Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Введение в геохимию: Учебное пособие по дисциплинам "Общая геохимия" и "Прикладная геохимия"

Голосов: 1

В пособии приведены общие сведения о предмете "Геохимия", его связи с другими дисциплинами. Освещена история развития геохимии как самостоятельного направления геологической науки. Рассмотрены вопросы геохимической классификации элементов, состава Земли и планет Солнечной системы. Приведена информация о методиках определения абсолютного возраста пород, геохимии изотопов. Дано краткое описание геохимии эндогенных и экзогенных процессов, приведены сведения о геохимии ноосферы, затронуты проблемы техногенеза и вопросы практического применения геохимии. Предназначено для подготовки бакалавров и магистров геологии. Может быть рекомендовано для самостоятельной работы студентам других специальностей, а также тем, кто интересуется вопросами геохимии. Электронная версия пособия размещена на сайте Апатитского филиала МГТУ (<a href="http://af.mstu.edu.ru" target="_blank">http://af.mstu.edu.ru</a>).

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    образуют собственных месторождений, содержание их в рудах не намного
выше кларка, собственные минералы отсутствуют или их число очень мало,
а сами минералы крайне редки.

                                                                            Таблица 6
                     Кларки концентраций элементов в бедных
                       и богатых рудах (по А.И. Перельману)


      Кларки         Бедные руды         Богатые руды        Импульс миграции
                                                                 u = ln KK
       1–10               Fe                 Mg, К                 0–2,3
      10–100           Mn, Co, V        Fe, Zr, Ti, Na, Ca        2,3–4,6
      100–500         Cu, Ni, Та, U           Mn, V               4,6–6,2
     500–1 000             Рb            Си, Ni, TR, Ge,          6,2–6,9
                                            Sr, Tl, Ba
    1000–10 000     Sn, Mo, W, Au, Pt   Cr, Pb, Co, U, Та,        6,9–9,2
                                              S, Cl
   10 000–100 000        Sb, Hg         Sn, W, Mo, Au, Pt        9,2–11,5
   Больше 100 000                             Sb, Hg              > 11,5


     Импульсы миграции (и) для рудообразования, равные ln КК, изменяются
сравнительно в небольших пределах. Так, для ртути и равен 13,7; меди – 5,98;
скандия – 2,3; железа – 1,9; магния – 1. Таким образом, хотя кларки
концентрации элементов в рудах колеблются в сотни тысяч раз, импульсы
миграции меняются сравнительно слабо – в пределах одного порядка. Это
связано с тем, что кларки концентрации входят в их формулу под знаком
логарифма.
     Интенсивность рудообразования Рх выражается формулой
                                    Рх = u / t.
Основные различия в интенсивности рудообразования определяются временем
процесса, так как КК входит в формулу Рх под знаком логарифма.
     Минимальные содержания элементов в руде также обнаруживают связь
с их кларками и химическими свойствами. Так, для черных металлов, по
В.И. Смирнову, минимальное содержание в руде равно 20–25 %, для цветных –
0,5–1,0 %, для редких – 0,1–0,2 %, для благородных – 0,0005 %.
     С величиной КК элемента в рудах связано и разнообразие генетических
типов месторождений. В природе существует много процессов, приводящих
к увеличению концентрации элемента в несколько раз и мало – в десятки
и сотни тысяч раз. Так, КК железа в рудах близок к 7. Процессы, которые

                                        121


приводят к семикратному накоплению железа, осуществляются и при высоких
температурах земных глубин, и на земной поверхности. Поэтому известно
много генетических типов месторождений железа: железистые кварциты
Курской магнитной аномалии и Кривого Рога, магматические титато-
магнетитовые, скарновые контактово-метасоматические, гидротермальные
месторождения, железные шляпы сульфидных руд, сидеритовые осадочные
руды, остаточные латеритные руды коры выветривания ультраосновных пород
и т. д.
      Иные соотношения характерны для ртути, КК которой в богатых рудах
равен 880 000. В отличие от железа для ртути неизвестны магматические
и гипергенные месторождения, руды этого металла образуются только
в гидротермальных низкотемпературных условиях. Если бы промышленность
использовала руды с КК = 7 (как у железа), т. е. содержащие 6 10-5 % ртути, то
число генетических типов ртутных месторождений резко бы возросло. По этой
же причине ограничено число генетических типов рудных месторождений
олова, свинца, цинка и других металлов, хотя число природных тел, в которых
КК этих элементов близки к 10 (как у железа), весьма значительно.
      Для образования месторождений требуется лишь небольшая часть
химических элементов, заключенных в горных породах. Естественно, что
образование руд вероятнее за счет извлечения элементов из обогащенных ими
пород и магм. Повышенное содержание рудных элементов в горных породах
в ряде случаев служит региональным геохимическим поисковым критерием.
Следует при этом иметь в виду давно установленное эмпирическое обобщение:
непромышленных рудопроявлений во много раз больше, чем месторождений,
а среди последних средние и мелкие преобладают над крупными.
      Главная задача поисков – обнаружение уникальных и крупных
месторождений. В результате поисков обнаруживается огромное количество
рудопроявлений и аномалий. Число рудопроявлений данного генетического
типа, как правило, на порядок и более превышает число промышленных
месторождений. Так, в Приуралье, Донбассе и Казахстане известны тысячи
рудопроявлений типа медистых песчаников, но число промышленных объектов
измеряется единицами.

