Transcript лекції 1–3
Slide 1
ОСНОВИ ГЕОХІМІЇ
С.Є.Шнюков
Лекція 1
Поняття про сучасну
геохімію:
об’єкт та предмет геохімії,
її зв’язок з іншими дисциплінами
Slide 2
Вступ
(коротка характеристика дисципліни):
Навчальна дисципліна "Основи геохімії" є
базовою нормативною дисципліною, яка
викладається у 7-му семестрі на 4-му курсі при
підготовці фахівців-бакалаврів за спеціальністю
6.040103 – геологія (спеціалізації - геохімія і
мінералогія та геологія).
Її викладання передбачає 72 години лекцій,
самостійну роботу студентів, модульні контрольні
роботи.
Вивчення дисципліни завершується іспитом
(2 кредити ECTS).
Slide 3
Об’єктом вивчення навчальної дисципліни
"Основи геохімії" є хімічні елементи
(нейтральні атоми, іони, групи атомів), які
знаходяться в умовах земної кори та інших
геосфер.
Предметом вивчення навчальної дисципліни
"Основи геохімії" саме й є ті умови земної
кори та інших геосфер (мантії, ядра, гідросфери,
атмосфери, біосфери, тошо), що зумовлюють
процеси міграції, концентрування і розсіяння
хімічних елементів та призводять до
формування хімічного складу природних
об’єктів (гірських порід, руд, мінералів тощо),
який ми можемо безпосередньо спостерігати в
теперешній час.
Slide 4
Тобто можемо константувати, що геохімія
це наука про хімічний склад земної речовини,
розповсюдженість, розподіл, фізико-хімічні
процеси міграції, концентрування та розсіяння
хімічних елементів та їх ізотопів як у геосферах,
так і в масштабі всієї планети Земля.
Є й інші визначення геохімії як науки (Вернадський,
Ферсман, Віноградов, Гольдшмідт, Кларк тощо), які
наведені у рекомендованих до використання
підручниках. Згідно з найбільш широким з них до
складу так званої великої геохімії входять й
петрологія та мінералогія. Треба зауважити, що зараз
«сфера інтересів» геохімії розширилась й на інші
планети Сонячної системи. Ця тенденція ілюструє
зв’язок геохімії з космохімією, який буде
продемонстрований далі.
Slide 5
Головна відміна геохімія від хімії :
Хімія вивчає перетворення речовини в
найрізноманітних! діапазонах фізико-хімічних
(РТX) умов, які можуть бути спеціально та
досить довільно задані дослідниками.
Геохімія досліджує поведінку хімічних
елементів та їх ізотопів лише у специфічних та
більш вузьких! діапазонах фізико-хімічних
(РТX) умов, які властиві земним геосферам.
Наочною ілюстрацією цієї відміни є той факт, що в
лабораторних умовах хіміками одержано десятки тисяч
різноманітних тількі неорганічних сполук, а на Землі
зараз відомо лише більше 3500 мінеральних видів, які
утворені з тих самих хімічних елементів, але не в
довільних, а конкретних РТX-умовах земних геосфер.
Slide 6
Наголосимо, що саме тому ми й визначаємо
об’єкт та передмет геохімії таким чином:
Об’єктом вивчення навчальної дисципліни
"Основи геохімії" є хімічні елементи (нейтральні
атоми, іони, групи атомів), які знаходяться в умовах
земної кори та інших геосфер.
Предметом вивчення навчальної дисципліни
"Основи геохімії" саме й є ті умови земної кори та
інших геосфер (мантії, ядра, гідросфери,
атмосфери, біосфери, тошо), що зумовлюють
процеси міграції, концентрування і розсіяння
хімічних елементів та призводять до формування
хімічного складу природних об’єктів (гірських
порід, руд, мінералів тощо), який ми можемо
безпосередньо спостерігати у теперешній час.
Slide 7
Саме тому:
Метою і завданням навчальної дисципліни "Основи
геохімії" є ознайомлення студентів з теоретичними
засадами та сучасними методами геохімії та останніми
досягненнями цієї науки.
В результаті вивчення дисципліни студенти повинні
вміти проаналізувати і пояснити хід природних
мінерало-, петро- і рудоутворючих процесів з точки
зору поведінки хімічних елементів в залежності від їх
геохімічних властивостей та РТX-умов зовнішнього
середовища.
Slide 8
Місце дисципліни в структурно-логічній схемі спеціальності:
Нормативна навчальна дисципліна "Основи геохімії" є важливою та
невід’ємною складовою частиною циклу професійної підготовки
фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня "бакалавр" за спеціальністю
„Геологія” (всі спеціалізації, але перш за все „геохімія і мінералогія”).
Дисципліна "Основи геохімії" розрахована на студентів-бакалаврів, які
успішно засвоїли курси “речовинного” профілю „Фізика”, „Хімія”,
„Мінералогія”, „Петрографія” тощо. Поряд з іншими дисциплінами
геохімічного напрямку вона складає чітку послідовність у
навчальному плані спеціалізації “геохімія і мінералогія”.
Тобто, для бакалаврів спеціалізації “геохімія і мінералогія” має
місце наступний ряд дисциплін геохімічного напрямку:
“Основи аналітичної геохімії” – “Методи дослідження мінеральної
речовини” – “Основи фізична геохімія” – “Основи космохімії” – “Основи
геохімії” – “Основи ізотопної геохімії” – “Геохімічні методи пошуків” –
“Методи обробки геохімічних даних”.
Цей ряд продовжується у магістерській програмі за спеціальністю
“геохімія і мінералогія”:
“Прикладна фізична геохімія”, „Методи фізико-хімічного моделювання
геологічних процесів”, „Методи ізотопної геохронології” тощо.
Slide 9
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
1. Поняття про сучасну геохімію
Загальний зміст, об’єкт, предмет та головні завдання геохімії як
науки.
Історія виникнення та розвитку геохімії як наукової дисципліни.
Сучасне положення геохімії серед природничих наук, її взаємодія
з мінералогією, петрологією, геофізикою та іншими науками про
Землю.
Сучасні завдання та розділи геохімії, їх зміст та предмет. Загальне
теоретичне та практичне значення геохімії.
Значення геохімічних досліджень для прогнозування, пошуків,
розвідки корисних коплин та комплексного використання
мінеральних ресурсів.
Геохімія та екологія. Значення еколого-геохімічних досліджень
для охорони навколишнього середовища.
Роль геохімічних даних у біології, сільському господарстві,
медицині, сучасних та перспективних промислових технологіях.
Slide 10
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
2. Методи геохімії
Сучасні інструментальні методи елементного, ізотопного та
фазового аналізу як основа одержання первинних фактичних
даних.
Статистичний аналіз первинних даних як головний метод
одержання оцінок фундаментальних параметричних геохімічних
показників.
Термодинамічний аналіз поведінки хімічних елементів як метод
дослідження ендогенних та екзогенних природничих систем.
Значення експериментальних досліджень в геохімії.
Кількісне геохімічне моделювання як засіб комплексного синтезу
та інтерпретації спостережених (аналітично одержаних),
термодинамічних та експериментальних геохімічних даних.
Slide 11
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
3. Загальна геохімічна характеристика планети Земля та її геосфер. (1)
Метеорити, їх склад, класифікація та значення для геохімії.
Космічна розповсюдженість хімічних елементів та їх походження
(нуклеосинтез). Закон Ферсмана-Гольдшмідта щодо поширеності
елементів у природі.
Склад, будова та походження Сонячної системи.
Будова та геохімія планет земної групи у порівнянні з існуючими
даними щодо планет-гігантів, зовнішніх планет та малих тіл Сонячної
системи.
Земля, її походження та загальний склад. Будова внутрішніх
оболонок Землі в світлі геофізичних даних та результатів
експериментальних досліджень.
Slide 12
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
3. Загальна геохімічна характеристика планети Земля та її геосфер. (2)
Розповсюдженість хімічних елементів в земній корі. Кларки
елементів та методи їх визначення.
Мантія Землі, її мінеральний та хімічний склад. Джерела наявних
даних. Примітивна та деплетована мантія. Поняття про мантійні
геохімічні резервуари.
Ядро Землі. Обмеженість наявних даних та їх джерела. Сучасні
уявлення про фазовий та хімічний склад ядра Землі.
