Становление геохимии, ее развитие в первой половине XX столетия

Годы рождения геохимии как самостоятельной науки – 1908-1911, место рождения - кафедра минералогии Московского университета, которой с 1891 г. руководил В. И. Вернадский.

Минералогию Вернадский трактовал как химию соединений земной коры и поэтому наряду с наблюдениями в природе большое значение придавал точному химическому анализу минералов. Вернадский широко использовал спектральный анализ для определения ничтожных количеств элементов в минералах и горных породах. До работ Вернадского господствовало представление о минеральной форме нахождения химических элементов в литосфере. Считалось, медь входит в состав халькопирита CuFeS₂ и других медных минералов, цинк - сфалерита ZnS и т. д. Сколько меди или цинка находится в гранитах или базальтах, т. е. породах, не содержащих минералы этих элементов, было неизвестно, и сама постановка вопроса не представлялась актуальной. Господствующие методы анализа тоже не всегда позволяли решать дан­ные вопросы. Поэтому, когда Вернад­ский стал с помощью спектрального анализа изучать содержание в горных породах цезия, рубидия, индия, тал­лия, висмута и других редких элемен­тов, его работы оказались новаторски­ми. Философский склад ума ученого, замечательное умение видеть в еди­ничных фактах проявление общих за­конов природы позволили ему создать представление о «неминеральной», «рассеянной» форме нахождения хи­мических элементов. Вернадский при­шел к выводу о всеобщем рассеянии химических элементов, о том, что «все элементы есть везде». С докладом на эту тему он выступил в 1909 г. на XII съезде русских естествоиспытате­лей и врачей. Ученый говорил: «В каж­дой капле и пылинке вещества на зем­ной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получается впечатление микрокосми­ческого характера их рассеяния. В пес­чинке или капле, как в микрокосме, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те эле­менты, какие наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах. Во­прос связан лишь с улучшением и уточ­нением методов исследования. При их улучшении мы находим Na, Li, Sr, там, где их раньше не видели; при их уточнении мы открываем их в мень­ших пробах, чем делали раньше. Ис­тория Ni, V, Au, U, Не, иттроцеровой группы и т. д. приводит нас к одина­ковым выводам. Они находятся всюду и могут быть всюду констатированы, они собраны в состоянии величайшего рассеяния» [6].

В эти же годы внимание ученого привлекают природные газы, явление радиоактивности. Он все более пре­одолевает «минералогическое мышле­ние», выбирая в качестве объекта ис­следования химический элемент. Та­ким образом, геохимия выросла из генетической минералогии. Ее станов­лению способствовали открытия нача­ла XX в., оформившие представление об атоме, как о вполне реальной и сложной природной системе.

Так, на смену гениальным догад­кам древности, отдельным геохимиче­ским построениям ученых XVIII и XIX вв. благодаря трудам Вернадско­го пришло четкое определение пред­мета новой науки, круга изучаемых ею проблем. Была завершена пред­ыстория геохимии и началась собст­венная ее история.

Первый курс новой науки был про­читан в 1912 г. для студентов Народ­ного университета им. А. Л. Шанявского в Москве талантливым учени­ком Вернадского, вместе с ним стро­ившим здание геохимии, А. Е. Ферс­маном (1883-1945).

После печально знаменитого раз­грома в 1911 г. Московского универ­ситета царским министром просвеще­ния черносотенцем Кассо Вернадский и Ферсман стали проводить свои ис­следования в Петербурге, в Россий­ской Академии наук, действительным членом которой Вернадский стал в 1912 г., а Ферсман - в 1919 г. (он был одним из первых советских академи­ков).

Уже в первые десятилетия раз­вития геохимии выявилось практиче­ское ее значение. В эти годы геохимия наиболее энергично развивалась. Если до первой мировой войны A. Е. Ферсман отмечал три научных центра развития геохимии (Петер­бург, Вашингтон, Тронхейм), то через 20 лет, в 1933 г., он насчитывал уже шесть таких центров: Ленинград, Ос­ло, Геттинген, Фрейбург, Цюрих, Ва­шингтон.

В начале первой мировой войны выявилась сырьевая неподготовлен­ность царской России. В связи с этим в Академии наук по инициативе B. И. Вернадского и других академи­ков в 1915 г. была создана Комиссия по изучению естественных производи­тельных сил России (КЕПС). В рабо­те КЕПС деятельное участие прини­мал А. Е. Ферсман. Реальные резуль­таты работы КЕПС в первые годы были незначительными. Подлинный сдвиг в этой области произошел лишь после окончания гражданской войны.

Геохимические исследования А. Е. Ферсмана на Кольском полуост­рове в 20-х годах привели не только к выдающимся теоретическим резуль­татам, но и к открытию крупнейших месторождений апатитов и другого сырья, а в дальнейшем и к созданию первого в мире горнопромышленного центра за полярным кругом. Большое значение имели экспедиции Ферсмана в Среднюю Азию, на Урал и в дру­гие рудные провинции СССР. В ходе этих работ создавалась замечательная школа геохимиков, специализирую­щихся преимущественно в области геохимии эндогенных процессов (К. А. Власов, А. А. Сауков, Д. И. Щербаков, В. В. Щербина и др.). Ферсман был основателем и директором Геохимического института Академии наук СССР в Ленинграде (1930). В 1932 г. этот институт вместе с Институтом минералогии был пре­образован в Ломоносовский институт. В 1933-1939 гг. Ферсман опублико­вал четыре тома «Геохимии» - первое систематическое изложение этой науки.

