Геохимия

ГЕОХИМИЯ (от греч. ge — Земля и химия * а. geochemistry; н. Geochemie; ф. geochimie; и. geoquimica) — наука о распространённости и распределении, сочетании и миграции химических элементов в геосферах Земли.

По определению В. И. Вернадского, геохимия — наука, изучающая "историю химических элементов планеты". Многочисленные сведения о химическом составе природных объектов были накоплены в конце 19 в. в результате исследований Л. Эли де Бомона (Франция), К. Г. Бишофа и И. Брейтгаупта (Германия), Р. Бойля (Великобритания), Й. Я. Берцелиуса (Швеция). Отчётливое понимание роли химических процессов в геологии отмечается в трудах М. В. Ломоносова и Д. И. Менделеева. Первые геохимические данные были обобщены в работах Ф. У. Кларка (США) в 1889-1924. Разработка проблематики и методологии геохимии как самостоятельной науки, объектом которой являются атомы химических элементов в природе стала возможной только в 20 в. благодаря основополагающим работам В. И. Вернадского, В. М. Гольдшмидта (Норвегия), А. Е. Ферсмана, Ф. У. Кларка на базе современных представлений о строении атома.

Задачи геохимии: исследование распространённости химических элементов, а также распределения химических элементов и их изотопов в Земле в целом, в различных её геосферах, конкретных горных породах, рудах, минералах, почвах, живых организмах, техногенных системах; изучение закономерностей поведения (миграции элементов) химических элементов в геологических и техногенных процессах, ведущих к концентрации или рассеянию элементов, формированию горных пород и минералов, месторождений полезных ископаемых.

Фактическим основанием геохимии служат количественные данные о содержании и распределении химических элементов и их изотопов в различных объектах (минералах, рудах, горных породах, водах и газах, живых организмах, структурных зонах земной коры, земной коре, мантии и Земле в целом, в разнообразных космических объектах и т.п.), о формах нахождения и состояния элементов в природном веществе (собственно минералы, примеси в минералах, различные формы рассеянного состояния; сведения о степени ионизации, характере химических связей элементов в фазах и т.п.). Получение этих данных опирается на геологическую характеристику объектов, современные физические и физико-химические методы определения содержания и состояния элементов в минеральном, жидком, газообразном и живом веществе (химические, спектральные, рентгеноспектральные, масспектральные, радиографические, активационные методы анализа, локальные, резонансные, спектроскопические методы определения состояния элементов в минералах, горных породах, жидкостях и т.п.), математические методы обработки данных.

Теоретическая база геохимии — физические и химические законы поведения вещества в различных термодинамических условиях (законы механики, термодинамики, физической химии, химии водных растворов и газов, кристаллохимии, физики твёрдого тела и т.п.). Для современной геохимии характерен комплексный, системный и эволюционный подход к стоящим перед нею проблемам. В их решении геохимия тесно связана с минералогией, кристаллохимией, петрологией, учением о полезных ископаемых, геофизикой и другими разделами геологии.

Общими методологическими принципами разработки теории геохимии являются создание математических и физических моделей природных процессов, экспериментальное воспроизведение разделения химических элементов в различных условиях и определение фазовых равновесий и термодинамических свойств минералов и соединений элементов в расплавах и растворах, необходимых для расчёта равновесий в природных системах. Геохимия выработала собственные методы исследования: метод глобальных и локальных геохимических констант — Кларков элементов (Кларк, Ферсман); изучение механизма формирования и химические эволюции земной коры на основе представлений о едином круговороте вещества (геохимическом цикле) при учёте принципиальной роли живого вещества биосферы (Вернадский, Гольдшмидт и др.); геохимическое картирование и районирование (Ферсман), датирование — абсолютная геохронология П. Кюри (Франция), А. Холмс (Великобритания), Э. К. Герлинг (СССР); методы физико-химического анализа парагенезисов минералов (Д. С. Коржинский, В. А. Жариков).

Миграция химических элементов и их разделение (концентрация и рассеяние) в геологических процессах приводят к сложной картине распределения химических элементов в земной коре. Свойства атомов элементов, определяющие их поведение в этих процессах, зависят от строения электронных оболочек и особенностей химической связи и в первом приближении — от их положения в периодической системе элементов (рис.).

