Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука
 Скачать 6.86 Mb.
|
|
1 СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт нефти и газа Кафедра геологии нефти и газа Рабочие материалы дисциплины ОБЩАЯ ГЕОХИМИЯ Составил А.К. Битнер Красноярск, 2013 2 РАБОЧИЕ МАТЕРИАЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ Общая геохимия ВЕДЕНИЕ В ГЕОХИМИЮ. ГЕОХИМИЯ КАК НАУКА Как самостоятельная наука геохимия была создана В.И. Вернадским, ФУ. Кларком, А.Е. Ферсманом, В.М. Гольдшмидтом, А.П. Виноградовыми др. Выдающийся русский и советский ученый В. И. Вернадский по праву считается одним из основателей современной геохимии. В 1927 гон так расшифровал ее содержание Геохимия научно изучает химические элементы, те. 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 Близкие по существу определения дают А.Е.Ферсман, В.М.Гольдшмидт, А.А.Сауков, В.В.Щеребина, АИ Перельман и др. Эти определения отличаются лишь тем или иным акцентом, связанным со специализацией и интересами авторов По А. Е.Ферсману (1932), геохимия изучает историю химических элементов- атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических и физико-химических условиях природы. По В. М. Гольдшмидту (1954 г, геохимия изучает распределение и содержание химических элементов в минералах, рудах, породах, почвах, водах и атмосферную циркуляцию элементов в природе на основе свойств атомов и ионов. Определение содержания геохимии как науки об истории земных атомов не только предполагает обязательное решение такой важной задачи, как изучение распределения элементов в различных природных объектах, но и подключает геохимию к главной задаче всех наук о Земле - выяснению происхождения и истории развития нашей планеты и законов этого развития. Таким образом, современная геохимия изучает историю атомов химических элементов Земли. Современная геохимия – наука, изучающая историю химических элементов Земли, как и новая ее ветвь-космохимия, рассматривает миграцию химических элементов в пределах космоса. Таким образом, границы геохимии беспредельны. Одна из важнейших задач геохимии — определение распространенности химических элементов в земной коре. С этих исследований во многом и началась геохимия как наука. 1.1. Задачи геохимии Важнейшими задачами геохимии по А.А. Саукову являются 1. Выявление закономерностей распределения отдельных химических элементов в различных оболочках Земли, выяснение качественного и количественного 3 состава геосфер и причин, определяющих различную распространенность элементов. 2. Выяснение закономерностей миграции химических элементов в земной коре и причин неравномерного распределения их в различных участках земной коры. 3. Определение закономерностей в распределении элементов между отдельными геологическими системами в связи сих возрастом, тектоникой, составом и др. 4. Изучение поведения того или иного атома при различных термодинамических условиях и на различных стадиях ее космической и геологической истории. В современном понимании геохимия является наукой о распространенности, процессах миграции - концентрации и рассеивания химических элементов и их стабильных изотопов в разных геологических объектах - оболочки Земли, породы, осадки, почва, поверхностные и подземные воды рис. 1.1). Рис. 1.1. Геосферы Земли Ноне менее важно и одно из ее теоретических значений - создание важнейших обобщений относительно эволюции вещества Земли в связи с эволюцией атомов в космосфере 1 . Ведь химический состав нашей планеты - это своеобразное отражение давно протекавших космических процессов, в том числе образования химических элементов в звездах. Геохимическая история атомов на Земле тесно связана сих историей космической, которую изучает наука космохимия. Новые геофизические данные, а также данные по физике высоких давлений свидетельствуют о различном химическом составе основных оболочек Земли - коре, мантии и ядре (рис. 1.1). 1 Космосфера – космическое пространство вокруг Земли, основа для формирования системы «Биосфера- Человек-Вселенная» 4 В настоящее время геохимия заняла ведущее место среди наук о Земле. Она изучает глобальные перемещения вещества и энергии во времени и пространстве. Сбылось предсказание В.И. Вернадского, о центральной роли геохимии среди наук о веществе. Объектами геохимии теперь являются литосфера, гидросфера, биосфера, атмосфера и космосфера. Все наружные оболочки земли (рис) и космосфера. Рис. 1.2. Объекты изучения геохимии 1.2. Место геохимии среди естественных наук Для получения достоверных данных о геосферах Земли и космосфере геохимия самым прямым образом связана практически со всеми естественными науками и физикой, как областью естествознания, изучающей наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира Геохимия теснейшим образом связана более чем с ю научными дисциплинами (рис. 1.3). Это астрофизика, экспериментальная физика, физика твердого тела, термодинамика, математика и математическая статистика, геофизика, биология, почвоведение, астрономия, космохимия, минералогия, кристаллохимия, петрография, литология и др. Так как в земной коре элементы или атомы образуют главным образом соединения, в подавляющей массе находящиеся в кристаллическом состоянии, то геохимия опирается, прежде всего, настроение и свойства атома, настроение и свойства кристаллического вещества, изучаемые кристаллохимией а также на сведения о термодинамических условиях, характеризующих отдельные оболочки или часть земной коры и общие закономерности, формируемые термодинамикой. Геохимия широко использует сведения, полученные другими геологическими науками и, прежде всего, собственно геологией, минералогией, учением о полезных ископаемых и др. Современная геохимия представляет собой комплекс дисциплин, в том числе геохимию изотопов, биогеохимию, региональную геохимию, геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых. Геохимия стала основой более широкой науки космохимии. 5 Рис. 3. Связь геохимии с другими науками Геохимия, используя достижения минералогии, петрографии, учения о полезных ископаемых и др. геологических наук, в свою очередь оказывает глубокое влияние на их развитие. Например, целые разделы этих наук в настоящее время, по сути развиваются геохимией. Так, учение об изоморфизме составлявшее одну из проблем минералогии, вопрос о порядке кристаллизации минералов при образовании горных пород, являвшийся важнейшим в теоретической петрографии, вошли в проблемные вопросы геохимии и целиком развиваются под влиянием ее идей. Практическая задача геологических наук — обнаружение месторождений полезных ископаемых — решается и при участии геохимии, которая создала комплекс методов их поисков. 1.3. Геохимия предмет исследований на стыке наук Геохимия как наука зародилась вначале позапрошлого века на стыке классических наук – химии, физики, геологии, биологии. Сейчас наука непосредственно становиться производительной силой. И часто уже практики сами ставят перед учеными конкретные задачи. Тем не менее, наука пока делиться на фундаментальную (академическую) и прикладную. Мы будем с Вами изучать, главным образом, фундаментальную геохимию. Геохимия является корневой фундаментальной наукой, имеющей свой конкретный предмет изучения - химические элементы, но имеются и различные ее ветви, имеющие определенную специализацию и более прикладной характер экологическая, поисковая, геохимия ландшафтов, геохимия рудных месторождений, геохимия нефти и газа, космогеохимия и др. Астрономия Учение о полез- ных ископаемых Минералогия Химия Кристаллохимия Астрофизика Эксперимен- тальная физика Физика твердого тела Кристаллогра- фия Физика Математика Термодинамика Математическая статистика Космохимия Геология Геофизика География Почвоведение Литология Петрография Физическая химия ГЕОХИМИЯ Биология 6 Наша с вами задача познакомиться с основами геохимии как фундаментальной науки, а далее изучать ее прикладные ветви. Ив первую очередь с поисками месторождений полезных ископаемых, включая нефть и газ, в соответствии с Вашей будущей специализацией. 1.4. Отраслевая структура геохимии Благодаря широкому спектру объектов исследований современная геохимия приобрела огромную отраслевую структуру. От общей классической геохимии отпочковалось более 10 обширных разделов геохимия ландшафтов, геохимия литосферы, биогеохимия, гидрогеохимия, аналитическая геохимия, физическая геохимия, изотопная геохимия, региональная геохимия, геохимия литогенеза, органическая геохимия, геохимия процессов, радиогеохимия и др. (рис. 1.4). Рис. 1. 4. Отраслевая структура геохимии Геохимия ландшафта это уже целое научное направление, возникшее на границе географии и геохимии. Она изучает миграцию химических элементов в ландшафте, используя с этой целью идеи и методы геохимии, особенно биогеохимии. Основателем геохимии ландшафта был советский учёный Б. Б. Полы- нов, который в 1946 сформулировал задачи, основные понятия и разработал методику исследований (БСЭ, В тесном взаимодействии с веществом земной коры находятся подвижные оболочки Земли - атмосфера и гидросфера, которые являются объектами изучения специальных разделов геохимии - атмогеохимии и гидрохимии. Исследованием геохимической деятельности живых организмов занимается биогеохимия историю, условия накопления и геохимическую роль неживого органического вещества изучает органическая геохимия геохимическое влияние техногенных процессов, связанных с деятельностью предприятий и техники, - предмет геохимия техногенеза. Геохимия литосферы Геохимия ландшафтов геохимия Геохимия литогенеза Органическая геохимия Геохимия процессов Аналитическая геохимия Физическая геохимия Изотопная геохимия 7 Основные проблемы геохимии радиоактивных элементов и изотопов (радиогеология изучение поведения радиоактивных элементов в геологических процессах, поиск месторождений радиоактивных руд, исследование энергетических процессов в земной коре, связанных с радиоактивностью определение абсолютного возраста горных породи минералов по накоплению продуктов распада радиоактивных изотопов, идущего с постоянной скоростью. Геохимия изотопов исследует закономерности разделения изотопов элементов в геологических процессах и разрабатывает критерии использования этих данных для решения теоретических и прикладных задач геологии. В качестве самостоятельных направлений оформилась физическая геохимия - наука о физико-химических процессах формирования минералов, горных породи руд, земной коры и мантии, атмосферы, гидросферы и термобарогеохи- мия - комплекс методов изучения физико-химических условий процессов ми- нералообразования по особенностям состава газово-жидких и твёрдых включений в минералах. 1.5. Основные направления современной геохимии Современная геохимия развивает следующие основные направления исследований геохимическое моделирование природных и техногенных процессов экспериментальное и теоретическое моделирование геохимических процессов, протекающих в глубинных зонах Земли, геохимия магматизма и метаморфизма геохимия осадочной оболочки, гидрохимия геолого-геохимические и эколого-геохимические исследования дна Мирового океана геохимия месторождений полезных ископаемых (рудных элементов, благородных металлов, нефти и газа, алмазов) и разработка методов их поиска изотопная геохимия гидрогеохимия пластовых вод для решения задач нефтяной геологии разработка поисковых критериев по результатам газогеохимических съемок оценка перспектив нефтегазоносности локальных объектов на основе комплексирования методов глубинной геохимии, гидродинамики и сейсморазведки (сейсмогеохимическое моделирование 1.6. Роль геохимии в профессиональном образовании инженера – геолога В задачу инженера-геолога входит геологическая съемка, поиски разведка месторождений металлических и неметаллических полезных ископаемых и стройматериалов, редких и радиоактивных металлов, угля, нефти и газа, минеральных води др. Выполнение таких работ без знания науки, изучающей химический состав Земли и её геосфер, распространенность в них химических элементов и их изотопов, закономерности распределения химических элементов в различных геосферах, законы поведения, сочетания и миграции (концентрации и рассеяния) элементов в природных средах невозможно в принципе. Поэтому профессия инженер-геолог и инженер-геохимик являются родственными. Они как близнецы братья. В прикладной геохимии, используемой при разведке месторождений полезных ископаемых и составлении геологических карт, можно выделить 4 направления работ собственно геохимия, минералогия, петрография, кристаллография и соответствующие им геологические профессии геохимик–разведчик, геохимик–минералог, геохимик-петрограф, геохимик-кристаллограф, геохи- мик-нефтяник. 1.7. Распространенность химических элементов Чтобы установить распространенность химических элементов во Вселенной, нужно определить состав ее вещества. А оно сосредоточено в звездах, планетах и их спутниках, астероидах, кометах. Космическое пространство заполнено межзвездным газом и пылью. Изучением элементов в космосе занимается космохимия, а распространенностью на Земле – геохимия. К сожалению, нам доступно для изучения лишь земное вещество (и то, которое под ногами) да очень небольшое количество лунного грунта и метеориты – обломки существовавших космических тел. Определить химический состав объектов, удаленных от нас на тысячи световых лет стало возможным после разработки в 1859 году немецкими учеными Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном метода спектрального анализа. А в 1895 году Вильгельм Рентген случайно обнаружил неизвестное излучение, которое ученый назвал Х-лучами (рентгеновские. Сейчас это открытие позволяет по спектру определить порядковый номер элемента. Все тела во Вселенной состоят из атомов одних и тех же химических элементов, но содержание их в разных объектах различно. Лидеры по распространенности водород (его атомов в космосе – 88,6%) и гелий (11,3%). На долю остальных элементов приходится только 1%. В звездах и планетах распространены углерод, азот, кислород, неон, магний, кремний, сера, аргон и железо. Таким образом, легкие элементы преобладают. Но есть и исключения литий, бериллий, бор, фтор и скандий. Исследование химического состава Солнца производится методами спектрального анализа. Атмосфера Солнца находится в постоянном движении. Температуры фотосферы, хромосферы, солнечной короны сильно различаются. Тем не менее, химический состав Солнца установлен достаточно полно. На Солнце обнаружено 72 элемента. Содержание 60 элементов определено достаточно надежно, но для элементов с атомной массой выше 57 данные менее точны. Больше всего на Солнце водорода – почти 75% массы. Гелия – около 24%, лишь 1-2% приходится на все остальные элементы. Хотя 1% от солнечной массы – это не так ужимало. Довольно много на Солнце кислорода, углерода, азота, натрия, железа, никеля, мало лития. Бори фтор были обнаружены в соединении с водородом. Радия, урана, висмута мало, а радиоактивных элементов, получаемых искусственно в условиях Земли , а также галогенов, кроме фтора, не обнаружено. 9 Меркурий, Венера, Земля, Марс, Луна – твердые тела. Они образованы силикатными, алюмосиликатными, карбонатными и другими минералами, составляющими их поверхностные слои. Внутри этих планет находится ядро, образованное более тяжелыми породами, содержащими элементы с большой атомной массой. Меркурий содержит ферромагнитное ядро и обладает сильным магнитным полем. Общее количество металлического железа, по некоторым данным в Меркурии составляет около 58%, Венера и Марс, как и Земля, имеют железные ядра, окруженные силикатной оболочкой. На Венере много карбонатов, термическое разложение которых накопило диоксид углерода. Атмосфера Венеры состоит на 97% из диоксида углерода, около 2% азота, 1% водяного пара и не более 0,1% кислорода (поданным космических станций Венера - Венера. Температура на поверхности планеты 500 С, давление около 100 атм. Марс имеет атмосферу более разреженную, чем Земная. Атмосферное давление на Марсе составляет 0,08 земного. Основные составные части – азот, диоксид углерода. Кислорода и водяных паров враз меньше, чем в земной атмосфере. Возможно, что химический состав поверхности очень похож наземной. Гигантские планеты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун образованы менее плотными веществами. Основу их составляют водород, гелий, метан, аммиак и другие газы. Существование твердого ядра у этих планет нельзя считать доказанным. Исследование показали также наличие водорода (около 60%), гелия (36%), неона (около 3%). Кроме того, в атмосфере находятся сложные молекулы циановодород, диоксид азота в форме N 2 O 4 , вода, сероводород. Земля - третья планета Солнечной системы (после Меркурия и Венеры. Подобно другим планетам она движется вокруг Солнца по эллиптической орбите. Расстояние от Земли до Солнца в разных точках орбиты неодинаковое. Среднее же расстояние около 149,6 млн. км. В процессе движения нашей планеты вокруг Солнца плоскость земного экватора перемещается параллельно самой себе таким образом, что в одних участках орбиты земной шар наклонен к Солнцу своим северным полушарием, а в других - южным. Период обращения вокруг Солнца составляет 365,256 дней, при суточном вращении - 23 ч. 56 мин. Изучением распространенности химических элементов на Земле занимались многие ученые. Но только в 17 веке появились опытные данные о химических процессах в земной коре и их стали осмысливать с позиций, которые мы сейчас именуем геохимическими. В е годы 19 века проблемами определения среднего состава земной коры много занимался ФУ. Кларк. В 1889 году он определил среднее содержание химических элементов в твердой земной коре. Кларк трактовал геохимию как совокупность сведений о химическом составе земной коры. 1.8. Кларки химических элементов Кларки элементов числа, выражающие среднее содержание химических элементов в земной коре, гидросфере, Земле в целом, космических телах и др. геохимических или космохимических системах. Различают весовые ( %, в г/т 10 или в г/г) и атомные (вот числа атомов) кларки. Обобщение данных по химическому составу различных горных пород, слагающих земную кору, с учётом их распространения до глубин 16 км впервые было сделано американским уч- ным ФУ. Кларком (г. Полученные им цифры процентного содержания химических элементов в составе земной коры, впоследствии несколько уточненные А. Е. Ферсманом, по предложению последнего были названы числами Кларка или кларками. Значения кларков почти всех химических элементов можно найти в справочниках, например, Справочник по геохимии (Войтке- вич, 1969). Преобладают элементы малых порядковых номеров 15 наиболее распро- странённых элементов, кларки которых выше 100 гм, обладают порядковыми номерами до 26 (Fe). Элементы сч тными порядковыми номерами слагают 87% массы земной коры, ас нечётными - только 13%. Средний химический состав Земли в целом рассчитывался на основании данных о содержании элементов в метеоритах. Так как кларки элементов служат эталоном сравнения пониженных или повышенных концентраций химических элементов в месторождениях полезных ископаемых, горных породах или целых регионах, знание их важно при поисках и промышленной оценке месторождений полезных ископаемых они позволяют также судить о нарушении обычных отношений между сходными элементами (хлор - бром, ниобий - тантал) и тем самым указывают на различные физико-химические факторы, нарушившие эти равновесные отношения. Со дня опубликования первой таблицы Кларка прошло боле 100 лет. За это время была проделана гигантская работа, и общая картина распространенности элементов в земной коре выявилась достаточно отчетливо. Подтвердилось предположение Вернадского о рассеянном состоянии всех химических элементов. Для йода, гафния, скандия, рубидия, индия, цезия, радия рассеянное состояние является основным, так как они не образуют собственных минералов. Только для кислорода, кремния, алюминия, железа, натрия, калия, магния главная форма нахождения – минералы. Положение о всеобщем рассеянии химических элементов именуется законом Кларка-Вернадского (Вернадский, 1934; Перельман, 1979). Современные методы анализа и приборы позволили уточнить содержание элементов в земной коре. Половина земной коры состоит из кислорода. Таким образом, земная кора – это кислородная сфера. На втором месте кремний, далее алюминий. Если к ним добавить железо, кальций, калий, натрий, магний, титан, то получится 99,48%, т.е.практически вся земная кора. На остальные 80 элементов приходится менее 1%. Элементы, содержание которых не превышает 0,01-0,0001%, называют редкими. Если редкие элементы не образуют собственных минералов, их называют редкими рассеянными (Br, In, Ra, U, Se и др.) Рассеянные элементы группа химических элементов (Rb, Cd, Cs, Sc, Ga, In, Tl, Ge, Hf, V, Se, Te, Re), встречающихся в природе главным образом в виде примеси в различных минералах и извлекаемых попутно из руд др. металлов или полезных ископаемых. 11 В 1923 году В.М. Гольдшмидт сформулировал основной закон геохимии общая распространенность элемента зависит от свойств его атомного ядра, а характер распространения – от свойств наружной электронной оболочки его атома. А.Е. Ферсман получил график зависимости атомных кларков от заряда ядра для четных и нечетных элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Он выяснил, что с усложнением атомного ядра, увеличением его массы кларки элементов уменьшаются, но эти кривые оказались немонотонными. Легкие атомы (занимающие места вначале периодической системы) более распространены. Их ядра содержат небольшое число нуклонов (протонов и нейтронов. Действительно, после железа ( |