Предмет и задачи геохимии

Вид материала

Лекция

Содержание Связи с другими науками

Подобный материал:

• Темы рефератов по геохимии предмет и задачи геохимии, основной закон геохимии, 8.66kb.
• Методика подготовки и чтения лекции. Педагогические задачи обучающего (офицера) и деятельность, 37.15kb.
• Программа вступительных экзаменов в аспирантуру ивис дво ран по специальности " геохимия", 83.87kb.
• 1 Предмет и задачи нейропси, 1144.29kb.
• Аудит и контролинг персонала» Тема Предмет, содержание и задачи дисциплины «Аудит, 486.18kb.
• Решение задачи одним из математических методов, 440.71kb.
• Программа дисциплины дпп. Дс. 02 Гидрология и геохимия болот цели и задачи дисциплины:, 101.84kb.
• 1. Предмет, содержание и задачи курса, 1293.28kb.
• Предмет, методы и задачи экономического анализа, 283.44kb.
• Вопросы к экзамену по теории литературы ( сост. Кадырова К. А.) Предмет литературы., 17.76kb.

Лекция 1

Предмет и задачи геохимии

Весь окружающий нас мир – это мир химических элементов и их соединений в самых разных формах и фазовых состояниях. Буквально слово геохимия означает химия Земли. На самом деле объекты геохимии более разнообразные от атома до Вселенной. Мир един и лишь человек в силу своих ограниченных возможностей и поступательного характера развития знаний делит его на части, в зависимости под каким углом смотрит на этот мир.. Историю геохимии как науки вы учите самостоятельно, пытаясь понять истоки, причины и направление развития. Я лишь чуть-чуть помогу методологически, обозначу в каком ключе работать в этом разделе. Для чего нам это нужно? Прежде всего, для общего развития в формате повышения общей культуры, ну и чисто практически, чтобы не изобретать заново велосипед. Такое бывает не редко.

Геохимия одна из фундаментальных наук, она, прежде всего мировоззренческая. Эволюцию жизни на Земле нельзя отрицать, хотя есть и ортодоксы, кто упрямо твердит об одноактном ее творении. Развитие ее как показывают данные геохронологии идет по экспоненте т. е с ускорением, точно также как развитие самого человечества. В начале человек потребляя, пассивно приспосабливался я к природным условиям, затем, набираясь опыта и знаний, стал потреблять больше, а аппетит, как известно появляется во время еды, теперь он активно преобразует природу, чтобы потреблять больше чем даже и требуется для просто выживания. Есть два двигателя науки – практика и любопытство, то и другое дополняют друг друга. Познание по своей временной структуре напоминает дерево. В начале формируется корневая система из корешков практического опыта, потом появляется ствол фундаментальных наук, а потом появляется крона из разветвления. Двадцатый век стал веком формирования новых наук на стыке фундаментальных, вот и геохимия как наука зародилась в начале прошлого века на стыке классических наук – химии, физики, геологии, биологии. Это раньше за научное любопытство можно было попасть на костер инквизиции или в концлагерь. Сейчас наука непосредственно становиться производительной силой. И часто уже практики сами ставят перед учеными конкретные задачи. Тем не менее, наука пока делиться на фундаментальную (академическую) и прикладную.

Геохимия является корневой фундаментальной наукой, имеющей свой конкретный предмет изучения - химические элементы, но имеются и различные ее ветви, имеющие определенную специализацию и более прикладной характер: экологическая, поисковая, геохимия ландшафтов, геохимия рудных месторождений и др.

