Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ГЕОХИМИЯ

ГЕОХИМИЯ (от греч. ge- Земля и химия), наука о распространенности и миграции хим. элементов в геосферах. Основы геохимии разработаны в нач. 20 в. В. И. Вернадским, А. Е. Ферсманом, В. М. Гольдшмидтом и Ф. У. Кларком. Предмет геохимии как отрасли знаний сформулировал В. И. Вернадский, назвав ее историей атомов Земли. Совр. геохимия-комплекс наук, объединяемых единой методологией и конкретными методами исследований. С одной стороны, геохимия широко использует достижения физики и химии, новейшие методы анализа и представления о строении в-ва, с другой-огромный материал, накопленный геол. науками, в частности минералогией, петрографией, наукой о рудных месторождениях.

Главная теоретич. проблема геохимии-изучение распространенности и миграции хим. элементов в земной коре. Важнейший методологич. принцип геохимии-историзм: изучение эволюции миграции элементов за период геол. истории, особенности состава атмосферы, гидросферы и литосферы прошлых геол. эпох (вплоть до архея-более 2,5 млрд. лет назад), геохим. факторы возникновения и развития жизни на Земле. Неодинаковая миграция элементов в земной коре отражена в их классификации в периодич. системе Менделеева (см. Геохимические классификации элементов).

Распространенность элементов Использование в геохимии высокочувствит., точных и производит, методов анализа и статистики позволило установить диапазон вариаций и среднее содержание (кларк) большинства элементов в горных породах, гидросфере, живом в-ве (см. ниже) и земной коре в целом (см. Кларки химических элементов). Кларки - важные геохим. константы, широко используемые не только в теоретической, но и в прикладной геохимии, в учении о рудных месторождениях и др. науках о Земле. Установлена прямая зависимость между кларком элемента в земной коре, его содержанием, а также глобальными и провинциальными запасами в рудах. Согласно В. М. Гольдшмидту, абс. кол-ва элементов (кларки) зависят от строения атомного ядра, а их распределение, обусловленное миграцией,-от строения электронных оболочек (осн. геохим. закон).

Миграция элементов В соответствии с формами движения материи различают след. осн. виды миграции: мех., физ.-хим., биогенную, техногенную. Миграция элементов складывается из противоположных процессов-концентрации и рассеяния. С первыми связано образование минералов и месторождений полезных ископаемых, со вторыми-загрязнение окружающей среды и др. явления.

Механическая миграция. Этот процесс связан с речной эрозией, работой ветра (перенос по воздуху песка и пыли), ледников, морских течений и т. д. Так, при разделении в речных и морских водах взвесей песчаные частицы обогащаются преим. Si, Zr, Ti, РЗЭ, Th, глинистые - Fe, Al, Mn, Mg, K, V, Cr, Ni, Co, Сu и др. Мех. миграция почти всегда сопровождается физ.-хим., а часто и биогеохим. процессами. Однако мех. движение нередко определяет специфику миграции. Геохим. аспекты мех. миграции изучены мало.

Физико-химическая миграция. Этот процесс связан с перемещением хим. элементов в прир. водах, силикатных расплавах (магмах), атмосфере и подчиняется закономерностям разл. физ.-хим. процессов (диффузии, сорбции, растворения, осаждения и др.). В. М. Гольдшмидт и А. Е. Ферсман заложили начала ионной концепции в геохимии-трактовки поведения элементов в р-рах и расплавах с учетом св-в их ионов (размеров радиусов, величин зарядов и т.д.). В. М. Гольдшмидт вычислил радиусы ионов большинства элементов в их соед. и на этой базе объяснил явление изоморфизма (замещение в кристаллич. решетке минералов одних ионов и атомов другими с близкими размерами). С данных позиций получили объяснение факты, совместного нахождения элементов в минералах (К, Ва и Pb; Mg, Fe2 + и Ni; Zr и Hf; Та и Nb; К и Т1; Са и Na; К и Ва; Sr, РЗЭ и др.).