Гідросфера Землі, її будова та границі. Типи природних вод. Геохімія
океанічних, континетальних та підземних вод. Взаємодія континент
— океан — атмосфера. Походження гідросфери та її еволюція в
геологічній історії.
Атмосфера Землі. Її границі, будова, склад, походження та еволюція.
Біосфера та техносфера. Визначення понять. Геохімічне та
геологічне значення живої речовини та людської діяльності.
Slide 13
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
4. Хімічні елементи та їх ізотопи в геохімії (1)
Будова та розміри атомів та іонів
Елементарні частки та розподіл електронів в атомах.
Атомні радіуси хімічних елементів.
Іонні радіуси хімічних елементів.
Потенціали іонізації та спорідненість до електрону атомів та іонів.
Електронегативність хімічних елементів.
Кислотно-основні властивості хімічних елементів.
Типи хімічного зв’язку та їх значення для геохімії.
Кристалохімія та їзоморфізм. Головні типи ізоморфізму та його
геохімічне значення.
Slide 14
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
4. Хімічні елементи та їх ізотопи в геохімії (2)
Ізотопи та радіоактивність
Будова ядер атомів і геохімічні особливості елементів. Поняття про
нукліди. Розповсюдженість (поширеність) атомів у природі як
функція будови їх ядер.
Ядерні процеси у природі. Значення радіоактивних (K, U, Th)
елементів як джерела енергії у еволюції Землі. Поняття про
"вимерлі" елементи (на прикладі “проблеми 61-го (Pm) елементу”).
Радіоактивні ізотопи та їх значення для геохімії. Поняття про методи
визначення віку геологічних об’єктів (U-Pb, K-Ar, Rb-Sr, Sm-Nd та
інші). Використання радіогенних ізотопів Sr, Nd, Pb для
встановлення генезису та історії формування геологічних об'єктів.
Поширення та геохімія стабільних ізотопів. Кінетичний та
термодинамічний ізотопні ефекти. Ізотопна геотермометрія. Ізотопи
H, O, C і S та їх роль як індикаторів генезису та умов формування
геологічних об’єктів.
Slide 15
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
4. Хімічні елементи та їх ізотопи в геохімії
(3)
Геохімічна класифікація елементів.
Періодична система елементів Д. І. Менделеєва в геохімії.
Геохімічні класифікації елементів Вернадського, Заварицького,
Гольдшмідта, Ферсмана.
Сучасна геохімічна класифікація елементів.
Slide 16
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
5. Фактори, які контролюють розподіл хімічних елементів в геосферах. (1)
Головні поняття та засоби, які використовуються в дослідженні
розподілу елементів (макро- та мікрокомпоненти природних систем,
рівноважний, ефективний та комбінований коефіцієнти розподілу елементів,
методи їх визначення; хондритнормалізовані графіки та їх використання для
інтерпретації розподілу рідкісноземельних елементів, зокрема полівалентних,
тощо).
Структурний контроль розподілу елементів. Структура силікатних
розплавів. Зв’язок ступеню їх полімерізації та поведінки елементів в процесі
кристалізації магм. Вплив структури мінеральних фаз та властивостей
ізоморфних елементів (заряди та ефективні радіуси іонів) на значення їх
коефіцієнтів розподілу мінерал/розплав.
Термодинамічний контроль розподілу елементів. Закриті та відкриті
геохімічні системи. Інертні та цілком рухливі компоненти систем. Інтенсивні
та екстенсивні параметри їх стану. Хімічна рівновага в природних системах
та її умови. Концентрація та активність, їх співвідношення для макро- та
мікрокомпонентів. Константа рівноваги та її залежність від температури та
інших факторів. Співідношення між константами рівноваги реакцій
міжфазового обміну елементів та їх коефіцієнтами розподілу.
Slide 17
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
5. Фактори, які контролюють розподіл хімічних елементів в геосферах. (2)
Кінетичний контроль розподілу елементів. Швидкість дифузії
компонентів як головний кінетичний фактор. Типи дифузії. Коефіцієнт
дифузії та його залежність від температури та ступеню полімерізації
розплаву. Дифузія в кристалах. Зародження та швидкість росту кристалів в
природних системах як кінетичний фактор. Вплив кінетичних факторів на
коефіцієнти розподілу хімічних елементів.
Поєднаний вплив структурного, термодинамічного та кінетичного
факторів на розподіл елементів в геологічних об’єктах (на прикладі
сучасних моделей поведінки рідкісних елементів в процесах часткового
плавлення та кристалізації розплавів).
Розсіяний та концентрований стан елементів в природі,
інтенсивність та типи їх міграції.
Slide 18
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
6. Геохімія ендогенних систем (1)
Магматичні та магматогенно-гідротермальні системи. (1)
Поняття про магматичну еволюцію та її фактори. Магматичні та
магматогенно-гідротермальні рудогенеруючі системи. Теоретичне та
прикладне значення їх геохімічного дослідження.
Рівні генерації магматичних розплавів (коровий, мантійний) та методи іх
визначення.
Часткового плавлення як механізм магмогенерації. Рівноважна та фракційна
теоретичні моделі поведінки рідкісних елементів в цьому процесі. Їх
порівняльне значення для дослідження реальних геологічних утворень.
Кристалізаційна диференціація магматичних розплавів як головний фактор
магматичної еволюції. Ліквація розплавів, її петролого-геохімічне значення.
Рівноважна та фракційна теоретичні моделі поведінки рідкісних елементів в
процесі кристалізаційної диференціації магматичних розплавів. Їх
порівняльне значення для дослідження реальних магматичних комплексів.
Співвідношення складу розплавів та магматичних порід. Геохімічні критерії
відміни магматичних серій, сформованих в процесах часткового плавлення
та кристалізаційної диференціації магм. Геохімічні ознаки кристалізації
розплавів за фракційною моделлю.
Slide 19
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
6. Геохімія ендогенних систем (2)
Магматичні та магматогенно-гідротермальні системи. (2)
Роль комбінованих коефіцієнтів розподілу хімічних елементів та розчинності
акцесорних мінералів в магматичній еволюції.
Ефективність фракціювання та контамінація розплавів як фактори магматичної
еволюції. Їх геохімічне значення.
Використання експериментальних даних щодо розчинності акцесорних фаз в
силікатних розплавах для визначення температурного режиму функціювання
магматичних систем.
Флюїдний режим магматичної еволюції та його геохімічне значення. Розчинність води
в розплавах, засоби визначення їх водонасиченості. Умови генерації магматогенних
флюїдів.
Розподіл елементів між рідкою (розплав) та флюїдною фазами магмтичних систем.
Методи визначення коефіцієнтів розподілу флюїд/розплав. Їх геохімічне та практичне
значення.
Формування магматичних, пегматитових та магматогенно-гідротермальних рудних
родовищ в ході магматичної еволюції. Геохімічні критерії потенційної рудогенеруючої
спроможності магм.
Комплексування різних теоретичних моделей поведінки елементів при частковому
плавленні та кристалізації розплавів в дослідженні зв’язку та співвідношення процесів
генерації магм та їх подальшої еволюції.
Slide 20
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
6. Геохімія ендогенних систем (3)
Метаморфічні системи.
Типи метаморфізму. Сучасні та палеогеотермічні градієнти, методи їх
визначення. Фації та фізико-хімічні умови регіонального метаморфізму.
Поведінка хімічних елементів в процесі регіонального метаморфізму.
Геохімічні ознаки первинного складу метаморфічних порід.
Метаморфічні системи як джерело рудоносних гідротермальних розчинів.
Формування метаморфогенних рудних родовищ.
Гідротермально-метасоматичні системи.
Джерела гідротермальних розчинів, їх склад та фізико-хімічні умови
існування.
Метасоматична зональність, інфільтраційний та дифузійний типи
метасоматозу.
Міграція елементів в гідротермальних розчинах, фільтраційних ефект, його
геохімічна роль.
Геохімічні риси головних продуктів гідротермального та метасоматичного
процесів.
Геохімічний взаємозв’язок ендогенних рудоутворюючих систем.
Slide 21
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
7. Геохімія седиментогенезу
Хімічний склад та розповсюдженість осадової оболонки Землі.
Геохімія процесів вивітрювання в арідних та гумідних кліматичних
зонах. Колоїди в земній корі.
