геохимия

ГЕОХИМИЯ (от греч. ge — Земля и химия)

наука о распространенности и миграции хим. элементов в геосферах. Основы Г. разработаны в нач. 20 в. В. И. Вернадским, А. Е. Ферсманом, В. М. Гольдшмидтом и Ф. У. Кларком. Предмет Г. как отрасли знаний сформулировал В. И. Вернадский, назвав ее историей атомов Земли. Совр. Г. — комплекс наук, объединяемых единой методологией и конкретными методами исследований. С одной стороны, Г. широко использует достижения физики и химии, новейшие методы анализа и представления о строении вещества, с другой-огромный материал, накопленный геол. науками, в частности минералогией, петрографией, наукой о рудных месторождениях.

Главная теоретич. проблема Г. — изучение распространенности и миграции хим. элементов в земной коре. Важнейший методологич. принцип Г. — историзм: изучение эволюции миграции элементов за период геол. истории, особенности состава атмосферы, гидросферы и литосферы прошлых геол. эпох (вплоть до архея — более 2,5 млрд. лет назад), геохим. факторы возникновения и развития жизни на Земле. Неодинаковая миграция элементов в земной коре отражена в их классификации в периодич. системе Менделеева (см. геохимические классификации элементов).

Распространенность элементов

Использование в Г. высокочувствит., точных и производит, методов анализа и статистики позволило установить диапазон вариаций и среднее содержание (кларк) большинства элементов в горных породах, гидросфере, живом веществе (см. ниже) и земной коре в целом (см. кларки химических элементов). Кларки — важные геохим. константы, широко используемые не только в теоретической, но и в прикладной Г., в учении о рудных месторождениях и др. науках о Земле. Установлена прямая зависимость между кларком элемента в земной коре, его содержанием, а также глобальными и провинциальными запасами в рудах. Согласно В. М. Гольдшмидту, абс. количества элементов (кларки) зависят от строения атомного ядра, а их распределение, обусловленное миграцией, — от строения электронных оболочек (осн. геохим. закон).

Миграция элементов

В соответствии с формами движения материи различают след. осн. виды миграции: мех., физ.-хим., биогенную, техногенную. Миграция элементов складывается из противоположных процессов-концентрации и рассеяния. С первыми связано образование минералов и месторождений полезных ископаемых, со вторыми-загрязнение окружающей среды и др. явления.

Механическая миграция. Этот процесс связан с речной эрозией, работой ветра (перенос по воздуху песка и пыли), ледников, морских течений и т. д. Так, при разделении в речных и морских водах взвесей песчаные частицы обогащаются преим. Si, Zr, Ti, РЗЭ, Th, глинистые — Fe, Al, Mn, Mg, K, V, Cr, Ni, Co, Cu и др. Мех. миграция почти всегда сопровождается физ.-хим., а часто и биогеохим. процессами. Однако мех. движение нередко определяет специфику миграции. Геохим. аспекты мех. миграции изучены мало.

Физико-химическая миграция. Этот процесс связан с перемещением хим. элементов в прир. водах, силикатных расплавах (магмах), атмосфере и подчиняется закономерностям разл. физ.-хим. процессов (диффузии, сорбции, растворения, осаждения и др.). В. М. Гольдшмидт и А. Е. Ферсман заложили начала ионной концепции в Г. — трактовки поведения элементов в растворах и расплавах с учетом свойств их ионов (размеров радиусов, величин зарядов и т. д.). В. М. Гольдшмидт вычислил радиусы ионов большинства элементов в их соед. и на этой базе объяснил явление изоморфизма (замещение в кристаллич. решетке минералов одних ионов и атомов другими с близкими размерами). С данных позиций получили объяснение факты, совместного нахождения элементов в минералах (К, Ba и Pb; Mg, Fe²⁺ и Ni; Zr и Hf; Та и Nb; К и Т1; Ca и Na; К и Ва; Sr, РЗЭ и др.).