         ГЛАВА 13. НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОГЕНЕЗА

    Геохимическую деятельность человечества А.Е. Ферсман в 1922 г.
предложил именовать техногенезом. Ученый анализировал эти процессы
с общих методологических позиций геохимии, выяснял, как зависит



                                     122


использование химических элементов человеком от их положения
в периодической системе, размеров атомов и ионов, кларков.
     Та часть нашей планеты, которая охвачена техногенезом, представляет
собой особую сложную систему – ноосферу. Термин введен в науку в 1927 г.
французским ученым и философом Е. Леруа, который развивал учение
о ноосфере совместно с геологом и палеонтологом Тейяр де Шарденом.
Теоретической основой данной концепции послужили лекции В.И. Вернадского
о биосфере в Сорбонне в 1922–1923 гг. Он создал учение о ноосфере, как
оболочке Земли, результате развития биосферы.
     Существует     принципиальное     различие     между    геохимической
деятельностью человека и других организмов. Последние влияют на
окружающую природу через обмен веществ – фотосинтез, дыхание
и т. д. Человек также участвует в подобных процессах, но эта его
геохимическая роль невелика. Биомасса населения земного шара не идет ни
в какое сравнение с биомассой ландшафтов. По ориентировочным подсчетам
масса человечества составляет n 108 т, т. е. эквивалентна биомассе тайги на
площади 6 000 км2 . И все же человечество является мощной геохимической
силой, преобразующей природу.
     Эта роль человека связана с его общественной производственной
деятельностью.
     В ноосфере происходит грандиозное перемещение атомов, их рассеяние
и концентрация. С продукцией сельского хозяйства и промышленности атомы
мигрируют по разным областям и странам. В течение немногих лет
рассеиваются месторождения полезных ископаемых, накопленные природой за
миллионы лет.
     Ноосфере свойственны и механическая, и физико-химическая, и биогенная
миграция, но не они определяют ее своеобразие. Главную роль в ноосфере
играет техногенная миграция.
     В первобытном обществе эффект техногенеза был незначительным.
В крупных государствах античного мира, коренным образом изменившим
природу долин Нила (Египет), Амударьи (Хорезм), Тигра и Евфрата
(Вавилония) и т. д., техногенез стал уже важным геохимическим фактором.
Поэтому этап геологической истории, начавшийся около 8 000 лет назад,
некоторые исследователи предложили называть технозойским или техногеем.
     Исследования по геохимии ноосферы и техногенеза являются
теоретической основой рационального использования природных ресурсов,
охраны природы и борьбы с загрязнением окружающей среды.
     Процессы техногенной миграции отчетливо разделяются на две большие
группы:

                                    123


            •    унаследованные от биосферы, хотя и претерпевшие
        изменение;
            •    чуждые биосфере, никогда в ней не существовавшие.
      К первой группе относятся биологический круговорот атомов, круговорот
 воды, рассеяние элементов при отработке месторождений полезных
 ископаемых, распыление вещества и многие другие процессы. При их
 изучении можно использовать понятия и методы, разработанные для анализа
 природных процессов.
      Техногенная миграция второго типа находится в резком противоречии
 с природными условиями. Так, характерное для ноосферы металлическое
 состояние Fe, Ni, Cr, V и многих других элементов не соответствует физико-
 химическим условиям земной коры. Человек здесь уменьшает энтропию, ему
 приходится тратить много энергии, чтобы получить и содержать данные
 элементы в свободном состоянии. Ни в одной системе космоса мы не
 встречаемся с такими реакциями, которые бы шли столь очевидно в разрез
 с законом энтропии, отмечал А.Е. Ферсман.
      Во все большем количестве в ноосфере изготовляются химические
 соединения, никогда в биосфере не существовавшие и обладающие
 свойствами, не известными у природных материалов (искусственные
 полимеры, пластмассы и др.). Новым для земной коры является и производство
 атомной энергии, радиоактивных изотопов.
     Для    характеристики    процессов    второй    группы    недостаточен
существующий понятийный аппарат геохимии и старые методы. Необходимы
новые понятия и новые подходы к исследованию.