В условиях земной коры подавляющая масса элементов присутствует в форме свободных или связанных в комплексы ионов. Устойчивость разных форм ионов, а также различных типов кристаллических структур зависит от размеров ионов (эффективных радиусов), эффективных зарядов и особенностей строения электронных оболочек (образование ненаправленных или направленных связей, степень ионности и т.п.). Химические свойства элементов коррелируют с этими параметрами ионов и эти корреляции широко используются для объяснения и предсказания геохимической истории элементов. Фундаментальные свойства атомов — размеры и заряды — определяют закономерности распределения элементов в минеральном веществе земной коры: поля устойчивости минералов, находящиеся в зависимости от термодинамических условий геологических процессов, и закономерности изоморфного рассеяния элементов в главных породообразующих минералах.

В пределах земной коры выделяют геохимические провинции планетарного и регионального масштаба, в которых устойчиво в течение геологического времени проявляются те или иные типы минерализации или ассоциации элементов, накапливающихся в геологических процессах. Сами процессы шли во времени неравномерно, и в истории Земли выделяются геохимические эпохи (металлогенические), для которых было характерно формирование определенных типов месторождений химических элементов.

Общие принципы распределения элементов в природных фазах — минералах — положены в основу наиболее широко используемой в геохимии геохимической классификации элементов Гольдшмидта. Любой геологический процесс сопровождается накоплением одних элементов и изотопов и рассеянием других, то есть, с точки зрения геохимии, является процессом их разделения. Наблюдаемые эмпирические закономерности распределения элементов и изотопов в том или ином геологическом процессе несут непосредственную информацию о физико-химических факторах и механизмах геологических процессов (см. геохимические процессы). Причина разделения элементов и изотопов в геологических процессах — различие их свойств. В геохимии широко используется метод анализа изменений в геологических процессах соотношений содержания близких элементов и особенно изотопов, небольшие различия миграционных свойств которых ведут к их фракционированию. В геохимии обычно исследуются и интерпретируются отклонения состава от среднего соотношения, например отношения К/Rb, Sr/В, Y/Ce, Zr/Hf, Nb/Ta, U/Th,¹²С/¹³С,¹⁸О/¹⁶О и т.п., свидетельствующие о длительности, сложности, интенсивности, физико-химических параметрах геологического процесса или источника рудного вещества Гольдшмидт (Норвегия), Ферсман, А. П. Виноградов, В. В. Щербина, В. И. Герасимовский, Л. В. Таусон, В. А. Гриненко, Э. М. Галимов (СССР), Д. Шоу (Канада), Г. Юри, С. Эпстайн, Х. Тейлор (США). Благодаря широкому диапазону вариаций спектра 14 лантаноидов и их повсеместному распространению геохимия редкоземельных элементов — наиболее крупного семейства элементов в периодической системе — успешно исследует эволюцию химических условий природных процессов: окисление — восстановление, кислотность — щёлочность и др. Гольдшмидт (Норвегия), Л. Хаскин, Дж. Филпотс (США), Ю. А. Балашов, Д. А. Минеев (СССР).

Изучение космических объектов (планет, их спутников, астероидов, метеоритов, космической пыли и др.) геохимическими методами составляет предмет геохимии космоса, успехи которой связаны с именами Вернадского, Ферсмана, Виноградова (СССР), Юри (США), А. Э. Рингвуда (Австралия) и др.

