Геохимия как наука. Предмет и метод геохимии

ГЕОХИМИЯ.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

 

Астрахань

 

«...Сейчас мы знаем, что всё живёт, всё течёт, всё меняется во времени и пространстве, и среди природы самым подвижным, постоянно ищущим новых путей является атом, первозданный кирпичик, из которого строятся самые замечательные постройки мира, который вечно ищет покоя и равновесия, покорный основным законам природных процессов. Ищет — но не находит и не найдёт никогда, так как в природе нет покоя, а есть только вечная материя в вечном движении...».

(1883-1945)

Геолог и геохимик А.Е. Ферсман

«Занимательная геохимия»

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ

Состав Земли, особенно её оболочек, существенно отличается от состава небесных тел.

Если с созданием космических ракет стало возможным изучение состава атмосферы на любых высотах, изучение химического состава планет, а создание подводных лодок и глубоководных аппаратов батискафов позволило проникнуть в тайны мирового океана.

Батискаф (от греч. batkys – глубокий и skáphos – судно) – глубоководный самоходный аппарат для океанографических и т. п. исследований. Первый батискаф построен швейцарским физиком О. Пиккаром в 1948 г. В 1960 г. на батискафе "Триест" достигнуто дно Марианского жёлоба в Тихом океане (10 994 м).

Однако не следует переоце­нивать наши успехи в познании литосферы, в частности земной коры, которая для нас представляет особый интерес. Земная твердь – terra incognita – земля неизведанная.

 

 

 

Рис. 1. Глубоководный аппарат «Мир-1» Института океанологии

им. П.П. Ширшова[8] Российской академии наук (РАН)

 

Из чего состоят области земного шара, находящиеся ниже земной коры, узнать не так-то просто. Глубокие скважины, которые бурит человек, не превосхо­дят сегодня 7 тысяч метров. И перспектив на успехи в проникновении в глубь Земли пока не видно. Самая глубокая в мире скважина (рис.), которую пробурили геологи на Кольском полуострове, едва преодолела 12-километровый рубеж. Это всего 0,2 % радиуса Земли! Образно говоря, человек проколол булавкой на глобусе лишь самый верхний слой краски…

 

Схемы Кольской сверхглубокой скважины и её "создатели"

 

Рис. Схема геосфер с указанием падающего на Землю потоков

солнечной энергии и космических лучей

(расстояния от поверхности Земли даны в километрах)

Полтора века назад французский фантаст Жюль Верн написал роман «Путешествие к центру Земли», в котором предсказал, что, проникнув в недра планеты, люди найдут много удивительного, прежде всего — огромный мир, населённый доисторическими существами.

Идея оказалась плодотворной. О странном мире в глубине земного шара позднее писали такие известные авторы, как Эдгар Берроуз и Владимир Обручев. И у них были основания для фантазирования, ведь наука имеет лишь самое общее представление о том, как устроены недра. Любая теория на эту тему является гипотетической и не подтверждена прямыми измерениями. Вся информация получена из косвенных источников: сейсмологических и минералогических исследований земной коры, изучения неравномерностей гравитации, поведения магнитного поля планеты.

Понятно, что учёные не оставляют надежду взглянуть на центр Земли собственными глазами. Такой опыт позволил бы не только решить многие теоретические проблемы, но и дать надёжные сведения о том, где искать полезные ископаемые.

В XX веке наибольших успехов в этом направлении добились советские инженеры, пробурившие Кольскую сверхглубокую скважину (СГ-3), глубина которой составила 12 262 метра.

Кольская скважина бурилась в Мурманской области, на территории Печенгского медно-никелевого рудного района Балтийского щита, сложенного из древнейших архейских и протерозойских кристаллических пород. Основной задачей бурения было получить информацию об их вещественном составе и физических свойствах на больших глубинах.

