Некоторые базовые понятия и данные геохимии

В в е д е н и е

Геохимия – наука о химическом составе Земли и ее оболочек, об истории поведения химических элементов в различных геологических процессах, о законах их рассеяния и концентрации. Геохимия осадочных пород – область геологической науки, исследую­щая закономерности распределения химических элементов в слоистой осадочной оболочке Земли и те физико-химические процессы, которые при­водят к их концентрации и рассеянию.

Большой вклад в развитие геохимии осадочных пород внесли В.И. Вернад­ский, А.П. Виноградов, Р. Гаррелс, В.М. Гольдшмидт, Н.М. Страхов, А.Е. Ферсман. Различные аспекты этой науки рассматривались в работах А.Д. Ар­хангельского, Г. Берга, Э. Дегенса, К. Краускопфа, Н.В. Логвиненко, А.В. Маслова, А.Е. Перельмана, Б.В. Полынова, Л.В. Пустовалова, А.Б. Ронова, В.Н. Холодова, Я.Э. Юдовича и других исследователей.

Осадочные породы чрезвычайно разнородны и являются сложным объектом для изучения. Они представлены а) современными континентальными, мор­скими и океаническими осадками; б) древними осадочными породами материковой и океанической коры; в) рудами осадочного происхожде­ния, а также рудами иного генезиса, но залегающими среди слоистых образова­ний стратисферы.

Осадочные породы образуются в результате процессов ме­ханической, биогенной и химической седиментации, а также сменяющих их во времени диагенетических и постдиагенетических преобразований.

Собственно геохимические исследования должны базироваться на детальном геологическом, литолого-фациальном анализе, который позволяет установить пространственно-временные взаимоотношения минералов, пород и руд. Изучение текстур и структур осадочных образований, их вещест­венного состава и вторичных преобразований позволяет реконструировать палеоклиматическую и палеотектоническую обста­новки, в которых сформировались отложения, оценить их временные взаимоотношения в разрезе и пространственные взаимоотношения на площади.

Геохимия осадочных пород ставит своей целью исследовать закономерности распределения, формы нахождения и физико-хи­мические процессы, которые приводят к формированию осадочных пород. Геохимическое изучение отдельных компонентов породы позволяет выявить геохимические обстановки, в которых происходило их формирование, оценить параметры солевых и температурных режимов седиментации в палеобассейнах. В результате изучения осадочных пород геохимическими методами можно установить неизвестные ранее закономерности их генезиса и перейти на количественный уровень оценки процессов литогенеза. На основе геохимических данных возможно проводить корреляцию отложений, реконструировать обстановки осадконакопления, выявлять особенности палеоклимата и палеотектонического режима, характеризовать процессы осадочной дифференциации в бассейне седиментации, оценивать состав пород источников сноса и условия формирования различных полезных ископаемых.

Геохимия осадочных пород изучает поведение химических элементов в различных ландшафт­но-климатических зонах Земли, в процессах эрозии питающих провинций, в хо­де почвообразования и формирования кор выветривания, устанавливая формы их миграции и миграционные ряды подвижности разных компонентов. Геохимия ис­следует характер, интенсивность и формы поступления химических элементов в зоны осадкообразования в результате разгрузки поверхностного и подземного стока, термальной деятельности вод и различных проявлений вулканизма.

Важной проблемой геохимии осадочных пород является изучение процессов и последовательности формирования аутигенных минералов и конкреций на разных этапах и стадиях образования и преобразования осадка. В ряде случаев выявление форм вхождения химических элементов в минералы и конкреции, установление корреляционных связей между породообразующими и примесными элементами, расчеты степени подвижности химиче­ских элементов в процессах аутигенного минерало- и конкрециеобразования позволяют обнаружить новые источники рудных концентраций химических элементов.

Установ­лением роли органического вещества в процессах литогенеза занимается отдельный раздел геохимии – органическая геохимия.

Значительное место среди геохимических исследований занимает проблема глобаль­ной количественной оценки распределения химических элементов в различных типах осадочных пород, толщах, формациях и группах формаций, слагающих крупные структурно-тектонические зоны. Это направление называется «кларковой геохимией» осадочного процесса.