                13.1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В НООСФЕРЕ
                           И ТЕХНОФИЛЬНОСТЬ


    В 1915 г. В.И. Вернадский подсчитал, что в античную эпоху
использовалось лишь 19 элементов, в XVIII в. – 28, в XIX – 50, а в начале XX в.
– 60. Спустя полвека стали использоваться все 89 химических элементов,
известных в земной коре. Началось получение и частичное использование
элементов, отсутствующих в земной коре, – Рu (плутония), Np (нептуния), Cf
(калифорния) и т. д.
    Характерна общая тенденция процесса: в начале использовались
преимущественно природные вещества – минералы, в том числе самородные
элементы (Au, S и т. д.). В дальнейшем человечество стало синтезировать
новые соединения этих элементов, а также получать их в чистом виде


                                      124


(металлургия железа, свинца, цинка и т. д.). Наконец, в XX в. началось
использование изотопов.
     Количество добываемых элементов далеко неодинаково. Так, ежегодная
добыча углерода измеряется миллиардами тонн, железа – сотнями миллионов,
меди – миллионами, ртути – тысячами и платины – десятками тонн. Различия
обусловлены многими причинами. Несомненно, имеют значение свойства
элементов и технология получения. Алюминий и титан, например, практически
не использовались до XX в., так как технология их извлечения из минералов
была слишком сложной и дорогой. Большую роль играет и способность
элемента к концентрации в земной коре – образованию месторождений. Так,
ртуть образует месторождения с большими запасами, и этот редкий металл
использовался еще в древности. И еще один фактор – распространенность
элементов, их кларки. Действительно, как бы золото ни было ценно для
человечества, его добыча никогда не сравняется с добычей железа, так как
кларк железа больше кларка золота в 10 миллионов раз.
     Кремний и германий – химические аналоги, и GeО2 похож на SiО2. Но
кремний – второй по распространенности элемент, а германий встречается
редко. Поэтому кремний, вернее его соединения, – основа строительства
(кирпич, бетон, цемент и т. д.), а германий добывается в ничтожном количестве.
     Исключительная роль железа в ноосфере (XIX столетие – «железный век»)
связана не только с его свойствами, но и с большим кларком. Поэтому
рационально измерять добычу элементов в единицах кларков. Эта величина
называется технофильностью элементов (А. И. Перельман) Т (рис. 15). Она
равна отношению ежегодной добычи элемента D к его кларку в земной коре К:
                                        D
                                   T=     .
                                        K
     Рассмотрим химически родственные элементы – Fe, Mn и Сu, Ag. Они
добываются в разных количествах, имеют различные кларки. Расчеты
технофильностей дают следующие величины: TFe = 6,6 107; TMn = 6 107;
TCu = 1,1 109; TAg = 1,1 109. Следовательно, в единицах кларков человечество
извлекает из недр Fe и Mn, а также Сu и Ag с равной интенсивностью,
т. е. пропорционально распространенности этих металлов в земной коре.
Технофильность их одинакова.




                                     125


                Рис.15. Технофильность элементов (по А. И. Перельману)



    Многие химические элементы-аналоги с разными кларками и размерами
добычи обладают одинаковой или близкой технофильностью: Cd и Hg, Та
и Nb, U и Мо, Ti и Zr и т. д. Есть и различия: С1 и F, К и Na, Ca и Mg и т. д.
    Несомненно, что добыча элементов складывалась стихийно в зависимости
от экономических условий, технического прогресса, обнаружения
месторождений. Однако «регулирующая» роль кларка проявляется отчетливо.
Технофильность элементов можно рассчитывать для отдельной страны, группы
стран, всего мира. Естественно, что она очень динамична. Технофильность
включает не только использование свободного элемента, но и его соединений,
однако расчет ведется на элемент. Самым технофильным элементом является
углерод, у которого Т = 8 1010 для угля и 3 1010 для нефти, а в сумме 1,1 1011.

