книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

Т у г а р и н о в А. И. Общая геохимия. Крат­ кий курс. Учебное пособие для вузов. М., Атомиздат, 1973, 288 стр.

-/ V

РЕЦЕНЗЕНТЫ;

Кафедра геохимии Ленинградского государственного университета

Доктор геолого-минералогических наук профессор В. В. Щербина

Алексей Иванович Тугаринов ОБЩАЯ ГЕОХИМИЯ К р а т к и й к у р с

Редактор Г. М. Пчелинцева Художественный редактор А. Т. Кирьянов Переплет худож ­

Московская типография № 4 Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Москва, И-41,

Б. Переяславская, 46,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данная книга является кратким изложением курса лекций по общей геохимии, который читался автором в Московском государ­ ственном университете им. М. В. Ломоносова на протяжении вось­ ми лет.

Несмотря на существование большого числа книг в настоящее время по данной дисциплине (А. А. Саукова, А. П. Виноградова, Б. А. Гаврусевича, В. В. Щербины), а также переводной литературы (Б. Мейсон, Э. Дегенс, Я- Мияки и др.), студенты были лишены пособия, в котором излагались бы в краткой форме новые данные по геохимии.

Здесь сделана попытка восполнить этот пробел. Изложение воп­ росов космической геохимии, методики определения абсолютного возраста, геохимии изотопов, несколько иное освещение геохимии рудообразования с примерами из практики изучения урановых ме­ сторождений, наконец, геохимической эволюции нашей планеты — все это, по-видимому, в значительной степени упростит восприятие материала студентом, баланс времени которого исключает возмож­ ность использования огромного числа периодических изданий, где можно найти материалы по этим вопросам.

Автор будет признателен за ценные замечания по книге.

ВВЕДЕНИЕ

Геохимия — наука, изучающая историю химических элементов Земли, как и новая ее ветвь — космохимия, рассматривает мигра­ цию химических элементов в пределах космоса. Таким образом, границы геохимии беспредельны. Однако следует остановиться на различных объектах геохимии, конкретное содержание которых оп­ ределяет значение этой науки.

Впервую очередь, это геохимия природных процессов, оценить значение которых в настоящее время невозможно без использования таких параметров, как T, Р, Eh, pH и т. д. Законы миграции эле­ ментов, условия их разделения, концентрации, переотложения — весь ход эволюции форм нахождения каждого из них либо ассоциа­ ций из нескольких наиболее близких по своим свойствам элементов составляет предмет геохимии.

Вполе зрения этой науки лежат различные проблемы. Это про­ блемы распределения элементов в оболочках Земли — литосфере, гидросфере, атмосфере. Это законы, управляющие миграцией ве­ щества при высоких температуре и давлении, характеризующие об­ становку глубинных недр Земли, которая сопровождается выплав­ лением и дифференциацией вещества в пределах 100—200 км верх­ ней оболочки планеты.

Выяснение источников энергии этих процессов ведет к пред­ ставлению о роли радиоактивности и радиоактивном тепле в форми­ ровании Земли, о различных закономерностях фазовых равновесий высокотемпературных расплавов и их превращений.

Геохимия гидросферы и атмосферы базируется на изучении различного рода равновесий, управляющих химическими реакция­ ми как в водных растворах, так и между водной и газовой оболоч­ ками Земли. Атмосфера является областью, где возникает взаимо­ действие земного вещества и космического излучения, образуются чужеродные для Земли радиоактивные элементы, такие как радио­ активный углерод С14 или гелий Не3.

Следует отметить появление в этих внешних оболочках Земли органических соединений, жизни, накладывающей свой отпечаток на протекающие геохимические процессы. В частности, под влия­ нием органических процессов образуется современная атмосфера, в значительной степени обязанная своим существованием явлениям фотосинтеза; протекание многих реакций, в области гипергенеза на суше и в океане, например накопление и распределение рудных

компонентов в органических осадках, подчинено этому важному фактору.

При описании и анализе различных процессов, происходящих в разных сферах Земли, законы миграции элементов вновь приобре­ тают большое значение.

Процесс осадконакопления — самый мощный процесс на Земле, ведущий к разделению дотоле кристаллического вещества Земли в обстановке высокого кислородного потенциала, воздействия воды и низких температур и являющийся значительным фактором в соз­ дании современного чехла горных пород, характеризующегося свое­ образными ассоциациями элементов.