Наша с вами задача познакомиться с основами геохимии как фундаментальной науки, а далее изучать ее прикладные ветви

Итак, что же это за наука геохимия и что изучает. Если обратиться к этимологии слова, то гео- как известно, - Земля, а химия наука о веществах, то получается, что это наука о веществах Земли. На самом деле более точно это наука о химических элементах в их природных формах, в то время как химия берет свое начало от лабораторного изучения веществ, так уж сложилось исторически. Лабораторные вещества и естественные не всегда идентичны. В лабораторных условиях создано множество искусственных соединений, не известных в природе, в то же время не все естественные интересуют химиков. Однако, мир становиться все более тесным и вот уже экологическая геохимия вынуждена учитывать и искусственные вещества, которых с каждым годом в природную среду выбрасывается все больше и больше, следовательно и сфера геохимии уже не ограничивается только естественными веществами.

Геохимия - наука 20го века., ее называют еще «Химией Земли». опре­деление которой по В.И.Вернадскому звучит так: «Геохимия научно изучает химические элементы: т.е. атомы земной коры, и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетические на нашей планете соотношения»

Близкие по существу определения геохимии дают А.Е.Ферсман, В.М.Гольдшмидт А.А.Сауков, В.В.Щеребина, А.И Лерельман, Б.Мей­сон и др. Эти определения отличаются лишь тем или иным акцентом, связанным со специализацией и интересами авторов.

По А. Е.Ферсману (1932), «геохимия изучает историю химических элементов - атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических и физико-химических условиях природы».

По В. М. Гольдшмидту (1954 г.), «совре­менная геохимия изучает распределение и содержание химических элементов в минералах, рудах, породах, почвах, водах и атмосферную циркуляцию элементов в природе на основе свойств атомов и ионов». Определе­ние содержания геохимии как науки об истории земных атомов не только предполагает обязательное решение такой важной задачи, как изучение распределения элементов в различных природных объектах, но и подключает геохимию к главной задаче всех наук о Земле - выяснению происхождения и истории развития нашей пла­неты и законов этого развития. Таким образом, современная геохи­мия изучает историю атомов химических элементов Земли.

В современном понимании геохимия является наукой о процессах миграции - концентрации и рассеивания химических элементов в разных геологических объектах - оболочки Земли, породы, осадки, почва, поверхностные и подземные воды

Связи с другими науками

Связь геохимии с физикой и химией имеет особый характер. С одной стороны, геохимия широко использует экспериментальную мето­дику физики и химии при решении задач изучения распределения элементов в различных телах Земли. С другой стороны, геохимия для объяснения ассоциаций элементов в природе широко использует основные законы физики и химии, а также данные, относящиеся к параметрам атомов и физико-химическим свойствам элементов. Для решения ряда геохимических задач неизбежно участие физиков-экспе­риментаторов, в частности при изотопных измерениях, при примене­нии методов нейтронной активации и др. Особая роль принадлежит физике и химии в моделировании химических процессов, отвечающих условиям глубоких недр Земли. Многие крупные открытия в области физики впоследствии приобретали выдающееся значение в науках о Земле

. Геохимия тесно связана с геофизикой. Вопросы энергетики раз­личных зон нашей планеты связаны с распределением носителей ак­тивной энергии - радиоактивных элементов, которое осуществляется по геохимическим законам, можно считать, что с атомарным составом мантии связаны явления сейсмики и геотермии, электропроводности вещества и его магнитные свойства, полиморфные превращения и реакции в условиях высокого давления. Иначе говоря, поскольку химический состав земного вещества определяет его физические свойст­ва, постольку геохимия неразрывно связана с геофизикой. Поиско­вые работы на ряд месторождений полезных ископаемых (газы, нефть, радиоактивные элементы) ведутся одновременно геофизическими и геохимическими методами.

