Методология геохимии и биогеохимии

Современные геохимия и биогеохимия включают в себя ряд самостоятельных наук, в связи, с чем их следует рассматривать как систему наук, часть еще более крупной системы - системы геологи­ческих наук.

В основе методологии геохимии и биогеохимии ле­жат общие положения диалектическо­го материализма, философии естество­знания и науковедения. Приложение этих принципов к конкретным пробле­мам геохимии и биогеохимии и составляет ее собст­венную методологию.

Главная особенность методологии геохимии и биогеохимии, установленная В. И. Вер­надским и А. Е. Ферсманом, - изучение геологиче­ских процессов на атомарном уровне, с точки зрения судьбы атома в данной системе. Поэтому основная задача геохимии и биогеохимии - изучение миграции атомов в земной коре и по возможности в Зем­ле в целом. В результате миграции происходит концентрация элементов, в частности образование месторожде­ний полезных ископаемых. Миграция приводит и к рассеянию элементов, уменьшению их содержания в данной системе. Изучение противоположных сторон миграции - концентрации и рассеяния химических элементов - и является одной из важных особенно­стей методологии геохимии и биогеохимии.

Учение о процессах концентрации - одна из теоретических основ науки о рудных месторождениях. Изучение рассеяния приобрело наибольшее зна­чение при геохимических поисках по­лезных ископаемых, в борьбе с загряз­нением окружающей среды.

Перельман предложил выделять четыре основных вида миграции химических элементов в соответствии с формами движения материи: 1) механическую, 2) физико-хими­ческую, 3) биогенную (связанную с деятельностью живых организмов) и 4) техногенную (связанную с соци­альными процессами).

В первой половине XX столетия при анализе каждого процесса выяс­нялось, как изменяется вещество, т. е. как перемещаются химические эле­менты и как изменяется энергия, ины­ми словами - изучение миграции ве­лось на вещественно-энергетическом уровне, а в последние годы выявился третий аспект изучения миграции - информационный. Инфор­мация ныне трактуется как одно из фундаментальных научных понятий того же ранга, что и вещество, энер­гия, пространство, время.

Понятие информации распространя­ется не только на социальную область, но и на явления жизни (например, ядра клеток - хранители наследст­венной информации) и на неорганическую природу. Анализ биогеохимических процессов с информационных позиций приобретает большое значение.

Миграция происходит под влиянием большого числа противоречивых фак­торов, нередко носящих случайный ха­рактер. Таково, например, распреде­ление химических элементов в грани­тах и других изверженных породах. Это дает основание рассматривать процессы миграции как вероятностные и широко использовать при их изучении теорию вероятности и математи­ческую статистику. В то же время мно­гие явления миграции, особенно веду­щие к концентрации элементов, явля­ются детерминированными и при их количественном анализе необходимо использовать другой математический аппарат, например, дифференциаль­ные уравнения. Правильнее будет сказать, что в любом процессе име­ется как вероятностная, так и детер­минированная составляющая, однако в одних случаях преобладает первая («вероятностные процессы»), а в дру­гих - вторая («детерминированные процессы»).

Совокупность сведений о процес­сах миграции рационально выделить в особый раздел геохимии - геохимию процессов миграции (геохимию про­цессов),который состоит из само­стоятельных направлений - геохимии магматических, гидротермальных, ги­пергенных и других процессов.

Миграция может изучаться и в системном аспекте. Хорошо из­вестно, что земная кора и Земля в целом резко неоднородны. Они рас­членяются на системы различного ранга. Поэтому для методологии гео­химии важное значение имеют систем­ный подход и общая теория систем. К системам относятся и Земля в це­лом, и земная кора, гидросфера, атмосфера, артезианский бассейн, поч­ва, кора выветривания и т. д. Харак­терная особенность систем заключает­ся в наличии противоположных процес­сов, связывающих отдельные их час­ти в единое целое.

Однако биогеохимия изучает не особые «геохими­ческие системы», а те же системы, что и другие науки о Земле. Специфика геохимического подхода состоит в изучении систем на атомарном уров­не. Эта задача составляет содержание второго крупного раздела нашей нау­ки, который можно назвать геохимией систем. И в этом разделе обособились самостоятельные научные направле­ния - биогеохимия океана, биогеохимия ланд­шафта, биогеохимия минералов и др.

При изучении систем, как и при изу­чении процессов, необходимо исследо­вать их вещество, энергетику, инфор­мацию. Информационный подход при­обретает здесь особенно большое зна­чение, так как с ним связаны такие чрезвычайно важные показатели, как сложность, упорядоченность, структур­ная устойчивость, самоорганизация, обратная связь, центр и др.

Одной из основных характеристик систем является структура, т. е. сово­купность их составных частей и спо­соб связи между ними. Связи можно классифицировать по среде, в которой они осуществляются (водные, воздуш­ные, биотические и прочие), и по ха­рактеру взаимодействия между тела­ми. В последнем случае различают прямые и обратные связи [1,2,8].