Здесь впервые удалось изучить породы, относящиеся к далёкому прошлому — от 1,6 до 3 млрд. лет (возраст Земли оценивается в 4,54 млрд. лет). Хотя в процессе исследования получено много ценных сведений о недрах, результаты оказались во многом неожиданными. Директор Научно-производственного центра «Кольская сверхглубокая» Давид Губерман писал, что «до четырёх километров всё шло по теории, а дальше началось светопреставление». Теоретики считали, что температура пород останется низкой до отметки 15 километров, но уже на пяти километрах температура перевалила за 70 ^оС, на семи — за 120 ^оС, а на двенадцати — за 220 ^оС: на сто градусов больше предсказанного!

Были и поистине сенсационные открытия. К примеру, когда началось изучение лунного грунта, доставленного советскими автоматическими станциями, исследователи Кольской скважины установили, что он идентичен пробам, собранным ими на глубине трёх километров. Таким образом была подтверждена гипотеза, что Луна и Земля формировались совместно, но разделились в результате колоссального удара, нанесённого шальным небесным телом.

К сожалению, ныне Кольская сверхглубокая скважина практически забыта, а научный центр при ней разграблен. Российское правительство не выделяет средств на продолжение уникального эксперимента, и изучение недр в нашей стране приостановлено.

Новейшие изыскания спелеологов, работающих в самых глубоких пещерах, подтверждают: таинственный мир земных недр, о котором писали Жюль Верн с коллегами, всё-таки существует.

Долгое время считалось, что развитые формы жизни не могут существовать без солнечного света. Однако глубоководные погружения показали, что жизнь проникла даже на дно Марианской впадины. Аналогичные исследования проводятся в пещерах, шахтах и скважинах.

К примеру, неподалеку от города Рамле в Израиле была вскрыта Аялонская пещера, изолированная от внешнего мира пять миллионов лет. Там учёные нашли подземное озеро, в котором обитали восемь неизвестных ранее видов ракообразных. Все они оказались безглазыми. Ещё более интересное открытие ожидало исследователей золотодобывающих шахт в Южной Африке. С двухкилометровой глубины были подняты мелкие юркие червячки, прозванные «дьявольскими» (Halicephalobus mephisto) — они тысячелетиями жили без контакта с внешним миром в горячих потоках с высоким содержанием сульфидов, питаясь местными бактериями. На трёхкилометровой глубине золотого прииска Мпоненг обитает микроб, названный исследователями «отважным странником» (Desulforudis audaxviator) в честь строки из романа Жюля Верна «Путешествие к центру Земли». Микроб столь долго развивался в отрыве от остальной биосферы, что обрёл уникальные свойства: от способности закукливаться в неблагоприятных условиях до возможности выращивать специальные жгутики, если ему надо покинуть место постоянного обитания. Единственное, что может мгновенно убить «странника», – соприкосновение с кислородом.

Вертикальные природные пещеры не могут быть глубже трёх километров – расчёты показывают, что на такой глубине их раздавит масса окружающих пород.

Самой глубокой пещерой из открытых в настоящее время является пещера Крубера-Воронья в Абхазии (2196 метров).

Первой обследованной пещерой глубиной более километра стала французская пропасть Берже (1323 метра), открытая в 1953 году.

Учёные полагают, что толща земных пород заселена микроорганизмами до глубины семи километров, а возможно, и ещё глубже. Изучение этих мелких существ даст нам не только новое знание об эволюции жизни на Земле, но и основания для поиска аналогичных биосфер на других планетах.

Потенциальные открытия, которые может принести непосредственная разведка недр, стимулируют творческое воображение учёных. Например, профессор геофизики из Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон выдвинул оригинальный и технически осуществимый проект достижения земного ядра с использованием ядерного заряда.

Схема Стивенсона выглядит так. Мы взрываем в природном геологическом разломе особым образом сконструированный заряд, по мощности в три раза превышающий бомбу, сброшенную на Хиросиму. При этом образуется узкая трещина глубиной в несколько сотен метров. Чтобы не дать трещине «зарасти», начинаем лить в неё жидкий металл при температуре 1000-1200 ^оС. Имея более высокую, чем окружающие породы, плотность, металл устремится прямо вглубь планеты со скоростью 5 м/с. По расчётам, не пройдёт и недели, как раскалённая лавина опустится на глубину трёх тысяч километров и достигнет земного ядра. Но главное, что металл будет толкать впереди себя особый исследовательский зонд размером с апельсин. С помощью высокочастотных сейсмических волн зонд будет сообщать ученым информацию о плотности окружающей среды.

