Геохімія

Визначення і загальна характеристика

ГЕОХІ́МІЯ (від гео… і хімія) — наука про історію атомів, які складають нашу Землю. Предметом Г. як складника космохімії, є ви­вче­н­ня роз­по­всюдженості й поведінки хім. елементів та ізотопів у земній корі, біо­сфері та Землі в цілому. Зав­да­н­ням Г. є встановле­н­ня закономірностей роз­по­всюдже­н­ня й роз­поділу елементів і їхніх ізотопів у фіз.-хім. умовах Землі та ви­вче­н­ня первин. складу Землі. Становле­н­ня Г. від­бувалося стихійно протягом тисячолі­т­тя в процесі практич. діяльності людини: отрима­н­ня скла або виплавле­н­ня металів з руд у давніх Вавилоні й Китаї, роз­виток металургії, мінералогії і гірн. справи в Європі тощо. По­ступово приходило усві­домле­н­ня того, що навколиш. світ складається з хім. елементів, закономірності поведінки яких були в кінцевому під­сумку зафіксовані в законі періодичності елементів Д. Менделєєва і від­повід. таблиці хім. елементів. Сам термін «Г.» уперше за­провадив швейцар. хімік Х. Шейнбейк, який вважав, що Г. повин­на звертати увагу на хім. природу мас, що складають Земну кулю, і на їхнє походже­н­ня. Г. як наука почала утверджуватися лише після роз­витку атомно-молекуляр. уявлень у хімії й фізиці в результаті узагальне­н­ня величез. кількості на­громаджених екс­перим. даних про роз­по­всюдженість і роз­поділ хім. елементів в орган. і неорган. речовині земної кори та за­стосува­н­ням спектрал. аналізу для дослідж. Сонця. Фундамент Г. заклав Ф. Кларк, який 1899 дав першу зведену таблицю серед. хім. складу земної кори, а 1908 видав капітал. зведе­н­ня з Г. «Data of Geochemistry» («Основи геохімії»). Становле­н­ня Г. повʼязане з іменем В. Вернадського та періодом його пере­бува­н­ня проф. мінералогії у Моск. університеті. Поряд з В. Вернадським класиками Г. вважаються В. Ґольдшмідт і О. Ферсман, але саме В. Вернадський показав всеосяж. характер Г., акцентуючи увагу на тому, що вона є частиною космохімії. Основою оцінки складу Землі служать дані про космічну роз­по­всюдженість атомів. Ці дані в міру на­громадже­н­ня екс­перим. матеріалу і роз­витку теорії нуклеосинтезу по­стійно пере­глядаються. Інші зоряні світи, як свідчать спектрал. дослідж., складаються з тих самих елементів, що й Сонячна система, але дуже від­різняються один від одного кількістю і спів­від­ноше­н­ням цих елементів. Величезне значе­н­ня для становле­н­ня Г. мало від­кри­т­тя 1896 Д. Менделєєвим закону періодичності елементів. Період. таблиця хім. елементів стала наріжним каменем, на якому будувалися всі сучасні природничі науки, починаючи від ядер. фізики і кінчаючи біо­логією. Таблиця Менделєєва включає в себе 92 елементи. Деякі з них не мали стабіл. або довгоживучих ізотопів і не дожили до ниніш. часу (технецій і празеодим), інші, від­носно короткоживучі, під­тримують свою роз­по­всюдженість за рахунок роз­паду радіо­актив. рядів ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th (радон, актиній, протактиній) і ядер. реакцій (плутоній).

