Учебное пособие для студентов специальности I 51. 01. 01 " Геология и разведка месторождений полезных ископаемых"

“Геология и разведка месторождений полезных ископаемых”

УДК 550.4 (075.83)

ББК

Ч

Рецензенты:

Утверждено

Ученым советом географического факультета

2004 г., протокол №

Ч Геохимия: Учебное пособие для студентов специальности I 51.01.01 “Геология и разведка месторождений полезных ископаемых”/ Н.К. Чертко. Мн.: Издательский центр БГУ, 2004. – 191 с.

ISBN

В учебном пособии рассматриваются закономерности миграции, концентрации и рассеивания химических элементов на Земле; геохимические факторы, процессы и условия формирования месторождений полезных ископаемых и методы их поисков. Региональная часть посвящена геохимии кристаллического фундамента и осадочного чехла Беларуси.

ISBN

© БГУ, 2004

ВВЕДЕНИЕ

Среди разнообразных соединений природы геолог по определению должен находить в концентрированном виде все химические элементы, которые имеют широкое практическое применение в практике народного хозяйства. Для этого необходимо знать природные и техногенные факторы и условия, геохимические процессы, которые приводят к концентрации, миграции и рассеянию химических элементов во времени и в пространстве. Решение этих вопросов возможно при реализации теоретических проблем и практических задач научного направления – геохимии.

Геохимия создана на базе знаний, систематизированных химией, и практических запросов геологии для поисков месторождений полезных ископаемых. Она связана с десятками естественных дисциплин, которые обогащаются путем взаимного использования информации. Родителями геохимии являются минералогия и петрография, так как в этих курсах ведущее место занимает изучение химического состава минералов и горных пород. Термин “геохимия” впервые употребил в 1838 г. швейцарский химик Шёнбейн относительно содержания химических элементов на Земле.

Ф. Кларк (1924) впервые в своей работе “Данные геохимии” определил предмет геохимии следующим образом: “Каждую породу … можно рассматривать как химическую систему, в которой под действием различных агентов могут происходить химические изменения. Каждое такое изменение означает нарушение равновесия с образованием в конце концов новой системы, которая, находясь в новых условиях, будет в свою очередь стабильной. Исследование этих изменений является предметом геохимии. Определить, какие изменения возможны, как и где они происходят, наблюдать явления, которые сопровождают их, и отметить их окончательный результат – вот задача геохимика”.

В.М. Гольдшмидт (1954) считал, что “основной задачей геохимии является … количественное определение состава Земли и ее частей, … установление законов, которые контролируют распределение определенных элементов”.

В “Очерках геохимии” В.И. Вернадский (1954) писал: “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”.

А.Е. Ферсман (1956) считал, что: “Геохимия изучает историю химических элементов-атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических физико-химических условиях природы”.

В современном учебнике А.И. Перельмана “Геохимия” (1989) дано определение геохимии как истории атомов Земли, изучающей геологические процессы и геологические образования на атомарном уровне строения вещества.

Таким образом, подводя итоги определения научного направления геохимии можно сказать: геохимия изучает миграцию, концентрацию и рассеяние химических элементов в геологических структурах под влиянием факторов и процессов при различных термодинамических физико-химических условиях.

Миграцию химических элементов изучают по проявлению биологического и геологического круговоротов, геохимическим циклам. Температура, давление, концентрация, климат, орография влияют на особенности перемещения химических элементов, а геохимические процессы приводят к их концентрации или рассеянию.

Следует вспомнить предложение А.Е. Ферсмана о выделении геохимических систем – такого рода природного сочетания элементов, которые вызываются основными геотектоническими циклами земной коры или климатических режимом определенных широтных зон.

Исходя из определений геохимии можно сформулировать следующие теоретические и практические вопросы, рассматриваемые этим научным направлением.

Прежде всего необходимо представлять происхождение элементов во Вселенной, которые состоят из изотопов. Широкое использование стабильных и радиоактивных изотопов в геологии привело к развитию нового направления – изотопной геохимии. Изучение закономерностей в химическом составе Вселенной, Земли и ее геосферах позволяет оценивать и прогнозировать различные геологические, геохимические и экологические ситуации. Для оценки результатов миграции элементов широко используется кларк – среднее содержание химических элементов в определенной геохимической или геологической системе (термин введен А.Е. Ферсманом в честь Ф. Кларка, впервые рассчитавшего средние величины для пород земной коры).

