Геохимия как наука

     С поверхности океанов ежегодно испаряется около 500 тыс. км³ воды, которая частично сбрасывается на материки, просачивается через слои осадочных пород и образует подземные воды. Захороненные воды бывших морских илов образуют межпластовые воды. Под влиянием обмена между межпластовыми водами и породами и в зависимости от температуры пластов формируется состав подземных вод. Известны подземные воды нефтеносных областей, богатые I и Br, иногда В; хлоркальциевые воды (например, в девонских слоях Восточно-Европейской платформы); бессульфатные, богатые Ra; сероводородные, обычно возникающие в результате восстановления SO₄^2- бактериями; богатые Li (в Иркутском амфитеатре) и др. Разнообразны и воды минеральных источников. В областях древнего вулканизма минеральные источники - холодные, без CO₂. В областях недавнего вулканизма появляются горячие источники с разнообразным солевым составом. Разработана их классификация.

     Древняя газовая оболочка Земли была маломощной и состояла из CO₂, H₂O, возможно CH₄ и др. газов. Современная атмосфера возникла вторично, с появлением на Земле свободного кислорода в результате фотосинтетической деятельности растений. После этого продукты вулканической эксгаляций S, H₂S, NH₃, H₂, CH₄ и др. были окислены, выбыли из атмосферы и осталась современная азотно-кислородная оболочка Земли (см. Атмосфера).

     Из  пород Земли в атмосферу при  действии вулканов выделяются лёгкие газы He⁴, He³, Н, D ("гелиевое дыхание"), которые не удерживаются гравитационным полем Земли и диссипируют (рассеиваются) в космическое пространство. Источником CO₂ (а также следов HF, HCl и др.) являются тоже вулканы. На содержание в атмосфере CO₂ оказывает влияние океан, поглощающий CO₂ в холодных широтах и освобождающий CO₂ на экваторе. Поэтому на экваторе парциальное давление CO₂ в атмосфере несколько выше. Изотоп аргона ⁴⁰Ar накапливается в атмосфере в результате ядерного превращения ⁴⁰K ⁴⁰Ar (К-захват). Др. инертные газы - Ne, Kr, Xe - первичного происхождения. Атмосфера играет огромную роль в качестве транспортёра многих легколетучих соединений, галогенидов, органических веществ и т. п. Газы атмосферы участвуют в геохимическом выветривании горных пород, например O₂, CO₂. Азот фиксируется синезелёными водорослями и некоторыми др. растениями. После их гибели в результате метаморфизма их остатков образуется калийная селитра.

     Подземные атмосферы, заполняющие пористые породы, имеют разнообразный состав и  образуются различными путями. Атмосферные газы могут быть захвачены осадочными породами. В этом случае для них характерно содержание ⁴⁰Ar по отношению к N₂ около 1%. Азотные струи без ⁴⁰Ar - результат метаморфизма органического вещества (биогенные газы). Известны подземные атмосферы из CO₂, а также струи CO в районах вулканической деятельности, нефтяные газы CH₄, C₂H₆, C₃H₈ и др. углеводороды в нефтеносных областях, сероводород, радиогенные газы - Не, Rn и др.

     Биосфера - область на границе твёрдой, жидкой и газовой оболочек Земли, занятая  живым веществом - совокупностью  организмов. Биосфера возникла около 3,5^.10⁹ лет тому назад. Благодаря маломощной первичной атмосфере космическое излучение проникало на Землю. Под влиянием этого облучения из вулканических дымов и газов H₂O, СО, CO₂, HF, HC1, CH₄, S, H₂S, S₂, NH₃, H₃BO₃ и др. происходил абиогенный синтез многих сложных соединений углерода с симметричными молекулами, оптически неактивными. На этом фоне возник биогенный синтез асимметричных оптически активных молекул живого вещества. После возникновения в результате фотосинтеза азотно-кислородной атмосферы над ней образовался озоновый экран. Вследствие этого космические лучи практически перестали проникать к поверхности Земли и абиогенный синтез органических соединений прекратился. Организмы не только изменили состав атмосферы, но прямо или косвенно участвуют в многочисленных геохимических процессах (см. Биогеохимия).