Техногенез (робота АЕС і ядер. вироб-в, ви­пробува­н­ня ядер. зброї, Чорнобил. ката­строфа та ін.) призвів до появи в навколиш. середовищі радіо­актив. ізотопів багатьох елементів, серед яких особливо екологічно небезпечними є ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴¹Am. Радіо­активні елементи є предметом ви­вче­н­ня радіогеохімії. Г. базується на досягне­н­нях фізики, хімії і біології, використовує в своїх дослідж. фіз., фіз.-хім., біо­хім. методи. Геохім. дані є одним із наріж. каменів космохімії, астрофізики і планетології. Ці науки використовують їх при зʼясуван­ні питань походже­н­ня елементів, структуризації галактик і планет. систем, походже­н­ня Соняч. системи, зокрема Сонця, планет, астероїдів, комет, метеоритів і косміч. пилу. Як наука Г. пронизує геологію, фізику, хімію і біо­логію в тій частині, де ці науки повʼязані з тими або ін. природ. явищами і процесами. Мінералогія і петро­графія, гідрогеологія і гідрохімія, хім. технології, металургія, геофізика і біохімія, с.-г. наука використовують у своїх побудовах ті або ін. геохім. закономірності. Неможливо про­гнозувати екол. стан довкі­л­ля або біо­сфери в цілому, не спираючись на дані Г. Зна­н­ня геохім. процесів, повʼязаних з флорою і фауною, має велике значе­н­ня для с. господарства і медицини. Різноманітні аспекти Г. роз­вивалися надто нерівномірно, що пояснювалося тими або ін. запитами соціуму в кожний певний від­тин часу. І якщо, напр., у 1950–60-х рр. ВПК СРСР вимагав роз­витку уранової та ядерно-енергет. промисловості, то й Г. радіо­актив. елементів одержувала від­повід­ні пріоритети. В ниніш. час пріоритети від­даються біо­геохімії і екол. Г. Отримані геохім. дані використовуються при вирішен­ні ряду фундам. і приклад. про­блем. До фундам. про­блем можна від­нести походже­н­ня і еволюцію Землі в цілому і її гео­сфер зокрема. Особлива увага при цьому надається питан­ню утворе­н­ня земної кори, роз­поділу в ній хім. елементів, процесам, від­повід­ал. за їхнє роз­сіюва­н­ня і концентрацію, аж до утворе­н­ня рудонос. провінцій і окремих родовищ корис. копалин. Не менш фундам. роль Г. в про­блемах утворе­н­ня і функціонува­н­ня біо­сфери, виникне­н­ня і збереже­н­ня життя на Землі шляхом рац. викори­ста­н­ня природ. ресурсів з наголосом на від­новлювані джерела, тобто, як говорив В. Вернадський, — створе­н­ня сфери ро­зуму — ноо­сфери. Остан­нє в сві­домості про­гресив. кіл громадськості стає з кожним роком дедалі актуальнішим. В. Вернадський створив в Україні першу в Рос. імперії біо­геохім. лаб. За його під­тримки 1910 в Одесі Є. Бурксер заснував радіолог. лаб. 1937 у складі сектора мінералогії і петрології Ін­ституту геол. наук АН УРСР була створена геохім. секція, що транс­формувалася після цього в від­діл, який очолював чл.-кор. АН УРСР Є. Бурксер. 1955 під його керівництвом була створена лаб. абсолют. віку і ядер. процесів, яку після смерті Є. Бурксера (1965) очолив М. Щербак (нині від­діл геохімії ізотопів і радіогеохронології). Роз­початі Є. Бурксером роботи в царині Г. ізотопів і радіогеохронології енергійно під­тримувалися тодіш. 1-м віце-президентом АН УРСР академік М. Семененком.

Нині в Україні роз­виваються кілька напрямків Г.: Г. Землі і космохімія; Г. навколиш. середовища і радіогеохімія; ізотопна Г. і ядерна геохронологія; Г. ендоген. і екзоген. процесів; Г. нафти і газу; прикладна Г. і геохім. засоби пошуків корис. копалин, зокрема Г. золоторуд. і уранових родовищ; Г. техногенезу.

В остан­ні роки життя М. Семененко зосередився на глобал. про­блемах Г., роз­робивши основи систематики хім. елементів у звʼязку з особливостями будови їхніх атомів і кри­сталохім. характеристиками, поведінкою окремих елементів та їхніх груп у різних природ. процесах, параметрами спів­від­ношень таких елементів у породах різноманіт. генези, особливостями хім. складу геол. формацій, окремих ділянок і в цілому земної кори, літо­сфери, мантії та ядра Землі. Маючи багатий досвід викори­ста­н­ня геохім. закономірностей при вирішен­ні геол. про­блем, М. Семененко в кінцевому під­сумку при­йшов до узагальне­н­ня своїх уявлень про геохім. процеси в літо­сфері і створе­н­ня моделей походже­н­ня континентал. кори та гео­сфер у цілому. Він роз­робив геохім. киснево-водневу модель Землі, згідно з якою мантія і земна кора являють собою кисневий каркас, а ядро — первин­но-гідридну речовину. З геохім. позиції роз­глянуті енергетика Землі, її періодичне енергет. роз­вантаже­н­ня і дегазація, Г. водню. Показано роль кисню в кри­сталохім. структурі кисневого каркасу периферій. оболонки Землі і закономірності роз­поділу елементів. Встановлено геохім. баланс стадії роз­витку Землі. Виділені стадії роз­витку косміч. речовини; окисле­н­ня гідрид. речовини і утворе­н­ня силікатів протопланет. речовини мантії; виникне­н­ня і роз­витку кори і літо­сфери Землі. Об­ґрунтовано виділе­н­ня глибин., звʼязаних з гравітац. рівнями, концентрич. оболонок, сфер; надщіл. модифікацій силікатів верх. мантії; металізації неметалів, суміші водню і металів зовн. ядра. 1969 в Геохімії і фізики мінералів ін­ституті НАНУ з ініціативи М. Семененка створ. від­діл ядер. Г. і космохімії під керівництвом Е. Соботовича. Одним з осн. зав­дань цього від­ділу є фундам. роз­робки в галузі глобал. Г., починаючи від походже­н­ня елементів, метеоритів і Землі та закінчуючи екол. про­блемами. Цей від­діл виявився найбільш під­готовленим в Україні до наук. су­проводу контрзаходів на за­бруднених територіях після Чорнобил. ката­строфи. Саме тут створ. наук. школу радіогеохімії, доведено гетероген­ність косміч. речовини, побудовано і об­ґрунтовано поліхрон­но-гетероген­ну модель Землі; за­пропоновано концепцію формува­н­ня оболонок Землі, що пояснює суперечності, на­громаджені в косміч. і теор. геології; узагальнено і систематизовано дані про роз­по­всюдже­н­ня елементів та ізотопів у тілах Соняч. системи; роз­глянуто фіз.-хім. і ядерно-фіз. умови утворе­н­ня і еволюції косміч. речовини, ви­вчено роль речовин. впливу космосу на Землю; закладено основи для теор. про­гнозува­н­ня закономірностей формува­н­ня і роз­по­всюдже­н­ня мінерал. ресурсів Соняч. системи, зокрема Землі та її гео­сфери. Згідно із сучас. уявле­н­нями, що активно роз­вивалися у від­ділі ядер. Г. і космохімії, Земля утворилася з матеріалу початкової газо-пилової хмари водночас (протягом десятків млн р.) із Сонцем та ін. планетами. Різноманіт. елемент. склад планет ви­значався фіз.-хім. умовами газово-пилової хмари, що диференціювалася. Залежно від швидкості нарощува­н­ня маси зародками планет роз­поділялася частка дрібних і великих фрагментів, легких і важких елементів, що йшли на їхнє будівництво. На це накладався і радіал. роз­поділ буд. матеріалу в протосоняч. хмарі, що диференціювалася. Викладені уявле­н­ня лягли в основу поліхрон­но-гетероген­ної моделі походже­н­ня Землі та її гео­сфер. Ця модель, за­пропонована і роз­роблена В. Рудником і Е. Соботовичем, нині з тими або ін. варіаціями ви­знана у світі. Вона лежить і у фундаменті космо­екології, що зароджується в Україні; синтезує досягне­н­ня ін. наук і має дати цілісну картину навколиш. світу. Згідно з ви­значе­н­ням Е. Соботовича і В. Семененко, космо­екологія — це наука про речовин. і енергет. вплив косміч. оточе­н­ня на Землю і про практичне викори­ста­н­ня ближ. космосу. Одне з найважливіших зав­дань космо­екології полягає у створен­ні фундам. перед­умов для екологічно об­ґрунтованого викори­ста­н­ня невичерп. мінерал. і енергет. ресурсів Космосу. Фундам. дослідж. в цьому напрямку проводяться у створеному Е. Соботовичем при Від­діл. радіохімії навколишнього середовища НАНУ 1995 від­ділі космо­екології і косміч. мінералогії, який очолила В. Семененко. Роботи в царині охорони довкі­л­ля почали роз­виватися в Україні на поч. 1970-х рр., але набули особливого значе­н­ня після аварії на ЧАЕС. Дослідж. проводилися гол. чином у двох напрямках: радіогеохімії (Е. Соботович, Г. Бондаренко, А. Самчук, Ю. Сущик та ін.) і екол. Г. важких металів і галогенів (Е. Жовинський, І. Кураєва, В. Маничев та ін.). Роботи першого напрямку набули широкого роз­маху після утворе­н­ня Від­діл. радіогеохімії навколиш. середовища (Е. Cоботович) на базі ряду від­ділів Ін­ституту геохімії і фізики мінералів і Від­діл. металогенії НАНУ. Роботи другого напрямку почали інтенсивно роз­виватися від 1987. За короткий час ви­вчено закономірності роз­поділу токсич. елементів в обʼєктах довкі­л­ля (ґрунти, води, донні осади, сніг) і різні ландшафтно-геохім. і екол.-геохім. зони України; встановлено особливості геохім. поведінки токсич. елементів (важкі метали, галогени) за умов міської агломерації (Е. Жовинський, А. Самчук, І. Кураєва, В. Маничев та ін.). Аналогічні дослідж. виконано для агроландшафтів різних природ. зон України, що до­зволило ви­значити фонові і аномал. концентрації ряду токсич. елементів для різних екол.-геохім. і ландшафтно-геохім. р-нів, зокрема заповід. зон України (Е. Жовинський, І. Кураєва, В. Маничев, 1983).