Прямая связьшироко распростра­нена в системах земной коры, ее при­мером служит влияние солнечного из­лучения на процессы земной поверх­ности, состава сульфидных руд на формирование зоны окисления суль­фидных месторождений (обратное влияние процессов окисления на фор­мирование первичных руд, понятно, исключается), радиоактивного распада на концентрацию в земной коре свинца, аргона и других продуктов распада (последние не влияют на радиоактивность).

Глубокому анализу понятия «об­ратная связь», а главное его широко­му использованию наука обязана ки­бернетике, которая под обратной свя­зьюпонимает воздействие управляе­мого процесса на управляющий орган, или, влияние выход­ного сигнала системы на ее рабочие параметры.

Обратная связь положительна,когда результат процесса усиливает его и система удаляется от исходного состояния. Например, появление лед­ников увеличивает лучеиспускание с земной поверхности и способствует дальнейшему охлаждению, увеличению площади оледенения. Здесь часто дей­ствует экспоненциальный «закон ла­вины».

Обратная связь отрицательна, ког­да результат процесса ослабляет его и стабилизирует систему, восстанавли­вает ее исходное состояние. Так, в эпохи вулканизма в атмосферу выде­ляется огромное количество С0₂, бла­гоприятствующего потеплению клима­та и улучшающего воздушное питание растений - фотосинтез. Это усиливает углеобразование и карбонатообразование в морях, приводит к изъятию значительной части избыточной С0₂ из атмосферы и восстановлению ис­ходного состояния. Отрицательная об­ратная связь определяет явление саморегулирования:всякое отклоне­ние от стационарного состояния вызы­вает такие процессы, которые возвра­щают систему в исходное состояние. В физической химии это положение обосновывается законами термодина­мики и носит названиепринципа тор­мозящего противодействия Ле-Шателье. Общая теория систем распрост­раняет его на любые системы, име­нуя «обобщенным принципом Ле-Шателье»:всякая система подвижного равновесия стремится измениться та­ким образом, чтобы эффект внешнего воздействия был минимальным».

Во многих системах можно выде­лить так называемый структурный центр,т. е. часть, определяющую свое­образие системы. Подобные системы именуются централизованными, например, солнеч­ная система (центр - Солнце), раз­рушающиеся на земной поверхности рудные месторождения (центр - пер­вичные руды), горнообогатительный комбинат (центр - управление ГОКа) и т. д. В земной коре существуют и нецентрализованные системы, а также бицентрические и полицентрические.С изучения центра должно начинать­ся исследование системы. Это одна из существенных особенностей методоло­гии геохимии («принцип централиза­ции»).

Следовательно, при изучении гео­химии систем необходимо выявлять характерные для них прямые и обрат­ные связи (положительные и отрица­тельные), анализировать явления саморегуляции, оценивать целостность, упорядоченность, централизацию и другие информационные показатели.

По уровню организации материи системы располагаются в ряд - от бо­лее простых к более сложным, причем критерием сложности являются формы движения материи. В результате системы, изу­чаемые в геохимии, разделяются на три основных типа.

1. Абиогенные системы, в которых протекают только процессы механиче­ской и физико-химической миграции. Это магматические очаги в земной коре и мантии, гидротермальные системы, многолетнемерзлые толщи по­род, отдельные минералы и многие другие.

2. Биокосные системы, для кото­рых характерны биогенная миграция, тесное взаимопроникновение живых организмов и неорганической («кос­ной») материи. В этих системах разви­ваются явления механической и физи­ко-химической миграции, но определя­ющее значение имеет биогенная миг­рация. Примерами биокосных систем служат почва, кора выветривания, природный ландшафт, мировой океан, река и т. д. Самая крупная биокосная система - биосфера, т. е. вся область, населенная живыми организмами. Она включает в себя тропосферу, мировой океан, ландшафты суши и верхнюю часть литосферы мощностью в сотни и тысячи метров.

3. Техногенные системыс ведущим значением техногенной миграции (хотя в них имеют место и все ос­тальные виды миграции). К техноген­ным системам относятся промышлен­ные предприятия, города, транспорт­ные артерии, колхозы с закрепленной за ними землей.

В результате миграции в системах наблюдается закономерное изменение содержания химических элементов, формируется геохимическая зональ­ность:система расчленяется на хими­чески различные части - геохимиче­ские зоны, подзоны, горизонты и т. д. Зональность бывает разных порядков: от грандиозной вертикальной зональ­ности Земли как планеты (металличе­ское ядро - силикатная кора) до зо­нальности в пределах рудного место­рождения, коры выветривания, почвы и еще более мелкой «микрозонально­сти» в пределах отдельного минерала, конкреции и т. д. Различают лате­ральную (субгоризонтальную)зональ­ность, примером которой может слу­жить зональность осадков в водоеме в направлении от берега к его центру, зональность околорудного изменения пород в гидротермальных системах, широтные геохимические зоны на земной поверхности и т. д., и вертикальную зональность, связанную с изменением химического состава свойств в субвертикальном направлении (характерна для рудных жил коры выветривания, почв, илов, артезианских бассейнов, озер, морей, океанов и т. д.). Изучение геохимическое зональности - важная задача геохимии систем, один из ведущих методологических принципов этого раздела геохимии.

