Основные направления геохимии

В геохимии оформились три основ­ных направления.

1. Изучение количественного состава земной коры и Земли в целом. Здесь следует выделить особую роль американского геохимика Фрэнка Уиглсуорта Кларка (1847-1931), а также немецких физикохимиков супругов Вальтера и Иду Ноддак[6] и венгерского радиохимика Дьёрдя (Георга) де Хевеши. Из российских учёных этим вопросом занимались В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, геохимик Александр Павлович Виноградов и их много­численные ученики и последователи.

Франк Уиглсуорт Кларк (1847-1931)	Дьёрдь де Хевеши (1885 - 1966)

2. Объяснение распределения отдельных химических элементов между минералами и горными породами. Эти проблемы изучал норвежский геохимик Виктор Мориц Гольдшмидт и его последователи во многих странах.

Виктор Мориц Гольдшмидт (1888-1947)

3. Изучение миграции атомов, их поведения в различных условиях земной коры с тем, чтобы дать для каждого химического элемента картину его распределения и движения в пространстве и времени. Это — важнейшая часть геохимической науки, обязанная своим развитием трудам большого отряда выдающихся российских учёных: Владимира Ивановича Вернадского, Александра Евгеньевича Ферсмана, геохимика Александра Павловича Виноградова, радиохимика Виталия Григорьевича Хлопина и многих других.

Хлопин Виталий Георгиевич (1890-1950)	Виноградов Александр Павлович (1895-1975)

В последние десятилетия выделилось четвёртое направление, изучающее историю атомов химических элементов в ландшафте — геохимия ландшафта. У истоков этого направления стояли А.Е. Ферсман, В.И. Вернадский, В.В. Докучаев, Б.Б. Полынов, А.И. Перельман, В.В. Добровольский и многие другие российские географы и химики.

Полное определение геохимии как науки дано академи­ком А.П. Виноградовым: «Геохимия изучает средний химический состав Земли, её оболочек, горных пород, минералов, а также закон распространения, распре­деления и миграции химических элементов».

Что часто имеем еще большое значенье, с какими

И в положенье каком войдут в сочетание те же

Первоначала, и как они двигаться будут взаимно

Те же начала собой образуют ведь небо и землю,

Солнце, потоки, моря, деревья, плоды и животных.

Но и смещения их и движения в разном различны.

Лукреций[7] ″О природе вещей″

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.