По мере погружения осадочной толщи, увеличения Р и Т проис­ ходит перекристаллизация осадков, возникают разные метаморфи­ ческие фации горных пород. Миграция элементов замедляется. Од­ нако при этом происходит удаление летучих и рассеянных компо­ нентов, пронизывающих все породы земной коры по порам и трещи­ нам в виде пленочных образований, подземных вод и т. д.

И, наконец, в тот момент, когда температура достигает опреде­ ленного уровня, происходит расплавление горных пород, приводя­ щее к магматизму. Законы эвтектики, фазовых переходов, отделения летучих составляют на этой стадии предмет геохимии.

Особое место занимает геохимия рудного процесса. Несмотря на то, что эта область представляла и представляет для человечества наибольший интерес и поэтому накопила большое количество гео­ химических данных, в ней по-прежнему многое остается неясным.

Сейчас геохимия уже дает ответ на вопрос, при каких условиях происходит перенос с расплавами, растворами тех или иных компо­ нентов. Стадо частично известно, в виде каких соединений проис­ ходила миграция этих компонентов, что «побуждало» их выпадать из раствора, какие факторы способствовали рудообразованию. Изу­ чение температур и давлений, при которых происходило станов­ ление тех или иных руд, концентрации сопутствующих компонентов, сопровождаемые их накоплением, — все это получило ответ при ис­ пользовании современных методов геохимии. Однако до сих пор не решен главный вопрос — об источниках рудного вещества — во­ прос, на который даются различные гипотетические ответы с той или иной долей вероятности.

Тем не менее развитие одной области геохимии — изотопной гео­ химии — сулит радужные перспективы для решения и этой важной проблемы. Геохимия изотопов составляет новую страницу в исто­ рии геохимических знаний. Вместо известных 105 элементов совре­ менная геохимия получила в свое распоряжение около 300 их изо­ топов (за исключением короткоживущих радиоактивных), различные вариации отношений которых в природе отражают «оттенки» гео­ логических процессов.

Методы изучения изотопного состава вещества, а главным об­ разом интерпретации получаемых результатов, уже сегодня вскры­ ли ряд новых замечательных закономерностей в образовании пород

и руд. Геохимия получила возможность измерять температуру древ­ них морей и метаморфических фаций, устанавливать генезис суль­ фидных руд, происхождение свинцовых залежей, карбонатитов, кимберлитов, гранитных магм. И это довольно неполный список достижений современной изотопной геохимии. По-видимому, в бли­ жайшее время он будет весьма основательно дополнен.

Один из разделов изотопной геохимии —•геохронология, осно­ ванная на измерении абсолютного возраста горных пород, нахо­ дится в стадии бурного развития и достигла больших успехов. При помощи свинцово-уранового и стронций-рубидиевого методов был не только установлен возраст Земли, Луны, метеоритов, но и с до­ статочно высокой точностью датированы различные формации гор­ ных пород Земли, разработана геологическая шкала, выяснены события, датируемые в несколько тысяч лет (по С14) и т. д.

Одним из серьезных достижений геохимии, базировавшимся на этих данных, было установление направления эволюции во времени процессов седиментации, магматизма, рудообразования и т. д.

Заканчивая введение в предлагаемый краткий курс геохимии, нельзя не сказать о завоеваниях этой науки в области космохимии. Помимо традиционного изучения метеоритов, открытия в них це­ лого ряда космогенных изотопов, продуктов воздействия косми­ ческого излучения (быстрых нейтронов и протонов) на вещество ме­ теоритов, наши знания пополнились данными о породах Луны, Венеры, а также атмосфер ближайших планет. Открытие углекислой атмосферы Венеры (97% С02), создавшей парниковый эффект на этой планете (температура у ее поверхности около 450° С), дало новую исключительно интересную и ценную информацию.

Геохимические знания накапливаются сейчас в быстром темпе. Вероятно, многое из того, что прочтет читатель в этой книге, уста­ реет в ближайшие годы. Но такова логика науки. Надо ни на минуту не забывать об идущем прогрессе, скрупулезно занося в свою память все то новое, что совершается в мире.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ГЕОХИМИИ

«Геохимия изучает историю атомов в земной коре», — так впер­ вые сформулировал В. И. Вернадский задачи этой науки.

Появлению геохимии предшествовал длительный период станов­ ления идей, приблизивших человека к пониманию значения этой науки.

Так, одним из первых был Р. Бойль (1627—1691 гг.), создавший представление об океане как о среде, растворяющей большое число компонентов земных пород и атмосферы.

