Методы исследования геохимии

Практическая значимость

В.И. Вернадский (2005) подчеркивал особую роль геохимии, которая необходима для химиков, геологов, биологов, географов, а её открытия касаются фундаментальных областей физики и подходят к освещению самых общих взглядов на устройство Вселенной. Практическое значение геохимии выражается уже в том, что аномальные содержание веществ в земной коре: очень низкое, или очень высокое может вызвать ряд заболеваний у человека, животных, растений с тяжелыми последствиями. А.А. Сауков (1975) указывал на пользу геохимии в поисках новых источников, видов сырья, что особенно касается рассеянных элементов. По его мнению, человечеству не грозит нехватка минерального сырья, так как в земной коре оно находится в бесконечно большом количестве (относительно потребностей человечества), но в рассеянном состоянии. Необходимы технологии, аналогичные тем, которыми пользуются бактерии, грибы, использующие энергию сол. света для извлечения из первичных минералов горных пород необходимых питательных веществ: фосфатов, солей калия, натрия, кальция, магния, железа и т.д.

Геохимия участвует в поиске месторождений полезных ископаемых, так как концентрация химических элементов, сконцентрированных в месторождении, постепенно снижается в пространстве при удалении от него.

Методы исследования геохимии

Для решения своих задач геохимия пользуется различными методами. Изучение качественного и количественного состава горных пород, минералов, вод, газа, живого вещества ведется аналитическими методами: химическим, микрохимическим, спектрально-оптическим квантометрическим, рентгенохимическим, полярографическим, радиохимическим, люминесцентным и др. Но геохимия предъявляет к этим методам особые, более повышенные требования, чем другие науки. Например, минералоги, петрографы и специалисты по рудным месторождениям интересуются в основном лишь элементами, находящимися в состоянии концентрации, и считают поэтому удовлетворительным анализ, проведенный с точностью до 0,01%. Геохимию в одинаковой мере интересуют и элементы в состоянии рассеяния, содержание которых составляет иногда лишь тысячные, во многих случаях миллионные, а иногда даже и миллиардные доли процента.

Иногда приходится комбинировать различные методы, чтобы еще более повысить чувствительность определений. Например, для определения ряда особо редких элементов в горных породах (рения, галлия и др.) берут очень большие навески (сотни и тысячи граммов), подвергают их химическому обогащению, посредством которого искомый элемент концентрируется в небольшой части вещества, где его потом и определяют количественно, применяя тот или иной чувствительный метод (спектральный, полярографический и др.).

Для решения других геохимических задач, связанных с выяснением миграции атомов, их естественных ассоциаций в земной коре, их относительным распространением в пространстве и т. д., геохимия пользуется рядом других методов.

Одним из наиболее важных методов исследований в геохимии окружающей среды – это сравнительно-географический. В течение ряда последних десятилетий большие успехи сделаны в разработке и применении на практике важного метода — геохимического картирования, т. е. составления для определенного участка территории такой карты, которая давала бы представление о содержании тех или иных элементов в любой точке изучаемого участка. Таковы, например, купрометричеокие карты для медных месторождений, станнометрические карты — для оловянных и т. п. На этих картах точки одинаковых содержаний данного элемента соединяются соответствующими кривыми. Такие карты помогают рационально направлять разведочные работы, а в ряде случаев и производить подсчеты запасов металла в данном месторождении.

Кроме подробных частных карт, можно составлять и общие карты, на которые особыми способами могут наноситься спектры химических элементов (соотношения). Попытки составления таких общих карт делались для массивов изверженных пород. Гораздо доступнее поэтому геохимические профили, показывающие изменение содержаний тех или иных элементов по линии разреза. Примерами могут служить литологические профили, если они достаточно охарактеризованы в химическом отношении, а также вертикальные и горизонтальные разрезы по месторождениям с указанием содержаний элементов.

Геохимические особенности той или иной территории, того или иного комплекса пород или месторождения хорошо характеризуются кларками концентрации, т. е. величинами, определяющими, согласно В. И. Вернадскому, содержания элементов для данного объекта по сравнению со средними содержаниями этих элементов, вычисленными для всей земной коры. Если кларк концентрации превышает единицу,— имеем накопление данного элемента, если кларк концентрации меньше единицы,— имеем обеднение данным элементом. Так, в месторождениях осадочных железных руд имеем высокие кларки концентрации для железа, мышьяка, марганца и других элементов, низкие кларки концентрации для натрия, калия, кремния и др.

В соответствии с величиной кларков концентрации можно выделить геохимические провинции, для которых характерно обогащение теми или другими элементами. Так, можно говорить об оловоносных, золотоносных, редкоземельных и других геохимических провинциях. Установление кларков концентрации является также одним из характерных методов геохимических исследований.

