«Геохимия»

«Геохи'мия»,ежемесячный научный журнал АН СССР. Издаётся с 1956 в Москве. Публикует результаты экспериментальных и теоретических исследований по вопросам геохимии (минералогии, кристаллохимии, кристаллографии, космохимии и др.), а также статьи о геохимических методах исследования и о геохимических методах поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. В 1956-60 выходил 8 раз в год, с 1961 - ежемесячно. Тираж (1970) 1750 экз.

  Л. В. Семенов.

Геохимия ландшафта

Геохи'мия ландша'фта,научное направление, возникшее на границе географии и геохимии в 40-х годах 20 в. Изучает миграцию химических элементов в ландшафте, используя с этой целью идеи и методы геохимии, особенно биогеохимии. Первые подходы к изучению Г. л. были сделаны в трудах советских учёных В. И. Вернадского о биосфере (в 1926) и А. Е. Ферсмана по геохимии пустынь и полярных областей (в 1931). Основателем Г. л. как самостоятельного научного направления был советский учёный Б. Б. Полынов, который в 1946 сформулировал задачи, основные понятия и разработал методику исследований Г. л.

  Г. л. классифицирует миграцию элементов по формам движения материи. Ведущее значение в большинстве ландшафтов имеет биогенная миграция, выражающаяся в биологическом круговороте атомов, образовании и разложении органических веществ. В результате круговорота солнечная энергия превращается в действенную химическую энергию. Физико-химическая миграция в основном развивается в водах ландшафта. Она определяет многие его геохимические особенности. По характерным ионам природных вод различают кислые (Н ⁺), кальциевые (Ca ²⁺) и прочие ландшафты. Участки земной поверхности, отмеченные определёнными особенностями миграции, именуются геохимическими ландшафтами, все их части - водоразделы, склоны, долины и т. д. - связаны между собой миграцией атомов. Особенности миграции положены в основу геохимической классификации ландшафтов СССР и составления ландшафтно-геохимических карт для территории СССР и отдельных регионов.

  Важным принципом Г. л. является историзм. Изучение геохимических особенностей ландшафтов прошлых геологических эпох составляет содержание исторической Г. л. Она применяется при поисках полезных ископаемых, в здравоохранении. Научные и прикладные исследования по Г. л. развиваются в АН СССР, академиях наук союзных республик, университетах, отраслевых исследовательских институтах, геологических управлениях.

  Лит.:Полынов Б. Б., Геохимические ландшафты, в кн.: Избр. труды, М., 1956; его же, Учение о ландшафтах, там же; Глазовская М. А., Геохимические основы типологии и методики исследования природных ландшафтов, М., 1964; Добровольский В. В., Атомы в ландшафте, М., 1964; Перельман А. И., Геохимия ландшафта, [2 изд.], М., 1966; его же, Современное состояние геохимии ландшафта и задачи дальнейших исследований, в сборнике: Геохимия ландшафта, М., 1967.

  А. И. Перельман.

Геохимия литогенеза

Геохи'мия литогене'за,геохимия осадков, геохимия осадочных пород, раздел геохимии , изучающий химический состав и физико-химические процессы образования осадочных пород и руд, их эволюцию в истории Земли, закономерности распространённости, распределения и миграции элементов в осадочной оболочке и гидросфере. Г. л. тесно связана общим объектом исследования с литологией . При реконструкции геохимических процессов используются данные стратиграфии, геотектоники, палеогеографии и океанологии, а также и наблюдения над современными процессами выветривания, осадконакопления и данные экспериментального воспроизведения равновесных систем (карбонатных, фосфатных, солевых и др.) в качестве моделей процессов и реакций геологического прошлого, с внесением в них необходимых поправок на эволюционные изменения физико-химических условий осадочного породообразования. Г. л. изучает процессы, протекающие при относительно низких температурах и давлениях, ограниченных интервалом в пределах между значениями, характерными для земной поверхности и верхней границы области регионального метаморфизма.

  Г. л. охватывает изучением все стадии осадочного породообразования (см. Литогенез ), включая выветривание и мобилизацию исходных веществ в области денудации, их перенос реками в конечные водоёмы стока (внутриматериковые, морские и океанические), накопление в толще формирующихся осадков и последующее перераспределение в процессах диагенеза и эпигенеза . Ставит своей целью установление количественных соотношений различных форм переноса элементов в виде истинных и коллоидных растворов, комплексных соединений, механических взвесей, сорбций на глинистых и др. минералах, равно как и выявление количественных закономерностей пространственного распределения элементов в водной среде и в толще осадков. Ведущее значение в Г. л. имеют представления о равновесиях между газами атмосферы, ионным составом вод океана и донными осадками (алюмо-силикатные и карбонат-бикарбонатные равновесия), учение об осадочной дифференциации элементов и о зональном их распределении на площади бассейнов. В этой связи рассматривается проблема соотношения кларкового (рассеяние) и рудного (концентрация) процессов, решение которой представляет большой практический интерес при поисках скрытых рудных залежей.

  Значение различных типов химических реакций в образовании осадочных рудных месторождений не одинаково на разных стадиях литогенеза. При формировании месторождений кор выветривания (бокситы, железные и никелевые руды) ведущая роль принадлежит реакциям окисления и гидролиза; в образовании месторождений солей - реакциям осаждения (кристаллизации) из истинных растворов (см. Галогенез ); в образовании месторождений фосфоритов, самородной серы, железных, марганцевых и урановых руд - химико-биологическим процессам, сопровождаемым реакциями восстановления и диффузионного перераспределения веществ в поровых растворах.

  Осадочное породо- и рудообразование и типы обусловливавших их химических реакций в значительной степени предопределялись физико-географическими условиями, существовавшими на земной поверхности в тот или иной период геологического времени, режимом тектонических движений в пределах данного региона, интенсивностью вулканической деятельности и многими др. факторами.

  Г. л. использует геохимические индикаторы при реконструкции фациальных и климатических условий седиментации, в частности солёности вод древних бассейнов, их газового режима, глубины и температуры. Ими являются соотношения химически близких пар элементов и изотопные отношения кислорода, серы, углерода и др. Особое внимание уделяется изучению геохимии органического вещества, которое является не только источником горючих газов и нефтей, но и фактором, определяющим процессы восстановления и миграции поливалентных элементов, образования подвижных элементо-органических соединений и комплексов.

  Г. л. имеет непосредственное отношение к проблеме геохимического баланса химических элементов во внешних оболочках Земли. Фундаментальной особенностью осадочных пород является отчётливо выраженное различие между их составом и средним составом пород «гранитной» оболочки, представлявшей собой главный источник осадочного материала в течение последних 2-3 млрд. лет земной истории. Различие заключается прежде всего в повышенном против баланса содержании в породах осадочной оболочки воды, углекислоты и органического углерода, а также S, Cl, F, В и др. «избыточных летучих». Другой важной особенностью осадочных пород является высокое содержание в них кальция, сдвиг отношения K/Na в пользу калия, более высокое отношение окисного железа к закисному, повышенное содержание сульфатной серы по сравнению с кристаллическими породами «гранитной» оболочки. Все эти свойства наиболее отчётливо выражены в платформенных осадках, т. к. они представляют собой продукты наиболее глубокого выветривания и резко выраженной поверхностной дифференциации. В отличие от них, геосинклинальные осадки испытывали менее интенсивные изменения (особенно пески) и их состав приближается к составу материнских пород. Малой дифференцированности состава осадков противостоят в геосинклинальных областях глубокие эпигенетические их преобразования, связанные с погружением реакционноспособных минералов в области повышенных температур и давлений.

  Лит.:Страхов Н. М., Типы литогенеза и их эволюция в истории Земли, М., 1963; Геохимия литогенеза. Сб. ст., пер. с англ., М., 1963; Ронов А. Б., Общие тенденции в эволюции состава земной коры, океана и атмосферы, «Геохимия», 1964, № 8; Ронов А. Б. и Ярошевский А. А., Химическое строение земной коры, там же, 1967, № 11; Дегенс Э. Т., Геохимия осадочных образований, пер. с англ., М., 1967; Гаррелс Р. М. и Крайст Ч. Л., Растворы, минералы, равновесия, пер. с англ., М., 1968; Goldschmidt V. М., Geochemistry, Oxf., 1954.

  А. Б. Ронов.

Геохронологическая шкала

Геохронологи'ческая шкала',см. в ст. Геохронология .

Геохронология

Геохроноло'гия(от гео… и хронология ), геологическое летосчисление, учение о хронологической последовательности формирования и возрасте горных пород, слагающих земную кору. Различают относительную и абсолютную (или ядерную) Г. Относительная Г. заключается в определении относительного возраста горных пород, который даёт представление о том, какие отложения в земной коре являются более молодыми и какие более древними, без оценки длительности времени, протекшего с момента их образования. Абсолютная Г. устанавливает т. н. абсолютный возраст горных пород, т. е. возраст, выраженный в единицах времени, обычно в миллионах лет. (В последнее время термин «абсолютный возраст» часто заменяют названием изотопный, или радиологический, возраст.)

  Относительная Г.Для определения относительного возраста слоистых осадочных и пирокластических пород , а также вулканических пород (лав) широко применяется принцип последовательности напластования [т. н. закон Стенсена (Стено)]. Согласно этому принципу, каждый вышележащий пласт (при ненарушенной последовательности залегания слоистых горных пород) моложе нижележащего. Относительный возраст интрузивных пород и других неслоистых геологических образований определяется по соотношению с толщами слоистых горных пород. Послойное расчленение геологического разреза , т. е. установление последовательности напластования слагающих его пород, составляет стратиграфию данного района. Для сравнения стратиграфии удалённых друг от друга территорий (районов, стран, материков) и установления в них толщ близкого возраста используется палеонтологический метод , основанный на изучении захороненных в пластах горных пород окаменевших остатков вымерших животных и растений (морских раковин, отпечатков листьев и т.д.). Сопоставление окаменелостей различных пластов позволило установить процесс необратимого развития органического мира и выделить в геологической истории Земли ряд этапов со свойственным каждому из них комплексом животных и растений. Исходя из этого, сходство флоры и фауны в пластах осадочных пород может свидетельствовать об одновременности образования этих пластов, т. е. об их одновозрастности. Впервые этот метод определения относительного возраста горных пород был применен в начале 19 в. У. Смитом в Великобритании и Ж. Кювье во Франции. Тогда ему не было дано надёжного теоретического обоснования. Кювье объяснял различия в составе комплексов ископаемых, встречаемых в пластах горных пород, вымиранием организмов в результате внезапных геологических катастроф и появлением затем новых их комплексов. Последователи Кювье, в том числе французский геолог и палеонтолог А. Д’ Орбиньи, предполагали, что смена органического мира Земли после каждой катастрофы связана с «творческими актами божества». Учение Ч. Лайеля о медленных естественных преобразованиях лика Земли и классические труды Ч. Дарвина и В. О. Ковалевского об эволюционном развитии органического мира дали материалистическое обоснование палеонтологическому методу.

  В результате трудов нескольких поколений геологов была установлена общая последовательность накопления слоев земной коры, получившая название стратиграфической шкалы. Верхняя часть её (фанерозой) составлена при помощи палеонтологического метода с большой тщательностью. Для нижележащего отрезка шкалы (докембрий), соответствующего огромной по мощности толще пород, палеонтологический метод имеет ограниченное применение из-за плохой сохранности или отсутствия окаменелостей. Вследствие этого нижняя - докембрийская - часть стратиграфической шкалы расчленена менее детально. По степени метаморфизма горных пород и др. признакам докембрий делится на архей (или археозой) и протерозой. Верхняя - фанерозойская - часть шкалы делится на три группы (или эратемы): палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. Каждая группа делится на системы (всего в фанерозое 12 систем, см. табл. 1). Каждая система подразделяется на 2-3 отдела; последние в свою очередь делятся на ярусы и подчинённые им зоны. Как системы, так и многие ярусы могут быть прослежены на всех континентах, но большая часть зон имеет только местное значение. Наикрупнейшим подразделением шкалы, объединяющим несколько групп, служит эонотема (например, палеозойская, мезозойская и кайнозойская группы объединяются в фанерозойскую эонотему, или фанерозой). Стратиграфическая шкала является основой для создания соответствующей ей геохронологической шкалы, которая отражает последовательность отрезков времени, в течение которых формировались те или иные толщи пород. Каждому подразделению стратиграфической шкалы отвечают определённые подразделения геохронологической шкалы. Так, время, в течение которого отложились породы любой из систем, носит название периода. Отделам, ярусам и зонам отвечают промежутки времени, которые называются соответственно эпоха, век, время; группам соответствуют эры. Крупнейшему стратиграфическому подразделению - эонотеме - отвечает хронологический термин - эон. Существуют два эона - докембрийский, или криптозойский, и фанерозойский. Продолжительность более древнего - докембрийского эона составляет около ⁵/ ₆всей геологической истории Земли. Каждый из периодов фанерозойского эона, за исключением последнего - антропогенового (четвертичного), охватывает примерно равновеликие интервалы времени. Антропогеновая система, соответствующая времени существования человека, намного короче. Расчленение антропогена проводится, в отличие от других периодов, по фауне наземных млекопитающих, которая эволюционирует гораздо быстрее, чем морская фауна (в составе последней за время антропогена не произошло принципиальных изменений), а также на основе изучения ледниковых отложений, характеризующих эпохи всеобщего похолодания. Некоторые исследователи считают выделение антропогеновых отложений [см. Антропогеновая система (период) ] в особую систему неправомочным и рассматривают её как завершающий этап предшествующего неогенового периода.

  Подразделения стратиграфической шкалы, выделенные с помощью палеонтологического метода, и соответствующие им подразделения геологического времени, объединённые в единой геохронологической шкале, были утверждены в 1881 на 2-м Международном геологическом конгрессе в Болонье и с тех пор являются общепринятыми во всём мире. В дальнейшем, благодаря совершенствованию методов палеонтологические исследования и накоплению новых данных, в первоначальную схему геохронологии Земли вносятся некоторые изменения и уточнения.

  Абсолютная Г.В начале 20 в. П. Кюри во Франции и Э. Резерфорд в Великобритании предложили использовать радиоактивный распад химических элементов (см. Радиоактивность ) для определения абсолютного возраста горных пород и минералов. Принцип, положенный этими учёными в основу определений абсолютного возраста, используется до сих пор. Измерение возраста производится по содержанию продуктов радиоактивного распада в минералах. Процесс распада радиоактивных элементов происходит с постоянной скоростью. В результате радиоактивного распада появляются атомы устойчивых, уже нераспадающихся элементов, количество которых увеличивается пропорционально возрасту минерала. При этом принимается как достаточно обоснованное положение, что скорость радиоактивного распада в истории Земли всё время оставалась постоянной. Разные элементы распадаются с различной скоростью. Распад таких элементов, как уран, торий, калий и некоторых других, происходит очень медленно, на протяжении нескольких млрд. лет. Например, любое количество урана ( ²³⁸U) распадается наполовину за время, равное 4,51 ^.10 ⁹лет, тория ( ²³²Th) за 1.41 ^.10 ¹⁰лет. Эти долгоживущие элементы обычно и используются для определения абсолютного возраста горных пород и минералов.

  В 1907 по инициативе Э. Резерфорда Б. Болтвуд в Канаде определил возраст ряда радиоактивных минералов по накоплению в них свинца. В СССР инициатором радиологических исследований был В. И. Вернадский . Его начинания продолжили В. Г. Хлопин, И. Е. Старик, Э. К. Герлинг. В 1937 была создана Комиссия по определению абсолютного возраста геологических формаций.

  Цифры, полученные в результате первых определений абсолютного возраста пород, позволили английскому геологу А. Холмсу в 1938 предложить первую геохронологическую шкалу фанерозоя. Эта шкала неоднократно уточнялась и перерабатывалась. В табл. 1 она воспроизводится на основании новейших данных (Г. Д. Афанасьев, 1968).

 Табл. 1. - Геохронологическая шкала фанерозоя

*По разным данным, от 600 тыс. до 3,5 млн. лет.

  Геохронологическая шкала докембрия (см. табл. 2) из-за отсутствия остатков скелетной фауны построена главным образом по данным многократных определении абсолютного возраста магматических пород на различных материках, что позволило установить одновременность крупных тектономагматических циклов, лежащих в основе деления докембрия (см. Докембрийские эпохи складчатости ).

  Табл. 2. - Геохронологическая шкала докембрия

 Каждое из принятых в СССР подразделений докембрия - архей и протерозой - по длительности значительно превышает отдельные группы фанерозоя. Протерозой подразделяется на три части - нижний, средний и верхний. Последний вошёл в Г. под названием рифея , который многие геологи считают подразделением, соответствующим группе.

  Наиболее древние породы, найденные на Земле, имеют возраст около 3500 млн. лет и знаменуют собой начало архея. Пород, возникших в интервале времени от 3500 до 4500 млн. лет (предполагаемый возраст Земли), с достоверностью не обнаружено.

  Методы определения абсолютного возраста.Накопление продуктов радиоактивного распада в течение времени, положенное в основу определений абсолютного возраста, выражается формулой: D = Р (е ^{l t}- 1), где D -число атомов нерадиоактивного вещества, возникших за время t; Р -число атомов радиоактивного элемента в настоящий момент; е- основание натуральных логарифмов; l- константа распада, которая показывает, какая часть атомов радиоактивного элемента распадается за единицу времени (год, сутки, минуты и т.д.) по отношению к первоначальному количеству. Иногда скорость распада выражают периодом полураспада ( T) - временем, в течение которого любое количество вещества распадается наполовину. Отношение D/Pявляется функцией возраста ( t) минерала. Так:

  Отсюда возраст образца минерала ( t) может быть вычислен по формуле:

  Истинный возраст может быть определён в том случае, если отношение D/Pизменяется только от радиоактивного распада, т. е. минерал представляет собой замкнутую систему.

  Основные типы радиоактивного распада, используемые для определения возраста, следующие:

  ²³⁸U® ²⁰⁶Pb + 8 ⁴He,

  ²³⁵U® ²⁰⁷Pb + 7 ⁴He,

  ²³²Th® ²⁰⁸Pb + 6 ⁴He,

  ® ⁴⁰Ar

  ⁴⁰K + e®Ca + b

  ⁸⁷Rb® ⁸⁷Sr + b,

  ¹⁸⁷Re® ¹⁸⁷Os + b.

  В зависимости от конечных продуктов распада выделяют следующие методы ядерной Г:свинцовый (уран-торий-свинцовый), гелиевый, аргоновый (аргон-калиевый), кальциевый, стронциевый (стронциево-рубидиевый) и осмиевый. Наиболее широкое применение из них получили свинцовый, аргоновый и стронциевый.

  Свинцовый метод основан на исследованиях радиогенного свинца в минералах (уранините, монаците, цирконе, ортите). Он является наиболее достоверным, поскольку решение задачи о возрасте урано-ториевого минерала достигается по трем независимым уравнениям:

  Pb, U и Th обозначают содержание в минералах изотопов свинца, урана и тория; l ₁, l ₂и l ₃ - константы распада изотопов ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th.

  Если разделить уравнение (1) на (2), то получится уравнение

  Это уравнение даёт наиболее близкие к истинным значения возраста, что связано с малой его зависимостью от возможных потерь урана и свинца минералом на протяжении его геологической жизни. Оно позволяет вычислить возраст только по одному измеренному отношению , поскольку в настоящее время отношение  равно 137,7 и практически во всех минералах и горных породах одинаково. Совпадение значений возраста, полученных по всем четырём уравнениям, свидетельствует о хорошей сохранности исследованного минерала, правильности проведённых анализов и достоверности вычисленного абсолютного возраста. Измерение изотопного состава свинца производится на масс-спектрометре (см. Масс-спектроскопия ).

  Однако чаще различные уравнения дают разные значения возраста одного и того же минерала. В этом случае для установления истины прибегают к построению диаграммы в координатах ²⁰⁶Pb/ ²³⁸U: ²⁰⁷Pb/ ²³⁵U (см. ниже). На неё наносят кривую OA(конкордия), вычисленную теоретически для разных возрастов, и прямую OB(изохрона), на которую ложатся результаты измерений для нескольких исследованных одновозрастных минералов. Истинным возрастом считается значение на пересечении кривой OAс прямой OB.

 Поскольку все радиоактивные минералы содержат наряду с радиогенным свинцом примесь свинца обыкновенного, при вычислении возраста приходится вносить поправку. Для того, чтобы избежать этого, был предложен метод определения возраста, основанный на измерении изотопного состава свинца в нескольких минералах одной и той же породы с целью построения по полученным результатам изохроны. Диаграмма строится в координатах ²⁰⁷Pb/ ²⁰⁴Pb; ²⁰⁶Pb / ^{204 Pb}. Данные изотопного состава свинца минералов, если они одновозрастны, ложатся на одну прямую - изохрону. Тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс является отношением ²⁰⁷Pb/ ²⁰⁶Pb, по которому согласно формуле определяется возраст породы.

  Может быть вычислен также возраст обычных свинцовых минералов, если известен изотопный состав Pb. Обычный свинец состоит из смеси четырёх изотопов ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb, из которых ²⁰⁴Pb не связан с радиоактивным распадом и его содержание условно принимается за единицу.