В тесном взаимодействии с веществом земной коры находятся подвижные оболочки Земли — атмосфера и гидросфера, которые являются объектами изучения специальных разделов геохимии — атмогеохимии и гидрохимии. Исследованием геологической и геохимической деятельности живых организмов занимается биогеохимия, созданная трудами Вернадского; историю, условия накопления и геохимическую роль неживого органического вещества изучают органические геохимии; геохимическое влияние техногенных процессов, связанных с деятельностью промышленных предприятий и техники, — предмет геохимии техногенеза. Значительный вклад в разработку этих направлений геохимии сделан советскими учёными Вернадским, Я. В. Самойловым, Ферсманом, Виноградовым, Б. Б. Полыновым, А. И. Перельманом. Основные проблемы геохимии радиоактивных элементов и изотопов (радиогеология): изучение поведения радиоактивных элементов в геологических процессах, поиск месторождений радиоактивных руд, исследование энергетических процессов в земной коре, связанных с радиоактивностью Вернадский, В. Г. Хлопин (СССР), Дж. Джоли (Великобритания); определение абсолютного возраста горных пород и минералов по накоплению продуктов распада радиоактивных изотопов, идущего с постоянной скоростью Холмс (Великобритания), А. Нир, Г. Вассербург (США), Герлинг, Виноградов, И. Е. Старик, А. И. Тугаринов (СССР), Ф. Хаутерманс (Швейцария). Геохимия изотопов исследует закономерности разделения изотопов элементов в геологических процессах и разрабатывает критерии использования этих данных для решения теоретических и прикладных задач геологии; основы этого раздела геохимии заложены трудами Вернадского, Виноградова; Юри, Эпстайна (США), Х. Тодта (Канада) и др. В качестве самостоятельных направлений оформились физическая геохимия — наука о физико-химических процессах формирования минералов, горных пород и руд, земной коры и мантии, атмосферы, гидросферы, основы которой были заложены трудами Гольдшмидта, развиты работами Коржинского и его школы, и термобарогеохимия — комплекс методов изучения физико-химических условий процессов минералообразования по особенностям состава газово-жидких и твёрдых включений в минералах, предложенный советским учёным Н. П. Ермаковым и др.

Геохимию природных процессов подразделяют на геохимию эндогенных — магматических, гидротермальных, метаморфических (зарубежные исследователи Гольдшмидт, Н. Боуэн, Ф. Тёрнер, У. Файф и многие советские учёные — Коржинский, Н. И. Хитаров, Жариков, Таусон и др.) и экзогенных процессов — геохимия осадко- и корообразования (Самойлов, Полынов, Н. М. Страхов, А. Б. Ронов, И. И. Гинзбург), химические седиментации, галогенеза, эпигенеза осадков (Н. С. Курнаков, М. Г. Валяшко, Перельман). В связи с особой актуальностью наибольшее внимание уделяется геохимическим процессам рудообразования (Ферсман, Щербина, А. А. Сауков, Тугаринов, Л. Н. Овчинников, В. Л. Барсуков, Г. Б. Наумов, В. И. Рехарский, Д. В. Рундквист и др.). Использование геохимических данных для поисков, разведки, комплексной оценки и разработки месторождений, охраны окружающей среды составляет содержание прикладной геохимии. В связи с особой актуальностью сырьевых проблем всё большую роль приобретает изучение геохимии отдельных элементов, прослеживающей историю каждого из элементов и их изотопов, особенно редких, рассеянных и радиоактивных.

Установленные в геохимии закономерности распределения и концентрирования химических элементов в геологических процессах являются основой прогнозной оценкой территории того или иного типа полезных ископаемых. Эта оценка опирается на устойчивые связи концентраций элементов с определенным типом горных пород и геологических процессов, на региональные (провинциальные) отличия средней распространённости того или иного элемента (геохимические провинции), на признаки повышения концентрации элемента в определенной формации пород данного региона (региональная геохимия), на конкретные, выявленные специальными исследованиями геохимические аномалии в распределении элементов на исследуемой территории. Знание законов возникновения и распределения ассоциаций элементов в геологических процессах и разных типах рудных месторождений и минералов позволяет оценивать масштабы оруденения (Барсуков), глубину эрозионного среза рудных тел (С. В. Григорян), планировать комплексное изучение и использование минерального сырья (Ферсман), попутное извлечение многих редких (Минеев) и рассеянных (В. В. Иванов) элементов. Понимание принципов и механизма формирования первичных и вторичных ореолов и потоков рассеяния элементов вокруг рудных тел является теоретической базой геохимических поисков и разведки, а также борьбы с потерями и разубоживанием руд, охраны недр. Особое значение приобретают геохимические исследования биосферы, только на основе которых могут быть разработаны прогнозы её эволюции и рациональные меры охраны окружающей среды от загрязнения.

Ведущие геохимические центры СССР: Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Академии Наук СССР (Москва), Институт геохимии им. А. П. Виноградова Академии Наук СССР (Иркутск), Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов Академии Наук СССР и Министерства геологии СССР, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Академии Наук СССР (оба — Москва), Институт геохимии и физики минералов Академии Наук УССР (Киев) и др. Во многих университетах и Московском геологоразведочном институте им. С. Орджоникидзе имеются кафедры геохимии. С 1950 издаётся международный журнал "Geochimica et Cosmochimica Acta", с 1956 — журнал "Геохимия", другие издания.