ЛЕКЦИЯ 1: Предмет и история геохимии. Специфика курса.

Геохимия, как показывает само название, изучает химические процессы, происходящие как в самой земле, так и далеко за ее пределами.

Как самостоятельная отрасль науки геохимия оформилась в первом десятилетии 20-го века в России, ее основателем был В.И.Вернадский. Однако сам термин «геохимия» предложен швейцарским химиком Шенбейном в 1838 г. для обозначения науки о химических процессах в земной коре. Предложенный Шенбейном термин был использован Вернадским для обозначения созданной им науки – истории атомов Земли. Определений геохимии как науки существует несколько. Из них наиболее полным следует считать определение Вернадского: «Геохимия изучает химические элементы, т.е. атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве и времени, их генетические на нашей планете соотношения». К этой формулировке довольно близко определение А.Е.Ферсмана: «Геохимия изучает историю химических элементов-атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических и физико-химических условиях природы".

Понять историю атомов в земной коре (и вообще на Земле и в космосе) можно, лишь изучив свойства этих атомов, так как различные природные процессы, связанные с распределением и миграцией химических элементов в пространстве и времени, являются функцией в первую очередь этих свойств. Современная геохимия учит, что распространенность элементов, т.е. относительные их количества на Земле и в космосе, определяется устойчивостью ядер их атомов, химические же свойства и перемещение атомов (миграция) находятся в тесной связи с характером внешних электронных орбит атомов.

Таким образом, основными проблемами, которыми занимается геохимия, являются следующие.

1. Законы и закономерности распространения химических элементов в земной коре, отдельных геосферах Земли и в Земле как в космическом теле, связь распространенности земных элементов с законами распространенности и распределения химических элементов в космических телах и космосе.

2. Геохимические свойства элементов, связанные со строением атомов – как их ядер, так и электронных оболочек, в том числе геохимические свойства, связанные с изотопным составом атомов химических элементов.

3. Законы и закономерности миграции химических элементов в геологических процессах земной коры, причины концентрации и рассеяния элементов, а также их совместного нахождения (парагенезис) в определенных геологических условиях земной коры.

4. Геохимия отдельных регионов земной коры, выяснение законов качественного и количественного распределения химических элементов в конкретных участках земной коры (геохимических провинциях) в связи с их геологической историей и термодинамическими условиями развития.

5. История отдельных химических элементов и их атомов в земной коре, в различных геологических, физико-химических, термодинамических и геохимических условиях на различных стадиях космической и геологической истории.

6. Законы и закономерности химического состава космических тел и космоса в целом.

7. Эффективные геохимические методы поисков полезных ископаемых.

Из истории геохимии. Слово «геохимия» было произнесено впервые в 1838 г., повторено в 1840 и обосновано в 1842 г. Оно было сказано, как я уже говорила, швейцарским химиком Христианом Фридрихом Шенбейном. Он был одним из крупнейших натуралистов начала 19 века. По своей работе он был тесно связан с Либихом, Берцелиусом и Фарадеем. Шенбейну принадлежит открытие озона и взрывчатых веществ. Но истоки геохимической науки восходят к первым сводкам минералов Земли у Теофраста и Плиния. Мы находим отдельные черты геохимических представлений в тот период, когда алхимики-врачи в своих исканиях накапливали огромный материал по химическому познанию земель, солей и металлов. Еще больше разбросано геохимических идей в тех философских и космогонических представлениях, которые принес нам Восток, а позднее учения Демокрита, Аристотеля и Тита Лукреция. Время шло. Накопление точных сведений о природе земной коры получило блестящее освещение в гениальных работах М.В.Ломоносова в 1763 г. В основе его геохимических воззрений лежит идея об изменчивости мира, в котором мы живем. Он высказал ряд важных положений: об условиях образования минералов, о парагенезисе минералов и элементов, о типоморфных свойствах минералов, о миграции химических элементов и многие другие. 19 век стал веком накопления огромного числа научных фактов, позволивших сделать ряд величайших открытый. В 1849 г. вышла работа И.Брейтгаупта «Парагенезис минералов», в которой автор изложил закономерности совместного нахождения различных минералов в природе. К этому же времени относится открытие И.Г.Пратта – его гипотеза изостазии, объяснившая явления горообразования и магматизма всплыванием более легких масс горных пород. В 1859 г. в области химии произошло важное событие – создание метода спектрального анализа Г.Р.Кирхгоффом и Р.Бунзеном, позволившее в сравнительно небольшие сроки обнаружить одни и те же элементы в разных земных породах, золе растений и животных и в спектрах звезд.

