских организмов) и радиологи­ ческими методами датировки возраста. Как отмечал А. Ферсман, оценка времени, которая лежит в основе геологии как науки истори­ ческой, связана с развитием геохимических и радиологических идей. Геологическая наука приобретает шкалу времени для оценки масшта­ бов различных явлений. По изотопам кислорода стали определять тем­ пературу древних морей в числовых единицах (градусах). Это сущест­ венно расширило и уточнило возможности палеогеографических ре­

конструкций и способствовало решению вопросов палеоэкологии. ! У геологии геохимия заимствует принцип актуализма, так как зако­ ны физико-химических равновесий и радиоактивного распада в геоло­

гическом прошлом были такие, как и сейчас.

I Взаимосвязь между отдельными частями ландшафта геологическо­ го!прошлого и настоящего устанавливается наиболее глубоко геохими­ ей, которая выявляет вещественный обмен между разными верхними геосферами и живым веществом суши и моря. Возникшие от космиче­ ской радиации меченые атомы (3Н, 14С и др.) позволяют уточнить особенности газового баланса в атмосфере, литосфере и глубинную циркуляцию вод мирового океана.

:• Особую роль в геохимических процессах играет живое вещество — планетарная совокупность массы животных и растений. Газовый ба­ ланс планеты и круговорот большинства химических элементов про­ исходят при прямом и косвенном участии организмов биосферы —

7

оболочки жизни Земли. Отсюда очевидной становится связь геохимии с биологией, конкретно выразившаяся в возникновении биогеохимии, начало которой положено трудами В. И. Вернадского. Питание, дыхание, рост и размножение организмов, усваивающих энергию солнечной радиации, определяют существование живого вещества

всостоянии крайней напряженности и агрессивности по отношению

кпространству. Все это своеобразно преломляется в истории химиче­ ских элементов. Живое и косное вещества взаимно переплетаются в процессе непрерывного геохимического круговорота элементов, ох­ ватывающего атмосферу, растения, почву, природные воды и поверх­

ность литосферы. Поэтому геохимия приобретает все более тесные связи с агрохимией и почвоведением, которые способствуют развитию сель­ ского хозяйства.

Любое месторождение полезных ископаемых представляет собой концентрацию одного или чаще нескольких химических элементов, которая помимо геологических и петрографических факторов опреде­ ляется еще и законами геохимии. Поэтому геохимия становится осно­ вой для истолкования генезиса многих месторождений. Решающая роль принадлежит геохимии в деле поисков редких и рассеянных элементов, которые оставляют следы своего присутствия в прилегаю­ щем к месторождению пространстве — почвах, растениях, водах и горных породах, подземных газах. Геохимия приобретает большое практическое значение, ее связь с учением о полезных ископаемых становится все более тесной.

С могучим развитием промышленности и техники многие крупные месторождения ценных металлов быстро иссякают, и перед геохимией и технологией возникает трудная и величественная задача будущего — найти и освоить участки с повышенным содержанием полезных метал­ лов, которые в настоящее время не могут быть отнесены к месторож­ дениям в обычном их пониманирцщиду относительно низкого содержа­ ния полезного ископаемого. Учение о полезных ископаемых сейчас все теснее связывается с геохимией и привлекает все чаще методы гео­ химии изотопов для выяснения генезиса, возраста и этапов формиро­ вания рудных и нерудных месторождений.

Современная геохимия не только способствует удовлетворению насущных нужд человечества — расширению минерально-сырьевой базы, но и поднимается до высочайших теоретических обобщений, касающихся истории вещества Земли в связи с эволюцией атомов в космических системах. Геохимия и космохимия в содружестве с астро­ физикой утверждают единство мира во всем его многообразии языком законов атома, языком изотопных соотношений. Геохимическая исто­ рия атомов есть лишь часть (продолжение) космической их истории, и, по существу, геохимия представляет собой часть космохимии (наи­ более развитую ее область) в той же мере, в какой Земля является частью солнечной системы и Галактики. И вещество Земли отражает далекие во времени космические процессы, которые привели к опреде­ ленному количественному набору разновидностей атомов и тем самым предопределили всю красочность и великолепие колыбели рода чело­ веческого, возможные лишь при данном составе земного вещества.

8

ОЧЕРК ИСТОРИИ ГЕОХИМИИ

По определению В. И. Вернадского, геохимия — наука XX в. Однако корни геохимии уходят в далекое прошлое истории естество­ знания. Уже в античное время существовали некоторые представле­ ния об естественной истории атомов, но они неизбежно носили натур­ философский характер.

Первые опытные данные по химии древние народы Вавилона, Египта, Индии и Китая получали при производстве стекла, выплавле­ нии металлов из руд, получении красителей и т. д. Сведения по химиз­ му природных соединений были унаследованы последующими поколе­ ниями и дошли до эпохи средневековья.