Идея профессора Стивенсона основана на разработке «Горячая капля» российских специалистов из Института теоретической физики, которые ещё тридцать лет назад предлагали похожий вариант «разрыва» недр для захоронения радиоактивных отходов.

Пока что этот и другие проекты проникновения вглубь Земли выглядят утопическими. Но кто знает, что будет завтра, когда дефицит природных ресурсов заставит человечество серьёзней задуматься над тем, какие несмётные сокровища хранятся у него под ногами на глубине нескольких километров?

Рассмотрим современные данные о химическом составе Земли. К счастью, недра планеты можно изучать не только при помощи бурения скважин, но и по красноречивым «рассказам» сейсмических волн – упругих колебаний, распространяющихся в Земле от очагов землетрясений или взрывов.

Итак, исследователи научились заглядывать глубоко внутрь и по косвенным признакам судят о том, что видеть воочию им пока не дано. …Всё то, из чего образованы «земная твердь», необозримые водные пространства и воздушная оболочка Земли – атмосфера, состоит из различных сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов (около 90), встречающихся в природе. Подобные «кирпичики» слагают минералы и горные породы. Их эволюцию (от лат. evolution – развёртывание) во времени, распределение в земной коре и элементный состав исследуют несколько научных дисциплин. Главенствующая же роль принадлежит геохимии.

Химический состав атмосферы

Атмосфера (от греч. atmós – пар и sfeira – шар) – газовая оболочка Земли, вращающаяся вместе с нею; масса около 5,15 • 10¹⁵ т; состоит из азота (78,1 объёмных процента у поверхности Земли), кислорода (20,93 %) с небольшим количеством водяных паров (от 3 % в тропиках до 2 • 10^–5 % в Антарктиде), пыли, углекислого и благородных газов (0,935 % Ar). На высоте 20-25 км расположен слой озона О3, который предохраняет живые организмы на Земле от вредного коротковолнового излучения. Выше 100 км растёт доля лёгких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул разлагаются на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление плотности воздуха в атмосфере Земли с высотой убывает.

Химический состав атмосферы изучен достаточно полно. Он представлен в табл. 1.

 

Таблица 1

Химический состав атмосферы

( по А. П. Виноградову)

Газ	Массовый %	Объёмный %
Азот Кислород Аргон Углекислый газ Неон Криптон Метан Гелий Ксенон Водород	N2 O2 Ar CO2 Ne Kr CH4 He Xe H2	23,15 75,51 1,286 0,046 1,25∙10-3 2,3 · 10-4 1,2·10-4 7,2 · 10-5 3,6· 10-5 3 · 10-6	20,93 78,10 0,933 0,3 1,8∙10-3 1 · 10-4 2,2·10-4 5 · 10-4 9 · 10-6 5 · 10-5

 

 

Рис.. Геологические оболочки

 

В относительно малых количествах в воздухе содержатся сернистый газ SO₂, сероводород H₂S, оксиды азота NO и NO₂, аммиак NH₃, озон O₃, галогены Cl₂ и Br₂ и некоторые другие вещества.

Геохимические процессы, формирующие состав атмосферы, исключительно сложны и многообразны. Содержание отдельных компонентов в воздухе менялось и продолжает меняться со временем.

Так, учёные считают, что содержание углекислого газа CO₂ в атмосфере существенно снижается. Об этом свидетельствуют меняющиеся количества карбонатных осадков в разные геологические периоды: палеозойская эра – 42,6 % от всех горных пород, мезозойская эра – 5,8 %, кайнозойская эра – 0,08 %.