Кроме ионов, во мн. прир. водах содержатся недиссоциированные молекулы разл. в-в, в т.ч. органических. Встречаются и в-ва в коллоидном состоянии. Установлено также, что в силикатных расплавах наряду с простыми ионами+ , Na+ и т.д.) широко распространены комплексные, напр. [Zn(OH)]+ или [Рb(ОН)3]-. В гидротермальных р-рах часто присутствуют и карбонатные комплексы металлов, напр. [UO2(CO3)3]4-. Весьма типичны комплексные ионы также для поверхностных и грунтовых вод.

В минералах открыты своб. радикалы, образующиеся под воздействием УФ- и радиоактивного излучений или др. физ. факторов. Обнаружены такие "необычные" ионы, как Zr3+ , Hf3+ CO3-, SO2-, SO3- и т.п. Напр., с ионом Рb+ , входящим в кристаллич. решетку полевых шпатов, связывают зеленую окраску амозонита, с наличием Ti3+, Fe4 + и SJ -фиолетовую и интенсивно синюю окраски соотв. кварца, аметиста и лазурита. Изучение своб. радикалов позволяет решать разл. геол. задачи.

Важную роль в земной коре играет ионный обмен, наиб. детально исследованный в почвах и глинах. В гидротермальных условиях к нему способны полевые шпаты, фельдшпатиды, слюды, нек-рые титано- и цирконосиликаты, танталониобаты, сульфиды и др. минералы.

При фильтрации вод через горные породы и почвы происходят электрохим. процессы. Так, на пов-сти сульфидных минералов возникает скачок потенциала, и сульфиды окисляются. С этими явлениями связаны мн. процессы образования богатых руд, особенности поисков сульфидных месторождений.

Геохимия магматических, гидротермальных и гипергенных процессов изучается преим. на базе представлений о св-вах ионов. Силикатные расплавы представляют собой ионно-электронные жидкости. Они содержат полимерные цепочки силикатных и алюмосиликатных анионов с упорядоченным строением. Геохим. специфика магм во многом определяется летучими компонентами - парами Н2О, СО2, Cl, F и др. Водяные пары и F способствуют деполимеризации кремнекислородных цепочек анионов. В пределах отдельных типов магматич. пород наблюдаются геохим. различия, особенно детально изученные в гранитах, среди к-рых встречаются разновидности с повыш. содержанием рудных элементов (редкометалльные, оловои вольфрамоносные и т.п.).

Геохимия гидротермальных процессов много внимания уделяет совр. гидротермам (горячим водам). Они используются в кач-ве источников тепловой и электрич. энергии, а также Li, Cs, Sr, В, Cl, Br, I и др. элементов. В артезианских бассейнах мн. районов найдены глубинные термальные рассолы. Мн. металлы образуют в этих водах хлоридные комплексы. Ценную информацию о гидротермах дало изучение подземных вод, поступающих во впадины морского дна (напр., металлоносные рассолы впадин Красного моря, обогащенные Mn, Fe, Zn, Pb, Cu, Co).

Из былых гидротерм рудные элементы осаждались в больших объемах горных пород, к-рые подразделяют на пром. залежь полезного ископаемого (рудное тело) и т. наз. первичный геохим. ореол рассеяния, в к-ром концентрация элементов не достигает кондиций. Запасы элементов-спутников в ореолах всегда больше, чем в рудных телах. Нередко и по запасам главных рудных элементов ореолы не уступают рудным телам. На изучении первичных ореолов основаны геохимические методы поисков полезных ископаемых.

Процессы, происходящие при т-pax и давлениях, близких к условиям земной пов-сти, наз. гипергенными. Для них также характерна ионная миграция.

Многие хим. элементы мигрируют в земной коре в газообразном состоянии. Разработаны геохим. классификации газов, исследованы процессы их образования и миграции. В зонах глубинных разломов и вулканах из земных недр к пов-сти мигрируют Не, Аr, пары Hg, CO2 и др. газы. На основе определения содержания этих газов созданы методы составления карт глубинных разломов, прогнозирования землетрясений, поисков рудных месторождений, залежей нефти и газа. Особенно детально изучена геохимия СН4 и др. углеводородных газов.