Важным моментом в геохимии ОС является выявление путей и способов миграции веществ. При выветривании на земной поверхности многих месторождений в результате миграции элементов образуются вокруг этих месторождений ореолы, отличающиеся повышенным содержанием характерных элементов месторождения. Эти ореолы могут быть представлены соответствующими рудными минералами (например, в случае россыпей), растворимыми соединениями (в водных растворах), сорбированными ионами (в рыхлых высокодисперсных продуктах выветривания и в почвах) и т. д.

Изучение этих ореолов также является одним из важных геохимических методов, который позволяет вести поиски соответствующих месторождений. Сюда относится и определение содержания различных элементов в растениях, произрастающих на почвах, которые образовались на тех или иных горных породах или месторождениях: повышенное содержание данного элемента в некоторых растениях указывает на избыток его в почвах, а следовательно, и в том первичном субстрате, из которого они образовались (в породах или месторождениях). Ореолы вокруг угольных и нефтяных месторождений обогащены углеводородами, вокруг урановых — гелием и радоном. Изучение распределения этих газов в почвах и породах помогает поискам соответствующих месторождений.

При миграции элементов возникают на их пути различные геохимические барьеры, что приводит к концентрации веществ. Изучение таких барьеров также лежит в основе геохимических методов исследования.

Часто, в геохимических исследованиях приходится прибегать и к другим методам, в том числе к методам минералогии, петрографии и других геологических наук, поскольку изучаются в основном минералы, руды, горные породы, воды и газы, залегающие в тех или иных геологических условиях.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ИДЕЙ

Слово «геохимия» впервые ввел в 1838 г. натуралист К.Ф. Шенбейн, который предсказал неизбежность появления науки, изучающей содержание различных химических элементов в разных типах горных пород и в земной коре в целом. Под этим названием стали понимать науку о закономерностях химического состава, происхождении и миграции масс различных химических элементов, слагающих земной шар. Однако как особая наука геохимия могла создаться только в конце XIX в., после того как Д. И. Менделеевым (1868) была открыта периодическая система химических элементов. На основе её утвердится атомистический взгляд на вещество вселенной.

Особенно большие успехи были сделаны в области изучения распространения химических элементов на Земле и в метеори­тах благодаря работам, начатым в США Кларком, а у нас Вер­надским много лет назад (первые таблицы Кларка были состав­лены в 1889 г.). Эти работы заинтересовали большой круг выда­ющихся ученых, особенно химиков и физиков, разрабатывавших точнейшие методы анализа (химический, спектральный, рентгенохимический, радиохимический, полярографический, лю­минесцентный и др.). Успехи химии, физики и других наук во второй половине XIX в. и в XX в. позволили теоретически разрешить многие проблемы, которые возникли при обобщении геохимических фактов в эмпирические закономерности.

Исторически первое направление связано с именами Кларка и его последователей (Ноддаки, Гевеши, Панет и др.). Главной задачей геохимии они считали изучение количественного химического состава нашей планеты, особенно земной коры и отдельных ее частей — горных пород, минералов, гидросферы и атмосферы. Многие тысячи анализов, произведенных при этих исследованиях, позволили решить в первом приближении поставленную задачу в отношении большого числа химических элементов.

Второе направление в геохимии было создано 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. Придавая исключительное значение размерам радиусов ионов и атомов, оно недостаточно учитывало другие факторы, которые также влияют на распределение химических элементов в различных природных объектах. 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. Такой взгляд нашел яркое выражение в его известной геохимической классификации элементов, в которой выделяются: элементы первоначальной кристаллизации, изоморфные с Mg и Fe; элементы главной кристаллизации, изоморфные с Si, Al, Ca, К; элементы остаточной кристаллизации, не изоморфные с обычными компонентами горных пород. Кристаллохимическое направление Гольдшмидта оказалось достаточно плодотворным.

Третье направление в геохимии было создано выдающимися советскими учеными В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом. Они определяли задачи геохимии гораздо шире, чем делали это Кларк и Гольдшмидт. 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 во времени.

В. И. Вернадский справедливо считается творцом новой отрасли знания — биогеохимии, изучающей роль организмов в истории химических элементов. Он показал, что эта роль огромна и проявляется в разных формах. Организмы концентрируют (или создают условия для концентрации) многие химические элементы, особенно углерод, железо, кремний, фосфор и т. д., иногда в грандиозных масштабах; с другой стороны, они их рассеивают, поскольку микроорганизмы, со­стоящие из десятков химических элементов, рассеиваются, подобно газу, во всем объеме биосферы.

