ОСНОВЫ ГЕОХИМИИ (История развития как научного направления геологии) Геохимия - наука о закономерностях миграции и распределения химических элементов и их изотопов на Земле и в Космосе. Она возникла на основе широкого внедрения химико-аналитических методов в геологические науки - минералогию, петрографию, литологию, поиск полезных ископаемых и др. Французский ученый А.Лавуазье (1743-1794) заложил основы химии газов атмосферы; выдающийся шведский химик Й.Берцелиус (1779-1848) разработал основы количественного химического анализа, ввел в употребление современные знаки атомов элементов, проанализировал практически все известные к тому времени минералы и дал их химические формулы; он открыл церий, селен, торий, тантал и получил впервые уран, кремний, цирконий, титан. В 1838 г. швейцарский геолог Ф.Шенбейн предложил термин “геохимия”. Разработка Р.Бунзеном и Г.Киргофом весьма чувствительного спектрального анализа (1859) произвела переворот в возможностях химических исследований. Оказалось, что элементы, составляющие минерал или горную породу, в пламени вольтовой дуги при температуре около 3000˚С теряют наружные электроны, ионизируются и переходят в состояние плазмы (четвертое состояние вещества). Излучение ионов дает полосчатые спектры, индивидуальные для каждого элемента. Это свойство плазмы позволяет быстро и дешево определять при помощи спектрального анализа даже незначительные содержания элементов-примесей в минералах, горных породах, растворах и газах, а также проводить “дистанционное” изучение состава чрезвычайно удаленных объектов - Солнца, звезд, Галактик, Вселенной, где элементы также находятся в состоянии плазмы. Очередные этапы развития геохимии связаны с открытиями в 1869 г. Д.И.Менделеевым Периодического закона элементов и в 1896 г. А.Беккерелем - явления радиоактивности. Эти открытия породили лавину геохимических исследований, показавших, что значительная часть элементов находится в состоянии рассеяния и обладает “бренностью”, т.е. способностью самопроизвольно распадаться, выделяя энергию, порождая иные элементы и изменяя во времени химический состав Земли и всей Вселенной. В начале ХХ века основополагающие геохимические работы провели В.И.Вернадский (1863-1945), А.Е.Ферсман (1883-1945), В.М.Гольдшмидт (1886-1947), Ф.Кларк (1847-1931). Основы геохимии, как современной науки, заложил в 1908-1911 г.г. В.И.Вернадский, руководивший в это время кафедрой минералогии МГУ. Первый в мире курс геохимии прочитал в 1912 году А.Е.Ферсман в Народном университете им. А.Шанявского в Москве. Перечисленные ученые подчеркивали роль редких и рассеянных элементов в геологических процессах; В.И.Вернадский стоит у истоков геохимии живого вещества и радиоактивных элементов. Норвежский исследователь В.М.Гольдшмидт вычислил к 1926 г. ионные радиусы большинства элементов и установил законы изоморфизма в минералах; американец Ф.Кларк впервые дал расчеты средних содержаний ряда химических элементов для земной коры мощностью 10 миль (16 км). Сводки Ф.Кларка были высоко оценены А.Е.Ферсманом, который в 1922 г. предложил называть среднее содержание элемента в земной коре “кларком”. В СССР большой вклад в развитие геохимии внесли А.А.Сауков, В.В.Щербина, А.П.Виноградов, А.И.Перельман; последний является автором наиболее полного учебника для студентов геологических специальностей (“Геохимия”, 1989). Геохимия возникла на “искрящем контакте” химии и минералогии, но дальнейшее развитие этой науки тесно связано с петрографией, петрологией, геологией рудных месторождений, методами поиска руд, кристаллохимией, геофизикой, космофизикой, астрофизикой, экологией и др. Изучается геохимия Космоса, атмосферы, литосферы, гидросферы, морей, рек, подземных вод и газов, различных типов горных пород, минералов, рудообразующих процессов, радиоактивных элементов, метеоритов и т.д. Несмотря на это разнообразие, методами геохимии решаются три основные задачи: 1. Проблемы геологии (специфика состава пород, минералов, растворов и газов; вопросы генезиса, абсолютного возраста и др.); 2. Задачи поиска месторождений полезных ископаемых (поисковая геохимия); 3. Вопросы экологии и охраны окружающей среды. В отличие от минералогии, изучающей конкретные минералы, т.е. соединения определенного химического состава, и петрографии, имеющей дело с горными породами, т.е. с закономерными ассоциациями минералов, геохимия исследует особенности распределения атомов и их изотопов в минералах, горных породах, растворах, газах, живом веществе и т.