Лекция Введение в науку Геохимия ландшафта как самостоятельное научное направление сформировалась в нашей стране в 40-х годах ХХ века

Возникновение геохимии ландшафта именно в это время и именно в нашей стране не случайно, оно связано с общими тенденциями развития естествознания.

1. 
   ХХ столетие – эпоха бурного развития наук, изучающих атом. Коренное изменение производства, неисчерпаемые источники энергии, межпланетные сообщения. «Атомистический» подход оказался плодотворным и позволил открыть новые закономерности и факты в «старых» областях знаний. (Пример: история геологических наук, среди которых в ХХ веке возникла геохимия, изучающая историю атомов Земли).
   
2. 
   широкое и планомерное использование природных ресурсов вызвало необходимость комплексного изучения территории, исследования многообразных связей, существующих между отдельными частями ландшафта (атмосфера – горные породы – рельеф – воды – растительность – почвы и т.д.). Возрастает практическое значение раздела географии – учение о ландшафтах.
   

Базовой наукой для развития геохимии ландшафта была геохимия, которая, по определению Вернадского, изучает историю атомов в земной коре.

В античности человечеству было известно 19 химических элементов, в 18 в. – 28 элементов (были открыты H, As, Bi, Hg и др.). 19 в. – период бурного развития представлений о свойствах веществ, были получены новые элементы, всего стал известен 51 элемент. Среди основных достижений науки этого времени следует назвать:

1) получение Берцелиусом элементов Th, Sc, Ti, Zr;

2) развитие агрохимии, химии растений – Либих, Дюма, Буссенго;

3) развитие химии земной коры – Бишоф, Брейтгаут;

4) представления о спектральном анализе химических элементов – определении элементов по спектрам - Кирхгоф, Буизен, 1859;

5) открытие Периодического закона, предсказание по нему элементов Sc и др. – Менеделеев;

6) вычисление средних содержаний элементов в горных породах – Кларк (1889).

Рождение геохимии как науки относится к началу XX в. В. И. Вернадский (1863-1945) в бытность свою заведующим кафедры минералогии МГУ (1908-1911) установил безминеральное существование элементов (рассеянные формы) в земной коре. Согласно закону Вернадского-Кларка, все элементы есть везде, но в разных концентрациях. Вернадский также занимался изучением содержания элементов в биосфере. А. Е. Ферсман (1883-1945) впервые в 1911 г. прочел курс лекций по геохимии. Он является автором двухтомного труда “Геохимия”.

Есть возникшее в глубине веков изречение: “Прежде чем считать звезды, посмотри под ноги”. По-научному, его можно перефразировать так: “Изучая звезды и галактики, не меньше внимания стоит уделять земным недрам”, И не только с той целью, чтобы обнаружить в них новые полезные ископаемые. А также и затем, чтобы детально разобраться в том, как они, эти самые земные недра, формировались на протяжении миллиардов лет и какие закономерности управляли и управляют их формированием. Нашу планету часто именуют гигантской химической лабораторией. Мы бы уточнили: физико-химической, потому что наблюдаемое ныне распределение и состав тысяч горных пород и минералов - это результат действия многих и физических, и химических процессов. Они должны быть объектом исследования нескольких научных дисциплин. Среди таких дисциплин первое место, безусловно, принадлежит геохимии.

Учение о ландшафтах составляет тот раздел географии, необходимость которого для общества выявилась уже в глубокой древности. На заре своей истории человечество встретилось с проблемой рационального использования пространства. Но в то время эта проблема не имела особого значения, т.к. производительные силы не были развиты. В дальнейшем в связи с ростом техники и народонаселения значение этих вопросов резко возросло и в настоящее время достигло критического значения. Когда человек овладел атомной энергией и другими силами природы, он может превратить сферу своей жизни в цветущий сад и в пустыню.

Поставив перед собой определенную цель, человек изменяет какую-то часть окружающей природы – распахивает степь, вырубает леса, орошает пустыни и т.д. Но в природе все части тесно связаны между собой: почва с растительностью, с водами, с животным миром и т.д. Поэтому изменение одной части приводит к изменению других. Ценой многочисленных потерь человечество убедилось, что природа земной поверхности – это не собрание независящих друг от друга частей, сложный комплекс, ведущий себя как единое целостное образование.

Уже несколько тысяч лет назад возникла необходимость изучения связей между отдельными частями географической среды, т.е. необходимость особой науки об этих связях. Основы науки были разработаны великим русским ученым профессором Петербургского университета В.В. Докучаевым в виде учения о зонах природы. Развитие идей Докучаева привело к представлению о единицах территории, для которых характерны не только определенные биоклиматические условия, но также определенное геологическое строение и тип рельефа. Все части такой природной территориальной единицы – почвы, воды, организмы, приземная атмосфера – тесно связаны между собой. Эти природные территориальные комплексы (ПТК) получили различные наименования: «тип местности», «тип территории», «природный ландшафт».

Учение о ландшафтах создавалось представителями различных наук. Вместе с тем как бы по-разному ни складывалась научая судьба этих исследователей, с какой бы наукой официально они ни были связаны в начале своего научного творчества, в дальнейшем разными путями они приходили к выводу о необходимости изучения земной поверхности как единого целого, о необходимости изучения связей между отдельными явлениями природы.

Задачи учения о ландшафте:

1. 
   Разработать теорию преобразования природного ландшафта на основе данных многих наук и собственных оригинальных методов.
   

2. 
   Опираясь на сведения из разных наук и на свои собственные методы, разработать для каждого ландшафта пути создания условий наиболее здоровой жизни населения.
   

3. 
   Культурный ландшафт должен удовлетворять эстетические запросы людей – он должен быть красив.
   

В истории геохимии много общего с историей учения о ландшафте. Один из основателей геохимии В. И. Вернадский является учеником Докучаева. Таким образом, геохимия и учение о ландшафтах родились в одном научном центре – Докучаевской школе.

В.И.Вернадский получил блестящее образование, явившееся фундаментом успешной научной деятельности. Он закончил физико-математический факультет Петербургского университета, где преподавали выдающиеся ученые В.В.Докучаев (основатель почвоведения), Д.И.Менделеев (создатель периодической системы химических элементов), А.И.Воейков (создатель современных представлений климатологии), А.Н.Бекетов (основатель научной школы географии растений), Н.П.Вагнер (крупный специалист по фауне беспозвоночных).

Творческие интересы В.И.Вернадского были очень широки.

• 
  Он был не только геологом, но и занимался биологией, изучением почв, природных вод, метеоритов, проблем радиоактивности. Из 416 опубликованных трудов 100 посвящено минералогии, 70-биогеохимии, 50-геохимии, 43-истории наук, 37-организационным вопросам, 29-кристаллографии, 21–радиогеологии, 14–почвоведению, остальные - разным проблемам науки. Общей характерной чертой исследований ученого является фундаментальность. Поэтому его труды и идеи не потеряли актуальности и практического значения и в наши дни.
  
• 
  разделил кристаллографию и минералогию, считая, что первая опирается на физику и математику, а вторая – является химией земной коры и связана с геологией.
  
• 
  Развил особую отрасль геохимии – биогеохимию.
  

• 
  придумал геохимическую классификации элементов,
  
• 
  предложил закон изоморфизма. Изоморфизм способность элементов замещать друг друга в кристаллических структурах, не нарушая их строение. Например, минерал сфалерит состоит из цинка и серы, очень часто цинк может замещаться железом.
  
• 
  выдвинул одну из первых теорий относительно состава и строения глубин Земли,
  
• 
  одним из первых рассчитал состав верхней континентальной коры.
  

Его главный труд — «Геохимия» — был отредактирован и издан посмертно в Англии в 1954 году.

Основные труды посвящены определению состава различных неорганических природных образований и земной коры в целом. Кларк первым рассчитал средний состав земной коры. Средние концентрации элементов названы по его имени кларками.

Полынов к изучению ландшафтов пришел от Докучаевского почвоведения. Вначале это были почвенно-географические исследования, но они не удовлетворяли Полынова и он ищет новые пути в изучении ландшафтов и находит их в геохимии. В начале 30-х годов Полынов приступает к разработке учения о ландшафтах на геохимической основе.

Заслуги Полынова:

• 
  1944 первое литературное оформление идей – установлено понятие «геохимический ландшафт»;
  
• 
  разработал методику геохимического изучения ландшафтов;
  
• 
  дал краткую геохимическую характеристику ландшафтов влажных субтропиков Грузии, зоны смешанных лесов, черноземных степей.
  

• 
  1912 им был прочитан первый курс геохимии;
  
• 
  являлся одним из организаторов (1912) и редакторов журнала «Природа»; 
  
• 
  участвовал в исследованиях Кольского полуострова, Тянь-Шаня, Кызылкумов и Каракумов, Урала, Забайкалья и др. районов;
  
• 
  большое внимание уделил проблеме кларков и миграции элементов;
  
• 
  разрабал проблему энергетики природных неорганических процессов;
  
• 
  предложил геоэнергетическую теорию, в которой связал последовательность выпадения минералов с величинами энергий кристаллических решёток;
  
• 
  одним из первых обосновал необходимость применения геохимических методов при поисках месторождений полезных ископаемых;
  
• 
  много внимания уделял проблемам региональной геохимии;
  
• 
  в 1926 наметил впервые Монголо-Охотский геохимический пояс.
  

• 
  Вильямс развивал учение Докучаева о почве и вместе с П. А. Костычевым явился основоположником агрономического почвоведения;
  
• 
  обосновал ведущую роль в почвообразовании биологических факторов;
  
• 
  создал учение о малом биологическом круговороте веществ как основе развития почвы;
  
• 
  Развитие почв и их свойств связывал с плодородием;
  
• 
  разработал травопольную систему земледелии.,
  

• 
  о геохимической зональности;
  
• 
  о природе окраски ландшафтов;
  
• 
  исследования по геохимии пустыни.
  

Исследования имеют широкий диапазон — от биогеохимии до космохимии.

• 
  изучал изменения химического состава организмов в связи с их эволюцией, особенно содержание в организмах редких и рассеянных элементов (микроэлементов);
  
• 
  ввёл в науку понятие биогеохимические провинции и описал связанные с ними биогеохимические эндемии растений и животных;
  
• 
  развил биогеохимический метод поисков полезных ископаемых;
  
• 
  на основе изотопных исследований показал, что фотосинтетический кислород образуется из воды, а не из углекислого газа.
  
• 
  в области геохимии проводил идею создания физико-химической теории геологических процессов;
  
• 
  изучал геохимию ряда элементов, в частности редких элементов в почвах, и состав пород Восточно-Европейской (Русской) платформы;
  
• 
  определил средний состав главных пород Земли;
  
• 
  предложил гипотезу универсального механизма образования оболочек планет на основе зонного плавления силикатной фазы и разработал представление о химической эволюции Земли;
  
• 
  создал новое направление в науке СССР — геохимию изотопов — фракционирование в природных процессах изотопов лёгких элементов О, S, C, К и Pb;
  
• 
  внёс вклад в изучение геохимии океана;
  
• 
  совместно с сотрудниками сделаны определения абсолютного возраста Земли, щитов — Балтийского, Украинского, Алданского, также пород Индии, Африки и других регионов;
  
• 
  вёл радиохимические исследования и непосредственно участвовал в создании атомной промышленности;
  
• 
  изучал состав метеоритов (разные формы углерода, газов и др.);
  
• 
  разработал проблему химии планет;
  
• 
  по данным, полученным с помощью межпланетных космических станций, установил наличие базальтических пород на поверхности Луны и определил состав атмосферы Венеры.
  
• 
  организовал в институте геохимии и аналитической химии им.  Вернадского АН СССР проведение тонких химических исследований. Это позволило решить задачу «чистоты» многих современных материалов и тем самым способствовало техническому прогрессу. 
  

• 
  разработал основополагающие принципы геохимии ландшафтов;
  
• 
  ввел в науку понятие о геохимических барьерах;
  
• 
  создал геохимическую классификацию ландшафтов;
  
• 
  подчеркнул роль живого вещества в миграции атомов в природном ландшафте и биосфере в целом.
  