Изучение геохимии радиоактивных процессов в земной коре и изотопов привело к разработке абс. шкалы геол. времени. Установлены возраст Земли как планеты (ок. 4,5 млрд. лет), длительность отдельных геол. эр и периодов, отдельных событий ранней человеческой истории. Определение содержания радио- и нерадиоактивных изотопов в горных породах, рудах, минералах, водах, живых организмах, атмосфере позволило решить мн. задачи наук о Земле (генезис руд, почвоведение, морская геология и др.). Эти вопросы составляют содержание геохимии изотопов. Радиационно-хим. явления наблюдаются во многих минералах. С воздействием гл. обр. излучений U и Th связывают частичную потерю кристаллич. структуры у циркона, торита, браннерита и др. радиоактивных минералов.

Биогенная миграция. В. И. Вернадский ввел понятие оживом веществе-совокупности живых организмов, выраженной в единицах массы и энергии. Изучение геохим. деятельности живого в-ва служит предметом биогеохимии. Область активной жизни на Земле наз. биосферой, где организмы преобразуют солнечную энергию в энергию геохим. процессов. Главный ее источник-биохим. процессы фотосинтеза и разложения орг. в-в, в ходе к-рых в окружающую среду выделяются О2, СО2 и др. химически активные соединения. Непрерывное поступление энергии определяет неравновесность биосферы и ее частей-почв, илов, подземных вод и др.

Наиб. велико влияние "хим. работы" живого в-ва на земной пов-сти в ландшафтах материков и верх. горизонтах океана. Доказано, что живое в-во представляет собой главную хим. силу на земной пов-сти - элементы в биосфере мигрируют при непосредств. участии живого в-ва или в среде, геохим. особенности к-рой обусловлены живым в-вом, населяющим в данный момент биосферу и действовавшим на Земле в течение всей геол. истории (закон Вернадского).

Огромная геохим. роль живого в-ва не исключает зависимости каждого конкретного организма от физ.-хим. условий среды обитания. Существуют области материков — биогеохим. провинции, где организмы страдают от недостатка или избытка в окружающей среде (почвах, водах, атмосфере, кормах) определенных элементов; это приводит к болезням растений, животных и человека (напр., кариес зубов при дефиците F в воде, эндемич. зоб при недостатке I в пище, подагра при избытке Мо в воде). По А. П. Виноградову, хим. особенности организмов закреплялись в процессе эволюции миллионов поколений, и хим. состав каждого организма хранит признаки своего происхождения.

Биогеохимия по-новому осветила мн. стороны эволюции жизни на Земле, наметила пути практич. решения ряда проблем в биологии, медицине, с. х-ве, геологии. Напр., на биогеохим. исследованиях основаны методы поисков рудных месторождений (определение микроэлементного состава золы растений). Из осадочных пород, почв и вод выделено св. 500 орг. соед.: углеводородов, фенолов, хинонов, гуминовых к-т, асфальтитов, аминокислот, углеводов и их производных, липидов, изопреноидов, гетероциклов и др. Раздел геохимии, исследующий орг. соединения горных пород и вод, наз. органической геохимией, к-рая дифференцировалась на самостоят. направления, имеющие прикладное значение: геохимия нефти, геохимия угля и т.д. Напр., из углей в пром. масштабах извлекают Ge, U и Ga, разработана технология извлечения Pb, Zn, Mo, изучается возможность извлечения Au, Ag и Hg. Перспективна также добыча Fe и А1 из золы углей.

Для биосферы характерны т. наз. биокосные системы, где живые организмы и неорг. материя тесно между собой связаны и взаимообусловлены. Геохим. своеобразие таких систем определяется сочетанием биогенной, физ.-хим. и мех. миграций. К низшему уровню организации биокосных систем относятся почвы, илы, коры выветривания, водоносные горизонты, к более высокому-ландшафты, к еще более высокому-артезианские бассейны, моря и океаны, к наивысшему-биосфера в целом. Все биокосные системы богаты энергией, в них осуществляется круговорот элементов, накапливается информация. Изучение геохимии биокосных систем привело к оформлению научных направлений, нашедших практич. применение,-геохимии почв, геохимии кор выветривания, геохимии осадочных пород, геохимии подземных вод (гидрогеохимии), геохимии ландшафта, геохимии океана и др. Во всех этих науках видное место занимают вопросы биогенной миграции элементов - приложение биогеохим. идей Вернадского к изучению конкретных прир. систем.

Техногенная миграция (техногенез). Во 2-й пол. 20 в. техногенез оказался главным геохим. фактором на пов-сти Земли. Объектами исследований в геохимия техногенеза стали техногенные процессы в городах, агроландшафтах, районах горнообогатит. комбинатов и рудников, реках и озерах, мировом океане.

В результате техногенеза образуются техногенные геохим. аномалии, к-рые разделяют на литохим. (в почвах, городах, строениях), гидрогеохим. (в водах), атмогеохим. (в атмосфере) и биогеохим. (в организмах). Для локализации загрязнения окружающей среды предложено создавать техногенные геохим. барьеры (участки концентрации элементов, связанные с резким изменением геохим. среды).

Одной из теоретич. основ решения проблем техногенеза, в частности борьбы с загрязнением окружающей среды, стала геохимия ландшафта. Установлено, что в ландшафтах горнопром. районов изменяется режим подземных вод, развиваются заболачивание и засоление почв. В районах металлургич. комбинатов, перерабатывающих сульфидные руды, возникает техногенный сернокислый ландшафт. В дорожных ландшафтах за счет выхлопных газов автомашин и др. воздействий изменяется состав атмосферы, почв, растений и животных.

Важное значение приобрела геохимия городов-изучение биол. круговорота атомов, водной и воздушной миграции элементов.

На реки и озера ложится огромная техногенная нагрузка. По данным ЮНЕСКО, реки ежегодно сбрасывают в океан миллионы тонн техногенных Fe, Pb, Mn, P и др. элементов. В результате ионный сток рек с каждым годом увеличивается, и к нач. 70-х гг. его техногенная составляющая колебалась в пределах 30-60% от общего выноса солей. Загрязнение сильно изменяет биол. круговорот, в реках и озерах исчезает рыба, вода становится непригодной для питья. В СССР проводится широкий комплекс мероприятий по предотвращению загрязнения и очистке речных и озерных вод.

Многообразны аспекты техногенной миграции в океане. Из морской воды добывают Mg, Na, К, С1, предполагают извлекать и др. элементы. Запасы их практически не ограничены, а технология извлечения часто проще, чем при обычной добыче. Так, бурением на шельфах получают ок. 20% мировой добычи нефти. Прибрежно-морские россыпи содержат алмазы, Аи, касситерит, ильменит, рутил, циркон, монацит и др. минералы. Изучается возможность добычи на шельфах фосфоритов и глауконитовых песков. Разработаны методы добычи железомарганцевых конкреций (Fe, Mn, Ni, Co, Си) океанич. дна. Открытие металлоносных рассолов во впадинах Красного моря поставило вопрос об извлечении из них разл. металлов. В океан поступает огромное кол-во техногенных отходов, нарушающих его биол. режим. Для борьбы с загрязнением океанич. вод осуществляются спец. исследования, разработаны международные соглашения.

Геохимия процессов образования и эксплуатации месторождений полезных ископаемых

Геохим. понятия и методы глубоко внедрились в науку о рудных месторождениях. Под геохимией месторождения понимают совокупность процессов концентрации и рассеяния элементов в пространстве его рудного поля. Одна из важнейших задач геохимии месторождений - выявление и количеств. характеристика ассоциации элементов в минералах и рудах, что позволяет обеспечить комплексное использование минер. сырья.

В результате эксплуатации месторождений создаются искусств. хим. среды, изучение к-рых позволяет организовать оптим. геохим. режим эксплуатации (в т.ч. подземное выщелачивание) и обеспечить охрану природы и здоровья людей-исключить из водоснабжения воды с повыш. содержанием металлов, не загрязнять атмосферу распылением отвалов разных руд и т.д.

При геохим. изучении месторождений важное значение приобрело исследование т. наз. вторичных геохим. ореолов рассеяния (с повыш. концентрацией элементов)-прямых поисковых признаков руд. Разнообразие месторождений поставило задачу их геохим. классификации. Для ее отдельных групп установлено среднее содержание элементов в рудах, элементов-примесей в минералах и т.п.

Региональная геохимия

Этот раздел изучает геохим. особенности разл. территорий-стран, областей, районов, провинций и т.д. Выделение в пределах определенного региона геохим. территориальных единиц (геохим. районирование) используют при прогнозировании и поисках рудных месторождений, решении проблем охраны окружающей среды, при медико-геохим. оценке территорий, решении др. прикладных задач. С целью прогнозирования отдельных видов полезных ископаемых большое значение приобрело геохим. картирование. Разновидности геохим. карт-биогеохим., гидро-хим., гидрогеохим., газогидрогеохим., ландшафтно-геохим. и иные карты.

Прикладная геохимия

Главное практич. применение геохимия приобрела при поисках минер. сырья. Геохим. методы поисков полезных ископаемых оформились в самостоят. прикладную науку с хорошо развитой теорией и разнообразной методикой.

Важное и все возрастающее значение геохимия приобретает при решении проблем охраны окружающей среды, особенно в борьбе с техногенным загрязнением. Методология таких работ, конкретные методы и методики близки к тем, к-рые применяют при геохим. поисках полезных ископаемых.

Анализ законов распределения хим. элементов в ландшафтах представляет медицине исходные данные для выяснения причин заболеваний, связанных с дефицитом или избытком элементов в почвах, водах, атмосфере, продуктах питания. Перспективно применение методов геохимии в курортологии, геронтологии и при решении др. проблем медицины. Ведущую роль здесь играют учение о биогеохим. провинциях и геохимия ландшафта.

Использование геохимии в с. х-ве многообразно. Она помогает бороться с незаразными болезнями культурных растений и домашних животных, связанными с дефицитом или избытком элементов в почвах, водах и кормах. Геохим. подход важен при применении удобрений, мелиорации (особенно при вторичном засолении почв) и т.д.

Геохим. исследования существенны и для хим. технологии, т.к. они позволяют выявлять новые источники сырья (напр., извлечение Re из молибденовых руд, Hf из цирконов, Cd и In из полиметаллич. руд, Ge из золы углей, редких земель, Sr и F из апатита и др.) и намечать пути наиб. рациональной его переработки.


===
Исп. литература для статьи «ГЕОХИМИЯ»: Ферсман А.Е., Избр. труды, т. 1-7, М, 1952-62; Вернадский В.И., Избр. соч., т. 1-5, М., 1954-60; Виноградов А.П., Введение в геохимию океана, М., 1967; Сауков А.А., Геохимия, М., 1975; Жариков В.А., Основы физико-химической петрологии, М., 1976; Та у сон Л. В., Геологические типы и потенциальная рудоносность гранитоидов, М., 1977; Пере ль ман А. И., Геохимия, М., 1979; Барсуков В.Л., Григорян СВ., Овчинников Л.Н., Геохимические методы поисков рудных месторождений, М., 1981; Беус А. А., Геохимия литосферы, 2 изд., М., 1981; Коржииский Д. С, Теория метасоматической зональности, 2 изд., М., 1982; Clarke F. W., The Data of geochemistry, 5 ed., Wash., 1924; Goldschmidt V.M., Geochemistry, Oxf., 1954. A.M. Перельман.

Страница «ГЕОХИМИЯ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Еще по теме:

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн