Геохимия

(от греч. ge — Земля и химия * a. geochemistry; н. Geochemie; ф. geochimie; и. geoquimica) — наука о распространённости и распределении, сочетании и миграции хим. элементов в геосферах Земли. По определению В. И. Вернадского, Г. — наука, изучающая "историю химических элементов планеты". Многочисл. сведения о хим. составе природных объектов были накоплены в кон. 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 хим. процессов в геологии отмечается в трудах М. В. Ломоносова и Д. И. Менделеева. Первые геохим. данные были обобщены в работах Ф. У. Кларка (США) в 1889-1924. Разработка проблематики и методологии Г. как самостоят. науки, объектом к-рой являются атомы хим. 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 совр. представлений о строении атома.

Задачи Г.: исследование Распространённости химических элементов, а также Распределения химических элементов и их изотопов в Земле в целом, в разл. её геосферах, конкретных г. п., рудах, минералах, почвах, живых организмах, техногенных системах; изучение закономерностей поведения (Миграции элементов) хим. элементов в геол. и техногенных процессах, ведущих к концентрации или рассеянию элементов, формированию г. п. и минералов, м-ний п. и.

Фактич. основанием Г. служат количеств. данные о содержании и распределении хим. элементов и их изотопов в разл. объектах (минералах, рудах, г. п., водах и газах, живых организмах, структурных зонах земной коры, земной коре, мантии и Земле в целом, в разнообразных космич. объектах и т.п.), о формах нахождения и состояния элементов в природном веществе (собственно минералы, примеси в минералах, разл. формы рассеянного состояния; сведения о степени ионизации, характере хим. связей элементов в фазах и т.п.). Получение этих данных опирается на геол. характеристику объектов, совр. физ. и физ.-хим. методы определения содержания и состояния элементов в минеральном, жидком, газообразном и живом веществе (хим., спектральные, рентгено- спектральные, массспектральные, радиографии., активац. методы анализа, локальные, резонансные, спектроскопич. методы определения состояния элементов в минералах, г. п., жидкостях и т.п.), матем. методы обработки данных.

Теоретич. база Г. — физ. и хим. законы поведения вещества в разл. термодинамич. условиях (законы механики, термодинамики, физ. химии, химии водных растворов и газов, кристаллохимии, физики твёрдого тела и т.п.). Для совр. Г. характерен комплексный, системный и эволюц. подход к стоящим перед нею проблемам. В их решении Г. тесно связана с минералогией, кристаллохимией, петрологией, учением о п. и., геофизикой и др. разделами геологии.

Общими методологич. принципами разработки теории Г. являются создание матем. и физ. моделей природных процессов, экспериментальное воспроизведение разделения хим. элементов в разл. условиях и определение фазовых равновесий и термодинамич. свойств минералов и соединений элементов в расплавах и растворах, необходимых для расчёта равновесий в природных системах. Г. выработала собств. методы исследования: метод глобальных и локальных геохим. констант — Кларков элементов (Кларк, Ферсман); изучение механизма формирования и хим. эволюции земной коры на основе представлений о едином круговороте вещества (Геохимическом цикле) при учёте принципиальной роли живого вещества биосферы (Вернадский, Гольдшмидт и др.); геохим. картирование и районирование (Ферсман), датирование — абс. геохронология (П. Кюри (Франция), А. Холмс (Великобритания), Э. К. Герлинг (СССР)); методы физ.-хим. анализа парагенезисов минералов (Д. С. Коржинский, В. А. Жариков).

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

Периодическая система элементов в геохимии. Радиусы ионов и атомов даны по Н. В. Белову и Г. В. Бокию, 1960. В цифрах атомных (массовых) чисел изотопов жирный шрифт использован для изотопов, преобладающих в естественной смеси (относительная распространённость больше 20%), красный — для радиоактивных изотопов, представляющих интерес в геохимии, синий — для стабильных радиогенных изотопов, цифры в скобках относятся к радиоактивным изотопам, не встречающимся ныне на Земле и в метеоритах или содержащимся в очень малых количествах в естественных радиоактивных рядах.

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

В пределах земной коры выделяют Геохимические провинции планетарного и регионального масштаба, в к-рых устойчиво в течение геол. времени проявляются те или иные типы минерализации или ассоциации элементов, накапливающихся в геол. процессах. Сами процессы шли во времени неравномерно, и в истории Земли выделяются Геохимические эпохи (металлогенические), для к-рых было характерно формирование определ. типов м-ний хим. элементов.

Общие принципы распределения элементов в природных фазах — минералах — положены в основу наиболее широко используемой в Г. Геохимической классификации элементов Гольдшмидта. Любой геол. процесс сопровождается накоплением одних элементов и изотопов и рассеянием др., т.е., с точки зрения Г., является процессом их разделения. Наблюдаемые эмпирич. закономерности распределения элементов и изотопов в том или ином геол. процессе несут непосредств. информацию о физ.-хим. факторах и механизмах геол. процессов (см. Геохимические процессы). Причина разделения элементов и изотопов в геол. процессах — различие их свойств. В Г. широко используется метод анализа изменений в геол. процессах соотношений содержания близких элементов и особенно изотопов, небольшие различия миграц. свойств к-рых ведут к их фракционированию. В Г. обычно исследуются и интерпретируются отклонения состава от среднего соотношения, например отношения K/Rb, Sr/B, Y/Ce, Zr/Hf, Nb/Ta, U/Th, 12C/13C, 18О/16О и т.п., свидетельствующие о длительности, сложности, интенсивности, физико-хим. параметрах геол. процесса или источнике 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, X. Тейлор (США)). Благодаря широкому диапазону вариаций спектра 14 лантаноидов и их повсеместному распространению Г. редкоземельных элементов — наиболее крупного семейства элементов в периодич. системе — успешно исследует эволюцию хим. условий природных процессов: окисление — восстановление, кислотность — щёлочность и др. (Гольдшмидт (Норвегия), Л. Хаскин, Дж. Филпотс (США), Ю. А. Балашов, Д. А. Минеев (СССР)).

Изучение космич. объектов (планет, их спутников, астероидов, метеоритов, космич. пыли и др.) геохим. методами составляет предмет Г. космоса, успехи к-рой 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, к-рые являются объектами изучения спец. разделов Г. — атмогеохимии и гидрохимии. Исследованием геол. и геохим. деятельности живых организмов занимается биогеохимия, созданная трудами Вернадского; историю, условия накопления и геохим. роль неживого органич. вещества изучает органич.Г.; геохим. влияние техногенных процессов, связанных с деятельностью пром. предприятий и техники, — предмет Г. техногенеза. Значит. вклад в разработку этих направлений Г. сделан сов. учёными Вернадским, Я. В. Самойловым, Ферсманом, Виноградовым, Б. Б. Полыновым, А. И. Перельманом. Осн. проблемы Г. радиоактивных элементов и изотопов (радиогеология): изучение поведения радиоактивных элементов в геол. процессах, поиск м-ний радиоактивных руд, исследование энергетич. процессов в земной коре, связанных с радиоактивностью (Вернадский, В. Г. Хлопин (СССР), Дж. Джоли (Великобритания)); определение абс. возраста г. п. 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)). Г. изотопов исследует закономерности разделения изотопов элементов в геол. процессах и разрабатывает критерии использования этих данных для решения теоретич. и прикладных задач геологии; основы этого раздела Г. заложены трудами Вернадского, Виноградова; Юри, Эпстайна (США), X. Тодта (Канада) и др. В качестве самостоят. направлений оформились физическая Г. — наука о физ.-хим. процессах формирования минералов, г. п. и руд, земной коры и мантии, атмосферы, гидросферы, основы к-рой были заложены трудами Гольдшмидта, развиты работами Коржинского и его школы, и термобарогеохимия — комплекс методов изучения физ.-хим. условий процессов минералообразования по особенностям состава газово-жидких и твёрдых включений в минералах, предложенный сов. учёным Н. П. Ермаковым и др.

Г. природных процессов подразделяют на Г. эндогенных — магматических, гидротермальных, метаморфических (зарубежные исследователи Гольдшмидт, Н. Боуэн, Ф. Тёрнер, У. Файф и мн. сов. учёные — Коржинский, Н. И. Хитаров, Жариков, Таусон и др.) и экзогенных процессов — Г. осадко- и корообразования (Самойлов, Полынов, H. M. Страхов, А. Б. Ронов, И. И. Гинзбург), хим. седиментации, галогенеза, эпигенеза осадков (Н. С. Курнаков, М. Г. Валяшко, Перельман). В связи с особой актуальностью наибольшее внимание уделяется геохим. 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 геохим. данных для поисков, разведки, комплексной оценки и разработки м-ний, охраны окружающей среды составляет содержание прикладной Г. В связи с особой актуальностью сырьевых проблем всё большую роль приобретает изучение Г. отд. элементов, прослеживающей историю каждого из элементов и их изотопов, особенно редких, рассеянных и радиоактивных.

Установленные в Г. закономерности распределения и концентрирования хим. элементов в геол. процессах являются основой прогнозной оценки территории того или иного типа п. и. Эта оценка опирается на устойчивые связи концентраций элементов с определ. типом г. п. и геол. процессов, на региональные (провинциальные) отличия ср. распространённости того или иного элемента (геохимич. провинции), на признаки повыш. концентрации элемента в определ. формации пород данного региона (региональная Г.), на конкретные, выявленные спец. исследователями геохим. аномалии в распределении элементов на исследуемой территории. Знание законов возникновения и распределения ассоциаций элементов в геол. процессах и разных типах рудных м-ний 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 мн. 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 теоретич. базой Геохимических поисков и разведки, а также борьбы с потерями и разубоживанием руд, охраны недр. Особое значение приобретают геохим. исследования биосферы, только на основе к-рых могут быть разработаны прогнозы её эволюции и рациональные меры охраны окружающей среды от загрязнения.

Ведущие геохим. центры СССР: Ин-т геохимии и аналитич. химии им. В. И. Вернадского АН СССР (Москва), Ин-т геохимии им. А. П. Виноградова АН СССР (Иркутск), Ин-т минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов АН СССР и Мин-ва геологии СССР, Ин-т геологии рудных м-ний, петрографии, минералогии и геохимии АН СССР (оба — Москва), Ин-т геохимии и физики минералов АН УССР (Киев) и др. Во мн. ун-тах и Моск. геол.-разведочном ин-те им. С. Орджоникидзе имеются кафедры геохимии. С 1950 издаётся междунар. журн. "Geochimica et Cosmochimica Acta", с 1956 — журн. "Геохимия", др. издания.

Литература: Вернадский В. И., Избр. соч., т. 1-5, М., 1954-60,· Ферсман А. Е., Избр. труды, т. 1-7, М., 1952-62; Виноградов А. П., Химическая эволюция Земли, М., 1959; его же, Введение в геохимию океана, М., 1967; Щербина В. В., Основы геохимии, М., 1972; Тугаринов А. И., Общая геохимия, М., 1973; Сауков A. A., Геохимия, М., 1975; Перельман А. И., Геохимия, М., 1979.

Д. А. Минеев, А. А. Ярошевский.