Типи літогенезу та його фізико-хімічні фактори (температура, тиск,
окисно-відновні умови тощо). Процеси галогенезу. Роль органічної
речовини у процесах осадкоутворення.
Геохімія основних типів осадових порід.
Головні геохімічні типи осадочних родовищ та родовищ кори
вивітрювання.
Slide 22
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
8. Геохімічна еволюція Землі.
Геохімічна диференціація первинної земної речовини. Формування мантії та
ядра.
Примітивна мантія Землі як джерело речовини для формування земної кори.
Виникнення системи мантія — кора та загальна спрямованість її еволюції.
Часткове плавлення на мантійному та коровому рівні глибин і подальша
магматична еволюція розплавів як головний механізм формування
континентальної кори. Роль мантійних геохімічних резервуарів в цьому
процесі.
Формування океанічної кори. Роль процесу корового рециклювання в
геохімічній еволюції верхньої мантії та земної кори в цілому.
Сучасні моделі росту континентальної кори та взаємовідносин мантія —
кора.
Дегазація мантії та її геохімічне значення.
Головні тенденції еволюції та геохімічний взаємозв’язок процесів
седиментогенезу, магматизму, метаморфізму. Металогенічні епохи, їх
практичне значення.
Slide 23
Тобто, загальний план курсу:
1. Поняття про сучасну геохімію
2. Методи геохімії
3. Загальна геохімічна характеристика планети Земля та її геосфер
4. Хімічні елементи та їх ізотопи в геохімії
Будова та розміри атомів та іонів
Ізотопи та радіоактивність
Геохімічна класифікація елементів.
5. Фактори, які контролюють розподіл хімічних елементів в геосферах. (1)
Головні поняття та засоби, які використовуються в дослідженні розподілу елементів
Структурний контроль розподілу елементів.
Термодинамічний контроль розподілу елементів.
Кінетичний контроль розподілу елементів.
Поєднаний вплив структурного, термодинамічного та кінетичного факторів на
розподіл елементів в геологічних об’єктах (на прикладі сучасних моделей поведінки рідкісних
елементів в процесах часткового плавлення та кристалізації розплавів).
Розсіяний та концентрований стан елементів в природі, інтенсивність та типи їх
міграції.
6. Геохімія ендогенних систем
Магматичні та магматогенно-гідротермальні системи
Метаморфічні системи
Гідротермально-метасоматичні системи
Геохімічний взаємозв’язок ендогенних рудоутворюючих систем
7. Геохімія седиментогенезу
8. Геохімічна еволюція Землі
Slide 24
Тобто, загальний план курсу: ОБНОВЛЯЕМЫЙ ВАРИАНТ
1. Поняття про сучасну геохімію та її методи
2. Хімічні елементи в геохімії
Будова атомів та іонів
Важливі для геохімії властивості хімічних елементів
Геохімічна класифікація елементів
3. Загальна геохімічна характеристика планети Земля та її геосфер
4. Фактори, які контролюють розподіл хімічних елементів в геосферах
Головні поняття та засоби, які використовуються в дослідженні розподілу елементів
Структурний контроль розподілу елементів.
Термодинамічний контроль розподілу елементів.
Кінетичний контроль розподілу елементів.
Поєднаний вплив структурного, термодинамічного та кінетичного факторів на поведінку
елементів в геохімічних процесах.
Розсіяний та концентрований стан елементів в природі, інтенсивність та типи їх міграції.
5. Ізотопи та радіоактивність
6. Геохімія ендогенних систем
Магматичні та магматогенно-гідротермальні системи
Метаморфічні системи
Гідротермально-метасоматичні системи
Геохімічний взаємозв’язок ендогенних рудоутворюючих систем
7. Геохімія седиментогенезу
8. Геохімічна еволюція Землі
9. Значення геохімії для вирішення актуальних теоретичних та прикладних задач
Slide 25
Повернемось до ряду дисциплін геохімічного профілю:
“Основи аналітичної геохімії” – “Методи дослідження мінеральної
речовини” – “Основи фізична геохімія” – “Основи космохімії” – “Основи
геохімії” – “Основи ізотопної геохімії” – “Геохімічні методи пошуків” –
“Методи обробки геохімічних даних”. – лабораторні
заняття
Цей ряд продовжується у магістерській програмі за спеціальністю
“геохімія і мінералогія”:
“Прикладна фізична геохімія”, „Методи фізико-хімічного моделювання
геологічних процесів”, „Методи ізотопної геохронології” тощо.
Slide 26
Зв’язок геохімії з іншими науками
Геологія:
Мінералогія
Космологія
Геохімія
Космогонія
Петрологія
Космохімія
Астрономія
Прикладні
дисципліни
Хімія
Фізика
Астрофізика
Slide 27
Завдання для самостійної роботи:
Визначення науки “Геохімія”
Галузі використання геохімічних даних
Рекомендована література,
інтернет-ресурси.
Slide 28
ПЕРЕЛІК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
Основна:
Барабанов В.Ф. Геохимия. — Л.: Недра, 1985. — 422 с.
Войткевич Г.В., Закруткин В.В. Основы геохимии. — М.: Высшая
школа, 1976. - 365 с.
Мейсон Б. Основы геохимии — М.: Недра, 1971. — 311 с.
Хендерсон П. Неорганическая геохимия. — М.: Мир, 1985. — 339 с.
Тугаринов А.И. Общая геохимия. — М.: Атомиздат, 1973. — 288 с.
Додаткова:
Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г.
Справочник по геохимии. — М.: Недра, 1990. — 480 с.
Geochemistry and Mineralogy of Rare Earth Elements / Ed.: B.R.Lipin
& G.A.McKay. – Reviews in Mineralogy, vol. 21. — Mineralogical Society
of America, 1989. – 348 p.
White W.M. Geochemistry -2001
Slide 29
ОСНОВИ ГЕОХІМІЇ
С.Є.Шнюков
Лекція 2
Поняття про сучасну
геохімію:
історія виникнення та
розвитку геохімії, її сучасні
завдання та розділи
Slide 30
Геохімія – молода наука.
Історія її створення та розвитку є типовою для багатьох перспективних наукових
галузей (ядерна фізика, космохімія, космологія, космохімія тощо).
Головні періоди (етапи) історії геохімії
назвемо таким чином:
Етап 1.
“Загальнонауковий”:
античність – друга половина XIX сторіччя н.е.
Етап 2.
“Етап формування та інтенсивного розвитку”:
друга половина XIX сторіччя – 1950-ті ...1960-ті роки
Етап 3.
“Сучасний” :
1960-ті роки – 2020-ті ??? роки
Зауважимо що: 3-й етап, звичайно, не є останнім. Вже зараз (починаючи
з кінця 1980-х – початку 1990-х років) спостерігаються наявні ознаки
переходу до наступного етапу розвитку геохімії та всього комплексу
споріднених дисциплін. Назвемо цей етап “перспективним”. Хронологічні
межи цього та інших етапів, а також реперні ознаки переходу від одного
етапу до іншого раціонально обгрунтувати надаючи їх коротку
характеристику.
Slide 31
Тому ІСТОРІЮ нашої дисципліни ми розглянемо більш широко. Поділемо її (звичайно
умовно) на три періоди (етапи), які не мають чітких хронологічних меж. При цьому ми
обов’язково будемо брати до уваги зв’язки КОСМОХІМІЇ з іншими науковими
дисциплінами, перш за все з астрономією,
астрофізикою, фізикою та
геохімією, які ми вже розглядали раніше:
Геологія:
Мінералогія
Космологія
Геохімія
Космогонія
Петрологія
Космохімія
Астрономія
Прикладні
дисципліни
Хімія
Фізика
Астрофізика
Slide 32
Етап 1:
“Загальнонауковий”
(античність – друга половина XIX сторіччя)
Характризується поступовим, але дуже повільним процесом відкриття хімічних
елементів, а також накопичення інформації щодо хімічног складу мінералів,
гірських порід та інших природних об’єктів. Значна частина х.е. саме й відкрита
при дослідженні мінералів, гірських порід та природних мінералізованих вод. У
XIX сторіччі цей процесс значно прискорився.
