Историческая геохимия

В 30-ые годы 19 столетия Ч. Лайелем был нанесен своего рода удар по целому ряду естественно-научных представлений. Он создал метод актуализма – настоящее есть ключ к пониманию прошлого. Но он был не прав признавая постоянство всех процессов на Земле, неизменность определенной направленности в развитии Земли. Такой крупный ученый как А.Ф. Добрянский в 1948 г. отмечал, что физико-химические условия среды развития жизни в минувшие эпохи аналогичны современным. Л.С. Берг считал, что в раннеархейское время на суше действовали такие же процессы выветривания, что и в позднейшие эпохи истории Земли. Даже В.И. Вернадский самый, пожалуй, прогрессивный ученый 20-го столетия, допускал постоянство химизма процессов в геологической истории, постоянство массы живого ОВ на планете. Он полагал, что минералы, образующиеся в течении геологического времени всегда одинаковы. И хотя это в свете современных данных не соответствует в полной мере действительности, метод актуализма оказался исключительно продуктивным. Он помогал и продолжает помогать решению очень многих проблем геологии.

11.1. Постоянство и изменяемость факторов миграции. Важно знать, что миграция – «Э» определяется внутренними и внешними факторами. Внутренние факторы действительно консервативны: свойства «Э» - заряд ядер атомов, валентность, радиус ионов остаются постоянными. Меняется атомный вес в процессе радиоактивного распада, но это не меняет химизма «Э». А вот внешние факторы существенно меняются и меняются буквально у нас на глазах: суточная t⁰С, состав подземных вод, кларки «Э», энергетика глубин Земли, состав атмосферы и гидросферы, климат, роль биогенных факторов, деятельность человека.

11.2. Эволюция кларков элементов

11.2.1. Земля обменивается веществом с Космосом, идут ядерные превращения. По О.Ю. Шмидту около 400 т вещества выпадает в год на Землю, а по новейшим данным это нужно увеличить минимум в 10 раз. Это метеориты, а метеорная пыль, которая не учитывается, также может давать существенный добавок.

11.2.2. Другой путь поступления вещества из космоса – солнечные лучи. Космическое излучение состоит из заряженных частиц – атомов химических «Э» с малыми порядковыми номерами, главным образом, Н₂, Не, меньше Li, Berillij, Bora, C, N₂, O₂ и др. Но доля этого процесса невелика.

11.2.3. Более существенна потеря Землей легких газов (Н, Не). Гелий образуется постоянно, во всех радиоактивных распадах, но его остается в Земле в лучшем случае 1/1000 от общей образующейся массы. В основном он улетучивается, уходит в космическое пространство.

11.2.4. Изменение состава Земли связано так же с превращением «Э». Природные радиоактивные «Э» можно разделить на 2 группы: а) сильно радиоактивные «Э»: Uran²³⁸, Ur²³⁵, Th и К⁴⁰; б) слаборадиоктивные Ca⁴⁸, Rb⁸⁷, Zr⁹⁶, Jndiy¹¹³, Fe¹³⁰, La¹³⁸, W¹⁸⁰ и др. Период полураспада первой группы ~1,4х10¹⁰ лет для Тh, 47,1х10⁸ для Urana²³⁵, т.е за весь период существования Земли эти «Э» успели распасться и перейти в другие стабильные изотопы. 3 млрд. лет тому назад (по Войткевичу) Ur²³⁵ было в 18 раз больше, К⁴⁰ в 5,3>>>, Ur²³⁸>>> на ¼, Тh на несколько %.

Для второй группы «Э» такие изменения незначительны: период полураспада для Rb~6,1х10¹⁰ лет, 1,4х10²¹ для Tellura¹³⁰.

11.2.5. В процессе радиоактивного распада образуются устойчивые изотопы других элементов: так из атома Ur²³⁸ обр. атом Рb²⁰⁶ и 8 атомов Не; из атома Ur²³⁵= атом Pb²⁰⁷ и 7 атомов Не. Больше всего образуется таких стабильных «Э» как Не, Рb, Ar. Таким образом, все меняется, при этом менялись не только КЛАРКИ, менялось само распределение «Э» в массе Земли: от первоначального – равномерного до современного весьма неравномерного как по вертикали, т.е. в разрезе, так и в пространстве – по площади. Очень важно учитывать особенности геохимии магматических, метаморфических, гипергенных и других процессов.