Кроме ионов, во мн. прир. водах содержатся недиссоциированные молекулы разл. веществ, в т. ч. органических. Встречаются и вещества в коллоидном состоянии. Установлено также, что в силикатных расплавах наряду с простыми ионами (К⁺ , Na⁺ и т. д.) широко распространены комплексные, напр. [Zn(OH)]⁺ или [Pb(OH)₃]⁻. В гидротермальных растворах часто присутствуют и карбонатные комплексы металлов, напр. [UO₂(CO₃)₃]⁴⁻. Весьма типичны комплексные ионы также для поверхностных и грунтовых вод.

В минералах открыты своб. радикалы, образующиеся под воздействием УФ- и радиоактивного излучений или др. физ. факторов. Обнаружены такие "необычные" ионы, как Zr³⁺ , Hf³⁺ CO₃-, SO₂⁻, SO₃⁻ и т. п. Напр., с ионом Pb⁺ , входящим в кристаллич. решетку полевых шпатов, связывают зеленую окраску амозонита, с наличием Ti³⁺, Fe⁴⁺ и SJ — фиолетовую и интенсивно синюю окраски соотв. кварца, аметиста и лазурита. Изучение своб. радикалов позволяет решать разл. геол. задачи.

Важную роль в земной коре играет ионный обмен, наиб. детально исследованный в почвах и глинах. В гидротермальных условиях к нему способны полевые шпаты, фельдшпатиды, слюды, некоторые титано- и цирконосиликаты, танталониобаты, сульфиды и др. минералы.

При фильтрации вод через горные породы и почвы происходят электрохим. процессы. Так, на поверхности сульфидных минералов возникает скачок потенциала, и сульфиды окисляются. С этими явлениями связаны мн. процессы образования богатых руд, особенности поисков сульфидных месторождений.

Г. магматических, гидротермальных и гипергенных процессов изучается преим. на базе представлений о свойствах ионов. Силикатные расплавы представляют собой ионно-электронные жидкости. Они содержат полимерные цепочки силикатных и алюмосиликатных анионов с упорядоченным строением. Геохим. специфика магм во многом определяется летучими компонентами — парами H₂O, CO₂, Cl, F и др. Водяные пары и F способствуют деполимеризации кремнекислородных цепочек анионов. В пределах отдельных типов магматич. пород наблюдаются геохим. различия, особенно детально изученные в гранитах, среди которых встречаются разновидности с повыш. содержанием рудных элементов (редкометалльные, оловои вольфрамоносные и т. п.).

Г. гидротермальных процессов много внимания уделяет совр. гидротермам (горячим водам). Они используются в качестве источников тепловой и электрич. энергии, а также Li, Cs, Sr, В, Cl, Br, I и др. элементов. В артезианских бассейнах мн. районов найдены глубинные термальные рассолы. Мн. металлы образуют в этих водах хлоридные комплексы. Ценную информацию о гидротермах дало изучение подземных вод, поступающих во впадины морского дна (напр., металлоносные рассолы впадин Красного моря, обогащенные Mn, Fe, Zn, Pb, Cu, Co).

Из былых гидротерм рудные элементы осаждались в больших объемах горных пород, которые подразделяют на пром. залежь полезного ископаемого (рудное тело) и т. наз. первичный геохим. ореол рассеяния, в котором концентрация элементов не достигает кондиций. Запасы элементов-спутников в ореолах всегда больше, чем в рудных телах. Нередко и по запасам главных рудных элементов ореолы не уступают рудным телам. На изучении первичных ореолов основаны геохимические методы поисков полезных ископаемых.

Процессы, происходящие при температурах и давлениях, близких к условиям земной поверхности, наз. гипергенными. Для них также характерна ионная миграция.