Для того, чтобы представить поведение элементов в различных геосферах Земли, геохимия изучает связь строений атомов с их свойствами и геохимической классификацией при учете факторов и процессов.

В различных геосферах Земли изменяется соотношение между основными термодинамическими показателями (t – температура, p – давление, c – концентрация), поэтому на миграцию и концентрацию элементов влияют различные геохимические процессы, которые в обобщенной форме выделены в зонах магматизма, метасоматоза, метаморфизма, гидротерм и гипергенеза.

Зона гипергенеза лучше изучена, поэтому ей уделено больше внимания с рассмотрением самостоятельно геохимии гидросферы, осадкообразования, глин, газовой оболочки, биосферы.

В геологии широко используются аналитические методы геохимии, поэтому рассматриваются особенности с оценкой их производительности и точности.

Для поисков месторождений полезных ископаемых применяют геохимические методы исследований на основе аналитических исследований и знания геохимических барьеров. В дальнейшем проводится картографирование и районирование как завершающая фаза исследований.

На основе общих представлений в области геохимии необходимо обязательное изучение частных региональных вопросов (геохимия Беларуси), рассмотрение условий миграции, концентрации и индикации каждого элемента.

Русский ученый М.В. Ломоносов опубликовал в 1757 г. “Слово о рождении металлов от трясения Земли”. Он пытался химическими процессами объяснить происхождение горных пород и минералов, рудных жил, высказал мысль о последовательности выделения минералов.

Указания на тесную связь минералогии с химией встречаются в работе шведского химика Я. Берцелиуса (1779-1848) “Минералогия есть химия земной коры”.

Дж. Пристли и А. Лавуазье в середине XVIII столетия устанавливают химический состав воздуха, Г. Дэви в конце этого столетия исследует газы рудничные и вулканов. В 1802 г. В. Говардом в Англии и в 1804 г. Т.Е. Ловицем в России выполнены первые химические анализы метеоритов. Обнаружено их минералогическое отличие от горных пород Земли, хотя по химическим элементам отличий не отмечено (А. Стойкович, 1807).

Горный деятель и технолог акад. И.Ф. Германн (1789) описал технологию отдельных химических элементов, основанную на изучении химических и физических свойств элементов и их нахождение в природе.

В 1815 г. английский минеролог В. Филлипс (1773-1828) сделал попытку выяснить средний химический элементарный состав земной коры, правильно определил порядок распространения десяти ведущих, указал преобладание O, Si, Al, Fe, а в живых организмах – O, H, C, N.

Польский химик и врач А. Снядецкий в 1804 г. высказал мысль о закономерном круговороте всех химических элементов земной коры. Немецкий ученый К. Бишоф в 1847 г. в монографии по химической и физической геологии доказал значение воды в химических процессах Земли, описал историю многих элементов, связав ее с круговыми процессами. Французский геолог Ж.Б. Эли-де-Бомон (1798-1874) связал историю химических элементов с магматическими и вулканическими процессами; ввел понятие о вулканических эманациях; развил идеи о связи элементов с геологическими процессами; впервые выяснил концентрацию элементов в горных породах; нарисовал картину химической эволюции Земли.

В 1838 г. Шёнбейн писал: “Уже несколько лет тому назад я публично высказал свое убеждение, что мы должны иметь геохимию, прежде чем может идти речь о настоящей геологической науке, которая, ясно, должна обращать внимание на химическую природу масс, составляющих наш земной шар, и на их происхождение по крайней мере столько же, сколько и на относительную древность этих образований и в них погребенных остатков допотопных растений и животных” (цит. по Г.В. Войткевич, В.В. Закруткин, 1976, с. 13).

И. Брейтгаупт (1849) выяснил закономерности ассоциации минералов в месторождениях, назвал их парагенными. Понятие о парагенезе минералов и химических элементов прочно вошло в геологическую науку и геохимию.

Фундамент для возникновения геохимии подготовили открытия двух выдающихся ученых во второй половине XIX в.: открытие в 1859 г. Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом спектрального анализа и в 1869 г. Д.И. Менделеевым периодического закона химических элементов. В это же время утвердилась атомно-молекулярная теория в физике и химии. Спектральный анализ, который и в настоящее время является ведущим методом, резко увеличил возможности познания химического состава Земли и космоса, включая редкие и рассеянные элементы. Периодический закон элементов, сформулированный русским ученым Д.И. Менделеевым, выразил естественную классификацию химических элементов и стал ключом в расшифровке строения атома, основой геохимии. Он занимался также исследованиями изоморфизма, химией силикатных минералов, вопросами генезиса нефти и др.