11.3. Эволюция энергетики Земли

Энергетический баланс Земли меняется весьма существенно. Основных источников энергии два: а) космос (лучи солнца); б) тепло земных глубин.

Основная масса тепла космического (от Солнца): 4,2х10¹⁶ кал/сек, а от внутренних частей земли – 9х10¹² кал/сек, т.е. в 5000 раз меньше.

Ученые полагают, что энергия Солнца за период существования Земли изменялась мало, но она играет огромную роль, особенно в процессах гипергенеза и формировании сферы.

11.3.1. В тепловом потоке, исходящем из Земли, важнейшая роль принадлежит радиоактивному распаду. По расчетам количество тепловой энергии выделяемой семейством Ur²³⁸~177,8х10¹⁸ кал/год, Ur²³⁵~7,14х10¹⁸,Тh~173,57х10¹⁸ и К40 – 73,83х10¹⁸ кал/год. Только эти «Э» выделяют в год 4,26х10²⁰ калорий или 1,35х10¹³ кал/сек, что близко тепловому потоку из Земли ~9х10¹² кал/сек. Следует учитывать, что это не единственный источник тепла в Земле. Тепло выделяется при дифференциации вещества Земли на глубину уходят тяжелые элементы, легкие всплывают по данным Е.Н. Люстиха в год за счет этого выделяется ~1,5х10²⁰ кал или 30% от энергии радиоактивного распада.

11.3.2. Еще один источник тепла: это тепло приливного трения, генерируемого Землей при ее вращении в полях притяжения Луны и Солнца. В результате вращения вещество Земли претерпевает приливы и отливы, несколько перемещаясь в сторону вращения. За 5 млрд. лет истории Земли скорость вращения уменьшилась в 6 раз, что соответствовало выделению энергии, т.е. тепла~2,1х10³⁰ кал или 4х10²⁰ кал/год. Но основная масса этого тепла связана с гидросферой и атмосферой и рассеялась в космическом пространстве.

11.3.3. Можно предполагать, что в глубине Земли идут химические реакции с выделением тепла, но есть и эндотермические реакции и скорее всего они уравновешиваются.

В целом можно сделать вывод: основной объем тепла самой Земли формируется за счет радиоактивного распада.

11.4. Изменение климатических условий

Климат – важнейший фактор геохимических процессов на поверхности Земли. Учение В.В. Докучаева – великого почвоведа показывает, что выветривание горных пород, миграция «Э» определяются теплом, t⁰C воздуха, массой осадков в той или иной местности. Климат влияет на состав элювия, деллвия и аллюовия. В сухих местах все они богаты СаСО₃ и характеризуются слабощелочной реакцией растворов. Во влажном климате ситуация другая: реакция растворов нейтральна или слабокислая. Здесь более активны накопления ОВ, вынос минералов и т.д. А климат в истории Земли меняется неоднократно.

11.4.1. Эволюция биогенных факторов.

В.И. Вернадский – создатель биогеохимии. Им показана огромная роль «БГХ» в миграции элементов. Живое ОВ- концентратор многих «Э»: С, Р, Si, Fe, Ca и т.д. (в биогенных рудах), а О₂ в совр. атмосфере (основной источник кислорода в процессе фотосинтеза).

11.4.2. Для «Э» способных менять валентность (Fe, Mn, Va, Ca, Ni, Ur, S селен и др.) процессы окисления и восстановления играют решающую роль при переводе «Э» из легкоподвижных форм в трудноподвижные и наоборот. До появления жизни на Земле не было столь сильных восстановителей как живое ОВ, и что самое главное – не было О₂. Процессов окисления в то время не было. Геохимические процессы или след. не так как сейчас.

11.4.3. Жизнь возникла, скорее всего, 2 млрд. лет назад при сочетании опр. условий: t⁰C, химизм среды. Радиоактивность должна была упасть. Жизнь возникла скорее всего в ОКЕАНЕ, а уж потом при борьбе за существование она перешла в другие части гидросферы в литосферу, атмосферу.

11.4.4. Роль биогенного фактора в миграции «Э» постепенно возрастала. Выделяются три этапа:

а) Появление земных растений;

б) Выход организмов на сушу;

в) Появление человека.