Оскільки науки геохімії ще не існувало, приоритет у цих дослідженнях належить
спочатку вченим широкого профілю, а потім – мінералогам та хімікам:
Античність – Теофраст, Пліній (перші спорстереження над хімічними процесами у
земній корі та їх загальнофілософська інтерпретація з позицій, які ми зараз вважаємо
геохімічними).
XVII-XVIII сторіччя – англієць Р.Бойль (перші дослідження хімії атмосфери та
природних вод), росіянин М.Ломоносов (обгрунтування значення хімії у дослідженні
процесів формування вугілля, торфу, нафти), француз А.Лавуазьє (засади геохімії
газів атмосфери та геохімії природних вод) ........
Перша половина XIX сторіччя – шведський хімік Берцеліус (великі, піонерські праці у
галузі хім. аналізу порід, мінералів, вод, а також відкриття багатьох хімічних елементів
– Th, Ce, Se, одержання у чистому вигляді Si,Ti,Zr), англійський мінералог В.Філіпс ще
у 1815 р. зробив сбробу оцінити середній вміст елементів (10 шт.) у земній корі, іншу
таку спробу зробили німці К.Шпренгель та І.Брейтгаупт, які створили, за думкою
В.І.Вернадського, пробраз кларків. Більш того, у 1838 р. з’явився термін “Геохімія”
(Шонбейн, Швейцарія). [До речі, термін “геологія” введено лише на 60 років раніше у 1778 р. (англіець швейцарського походження Жан Де Люк)]
Висновок: У середині с XIX сторіччя вчені різних спеціальностей (хіміки
мінералоги) сформували всі передумови створення геохімії як окремої науки.
Але недостатність існуючого фактичного (емпіричного) матеріалу та недостатній
рівень розвитку засобів його одержання (аналітичні методи) заважали зробити
наступний крок.
Slide 33
Етап 2. “Етап формування та інтенсивного розвитку”:
друга половина XIX сторіччя – 1950-ті ...1960-ті роки
Передумовою цього етапу є бурхливий науково-технічний розвиток:
Густав Кирхгоф та Роберт Бунзен (Гейдельберг, Німеччина) –
винайдення першого спектроскопу (1859 р.), що призвело до широкого
застосування спектрального аналізу для дослідження різноманітних
гірських порід, Сонця, зірок. Так, вже у 1868 р. англійці Дж.Локьер та
Н.Погсон за допомогою цього методу відкрили на Сонці новий елемент
– гелій. (Cs, Rb …). Зауважимо, що для цього вже тоді застосовувався
саме ФІЗИЧНИЙ метод, що харктерно для всього подальшого розвитку
геохімії.
Д.І.Менделєєв (Росія) – відкриття періодичного закону (1869 р.)
Бурхливий розвиток аналітичної хімії.
Це забезпечило широкі можливості одержання даних щодо концентрацій
головних та мікроелементів (major and trace elements) у гірських
породах, мінералах тощо, а також теоретичну базу для ынтерпретацыъ
цих даних.
Але дійсне створення сучасної ГЕОХІМІЇ почалось з праць трьох
засновників цієї науки – Кларка (США), Вернадського (Росія) та
Гольдшмідта (Германія, Норвегія)
Познайомимось з цими видатними вченими
Slide 34
Френк Уиглсуорт Кларк
(Frank Wigglesworth Clarke )
19.03.1847, Бостон — 23.05.1931, Вашингтон
Видатний американский геохимик, член Академии
искусств и наук (1911).
1867 р. — закінчив Гарвардський університет
1874-1883 рр. — профессор университета в
Цинциннати.
1883-1924 рр. — головний хімік Геологічної
Служби США (USGS).
Головні праці присвятив дослідженню хімічного
складу різноманітних геологічних утворень.
Вперше коректно оцінив середній склад
земної кори (визначив кларки елементів).
Slide 35
Владимир Иванович Вернадский
28.02.1863, СПб
— 6.01.1945, Москва
Владимир Иванович Вернадский родился в Санкт-Петербурге.
В 1885 окончил физико-математический факультет
Петербурского университета. В 1898 — 1911 профессор
Московского университета.
В круг его интересов входили геология и кристаллография,
минералогия и геохимия, радиогеология и биология,
биогеохимия и философия.
Деятельность Вернадского оказала огромное влияние на
развитие наук о Земле, на становление и рост АН СССР,
на мировоззрение многих людей.
В 1915 — 1930 председатель Комиссии по изучению
естественных производственных сил России, был одним
из создателей плана ГОЭЛРО. Комиссия внесла огромный
вклад в геологическое изучение Советского Союза и
создание его независимой минерально-сырьевой базы.
С 1912 академик РАН (позже АН СССР ). Один из основателей
и первый президент ( 27 октября 1918) Украинской АН.
С 1922 по 1939 директор организованного им Радиевого
института. В период 1922 — 1926 работал за границей в
Праге и Париже.
Опубликовано более 700 научных трудов.
Основал новую науку — биогеохимию, и сделал огромный
вклад в геохимию. С 1927 до самой смерти занимал
должность директора Биогеохимической лаборатории при
АН СССР. Был учителем целой плеяды советских
геохимиков. Наибольшую известность принесло учение о
ноосфере.
Создал закон о повсеместной распространенности х. э.
Первым широко применял спектральный анализ.
Slide 36
Виктор Мориц Гольдшмидт
(Victor Moritz Goldschmidt)
27.01.1888, Цюрих
— 20.03.1947, Осло
Виктор Мориц Гольдшмидт родился в Цюрихе. Его родители,
Генрих Д. Гольдшмидт (Heinrich J. Goldschmidt) и Амели Коэн
(Amelie Koehne) назвали своего сына в честь учителя отца,
Виктора Майера. Семья Гольдшмидта переехала в Норвегию в
1901 году, когда Генрих Гольдшмидт получил должность
профессора химии в Кристиании (старое название Осло).
Первая научная работа Гольдшмидта называлась «Контактовый
метаморфизм в окрестностях Кристиании». В ней он впервые
применил термодинамическое правило фаз Гиббса к
геологическим объектам.
Серия его работ под названием «Геохимия элементов»
(Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente) считается
началом геохимии. Работы Гольдшмидта о атомных и ионных
радиусах оказали большое влияние на кристаллохимию.
Гольдшмидт предложил геохимическую классификации элементов,
закон изоморфизма названый его именем. Выдвинул одну из
первых теорий относительно состава и строения глубин Земли,
причем предсказания Гольдшмидта подтвердились в
наибольшей степени. Одним из первых рассчитал состав
верхней континентальной коры.
Во время немецкой оккупации Гольдшмидт был арестован, но
незадолго до запланированной отправки в концентрационный
лагерь был похищен Норвежским Сопротивлением, и
переправлен в Швецию. Затем он перебрался в Англию, где
жили его родственники.
После войны он вернулся в Осло, и умер там в возрасте 59 лет. Его
главный труд — «Геохимия» — был отредактирован и издан
посмертно в Англии в 1954 году.
Slide 37
Тісна співпраця наук та їх провідних
представників:
Важливим є те, що результати досліджень
перелічених дисциплін були
комплементарними. Так, наприклад, геохімія
разом з астрономією забезпечувала одержання
оцінок космічної розповсюдженості елементів, а
фізика розробляла моделі нуклеосинтезу, які
дозволяли теоретично розрахувати
розповсюдженість елементів виходячи з кожної
моделі. Зрозуміло, що відповідність емпіричних
та модельних оцінок є критерієм адекватності
моделі. Використання такого класичного
підходу дозволило помітно вдосконалити
теорію нуклеосинтезу та космологічні концепції,
перш за все концепцію «Великого Вибуху».
Така співпраця між геохімією та фізикою була
тісною та плідною. Її ілюструє досить рідкісне
фото цього слайду.
В.М. Гольдшмідт та А. Ейнштейн на
одному з о-вів Осло-фіорду (Норвегія),
де вони знайомились з палеозойскими
осадочними породами (1920 р.)
Slide 38
Ферсман Олександр Євгенович
(1883, СПб – 1945, Сочі)
Навчався: Новоросійський та Московський ун-ти, учень
В.І.Вернадського , який керував його першими роботами.
Аспірантура — Германія (рук. — В.М.Гольдшмидт),
присвячена дослідженню кристалів алмазу (монография
«Алмаз»).