В ділянці ізотопної Г. і ядер. геохронології досліджень (Е. Соботович) об­ґрунтовано і впроваджено в геохронолог. практику свинцево-ізохрон. метод датува­н­ня гірських порід та його різновиди (радіосвинцево-свинцевий, метод «точки», «погоджених різниць»), що стали надій. інструментом у практиці датува­н­ня геол. обʼєктів з низьким вмістом урану. Вперше виявлено породи віком бл. 4 млрд р., що раніше не були ві­домі на Землі.

Дослідж. у напрямку геохімії ендоген. і екзоген. процесів почали роз­виватися від 50-х рр. у Львові в Геології і геохімії горючих копалин ін­ституті НАНУ, а від 1960-х рр. у Києві, особливо у від­ділі геології і геохімії літогенезу Ін­ституту геохімії і фізики мінералів НАНУ, який 1969–81 очолював академік АН УРСР Л. Ткачук. Ці роботи проводилися гол. чином за 3-ма напрямками: Г. осадових порід осн. геол. структур України; Г. окремих хім. елементів; Г. процесів гіпергенезу, літогенезу і осад. рудо­утворе­н­ня.

Встановлено літолого-геохім. особливості давніх осад. порід Волино-Подолії, Дні­пров.-Донец. западини, Причорноморʼя, Криму, Карпат, Пере­дкарпат. і Закарпат. прогинів. Ви­вчено постседиментаційні зміни осад. порід, ви­значено осн. етапи їхніх пере­творень, виявлено провід­ні геохім. чин­ники, що впливають на ці процеси, а також звʼязок їх з диференціацією та інтеграцією рудних компонентів і формува­н­ням їхніх родовищ на різних стадіях літогенезу (Л. Ткачук, Е. Жовинський, 1972). Геохім. і літолого-фаціал. ви­вче­н­ня нафтогазоносності і вугленос. регіонів провела група львів. учених. Під керівництвом Г. Доленка роз­глянуто найважливіші пита­н­ня Г. нафти і газу; ви­вчено склад нафти, її походже­н­ня, міграція та акумуляція природ. вуглеводів у різноманіт. осад. від­кладах України; роз­роблено методи комплекс. критеріїв про­гнозу та пошуків нафти і газу на базі ви­вче­н­ня геохім. і гідрогеол. особливостей діючих родовищ нафти і газу. Ви­вче­н­ня геохімії вуглецевміс. флюїдів до­зволило роз­робити модель пере­творе­н­ня глибин. вуглеводнів і показати їх хім. і фіз.-хім. природу.