Помимо изучения отдельных процессов и систем существует и третий аспект геохимического исследования - это геохимия отдельных элементов,объектом исследования которое служит конкретный химический элемент, его миграция в разных процессах и системах. Данный раздел геохимии включает в себя несколько направлений: геохимию редких элементов, геохимию газов и др.

В былые геологические эпохи миг­рация протекала не так, как сейчас (большая роль вулканизма, иной со­став атмосферы и гидросферы в до­кембрии и т. д.). Поэтому историзм является важнейшим методологиче­ским принципом геохимии. Важность подобного подхода подчеркивали В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман, а А.А. Сауков предложил выделить «историческую геохимию» в само­стоятельный раздел науки. Историко-геохимический анализ необходим при изучении большинства проблем гео­химии. Можно говорить об историче­ской геохимии определенных процес­сов (особенности миграции в прош­лые эпохи), об исторической геохимии систем (геохимия океана в докембрии, геохимия древней коры выветривания и т. д.), исторической геохимии эле­ментов (особенности миграции фосфо­ра в нижнем палеозое, своеобразие геохимии калия в пермском периоде и т. д.). Иначе говоря, историзм - руководящий принцип геохимических исследований.

Не менее важно изучение прост­ранственных геохимических законо­мерностей, которыми занимается реги­ональная геохимия. Региональный ас­пект возникает при изучении любых процессов и систем, поэтому регио­нальная геохимия является составной частью различных разделов и направ­лений геохимии. Это не исключает развития региональной геохимии как самостоятельного научного направле­ния, занимающегося геохимическим изучением всех процессов и систем оп­ределенной части земной коры (геохи­мия материков, провинций, стран и т. д.) [1,2].

Огромное разнообразие процессов и систем, изучаемых геохимией, естест­венно выдвигает задачу их классифи­кации. Большое значение приобрели геохимические классификации химиче­ских элементов, природных вод, рудных месторождений и т. д. Решение вопросов классификации связано с философским подходом и понятием о прерывности (дискретности) и непре­рывности. Прерывность (дискрет­ность) характерна для главных объ­ектов изучения геохимии - атомов, химических элементов. Так, элемент может быть или кальцием, или натри­ем, и никакие промежуточные формы, переходные между Са и Na, невоз­можны. Систематика и классифика­ция подобных объектов также имеет дискретный характер, и в этом случае принцип систематики вполне адеква­тен природе классифицируемого объ­екта. Именно в данной области клас­сификация достигла наибольших успе­хов, примером чему служит периоди­ческая система Д. И. Менделеева.

Однако для земной коры очень ха­рактерна и непрерывность - сущест­вование между объектами исследова­ния постепенных плавных переходов. Примерами могут служить содержа­ние Са и Na в плагиоклазах, рН и другие параметры вод (возможны лю­бые значения, образующие непрерыв­ный ряд), «типы» почв, горных пород, вод, ландшафтов и т. д., для которых характерны постепенные переходы в пространстве, промежуточные пред­ставители. Непрерывность также ха­рактерна для электрического, магнит­ного и других геофизических полей. Лучшее представление о распределе­нии параметров данных полей дает их изображение с помощью изолиний. Иногда говорят и о «геохимическом поле». Геохимическое поле обычно полу­чают при опробовании по определен­ной сетке какой-либо части простран­ства (планшета съемки и т. д.). В этом случае так же, как и при изу­чении геофизических полей, возможно проведение изолиний (содержания элементов в почвах, породах, водах, растениях и т.д.). Для систем с непрерывным распре­делением элементов использование дискретных понятий и терминов при классификации, т. е. выделение типов, классов, видов и т. д., содержит эле­мент условности. Лишь крайние чле­ны непрерывного ряда могут быть от­несены к определенному таксону классификации (типу, классу ит. д.). Поэтому при изучении систем с непре­рывным распределением признаков возникают затруднения с их класси­фикацией – невозможностью отнесе­ния к определенному виду, типу и т. д. Приходится выделять промежуточные единицы классификации, вводить ус­ловные границы (не вытекающие из природы явления). Так, при класси­фикации природных вод по минерали­зации пресными считаются воды, со­держащие до 1,0 г ионов на 1 кг воды, солоноватыми – 1-25 г и т. д. Сле­дует подчеркнуть, что причина затруд­нений связана не с субъективным фактором - несовершенством класси­фикации, а с объективной причиной - природой объектов, непрерывностью их распределения. Иначе говоря, принцип классификации, исходящий из существования дискретных единиц, здесь не адекватен природе классифи­цируемого объекта, для которого ха­рактерно непрерывное распределение.