3. Связь геохимии с другими науками и почвоведением

     Геохимия стоит на стыке геологических, физических и химических наук и через биогеохимию связывается с биологических науками. Наиболее тесногеохимия связана с геологическими науками - минералогией и петрографией, особенно в вопросах генезиса минералов, горных пород и геологических процессов. Регионально-геохимические исследования проводятся в тесном сочетании с геотектоническими построениями. В геохимии применяются современные физические и химические методы исследования вещества и процессов в широком диапазоне температур и давлений - спектральные, масс-спектральные, резонансные, ядерные и др.; используются математические методы. Изучение поведения вещества при высоких температурах и давлениях связывает геохимию с геофизикой. Оценка абсолютного времени, которая лежит в основе исторической геологии, и ряд др. проблем истории Земли решаются только точными методами геохимических и радиохимических исследований. В палеонтологии при решении вопросов образования твёрдых скелетных частей организмов и их эволюции важно знать геохимические условия, в которых жили организмы. Изучение ископаемого органического вещества раскрывает процессы образования каустобиолитов. Геохимические идеи играют очень большую роль в развитии почвоведения; они направлены на решение ряда важных вопросов агрохимии и агрономии. Геохимическое изучение почвенного покрова очень важно для геохимических поисков полезных ископаемых. В географии также развивается геохимическое направление - геохимия ландшафта. Изучение геохимических процессов, связанных с флорой и фауной, имеет большое значение для сельского хозяйства и медицины.

     Идеи  геохимии проникают в астрофизику, атомную физику, химию и физическую химию, химическую технологию и металлургию (особенно редких металлов). Геохимия успешно разрабатывает и внедряет в практику геохимические поиски месторождений полезных ископаемых и содействует решению проблемы комплексного использования минерального сырья. Она активно участвует в той огромной работе, которая проводится в Советском Союзе в области химизации народного хозяйства и особенно химизации сельского хозяйства.

     Геохимия возникла на основе учения об атомах. Корни её уходят в прошлое геологоминералогического знания. Геохимические идеи появились уже в конце 18 в. Немецкий геолог К. Г. Бишоф, французский геолог Л. Эли де Бомон и др. накапливали геохимические факты, касавшиеся состава, миграции вещества в водных растворах, а также в магматических вулканических процессах. Шведский химик и минералог И. Я. Берцелиус в 1-й половине 19 в. изучал химический состав большого числа минералов и первым предложил химическую классификацию минералов. Химический анализ минералов и горных пород, исследования химическую состава природных газов и вод, химическое изучение полезных ископаемых привели в середине 19 в. к возможности заложить основы геохимии. В 1838 швейцарский химик К. Ф. Шёнбейн впервые ввёл термин "геохимия". Многочисленные сведения по геохимии были получены к концу 19 и началу 20 вв. Первую обширную сводку данных по геохимии дал (1882) американский геохимик Ф. У. Кларк. Формулирование основных задач в геохимии принадлежит советским академикам В.И.Вернадскому, А.Е.Ферсману и норвежскому геохимику В.М. Гольдшмидту. Значит, вклад в геохимию был сделан работами Н. С. Курнакова и его школы, заложившими основы геохимии галогенеза, а также физико-химического анализа природных солевых систем. Идеи Вернадского и Ферсмана нашли особенно благоприятную почву для развития после Великой Октябрьской социалистической революции. В СССР ученики В. И. Вернадского и А.Е.Ферсмана - А. П. Виноградов, Д. И. Щербаков, П. Н. Чирвинский, Н.В.Белов, А. Г. Бетехтин, Н. М. Страхов, В. С. Соболев, К. А. Ненадкевич, В. Г. Хлопин, А. А. Сауков, К. А. Власов, В. В. Щербина, В.И.Герасимовский, Н. И. Хитаров и мн. др. разрабатывали и разрабатывают как общие, так и отдельные вопросы геохимии. Во 2-й половине 20 в. усилились исследования по радиоактивности горных пород и минералов, развивалась изотопная геохимия, широко развернулись работы по определению абсолютного возраста пород. Геохимические исследования в СССР ведутся не только в научно-исследовательских институтах, но и в очень многих производственных организациях. Гохимия преподаётся в университетах и др. учебных заведениях. Был создан ряд геохимических институтов и отделов, в том числе биогеохимическая лаборатория, реорганизованная позже в институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского.

4. Геохимия ландшафта

     Геохимия  ландшафта - научное направление, возникшее на границе географии и геохимии в 40-х годах 20 в. Изучает миграцию химических элементов в ландшафте, используя с этой целью идеи и методы геохимии, особенно биогеохимии. Первые подходы к изучению геохимии ландшафта были сделаны в трудах советских учёных В. И. Вернадского о биосфере (в 1926) и А. Е. Ферсмана по геохимии пустынь и полярных областей (в 1931). Основателем геохимии ландшафта как самостоятельного научного направления был советский учёный Б. Б. Полынов, который в 1946 сформулировал задачи, основные понятия и разработал методику исследований геохимии ландшафта.

