Прикладная геохимия

Теоретические положения геохимии используется при поисках, добыче и переработке минерального сырья, при охране среды, в здра­воохранении, сельском хозяйстве. Важнейшие понятия прикладной гео­химии – «геохимическое поле», «геохимическая аномалия», «геохими­ческий фон». Геохимическое поле – это пространство, характеризуе­мое количественными содержаниями химических элементов. Геохими­ческий фон данной системы (участка) – это среднее или модальное содержание химического элемента в пределах геохимической однород­ной системы (участка). Геохимическая аномалия – это область со­держаний химического элемента или численных значений других гео­химических показателей (pH, Eh и т.д.) на заданном уровне, от­личающихся от геохимического фона. Аномалии могут быть глобальны­ми, региональными, локальными, точечными и т.д. К геохимическим аномалиям принадлежат и рудные месторождения. Различают положи­тельные (выше фона) и отрицательные (ниже фона) аномалии.

а) Геохимические методы поисков полезных ископаемых.

Месторождения полезных ископаемых образуются в результате концент­рации элементов. Та часть поля концентрации, в которой содержание элементов достигает величин, допускающих их эксплуатацию, называ­ется рудным телом или залежью полезного ископаемого, а само веще­ство с кондиционным содержанием элемента – рудой. Остальная часть поля концентрации называется первичным геохимическим ореолом мес­торождения. Граница между рудным телом и первичным ореолом опре­деляется требованиями промышленности. Протяжённость первичных оре­олов измеряется десятками, сотнями и тысячами метров, причём не­редко ореол достигает земной поверхности, в то время как рудное тело расположено на глубине. При выщелачивании руд и ореолов эле­менты поступают в поверхностные и подземные воды. Растения также накапливают рудные элементы, повышается их содержание и в живот­ных. Так возникает повышенная концентрация элементов в ландшафте, образующая вторичный (эпигенетический) ореол рассеяния. Различают литохимические ореолы – в почвах, породах; гидрогеохимические – в водах; атмохимические – в атмосфере; биогеохимичесние – в организ­мах.

б) Геохимия и проблема окружающей среды.

Человеческое общество стало большой геохимической силой, по мощности и суммарному эффекту вполне сопоставимой с самыми гранди­озными силами природы. Добыча полезных ископаемых, сжигание нефти, газа, угля, выплавка металлов из руд, экспорт, импорт, развитие земледелия и животноводства, урбанизация оказывают столь сильное влияние на миграцию химических элементов, что возникла необходи­мость выделения особой категории геохимических процессов – техно­генной миграции (техногенеза). Их изучение приобрело очень большое значение в связи с загрязнением окружающей среды. В результате возникли понятия о техногенных геохимических аномалиях, техноген­ных ореолах рассеяния, техногенных барьерах. В геохимии техногене­за уже наметились самостоятельные направления, среди которых наи­большее практическое значение приобрела геохимия городов.

в) Геохимия и здравоохранение.

Здоровье человека во многом определяется содержанием химических элементов в окружающей среде – в почве, воде, атмосфере, продуктах питания. Существуют оптимальные содержания, нарушения которых при­водят к заболеванию. Так, при недостатке иода в ландшафте или пи­ще развивается эндемический зоб (особенно в горных районах), при дефиците фтора в питьевой воде – кариес зубов, при избытке фтора – флюороз, при избытке молибдена в воде – подагра и т. д. Задача ге­охимии состоит в изучении законов распределения химических элемен­тов в ландшафтах и, таким образом, в предоставлении медицине исход­ных данных для выяснения причин заболеваний, разработки их профи­лактики и методов лечения.

г) Геохимия и сельское хозяйство.

Многие болезни культурных растений и домашних животных также связаны с дефицитом или избытком химических элементов в окружаю­щей среде. Известно, что некоторые болезни животных и растений связаны с дефицитом или избытком кальция, меди, кобальта, бора, свинца, селена, молибдена и других элементов. Геохимические исс­ледования актуальны также при применении удобрений и минеральной подкормки животных.

д) Геохимия и химическая технология.

Изучая законы распределения химических элементов в горных поро­дах и минералах, геохимия изыскивает новые источники сырья для промышленности. Так, с помощью геохимических методов были установ­лены источники рения (молибденовые руды), гафния (цирконы), кад­мия и индия (полиметаллические руды), германия (зола углей) и т.д. Выявляя ассоциацию элементов в определённом типе руд, геохимик ре­комендует технологу извлекать все компоненты (а не только главные), намечает наиболее рациональные пути извлечения элементов из руд.

1.2 Распространённость химических элементов в оболочках Земли

Земля имеет массу 6·10²¹ т и состоит из 88 различных химических элементов. Несмотря на все изменения, наблюдаемые в самых разных масштабах времени и пространства, Земля в целом остается удивительно постоянной. В последние годы стало особенно ясно, что крупные составные части земного шара, такие, как ядро, мантия, кора, океаны, атмосфера и биосфера могут рассматриваться как сложная, взаимодействующая система. В ней циклично происходит передача вещества от одного резервуара к другому (Сивер, 1983). Об их объёмах можно получить представление из табл. 1, а о химическом составе можно судить по данным, приведенным в табл. 2.

Горные породы выветриваются с образованием осадка. При погружении на глубину породы испытывают метаморфизм и/или плавление. Позже они деформируются и перемещаются в горных цепях вверх, чтобы снова подвергнуться выветриванию и совершить новый цикл.

Таблица 1

Относительные размеры резервуаров Земли (Андруз и др., 1999)

Таблица 2

10 самых распространённых химических элементов (% по массе)

Рис.1. Геологический цикл

В центре Земли находится металлическое ядро, состоящее из железа и никеля; ядро окружено мантией плотных горных пород, богатых магнием и железом.

Ядро и мантия вместе составляют более 99,6 % общей массы Земли (Скиннер, 1989). Земля резко разделяется на две части – богатую железом (ядро) и силикатную (мантия и кора). Температура ядра оценивается в 4-5 тыс. °С, давление – на этих глубинах 1,5-3,5 млн. атм. Ядро Земли состоит из сплавов железа, находящихся в твёрдом состоянии в центральной и в жидком состоянии в остальной части ядра. Турбулентные течения жидкости и генерируют магнитное поле Земли (Джинлоз, 1983).

Огромная силикатная оболочка разогревается за счёт распада радиоактивных изотопов. Подвод тепла возбуждает мощные конвективные течения в верхних слоях оболочки, сложенных пластичными породами.

Крупномасштабные движения в мантии принимают вид течений плотного, твёрдого и пластичного вещества. Кора (и океаническая, и континентальная) лежит на плитах толщиной примерно 100 км. Новые плиты образуются в зонах срединно-океанических хребтов и охлаждаются по мере их движения в направлении от хребтов к океаническим желобам. В океанических желобах плиты погружаются и тонут в мантии. По мере погружения плотной плиты холодное вещество увлекается вниз, образуя нисходящую ветвь конвективной ячейки. Естественно, должны существовать и горизонтальные возвратные течения, переносящие вещество из областей океанических желобов к срединно-океаническим хребтам, и восходящие движения разогретого вещества, которые компенсируют нисходящие движения в области океанических желобов. В конвективных ячейках холодные опускающиеся участки жидкости отделены друг от друга расстоянием, примерно равным удвоенной глубине конвектирующего слоя. Считается, что глубина конвектирующего слоя Земли составляет примерно 700 км (Мак-Кензи, 1983).