Изучение геохимии осадочного, гидротермально-оса­дочного и вулканогенно-осадочного рудообразования, а также разработка и совершенствование геохимических методов поиска таких месторождений является чрезвычайно важной задачей. Осадочное происхождение имеют ряд металлических и неметаллических полезных ископаемых:

россыпи (Ti, Zr, Та, Nb, Au, Pt и алмазов), бокситы, железные и марганцевые руды, соли, фосфориты, силициты, залежи нефти и газа, черные сланцы с повышенными содержаниями U, V, Со, Ni, Mo и др.

Ряд важных сведений о геохимических процессах, формирующих осадочные породы и минералы, можно получить при изучении изотопного состава стабильных и радиогенных изотопов.

В последние годы создание новых поколений аналитических приборов вывело геохимию на качественно более высокий уровень, а геохимические методы изучения вещества стали занимать ведущее место в различных геологических исследованиях. Разработка приборов для метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП МС) позволило регистрировать кларковые и нижекларковые концентрации химических элементов в природных объектах. Достижения изотопной геохимии дают возможность определять абсолютный возраст геологических объектов и реконструировать палеогеохимические режимы седиментации. Огромные возможности новых открытий скрыты в изучении взаимодействия живой и косной форм материи. Биогеохимия выросла в ранг самостоятельной междисциплинарной науки. Особое значение в последние годы приобретает геохимия, изучающая поведение частиц размером 1–100 нм, которые образуют ионные, молекулярные, коллоидные и кластерные системы (Наноминералогия..., 2005).

Геохимические данные уже давно используются при выявлении разнообразных особенностей минерало-, породо- и рудогенеза магматических и метаморфических пород, однако при изучении осадочных образований подобные материалы привлекаются пока значительно реже. Существует ряд учебников по геохимии, в которых затронуты вопросы геохимии осадочных пород (Щербина, 1972; Сауков, 1976; Барабанов, 1985; Перельман, 1989 и др.). В последние годы появились учебные пособия Н.В. Логвиненко (1997), Е.В. Склярова (2001), Я.Э. Юдовича (2001), О.И. Супруненко (2003), А.В. Маслова (2005).

 

 

Некоторые базовые понятия и данные геохимии

В настоящее время нет единой общепринятой классификации химических элементов. Наиболее широко используют классификацию В.М. Гольдшмидта, которая основана на физических и химических свойствах элементов в соответствии с их положением в Периодической системе (табл. 1).

Таблица 1. Геохимическая классификация элементов

по В.М. Гольдшмидту (1954)

Сидеро-фильные	Халько-фильные	Литофильные	Атмо-фильные	Био-фильные
Fe, Со, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, Re, C, Ge, Sn, N, P (Cu, Mo, W, As, Ga, Hg)	Fe, S, Se, Те, As, Sb, Bi, Pb, Ga, In, Mo, Tl, Zn, Cd, Hg, Cu, Ag (Mn, Ge, Sn)	Fe, O, F,Cl, Br, I, Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U, Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, W, Mn (P, C, H, Ga, Sn)	H, C, H, O, Cl, Br, I, He, Ne, Ar, Kr, Xe	C, H, O, N, P, S, Cl, Br, I, B, Na, K, Mg, Ca, V, Mn, Fe, Co Cu, Zn, Mo

П р и м е ч а н и е. В скобках указаны элементы с промежуточными свойствами.

Классификация В.М. Гольдшмидта отражает общие особенности распределения химических элементов в различных типах природных соеди­нений. Группу сидерофильных элементов составляют те, у которых свободная энергия образования оксидов и сульфидов меньше (по абсолютной величине) энергии образования закиси и сульфида же­леза. Эти элементы накапливаются в металлической фазе метеоритов и, вероятно, в предполагаемом железном ядре Земли. Группа халькофильных элементов характеризуется сродством к сере и образует сульфиды. Группа литофильных элементов представлена элементами, которые образуют силикаты, оксиды и соли кислородных кислот. Атмофильные элементы в свободном состоянии или в форме летучих соедине­ний концентрируются в газовой оболочке Земли. Биофильные элементы концентрируются в живых организмах и (или) в продуктах их жизнедеятельности.

При геохимических исследованиях и интерпретации геохимических данных удобно выделять четыре груп­пы элементов в соответствии с их свой­ствами, распространен­ностью в природе и поведением в геологических процессах: главные, элементы-примеси, стабильные и радиогенные изотопы (табл. 2).

Таблица 2. Группы элементов, используемые при геохимических