Итогом этих открытий явилась опубликованная в 1908 г. работа Ф.У.Кларка «Данные по геохимии», который привел все известные в то время анализы горных пород и составил на основании их таблицу распространенности элементов в земной коре. Наконец, следует отметить еще два крупнейших открытия второй половины 19 века. Это прежде всего периодический закон Д.И.Менделеева, который выявил не только последовательную повторяемость химических свойств элементов по мере роста их атомной плотности, но и предсказал на основании этого три новых элемента. Вторым, полностью не оцененным вначале открытием, явилось обнаружение явления радиоактивности, впервые установленное в 1896 г. А.Беккерелем, исследованное и понятое супругами Кюри в начале 20 столетия.

Итак, начало 20 века ознаменовалось открытием огромного числа новых фактов, поставивших ученых перед необходимостью соединить их в одно целое, осознать единство окружающего мира, выяснить условия перемещения атомов. Таким образом, геохимия настоятельно требовала своего признания. Нужен был крупный мыслитель, который смог бы заявить о ее существовании, ее методах и предмете. Таким ученым стал В.И.Вернадский, который впервые определил задачи геохимии как науки и сформулировал некоторые закономерности.

Впоследствие сложилось три основных направления, три школы. Исторически первое направление связано с именами Кларка и его последователей (Ноддаки, Гевеши и др.). Главной задачей геохимии они считали изучение количественного химического состава нашей планеты, особенно земной коры и отдельных ее частей – горных пород, минералов, атмосферы и гидросферы. Многие тысячи анализов, произведенных при этих исследованиях, позволили решить в первом приближении поставленную задачу в отношении большого числа химических элементов. Однако, сводя все содержание геохимии к проблеме распространенности элементов, это направление являлось, безусловно, слишком узким и односторонним.

Второе направление было создано норвежцем В.М.Гольдшмидтом. Он работал, особенно в первое время, в различных областях геохимии, в том числе над проблемой физико-химического объяснения явлений контактового метаморфизма и над проблемой распространения химических элементов. В дальнейшем он занимался преимущественно кристаллохимическими исследованиями. Важнейшей задачей геохимии он считал при этом объяснение распределения отдельных химических элементов между различными минералами и горными породами, исходя, в первую очередь, из кристаллохимических особенностей решеток минералов, из явлений изоморфизма.

Третье направление было создано Вернадским и А.Е.Ферсманом. Основное внимание они обращали на вопросы миграции атомов, на их поведение в различных условиях земной коры, ставя конечной целью дать для каждого элемента картину его распространения и движения в пространстве и времени.

Структура геохимического знания.

В 80-х годах ушедшего столетия в нашем институте доктором наук Я.Э.Юдовичем была разработана систематика, в которой с точки зрения практического удобства и теоретического обоснования были учтены основные компоненты геохимического знания.

1. Геохимия магматических горных пород и соответственно – высокотемпературных процессов в силикатных расплавах (процессов магмогенеза).

Бурное развитие геохимии в послевоенные годы началось именно с того, что стали в массовом порядке определять содержания редких элементов в магматических горных породах, например, в гранитах. В настоящее время этот блок – область безраздельного господства физхимии. Появилась даже специальная дисциплина «Физическая геохимия». С точки зрения многих петрологов это вовсе не геохимия, а петрология. Об этом можно спорить, но вне всякого сомнения, геохимическим подходам (именно в смысле истории атомов) здесь принадлежит огромное место. Назовем три исключительно плодотворных геохимических подхода, каждый из которых породил уже крупные самостоятельные разделы геохимии с соответствующей литературой.

1.1. Изучение так называемых коэффициентов распределения элементов-примесей между кристаллами и расплавом (или твердой породой) и между сосуществующими минералами. В русской геохимии наиболее известны в этой области работы академика И.Д.Рябчикова. Такой подход позволяет получать важнейшую информацию о термодинамических параметрах магматических процессов. Например, с помощью изучения коэф. распределения литофильных элементов между клинопироксенами и вмещающей их ультраосновной породой – перидотитом, был сделан важный вывод о том, что «степень накопления отдельных литофильных элементов [Rb, K, Sr, Ti, U, La, Ce, Nd, Sm, Gd, Yb] в коре относительно мантии в целом соответствует различию коэффициентов распределения этих элементов в клинопироксенах» [Балашов, 1985, с.58].