У 1912 р. О.Є. Ферсман стає професором Московського
університету, де читає перший у світі курс геохімії.
1917-1945 рр. — директор Мінералогічного музею РАН, який
зараз носить його ім’я.
1920 р. — інициатор створення першого у СРСР
Ільменського державного наукового заповідника.
1920-30-ті рр. — відкриття унікальних родовищ світового
класу — Мончегорського мідно-нікелевого та Хибинського
апатитового.
1930-ті рр. — фундаментальна праця «Геохімія» (4 т.), праці в
області геохімії космосу та прикладної (пошукової) геохімї,
детальне, класичне дослідження пегматитів (монографія
«Мінералогія гранітних пегматитів»).
Академік СПб Імператорської Академії Наук з 1912 р.,
академік АН СРСР (РАН) з 1919 р. Віце-президент АН СРСР
(1926-1929 рр.).
Slide 39
Александр Павлович Виноградов
9.08.1895, СПб
— 16.11.1975, Москва
Ученик и ближайший сотрудник В. И. Вернадского.
Окончил Военно-медицинскую академию и химический
факультет Ленинградского университета в 1924г.
Академик АН СССР (1953), вице-президент АН СССР
(1967-1975).
Ддиректор института геохимии и аналитической химии
им. В. И. Вернадского АН СССР с 1947г. Основатель его
прецизионной аналитической базы.
В 1953г. основал и возглавил кафедру геохимии
геологического факультета МГУ, зав. кафедрой геохимии
МГУ (1953-1975 гг.)
Геохимии: проводил идею создания физико-химической
теории геологических процессов. Оопределил средний
состав главных пород Земли. Предложил гипотезу
универсального механизма образования оболочек планет
на основе зонного плавления силикатной фазы и
разработал представление о химической эволюции
Земли. Развил в СССР геохимию изотопов и геохимию
океана и методы изотопной геохронологии.
Биогеохимия: ввёл понятие «биогеохимические
провинции», развил биогеохимический метод поисков
полезных ископаемых.
Космохимия: хим. состав метеоритов, планет (Луна,
Венера).
Slide 40
Бурксер Євген Самійлович
•Піонер ізотопно-геохімічних та
геохронологічних досліджень в Україні
•
•Проф. Київського Університету
•Більшу частину життя працював у
Інституті Геологічних наук НАНУ
Slide 41
Етап 3.
“Сучасний” : 1960-ті роки – 2020-ті ??? роки
Ми можемо сказати, що саме починаючи з цього етапу почалась епоха
“кількісної геохімії”. Передумовою цього етапу є подальший, ще більш
інтенсивний науково-технічний розвиток:
Розвиток аналітичної техніки (ICP, MS, XRF, EMP, PMP, SHRIMP, LA-ICP-MS)
Широке застосування фізико-хімічних підходів до інтерпретації геохімічних
даних
Широке використання експериментальних досліджень – моделюються системи,
які наближені до прирородних (магматичних, гідротермальних)
Застосування методів математичного моделювання геохімічних процесів
Широке використання численних новітніх космохімічних даних
Все це зумовило перехід до створення комплексних геохімічних (петрологогеохімічних) моделей ендогенних та екзогенних систем, в тому числі до
моделей, які описують міграцію елементів при формуванні геосфер Землі
(моделі планетарного масштабу). Таким чином, геохімія починає “віддавати”свої
потужні моливості в петрологію, мінералогію, геодинаміку ... . Поступово вона
стає узагальнюючою науковою дисципліною, яка саме й спроможна
сформувати коректне, повне та системне уявлення про планетарну еволюцію
планети Земля та її геосфер.
Звичайно, що такий розвиток можливостей призвів й до розквіту прикладних
розділів геохімії, насамперед пошукової та екологічної геохімії.
В сучасних умовах геохімія займає почесне місце серед найбільш розвинутих
геологічних дисциплін. Перелік видатних постатей серед вчених, які внесли
суттєвий внесок у розвиток геохімії на 3-му етапі її розвитку дуже великий. В
цьому переліку звичайно такі вчені як С. Р. Тейлор, Мак-Леннан, К. Г. Ведеполь,
В.Гриффин, Д.Шоу, В. Уайт, багато інших закордонних дослідників, а також:
Slide 42
Коржинский Дмитрий Сергеевич (1899-1985) – один из
крупнейших петрологов и геохимиков всего 20-го века.
Создатель: (1) теории термодинамически открытых систем
с вполне подвижными компонентами, которые являются
моделью природных минералообразующих процессов,
(2) теории метасоматических процессов и формирования
метасоматической зональности (диффузионный и
инфильтрационный типы), (3) теории кислотно-основной
эволюции постмагматических гидротермальных растворов,
(4) гипотезы о потоках трансмагматических флюидов ……
Жариков Вилен Андреевич. Академик РАН, доктор геол.мин. наук, директор Института экспериментальной
минералогии АН СССР, профессор, зав. кафедрой
геохимии геологического факультета МГУ, Опубликовал
более 300 научных работ в оласти теоретической и
экспериментальной геохимии, минералогии, петрологии
Рябчиков Игорь Дмитриевич - геохимик, доктор геол.-мин. наук, профессор
кафедры геохимии геологического факультета МГУ, академик РАH.
Создатель теории поведения элементов-примесей в магматических системах,
предложил термодинамические методы оценки коэффициента распределения,
провел комплекс экспериментальных исследований систем, моделирующих
процессы формирования рудоносных флюидов при кристаллизации магм.
Первым выполнил серию экспериментальных исследований, которые
позволили установить механизм генерации алмазоносных лампроитовых и
кимберлитовых магм.
Slide 43
Сучасна геохімія є цільною та системною, але й досит розгалудженою
наукою. Які ж задачі вона вирішує та які ж розділи входять до її складу?
Відповідаючи на це запитання слід пригадати загальні зв’язки геохімії з
іншими природничими дисциплінами, які ми вже розглідали раніше:
Геологія:
Космологія
Мінералогія
Геохімія
Космогонія
Петрологія
Космохімія
Прикладні
дисципліни
Хімія
Фізика
Астрономія
Астрофізика
Slide 44
Тобто, найважливіші задачі геохімії:
Визначення відносної та абсолютної
розповсюдженості хімічних елементів та їх ізотопів в
геосферах Землі та інших планет (зв’язок з
КОСМОХІМІЄЮ!).
Дослідження розподілу та міграції хімічних елементів
при формуванні геосфер Землі та у їх межах.
Визначення факторів, що контролюють поведінку
елементів у геохімічних процесах їх міграції,
розсіяння та концентрування.
Встановлення законів та закономірностей поведінки
елементів в процесах формування геосфер Землі та
функціонування природних, в тому числі
рудогенеруючих систем.
Вирішення прикладних завдань (пошукова геохімія та
екологічна геохімія).
Slide 45
Розділи геохімії:
Геохімія геосфер (кори, мантії, атмосфери, гідросфери).
Геохімія природних, в тому числі рудогенеруючих
систем/процесів (магматичних, гідротермальних,
метаморфічних, тощо).
Геохімія окремих елементів та їх груп (геохімія платиноїдів,
елементів групи заліза, рідкісних елементів, рідкісноземельних
елементів, радіоактивних елементів, тощо).
Ізотопна геохімія (визначення віку геологічних утворень,
встановлення генетичного зв’язку рудної речовини з
різноманітними ендогенними джерелами, оцінка пропорцій
змішування різних джерел та їх хімічного складу, термометрія).
Біогеохімія.
Геохімія техногенезу та екологічна геохімія.
Пошукова геохімія.
Аналітична геохімія.
..............................................
Slide 46
Ці завдання геохімія вирішує за допомогою
раціональної системи методів дослідницьких “інструментів” кожного її
розділу:
Аналітичні методи.
Статистичний аналіз.
Термодинамічний аналіз.
Кількісне геохімічне моделювання процесів та
систем.
Slide 47
ОСНОВИ ГЕОХІМІЇ
С.Є.Шнюков
Лекція 3
Методи геохімії
Slide 48
Тобто, найважливіші задачі геохімії:
Визначення відносної та абсолютної
розповсюдженості хімічних елементів та їх ізотопів в
геосферах Землі та інших планет (зв’язок з
КОСМОХІМІЄЮ!).