Многие хим. элементы мигрируют в земной коре в газообразном состоянии. Разработаны геохим. классификации газов, исследованы процессы их образования и миграции. В зонах глубинных разломов и вулканах из земных недр к поверхности мигрируют Не, Ar, пары Hg, CO₂ и др. газы. На основе определения содержания этих газов созданы методы составления карт глубинных разломов, прогнозирования землетрясений, поисков рудных месторождений, залежей нефти и газа. Особенно детально изучена Г. CH₄ и др. углеводородных газов.

Изучение Г. радиоактивных процессов в земной коре и изотопов привело к разработке абс. шкалы геол. времени. Установлены возраст Земли как планеты (ок. 4,5 млрд. лет), длительность отдельных геол. эр и периодов, отдельных событий ранней человеческой истории. Определение содержания радио- и нерадиоактивных изотопов в горных породах, рудах, минералах, водах, живых организмах, атмосфере позволило решить мн. задачи наук о Земле (генезис руд, почвоведение, морская геология и др.). Эти вопросы составляют содержание Г. изотопов. Радиационно-хим. явления наблюдаются во многих минералах. С воздействием гл. обр. излучений U и Th связывают частичную потерю кристаллич. структуры у циркона, торита, браннерита и др. радиоактивных минералов.

Биогенная миграция. В. И. Вернадский ввел понятие оживом веществе-совокупности живых организмов, выраженной в единицах массы и энергии. Изучение геохим. деятельности живого вещества служит предметом биогеохимии. Область активной жизни на Земле наз. биосферой, где организмы преобразуют солнечную энергию в энергию геохим. процессов. Главный ее источник-биохим. процессы фотосинтеза и разложения орг. веществ, в ходе которых в окружающую среду выделяются O₂, CO₂ и др. химически активные соединения. Непрерывное поступление энергии определяет неравновесность биосферы и ее частей-почв, илов, подземных вод и др.

Наиб. велико влияние "хим. работы" живого вещества на земной поверхности в ландшафтах материков и верх. горизонтах океана. Доказано, что живое вещество представляет собой главную хим. силу на земной поверхности — элементы в биосфере мигрируют при непосредств. участии живого вещества или в среде, геохим. особенности которой обусловлены живым веществом, населяющим в данный момент биосферу и действовавшим на Земле в течение всей геол. истории (закон Вернадского).

Огромная геохим. роль живого вещества не исключает зависимости каждого конкретного организма от физ.-хим. условий среды обитания. Существуют области материков — биогеохим. провинции, где организмы страдают от недостатка или избытка в окружающей среде (почвах, водах, атмосфере, кормах) определенных элементов; это приводит к болезням растений, животных и человека (напр., кариес зубов при дефиците F в воде, эндемич. зоб при недостатке I в пище, подагра при избытке Mo в воде). По А. П. Виноградову, хим. особенности организмов закреплялись в процессе эволюции миллионов поколений, и хим. состав каждого организма хранит признаки своего происхождения.

Биогеохимия по-новому осветила мн. стороны эволюции жизни на Земле, наметила пути практич. решения ряда проблем в биологии, медицине, сельском хозяйстве, геологии. Например, на биогеохим. исследованиях основаны методы поисков рудных месторождений (определение микроэлементного состава золы растений). Из осадочных пород, почв и вод выделено св. 500 орг. соед.: углеводородов, фенолов, хинонов, гуминовых кислот, асфальтитов, аминокислот, углеводов и их производных, липидов, изопреноидов, гетероциклов и др. Раздел Г., исследующий орг. соединения горных пород и вод, наз. органической Г., которая дифференцировалась на самостоят. направления, имеющие прикладное значение: Г. нефти, Г. угля и т. д. Напр., из углей в пром. масштабах извлекают Ge, U и Ga, разработана технология извлечения Pb, Zn, Mo, изучается возможность извлечения Au, Ag и Hg. Перспективна также добыча Fe и А1 из золы углей.

Для биосферы характерны т. наз. биокосные системы, где живые организмы и неорг. материя тесно между собой связаны и взаимообусловлены. Геохим. своеобразие таких систем определяется сочетанием биогенной, физ.-хим. и мех. миграций. К низшему уровню организации биокосных систем относятся почвы, илы, коры выветривания, водоносные горизонты, к более высокому-ландшафты, к еще более высокому-артезианские бассейны, моря и океаны, к наивысшему-биосфера в целом. Все биокосные системы богаты энергией, в них осуществляется круговорот элементов, накапливается информация. Изучение Г. биокосных систем привело к оформлению научных направлений, нашедших практич. применение,-Г. почв, Г. кор выветривания, Г. осадочных пород, Г. подземных вод (гидрогеохимии), Г. ландшафта, Г. океана и др. Во всех этих науках видное место занимают вопросы биогенной миграции элементов — приложение биогеохим. идей Вернадского к изучению конкретных прир. систем.

Техногенная миграция (техногенез). Во 2-й пол. 20 в. техногенез оказался главным геохим. фактором на поверхности Земли. Объектами исследований в Г. техногенеза стали техногенные процессы в городах, агроландшафтах, районах горнообогатит. комбинатов и рудников, реках и озерах, мировом океане.

В результате техногенеза образуются техногенные геохим. аномалии, которые разделяют на литохим. (в почвах, городах, строениях), гидрогеохим. (в водах), атмогеохим. (в атмосфере) и биогеохим. (в организмах). Для локализации загрязнения окружающей среды предложено создавать техногенные геохим. барьеры (участки концентрации элементов, связанные с резким изменением геохим. среды).

Одной из теоретич. основ решения проблем техногенеза, в частности борьбы с загрязнением окружающей среды, стала Г. ландшафта. Установлено, что в ландшафтах горнопром. районов изменяется режим подземных вод, развиваются заболачивание и засоление почв. В районах металлургич. комбинатов, перерабатывающих сульфидные руды, возникает техногенный сернокислый ландшафт. В дорожных ландшафтах за счет выхлопных газов автомашин и др. воздействий изменяется состав атмосферы, почв, растений и животных.

Важное значение приобрела Г. городов-изучение биол. круговорота атомов, водной и воздушной миграции элементов.

На реки и озера ложится огромная техногенная нагрузка. По данным ЮНЕСКО, реки ежегодно сбрасывают в океан миллионы тонн техногенных Fe, Pb, Mn, P и др. элементов. В результате ионный сток рек с каждым годом увеличивается, и к нач. 70-х гг. его техногенная составляющая колебалась в пределах 30–60% от общего выноса солей. Загрязнение сильно изменяет биол. круговорот, в реках и озерах исчезает рыба, вода становится непригодной для питья. В СССР проводится широкий комплекс мероприятий по предотвращению загрязнения и очистке речных и озерных вод.

Многообразны аспекты техногенной миграции в океане. Из морской воды добывают Mg, Na, К, С1, предполагают извлекать и др. элементы. Запасы их практически не ограничены, а технология извлечения часто проще, чем при обычной добыче. Так, бурением на шельфах получают ок. 20% мировой добычи нефти. Прибрежно-морские россыпи содержат алмазы, Au, касситерит, ильменит, рутил, циркон, монацит и др. минералы. Изучается возможность добычи на шельфах фосфоритов и глауконитовых песков. Разработаны методы добычи железомарганцевых конкреций (Fe, Mn, Ni, Co, Cu) океанич. дна. Открытие металлоносных рассолов во впадинах Красного моря поставило вопрос об извлечении из них разл. металлов. В океан поступает огромное количество техногенных отходов, нарушающих его биол. режим. Для борьбы с загрязнением океанич. вод осуществляются спец. исследования, разработаны международные соглашения.

Геохимия процессов образования и эксплуатации месторождений полезных ископаемых

Геохим. понятия и методы глубоко внедрились в науку о рудных месторождениях. Под Г. месторождения понимают совокупность процессов концентрации и рассеяния элементов в пространстве его рудного поля. Одна из важнейших задач Г. месторождений — выявление и количеств. характеристика ассоциации элементов в минералах и рудах, что позволяет обеспечить комплексное использование минер. сырья.