Роз­робле­н­ня геохім. методів пошуку корис. копалин та їхнє викори­ста­н­ня за умов України базується на результатах ландшафтно-геохім. дослідж. (Б. Міцкевич, 1971) та на фіз.-хім. даних, отриманих з допомогою термодинаміч. аналізу, екс­перим. дослідж. і матем. моделюва­н­ня (Е. Жовинський, 1985). Найбільшого роз­витку геохім. методи пошуків отримали від 1980 в лаб. літогеохім. методів пошуків корис. копалин, яка була реформована 1991 у від­діл пошук. і екол. Г. Ін­ституту геохімії, мінералогії і рудо­утворе­н­ня НАНУ, і в Київ. університеті під керівництвом проф. М. Толстого. Були роз­роблені основи ра­йонува­н­ня тер. України за умови веде­н­ня геохім. зйомок за вторин. ореолами і потоками роз­сіюва­н­ня (Б. Міцкевич, 1971). На під­ставі дослідж. ізотоп. складу водню і кисню в під­зем. водах нафтогазонос. р-нів за­пропонований і широко впроваджений у геол. практику новий метод пошуків родовищ вуглеводів (М. Щербак, В. Ветштейн, В. Артемчук). В процесі інтенсив. геол.-пошук. робіт, спрямованих на виявле­н­ня на території України родовищ урану і заліза (Я. Бєлєвцев, В. Коваль, Ю. Мельник), отримано великий фактич. матеріал з роз­поділу і форм знаходже­н­ня урану і супут. йому елементів у геол. формаціях і структурах різноманіт. віку. Це до­зволило створити геохім. моделі на­громадже­н­ня урану до пром. концентрацій, що від­ображають багаторазовий його пере­розподіл при процесах метаморфізму, метасоматич. заміще­н­ня, вивітрюван­ні і скупче­н­ня на геохім. барʼєрах до пром. концентрацій. Роботи очолили академік НАНУ Я. Бєлєвцев, чл.-кор. АН СРСР А. Тугаринов і д-р геол.-мінерал. н. В. Коваль, які створили ві­домі школи з Г. уран. рудо­утворе­н­ня.

На основі ви­вче­н­ня закономірностей міграції природ. і техноген. нуклідів, зокрема радіонуклідів чорнобил. походже­н­ня, зʼясована роль техноген. впливу на довкі­л­ля; за­пропоновано засоби про­гнозува­н­ня екол. середовища, а також ви­значено механізми і способи очище­н­ня за­бруднених обʼєктів. Чорнобил. ката­строфа під­няла величез. пласт наук. про­блем, які не стояли раніше перед дослідниками. Для оцінки екол. ситуації на за­бруднених територіях і її про­гнозу слід враховувати не тільки простор. роз­поділ щільності за­брудне­н­ня довговіч. радіо­ізотопами цезію, стронцію, плутонію та ін., необхідне й викори­ста­н­ня характеристик випадів і природ. середовища, що їх вмістило (фазовий склад випадів, вміст і темпи утворе­н­ня рухомих форм радіонуклідів, коефіцієнти пере­ходу і на­громадже­н­ня радіо­ізотопів у різноманіт. видах рослин­ності і продуктах с.-г. виробництва, ландшафтно-геохім. і літологічні особливості за­бруднених р-нів, їх соц.-геогр. характеристики та ін.). Для ви­вче­н­ня реакції природ. систем на Чорнобил. радіо­активне за­брудне­н­ня необхідний також і комплекс. під­хід до дослідж. складних геохім., зокрема біо­геохім., процесів не так у окремих структурах, як у системі в цілому (Е. Соботович, Г. Бондаренко). Проводяться н.-д. роботи щодо поводже­н­ня з радіо­актив. від­ходами, зокрема їхньої поведінки під час зберіга­н­ня і похова­н­ня (Е. Соботович, В. Скворцов). Аналогічні роботи ведуться з токсич. від­ходами. Зі­браний банк з токсич. від­ходів України, ведуться роботи зі створе­н­ня технології і пере­робки, зберіга­н­ня і захова­н­ня (Б. Горлицький). Одержані при цьому різнопланові і багатомірні масиви даних повин­ні бути правильно зі­ставлені і зінтегровані, а результати узагальне­н­ня простор. роз­поділу екол. характеристик можуть бути від­ображені на спеціаліз. схемах і картах. Ці дослідж. можуть лягти в основу територ. роз­поділу високо­енергет. вироб-в, видачі рекомендацій про їх роз­міще­н­ня як на поверх­ні Землі, так і в її глибинах.

На створ. 1995 Держ. наук. центр радіогеохімії навколиш. середовища НАН і Міністерства з над­звичай. ситуацій України, дир. якого є академік НАНУ Е. Соботович, покладено виріше­н­ня таких зав­дань: ви­вче­н­ня геохім. основ формува­н­ня ноо­сфери; роз­робле­н­ня шляхів реабілітації територій, за­бруднених радіо­актив. і токсич. елементами; опрацюва­н­ня способів поводже­н­ня з радіо­актив. і токсич. від­ходами, гол. чином їхнього зберіга­н­ня і захова­н­ня; подальші дослідж. в царині Г. урану і супут. елементів; наук. су­провід уранодобув. і ураноперероб. промисловості; дослідж. в царині Г. радіо­актив. і ін. техноген. елементів, що за­бруднюють природні комплекси України, та екол. стійкості остан­ніх; ви­вче­н­ня можливостей само­очище­н­ня за­бруднених територій. Таким чином, фундам. роз­робки в царині Г. знаходять своє практичне за­стосува­н­ня, особливо в сфері забезпече­н­ня охорони довкі­л­ля.

Літ.: Бурксер Є. С. Утворе­н­ня та руйнува­н­ня хімічних елементів у космосі. К., 1956; Гаврусевич А. Основы геохимии. Москва, 1968; Соботович Э. В. Изотопы свинца в геохимии и космохимии. Москва, 1970; Міцкевич Б. Ф. Геохімічні ландшафти Українського щита. К., 1971; Мельник Ю. П. Физико-химические условия образования докембрийских железистых кварцитов. К., 1973; Соботович Э. В. Изотопная космохимия. Москва, 1974; Щербак Н. П. Петрология и геохронология докембрия Западной части Украинского щита. К., 1975; Соботович Э. В. Космическое вещество в земной коре. Москва, 1976; Белевцев Я. Н. Метаморфоген­ное рудообразование. Москва, 1979; Жовинский Э. Я. Геохимия фтора в осадочных формациях юго-запада Восточно-Европейской платформы. К., 1979; Коваль В. Б. Геохимическая модель накопления урана в щелочно-карбонатных метасоматитах докембрия. К., 1980; Соботович Э. В., Бартницкий Е. Н., Цьонь О. В., Кононенко Л. В. Справочник по изотопной геохимии. Москва, 1982; Семененко Н. П. Геохимия сфер Земли. К., 1983; Рудник В. А., Соботович Э. В. Ра­н­няя история Земли. Москва, 1984; Соботович Э. В., Семененко В. П. Происхождение метеоритов. К., 1985; Мицкевич Б. Ф, Беспалько Н. А., Егоров О. С. и др. Редкие элементы Украинского щита. К., 1986; Загнитко В. Н., Луговая И. П. Изотопная геохимия карбонатных и железисто-кремнистых пород Украинского щита. К., 1989; Щербак Н. П., Артеменко Г. В., Бартницкий Е. Н. и др. Геохронологическая шкала докембрия Украинского щита. К., 1989; Соботович Э. В., Ольштынский С. П. Геохимия техногенеза. К., 1991; Шраменко И. Ф., Стадник В. А., Осадчий В. К. Геохимия карбонатитов Украинского щита. К., 1992; Соботович Э. В., Бондаренко Г. Н., Ольховик Ю. А. и др. Радиогеохимия зоны влияния ЧАЭС. К., 1992; Чернобыльская ката­строфа. К., 1995; Поварен­ных А. С. Кри­стал­лохимическая клас­сификация минеральных видов. К., 1996; Соботович Э. В., Бондаренко Г. Н., Кононенко Л. В. и др. Геохимия техноген­ных радионуклидов. К., 2002; Жовинский Э. Я., Кураева И. В. Геохимия тяжелых метал­лов в почвах Украины. К., 2002.

Е. В. Соботович

Завантажити статтю