     Геохимия  ландшафта классифицирует миграцию элементов по формам движения материи. Ведущее значение в большинстве ландшафтов имеет биогенная миграция, выражающаяся в биологическом круговороте атомов, образовании и разложении органических веществ. В результате круговорота солнечная энергия превращается в действенную химическую энергию. Физико-химическая миграция в основном развивается в водах ландшафта. Она определяет многие его геохимические особенности. По характерным ионам природных вод различают кислые (Н⁺), кальциевые (Ca²⁺) и прочие ландшафты. Участки земной поверхности, отмеченные определёнными особенностями миграции, именуются геохимическими ландшафтами, все их части - водоразделы, склоны, долины и т. д. - связаны между собой миграцией атомов. Особенности миграции положены в основу геохимической классификации ландшафтов СССР и составления ландшафтно-геохимических карт для территории СССР и отдельных регионов.

     Важным  принципом геохимии ландшафтов является историзм. Изучение геохимических особенностей ландшафтов прошлых геологических эпох составляет содержание исторической геохимии ландшафта. Она применяется при поисках полезных ископаемых, в здравоохранении.

5. Геохимия почв

     Морфология почв – сумма внешних признаков, которые являются результатом процессов формирования и поэтому отражают происхождение (генезис) почв, историю их развития, их физические и химические свойства. Морфологические признаки доступны простому визуальному наблюдению, но для более точного анализа используют как простые приспособления (например, лента с сантиметровыми делениями для определения мощности почвы), так и достаточно сложные приборы (поляризационные микроскопы, применяемые для изучения микроскопических морфологических признаков).

     В качестве основных морфологических  признаков почвы выделяют: почвенный  профиль, окраску и цвет почв, почвенную  структуру, гранулометрический (механический) состав почв, сложение почв, новообразования и включения.

     Почвенный профиль. При рассмотрении достаточно глубокого почвенного разреза можно увидеть, что почвенная толща имеет слоистое строение.

     Эта псевдослоистость обусловлена разделением  почвенной толщи на почвенные  горизонты, каждый из которых более или менее однороден по механическому, минералогическому, химическому составу, физическим свойствам, структуре, цвету и другим признакам. Почвенные горизонты обособляются постепенно в процессе формирования почвы, отсюда их другое название – «генетические» горизонты. Однако даже в окончательно сформированных почвах горизонты, как правило, не имеют резкой границы и постепенно переходят один в другой. Совокупность генетических горизонтов образует почвенный профиль.

     Принцип расчленения почвенной толщи  на генетические горизонты установлен впервые В.В.Докучаевым, им же были введены  для них первые буквенные обозначения.

     В различных типах почв генетические горизонты существенно отличаются, однако в первом приближении выделяют два типа строения почвенного профиля  – автоморфный и гидроморфный.

     Две системы символов генетических горизонтов почв: без скобок указано обозначение  горизонта, принятое в нашей стране, в скобках указано обозначение горизонта, принятое на Международном обществе почвоведов (Международное общество почвоведов (International Association of Soil Science) было основано в 1924, его члены – научные учреждения и ученые более 100 стран, местопребывание общества – Амстердам).

     Почвенный профиль автоморфных  почв. Автоморфные почвы – это почвы, формирование которых проходит в условиях хорошо дренируемых водоразделов, т.е. под влиянием атмосферной влаги, систематические нисходящие токи которой обуславливают перемещение химических элементов сверху вниз. Режим почвенной влаги в этих условиях может быть как промывным, так и непромывным. Грунтовые воды расположены относительно глубоко.

     Формирование  профиля автоморфных почв схематически изображено на риc. 1.

     Основные  генетические горизонты  почвенного профиля  этого типа. Перегнойно-аккумулятивная часть профиля. Здесь преобразуется отмершее органическое вещество, систематически накапливается почвенный перегной и гумус и аккумулируются зольные элементы, необходимые для нормального питания растений. В перегнойно-аккумулятивной части профиля идут не только процессы накопления: часть химических элементов в виде подвижных как органических, так и неорганических соединений выносится за пределы гумусового горизонта, однако, в целом, преобладает тенденция к накоплению.