Мы можем отметить важную и значительную роль кристаллохи­мии в развитии геохимических идей. Кристаллохимия служит также связующим звеном между геохимией и кристаллографией и минерало­гией. Современная кристаллохимия, вооруженная тончайшей мeтодикой рентгеноструктурного анализа, доставляет для геохимии дан­ные первостепенной важности. Ценность этих данных определяется тем, что подавляющее количество химических элементов земной коры находится в соединениях, обладающих кристаллической структурой. В современной минералогии резко усиливается кристаллохимическое направление, дающее наиболее глубокое объяснение свойствам мине­ралов и их генезису. Мы можем отметить ряд проблем химии земной коры, которые одинаково важны для геохимии и минералогии. Сюда относятся проблемы минералотермометрии, состава минералообразую­щих растворов, изоморфизма в зависимости от условий и др. Геохимия связана с минералогией в той степени, в какой химический элемент свя­зан с твердыми химическими соединениями. По А. Е. Ферсману, минералогия была той наукой, в которой в первую очередь происхо­дило накопление обильного фактического материала, послужившего основанием для современной геохимии. Однако если главным предметом минерало­гии остается твердое химическое соединение - минерал, то предмет геохимии - атом.

Задачи геохимии теснейшим образом переплетаются с петрографи­ей и литологией. Образование отдельных минеральных ассоциаций в виде горных пород различного типа - закономерный процесс, кото­рый требует знания физико-химических свойств тех систем, из которых образуется порода как более устойчивая система в конкретной геологи­ческой обстановке. Дифференциация магмы, явления ассимиляции, метасоматоза и контактового метаморфизма сопровождаются пере­группировкой атомов. Образование любой горной породы есть резуль­тат перегруппировки наиболее распространенных элементов: О, Si, AI, Fe, Са, Na, К, Mg, Н, Тi, Р. Во всех пересчетах химических анали­зов пород, как известно, фигурируют эти элементы или их окислы. Химическая сторона изучения горных пород приобрела настолько важное значение, что возникла neтрохим.ия - наука о законах из­менения химического состава горных пород. Но любая порода содержит все устой­чивые элементы периодической системы и поэтому распределение элементов по минералам пород и в различных типах пород представляет собой уже геохимическую задачу, связывающую геохимию с петрографией

Образование осадочных пород связано с кардинальным перераспре­делением химических элементов между жидкими и твердыми фазами, коллоидными системами, поэтому литология включает ряд непосред­ственно геохимических вопросов. Известно, что многие породы явля­ются результатом химического осаждения элементов из концентриро­ванных растворов, и здесь геохимический процесс выступает в «чис­том» виде. В связи с этим неудивительно, что ряд крупных литологов оказались перед необходимостью решать геохимические вопросы при выяснении сложных процессов седиментации в разных физико-хими­ческих условиях.

Таким образом, единство геохимии - минералогии - петрогра­фии реально отражает существующее в природе единство атома - ми­нерала - горной породы.

Прогресс геохимии в значительной мере способствует развитию геологии и географии. Химический подход к изучению геологических явлений становится неизбежным при изучении процессов выветривания, формирования ландшафтных зон суши и биохимических зон моря. Географы изучают геохимию ландшафтов, но оследняя не менее важна и для поисковой геохимии. Взаимосвязь между отдельными частями ландшафта геологическо­го прошлого и настоящего устанавливается наиболее глубоко геохими­ей, которая выявляет вещественный обмен между верхними геосферами и живым веществом суши и моря. Возникшие от космиче­ской радиации меченые атомы (³Н, ¹⁴С и др.) позволяют уточнить особенности газового баланса в атмосфере, литосфере и глубинную циркуляцию вод мирового океана..

Геохимия при исследовании явлений прошлого неизбежно идет одной дорогой с исторической гео­логией и палеонтологией. Решение кардинальных проблем историче­ской геологии определяется, собственно говоря, геохимическими ме­тодами: методом изотопной палеотермометрии (по отношению изото­пов ¹⁸О : ¹⁶0 в карбонатах раковин морских организмов) и радиологи­ческими методами датировки возраста. Как отмечал А. Ферсман, оценка времени, которая лежит в основе геологии как науки истори­ческой, связана с развитием геохимических и радиологических идей. Геологическая наука приобретает шкалу времени для оценки масшта­бов различных явлений. По изотопам кислорода стали определять тем­пературу древних морей в числовых единицах (градусах). Это сущест­венно расширило и уточнило возможности палеогеографических ре­конструкций и способствовало решению вопросов палеоэкологии. У геологии геохимия заимствует принцип актуализма, так как зако­ны физико-химических равновесий и радиоактивного распада в геоло­гическом прошлом были такие, как и сейчас.

