ГЕОХІМІЯ ДОВКІЛЛЯ

Роки народження геохімії 1908-1911, місце народження - кафедра мінералогії Московського університету, якій з 1891 р керував В. І. Вернадський. Мінералогію вчений трактував як хімію з'єднань земної кори і тому велике значення надавав точному хімічному аналізу мінералів. До його робіт панувало уявлення про мінеральну формою перебування хімічних елементів в літосфері. Вважалося, що мідь входить до складу халькопирита (CuFeS₂) Та інших мідних мінералів, цинк -сфалериту (ZnS) і т.д. Скільки міді або цинку знаходиться в гранітах або базальтах, т. Е. Породах, що не містять мінерали цих елементів, було невідомо, і сама постановка питання не представлялася актуальною. Методи аналізу теж не завжди дозволяли вирішувати подібні питання. Тому, коли В. І. Вернадський став спектральним аналізом визначати в гірських породах цезій, рубідій, індій, талій, вісмут та інші рідкісні елементи, його робота виявилася новаторською. Вчений створив уявлення про «немінерального», «розсіяною» формою перебування хімічних елементів. В.І.Вернадський прийшов до висновку про загальне розсіянні хімічних елементів, про те, що «всі елементи є скрізь». У 1909 р на XII з'їзді російських природознавців і лікарів вчений говорив: «У кожній краплі і порошині речовини на земній поверхні, у міру збільшення тонкощі наших досліджень, ми відкриваємо все нові і нові елементи. Виходить враження мікрокосмічна характеру їх розсіювання. У піщинці або краплі, як в мікрокосмос, відбивається загальний склад космосу. У ній можуть бути знайдені всі ті елементи, які спостерігаються на земній кулі, в небесних просторах. Питання пов'язаний лише з поліпшенням і уточненням методів дослідження. При їх поліпшенні ми знаходимо Na, Li, Sr там, де їх раніше не бачили; при їх уточненні ми відкриваємо їх в менших пробах, ніж робили раніше. Історія Ni, V, Au, U, He, іттроцеріевой групи і т. Д. Приводить нас до однакових висновків. Вони знаходяться всюди і можуть бути скрізь констатовано, вони зібрані в стані найбільшого розсіювання ». У ці ж роки увагу Вернадського залучили природні гази, явище радіоактивності. Він все більше долає «мінералогічний мислення», вибираючи в якості об'єкта дослідження хімічний елемент. Таким чином, геохімія виросла з мінералогії. Її становленню сприяли відкриття початку XX ст., Які оформили уявлення про атом як про цілком реальну і складній системі.

Перший курс нової науки прочитав в 1912 р для студентів Народного університету ім. A.JI. Шанявського в Москві талановитий учень Вернадського, разом з ним будував будинок геохімії, А. Е. Ферсман. Після закінчення гімназії Вернадський і Ферсман перенесли свої дослідження в Петербург, в Російську Академію наук, дійсним членом якого Вернадський став в 1912 р, Ферсман - в 1919 р Велике значення в 20-і роки для розвитку науки за кордоном мало викладання В. І. Вернадським геохімії в Празі і Парижі.

Геохімічні дослідження А. Е. Ферсмана на Кольському півострові в 20-х роках призвели не тільки до видатних результатів, але і до відкриття найбільших родовищ апатитів та іншої сировини, а в подальшому і до створення першого в світі гірничопромислового центру за полярним колом. Велике значення мали експедиції Ферсмана в Середню Азію, на Урал і в інші рудні провінції колишнього СРСР. В ході цих робіт створювалася школа геохимиков (К. А. Власов, А. А. САУК, Д. І. Щербаков, В. В. Щербина та ін.). Ферсман був засновником і директором геохімічні інституту Академії наук СРСР в Ленінграді (1930 г.). У 1933-1939 рр. Ферсман опублікував чотири томи «Геохімії» - перший систематичний виклад цієї науки.

Найбільшу увагу в цей період геохімік приділяли міграції елементів в розчинах і розплавах, в яких елементи часто знаходяться в формі іонів. У зв'язку з цим в геохімії велике значення придбала іонна концепція, основоположником якої був норвезький геохімік В. М. Гольдшмідт. Вчений обчислив розміри іонних радіусів (1926 р), сформулював перший закон кристаллохимии і правила ізоморфізму, заклав основи геохімії мінералів. Тому основний розвиток геохімії в 30-х і 40-х роках пішло по Крісталлохимічеськая напрямку. Другий закон кристаллохимии сформулював фізико-хімік А. Ф. Капустинський (згодом член-кор. Академії наук СРСР). Тоді ж були створені регіональна геохімія, геохімія осадових порід і руд, геохімія процесів вивітрювання, геохімія природних вод, геохімія галогенеза (вивчення солоних озер і підземних розсолів на основі фізико-хімічних ідей Я. Вант-Гоффа і Н.С.Курнакова). На початку 20-х років В. І. Вернадський заклав основи біогеохімії - науки про геохімічної ролі організмів. Найбільше значення мали праці Вернадського «Біосфера» (1926 р.). «Нариси геохімії» (1927 р.), «Біогеохімічні нариси» (1940 р.).

