Фундамент геохімії як науки

Вступ

Геохімія - наука про хімічний склад Землі, історію, закони концентрації і розсіяння атомів Землі та інших планет земної групи.

Геохімія, як і інші фундаментальні науки геологічного циклу, має глибокі корені, що йдуть далеко в античні часи, проте багато з відкриттів, що лежать в основі науки і поклали її становлення, були зроблені в кінці XIX –початку XX століття. Розвитку геохімії сприяли кілька відкриттів. У 1859 році Г. Кирхгоф і Р. Бунзен відкрили спектральний аналіз, за ​​допомогою якого стало можливо визначати концентрації елементів земних зразків і Сонця. У 1869 році Д.І. Менделєєвим був відкритий Періодичний закон елементів. Явище дифракції рентгенівських променів на кристалах відкрито М. фон Лауе в 1912 році. Нові результати дозволили розкрити внутрішню будову речовини та виявити форми знаходження елементів в природі.  Термін “геохімія” був вперше використаний швейцарським хіміком Ф. Шенбейном в 1838 р. Він вважав, що розуміння природи геологічних процесів неможливо без знання хімії природних процесів.     Перші систематичні геохімічні дані були отримані і узагальнені в роботах одного з основоположників геохімії – американського вченого Ф.У. Кларка – «Кожна гірська порода, будь мінерал є своєрідною хімічною системою. Під дією різних впливів в ній відбуваються різні хімічні зміни.   В результаті виникає нова система, більш стійка. Геохімія вивчає ці зміни ». Ф.У. Кларк узагальнив дані по хімічному складу великої кількості мінералів і гірських порід і в 1889 р. опублікував першу зведену таблицю середнього хімічного складу земної кори. Через 35 років Кларк узагальнив роботи свої та майже 1000 дослідників і видав фундаментальний “Дані геохімії”, в якому він звів всі дані про склад гірських порід, грунтів, природних вод і на цій основі розрахував середній вміст поширених хімічних елементів в земній корі, які з тих пір вважаються в геохімії класичними. 

1. Фундамент геохімії як науки

У другій половині 19 сторіччя сталися події що безпосередньо заклали фундамент геохімії як науки:

1. Відкриття періодичного закону (Д.І.Менделеєв, 1869).
2. Синтез мінералів і моделювання природних умов мінералоутворення.
3. Створення генетичної мінералогії (мінерали не вічні).

Періодичний закон

Відкриття періодичного закону грунтувалося на згаданих вище роботах Р.Бойля, Д.Дальтона, У.Праута, Й.В.Деберейнера. Дуже близьким до його відкриття був німецький вчений Ю.Л.Мейер (1830-1895), який у 1868 році показав залежність атомних об’ємів від атомних мас.

Зміст відкритого у 1869 році Д.І.Менделєєвим періодичного закону наступний: "Властивості простих тіл, а також форми і властивості з’єднань елементів знаходяться в періодичній залежності ... від величини атомних мас елементів"             В цьому законі Д.І.Менделєєв мав на увазі наступні періодично повторювані хімічні • властивості елементів: валентність, спорідненість до кисню, стійкість карбонатів і сульфатів, здатність утворювати іонні кристали, тенденція до комплексоутворення, ізоморфізм в кристалах. До того ж повторюваними виявились наступні фізичні властивості: температури плавлення і кипіння, коефіцієнт теплового розширення, молярний об’єм, частота емісійного спектру, стискуваність, магнітна сприйнятливість, потенціал іонізації.          Важливість періодичного закону для геохімії в тому що основний зміст геохімії у всіх її розділах витікає або в тій чи іншій мірі стосується періодичного закону.

• Одночасно з періодичним законом Д.І.Менделєєвим була створена періодична таблиця елементів (за відомими на той час 67 елементами). При цьому Д.І.Менделеєв встановив що атомні маси и, Іп, РЬ, Os, Іг, Ве, Ті, Т^ Се, Y визначені невірно, а також передбачив існування Sc, Ga, Ge, Re, Тс. Сучасна періодична таблиця хімічних елементів, звісно, суттєво відрізняється від створеної Д.І.Менделєєвим понад 130 років тому, крім триваючого й зараз заповнення клітинок цієї таблиці з’явилося й нове розуміння низки принципових моментів і властивостей. Побіжний перелік (переважно в аспекті який безпосередньо стосується геохімії) принципових відмінностей та новацій наступний:

в 1913 році було відкрито (Г.Мозлі, 1887-1915, Англія) зв’язок між частотою лінії спектру характеристичного рентгенівського випромінювання та порядковим номером елементу

V = 3/4 R * ^-1)2 де R - постійна Рідберга (см-1);

нині в таблиці 107 елементів (89 природних, а решта отримані штучно);

- в кожній клітинці таблиці  знаходиться не один елемент  з чіткою атомною масою а  сімейство ізотопів, зараз відомо  понад 1500 ізотопів;

• властивості ізотопів одного і того ж елементу можуть суттєво відрізнятися;
• співвідношення ізотопів різні в різних місцях нашої планети і змінюються з часом (на цьому засновані ізотопні методи визначення віку);
• час існування ("життя") ізотопів змінюється від 1*10"п до 4.5*1017 с, але в будь-якому випадку є конкретною, не безкінечною величиною (елементи не вічні!!!);
• розповсюдженість елементів в природі є показником стійкості їх ядер а не оболонок;
• періодичність властивостей обумовлена тим, що в межах періоду із збільшенням атомної маси відбувається наростання властивостей протилежних початковим. Через це важливими для геохімії є вертикальні, горизонтальні та діагональні напрямки ("геохімічні зірки" за Ферсманом).

Синтез мінералів

Перший вдалий дослід із синтезу мінералів в 1801 році проведено Дж.Холлом, який застосувавши безкисневий нагрів в герметичній ємності отримав мармур з крейди. У 1823 році Ж.Гей-Люсак отримав гематит шляхом гідролізу хлорного заліза парами води.      У середині 19 сторіччя Г.А.Добре (Франція) синтезував каситерит. У 1870-тих - 1880-тих роках естонський вчений І.І.Лемберг (Тартуський університет) синтезував анальцин, лейцит, скаполіт, та інші мінерали.  В кінці 19-го сторіччя Ф.Фуке та О.Мішель-Леві (Франція) в лабораторії "Ecol de France" провели досліди по кристалізації сухих силікатних розплавів і отримали: олігоклаз, лабрадор, нефелін, лейцит. В цій же лабораторії (1891) В.І.Вернадський синтезував силіманіт та розробив основи класичної теорії алюмосилікатів.

Загалом вже в 19 сторіччі була синтезована більшість породоутворюючих та акцесорних мінералів порід середнього та кислого складу.

Таким чином мінералогічні експерименти показали реальну можливість лабораторного відтворення геохімічних умов природного мінералоутворення.

У 1904 році в геофізичній лабораторії Карнегі (Вашингтон, США) Н.Боуен, Е.Морі, Дж.Шерер, Дж.Грейг дослідили фазову рівновагу в 2-х, 3-х і 4-х компонентних системах, з’ясувавши низку питань пов’язаних з евтектикою, послідовністю кристалізації, кристалічною диференціацією магм, ліквацією. Зараз вже надійно моделюються такі процеси як альбітизація, вилуговування, метасоматоз тощо.

Розвиваючи експеримент і моделювання геохімія стала однією з найаргументованіших (завдяки точним і повторюваним дослідам) галузей геології.

Генетична мінералогія.