Особую роль в геохимических процессах играет живое вещество ­- планетарная совокупность массы животных и растений. Газовый ба­ланс планеты и круговорот большинства химических элементов про­исходят при прямом и косвенном участии организмов оболочки жизни Земли. Отсюда очевидной становится связь геохимии с биологией, конкретно выразившаяся в возникновении биогеохимии, начало которой положено трудами В. И. Вернадского. Питание, дыхание, рост и размножение организмов, усваивающих энергию солнечной радиации, определяют существование живого вещества в состоянии крайней напряженности и агрессивности по отношению к пространству. Все это своеобразно преломляется в истории химиче­ских элементов. Живое и косное вещества взаимно переплетаются в процессе непрерывного геохимического круговорота элементов, ох­ватывающего атмосферу, растения, почву, природные воды и поверх­ность литосферы. Поэтому геохимия приобретает все более тесные связи с агрохимией и почвоведением, которые способствуют развитию сель­ского хозяйства.

Любое месторождение полезных ископаемых представляет собой концентрацию одного или чаще нескольких химических элементов, которая помимо геологических и петрографических факторов опреде­ляется еще и законами' геохимии. Поэтому геохимия становится осно­вой для истолкования генезиса многих месторождений. Решающая роль принадлежит геохимии в деле поисков редких и рассеянных элементов, которые оставляют следы своего присутствия в прилегаю­щем к. месторождению пространстве - почвах, растениях, водах и горных породах, подземных газах. Геохимия приобретает большое практическое значение, ее связь с учением о полезных ископаемых становится все более тесной. С быстрым развитием промышленности и техники многие крупные месторождения ценных металлов иссякают, и перед геохимией и технологией возникает трудная и величественная задача будущего ­- найти и освоить участки с повышенным содержанием полезных метал­лов, которые в настоящее время не могут быть отнесены к месторож­дениям в обычном их понимании ввиду относительно низкого содержа­ния полезного ископаемого. Учение о полезных ископаемых сейчас все теснее связывается с геохимией и привлекает все чаще методы гео­химии изотопов для выяснения генезиса, возраста и этапов формиро­вания рудных и нерудных месторождений.

Современная геохимия не только способствует удовлетворению насущных нужд человечества - расширению минерально-сырьевой базы, но и поднимается до высочайших теоретических обобщений, касающихся истории вещества Земли в связи с эволюцией атомов в космических системах. Геохимия и космохимия в содружестве с астро­физикой утверждают единство мира во всем его многообразии языком законов атома, языком изотопных соотношений. Геохимическая исто­рия атомов Земли есть лишь часть (продолжение) космической их истории, и, по существу, геохимия представляет собой часть космохимии в той же мере, в какой Земля является частью солнечной системы и Галактики. И вещество Земли отражает далекие во времени космические процессы, которые привели к опреде­ленному количественному набору разновидностей атомов и тем самым предопределили всю красочность и великолепие колыбели рода чело­веческого, возможные лишь при данном составе земного вещества


Долгое время со времен Ф.У.Кларка геохимия была преимуществен­но статистической и в какой-то мере статичной наукой. И только во второй половине ХХ в. превратилась в динамичную и генетическую науку благодаря достижениям физики, химии, совершенствованию ме­тодов познания и методик исследования вещества.

Особо следует отметить большие достижения в исследовании изо­топного состава химических элементов, которые претендуют на само­стоятельное научное направление «Изотопная геохимия» или «Геохимия изотопов». Она имеет не только научное, но и практическое значение, например, для ­определения абсолютного возраста геологических объектов и реконструкции геологических процессов прошлых эпох, в том числе и наиболее ранней истории Земли и других планет.