Дослідження розподілу та міграції хімічних елементів
при формуванні геосфер Землі та у їх межах.
Визначення факторів, що контролюють поведінку
елементів у геохімічних процесах їх міграції,
розсіяння та концентрування.
Встановлення законів та закономірностей поведінки
елементів в процесах формування геосфер Землі та
функціонування природних, в тому числі
рудогенеруючих систем.
Вирішення прикладних завдань (пошукова геохімія та
екологічна геохімія).
Slide 49
Розділи геохімії:
Геохімія геосфер (кори, мантії, атмосфери, гідросфери).
Геохімія природних, в тому числі рудогенеруючих
систем/процесів (магматичних, гідротермальних,
метаморфічних, тощо).
Геохімія окремих елементів та їх груп (геохімія платиноїдів,
елементів групи заліза, рідкісних елементів, рідкісноземельних
елементів, радіоактивних елементів, тощо).
Ізотопна геохімія (визначення віку геологічних утворень,
встановлення генетичного зв’язку рудної речовини з
різноманітними ендогенними джерелами, оцінка пропорцій
змішування різних джерел та їх хімічного складу, термометрія).
Біогеохімія.
Геохімія техногенезу та екологічна геохімія.
Пошукова геохімія.
Аналітична геохімія.
..............................................
Slide 50
Ці завдання геохімія вирішує за допомогою
раціональної системи методів дослідницьких “інструментів” кожного її
розділу:
Аналітичні методи.
Статистичний аналіз.
Термодинамічний аналіз.
Кількісне геохімічне моделювання процесів та
систем.
Slide 51
Класифікація базових аналітичних методів геохімії
Аналітичні методи
Валові методи:
аналіз макроб’єктів (породи ...)
Визначення
елементного складу
Макрокомпоненти
Визначення
ізотопного складу
Мікрокомпоненти
Локальні методи:
аналіз мікроб’єктів (мінерали ....)
Визначення
елементного
складу
Визначення
ізотопного та
елементного
складу
Мас-спектрометрія
(MS)
Електронно-зондовий
мікроаналіз (EMP)
Рентгенофлуоресцентна
спектрометрія (XRF)
Методи
“мокрої хімії”
Рентгено-флуоресцентна
спектрометрія (XRF)
LA-ICP-MS
Протонно-зондовий
мікроаналіз (PMP, PIXE)
Атомно-емісійна спектрометрія
з індуктивно зв’язаною плазмою (ICP-AES)
SIMS (SHRIMP)
XRF-MP/SG
Мас-спектрометрія з індуктивно
зв’язаною плазмою (ICP-MS)
Атомно-абсорбційна
спектроскопія (AAS)
Slide 52
Кларки провідних петротипів (сине) та ідеалізовані вимоги (максимальні та
мінімільні) до межі визначення (МВ) елементів (червоне):
1000000
100000
10000
1000
C, ppm
100
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Z
Максимальні вимоги: МВ = 0.1 мінімального кларку елемента
Мінімальні вимоги: МВ = 0.2 кларку елемента в найбільш
розповсюджених гірських породах
100
Slide 53
Реальні можливості (МВ) методу AAS-Flame у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
AAS-Flame
1000
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
Z
AAS-Flame - пламенная атомно-абсорбционная
спектроскопия
80
90
100
Slide 54
Реальні можливості (МВ) методу ICP-AES у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
ICP-AES
1000
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
Z
ICP-AES - атомно-эмиссионная спектроскопия с
индуктивно-связанной плазмой;
80
90
100
Slide 55
Реальні можливості (МВ) методу ICP-MS у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
1000
ICP-MS
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Z
ICP-MS - масс-спектрометрия с индуктивно-связанной
плазмой
90
100
Slide 56
Реальні можливості (МВ) методу AES-Arc у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
AES-Arc
1000
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Z
AES-Arc - атомно-эмиссионная спектроскопия с дуговой
атомизацией
90
100
Slide 57
Реальні можливості (МВ) методу XRF у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
1000
XRF
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
Z
XRF - рентгенофлуоресцентная спектроскопия
80
90
100
Slide 58
Реальні можливості (МВ) методу INAA у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
INAA
1000
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Z
INAA - инструментальный нейтронно-активационный
анализ.
90
100
Slide 59
Реальні можливості (МВ) методу ICP-MS при аналізі розчинів:
ICP-MS - масс-спектрометрия с индуктивно-связанной
плазмой
Slide 60
Метод ICP-MS на теперешній час – найбільш перспективний:
10000
1000
ICP-MS
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Z
ICP-MS - масс-спектрометрия с индуктивно-связанной
плазмой
90
100
Slide 61
Контроль систематичної похибки елементного аналізу гірських порід
100
10
S iO 2
С реднее по
ан али зу С О,
ма с .%
K 2O
1
а
C aO
0 ,1
При визначенні
концентрацій головних
компонентів
(макроелементів)
Al 2 O 3
N a2O
P 2O 5
А т т е с т а т С О , ма с .%
0 ,0 1
0 ,0 1
0 ,1
1
10000
10
100
С реднее по
Ba
ан али зу С О,
При визначенні
концентрацій
домішкових
компонентів
(мікроелементів)
1000
Sr
ppm
Zr
Rb
Ce
б
100
Y
La
Аттестат С О, p p m
10
10
100
1000
10000
Slide 62
НДЛ мінералого-геохімічних досліджень
Методи дослідження:
4. Рентгенофлуоресцентний аналіз вмісту макрокомпонентів в порошкових
пробах гірських порід та інших неорганічних матеріалів
SiO2
Рез. вимірів
75
65
55
45
Концентрації
35
35
Спектрометр рентгенівський
багатоканальний СРМ-25
45
55
65
75
Результати визначення концентрації SiO2 в
стандартних зразках гірських порід з
використанням методу фундаментальних
параметрів (рожеве) та альфа-корекції
(жовте)
Slide 63
Енергодисперсійний спектр стандартного зразка VS-N (Франція)
Slide 64
Класифікація базових аналітичних методів геохімії
Аналітичні методи
Валові методи:
аналіз макроб’єктів (породи ...)
Визначення
елементного
складу
Макрокомпоненти
Рентгенофлуоресцентні
методи (XRF)
Методи
“мокрої хімії”
Локальні методи:
аналіз мікроб’єктів (мінерали ....)
Визначення
ізотопного
складу
Мікрокомпоненти
Рентгенофлуоресцентні
методи (XRF)
Мас-спектрометрія
(MS)
ICP-AES
ICP-MS
AAS
Визначення
елементного
складу
Визначення
ізотопного та
елементного
складу
Електронно-зондовий
мікроаналіз (EMP)
LA-ICP-MS
Протонно-зондовий
мікроаналіз (PMP)
SIMS (SHRIMP)
Slide 65
Принципова схема електронного мікроскопа-мікроаналізатора
1 - нитка накалювання;
2 – електронна гармата;
3 – конденсорна лінза;
4 – стабілізація струму
зонда; 5 – освітлення
зразка; 6 – об’єктивна
лінза; 7 – підсилювач;
8 – вихід пропорційного
лічильника;
9 – амплітудний аналізатор
імпульсів; 10 - рахункова
схема; 11 – інтенсиметр або
персональний комп’ютер;
12 – спектрометр м’якого
рентгенівського
випромінювання;
13 – вихід сцинтиляційного
лічильника;
14 – спектрометр жорсткого
рентгенівського
випромінювання;
15 – зразок; 16 – самопис
або принтер.
Slide 66
Електронно-зондовий
мікроаналіз (EMP)
X-ray Mapping of a zoned Garnet.
CAMECA SX100
Slide 67
НДЛ мінералого-геохімічних досліджень
Методи дослідження:
3. Електронно-мікрозондовий аналіз хімічного складу мінералів та інших
неорганічних сполук
Розподіл концентрацій SiO2, Al2O3, K2O, Na2O та CaO
вздовж зерна калієвого польового шпату розміром 0,2 мм
80
SiO2
70
60
C, %
50
Модифікований
електронний
мікроскоп мікроаналізатор
РЕММА-202М
40
30
Al2O3
20
K2O
Na2O
10
CaO
0
0
20
40
60
80
100
L, мкм
120
140
160
180
200
Slide 68
НДЛ мінералого-геохімічних досліджень
Методи дослідження:
6. Рентгенофлуоресцентний аналіз хімічного складу поодиноких зерен мінералів
розміром від 0.02 мм
Принципова схема та діючий спектрометр для дослідження поодиноких зерен мінералів
(розробка НДЛ)
Slide 69
Енергодисперсійний спектр стандартного зразка VS-N (Франція)
Slide 70
Принципова схема магнітного мас-спектрометра
Slide 71
Мас-спектрометрія вторинних іонів SIMS
CAMECA IMS 7f is a
magnetic sector SIMS
with top performances in
trace element depth
profiling and secondary
ion microscopy.
