ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 4256
Скачиваний: 7
6
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 после-
довательности 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 хими-
ческий 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 вы-
полнены первые химические анализы метеоритов. Обнаружено их минералогиче-
ское 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 физи-
ческих 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 закономер-
ном 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 элемен-
тов, связав ее с круговыми процессами. Французский геолог Ж.Б. Эли-де-Бомон
(1798-1874) связал историю химических элементов с магматическими и вулкани-
ческими 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. Шѐнбейн писал: ―Уже несколько лет тому назад я публично выска-
зал 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 происхожде-
ние по крайней мере столько же, сколько и на относительную древность этих об-
разований 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 ме-
сторождениях, назвал их парагенными. Понятие о
парагенезе
минералов и хими-
ческих элементов прочно вошло в геологическую науку и геохимию.
Фундамент для возникновения геохимии подготовили открытия двух выда-
ющихся ученых во второй половине XIX в.: открытие в 1859 г. Р. Бунзеном и
Г. Кирхгофом
спектрального анализа
и в 1869 г. Д.И. Менделеевым
периодиче-
ского закона химических элементов
. В это же время утвердилась атомно-
молекулярная теория в физике и химии. Спектральный анализ, который и в насто-
ящее время является ведущим методом, резко увеличил возможности познания
химического состава Земли и космоса, включая редкие и рассеянные элементы.
7
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 соле-
вых равновесий в период образования соляных месторождений. В 1873-1876 г.
экспедиция на судне ―Челленджер‖ собрала пробы морских грунтов и воды в Ми-
ровом 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 иссле-
дователей по составу горных пород, почв, вод, приведен баланс основных элемен-
тов в коре выветривания. В 1924 г. совместно с геологом Г. Вашингтоном он пуб-
ликует последнюю уточненную таблицу средних величин распространения эле-
ментов в верхнем шестнадцатикилометровом слое Земли. Эти величины мало из-
менились и используются в настоящее время. До этого геологи и химики скепти-
чески относились к возможности применения принципов и методов физики и хи-
мии к минералам и сложным процессам на Земле.
В 1900 г. периодическая система Менделеева была заполнена, за исключени-
ем некоторых редких элементов Eu, Lu, Hf, Re. Крупным вкладом явилось откры-
тие Мозли (1914) корреляции между рентгеновскими спектрами и атомными но-
мерами элементов.
К этому времени выросла новая геохимическая школа в Норвегии, возглав-
ляемая Дж.Х.Л. Фогтом и В.К. Брѐггером. Она получила мировую известность,
благодаря работам Гольдшмидта. Его докторская диссертация ―Контактный ме-
таморфизм в районе Христиании‖ стала основополагающей в геохимии. При ана-
лизе минеральных превращений в зоне контактного метаморфизма он использо-
вал правило фаз, сформулированное Б. Розенбумом, и показал, что эти изменения
можно интерпретировать с позиций принципов химических равновесий. Им были
заложены основы экспериментальной геохимии.
Открытие М. Лауэ в 1912 г. о том, что правильное расположение атомов в
кристаллах приводит к тому, что кристаллы могут служить дифракционными ре-
шетками для рентгеновских лучей, позволяло определять атомную структуру
твердых веществ, т.е. в твердых фазах.
На рубеже XIX и XX столетий возникает геохимическое направление в Рос-
сии. 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 термодинамику процессов. С его представлениями в обла-
сти геохимии связано начало дифференциации науки – создание радиогеологии,
ядерной геологии, биогеохимии.
8
Многочисленные работы А.Е. Ферсмана (1883-1945), обобщенные в фунда-
ментальном четырехтомном труде ―Геохимия‖, посвящены изучению миграции
химических элементов в зависимости от строения их атомов и физико-
химических свойств. Он выделил факторы миграции элементов, дал классифика-
ции геохимических процессов, выявил последовательность выделения минералов
из растворов и расплавов при понижении температуры в зависимости от величи-
ны энергии кристаллической решетки, основал геохимические методы поисков
полезных ископаемых, подготовил обширный круг учеников и последователей:
В.В. Щербину, А.А. Саукова, К. Власова, Б.А. Гаврусевича, М.Н. Иванишина.