Першим відомим втіленням генетичного підходу в мінералогії є роботи Г.Агріколи (1494-1555) за яким породи утворюються завдяки певним співвідношенням тепла і сухості, холоду та вологи. Відносно чітко поділ мінералогії на два напрямки - морфолого-описовий та хіміко-генетичний сформувався у 18 сторіччі. Перший з них розвивався переважно у Франції та Німеччині а другий - у Росії та Швеції. Значний вклад у розвиток хіміко-генетичного напрямку належить: М.В.Ломоносову (1711-1765), який обгрунтовував провідну роль хімічного складу мінералів для пояснення їх властивостей та необхідність вивчення історії мінералів; В.М.Севергіну (1765-1826) та Д.І.Соколову (1788-1852); Й.Я.Берцеліусу (Швеція, 1779-1848), який створив у 1825 році хімічну класифікацію мінералів; Е.Мічерліху (Швеція, 1794-1863), який відкрив і дослідив явище ізоморфізму; М.І.Кокшарову (1818-1892), обгрунтував і ввів поняття неорганічного життя кристалів.

Загалом же сучасна генетична мінералогія була сформована працями В.І.Вернадського, який по-новому сформулював завдання мінералогії: пізнання життя мінералів, пізнання природних хімічних процесів мінералоутворення (а не детальний опис властивостей мінералів).

2. Геохімія як самостійна наука.

Розробка проблематики та методології геохімії як самостійної науки, об’єктом якої є атоми хімічних елементів у природі, стала можливою тільки в 20 столітті завдяки основоположним робіт В.М. Гольдшмідт, В.І. Вернадського, А.Є. Ферсмана, А.П. Виноградова, Д.С. Коржинського на базі сучасних уявлень про будову атома і фізичної хімії.

Протягом першої половини двадцятого століття вчені використовували різноманітні методи для визначення складу земної кори; геохімія багатьох рідкісних елементів була вивчена з використанням методу емісійної спектроскопії (В.І. Вернадський) і нового методу рентгеноспектрального аналізу (В.М. Гольдшмідт та ін.) Розшифровка кристалічних структур мінералів методом рентгенівської дифракції дозволила сформулювати закони розподілу хімічних елементів по фазах природних систем (В.М. Гольдшмідт, А.Е. Ферсман). Народилася ізотопна геохімія (Г. Юри, А.П. Виноградов). Принципова роль живої речовини в поведінці хімічних елементів в біосфері була показана Вернадським.

Величезний прогрес науки і технологій після Другої світової війни призвів до появи нових методів, переважно фізичних методів досліджень – рентгено-флюоресцентного, нейтронно-активаційного, мас-спектрального з індукційно зв’язаною плазмою, цілої групи локальних методів, що дозволили дослідити гірські породи та мінерали з високою чутливістю і точністю, використовуючи при цьому нанограммових кількості речовини. У 1960-х роках почався розквіт геохімії, що триває досі. За цей час в науці стався суттєвий прогрес. З одного боку, накопичений величезний фактичний матеріал, який, не змінивши основоположних ідей, сформульованих в першій половині 20 століття, став емпіричної базою геохімії в 21-му столітті.

Практично не залишилося об’єктів, доступних для дослідження, які не були б охарактеризованими сучасними даними. З іншого боку, істотно розширилися галузі дослідження – стало доступним дно океану, перші ж результати вивчення якого привели до перевороту в поглядах на геологічну еволюцію Землі як планети. Поява і прогрес космічних досліджень вперше в історії науки доставили в геохімічні лабораторії грунт Місяця, а автоматичні апарати передали (і передають) виключно важливу інформацію про склади поверхонь тепер уже практично всіх тіл Сонячної системи. Комплексні дослідження всіх аспектів геохімії земної кори, гідросфери, атмосфери, залучення даних біогеохімії і можливість порівняльного аналізу історії позаземних об’єктів дозволила почати вивчення Землі як єдиної системи, тісно пов’язаної з Космосом (В.І.Вернадський).

Подібно до багатьох інших геологічних дисциплін (петрографія, кристалографія) геохімія виросла та відокремилась з мінералогії. При цьому геохімія не просто відділилася з мінералогії, а охопила її по новому, показавши що процеси мінералоутворення є складовою частиною історії розвитку речовини Землі, тобто є процесами геохімічними. А самі мінерали є стабільними з’єднаннями, своєрідними зупинками на шляху (вічного) руху атомів.