1.2. Изучение распределения элементов–примесей (а также и некоторых породообразующих элементов, таких как калий, фосфор, титан) в дифференцированных магматических сериях в различных геоструктурных обстановках. Так, использование диаграмм в координатах содержаний какой–либо пары элементов, например, Ba–Sr, Rb–Sr, K–Rb, Ti–K, La–Eu, P–K, Zr–Ti, Cr–V, Co–Ni позволил выделить отчетливые рои точек – тренды составов, соответствующие магматитам различных геоструктурных обстановок, а в пределах этих трендов – ряды дифференциации магмы. В русской геохимии впечатляющим примером эффективности такого подхода можно считать работу Б.Г.Лутца [1980].

1.3. Изучение распределения редкоземельных элементов. Например, использование содержаний европия позволило почти однозначно ответить на важный вопрос петрологии: являются ли гранитоиды продуктом преимущественной дифференциации мантийного материала, или же в основном продуктом палингенеза (переплавления) корового материала, то-есть преимущественно осадочно-метаморфического. Правильным оказалось именно последнее [Балашов, 1985, с.53].

2. Геохимия биосферы или что то же самое – геохимия гипергенеза. Понятие об оболочке Земли, проникнутой жизнью – биосфере – важнейший вклад Вернадского в современную науку. Здесь биосфера понимается широко: и как современная оболочка, где есть живое вещество (необиосфера или собственно биосфера в смысле Вернадского), и как продукты былых, ныне мертвых биосфер Земли – палеобиосфера, овеществленная в осадочной оболочке Земли – стратисфере. Ведь как впервые ясно показал Вернадский – все без исключения осадки на Земле образуются только в пределах биосферы, поэтому стратисфера порождена биосферой. На планетах, где не было жизни (напр., на Луне, на Марсе) по существу нет и стратисферы. Таким образом, в этот крупный блок попадают, с одной стороны, геохимия осадочных пород – седиментитов, а с другой – геохимия современной биосферы, составной частью которой являются ландшафты.

Это направление молодо и энергично развивается на стыке физической географии, седиментологии, лимнологии и др. дисциплин скорее географического профиля (а не геологического), осуществляя широкую экспансию в смежные области, т.е. поглощая и перерабатывая их. В этом блоке обособляются несколько направлений:

2.1 – геохимия почв, осадков-седиментов и молодых кор выветривания;

2.2 – геохимия живого вещества – созданная Вернадским биогеохимия;

2.3 – геохимическая экология, важной частью которой является геохимический мониторинг, т.е. непрерывное слежение за геохимическими параметрами окружающей среды.

В то же время биосфера является областью существования биокосных систем (опять термин Вернадского) – т.е. совместного бытия неживого (косного) и живого вещества, находящихся в тесной взаимосвязи – пространственной и генетической. А поскольку важнейшим типом биокосных систем являются ландшафты – то видное место в этом блоке принадлежит геохимии ландшафтов.

Через концепцию геохимических барьеров данный блок естественным образом пересекается с блоком Прикладной геохимии. Кроме того, в пределы блока входит и раздел Геохимии природных вод (без воды нет и биосферы), и конечно, Геохимия осадочных пород-седиментитов.

В геохимии природных вод можно выделить направления:

2.4 – геохимия поверхностных вод континентов – это «гидрохимия»;

2.5 – геохимия подземных вод континентов – это «гидрогеохимия»;

2.6 – геохимия Океана;

2.7 – геохимия термальных вод

Вполне очевидны связи геохимии природных вод с геохимией ландшафта и геохимией седиментитов (например – солей-эвапоритов, источников вещества для подземных рассолов), а также с геохимией магматитов и гидротермалитов. Например, в областях современого вулканизма, изучая термальные воды, мы одновременно изучаем и геохимию гидротермальных минеральных систем (гидротермалитов).

Что касается геохимии палеобиосферы-стратисферы, то это обширное направление современной геохимии. Этот раздел тесно связан с коренными геологическими дисциплинами: стратиграфией, палеонтологией, литологией, а также с фациальным анализом, а в последние годы – и с формационным анализом. Здесь без труда выделяются автономные направления просто по типам осадочных горных пород и руд:

2.8 – геохимия терригенных пород;

2.9 – геохимия карбонатных пород; 2.9 – геохимия кремнистых (кремнёвых, по В.Т.Фролову!) пород (сильно пересекается с геохимией черных сланцев);

2.10 – геохимия осадочных руд, например, фосфоритов, баритов, железных и марганцевых руд, бокситов, руд урана и пр.;

2.11 – органическая геохимия, в том числе геохимия так называемых каустобиолитов (горючих биолитов), к которым относят уголь и горючие сланцы. Можно вычленить как самостоятельные направления геохимию углей, геохимию черных сланцев, геохимию нефтей и их производных – нафтидов.