Краткая история развития геохимических идей

Слово «геохимия» впервые ввел в 1838 г. натуралист К. Ф. Шенбейн, который предсказал неизбежность появления науки, изучающей содержание различных химических элементов в разных типах горных пород и в земной коре в целом. Под этим названием стали понимать науку о закономерностях химического состава, происхождении и миграции масс различных химических элементов, слагающих земной шар. Однако как особая наука геохимия могла создаться только в конце XIX в., после того как Д. И. Менделеевым (1868) была открыта периодическая система химических элементов. На основе её утвердится атомистический взгляд на вещество вселенной.

Особенно большие успехи были сделаны в области изучения распространения химических элементов на Земле и в метеоритах благодаря работам, начатым в США Кларком, а у нас Вернадским много лет назад (первые таблицы Кларка были составлены в 1889 г.). Эти работы заинтересовали большой круг выдающихся ученых, особенно химиков и физиков, разрабатывавших точнейшие методы анализа (химический, спектральный, рентгенохимический, радиохимический, полярографический, люминесцентный и др.). Успехи химии, физики и других наук во второй половине XIX в. и в XX в. позволили теоретически разрешить многие проблемы, которые возникли при обобщении геохимических фактов в эмпирические закономерности.

Исторически первое направление связано с именами Кларка и его последователей (Ноддаки, Гевеши, Панет и др.). Главной задачей геохимии они считали изучение количественного химического состава нашей планеты, особенно земной коры и отдельных ее частей — горных пород, минералов, гидросферы и атмосферы. Многие тысячи анализов, произведенных при этих исследованиях, позволили решить в первом приближении поставленную задачу в отношении большого числа химических элементов.

Второе направление в геохимии было создано В. М. Гольдшмидтом. Он работал, особенно в первое время, в различных областях геохимии, в том числе над проблемой физико-химического объяснения явлений контактового метаморфизма и над проблемой распространения химических элементов. Придавая исключительное значение размерам радиусов ионов и атомов, оно недостаточно учитывало другие факторы, которые также влияют на распределение химических элементов в различных природных объектах. Важнейшей задачей геохимии он считал при этом объяснение распределения отдельных химических элементов между различными минералами и горными породами, исходя, в первую очередь, из кристаллохимических особенностей решеток минералов, из явлений изоморфизма. Такой взгляд нашел яркое выражение в его известной геохимической классификации элементов, в которой выделяются: элементы первоначальной кристаллизации, изоморфные с Mg и Fe; элементы главной кристаллизации, изоморфные с Si, Al, Ca, К; элементы остаточной кристаллизации, не изоморфные с обычными компонентами горных пород. Кристаллохимическое направление Гольдшмидта оказалось достаточно плодотворным.

Третье направление в геохимии было создано выдающимися советскими учеными В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом. Они определяли задачи геохимии гораздо шире, чем делали это Кларк и Гольдшмидт. Основное внимание они обращали на вопросы миграции атомов, на их поведение в различных условиях земной коры, ставя конечной целью дать для каждого элемента картину его распространения и движения в пространстве и во времени.

В.И. Вернадский справедливо считается творцом новой отрасли знания — биогеохимии, изучающей роль организмов в истории химических элементов. Он показал, что эта роль огромна и проявляется в разных формах. Организмы концентрируют (или создают условия для концентрации) многие химические элементы, особенно углерод, железо, кремний, фосфор и т. д., иногда в грандиозных масштабах; с другой стороны, они их рассеивают, поскольку микроорганизмы, состоящие из десятков химических элементов, рассеиваются, подобно газу, во всем объеме биосферы.

Большое внимание в течение длительного времени уделял В. И. Вернадский вопросам радиоактивности, интерес к которым у него проявился уже вскоре после самого открытия этого явления и не оставлял его в течение всей жизни. Он был одним из первых, кто разгадал и оценил огромное значение явлений радиоактивности для развития науки и будущих судеб человеческого общества.

В развитии мировой и отечественной геохимии одно из главных мест принадлежит Александру Евгеньевичу Ферсману. Широко известны многолетние работы А. Е. Ферсмана по пегматитам. Еще в самом начале своей научной деятельности он заинтересовался одним из сложных и интересных вопросов геологии — вопросом образования и развития пегматитов. В течение многих лет он собирал, сопоставлял и анализировал материалы по пегматитам. Он развивал и обосновывал идеи о так называемом остаточном расплаве. Его разработки опубликованы в большой монографии «Пегматиты».

Целый ряд его исследований посвящен проблеме кларков; самый термин «кларк» введен А. Е. Ферсманом. Он же предложил наряду с весовыми кларками вычислять атомные, что, как известно, дает более наглядное представление об относительных количествах атомов в геохимической системе. Введенные им логарифмические кривые кларков позволили дать теоретический анализ проблемы в целом и, в частности, объяснить как дефицитность, так и избыточность элементов. Он придавал проблеме кларков очень большое не только теоретическое, но и практическое значение.

А.Е. Ферсман привел к уровню новейших кристаллохимических достижений учение об изоморфизме, дав очень простые и ясные формулировки основных его положений. Он классифицировал многочисленные факты изоморфизма атомов и ионов на основе их положения в периодической системе элементов и ввел очень удобное понятие о звездах изоморфизма, т. е. наметил схемы, которые определяют степень изоморфной смесимости.

А.Е. Ферсман разработал и подробно изложил геоэнергетическую теорию, которая обобщает большой фактический материал, накопленный геохимией, минералогией, петрографией и учением о рудных месторождениях. Она объясняет последовательность кристаллизации минералов из расплавов и растворов, естественные ассоциации элементов и минералов, т. е. объясняет типы месторождений. В общем виде идеи о влиянии принципов термодинамики на ход естественных процессов высказывались неоднократно, однако никто из ученых до А. Е. Ферсмана не подвергал этот вопрос всестороннему и глубокому рассмотрению. В этом, бесспорно, его большая заслуга. Он предложил свой приближенный универсальный метод вычисления энергии кристаллической решетки, введя понятие паев энергии (эков), характеризующих каждый ион, и получая значение энергии кристаллической решетки любого соединения аддитивно из эков входящих в него ионов. Метод этот необычайно прост и достаточно точен для геохимических построений и выводов. Он ввел для каждого соединения особое понятие — «параген», т. е. функцию, которая определяет место данного соединения в парагенетической последовательности. Геоэнергетическая теория с единой, новой точки зрения обобщает большой фактический материал, накопленный геохимией, минералогией, петрографией и учением о рудных месторождениях.

Глубокий анализ геохимии провели такие русские исследователи как В. Г. Хлопин (радиогеохимия); А. П. Виноградов (кларки элементов, биогеохимия); Д. И. Щербаков (региональная геохимия); К. А. Ненадкевич (геохимия отдельных элементов); Н. В. Белов (кристаллохимия) и др.

Можно отметить геохимические работы, проведенные в Институте общей и неорганической химии АН СССР, Н. С. Курнаковым и его учениками при изучении природных солевых равновесий и условий образования соляных отложений.

Работы в области геохимии отдельных процессов проводились обычно в тесном контакте со специалистами родственных областей знания: минералогами, геологами, химиками, почвоведами и др. Подобные же комплексные исследования проводились в региональном разрезе с целью выяснить геохимические особенности отдельных территорий (Средней Азии, Урала и др.).

В Почвенном институте им. В. В. Докучаева были выполнены обширные исследования процессов выветривания горных пород, химического состава почв и миграции элементов в поверхностной оболочке нашей планеты, а также были заложены основы геохимии ландшафтов (Б.Б. Полынов, Глазовская, Перельман и др.).

Значительны были успехи в области геохимии отдельных элементов, особенно углерода, кислорода, железа, редких элементов, благородных газов, платины, золота, ртути и др. В этой области советские ученые под углом зрения геохимии обобщили материалы, накопленные предыдущими исследователями, существенно дополнив их своими наблюдениями и новыми фактами.

Таким образом, геохимией за 200 лет её развития установлено:

распределение химических элементов и веществ в недрах и на земной поверхности на глобальном и региональном иерархических уровнях, превращение веществ в результате ядерных реакций, изотопный состав, их парагенетическая связь химических элементов и веществ, миграция, геохимические барьеры, роль биосферы в концентрации и рассеивании вещества, техногенные превращения и потоки химических веществ в окружающей среде.