В Западной Европе в эпоху средневековья познание химического состава природных тел происходит стихийно в связи с трудами ал­ химиков и их последователей. Наиболее яркая фигура конца этой эпохи — Теофраст Парацельз (1493—1541), утвердивший химию в медицине и высказавший ряд идей, близких к геохимии, о круговороте веществ в природе. Его современник Г. Агрикола (1494—1555) изучал рудные месторождения Центральной Европы и в своих работах дал первую сводку знаний того времени по металлургии, минералогии и горному делу. В этих работах мы встречаем некоторые геохимические идеи, связанные с генезисом минералов.

Первостепенное значение в истории химии имело введение понятия о химическом элементе как последней инстанции делимости вещества, составной части всех природных образований. Понятие о химическом элементе было введено в науку английским врачом и химиком Робер­ том Бойлем (1627—1691). Бойль интересовался также химией океана и атмосферы. Он выполнил первые анализы морской воды и указал на сложный состав атмосферного воздуха. Исследования Р. Бойля совпали со значительными успехами горнорудного дела в Центральной Европе и развитием механики. Зарождение небесной механики (труды И. Кеп­ лера и И. Ньютона) и установление того факта, что движение небес­ ных тел происходит по тем же законам, что и движение тел на поверх­ ности Земли, неизбежно привело к заключению о единстве сил во вселенной и натолкнуло на мысль о единстве земной и космической материи. В 1676 г. Христиан Гюйгенс (1629—1695) впервые выска­ зал идею о единстве химического состава космоса. Как отмечал В. И. Вернадский, исключительно глубоко проанализировавший исто­ рию развития геохимии, X. Гюйгенс в труде «Kosmotheoros» (1704), который он завершил за несколько недель до смерти, высказал самые сокровенные мысли о строении мира. В нем отчетливо выражены два принципа огромной важности: тождество материального состава и сил во всем космосе и понятие о жизни, как о чем-то резко отличном от косной материи и как о явлении космическом.

Вопросы химии Земли в планетарных масштабах были затронуты в работах Э. Галлея (1656—1742) и Л. Бюффона (1707—1788). Э. Гал­ лею принадлежит первая попытка определения возраста океана по накоплению в нем солей, приносимых реками с поверхности суши. Л. Бюффон в «Эпохах природы» (1780) нарисовал первую картину

s

истории Земли, начиная от ее огненно-жидкого состояния. Несколько ранее Г. В. Лейбниц (1646—1716) выступил с утверждениями об ог­ ненно-жидком начале Земли. По его мнению, с огненно-жидким нача­ лом Земли связана ее шаровидная форма.

К середине XVII столетия было собрано и описано много минера­ лов и горных пород, значительно расширились сведения об их хими­ ческом составе. Появились предпосылки для возникновения научной минералогии, кристаллографии и геологии. Горнорудное дело и металлургия достигают значительного развития в Центральной Евро­ пе в связи с возрастающей потребностью в металлах. Расширяется эксплуатация минеральных богатств в России. На этот период прихо­ дится деятельность выдающегося русского ученого-энцикяопедиста М. В. Ломоносова (1711—1765).

Михаил Васильевич Ломоносов был убежденным атомистом. Он рассматривал Землю как сферическое тело, подчиняющееся в своем развитии законам физики, химии и механики, один из первых выдви­ нул кинетическую теорию строения вещества, сформулировал и обосно­ вал закон сохранения вещества — фундаментальный закон всего естествознания. Большое внимание уделял М. В. Ломоносов вопросам химии земной коры. Им впервые были описаны некоторые геохимиче­ ские свойства металлов. Происхождение рудных жил он объяснял процессом осаждения химических соединений из воды, проходящей по трещинам горных пород. У М. Ломоносова мы встречаем первые идеи о «сонахождении» минералов — парагенезисе, который оконча­ тельно утвердился в минералогии в середине XIX в. Геометрическую форму кристаллов М. Ломоносов рассматривал как отражение соот­ ветствующего правильного расположения шарообразных частиц, а не молекул, и таким образом предвосхитил учение об эффективных ион­ ных радиусах современной кристаллохимии. Он допускал органиче­ ское происхождение угля путем обугливания растительных остатков без доступа воздуха при повышенных давлениях и температурах. Органическое происхождение приписывалось им также некоторым черным сланцам, асфальту и нефти.

Из сказанного следует, что во многих вопросах М. Ломоносов намного опередил науку своего времени. Однако в связичсо слабыми научными связями между странами и ограниченностью научной ин­

Э.Канта, а затем П. Лапласа.

Дж. Пристли (1733—1804) и А. Лавуазье (1743—1794) окончатель­

но устанавливают химический состав воздуха. Открываются новые элементы. Г. Дэви (1778—1829) исследует рудничные газы, газы вул­ канов, открывает с помощью электролиза щелочные металлы — нат­ рий й калий.

В 1794 г. в Риге выходит книга Э. Ф. Хладного (Хладни, 1756— 1827), члена-корреспондента Российской Академии наук, в которой

10