CAMECA IMS
1280 -LARGE
RADIUS
MAGNETIC
SECTOR SIMS
FOR
GEOLOGY
Slide 72
LA-ICP-MS
Мас-спектрометр
Система лазерної
абляції
Slide 73
1 ,3
А НА Л И З / NIST 610
Мак с им у м
1 ,2
1 ,1
1
0 ,9
Средн ее
Мин им у м
U
Th
Pb
Ta
Hf
Lu
Yb
Er
Ho
Dy
Tb
Gd
Eu
Sm
Nd
Pr
Ce
La
Ba
Nb
Zr
Y
Sr
As
Ga
Fe
V
Ti
0 ,7
Sc
0 ,8
Систематическая и случайная погрешности метода LAM-ICP-MS по
данным многократного контрольного анализа (N = 49) стандарта
NIST 610 при исследовании элементного состава образцов сравнения
Kovd-ZR и Kovd-AP.
Slide 74
Thorium mapping in zircon
grain
U/Pb Concordia diagram.
Slide 75
Slide 76
1000
EMP
X R F -M P
V, %
LA M -IC P -M S (1)
PMP
V = 100 %
100
ПО: V =50 % ( 2V =100 % )
ПК А : V =25 % ( 2V =50 % )
10
ППА : V =5 %
( 2V =10 % )
LA M -IC P -M S (2)
1
C , ppm
0,1
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
Сравнительная характеристика XRF-MP, LAM-ICP-MS и других современных
локальных аналитических методов на основе принципиальных зависимостей
случайной погрешности анализа (V, %) от концентрации определяемых элементов
(C, ppm). Для LAM-ICP-MS приведены оценки рядовых (1) и максимально точных
[138] (2) определений.
ОСНОВИ ГЕОХІМІЇ
С.Є.Шнюков
Лекція 1
Поняття про сучасну
геохімію:
об’єкт та предмет геохімії,
її зв’язок з іншими дисциплінами
Slide 2
Вступ
(коротка характеристика дисципліни):
Навчальна дисципліна "Основи геохімії" є
базовою нормативною дисципліною, яка
викладається у 7-му семестрі на 4-му курсі при
підготовці фахівців-бакалаврів за спеціальністю
6.040103 – геологія (спеціалізації - геохімія і
мінералогія та геологія).
Її викладання передбачає 72 години лекцій,
самостійну роботу студентів, модульні контрольні
роботи.
Вивчення дисципліни завершується іспитом
(2 кредити ECTS).
Slide 3
Об’єктом вивчення навчальної дисципліни
"Основи геохімії" є хімічні елементи
(нейтральні атоми, іони, групи атомів), які
знаходяться в умовах земної кори та інших
геосфер.
Предметом вивчення навчальної дисципліни
"Основи геохімії" саме й є ті умови земної
кори та інших геосфер (мантії, ядра, гідросфери,
атмосфери, біосфери, тошо), що зумовлюють
процеси міграції, концентрування і розсіяння
хімічних елементів та призводять до
формування хімічного складу природних
об’єктів (гірських порід, руд, мінералів тощо),
який ми можемо безпосередньо спостерігати в
теперешній час.
Slide 4
Тобто можемо константувати, що геохімія
це наука про хімічний склад земної речовини,
розповсюдженість, розподіл, фізико-хімічні
процеси міграції, концентрування та розсіяння
хімічних елементів та їх ізотопів як у геосферах,
так і в масштабі всієї планети Земля.
Є й інші визначення геохімії як науки (Вернадський,
Ферсман, Віноградов, Гольдшмідт, Кларк тощо), які
наведені у рекомендованих до використання
підручниках. Згідно з найбільш широким з них до
складу так званої великої геохімії входять й
петрологія та мінералогія. Треба зауважити, що зараз
«сфера інтересів» геохімії розширилась й на інші
планети Сонячної системи. Ця тенденція ілюструє
зв’язок геохімії з космохімією, який буде
продемонстрований далі.
Slide 5
Головна відміна геохімія від хімії :
Хімія вивчає перетворення речовини в
найрізноманітних! діапазонах фізико-хімічних
(РТX) умов, які можуть бути спеціально та
досить довільно задані дослідниками.
Геохімія досліджує поведінку хімічних
елементів та їх ізотопів лише у специфічних та
більш вузьких! діапазонах фізико-хімічних
(РТX) умов, які властиві земним геосферам.
Наочною ілюстрацією цієї відміни є той факт, що в
лабораторних умовах хіміками одержано десятки тисяч
різноманітних тількі неорганічних сполук, а на Землі
зараз відомо лише більше 3500 мінеральних видів, які
утворені з тих самих хімічних елементів, але не в
довільних, а конкретних РТX-умовах земних геосфер.
Slide 6
Наголосимо, що саме тому ми й визначаємо
об’єкт та передмет геохімії таким чином:
Об’єктом вивчення навчальної дисципліни
"Основи геохімії" є хімічні елементи (нейтральні
атоми, іони, групи атомів), які знаходяться в умовах
земної кори та інших геосфер.
Предметом вивчення навчальної дисципліни
"Основи геохімії" саме й є ті умови земної кори та
інших геосфер (мантії, ядра, гідросфери,
атмосфери, біосфери, тошо), що зумовлюють
процеси міграції, концентрування і розсіяння
хімічних елементів та призводять до формування
хімічного складу природних об’єктів (гірських
порід, руд, мінералів тощо), який ми можемо
безпосередньо спостерігати у теперешній час.
Slide 7
Саме тому:
Метою і завданням навчальної дисципліни "Основи
геохімії" є ознайомлення студентів з теоретичними
засадами та сучасними методами геохімії та останніми
досягненнями цієї науки.
В результаті вивчення дисципліни студенти повинні
вміти проаналізувати і пояснити хід природних
мінерало-, петро- і рудоутворючих процесів з точки
зору поведінки хімічних елементів в залежності від їх
геохімічних властивостей та РТX-умов зовнішнього
середовища.
Slide 8
Місце дисципліни в структурно-логічній схемі спеціальності:
Нормативна навчальна дисципліна "Основи геохімії" є важливою та
невід’ємною складовою частиною циклу професійної підготовки
фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня "бакалавр" за спеціальністю
„Геологія” (всі спеціалізації, але перш за все „геохімія і мінералогія”).
Дисципліна "Основи геохімії" розрахована на студентів-бакалаврів, які
успішно засвоїли курси “речовинного” профілю „Фізика”, „Хімія”,
„Мінералогія”, „Петрографія” тощо. Поряд з іншими дисциплінами
геохімічного напрямку вона складає чітку послідовність у
навчальному плані спеціалізації “геохімія і мінералогія”.
Тобто, для бакалаврів спеціалізації “геохімія і мінералогія” має
місце наступний ряд дисциплін геохімічного напрямку:
“Основи аналітичної геохімії” – “Методи дослідження мінеральної
речовини” – “Основи фізична геохімія” – “Основи космохімії” – “Основи
геохімії” – “Основи ізотопної геохімії” – “Геохімічні методи пошуків” –
“Методи обробки геохімічних даних”.
Цей ряд продовжується у магістерській програмі за спеціальністю
“геохімія і мінералогія”:
“Прикладна фізична геохімія”, „Методи фізико-хімічного моделювання
геологічних процесів”, „Методи ізотопної геохронології” тощо.
Slide 9
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
1. Поняття про сучасну геохімію
Загальний зміст, об’єкт, предмет та головні завдання геохімії як
науки.
Історія виникнення та розвитку геохімії як наукової дисципліни.
Сучасне положення геохімії серед природничих наук, її взаємодія
з мінералогією, петрологією, геофізикою та іншими науками про
Землю.