Я.Г. Вант-Гофф (1852-1911) устанавливает закономерности сложных солевых равновесий в период образования соляных месторождений. В 1873-1876 г. экспедиция на судне “Челленджер” собрала пробы морских грунтов и воды в Мировом океане, что позволило определить средний химический состав гидросферы, установить постоянство соотношений главных компонентов морской воды на всех географических широтах.

Первая сводная таблица среднего химического состава земной коры была издана Ф.У. Кларком в 1889 г., первая капитальная сводка по геохимии “Data of Geochemistry” вышла в 1908 г. В ней суммированы результаты работ всех исследователей по составу горных пород, почв, вод, приведен баланс основных элементов в коре выветривания. В 1924 г. совместно с геологом Г. Вашингтоном он публикует последнюю уточненную таблицу средних величин распространения элементов в верхнем шестнадцатикилометровом слое Земли. Эти величины мало изменились и используются в настоящее время. До этого геологи и химики скептически относились к возможности применения принципов и методов физики и химии к минералам и сложным процессам на Земле.

В 1900 г. периодическая система Менделеева была заполнена, за исключением некоторых редких элементов Eu, Lu, Hf, Re. Крупным вкладом явилось открытие Мозли (1914) корреляции между рентгеновскими спектрами и атомными номерами элементов.

К этому времени выросла новая геохимическая школа в Норвегии, возглавляемая Дж.Х.Л. Фогтом и В.К. Брёггером. Она получила мировую известность, благодаря работам Гольдшмидта. Его докторская диссертация “Контактный метаморфизм в районе Христиании” стала основополагающей в геохимии. При анализе минеральных превращений в зоне контактного метаморфизма он использовал правило фаз, сформулированное Б. Розенбумом, и показал, что эти изменения можно интерпретировать с позиций принципов химических равновесий.

Открытие М. Лауэ в 1912 г. о том, что правильное расположение атомов в кристаллах приводит к тому, что кристаллы могут служить дифракционными решетками для рентгеновских лучей; и позволяло определять атомную структуру твердых веществ, т.е. в твердых фазах.

На рубеже XIX и XX столетий возникает геохимическое направление в России. Его развитие связано с именем В.И. Вернадского (1863-1945). По его оценке представление о геохимии как науке возникло на фоне новой атомистики, физики и химии в тесной связи с минералогией. Работы В.И. Вернадского охватывают практически все разделы геохимии, освещают важную роль живого вещества в миграции элементов и термодинамике процессов. С ним связано начало дифференциации геохимической науки – создании радиогеологии, ядерной геологии, биогеохимии.

Многочисленные работы А.Е. Ферсмана (1883-1945), обобщенные в фундаментальном четырехтомном труде “Геохимия”, посвящены изучению миграции химических элементов в зависимости от строения их атомов и физико-химических свойств. Он выделил факторы миграции элементов, дал классификации геохимических процессов, выявил последовательность выделения минералов из растворов и расплавов при понижении температуры в зависимости от величины энергии кристаллической решетки, основал геохимические методы поисков полезных ископаемых. Он подготовил обширный круг учеников и последователей: В.В. Щербину, А.А. Саукова, К. Власова, Б.А. Гаврусевича, М.Н. Ивани­шина.

Таким образом, основоположниками современной геохимии являются Ф.У. Кларк, В.М. Гольдшмидт, В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман.

В изучении химических процессов на Земле в XX столетии большой вклад внесли русские ученые Ф.Ю. Левинсон-Лессинг (автор химического направления в петрографии), А.П. Виноградов (работы по биогеохимии, редким и рассеянным элементам), Д.С. Коржинский (разработал теорию метасоматоза, изучал факторы минеральных равновесий), К.А. Власов (геохимия десилицированных пегматитов и редких элементов), В.И. Лебедев (изоморфизм, геохимия силикатов), А.А. Сауков (геохимические поиски месторождений), В.С. Соболев (энергия решетки, петрологическая геохимия, физико-химическая интерпретация изоморфизма), А.Ф. Капустинский (сформулировал второй принцип кристаллохимии и другие работы этого направления), В.В. Щербина (миграция элементов и процессы минералообразования), Л.В. Пустовалов (осадочные геохимические фации), Н.М. Страхов (общая теория литогенеза), А.И. Тугаринов (изотопная геохимия, металлогенические провинции), А.Г Бетехтин (рудные месторождения гидротермального генезиса), В.А. Жариков (термодинамические процессы), Г.В. Войткевич (радиоактивная модель Земли, трансурановые элементы), Д.П. Малюга и В.А. Алексеенко (методы поисков месторождений полезных ископаемых). Геохимии природных ландшафтов посвящены работы Б.Б. Полынова, В.А. Ковды, В.Б. Сочавы, А.И. Перельмана, М.А. Глазовской, Н.С. Касимова, В.А. Снытко, Ю.М. Семенова, Г. Паулюкявичуса, В.В. Добровольского, Е.Г. Нечаевой, О.П. Добродеева, С.Л. Шварцева, Н.Ф. Глазовского, Ю.Е. Cает и др.