 

 

Геохронологическая шкала

(по данным Комиссии по определению абсолютного возраста геологических формаций при Отделении наук о Земле

Российской академии наук)

 

Процент времени	Возраст, млн. лет	Эра	Длительность, млн. лет	Возраст, млн. лет	Период	Эпоха	Длительность, млн. лет
1,4		Кайнозой		1,5–2	Четвертичный	Современная Плейстоцен	1,5–2
12 ± 1		Плиоцен	10–10,5
26 ± 1		Миоцен
37 ± 2		Олигоцен
60 ± 2		Эоцен
67 ± 3		Палеоцен
3,5		Мезозой		137 ± 5	Меловой
195 ± 5	Юрский
240 ± 10	Триасовый
7,5		Палеозой		285 ± 10	Пермский
340 ± 360	Карбоновый		55–75
410 ± 10	Девонский		70–50
440 ± 15	Силурийский
500 ± 20	Ордовикский
	Кембрийский
87,6		Докембрий			Протерозойский

 

Геохронологическая схема деления докембрия (криптозоя)

Эра	Общее деление	Частное деление	Возраст, млн. лет	Тектономагмати-ческий цикл
Протеро-зой	Верхний докембрий (Рсm3)	Верхний рифей (R3)	630 ± 30	Катангский
1050 ± 50	Гренвильский
Средний рифей (R2)
1400 ± 100	Медвежьеозёрный (Браун-Дерби)
Нижний рифей (R1)
Архео-зой	Средний докембрий (Рсm2)	Фундамент преимущественно древних платформ (А2)	1900 ± 00	Беломорский
2600 ± 100	Родезийский (Шамваянский)
Преимущественно ядра древних щитов (А1)
Нижний докембрий (Рсm1)	3000 ± 100	Кольский
	3500 ± 100	Белозерский

 

В настоящее время содержание СО₂ в воздухе увеличивается в результате хозяйственной деятельности человечества. Только в процессах сельскохозяйственных работ и сжигания топлива в воздух ежегодно выбрасывается около 8 млрд. тонн диоксида углерода.

 

В районах городов и промышленных центров в атмосфере наблюдаются существенные отклонения от сред­него состава из-за очень большой запылённости и загряз­нённости воздуха.

Во многих странах сейчас вводится строгий санитарный надзор за составом атмосферы, так как загрязнения воздушно­го бассейна, по мнению специалистов, создают реальную угрозу всему живому на Земле.

 

Рис. Табло в Токио (Япония) показывает степень

загрязнённости воздуха

Химический состав атмосферы по высоте практически меняется слабо. Лишь в верхних слоях атмосферы наблю­дается повышенное содержание озона О₃, создающего озоновый экран, поглощающий значительную часть ультрафиолетового излучения Солнца.

Химический состав литосферы

Правила (законы) геохимии

Правило Менделеева

В 1869 году, работая над периодическим законом, Д.И. Менделеев сформулировал правило: «Элементы с малым атомным весом в общем более распространены, чем элемен­ты с большим атомным весом» (см. приложение 1, Периодическую систему химических элементов). Позднее, с раскрытием строения атома было показано, что у химических элементов с малой атомной массой число протонов приблизительно равно числу нейтронов в ядрах их атомов, то есть отношение этих двух величин равно или близко к единице: для кислорода = 1,0; для алюминия

У менее распространённых элементов в ядрах атомов преобладают нейтроны и отношение их числа к числу протонов существенно больше единицы: для радия ; для урана = 1,59.

Дальнейшее развитие «правило Менделеева» нашло в работах датского физика Нильса Бора и российского химика, академика АН СССР Виктора Ивановича Спицына.

Виктор Иванович Спицын (1902-1988)

Правило Оддо

В 1914 году итальянский химик Джузеппе Оддо сформулиро­вал другое правило: «Атомные веса наиболее распростра­нённых элементов выражаются числами, кратными четырём, или мало отклоняются от таких чисел». Позднее это правило получило некоторую трактовку в свете новых данных о строении атомов: ядерная конструкция, состоящая из двух протонов и двух нейтронов [2р + 2n = Не²⁺ (альфа -частица, гелион] обладает особой проч­ностью.

Правило Гаркинса

В 1917 году американский физикохимик Уильям Дрепер Гаркинс (Харкинс) обратил внимание на то, что химические элементы с чётными атомными (порядковыми) номерами распространены в природе в несколько раз больше, чем со­седние с ними элементы с нечётными номерами. Подсчёты подтвердили наблюдение: из первых 28 элементов перио­дической системы 14 чётных составляют до 86 %, а нечёт­ные — только 13,6 % от массы земной коры.

В этом случае объяснением может служить тот факт, что химические элементы с нечётными значениями атомного номера содержат частицы, не связанные в гелионы, а потому являются менее стабильными.

Из правила Гаркинса имеется много исключений: так, чётные благордные газы распространены крайне слабо, а нечётный алюминий Al обгоняет по распространению чётный магний Mg. Однако есть предположения, что это правило распространяется не столько на земную кору, сколько на весь земной шар. Хотя достоверных данных о составе глубинных слоёв земного шара пока нет, но некоторые сведения позволяют предполагать, что количество магния в целом в зем­ном шаре вдвое больше, чем алюминия. Количество же гелия He в космическом пространстве во много раз превосхо­дит его земные запасы. Это едва ли не самый распространённый химический элемент Вселенной.

Правило Ферсмана

А.Е. Ферсман наглядно показал зависимость распространённости химических элементов в земной коре от их атомного (порядкового) номера. Эта зависимость становится особо очевидной, если построить график в координатах: атомный номер — лога­рифм атомного кларка. На графике прослеживается чёткая тенденция: атомные кларки понижаются с увели­чением атомных номеров химических элементов.

Рис.. Распространённость химических элементов в земной коре

(lg C – логарифмы атомных кларков по Ферсману)

 

Рис. 5. Распространённость химических элементов во Вселенной

(lg C – логарифмы атомных кларков по Ферсману)

(данные о количестве атомов отнесены к 10⁶ атомов кремния)

Сплошная кривая – чётные значения Z,

пунктирная – нечётные значения Z

 

Однако имеются и некоторые отклонения от этого пра­вила: часть химических элементов значительно превосходит ожидаемые значения распространённости (кислород O, кремний Si, кальций Ca, железо Fe, барий Ba), а другие (литий Li, бериллий Be, бор B) встречаются много реже, чем следовало ожидать, исходя из правила Ферсмана. Такие химические элементы называются соответственно избыточными и дефицитными.

Формулировка основного закона геохимии дана на с.

Первичные атомные кларки

А.Е. Ферсман высказал предположение, что пер­вичное распределение химических элементов в космосе характеризовалось «первичными кларками», зависящими целиком от свойств атомного ядра. «Однако, — пояснял Ферсман, — эти кларки нам пока не известны, ни одна из областей космоса как химическая ассоциация, не даёт в чистом виде первич­ных соотношений кларков».

По мнению Ферсмана, на распространённость химиче­ских элементов в разных участках космоса влияют опреде­лённым образом процессы дифференциации, связанные с различиями в химических свойствах элементов. Эта диффе­ренциация приводит к перемещениям и перегруппировкам огромных масс химических элементов.

Однако «... как ни могучи и грандиозны процессы пере­мещения и перегруппировки элементов на основе законов Менделеевской системы, всё же основным фоном, на кото­ром они разыгрываются,...является «первичный кларк», связанный с ядром и устойчивостью его строения».

 

Список литературы

1. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1979. – 527 с.

2. Барабанов В.Ф. Геохимия. Л: Недра, 1985. – 423 с.

3. Бранлоу А.Х. Геохимия. М: Мир, 1985. – 463 с.

4. Войткевич Г.В., Закруткин В.В. Основы геохимии. – М.: Высшая

школа, 1976. – 367 с.

5. Сауков А.А. Геохимия. – М.: 1975. – 480 с.

6. Щербина В.В. Основы геохимии. – М.: Недра, 1972. – 296 с.

7. Гаврусевич Б.А. Основы общей геохимии. М: Недра, 1968. – 328 с.

8.

9.

10. Рябухин Ю.И., Медовикова Ю.Е. Геохимия изотопов: Учебно-

справочное пособие. – Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань,

2015. – 44 с.

11. Сборник задач и упражнений по геохимии / Н.П. Огородникова, Ю.И.

Рябухин /Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань, 2013. – 96 с.

12. Основные минералы, руды и горные породы: Справочник / Ю.И.

Рябухин, Н.П. Огородникова /Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань,

2008. – 28 с.

13. Геохимический словарь / Ю.И. Рябухин, Н.П. Огородникова /

Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань, 2008. – 207 с.

Оглавление

1. ГЕОХИМИЯ КАК НАУКА. ПРЕДМЕТ И МЕТОД ГЕОХИМИИ.. 2

2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ГЕОХИМИИ.. 6

3. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ.. 7

3.1. Химический состав атмосферы.. 13

3.2. Химический состав гидросферы.. 15

3.3. Химический состав литосферы.. 17

3.4. Минералы, наиболее распространённые в земной коре. 20

3.5. Возможные формы существования материи в глубинных слоях Земли 20

4. СВЯЗЬ РАСПРОСТРАНЁННОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОЛОЖЕНИЕМ ИХ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ АТОМОВ ЭЛЕМЕНТОВ.. 24

4.1. Правила (законы) геохимии. 24

4.2. Периодический закон и правило радиоактивного сдвига. 27

4.3. Первичные атомные кларки. 30

5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ, СОЧЕТАНИЕ И МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ 30

6. БИОСФЕРА И РОЛЬ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ В ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ 43

7. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА. ТЕХНОГЕНЕЗ 49

Список литературы.. 54

Приложение. 59

 

Приложение [26]

1. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

2.

3.

4. Растворимость кислот, солей и оснований в воде

5. Геохронологическая шкала

 

Учебное издание

 

Геохимия

Конспект лекций

Рябухин Юрий Иванович – доктор химических наук, Соросовский профессор, Почётный работник высшего профес-сионального образования РФ, автор трёх учебных пособий, справочника и словаря по геохимии.

 

 

АГТУ. Усл. п. л. Тираж 50 экз. Заказ № 2016.

Для заметок

 

 

[1] Владимир Иванович Вернадский – основоположник комплекса современных наук о земле – геохимии, биогеохимии, радиологии, гидрогеологии и др. Создатель многих научных школ. Академик Петербургской АН (1912), РАН (1917), АН СССР (1925), первый президент АН Украины (с 1919).

[2] История, от греч. historia – рассказ о прошлых событиях, повествование о том, что узнано, исследовано. 1. Процесс развития в природе и обществе. 2. Наука о развитии какой-нибудь области природы, знания.

[3] Би́блия (греч. biblia, мн. ч. от biblion – книга, от греч. bibloc – папирус, который производился в городе Библ) – священная книга христианства, содержащая изложение догм и положений иудейской и христианской религий (пишется с прописной буквы).

[4] Физика (от греч. physis – природа) – одна из основных областей естествознания – наука о свойствах и строении материи, о формах её движения, об общих закономерностях явлений природы.

[5] Термодинамика (от греч. therme – жар, тепло и dynamikos – относящийся к силе, сильный) – раздел физики, изучающий закономерности теплового движения и его влияние на свойства физических тел.

[6] Портреты этих и других учёных, упоминающихся в этом конспекте лекций, с краткой справкой об их деятельности см. в справочном пособии Ю.И. Рябухина "История геохимии" (2016).

[7] Тит Лукреций Кар – римский поэт и философ 1 в до н. э. Его дидактическая поэма "О природе вещей" – единственное полностью сохранившееся систематическое изложение материалистической философии древности; популяризует учение Эпикура – древне-греческого философа (341-270 гг. до н. э.).

[8] Ширшов Пётр Петрович – гидробиолог и полярный исследователь, первый директор Института океанологии АН СССР (ныне РАН); ранее был министром военно-морского флота СССР.

[9] Минералы, от франц. mineral – руда.

[10] Материя (от лат. mater rerum – мать вещей и materia – вещество) – философская категория– объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания и отображаемая им.

[11] Изобары (от греч. isos – равный, одинаковый и baros - тяжесть) – атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но разное число протонов в ядре (например, и ).

[12] Дарвинизм – теория эволюции (исторического развития) органического мира Земли, основанная на воззрениях английского естествоиспытателя Чарльза Дарвина (1809-1882).

[13] См. приложение 1.

[14] Редкоземельные элементы (редкоземельные металлы) [oбозначаются: РЗЭ, РЗМ и ТR (от лат. tеrrа – земля, rаrа – редкий)] – семейство из 17 химических элементов побочной подгруппы III группы периодической системы: скандий Sс, иттрий Y, лантан Lа и лантаниды (от Се до Lu). Подразделяются на иттриевую (Y, La, Gd – Lu) и цериевую (Ce – Eu) подгруппы. Элементы Ce – Eu называют лёгкими, а Gd – Lu – тяжёлыми лантанидами. Лантан иногда рассматривают отдельно от лантанидов, а скандий – от РЗЭ.

Распространены эти элементы в земной коре сравнительно редко, образуют тугоплавкие нерастворимые в воде оксиды (по старинной терминологии – ″земли″) – отсюда название. РЗЭ представляет собой серебристые металлы, тускнеющие на воздухе из-за образования оксидной плёнки. Химически активны. Чрезвычайно рассеяны, характерная их особенность – совместное присутствие в природе и близость химических свойств. Например, минерал монаций – источник редкоземельных элементов цериевой подгруппы и тория.

[15] Происходит от немецкого термина verwitterung, в свою очередь взятого от английского термина weathering. Оба термина образованы от слова «погода» (weather, Wetter) и в точном переводе означают «изменение под действием погоды». Таким образом, их русский эквивалент «выветривание» неправильно передаёт смысл понятия, поскольку речь идёт о процессе, не имеющим прямого отношения к деятельности ветра.

[16] Сталактиты (от греч. stalaktos – натёкший по капле) – натёчные минеральные образования (чаще известковые), свешивающиеся в виде сосулек, бахромы и т. п. с потолка и верхней части стен пещер и других полостей в карсте.

[17] Сталагмиты (от греч. stalagma – капля) – натёчные минеральные образования (чаще известковые) в виде конусов, столбов, растущих с пола пещер и других подземных полостей в карсте навстречу сталактитам и нередко сливающиеся с ними.

[18] Сталагнаты (сталактоны) – натёчные минеральные образования в виде колонн, возникающие в карстовых пещерах при соединении сталактитов и сталагмитов.

[19] Мутабильный, от mutatio – изменение, перемена.

[20] В 1892 г. за научные заслуги У. Томсон получил дворянский титул барона, лорда Кельвина (Kelvin).

[21] В уравнении химической реакции – основы фотосинтеза на первый взгляд допущена неточность. Слева изображено 12 молекул воды, а справа 6. Можно просто-напросто сократить левую и правую части на 6 H₂O. Это было бы верно, если бы такая реакция проходила в живой клетке в одну стадию. Но атомы водорода со своими электронами переносятся к углекислому газу через длинную цепочку посредников. При получении одной молекулы глюкозы в клетке сначала разлагается 12 молекул воды, а потом вновь образуется 6 молекул.

[22] Каламин (гемиморфит) – минерал класса островных силикатов – Zn₄[Si₂O₇][OH]₂·H₂O. Образуется в зоне окисления цинково-рудных месторождений. Руда цинка.

[23] Асцидии (от греч. askidion – мешочек) – класс морских хордовых животных подтипа оболочников, тело которых одето особой оболочкой.

[24] Флора (лат. Флора – имя древнеримской богини цветов и весны) – совокупность всех видов растений какой-нибудь местности или периода в истории Земли. (Например, тропическая флора, флора мезозойской эры.)

[25] Фауна (лат. Fauna – имя жены Фавна, покровителя полей и лесов) – исторически сложившаяся совокупность каких-нибудь видов животных, той или иной территории или какого-нибудь периода в истории Земли. (Например, речная фауна, фауна средней полосы России, кембрийская фауна).

[26] Таблицы 1,2 даны в редакции профессора Рябухина Ю.И.

ГЕОХИМИЯ.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

 

Астрахань

 

«...Сейчас мы знаем, что всё живёт, всё течёт, всё меняется во времени и пространстве, и среди природы самым подвижным, постоянно ищущим новых путей является атом, первозданный кирпичик, из которого строятся самые замечательные постройки мира, который вечно ищет покоя и равновесия, покорный основным законам природных процессов. Ищет — но не находит и не найдёт никогда, так как в природе нет покоя, а есть только вечная материя в вечном движении...».

(1883-1945)

Геолог и геохимик А.Е. Ферсман

«Занимательная геохимия»

ГЕОХИМИЯ КАК НАУКА. ПРЕДМЕТ И МЕТОД ГЕОХИМИИ

В химии значительная часть внимания обращается на техническую химию, то есть на судьбы атомов и молекул в промышленных химических процессах. Это и понятно: химии отводится решающая роль в "покорении" человеком природы, в обеспечении растущих материальных потребностей человеческого общества и в создании его материально-технической базы. Каждый шаг на этом пути знаменуется осуществлением новых химических процессов, ранее человечеству недоступных, либо раскрытием химического смысла и законов управления известными химическими реакциями.

Однако для естествоиспытателя не меньший интерес представляет химия природных соединений — химия естественных превращений, происходящих на Земле.

Поскольку источником сырья для химической переработки является земная кора, а поиски полезных ископаемых начались ещё первобытными людьми, веками накапливались сведения о том, как и где распределены химические соединения в природе. Знания эти накапливались эмпирическим (опытным) путём, ценой титанического труда рудознатцев-самоучек, горных дел мастеров, землепроходцев, искателей природных кладов. Именно на этих сведениях основывались первые труды химиков, заинтересовавшихся химией Земли.

Химию Земли в связи с минералогией и геологией изучали английский физик и химик Роберт Бойль (XVII в.), первый русский академик-профессор химии Михаил Васильевич Ломоносов, французский химик Aнтуан Лоран Лавуазье (XVIII в.), руссский минералог и химик Василий Михайлович Севергин (начало XIX в.).

Книга М. Ломоносова «О слоях земных» (1763) во многом способствовала развитию отечественной науки о химии Земли: «Вот каковы земные недра: вот слои, вот прожилки других материй, кои произвела в глубине натура. Пускай примечают их разное положение, цвет, тяжесть, пускай употребляют в размышлении совет от математики, от химии и обще от физики».

 

 

Однако только через полтораста лет после М.В. Ломоносова смогла родиться новая отрасль химической науки – геохимия.

Основоположником геохимии является выдающийся российский учёный, естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель В.И. Вернадский[1]. Однако сам термин «геохимия» предложен немецко-швейцарским хими­ком Ф. Шёнбейном в 1838 г. для обозначения науки о химических процессах в земной коре. Но эти процессы изучают также минералогия, петрография и другие науки, в связи с чем ещё одна наука, объединя­ющая реально существующие отрасли знания, оказалась излишней. Предложенный Шёнбейном термин был использован Вернад­ским для обозначения создаваемой им науки – истории [2] атомов Земли.

В.И. Вернадский в «Очерках геохимии» писал: «Геохимия... изучает химические элементы, то есть атомы земной коры и... всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетические на нашей планете соотношения…»

Вызвали к жизни геохимию потребности науки и техники. Если в XIII веке человек использовал только 19 химических элементов, в XVIII веке — 28 элементов, в XIX веке — уже 51, то в настоящее время добывает, получает (технеций ₄₃Tc) и используется в промышленности более 80!

Человечество теперь интересует не только вопрос о том, где можно найти тот или иной химический элемент (его соединение), но и вопрос о том, какова геохимическая и космическая роль различных элементов, какова их историческая судьба. Предметом особой заботы геохимиков является изучение проблемы направленного воздействия человеческого общества на природу и её процессы. Становит­ся необходимостью максимально точное предвидение результатов воздействия человека на природу.

Можно вспомнить строки одного из толкований библии[3]: «О раз-решённом размышляй. О том, что скрыто для тебя, не спрашивай: загадочного не ищи, сокровенного не исследуй... Лучше было бы не родиться тому совсем, кто вникает в следующие четыре вопроса: что выше небес, что ниже земли, что было прежде, что будет после».

Это – типичный пример церковной проповеди, опуты­вающей цепями человеческий разум, превращающей чело­века в бесправного «раба божьего», которому не дано поз­нать и активно преобразовывать природу.

Геохимия – наука совсем молодая. Успехи её ещё только начинают служить людям. Но пример этой науки, являющейся частью общего н