Большое внимание в течение длительного времени уделял В. И. Вернадский вопросам радиоактивности, интерес к которым у него проявился уже вскоре после самого открытия этого явления и не оставлял его в течение всей жизни. Он был одним из первых, кто разгадал и оценил огромное значение явлений радиоактивности для развития науки и будущих судеб человеческого общества.

В развитии мировой и отечественной геохимии одно из главных мест принадлежит Александру Евгеньевичу Ферсману. Широко известны многолетние работы А. Е. Ферсмана по пегматитам. Еще в самом начале своей научной деятельности он заинтересовался одним из сложных и интересных вопросов геологии – вопросом образования и развития пегматитов. В течение многих лет он собирал, сопоставлял и анализировал материалы по пегматитам. Он развивал и обосновывал идеи о так называемом остаточном расплаве. Его разработки опубликованы в большой монографии «Пегматиты».

Целый ряд его исследований посвящен проблеме кларков; самый термин «кларк» введен А. Е. Ферсманом. Он же предложил наряду с весовыми кларками вычислять атомные, что, как известно, дает более наглядное представление об относительных количествах атомов в геохимической системе. Введенные им логарифмические кривые кларков позволили дать теоретический анализ проблемы в целом и, в частности, объяснить как дефи­цитность, так и избыточность элементов. Он придавал проблеме кларков очень большое не только теоретическое, но и практическое значение.

А. Е. Ферсман привел к уровню новейших кристаллохимических достижений учение об изоморфизме, дав очень простые и ясные формулировки основных его положений. Он классифицировал многочисленные факты изоморфизма атомов и ионов на основе их положения в периодической системе элементов и ввел очень удобное понятие о звездах изоморфизма, т. е. наметил схемы, которые определяют степень изоморфной смесимости.

А. Е. Ферсман разработал и подробно изложил геоэнергетическую теорию, которая обобщает большой фактический материал, накопленный геохимией, минералогией, петрографией и учением о рудных месторождениях. Она объясняет последовательность кристаллизации минералов из расплавов и растворов, естественные ассоциации элементов и минералов, т. е. объясняет типы месторождений. В общем виде идеи о влиянии принципов термо­динамики на ход естественных процессов высказывались неоднократно, однако никто из ученых до А. Е. Ферсмана не подвергал этот вопрос всестороннему и глубокому рассмотрению. В этом, бесспорно, его большая заслуга. Он предложил свой при­ближенный универсальный метод вычисления энергии кристаллической решетки, введя понятие паев энергии (эков), характеризующих каждый ион, и получая значение энергии кристаллической решетки любого соединения аддитивно из эков входящих в него ионов. Метод этот необычайно прост и достаточно точен для геохимических построений и выводов. Он ввел для каждого соединения особое понятие — «параген», т. е. функцию, которая определяет место данного соединения в парагенетической последовательности. Геоэнергетическая теория с единой, новой точки зрения обобщает большой фактический материал, накопленный геохимией, минералогией, петрографией и учением о рудных место­рождениях.

Глубокий анализ геохимии провели такие русские исследователи как В. Г. Хлопин (радиогеохимия); А. П. Виноградов (кларки элементов, биогеохимия); Д. И. Щербаков (региональная геохимия); К. А. Ненадкевич (геохимия отдельных элементов); Н. В. Белов (кристаллохимия) и др.

Можно отметить геохимические работы, проведенные в Институте общей и неорганической химии АН СССР, Н. С. Курнаковым и его учениками при изучении природных солевых равновесий и условий образования соляных отложений.

Работы в области геохимии отдельных процессов проводились обычно в тесном контакте со специалистами родственных областей знания: минералогами, геологами, химиками, почвоведами и др. Подобные же комплексные исследования проводились в региональном разрезе с целью выяснить геохимические особенности отдельных территорий (Средней Азии, Урала и др.).

В Почвенном институте им. В. В. Докучаева были выполнены обширные исследования процессов выветривания горных пород, химического состава почв и миграции элементов в поверхностной оболочке нашей планеты, а также были заложены основы геохимии ландшафтов (Б. Б. Полынов, Глазовская, Перельман и др.).

Значительны были успехи в области геохимии отдельных элементов, особенно углерода, кислорода, железа, редких элементов, благородных газов, платины, золота, ртути и др. В этой области советские ученые под углом зрения геохимии обобщили материалы, накопленные предыдущими исследователями, существенно дополнив их своими наблюдениями и новыми фактами.

Таким образом, геохимией за 200 лет её развития установлено:

распределение химических элементов и веществ в недрах и на земной поверхности на глобальном и региональном иерархических уровнях,

превращение веществ в результате ядерных реакций, изотопный состав,

их парагенетическая связь химических элементов и веществ,

миграция, геохимические барьеры,

роль биосферы в концентрации и рассеивании вещества,

техногенные превращения и потоки химических веществ в окружающей среде.