Из зарубежных ученых весомый вклад в развитие геохимии внесли Н. Боуэн (равновесия многокомпонентных силикатных систем), Э. Ингерсон (эксперименты, геологические термометры, геохимия радиоактивных изотопов), Б. Мейсон (исследования метеоритов), Р.М. Гаррелс (термодинамические расчеты геохимических процессов), П. Бартон (геохимия рудообразующих процессов на основе физико-химических констант) и др.

Отдельные сведения по геохимии кристаллических пород на базе выступа их фундамента у дер. Глушковичи Лельчицкого района появились до 1945 г. С 1953 г. началось детальное комплексное исследование геохимии осадочного фундамента, осадочного чехла и зоны гипергенеза. По проблемам геохимии Беларуси учеными Института геологических наук напечатано 66 монографий с 1971 г. по 2000 г.

Лаборатория литологии и геохимии под руководством акад. А.С. Махнача изучала вещественный состав платформенного чехла и кор выветривания, геохимию месторождений полезных ископаемых, палегеохимическое ландшафтное районирование и эколого-геохимическое картографирование Беларуси. Изданы монографии В.Е. Бордона по геохимии кристаллического фундамента и осадочного чехла.

По геохимии зоны гипергенеза под руководством К.И. Лукашева, В.А. Кузнецова, В.К. Лукашева, В.А. Ковалева и М.П. Оношко исследовались эволюция геохимической среды лито- и педогенеза в голоцене и ее роль в формировании геоэкологических условий; геохимические процессы перераспределения радионуклидов; геохимия зоны гипергенеза, биосферы, озерно-болотного литогенеза, геохимические методы поиска полезных ископаемых, искусственные сорбенты, геохимия отдельных элементов.

Лаборатория гидрогеологии под руководством А.В. Кудельского, М.Ф. Козлова проводит исследования по геохимии и газогеохимии подземных вод и рассолов, минеральных вод, радиационного состояния гидросферы, составлены гидрогеохимические карты.

Лаборатория литогидрогеохимии, организованная в 1991 г., под руководством А.А. Махнача исследует геохимию системы “порода–вода” в процессах формирования осадочных пород и полезных ископаемых; геохимию подземных рассолов и стабильных изотопов; радиоуглеродный мониторинг окружающей среды республики.

Геохимические исследования осуществляются на базе лаборатории физико-химического анализа под руководством В.А. Кузнецова и В.П. Самодурова с использованием эмиссионного спектрального, атомно-абсорбционного, хроматографического, масс-спектрометрического и других современных видов анализа.
Приоритетные направления исследований
Современная геохимия по областям ее интересов в геосферах Земли делится на космохимию, атмогеохимию, гидрогеохимию, биогеохимию, литогеохимию и др. Разрабатывается геохимия по отдельным элементам, процессам (магматическим, метаморфическим, гипергенным и др.), геохимия полезных ископаемых, ландшафтов и т.д.

По А.И. Перельману (1989) с геохимией связаны две проблемы нашей эпохи: поиски сырьевых ресурсов и экологии окружающей среды. Поэтому важнейшими приоритетными направлениями исследований являются исследование миграции и концентрации элементов в земной коре, уточнение кларков, геохимия процессов, систем и элементов.

К слабому звену в современных исследованиях относится изучение форм нахождения элементов в минералах гидросферы, органическом веществе, каустобиолитах. Необходимо также совершенствовать методы изотопной геохимии по использованию их в решении более широкого круга геологических проблем. Не изучены в достаточной мере закономерности распределения элементов по фазам при различных геохимических процессах. Недостаточно известна геохимия многих редких рассеянных и радиоактивных элементов, которые широко используются в промышленности.