3. Експерементальні досягнення.

Перші теоретичні припущення які відповідають методології геохімічної науки належать перу Теофраста, Плінія, Левкіппа, Демокріта, Епікура. Однак, до появи в 17-19 сторіччях, експериментальних даних щодо хімізму процесів в земній корі, ці уявлення не могли бути використані.

Які саме експериментальні досягнення маються на увазі?:

А) У 17 сторіччі:

- англієць Р.Бойль (1627-1691) вивчав хімію атмосфери та природних вод, він спробував провести класифікацію відомих на той час 13 елементів (Аи, Ag, Си, С, Sn, Fe, ^, S, Sb, Zn, А^ РЬ, Ві)

Б) У 18 сторіччі:

- М.В.Ломоносов обгрунтував значення хімії для геології, пояснив процеси утворення вугілля, нафти, торфу ("О слоях земных", "О рождении металлов"), спробував здійснити синтез мінералів (провів понад 4000 дослідів) але невдало - йому було відомо лише 17 хімічних елементів, а серед невідомих були найпоширеніші - О, Si, А1, Mg, №, К, Н;

- француз А.Лавуазьє заклав фундамент  геохімії газів атмосфери геохімії  природних вод (він розвінчав  теорію флогістона);

- великий вклад внесли також  французький натураліст Ж.Бюффон, мінералог (з генетичним ухилом) В.М.Севергін, німецький хімік І.Рейлі.

В) У першій половині 19 сторіччя:

- у 1803 році англійський  фізик Д.Дальтон (1766-1844), продовжуючи напрямок заданий роботами Р.Бойля, склав першу таблицю атомних мас, в якій за 1 прийняв масу атома водню;       

-  шведський хімік Й.Я.Берцеліус (1779-1848) поставив на наукові рейки хімічний аналіз гірських порід, руд, мінералів і вод. Він відкрив Т^ Се, Se, отримав у вільному стані Sc, Ті, Zr;

• у 1815 році мінералог В.Філліпс (Англія) здійснив спробу наближено визначити середній вміст в земній корі 10 хімічних елементів. Ці роботи продовжили Елі де Бомон та А.Добре (Франція);
• у тому ж, 1815 році, хімік У.Праут (1795-1850) висловив припущення що всі елементи складаються з одної первинної речовини - протилу (полімеризований водень), тобто кожен атом складається з певної кількості атомів водню. Ця здогадка Праута була належним чином оцінена лише після відкриття явища ізотопії;
• у 1817 році засновник каталізу німецький хімік Й.В.Деберейнер (1780-1849) здійснив спробу систематизації елементів за їх властивостями в "тріади": Li-Na-K, Са^г-Ва, С1-Вг-І, S-Se-Te, Мп-Сг^е;
• німецький натураліст Олександр Г умбольдт вивчав вплив життя на навколишнє середовище;
• хіміки К.Шпренгель та Ю.Лібіх (Німеччмна), а також Ж.Дюма і Ж.Буссенго (Франція) встановили геохімічну роль рослин;
• К.Бішоф та І.Брейгаупт опублікували великі узагальнюючі роботи з хімії земної кори, де розглядали хімічний склад земної кори та кругообіг речовин в ній;
• у 1859 році Г.Р.Кірхгоф та Р.Бунзен розробили спектральний аналіз;

4. Геохімічна епоха

"Геохімічна епоха" почалась після появи робіт Ф.У.Кларка (1847-1931) та В.І.Вернадського (1869-1945).

Ф.У.Кларк, провідний хімік геологічної служби США (1883-1924), у 1889 році опублікував епохальну роботу "Розповсюдженість хімічних елементів", яка є першим узагальненням даних про хімічний склад земної кори (опрацьовано 880 аналізів по 10 елементам). Він вважав що його дані відображають хімічний склад перших 16 км земної кори. Крім того Кларк зробив важливі кроки на шляху до розуміння походження елементів та обгрунтуванню системного підходу в геохімії.