                                       126


Возможно, к настоящему времени эти цифры несколько изменились, но сам
принцип и тенденции сохранились.
     Уголь и нефть в основном используются как источники энергии.
 Применение их в химической промышленности по массе невелико.
 Следовательно, максимальная технофильность углерода отражает огромную
 важность энергии для цивилизации: для того чтобы использовать вещество,
 необходимо в первую очередь добыть энергию, т. е. обеспечить опережающее
 развитие энергетики.
     Анализ технофильности позволяет прогнозировать добычу элементов.
Например, добыча Mg по размерам сильно отстает от добычи других
щелочноземельных элементов. Это свидетельствует о слабом использовании
магния человечеством, т. е. о том, что в ближайшем будущем оно, вероятно,
сильно возрастет.
     Технофильность элементов колеблется в миллионы раз, а контрасты
в кларках составляют многие миллиарды. Следовательно, человеческая
деятельность направлена к уменьшению геохимической контрастности
ноосферы по сравнению с биосферой и земной корой.
     В техногенных системах накапливаются наиболее технофильные
элементы: человечество «перекачивает» на земную поверхность из глубин
элементы рудных месторождений.

            13.2. ТЕХНОГЕННЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ.


     Размеры техногенных аномалий колеблются в очень широких пределах.
Аномалии, охватывающие весь земной шар или большую его часть, могут быть
названы глобальными. Их примером служит повышенное содержание СО2
в атмосфере в результате сжигания угля и нефти или накопление Sr90 после
ядерных взрывов. Региональные аномалии распространяются на части
материков, отдельные страны, зоны, области, провинции. Они возникают
в результате применения минеральных удобрений, ядохимикатов и т. д.
Локальные аномалии связаны с конкретным эпицентром (рудником, заводом
и т.д.), их радиус не превышает десятков километров. К локальным аномалиям
относятся, например, повышенное содержание металлов в почвах и водах
вокруг некоторых металлургических комбинатов. Пространство, занимаемое
локальной аномалией, следует называть техногенным ореолом рассеяния.
     По отношению к окружающей среде техногенные аномалии делятся на три
типа:
     1. Полезные аномалии, улучшающие окружающую среду, делающие ее
более пригодной для жизни человека. Их примером служит повышенное

                                   127


содержание кальция в районах известкования кислых почв. На создание
полезных аномалий направлено йодирование поваренной соли в районах
развития эндемического зоба, фторирование питьевой воды в городах
с широким распространением кариеса, применение молибденовых, борных,
цинковых и других микроудобрений, кобальтовой и прочей подкормки
домашних животных.
     2. Вредные техногенные аномалии, ухудшающие условия существования
человека, растений и животных. Эти аномалии привлекают большое внимание
в связи с загрязнением окружающей среды.
     3. Нейтральные техногенные аномалии, не оказывающие влияния на
здоровье. Так, концентрация железа и алюминия в городах не служит
химической причиной, влияющей на здоровье человека, растений или
животных.

          13.3. ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА


     В настоящее время основными направлениями развития энергетики
являются теплоэнергетика и атомная энергетика, меньшее значение имеет
гидроэнергетика. Человечество овладевает глубинным теплом Земли, имеются
проекты прямого использования солнечной энергии, кинетической энергии
вращения Земли и т. д., сулящие резкий рост энерговооруженности
человечества.
     Если первобытный человек ежедневно расходовал на работу 2–3 ккал, то
после покорения огня, появления земледелия и животноводства расход энергии
увеличился до 10 ккал, а после освоения гидроэнергии, газа, нефти и угля он
почти достиг 200 ккал. При этом надо учитывать, что население Земли за
истекшее время также значительно увеличилось.
     Одна часть используемой в ноосфере энергии производит работу, другая,
в соответствии со вторым законом термодинамики, неизбежно обесценивается
и выделяется в виде тепла, которое вызывает разогревание ноосферы. Пока
эффект разогревания невелик – в 25 тыс. раз меньше солнечной радиации.
Однако в крупных городах техногенное тепло (например, в Лос-Анджелесе)
уже достигает 5 % от солнечного излучения. В зимнее время температура
воздуха на улицах больших городов на несколько градусов выше, чем
в окружающей сельской местности. В городах с населением от 100 до 500 тыс.
человек средняя годовая температура выше на 1°С, свыше миллиона – на 1,3–
1,5°С. Главная причина повышения температуры в городах – отопление жилых
домов и промышленных предприятий.