Более определенное представление о природных водах и океане, об истории элементарных газов в земной коре высказал А. Л. Лаву­ азье (1743—1794 гг.).

Огромный вклад в молодую геохимическую науку был внесен нашим соотечественником М. В. Ломоносовым (1711—1765 гг.), впервые установившим происхождение земных руд, углей, выска­ зывавшим оригинальные взгляды на связь специфических растений с определенными полезными ископаемыми.

Однако слишком мало знал человек об окружающем мире, слиш­ ком разрознены и робки были первые идеи, чтобы могло возникнуть представление о взаимосвязи различных явлений. И тем не менее уже в те годы зарождается мысль о необходимости такой науки, как геохимия, которая связала бы ряд смежных дисциплин.

Так, в 1848 г. X. Шёнбейн (1799— 1868 гг.) впервые высказал мысль, являющуюся для нас сегодня свидетельством великолеп­ ного провиденья в даль веков. «Уже несколько лет тому назад, — писал он, — я публично высказал свое убеждение, что мы должны иметь геохимию, прежде чем речь может идти о настоящей геоло­ гической науке, которая, ясно, должна обращать внимание на хи­ мическую природу масс, составляющих наш земной шар, и на их происхождение, по крайней мере столько же, сколько и на относи­ тельную древность этих образований и в них погребенных остатков допотопных растений и животных. С уверенностью можно, конеч­ но, утверждать, что геологи не вечно будут следовать тому направ­ лению, последователями которого они сейчас являются. Они, для расширения своей науки, как только окаменелости не смогут слу­ жить им, должны будут искать новые вспомогательные средства и, без сомнения, тогда введут в геологию минералого-химический эле­ мент. Время, когда это совершится, кажется мне не столь далеким...».

XIX век стал веком накопления огромного числа научных фак­ тов, позволивших сделать ряд величайших открытий.

академии. В книге показаны условия совместного присутствия ми­ нералов в природных объектах, приведены закономерности постоян­ ной повторяемости определенных ассоциаций элементов в природе.

К этому же времени относится выдающееся открытие И. Г. Прат­ та (1851 г.) — его гипотеза изостазии, объяснившая явления горо­ образования и магматизма всплыванием более легких масс горных пород. Эта концепция в дальнейшем была развита работами нашего соотечественника Ю. Д. Лукашевича и привела к важному выводу, что различные процессы, идущие в недрах Земли, по существу про­ исходят во внешней оболочке земного шара — в области биосферы. Старый спор между «нептунистами», защищавшими преимуществен­ ную роль в образовании земной коры океанического осадкообразо­ вания, и «плутонистами» — сторонниками теории глубинных извер­ жений, как будто бы терял под собой почву.

В области химии произошло важное событие — создание метода спектрального анализа Г. Р. Кирхгоффом и Р. Бунзеном (1859 г.), позволившее в сравнительно небольшие сроки обнаружить одни и те же элементы в разных земных породах, золе растений и живот­ ных, в спектрах далеких звезд.

Единство химического состава окружающего нас мира станови­ лось реальностью, глубоко проникая в сознание ученых конца прош­ лого столетия.

Не менее важные события назревали в изучении растительного вещества. Вначале Ю. Либихом (1803—1873 гг.), а затем Ж- Буссенго (1802—1887 гг.) была выяснена роль «зольных элементов» в растениях, значение удобрений, вносимых в почву и способству­ ющих усвоению многих элементов растениями (фосфор, калий и др.).

Еще в начале XIX в. благодаря длительным и обстоятельным работам Э. Хладни и В. Говарда (1802 г.) было установлено сходство химического состава метеоритов и земного вещества. Эти работы еще интенсивнее развивались во второй половине XIX в., получив могучую поддержку спектральных методов.

Итогом этих открытий явилась опубликованная впервые в 1908 г. работа Ф. У. Кларка (1847—1931 гг.) «Данные по геохимии», ко­ торый привел все известные в то время анализы горных пород и со­

и обновлявшаяся, явилась результатом всей творческой жизни Кларка: она переиздавалась более пяти раз, каждый раз пополня­ ясь новыми сведениями и тем не менее сохранив неизменными циф­ ры распространенности наиболее часто встречающихся первых ше­ сти элементов.

Наконец, следует отметить еще два крупнейших открытия, ко­ торыми ознаменовалась вторая половина XIX в. Это прежде всего