Первый этап хорошо просматривается на примере Fe – основного элемента в окислительно-восстановительных реакциях в геосферах Земли:

Просто удивляет ничтожная концентрация Fe в водах современных морей, океанов и рек (миллионные доли грамм на литр), но все дело в том, что растворимость наиболее устойчивого в этих условиях гидрата окиси Fe(ОН)₃. Можно уверенно полагать, что до появления свободного О₂ и при обилии СО₂ Fe в больших кол-вах мигрировало с суши в море в форме бикарбоната закиси. Но затем закись стала окисляться с образованием труднорастворимых гидратов окиси. Так образовались осадочные джеспилитовые руды докембрия на больших площадях и в огромных масштабах. Руды эти располагаются не только вблизи береговых линий, но и вдали от них, везде где есть О₂. Запасы джеспилитов колоссальны: более 3 трл.т. Курская аномалия с млрд.т богатых железных руд. Примерно то же самое с марганцем. Основные массы Mn так же связаны с докембрием. Но вот с бокситами, где основной элемент – Al – он в природных условиях не меняет валентности.

11.4.5. Пока не было свободного О2 все процессы шли иначе: было физическое выветривание, но не было биологического, химическое было, но не было окисления, след. не было окисления сульфидов и их переход в сульфаты, поэтому нет в древних отложениях гипсов, ангидратов, баритов, целитинов.

11.4.6. Не было организмов, не было почв. Следовательно все поверхностные процессы гипергенеза шли иначе.

11.5. Человечество как геохимический фактор.

11.5.1. Появился человек, но его деятельность долго-долго мало влияла на природу. Только со сменой способов производства и особенно в 20 веке она начала даже превышать многие природные геохимические процессы.

11.5.2. Какие виды деятельности человека значимы в геохимическом отношении: а) сельскохозяйственная; б) горнодобывающая; в) перерабатывающая; г) гидротехническая и др. Меняются в результате этого органический мир, география растений, животных нарушаются естественные ассоциации «Э», создаются новые «Э», меняется ход природных хим. реакций, возникают тысячи новых соединений. В XVII в человечество использовало 19 хим. «Э» в XVIII в уже 28, в XIX в – 50, в начале ХХ в >60, а сейчас более 100. Только в ХХ в ежегодное потребление Fe, Mn, Cu, камен.угля>>> более чем в 50 раз, а Al, K, MO, W в 200 – 1000 раз.

11.5.3. Природные факторы миграции за 2000-3000 лет, которые человек может себе представить и спрогнозировать проявляются слабо, а человеческая деятельность за несколько лет совершает то, что природа делает за тысячи лет.

11.5.4. Заглянем в будущее: Добыча рудных П-ископаемых растет стремительно и это не только из-за того, что стремительно растет техника. Ведь растет само человечество:

в 1850 г. ~1200 млн.чел.

в 1900 г. ~1600 млн.чел.

в 1930 г. ~2000 млн.чел.

в 1960 г. ~2800 млн.чел.

а сейчас >6000 млн.чел.

11.5.5. Истощение запасов, их невозобновляемость ставит перед практической геологией ряд острых проблем, суть которых в том, что нужно искать новые источники нужных человеку хим. «Э».

11.6. Ограниченность запасов «элементов» и пути их расширения.

Трудно искать поверхностные месторождения, еще труднее глубинные. Здесь велика роль геохимии и геофизики. Имеются основания полагать, что таких запасов даже больше, чем уже выявлено. Только по Сибири, по прогнозам ученых запасы труднооткрываемых месторождений в 5-6 раз >> легкоотрываемых. Однако при этом нужно всегда учитывать экономику!

11.6.1. На Кольском полуострове крупнейший апатитово-бокситовый комплекс. Апатит там как составная часть апатитово-нефелиновой породы. Апатит добывали, а нефелиновые хвосты в отвалы. Сейчас там уже другая ситуация: разработана методика использования нефелина, содержащего окись глинозема, и он содержит металлический алюминий.

Другой пример: Получение азота из воздуха; магния из морской воды.

11.6.2. Калийные соли используются очень активно (сельское хоз-во) и их запасы быстро падают. А в морской воде К ~0,04%. Это перспективно!