Предметом екологічної геохімії, що стала в останнє десятиліття невід'ємною частиною загальної екологічної підготовки студентів - екологів у вищій школі, є дослідження геохімічних відносин в екогеосистемах різного ієрархічного рівня. Еколого - геохімічні дослідження спрямовані на виявлення взаємозв'язку гео-, біо - і технопроцесів з допомогою методів геохімії і знань хімічних властивостей елементів. Це необхідно для оцінки ступеня концентрації і форм міграції елементів і їх сполук в компонентах навколишнього середовища (підземні і поверхневі води, ґрунти, породи, приземна атмосфера, донні опади та ін).

Геохімія вивчає поведінку хімічних елементів у ході геологічних процесів, форми їх міграції і знаходження в гірських породах і мінералах, поведінка іонів кристалічної решітки мінералів і енергетику геохімічних процесів. Ще зовсім недавно вважали, що геохімія – це хімія Землі. Але з того часу, як була взята перша проба місячного грунту, геохімія стала розглядатися як найбільш досліджена частина космохімії.

Космохімія – наука про хімічний склад Землі, планети і Всесвіту в цілому, в той час як геохімія – наука про закони розподілу і взаємному поєднанні хімічних елементів у земній корі, наука, що вивчає хімічні процеси земної кори – міграцію хімічних елементів, їх концентрацію і розсіяння, хімічний склад Землі та її оболонок.

За визначенням відомого російського геохіміка В. Ф. Барабанова, геохімія – наука про історію і долю атомів і їх з'єднань на нашій планеті. Але доля атомів в гірських породах тісно пов'язана з долею мінералів.Тому вивчення хімічних елементів Землі доцільно проводити на основі поглибленого дослідження мінералів, їх властивостей, складу та генезису. Таким чином, геохімія нерозривно пов'язана з мінералогією. За напрямами досліджень сучасну геохімію можна підрозділити на атмогеохімію, гідрогеохімію, біогеохімію, літогеохімію, геохімію ендогенних, екзогенних та метаморфогених процесів, геохімію океану, геохімію мантії, прикладну геохімію і т. д. Крім того, в середині минулого століття почали активно створюватися спеціальні розділи геохімії, пов'язані з окремими елементами та різними видами і типами корисних копалин (наприклад, геохімія нафти і газу, геохімія золота тощо).

І, нарешті, з'явилися розділи геохімії, пов'язані з аналітичною геохімією, геохімією ізотопів, ядерної геохімією, геохімією ландшафтів, геохімією рідкісних і розсіяних елементів у ґрунтах і т. д. Цей список постійно розширюється. На стику фізичної хімії і геології виникла фізична геохімія, що вивчає фізико-хімічні процеси в Землі і на Землі – природні фазові реакції. Геохімію можна визначити як комплексну науку, що займає проміжне положення між геологічними науками (мінералогія, петрологія, літологія, вчення про корисні копалини, гідрогеологія, океанологія) і хімічними (неорганічна, фізична хімія, хімічна термодинаміка, кристалохімія, колоїдна хімія). Додамо, що в питаннях дослідження складу планети геохімія стикається з астрономічними космогонія), фізичними (радіологія, ядерна геологія, геофізика) і біологічними науками (біохімія, ґрунтознавство, біогеохімія). При цьому всі геологічні науки в тій чи іншій мірі можуть бути віднесені до геохімії, що ще більш ускладнює систему їх взаємовідносин.

Науки точні і в той же час традиційні, наприклад хімія, математика, фізика, використовують специфічні, лише їм властиві методи дослідження. Геохімія, будучи наукою комплексною, використовує, відповідно, комплексні методи – геологічні, геолого-мінералогічні, фізичні, хімічні, термічні, математичні і т. д.

Фізичні методи – це, насамперед, фізичні методи аналізу речовини – рентгеноспектральний, спектральний, рентгеноструктурний аналіз, електронографія, радіометрія, ізотопний аналіз, спектрофотометрія, люминисценція, магнитохімічне вимірювання величин магнітної сприйнятливості і т. д.

Хімічні методи дослідження речовини включають полярографія, фотокалориметрию, визначення pH (лужності або кислотності середовища) і Eh (окислювально-відновного потенціалу) і класичний повний силікатна хімічний аналіз речовини.

З термічних методів крім термографії, що дозволяє одержувати криві зневоднення, температури дисоціації карбонатів, точки перетворення, все більшого поширення набувають дослідження температур гомогенізації газово-рідких включень, температур декрипитації і т. д.