Не менее важным является совершенствование методов химического и спектраль­ного анализов, появление среди них экспрессных методов, а также появление новых прогрессивных методов - электронного микрозондо­вого анализа. ЭПР, ЯМР и ряда других. Эти новые методы позволяют проникать в глубину исследуемого вещества и выяснять недоступные ранее для наблюдения особенности поведения химических элементов.

Геохимия в настоящее время приобретает исключительно большое практическое значение в связи с загрязнением окружающей среды. Появилась новое ответвление геохимии – экологическая геохимия. Геохимики составляют геохимические карты разного масштаба для территорий страны, на которых проявляются разного рода аномалии -высокие содержания химических элементов, могущие указывать на месторождения как концентрации огромных масс определенных химических элементов, но и высокие содержания вредных для здоровья человека химических элементов в окружающей среде.

Геохимия имеет объекты изучения самого разного масштаба. Различают геохимию литосферы или земной коры, геохимию отдель­ных оболочек (атмосферы, гидросферы. стратосферы, биосферы), геохи­мию всей планеты и геохимию планет солнечной системы и других систем нашей и иных галактик, т.е. космохимию.

Рассматривая геохимию литосферы или земной коры, выделяют ее составляющие: геохимию магматических и метаморфических пород или геохимию эндогенных процессов, геохимию осадочных пород и руд и более дифференцированно - геохимию глинистых пород, песчаных, карбонатных и других пород и геохимию современных осадков и даже геохимию отдельных элементов

Осадки и осадочные породы содержат огромные массы органического вещества (ОВ), концентрированного в виде ископаемых углей, нефти и горючих сланцев и особенно рассеянного ОВ (РОВ). Само образование осадков и осадочных пород трудно себе представить без участия ОВ и биоса. Роль биоса - живого вещества подчеркивал В.И.Вернадский, выделяв­ший специальную оболочку – ноосферу, а в пределах биосферы ионо­сферу - ту часть нашей планеты, которая подвержена техногенезу - ­деятельности человека. Поэтому в настоящее время выделяют новые самостоятельные дис­циплины и научные направления - геохимию ОВ и биогеохимию (В.И.Вернадский. Н.М.Страхов, Н.Б.Вассоевич. ЭДегенс. А.С.Монии, А.П.Лисицын и др.).

Биогеохимия вовлекла в круг своих интересов и объектов исследо­вания не только геологов и химиков, но большое число биологов, за­нимающихся изучением планктона (фито и зоо), бактерий и микробов.

Исследованием геохимии ОВ занимались В,Д.Успенский, Н.Б.Вассое­вич. Э. Дегенс. Э.Штах и другие. Эти исследования успешно продолжают­ся в Нефтяном геологоразведочном институте в Санкт-Петербурге, а также в Москве и Западной Сибири. Проблемы геохимии ОВ, заключен­ного в морских и океанических осадках, разрабатывают в Институте океа­нолоrnи РАН. во ВНИИОкеангеология в Санкт-Петербурге, а также в их филиалах и других научных и производственных организациях.

Биогеохимическим исследованиям посвящены работы А.П.Виногра­дова. М.В.Иванова. А.С.Монина. АЛ.Лисицына и ряда других. Наряду с этим выясняется огромная роль бактерий в процессах по­чвообразования, образования кор вьветривания, донных осадков озер, морей и океанов. Выявление характера и роли экобиосистем с учетом бактерий представляет большой интерес и имеет весьма важное значение

Огромный поток информации. поступающий от исследователей морей и океанов в последнее десятилетие. заставляет помимо традиционных источников вещества в океане рассматривать также эксгалятив­ный - гидротермальный поток вещества и его влияние на осадконакопление. Этот поток вещества, по оценкам ряда исследователей, состав­ляет многие десятки миллиардов тон в год. Без учета вноса гидротер­мального вещества общая картина геохимии осадконакопления в океане была бы неполной.