Ось як, зокрема, у 1924 році Ф.У.Кларк уявляв собі зміст геохімії: "Кожна порода може бути розглянута ... як хімічна система, в якій різні агенти (дії) могли продукувати хімічні зміни. Кожна така зміна є порушенням рівноваги з наступним утворенням нової системи, більш стійкої за нових умов. Вивчення цих змін і є областю геохімії.       Визначити, які зміни можливі, коли і як вони проявляються, спостерігати явища котрі їх викликають, відмічати кінцевий результат ... є функціями геохіміка. ... З геологічної точки зору тверда кора Землі є головним об’єктом вивчення, і реакції, які в ній мають місце, можна зручно класифікувати за трьома головними напрямками: перший - реакції між суттєвими складовими земної кори як такої; другий - реакції, обумовлені взаємодією з водною оболонкою; третій - реакції, викликані дією атмосфери”.

В.І.Вернадський створив концепцію "немінеральної", "розсіяної" форми знаходження хімічних елементів.

ф Всі елементи є всюди, питання лише в якості методів досліджень.

• В.І.Вернадський чітко визначив предмет геохімії, визначив коло її проблем.

"Г еохімія науково вивчає хімічні елементи ... Вона вивчає їх історію, їх розподіл та рух в просторі-часі, їх генетичні на нашій планеті співвідношення".         Досліджуючи кругообіг кисню В.І.Вернадський першим зробив сенсаційний висновок - весь вільний кисень атмосфери є продуктом життєдіяльності живої речовини Землі (і це за умови коли розпад і окиснення живої речовини, окиснення величезних кількостей атомів Fe, Mn, О-, S тощо постійно поглинають величезні кількості кисню). Дослідження на стику геології, біології, палеонтології і відкриття планетарної ролі живої речовини дозволили В.І.Вернадському в середині 20-х років 20-го сторіччя заснувати нову науку - біогеохімію.         Великий вклад в розвиток геохімії належить учню В.І.Вернадського О.Є.Ферсману та норвежцю В.М.Гольдшміту. Їх заслуги дозволяють цих вчених також вважати засновниками геохімії.

О.Є.Ферсман (1883-1945) створив і прочитав (в 1912 році в Москві) перший курс геохімії, видав (протягом 1933-1939 років) перший підручник з геохімії (в 4-х томах), заснував Геохімічний інститут і створив школу геохіміків, представлену такими видатними вченими як Сауков, Власов, Щербаков, Щербина. Відкриття, в результаті проведених Ферсманом досліджень, низки родовищ підтвердило практичне значення геохімії як науки.

В.М.Гольдшміт (1888-1947) ще у своїй докторській дисертації у 1911 сформулював знамените правило фаз: за змінних температури і тиску кількість мінералів (фаз) визначається кількістю компонентів (окислів) які беруть участь в реакції. Загалом же Гольдшміт створив кристалохімічний напрямок в геохімії, розробив концепцію міграції, вирахував іонні радіуси, сформулював 1-й закон кристалохімії і правила ізоморфізму, заклав основи геохімії мінералів.          Згідно з думкою В.М.Гольдшміта завдання геохімії можна сформулювати таким чином: "Основною метою геохімії, з одного боку, є кількісне визначення складу Землі і її частин, і, з іншого боку, відкриття законів, які контролюють розподіл окремих елементів. Вирішувати ці проблеми геохімік має шляхом всебічного збирання даних по земним матеріалам, таким як гірські породи, води, і атмосфера, та використовуючи аналізи метеоритів, астрофізичні дані по складу інших космічних тіл та геофізичні дані по природі земних надр. Багато цінної інформації поступає з лабораторного синтезу мінералів і дослідження способів їх утворення та умов їх стійкості".           Необхідність задоволення практичних потреб людства обумовила бурхливий розвиток у 20-му сторіччі окремих розділів (напрямків) геохімії:

• регіональна геохімія;
• геохімія осадових порід і руд;
• геохімія процесів вивітрювання та кори вивітрювання;
• біогеохімія, від якої згодом відділилися органічна геохімія та палеобіогеохімія;
• геохімія природних вод (пізніше розділилася на гідрогеохімію, гідрохімію та геохімію океану);
• геохімія галогенезу;
• геохімія техногенезу;
• геохімічні методи пошуків корисних копалин;
• геохімія магматичних процесів;
• геохімія гідротермальних процесів;
• геохімія гіпергенних процесів;
• геохімія ізотопів;
• геохімія ландшафтів;
• геохімія рідкісних елементів;
• фізична геохімія.            При всіх геохімічних побудовах дуже важливо пам’ятати, що в природних хімічних процесах температурні умови, тиск і pH дуже часто суттєво змінюють індивідуальні властивості атомів. Через те зрозуміти і оцінити властивості атомів можна лише в контексті конкретних умов відповідних геосфер, Землі в цілому, Космосу. Отож, крім наведеного вище (історичного) поділу, існує систематизація розділів геохімії за областями її інтересів в геосферах:

1. атмогеохімія;

2. гідрогеохімія;
3. біогеохімія;
4. літогеохімія;
5. геохімія ендогенних процесів;
6. геохімія екзогенних процесів;
7. геохімія метаморфогенних процесів;
8. геохімія океану;
9. геохімія мантії тощо.

а також:

• розділи, присвячені геохімії окремих елементів;
• розділи, присвячені геохімії різних корисних копалин та їх пошуків;
• аналітична геохімія;
• геохімія ізотопів;
• ядерна геохімія;
• геохімія ландшафтів;
• геохімія рідкісних і розсіяних елементів в грунтах;
• фізична геохімія.

Геохімія, як вже зазначалося, є стиковою наукою, яка тісно пов’язана з двома десятками дисциплін:

• Космохімія, астрофізика, астрономія;
• Фізика, експериментальна фізика, фізика твердого тіла, термодинаміка, кристалографія;
• Геологія, геофізика, петрографія, мінералогія, літологія, вчення про корисні копалини;
• Хімія, фізична хімія, кристалохімія;
• географія, грунтознавство, біологія;
• математика, математична статистика.

Висновки

Геохімія є кореневою фундаментальною наукою геологічного циклу, що має свій конкретний предмет вивчення – хімічні елементи в природній обстановці. Але її знання поведінки хімічних елементів в природних процесах стало підставою формування гілок цієї науки, які мають певну спеціалізацію і більш прикладний характер: космохімія, біогеохімія, геохімія ландшафтів, екологічна геохімія, геохімічні методи пошуків корисних копалин та інші.          Визначення вмісту геохімії як науки про історію атомів хімічних елементів не тільки припускає обов’язкове рішення такої важливої ​​задачі, як вивчення поширеності хімічних елементів, їх розподілу в різних природних об’єктах, а й підключає геохімію до головної задачі всіх наук про Землю – з’ясування походження та історії розвитку нашої планети і законів цього розвитку, оскільки будь-геологічний процес є процес перерозподілу хімічних елементів в геологічному просторі-часі.

Список використаної літератури

1. Барабанов В.Ф. Геохимия. — Л.: Недра, 1985. — 422 с.

2. Войткевич Г.В., Закруткин В.В. Основы геохимии. — М.: Высшая школа, 1976. —365 с.

3. Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. Справочник по геохимии. —

М.: Недра, 1990. — 480 с.

4. Мейсон Б. Основы геохимии — М.: Недра, 1971. — 311 с.

5. Пелешенко В.І., Хільчевський В.К. Загальна гідрохімія. — К.: Либідь, 1997. — 384 с.

6. Перельман А.И. Геохимия. — М.: Высшая школа, 1979, 1990. — 423 с.