Основоположниками
современной
геохимии
являются
Ф.У. Кларк,
В.М. Гольдшмидт, В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман. В изучение химических про-
цессов 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 минераль-
ных равновесий), К.А. Власов (геохимия десилицированных пегматитов и редких
элементов), В.И. Лебедев (изоморфизм, геохимия силикатов), А.А. Сауков (гео-
химические поиски месторождений), В.С. Соболев (энергия решетки, петрологи-
ческая
геохимия,
физико-химическая
интерпретация
изоморфизма),
А.Ф. Капустинский (сформулировал второй принцип кристаллохимии и другие
работы этого направления), В.В. Щербина (миграция элементов и процессы мине-
ралообразования),
Л.В. Пустовалов
(осадочные
геохимические
фации),
Н.М. Страхов (общая теория литогенеза), А.Н. Заварицкий (петрохимия)
А.И. Тугаринов
(изотопная
геохимия,
металлогенические
провинции),
А.Г Бетехтин (рудные месторождения гидротермального генезиса), В.А. Жариков
(термодинамика процессов), Г.В. Войткевич (радиоактивная модель Земли, транс-
урановые элементы), Д.П. Малюга и В.А. Алексеенко (методы поисков месторож-
дений полезных ископаемых). Геохимии природных ландшафтов в зоне гиперге-
неза
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 (эксперимен-
ты, геологические термометры, геохимия радиоактивных изотопов), Б. Мейсон
(исследования метеоритов), Р.М. Гаррелс (термодинамические расчеты геохими-
ческих процессов), П. Бартон (геохимия рудообразующих процессов на основе
физико-химических констант) и др.
Таким образом, разрозненная информация по химическому составу Земли
послужила основой формирования геохимии – нового научного направления.
Геохимическая школа Беларуси
В истории развития геохимии в Беларуси, по обобщениям В.А.Кузнецова
(1978), выделяются четыре периода, различающимися научными направлениями.
Первый период становления геохимии как науки относится к 1953–1956 гг. – с
9
момента организации и работы кафедры геохимии и полезных ископаемых в БГУ
под руководством акад. К.И.Лукашева. Второй период относится к 1957–1962 гг.
и связан с организацией геохимических исследований в Академии наук Беларуси.
В 1957 г. была организована лаборатория геохимических проблем. В третий пери-
од (1963–1970 гг.) были развернуты широкомасштабные исследования по геохи-
мии с подключением ряда других органиизаций (Бел НИГРИ, Института почвове-
дения и др.). Четвертый этап новейших геохимических исследований начинается с
1971 г. Возросла роль глубинных геохимических исследований Ниже приводим
важнейшие направления этих исследований.
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 кристаллическо-
го фундамента, осадочного чехла и зоны гипергенеза.
Лаборатория литологии и геохимии под руководством акад. А.С. Махнача
изучала вещественный состав платформенного чехла и кор выветривания, геохи-
мию месторождений полезных ископаемых, палегеохимическое ландшафтное
районирование
и
эколого-геохимическое
картографирование
Беларуси.
В.Е. Бордон обобщил исследования по геохимии кристаллического фундамента и
осадочного чехла.
По геохимии зоны гипергенеза под руководством К.И. Лукашева, Г.В. Бого-
молова, В.А. Кузнецова, В.Е. Бордона, 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, био-
сферы, озерно-болотного литогенеза, геохимические методы поиска полезных ис-
копаемых, искусственные сорбенты, геохимия отдельных элементов.
В лаборатории гидрогеологии под руководством А.В. Кудельского,
М.Ф. Козлова проводились исследования по геохимии и газогеохимии подземных
вод и рассолов, минеральных вод, радиационного состояния гидросферы, состав-
лены гидрогеохимические карты.