Наибольшее внимание в этот пери­од геохимики уделяют миграции эле­ментов в растворах и расплавах, в которых элементы часто находятся в форме ионов. В связи с этим большое значение приобрели такие параметры ионов, как их размер (радиус) и за­ряд (валентность). Радиусы ионов для большинства элементов вычислил В. М. Гольдшмидт в 1926 г. Ученый доказал, что для вхождения химиче­ских элементов в кристаллическую ре­шетку минералов решающее значение имеет именно размер ионов и атомов. На этой основе Гольдшмидт объяснил совместное нахождение магния и ни­келя в оливине, калия и свинца в ор­токлазе и огромное количество других фактов изоморфизма, заложив осно­вы геохимии минералов. Появилась возможность предсказывать ассоциа­ции элементов в земной коре, направ­лять поиски, совершенствовать хими­ческую технологию. Гольдшмидт сформулировал первый закон кри­сталлохимии и правила изоморфизма. Влияние его идей было столь велико, что основное развитие геохимии в 30-х и 40-х годах пошло по кристаллохимическому или (шире) физико-хими­ческому направлению, основы которо­го были заложены норвежским гео­химиком. Личная судьба Гольдшмидта была тяже­лой. Его выдающиеся исследования послужи­ли основанием для приглашения его в 1929 г. из Норвегии в Геттинген, где в его распоря­жение был предоставлен научно-исследователь­ский институт с новейшим по тем временам оборудованием. В Институте за несколько лет были выполнены ценнейшие исследования, на­чала формироваться научная школа. Приход гитлеровцев к власти вынудил Гольдшмидта в 1935 г. эмигрировать из Германии, прекрас­ная научная школа была обезглавлена и раз­громлена. В эмиграции ученый не смог орга­низовать исследования в былом объеме. Он скончался в 1947 г.[1,2].

В СССР крупный вклад в ионную концепцию внес А. Е. Ферсман. К ра­ботам в данном направлении он при­влек молодого физико-химика А. Ф. Капустинского (впоследствии члена-корреспондента Академии наук СССР), сформулировавшего второй закон кристаллохимии.

Много внимания в эти годы при­влекает и проблема среднего содер­жания элементов в земной коре и других природных системах (исследо­вания Ф. У. Кларка с сотрудниками в США, В. М. Гольдшмидта в Норве­гии и Германии, Ф. Панета в Англии и И. и В. Ноддаков в Германии, В. И. Вернадского и А. Е. Ферсмана в СССР). Общий анализ этой проблемы дан в первом и третьем томах «Геохи­мии» Ферсмана.

В начале 20-х годов в СССР воз­никла региональная геохимия, осно­вателем которой был Ферсман.

В 20-х годах в СССР начались ис­следования в области геохимии осадоч­ных пород и руд, главным образом фосфоритов, медных и железных руд (Я. В. Самойлов, Л. В. Пустовалов, А. В. Казаков и др.). Важное значе­ние приобрели в 30-40-е годы иссле­дования геохимии процессов выветри­вания и коры выветривания. В СССР возникли две научные геохимические школы, одна из которых изучала сов­ременную кору выветривания (Б. Б. Полынов), а другая - древ­нюю (И. И. Гинзбург).

В начале 20-х годов показав какую громадную роль играет живое вещество в геологичес­кой истории нашей планеты, В.И. Вернадский приходит к выводу о том, что это научное направление следует выделить в самостоятельную науку, которую он назвал биогеохимией(био - жизнь, гео - земля) и сформули­ровал ее задачи, состоящие в изучении химического состава живых организ­мов и участия живого вещества и продуктов разложения в процессах миг­рации, распределения, рассеяния и накопления химических элементов. В 1923 г. в Академии наук он ос­новал небольшой отдел («Биогел»), который в 1929 г. превратился в «Биогеохимическую лабораторию». Наибольшее значение имели труды Вернадского «Биосфера» (1926), «Очерки геохимии» (1927), «Биогео­химические очерки» (1940). Биогео­химическая лаборатория регулярно публиковала свои труды, среди кото­рых особенно интересны были иссле­дования А. П. Виноградова о хими­ческом составе организмов моря (1935—1944). Под влиянием трудов Вернадского биогеохимические исследования стали проводиться во Фран­ции, США и других странах. Объем их был незначителен [1,2].

В начале 30-х годов в СССР в значительной мере под влиянием моно­графии В. И. Вернадского «История природных вод» (1933-1936) стал формироваться новый раздел геохи­мии - геохимия природных вод. Был основан специальный Гидрохимиче­ский институт (1921), сотрудники ко­торого в первые годы занимались ме­тодами анализа вод и грязей, а в дальнейшем стали много внимания уделять геохимическим вопросам (О. А. Алекин, Г. С. Коновалов, Е. В. Посохов и др.).