Геохімічні методи зосереджені на вивченні мінералогічною та хімічної зональності, парагенеза мінералів, що утворилися із загальної багатокомпонентної фізико-хімічної системи, послідовності виділення мінералів, метасоматичних замещениях одного мінералу іншим. Тому геохімічні методи досліджень важко відокремити від мінералогічних.

До методів геохімічних досліджень можна віднести геохімічні пошуки і експериментальне відтворення природних процесів. Серед методів геохімічних пошуків слід зазначити металлометрію, що дозволяє будувати ореоли розсіяння елементів навколо родовищ, як в пухких, так і в кристалічних породах. Металометрію можна віднести і до геохімічними методами, так як її кінцевою метою є побудова карт геохімічних ореолів, і до хімічних методів у тому випадку, якщо вміст компонентів визначається хімічно.

При дослідженні геохімічних процесів, зокрема, міграції елементів, застосовується системний підхід, як метод геохімічних досліджень. Наприклад, Земля і земна кора неоднорідні і розчленовуються на системи різного рангу. В різних системах: земній корі, гідросфері, атмосфері і т. п. йдуть різні, часом різноспрямовані процеси, пов'язані в одне ціле. Однією з складових частин вивчення геохімічних систем є дослідження їх структури, тобто сукупності складових частин і засобів зв'язку між ними. Зв'язок між геохімічними системами можна класифікувати за типом середовища, в якій вони здійснюються, наприклад, водні, повітряні і т. д., так і за характером взаємодії. В останньому випадку можна говорити про прямих і зворотних зв'язках. Прямий зв'язок широко поширена в системах земної кори. Прикладами прямого зв'язку є вплив процесів окислення на формування руд, вплив радіоактивного розпаду на концентрацію в земній корі свинцю, аргону і т.д. Зворотній зв'язок може бути сформульована як вплив керованого процесу на керуючий процес або об'єкт. Наприклад, поява льодовиків в результаті похолодання призвело до збільшення відбивної здатності Землі і, відповідно, до більш сильного випромінювання, а це, в свою чергу, викликало ще більше охолодження і розвиток льодовиків.

За рівнем організації матерії системи, досліджувані в геохімії, поділяються на три основних типи:

1. Абіогенні системи, в яких протікають тільки процеси механічної та фізико-хімічної міграції. Це магматичні осередки в земній корі і мантії, гідротермальні системи, багаторічні замерзлі товщі порід, окремі мінерали та ін.

2.Біокосні системи, для яких характерні біогенна міграція, тісне взаємопроникнення живих організмів та неорганічної матерії. У цих системах розвиваються явища механічної міграції, але визначальне значення має біогенна міграція. Прикладами біокосних систем є ґрунт, кора вивітрювання, природний ландшафт, світовий океан, річка і т. д. Найбільша біокосна система – біосфера, тобто вся область, населена живими організмами.

3. Техногенні системи з провідним значенням техногенної міграції. До техногенних систем відносяться промислові підприємства, міста,транспортні артерії і т. п. В результаті міграції речовини виникає геохімічна зональність, в цьому випадку система розділяється на окремі зони. Зональність буває також різного порядку – від планетарної до регіональної та зональності окремого родовища. Крім того, існує горизонтальна (субгоризонтальна, латеральна) і вертикальна зональність Вивчення геохімічної зональності – вкрай важливе завдання геохімії.

Крім вивчення окремих процесів і систем існує ще один важливий аспект геохімічного дослідження – це геохімія окремих елементів, об'єктом дослідження якої служить конкретний хімічний елемент, його міграція в різних процесах і системах. Даний розділ геохімії включає в себе кілька напрямків: геохімію рідкісних елементів, геохімію лужних металів та ін.

Таким чином, відмінності перерахованих вище аспектів геохімічного дослідження зводяться до наступного. У геохімії процесів вивчається міграція хімічних елементів у певному процесі, який поширений у різних частинах земної кори, в різних системах. Наприклад, вивітрювання польових шпатів розвивається і в грунтах, і в корах вивітрювання, і у водоносних горизонтах і т.д. В геохімії систем вивчається міграція хімічних елементів у різних системах, для яких характерні протилежні взаємопов'язані процеси. Наприклад, в гідротермальних системах протікають розчинення, осадження, розкладання вміщуючих порід і т. д. В геохімії елементів вивчається поведінка конкретного елемента в різних процесах і системах. Важливо зазначити, що в минулі історичні епохи міграція речовини протікала не так, як зараз. Тому історизм є найважливішим методологічним принципом геохімії. Важливість такого підходу підкреслювали В.І.Вернадський і А.О.Ферсман, а А.А.Сауков запропонував виділити «історичну геохімію» в самостійний розділ науки.