В результате эксплуатации месторождений создаются искусств. хим. среды, изучение которых позволяет организовать оптим. геохим. режим эксплуатации (в т. ч. подземное выщелачивание) и обеспечить охрану природы и здоровья людей-исключить из водоснабжения воды с повыш. содержанием металлов, не загрязнять атмосферу распылением отвалов разных руд и т. д.

При геохим. изучении месторождений важное значение приобрело исследование т. наз. вторичных геохим. ореолов рассеяния (с повыш. концентрацией элементов)-прямых поисковых признаков руд. Разнообразие месторождений поставило задачу их геохим. классификации. Для ее отдельных групп установлено среднее содержание элементов в рудах, элементов-примесей в минералах и т. п.

Региональная геохимия

Этот раздел изучает геохим. особенности разл. территорий-стран, областей, районов, провинций и т. д. Выделение в пределах определенного региона геохим. территориальных единиц (геохим. районирование) используют при прогнозировании и поисках рудных месторождений, решении проблем охраны окружающей среды, при медико-геохим. оценке территорий, решении др. прикладных задач. С целью прогнозирования отдельных видов полезных ископаемых большое значение приобрело геохим. картирование. Разновидности геохим. карт-биогеохим., гидро-хим., гидрогеохим., газогидрогеохим., ландшафтно-геохим. и иные карты.

Прикладная геохимия

Главное практич. применение Г. приобрела при поисках минер. сырья. Геохим. методы поисков полезных ископаемых оформились в самостоят. прикладную науку с хорошо развитой теорией и разнообразной методикой.

Важное и все возрастающее значение Г. приобретает при решении проблем охраны окружающей среды, особенно в борьбе с техногенным загрязнением. Методология таких работ, конкретные методы и методики близки к тем, которые применяют при геохим. поисках полезных ископаемых.

Анализ законов распределения хим. элементов в ландшафтах представляет медицине исходные данные для выяснения причин заболеваний, связанных с дефицитом или избытком элементов в почвах, водах, атмосфере, продуктах питания. Перспективно применение методов Г. в курортологии, геронтологии и при решении др. проблем медицины. Ведущую роль здесь играют учение о биогеохим. провинциях и Г. ландшафта.

Использование Г. в сельском хозяйстве многообразно. Она помогает бороться с незаразными болезнями культурных растений и домашних животных, связанными с дефицитом или избытком элементов в почвах, водах и кормах. Геохим. подход важен при применении удобрений, мелиорации (особенно при вторичном засолении почв) и т. д.

Геохим. исследования существенны и для хим. технологии, т. к. они позволяют выявлять новые источники сырья (напр., извлечение Re из молибденовых руд, Hf из цирконов, Cd и In из полиметаллич. руд, Ge из золы углей, редких земель, Sr и F из апатита и др.) и намечать пути наиб. рациональной его переработки.

^{Лит.: Ферсман А.Е., Избр. труды, т. 1–7, М, 1952–62; Вернадский В.И., Избр. соч., т. 1–5, М., 1954–60; Виноградов А.П., Введение в геохимию океана, М., 1967; Сауков А.А., Геохимия, М., 1975; Жариков В.А., Основы физико-химической петрологии, М., 1976; Та у сон Л. В., Геологические типы и потенциальная рудоносность гранитоидов, М., 1977; Пере ль ман А. И., Геохимия, М., 1979; Барсуков В.Л., Григорян СВ., Овчинников Л.Н., Геохимические методы поисков рудных месторождений, М., 1981; Беус А. А., Геохимия литосферы, 2 изд., М., 1981; Коржииский Д. С, Теория метасоматической зональности, 2 изд., М., 1982; Clarke F. W., The Data of geochemistry, 5 ed., Wash., 1924; Goldschmidt V.M., Geochemistry, Oxf., 1954.}

_{А. М. Перельман}