В. И. Вернадский доказал, что все природные воды связаны между со­бой и в совокупности представляют единую систему - гидросферу Земли. О. А. Але­кин предложил использовать термин «гидрохимия»;он отметил «двойст­венный» характер гидрохимии, являю­щейся разделом и геохимии и гидро­логии. Некоторые авторы в том же смысле используют термин «гидрогео­химия»(В. С. Самарина). Однако чаще к гидрогеохимии относят только геохимию подземных вод (А. М. Ов­чинников, Е. В. Посохов, П. А. Удодов и др.).

В качестве особого научного на­правления оформилось изучение со­ляных озер и подземных рассолов на основе физико-химических идей Я. Вант-Гоффа и Н. С. Курнакова. Этот раздел науки Ферсман предло­жил именовать геохимией галогенеза.

В 20-х годах Ферсман начал за­ниматься геохимией техногенеза,од­нако этот комплекс вопросов не при­влек внимание и не оформился в самостоятельное научное направление.

Успехи теоретических исследова­ний послужили толчком к развитию в СССР в середине 30-х годов геохими­ческих методов поисков полезных ис­копаемых(Н. И. Сафронов, А. П. Соловов, В. А. Соколов) [1,2,8].

Геохимия в эпоху научно-техни­ческой революции (НТР)

В эпоху НТР проблема минерального сырья приобрела исключительно важное значение. Выявилась потребность в германии, уране, бериллии, литии и других редких элементах, которые ра­нее практически не использовались промышленностью. Резко возросла добыча и распространенных элемен­тов.

В шестидесятые годы особо акту­альной стала проблема загрязнения окружающей среды. Теоретической основой решения обеих проблем во многом явились идеи и методы геохи­мии. Поэтому во второй половине XX столетия началось особенно быст­рое развитие геохимии. Сильно рас­ширился фронт работ, началась под­готовка специалистов-геохимиков раз­ного профиля.

Вместо шести основных центров развития геохимии в 1933 г. - множе­ство центров в разных странах в 1978 г. В системе Академии наук СССР созданы крупный Институт гео­химии и аналитической химии им. В. И. Вернадского в Москве и Институт геохимии им. А. П. Вино­градова в Иркутске. В республикан­ских академиях наук также организо­ваны институты геохимии (на Украи­не, в Белоруссии и др.). Геохимиче­ская тематика занимает видное место в работе других академических и от­раслевых институтов (в Институте минералогии, геохимии и кристалло­химии редких элементов - ИМГРЭ и Институте геологии рудных месторож­дений, петрографии, минералогии и геохимии - ИГЕМ в Москве, во Все­союзном геологическом институте - ВСЕГЕИ в Ленинграде и т. д.).

Крупные исследования по геохимии проводятся в США (институты Карнеги и Скриппса, Гарвардский, Кали­форнийский, Чикагский и другие уни­верситеты, технологические институ­ты, учреждения геологической служ­бы и др.). Центры развития геохи­мии сложились в Англии, Канаде, Япо­нии, Германии, Франции и других разви­тых странах.

Геохимическая тематика стала иг­рать видную роль в работах геологи­ческих конгрессов, организованы меж­дународные ассоциации геохимиков. В 1971 г. в Москве состоялся Между­народный геохимический конгресс, со­званный Академией наук СССР и Международной ассоциацией геохи­мии и космохимии. С 1950 г. выхо­дит международный журнал «Geochimica et Cosmochimica Acta», изда­ющийся в Лондоне, с 1956 г. АН СССР издает журнал «Геохимия».

Быстро развиваются традиционные направления геохимии — изучение геохимии магматических, гидротер­мальных и гипергенных процессов. Все большую роль в исследованиях играют методы физической химии, особенно термодинамики. Физическая геохимияоформилась в качестве са­мостоятельного направления.

Энергично развивается биогеохи­мия и связанные с ней разделы. Офор­мились в самостоятельные направле­ния органическая геохимия (геохимия органического вещества), геохимия нефти и газа, намечается создание палеобиогеохимии.Запросы практики привели к широким исследованиям по геохимии редких элементов, которая расчленилась на само­стоятельные направления. Самостоя­тельными геохимическими науками с большим объемом фактического мате­риала стали гидрохимия и гидрогеохимия. Выделилась геохимия океана[1,2,8].

На одно из первых мест выдвину­лась геохимия изотопов(радиогенных и нерадиогенных), изотопные методы ныне применяются во многих науках о Земле. На стыке ландшафтоведения и геохимии возникла геохимия ланд­шафта. Развиваются все разделы при­кладной геохимии, причем геохимиче­ские методы поисков полезных ископаемых имеют все признаки самостоятельной прикладной науки (большой объем фактического материала, са­мостоятельный понятийный аппарат и оригинальные методы исследования, развитая теория и т. д.).

Развитие геохимии происходит в тесной связи с другими геологически­ми науками, физикой, химией, биоло­гией, математикой. Геохимия много получает от этих наук и в свою оче­редь помогает решать задачи, стоя­щие перед ними.