Лаборатория литогидрогеохимии, организованная в 1991 г., под руковод-
ством 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 анализы выполняются в лаборатории физико-химического
анализа под руководством В.А. Кузнецова и В.П. Самодурова.
Геохимические исследования зоны гипергенеза проводятся в Белорусском
государственном
университете
на
кафедрах
динамической
геологии
(О.В. Лукашев), почвоведения и геологии (Н.К. Чертко), в Гомельском государ-
ственном университете им Ф. Скорины на кафедре геологии и разведки полезных
ископанемых (В.В. Коцур).
Задача геохимических исследований в республике: детальное геохимическое
изучение горных пород и минералов для использования их в качестве сырья.
10
1.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТОВ
1.1. Эволюция звезд
Современный взгляд на эволюцию звезд обобщен Б.С.Ишхановым,
И.М. Капитоновым, И.А.Тутынь (1999).В настоящее время общепризнанна точка
зрения, что элементы Солнечной системы образовались в ходе звездной эволюции
(наша галактика – Млечный Путь – насчитывает около 200 млрд. звезд). Хотя
Вселенная образовалась приблизительно 15 млрд. лет тому назад, но и в совре-
менную эпоху рождаются звезды. Они конденсируются под действием гравитаци-
онных сил из гигантских газовых молекулярных облаков, первичное вещество ко-
торого состоит преимущественно из ядер водорода с небольшой примесью ядер
гелия. Последние образовались в результате первичного нуклеосинтеза (синтеза
ядер) в дозвездную эпоху. Большая туманность Орион – пример такого облака.
Звезды образуются из отдельных неоднородностей в компактных зонах облаков.
Сжатие компактной зоны начинается с коллапса внутренней части, т.е. со свобод-
ного падения вещества в центре зоны. Гравитационные силы сближают атомы в
меньшие и более плотные сгустки. ―Падая‖ на центр притяжения, молекулы
приобретают энергию и при их взаимодействии (столкновении) разрушаются на
отдельные атомы. Гравитационное сжатие увеличивает температуру сгустка.
Когда соответствующая энергия превосходит энергию возбуждения атома
водорода, в результате столкновений начинают образовываться возбужденные
атомы водорода. Постепенно область коллапса перемещается к периферии,
охватывая всю зону. Начинается процесс звездообразования. Переходя в основное
состояние, атомы водорода начинают излучать свет с характерными для него
спектральными линиями. Объект становится светящимся. Дальнейшее сжатие
вещества повышает температуру и оно переходит в ионизированное состояние.
Излучение увеличивается на несколько порядков. Образовавшийся сгусток в
центре коллапсирующего облака называют
протозвездой
. Падающий на
поверхность протозвезды газ (это явление носит название аккреции) образует
ударный фронт, что приводит к разогреву газа до 10
6
о
С. Затем газ в результате
излучения быстро охлаждается до 10
4
0
С, образуя последовательные слои
вещества протозвезды. Когда масса вещества звезды в результате аккреции
достигает 0,1 массы Солнца, температура в центре звезды достигает 10
5
о
С и в
жизни звезды начинается новый этап – реакции термоядерного синтеза. При такой
температуре эффективно протекает реакция слияния дейтерия
(D =
2
H):
2
H +
2
H
→
3
He + n + Q
(3,26 МэВ). Горящий дейтерий перемещается к периферии от цен-
тра, разогревает внешнюю непрозрачную оболочку протозвезды, что приводит к
ее разбуханию. Лишняя масса удаляется «звездным ветром». Обнажается более
плотная светящаяся часть и протозвезда превращается в звезду.
Сжатие звезды за счет гравитационных сил повышает ее температуру в
центре до 10-15 млн.
о
С и создает условия для начала ядерной реакции горения
водорода (ядерная реакция синтеза). Выделяемое тепло создает давление, проти-
водействующее сжатию. Звезда приобретает стабильные размеры и светимость.
Если масса ее близка к массе Солнца, то жизнь звезды продолжится миллиарды