                                    128


    Увеличение производства энергии от 4 до 10 % в год приведет к тому, что
через 100–200 лет количество тепла, создаваемого человеком, будет сравнимо
с величиной радиационного баланса всей поверхности земли. Очевидно, что
в таком случае произойдут громадные изменения климата на всей планете.
Существенное влияние на природные явления может оказать повышение
температуры, обусловленное ростом концентрации углекислого газа.
Температура земной поверхности за счет этого в результате так называемого
парникового эффекта может повыситься. Это может вызвать растопление льдов
Антарктики и Арктики, затопление приморских низменностей и другие
последствия. Участившиеся в последние годы природные катаклизмы,
происходящие в различных регионах планеты, являются подтверждением этого
прогноза.

                    13.4. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА

     При данном уровне развития производительных сил вполне возможны
высокий хозяйственный эффект использования окружающей среды
и предотвращение ее загрязнения, расхищения и разрушения производительных
сил, обеспечение их роста и развития до уровня, недоступного в природе. Путь
такой оптимизации – усиление отрицательных обратных связей,
стабилизирующих систему, повышающих ее самоорганизацию.
     Техногенные системы в еще большей степени, чем биокосные, по своей
сущности централизованные системы. Для их нормального функционирования
необходим центр, из которого осуществляется управление системой. Однако
нередко техногенные системы не имеют единого центра управления. Это
приводит к ослаблению обратных связей саморегулирования, загрязнению
среды. Поэтому, рассматривая проблем техногенеза с системных позиций,
можно сказать, что централизация техногенных систем – одна из самых важных
практических задач организации территории.
     Для этого необходима также комплексная система наблюдений, оценки
и прогноза изменений окружающей среды под влиянием деятельности
человеческого общества – так называемый мониторинг. Различают
биологический, геофизический и геохимический мониторинг.
     Важнейшая практическая задача геохимии техногенеза, следовательно, –
разработка теории оптимизации техногенных систем, т. е. установление,
оптимальных режимов для различных частей ноосферы.
     Большое значение приобретает оптимизация биологического круговорота.
Примером может служить преодоление противоречий природного лесного
ландшафта в ноосфере, которое возникло в середине палеофита. Изобилие

                                    129


тепла и влаги создавало возможность мощного накопления органического
вещества, разложение которого приводило к выщелачиванию из почвы
подвижных минеральных соединений, в том числе жизненно необходимых для
растений. Это серьезное противоречие, вероятно, способствовало действию
естественного отбора, но полностью так и не было преодолено растительным
миром. И в современную эпоху во влажном климате тропиков и умеренной
полосы в результате биологического круговорота происходит кислое
выщелачивание почв, ухудшение минерального питания растений.
     Противоречие, которое природа не смогла преодолеть за сотни миллионов
лет, быстро исчезло в ноосфере. В культурных ландшафтах удобрения полей
и подкормка домашних животных обеспечивают богатое минеральное питание
растений и животных в условиях влажного климата. Появилась возможность
повышения продуктивности агроландшафтов, ускорения биологического
круговорота.
     Большое разнообразие сортов культурных растений и пород домашних
животных, вероятно, связано с умелым сочетанием искусственного отбора
и благоприятной геохимической обстановки, которую сначала бессознательно,
а позднее и сознательно создавал человек для растений и животных.
     Для оптимального биологического круговорота в ноосфере характерны
следующие черты:
     1.     Энергичный фотосинтез, высокая продуктивность и разнообразие
биологической продукции.
     2.     Быстрое разложение остатков организмов и включение продуктов
минерализации в новый цикл биологического круговорота.
     3.     Минимальный «выход» химических элементов из биологического
круговорота. Желательно, чтобы химические элементы все время «вращались»
в круговороте и не включались в водную миграцию, чтобы N, Р, К и т. д. не
выносились реками.
     4.     Удаление из культурного ландшафта избыточных элементов
и привнос дефицитных.
     5.     Мобилизация внутренних ресурсов биосферы для усиления
биологического круговорота (использование сапропеля для удобрений и т. д.).
     Не менее актуальна оптимизация круговорота воды. Она достигается
орошением пустынь, опреснением морских вод, переброской рек из гумидных
районов в аридные, созданием искусственных водохранилищ, использованием
вод артезианских бассейнов.
     Определенную роль в борьбе с загрязнением среды должны играть
техногенные геохимические барьеры. Техногенный геохимический барьер – это
такой участок ноосферы, где происходит резкое уменьшение интенсивности

                                    130



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика