История развития геохимии

в 1859 г. Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом спектрального анализа и откpытие

в 1869 г. периодического закона химических элементов Д.И. Менделеевым.

     Открытие спектрального анализа неограниченно расширило возможности

получения информации о химическом составе далеких звездных миров

и подтвердило тождественность химических элементов Земли и космоса.

Благодаря спектральному анализу стало возможным выявление химического

состава горных пород и минералов, определение содержания в них редких

и рассеянных элементов.

     В I860 г. Р. Бунзен и Г. Кирхгоф, исследуя спектр минерала лепидолита,

обнаружили в нем неизвестные красные и голубые линии. Оказалось, что они

относятся к новым элементам – рубидию и цезию. В том же году Р. Бунзен

выделил эти элементы из лепидолита и минеральных вод. В 1868 г. с помощью спектрального анализа Ж. Жансен и Н. Локьер выявили присутствие на Солнце неизвестного элемента, названного ими гелием. И только 27 лет спустя В. Рамзай обнаружил гелий в составе норвежского клевеита (разновидность уранинита, обогащенная Th).

2. Геохимия наука XX века

Геохимия - наука 20го века., ее называют еще «Химией Земли». опре­деление которой по В.И.Вернадскому звучит так: «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»

     В.М. Гольдшмидт – один из представителей норвежской школы

минералогов, связанной с именами И.Г. Фогта (1858–1932) и В. Брегера

(1851–1940), использовал ионные радиусы для объяснения формы кристаллов и форм нахождения элементов в минералах. На основании данных о строении атомов и их нахождении в природных телах он в 1924 г. предложил стройную геохимическую классификацию элементов, получившую широкую известность.

     В.М. Гольдшмидт сформулировал цели и задачи геохимии как науки

о распределении химических элементов в пределах Земли. Он изучал

распространение элементов в разных природные телах, включая метеориты, дал одну из первых сводок космического распространения элементов и их

изотопов, разработал теорию дифференциации элементов в процессе

магматической кристаллизации. Наиболее крупная сводная работа по геохимии В.М. Гольдшмидта вышла в уже 1954 г., после его смерти.

     Исключительно глубокое содержание приобретает геохимия в работах

В.И. Вернадского, которые относятся к началу ХХ века. Интенсивные темпы

роста индустриализации страны резко повысили спрос на все виды

минерального сырья, включая редкие и рассеянные элементы. Это объективно создавало благоприятные условия для развития геохимии в СССР, в том числе прикладной, направленной на поиск новых месторождений.

     Работы В.И. Вернадского охватывают едва ли не все разделы геохимии,

начиная от состава силикатов и заканчивая составом живых организмов

и природных вод. На основе атомно-молекулярной теории В.И. Вернадский по- новому освещает геохимию алюминия, кремния, марганца и углерода, а также геохимию радиоактивных элементов. Благодаря работам ученого выясняется исключительно важная роль живого вещества – мощного концентратора космической энергии Солнца – в миграции химических элементов и в термодинамике нашей планеты в целом. В.И. Вернадский одним из первых всесторонне оценил значение радиоактивности для всех наук о Земле, показал тее тесную связь с геотермикой, геотектоникой, вековым изменением химического и изотопного состава нашей планеты. С деятельностью В.И. Вернадского связано начало дифференциации геохимической науки, начало новых направлений в науке о Земле – создание радиогеологии, или ядерной геологии, и биогеохимии.

     Идеи В.И. Вернадского имели огромное значение для развития геохимии

в России. Вокруг него сформировалась новая геохимическая школа

с многочисленными учениками и последователями, из которых наиболее

известными вскоре стали А.Е . Ферсман, А.П. Виноградов и многие другие.

     А.Е. Ферсман (1883–1945) – один из основателей современной геохимии,

в 1912 г прочел первый курс геохимии. С тех пор его внимание к вопросам

геохимии не ослабевало. После серии классических работ по геохимии России, полезным ископаемым и пегматитам в 1933–1939 гг. выходит его

фундаментальный четырехтомный труд «Геохимия», в котором он дал ряд

блестящих обобщений, всесторонне осветил проблему распространенности

элементов, связав ее с последними достижениями астрофизики и атомной

физики.

     Многочисленные работы А.Е. Ферсмана посвящены изучению миграции

химических элементов в земной коре в зависимости от строения их атомов

и общих физико-химических свойств. Он выделил факторы миграции

химических элементов и дал классификацию геохимических процессов.

Разрабатывая геоэнергетическую теорию, Ферсман выявил последовательность выделения минералов из растворов и расплавов по мере понижения температуры в зависимости от величины энергии кристаллической решетки. С энергетических позиций он рассмотрел процессы миграции элементов в магматических, пегматитовых, гидротермальных и гипергенных процессах.

     А.Е.Ферсман – основатель геохимических методов поисков полезных

ископаемых, блестящий популяризатор новых идей в геохимии и организатор коллективных геохимических исследований. Он оставил после себя обширный круг учеников и последователей, из которых следует отметить: В.В. Щербину, углубившего наше понимание миграции элементов в зависимости от окислительно-восстановительных условий среды; А.А. Саукова (1902–1964), изучавшего геохимию ртути, разработавшего теоретические основы геохимических методов поисков полезных ископаемых и наметившего направление    исторической     геохимии;   К.А.    Власова    (1905–1964), продолжившего      изучение    геохимии    и    минералогии     пегматитов, организовавшего Институт геохимии, минералогии и кристаллохимии редких элементов;

     Следует отметить, что в развитии геохимии приняли непосредственное

участие те геологи, петрографы и почвоведы, которые при изучении

формирования горных пород и почв неизбежно сталкивались с геохимическими вопросами.

2.      Возникновение Российской школы геохимиков.

Развитие геохимии за рубежом.

   На рубеже XIX и XX столетий возникает геохимическое направление

науки в России. Его развитие связано с именем выдающегося натуралиста,

академика В.И. Вернадского (1863–1945), в то время профессора Московского университета. Как отмечал В.И. Вернадский, «представление о геохимии как науке об истории земных атомов возникло на фоне новой атомистики, новой химии и физики в тесной связи с тем представлением о минералогии, которое проводилось в Московском университете в 1890-1911 гг.». Исторический подход к изучению химических процессов земной коры на основании успехов атомистики явился оригинальной чертой развития геохимии в России.

     Новая атомистика оказывает все возрастающее влияние на понимание

истории химических элементов в природе. В первой трети XX в. наступает

необычайно резкое расширение границ познания вещества. Атом для науки

становится реальной осязаемой частицей определенных размеров, с известными физическими свойствами и особой структурой. Быстрый прогресс атомистики ознаменовался следующими открытиями: 1896 г. – открытие радиоактивности, 1897 г. – открытие электрона Дж.Дж. Томсоном, 1898 г. – открытие сильно радиоактивных элементов – радия и полония Пьером Кюри и Марией Кюри- Склодовской, 1911 г. – открытие атомного ядра Э. Резерфордом, создание первой модели атома.

     В 1912 г. М. Лауэ совместно с В. Фридрихом и П. Книппингом

открывают дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах и экспериментально доказывают атомное строение кристаллического вещества. Последовавшие затем работы русского физика Ю.В. Вульфа и английских У.Г. и У.Л. Брэггов (1913) расшифровывают внутреннюю структуру простых кристаллов, а затем все более сложных. В 1913 г. установлен закон Мозли, в соответствии с которым химический порядковый номер элемента в таблице Д.И. Менделеева равен заряду атомного ядра. В том же году Н. Бор на основе квантовой теории разработал орбитальную модель атома. В 1925–1927 гг. Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг закладывают основы квантовой механики. В 1932 г. устанавливается нейтронно-протонная модель атомного ядра.

     В создании современной геохимии на основе атомной теории ведущая роль принадлежит В.М. Гольдшмидту (1888-1947), В.И. Вернадскому и

А.Е. Ферсману (1883-1945), которые наряду с Ф. Кларком по праву считаются классиками геохимии.

4.      Вклад отечественных ученых в геохимию ландшафта

П.Н. Чирвинскому принадлежит одна из первых попыток оценить

средний химический состав Земли. Кроме того, он проводил петрографические и химические исследования метеоритов, которые и сейчас представляются значимыми для выяснения условий их образования.

     Д.С. Коржинскому принадлежат оригинальные работы по физико-

химическому анализу процессов минералообразования при метаморфических

и метасоматических процессах.

     Нельзя не отметить оригинальные исследования Т. Барта в Швеции,

посвященные изучению геохимического круговорота элементов в верхних

горизонтах планеты при формировании осадочных, метаморфических

и магматических пород и их взаимных переходах. Барт развил идеи

И.Д. Лукашевича (1863–1928) и Ч. Ван-Хайза (1857–1918) о большом

круговороте вещества земной коры в разных термодинамических условиях.

     В развитии геохимии осадкообразования непосредственное участие

принимали многие геологи и литологи. В этом отношении следует отметить

работы Л.В. Пустовалова, утвердившего понятие об осадочных

геохимических фациях, Н.М. Страхова по общей теории литогенеза, в которой вопросы распределения ряда элементов в осадочных породах рассмотрены весьма подробно, В. Крамбейна и Р. Гареллса по анализу физико-химических условий седиментации в водоемах и минеральных равновесий в зоне гипергенеза.

     Почвовед Б.Б. Полынов (1877–1952) разработал учение о коре

выветривания и положил начало новому направлению в науке – геохимии

природных ландшафтов, которое в дальнейшем стало успешно развиваться

благодаря трудам В.А. Ковды, А.И. Перельмана, М.А. Глазовской.

     В развитии геохимии в СССР большую роль сыграли исследования

В.Г. Хлопина, Э.К. Герлинга, В. В. Чердынцева по геохимии радиоактивных

и радиогенных изотопов, а также обобщающие труды В.И. Лебедева по

энергетическому анализу геохимических процессов и А.А. Беуса по геохимии магматических процессов и распределению элементов в литосфере.

     И, наконец, следует назвать А.А. Саукова, В.В. Щербину,

А.И. Тугаринова, Г.В. Войткевича и В.В. Закруткина, В.Ф. Барабанова,

А.И. Перельмана, авторов учебников по курсу «Геохимия»..

Российские геологов-геохимиков, исследователей докембрия, посвятивших многие годы изучению проблем геохимической реконструкции метаморфических пород – О.М. Розена, А.Н. Неелова, В.И. Фельдмана.

5.      Современный этап истории геохимии среды

Современная 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 вещества, с другой - огромный материал, накопленный геологическими науками, в частности минералогией, петрографией, наукой о рудных месторождениях и другими. Являясь наиболее актуальной фундаментально-прикладной наукой, геохимия является наукой о процессах миграции - концентрации и рассеивания химических элементов в разных геологических объектах - оболочки Земли, породы, осадки, почва, поверхностные и подземные воды. В различной степени практически все труды исследователей в области геологии и минералогии XX и тем более XXI века связаны с геохимией. В России действуют целые институты и научные лаборатории, занимающиеся проблемами геохимии и ее направлений. Среди важнейших отметим Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Геологический факультет СПбГУ, Институт геохимии им. А.П.Виноградова Сибирского отделения РАН, Инстит геологии и минералогии Сибирского отделения РАН и др.; много геохимических центров находится в специализированных институтах и университетах США, Германии, Японии, Франции и др. странах.                                                                                                       К важнейшим задачам современной геохимии относятся:

        определение и уточнение относительной и абсолютной распространённости элементов и изотопов в Земле и на её поверхности в связи с появлением новых объектов и совершенствовании аналитических методов;

        изучение с привлечением методов физико-химического и математического моделирования миграции элементов в различных частях Земли (коре, мантии, гидросфере и т.д.) для выяснения причин и механизмов неравномерного распределения элементов;

        анализ распределения элементов и изотопов в космосе и на планетах Солнечной системы (космохимия);

        изучение и конкретизация вклада живых организмов в перераспределение и концентрирование химических элементов в геологических процессах (решение проблем биогеохимии и создание количественной модели биосферы).

Фактическим основанием геохимии служат количественные данные о содержании и распределении химических элементов и их изотопов в различных объектах (минералах, рудах, горных породах, водах и газах, живых организмах, структурных зонах земной коры, земной коре, мантии и Земле в целом, в разнообразных космических объектах и т.п.), а также данные о формах нахождения и состояния элементов в природном веществе (собственно минералы, примеси в минералах, различные формы рассеянного состояния; сведения о степени ионизации, характере химических связей элементов в фазах и т.п.). Получение этих данных опирается на геологическую характеристику объектов, современные физические и физико-химические методы определения содержания и состояния элементов в минеральном, жидком, газообразном и живом веществе (химические, спектральные, рентгено-  спектральные, масс-спектральные, радиографии, активационные методы анализа, локальные, резонансные, спектроскопические методы определения состояния элементов в минералах, горных пород, жидкостях и т.п.), математические методы обработки данных. Теоретическая база современной геохимии - физические и химические законы поведения вещества в различных термодинамических условиях (законы механики, термодинамики, физической химии, химии водных растворов и газов, кристаллохимии, физики твёрдого тела и т.п.). Для современной геохимии характерен комплексный, системный и эволюционный подход к стоящим перед нею проблемам. Общими методологическими принципами разработки теории геохимии являются создание математических и физических моделей природных процессов, экспериментальное воспроизведение разделения химических элементов в различных условиях и определение фазовых равновесий и термодинамических свойств минералов и соединений элементов в расплавах и растворах, необходимых для расчёта равновесий в природных системах. Геохимия выработала собственные методы исследования: метод глобальных и локальных геохимических констант (кларков) элементов; изучение механизма формирования и химической эволюции земной коры на основе представлений о едином круговороте вещества (геохимическом цикле) при учёте принципиальной роли живого вещества биосферы; геохимическое картирование и районирование, датирование абсолютной геохронологии; методы физико-химического анализа парагенезисов минералов.