• 
  организовала и возглавила экспедицию с целью разработки методики ландшафтно-геохимических исследований при поиске руд;
  
• 
  разработала методологию ландшафтно-геохимических исследований;
  
• 
  1961 г. монография «Геохимия ландшафтов и поиски полезных ископаемых на Южном Урале» посвящена использованию ландшафтно-геохимических методов при поиске рудных месторождений;
  
• 
  1964 г. монография «Геохимические основы типологии и методики исследования природных ландшафтов» посвящена фундаментальным аспектам общей теории геохимии ландшафтов, их классификации и картографирования;
  
• 
  в 1959 г. создала первую в мире и СССР университетскую кафедру геохимии ландшафтов;
  
• 
  разработала курсы: «Геохимия ландшафтов СССР», «Геохимические функции микроорганизмов», «Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР»;
  
• 
  разработала программы по медицинской геохимии ландшафтов, биологической продуктивности, по проблемам загрязнения окружающей среды;
  
• 
  сформировала представление о территориальных природных единицах со сходными ответными реакциями на возможное техногенное воздействие;
  
• 
  внедрила в географию почв идеи и представления разработанные геохимией ландшафтов;
  
• 
  составила серию прогнозных почвенно-геохимических карт.
  

Геохимия ландшафта в системе географических наук

Ландшафтная экология		ландшафтоведение		Геофизика ландшафта
Биогеография		ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА		Геоморфология и палеогеография
		География почв
Гидрология суши		Картография и геоинформатика		Климатология

общественные географические науки, экономика

Геохимия ландшафта в системе геологических, химических, биологических и почвенных наук

Распространенность химических элементов

Периодическая система Мендеелева включает в себя 109 элементов, но в природе встречается лишь 89 (43 – Tc – технеций, 85 – At – астат, 87 – Fr – франций и с 93 по 109 получены искусственно в результате ядерных реакций. Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом обусловлено их миграцией. Закономерности в распространенности химических элементов могут быть выявлены лишь при анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был установлен на рубеже 20 века. В честь американского химика Кларка, посвятившего более 40 лет решению данной проблемы, Ферсман предложил в 1923 году среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части называть Кларком. Кларк – среднее процентное содержание элемента литосфере, гидросфере, атмосфере.

На сегодняшний день установлены Кларки большинства элементов. Главная особенность распространенности элементов заключена в огромной контрастности Кларков. Почти половина твердой земной коры состоит из одного элемента – О (Кларк 47 %), на втором месте стоит Si (29,5 %), на третьем – Al (8,05 %). В сумме они составляют 84,55 %. Далее Fe (4,65), Ca (2,96), Na (2,5), К (2,5), Mg (1,87), Ti (0,45) – 99,48 %. На остальные 80 элементов приходится менее 1 %. Кларки большинства элементов не превышают 0,01-0,0001 %. Это редкие (U, Sn, Mo) и редкие рассеянные (Br бром, In индий, Ra - радий, I - йод, Hf - гафний, Re - рений, Sc – скандий и др.) элементы. Например, у U и Br Кларки почти одинаковы (2,5·10^-4 и 2,1·10^-4 %), но U редкий элемент, т.к. известно много урановых минералов, разнообразные его месторождения, а Br редкий рассеянный, т.к. он почти не концентрируется в земной коре и известен лишь один собственный минерал этого элемента.

Итак, содержание элементов в земной коре колеблется в миллиарды миллиардов раз. И обычные представления, почерпнутые из повседневного опыта, не всегда совпадают с данными геохимии. Например, (Как вы думаете, какой элемент является более распространенным элементом Cu или Zr. Cu широко распространены в быту и технике, а Zr для нас – «редкий элемент». Вместе с тем Zr в земной коре почти в 4 раза больше, чем Cu. «Редкость» Zr объясняется трудностью его извлечения из руд, которая была полностью преодолена только в середине ХХ века, когда разработали технологию эффективного получения этого элемента. Он стал широко использоваться в промышленности. Мы еще только привыкаем к нему, а с Cu человечество познакомилось тысячелетия назад в «бронзовый век» (бронза – сплав меди с разными металлами).

Более контрастная картина открывается, если исходить из объемных процентов, т.е. подсчитать, какую часть пространства твердой земной коры занимают атомы различных элементов. Впервые эту задачу решил геохимик Гольдшмидт. Он считал, что наиболее распространенные элементы находятся в литосфере в виде ионов приблизительно шаровой формы. Радиус этих ионов подсчитали, и поэтому можно определить объем, занимаемый главнейшими ионами. Для главнейших элементов были получены следующие числа (%):