Al из золы каменных углей (и др. металлические «Э»). В год в России сжигается >> 500 млн.т угля, золы около 15%, следовательно >>75 млн.т, а в ней ~Al₂O₃ (глинозем) и т.д. Вообще использование т.н. «хвостов» это один из могучих источников сырья.

Проблема «хвостов» затрагивает и такое важнейшее направление развития промышленного потенциала нашей страны (и не только нашей) как нефтегазовый комплекс. В самых передовых промышленно развитых странах коэффициент извлечения нефти из недр в лучшем случае составляет 0,40-0,45. В нашей стране по различным причинам он существенно ниже и едва превышает 0,2. Иными словами 60-80% нефти остается в недрах и современными технологиями эту массу нефти извлечь не удается. Нужны новые разработки, новые подходы. Можно не сомневаться, что проблема будет решаться. Прогресс есть, он даже виден, но его быстрое продвижение и, в первую очередь, для нашей страны вещь не реальная. Путь предстоит пройти длинный, но сам факт существования таких «хвостов» - это свидетельство существования огромных перспектив в освоении нефтяных ресурсов и в мировом масштабе и для нашей страны в частности. В этой связи информация очень часто поступаемая в нашу общественность по радио, телевидению, газетам, журналам и другим информационным источникам о якобы исчерпании ресурсов нефти уже через 15-20 лет, конечно, не соответствует действительности. Резервы есть, возможности тоже, необходима упорная, целенаправленная работа в этом важнейшем направлении.

11.6.3. Очень интересный и важный вопрос – сельское хозяйство и его роль в миграции элементов.

Вместе со стеблями, зерном, клубнями из почвы на территории России, извлекается на каждые 100 т урожая >> 1 т – Р₂О5, > 4 т – N₂, > 3 T-K (это осн. Э почв).

Человек возвращает эти «Э» в почву – иначе нельзя. Но запасы эти «Э» истощаются. Их надо восполнять. Задача – получение органических удобрений непосредственно в хозяйствах.

11.6.4. Стратегия человечества – переход от разработки богатых руд к разработке бедных руд. Разработка методов извлечения «Э» из бедных руд – важнейшая задача человечества. На сегодня соотношение запасов руд ~5-7% - богатых, 30-35% - средних и 65% – бедных руд. Из этого и надо исходить.

Например: объем в гидросфере воды ≈1,4-1,6х10¹⁸ т, содержание солей ≈3,5%, т.е. ≈5х10¹⁶т. А в этом остатке: Сl≈55%; Na≈31%; 0,1% Br, 7,7% - SO₄²; 3,7 – Мg и т.д. А в воде есть и уран, и золото и серебро. Можно посчитать, цифры получаются очень большие.

11.6.5. Есть еще один путь: замена использования одних «Э» другими, например, Сu на Al. Особая роль синтетических материалов, которые теоретически могут заменить почти все!

11.7. Источники энергии будущего.

Запасы горючих ископаемых ≈4х10¹²т (у.т.). Этого хватит ≈ на 100 лет. Уже сейчас надо думать о будущем.

Основные источники энергии:

а) Гидроресурсы. Хороший, надежный источник, но очень небольшой при практической реакции.

б) Солнечная энергия. Неисчерпаемый источник, но требует очень больших усилий и времени.

в) Энергия глубоких недр Земли (нагретые воды). То же практически неисчерпаемые запасы.

г) Атомные и термоядерные процессы. Один уран может дать энергии в 10-15 раз >> чем все горючие ископаемые. Однако и этот путь оказался не таким быстрым, как это планировалось 30-40 лет назад. Здесь проблема безопасности стоит особо остро. Все негативные явления, связанные с размывами нефти и вообще загрязнениями окружающей среды отходами промышленности не идут ни в какое сравнение с негативом ядерных катастроф. Один Чернобыль (авария на станции 1986 г.) так напугал человечество, что мы до сих пор ощущаем последствия и не только в физическом отношении (следы загрязнения), но и в морально-психологическом плане. Конечно, здесь нужна осторожность и необыкновенно высокая тщательность, детальность и надежность любых разработок. А на это нужно время. Тем не менее, ясно, что атомная энергетика со временем вновь получит как бы, «второе дыхание» и несомненно будет одним из важнейших (а может быть со временем наиважнейших) источников получения энергии.

Все это говорит о том, что катастрофы с энергией при разумном подходе на планете Земля никогда не будет! Человечество этого не допустит!