д. При этом выявляется роль многочисленных элементов, не упоминающихся в формулах минералов и в кратком перечне главных элементов, входящих в состав горных пород. Современные анализы показывают, что большинство элементов таблицы Менделеева находится в литосфере в состоянии субатомарного рассеяния. Например, в тонне гранита содержится в рассеянном состоянии (в г): Rb - 150; Се - 100; Zn - 100; Cu - 100; Th - 18; U - 3; Мо - 1; Sb - 0,5; Hg - 0,1; Bi - 0,01; Au - 0,005. Однако собственных минералов этих элементов обнаружить не удается. Рассеянные элементы изоморфны, находятся в межзерновом пространстве и трещинах кристаллов, образуют минеральные выделения размером в доли микрона и легко выщелачиваются флюидами и гидротермами. Роль рассеянных элементов очень велика, поскольку они являются потенциальным источником руд. В 1км3 гранита содержится около 300.000 тонн цинка и столько же меди, 50.000 тонн тория, 10.000 тонн урана, 15 тонн золота, что соответствует запасам месторождений среднего размера. Эти элементы концентрируются в постмагматических растворах, которые формируют рудные месторождения. Интрузивные тела нередко имеют огромные объемы. Например, объем Бушвельдского массива в Южной Африке составляет более 500.000 кубических километров! Подобные интрузии обладали огромным запасом тепловой энергии, часть которой расходовалась на процессы рудообразования. Рассеянные в интрузивных и в окружающих породах элементы являются основой для формирования гигантских по масштабам рудных залежей золота, урана, хрома, платины. Поэтому геохимия уделяет много внимания флюидно- гидротермальным системам, с помощью которых происходят выщелачивание, перенос и концентрация элементов, рассеянных в магматических и осадочных породах. Главным “оружием” геохимии являются цифры, получаемые разнообразными аналитическими методами. Современному геологу необходимо понимать, какие геологические процессы скрываются за данными химических анализов, нужно научиться расшифровывать «оцифрованную» геологическую информацию. Геохимик отбирает представительный геологический материал, анализирует его, а затем от чисел возвращается к геологии на новом смысловом уровне. Современные аналитические методы весьма разнообразны. Наряду с “классическими” количественными силикатными и спектральными анализами сейчас широко используются рентгеноспектральные, в том числе микрозондовые, а также нейтронно-активационные, фотолюминесцентные, гамма-спектрометрические, аэрогаммаспектрометрические и иные виды анализов. Результаты анализов выдаются в весовых и атомных процентах, промилле (0,1%), г/т. За границей используются такие понятия, как “часть на миллион (частей)” - р.р.m., что соответствует 10-4% или 1 г/т, а также (для низких концентраций, особенно для газов) "часть на миллиард (частей) - р.р.b., что соответствует 10-7% или 1 мг/т. Широко используются численные характеристики, основанные на соотношениях определенных элементов и изотопов в коре, мантии и метеоритах. Кларк - константа содержания элемента в земной коре - подсчитан для большинства элементов. В “десятку” наиболее распространенных элементов земной коры входят (мас.%): О - 47,0 ; Si - 29,5; А1 - 8,0; Fe - 4,6; Са - 3,0; Na - 2,5; К - 2,5; Mg - 1,9; Ti - 0,5; для углерода мы предложили новое значение - 0,37(Портнов, 1997). Некоторые распространенные в быту элементы являются очень редкими: например, кларк Hg - 8·10-6%, кларк золота - 4·10-7% и т.д. В то же время относительно велики кларки у таких, казалось бы, редких и рассеянных элементов, как Rb (15·10-3%), Zr (17·10-3%), Се (17·10-3%) и др. В земной коре резко преобладают атомы и их изотопы с устойчивыми ядрами типа 4q, масса которых кратна 4: кислород, кальций, железо и др. (закон четности); они составляют 86% земной коры. Известны различные геохимические классификации элементов, предложенные В.М.Гольдшмидтом, В.И.Вернадским, А.Н.Заварицким и др. Наиболее распространена классификация В.М.Гольдшмидта, которая учитывает важнейшие геохимические свойства элементов, данные минералогии, распределение в различных природных системах. В.М.Гольдшмидт выделяет: 1. Литофильные элементы - обладающие сродством к кислороду и образующие оксиды, гидроксиды, соли кислородных кислот, в т.ч. силикаты, а также галогениды. К ним относятся все щелочные, щелочноземельные и редкоземельные элементы, а также углерод, кремний, сера, фосфор, бериллий, бор, олово, вольфрам, ниобий, тантал и др.; они концентрируются преимущественно в “гранитном” и осадочном слоях земной коры. 2. Халькофильные элементы - обладающие сродством с серой и ее аналогами и образующие сульфиды, селениды, теллуриды. К ним относятся сера, селен, медь, свинец, цинк, кадмий, молибден, ртуть, серебро, золото, рений, германий и др.; концентрируются преимущественно в “базальтовом” слое земной коры. 3. Сидерофильные элементы - близкие по свойствам к железу: железо, марганец, хром, кобальт, никель, титан, платиноиды и др.; концентрируются преимущественно в мантии, ультраосновных породах, железо-каменных метеоритах и, видимо, в ядре Земли. 4. Атмофильные элементы - обычно присутствующие в виде газов. К ним относятся все благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон), азот, кислород, углерод, водород. Концентрируются в атмосфере и гидросфере. Следует отметить, что один и тот же элемент в различных условиях может проявлять разные свойства: например, бор, углерод, фосфор выступают как литофилы в боратах, карбонатах, фосфатах, но как атмофилы - в гидридах и оксидах. В самородном виде железо является сидерофилом, например, в железных метеоритах. Чаще всего железо - типичный литофил, когда оно играет роль магния и кальция в составе карбонатов (сидерит, анкерит) или силикатов (оливин, пироксены, амфиболы). Халькофильные свойства железа широко проявляются в составе сульфидов (халькопирит, пирит, пирротин). Медь является халькофилом в сульфидах (халькопирит, борнит и др.), литофилом в карбонатах, фосфатах и силикатах (малахит, бирюза, диоптаз), сидерофилом - в самородном виде.