Сучасні завдання та розділи геохімії, їх зміст та предмет. Загальне
теоретичне та практичне значення геохімії.
Значення геохімічних досліджень для прогнозування, пошуків,
розвідки корисних коплин та комплексного використання
мінеральних ресурсів.
Геохімія та екологія. Значення еколого-геохімічних досліджень
для охорони навколишнього середовища.
Роль геохімічних даних у біології, сільському господарстві,
медицині, сучасних та перспективних промислових технологіях.
Slide 10
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
2. Методи геохімії
Сучасні інструментальні методи елементного, ізотопного та
фазового аналізу як основа одержання первинних фактичних
даних.
Статистичний аналіз первинних даних як головний метод
одержання оцінок фундаментальних параметричних геохімічних
показників.
Термодинамічний аналіз поведінки хімічних елементів як метод
дослідження ендогенних та екзогенних природничих систем.
Значення експериментальних досліджень в геохімії.
Кількісне геохімічне моделювання як засіб комплексного синтезу
та інтерпретації спостережених (аналітично одержаних),
термодинамічних та експериментальних геохімічних даних.
Slide 11
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
3. Загальна геохімічна характеристика планети Земля та її геосфер. (1)
Метеорити, їх склад, класифікація та значення для геохімії.
Космічна розповсюдженість хімічних елементів та їх походження
(нуклеосинтез). Закон Ферсмана-Гольдшмідта щодо поширеності
елементів у природі.
Склад, будова та походження Сонячної системи.
Будова та геохімія планет земної групи у порівнянні з існуючими
даними щодо планет-гігантів, зовнішніх планет та малих тіл Сонячної
системи.
Земля, її походження та загальний склад. Будова внутрішніх
оболонок Землі в світлі геофізичних даних та результатів
експериментальних досліджень.
Slide 12
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
3. Загальна геохімічна характеристика планети Земля та її геосфер. (2)
Розповсюдженість хімічних елементів в земній корі. Кларки
елементів та методи їх визначення.
Мантія Землі, її мінеральний та хімічний склад. Джерела наявних
даних. Примітивна та деплетована мантія. Поняття про мантійні
геохімічні резервуари.
Ядро Землі. Обмеженість наявних даних та їх джерела. Сучасні
уявлення про фазовий та хімічний склад ядра Землі.
Гідросфера Землі, її будова та границі. Типи природних вод. Геохімія
океанічних, континетальних та підземних вод. Взаємодія континент
— океан — атмосфера. Походження гідросфери та її еволюція в
геологічній історії.
Атмосфера Землі. Її границі, будова, склад, походження та еволюція.
Біосфера та техносфера. Визначення понять. Геохімічне та
геологічне значення живої речовини та людської діяльності.
Slide 13
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
4. Хімічні елементи та їх ізотопи в геохімії (1)
Будова та розміри атомів та іонів
Елементарні частки та розподіл електронів в атомах.
Атомні радіуси хімічних елементів.
Іонні радіуси хімічних елементів.
Потенціали іонізації та спорідненість до електрону атомів та іонів.
Електронегативність хімічних елементів.
Кислотно-основні властивості хімічних елементів.
Типи хімічного зв’язку та їх значення для геохімії.
Кристалохімія та їзоморфізм. Головні типи ізоморфізму та його
геохімічне значення.
Slide 14
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
4. Хімічні елементи та їх ізотопи в геохімії (2)
Ізотопи та радіоактивність
Будова ядер атомів і геохімічні особливості елементів. Поняття про
нукліди. Розповсюдженість (поширеність) атомів у природі як
функція будови їх ядер.
Ядерні процеси у природі. Значення радіоактивних (K, U, Th)
елементів як джерела енергії у еволюції Землі. Поняття про
"вимерлі" елементи (на прикладі “проблеми 61-го (Pm) елементу”).
Радіоактивні ізотопи та їх значення для геохімії. Поняття про методи
визначення віку геологічних об’єктів (U-Pb, K-Ar, Rb-Sr, Sm-Nd та
інші). Використання радіогенних ізотопів Sr, Nd, Pb для
встановлення генезису та історії формування геологічних об'єктів.
Поширення та геохімія стабільних ізотопів. Кінетичний та
термодинамічний ізотопні ефекти. Ізотопна геотермометрія. Ізотопи
H, O, C і S та їх роль як індикаторів генезису та умов формування
геологічних об’єктів.
Slide 15
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
4. Хімічні елементи та їх ізотопи в геохімії
(3)
Геохімічна класифікація елементів.
Періодична система елементів Д. І. Менделеєва в геохімії.
Геохімічні класифікації елементів Вернадського, Заварицького,
Гольдшмідта, Ферсмана.
Сучасна геохімічна класифікація елементів.
Slide 16
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
5. Фактори, які контролюють розподіл хімічних елементів в геосферах. (1)
Головні поняття та засоби, які використовуються в дослідженні
розподілу елементів (макро- та мікрокомпоненти природних систем,
рівноважний, ефективний та комбінований коефіцієнти розподілу елементів,
методи їх визначення; хондритнормалізовані графіки та їх використання для
інтерпретації розподілу рідкісноземельних елементів, зокрема полівалентних,
тощо).
Структурний контроль розподілу елементів. Структура силікатних
розплавів. Зв’язок ступеню їх полімерізації та поведінки елементів в процесі
кристалізації магм. Вплив структури мінеральних фаз та властивостей
ізоморфних елементів (заряди та ефективні радіуси іонів) на значення їх
коефіцієнтів розподілу мінерал/розплав.
Термодинамічний контроль розподілу елементів. Закриті та відкриті
геохімічні системи. Інертні та цілком рухливі компоненти систем. Інтенсивні
та екстенсивні параметри їх стану. Хімічна рівновага в природних системах
та її умови. Концентрація та активність, їх співвідношення для макро- та
мікрокомпонентів. Константа рівноваги та її залежність від температури та
інших факторів. Співідношення між константами рівноваги реакцій
міжфазового обміну елементів та їх коефіцієнтами розподілу.
Slide 17
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
5. Фактори, які контролюють розподіл хімічних елементів в геосферах. (2)
Кінетичний контроль розподілу елементів. Швидкість дифузії
компонентів як головний кінетичний фактор. Типи дифузії. Коефіцієнт
дифузії та його залежність від температури та ступеню полімерізації
розплаву. Дифузія в кристалах. Зародження та швидкість росту кристалів в
природних системах як кінетичний фактор. Вплив кінетичних факторів на
коефіцієнти розподілу хімічних елементів.
Поєднаний вплив структурного, термодинамічного та кінетичного
факторів на розподіл елементів в геологічних об’єктах (на прикладі
сучасних моделей поведінки рідкісних елементів в процесах часткового
плавлення та кристалізації розплавів).
Розсіяний та концентрований стан елементів в природі,
інтенсивність та типи їх міграції.
Slide 18
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
6. Геохімія ендогенних систем (1)
Магматичні та магматогенно-гідротермальні системи. (1)
Поняття про магматичну еволюцію та її фактори. Магматичні та
магматогенно-гідротермальні рудогенеруючі системи. Теоретичне та
прикладне значення їх геохімічного дослідження.
Рівні генерації магматичних розплавів (коровий, мантійний) та методи іх
визначення.
Часткового плавлення як механізм магмогенерації. Рівноважна та фракційна
теоретичні моделі поведінки рідкісних елементів в цьому процесі. Їх
порівняльне значення для дослідження реальних геологічних утворень.
Кристалізаційна диференціація магматичних розплавів як головний фактор
магматичної еволюції. Ліквація розплавів, її петролого-геохімічне значення.
Рівноважна та фракційна теоретичні моделі поведінки рідкісних елементів в
процесі кристалізаційної диференціації магматичних розплавів. Їх
порівняльне значення для дослідження реальних магматичних комплексів.
Співвідношення складу розплавів та магматичних порід. Геохімічні критерії
відміни магматичних серій, сформованих в процесах часткового плавлення
та кристалізаційної диференціації магм. Геохімічні ознаки кристалізації
розплавів за фракційною моделлю.
Slide 19
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
6. Геохімія ендогенних систем (2)
Магматичні та магматогенно-гідротермальні системи. (2)
Роль комбінованих коефіцієнтів розподілу хімічних елементів та розчинності
акцесорних мінералів в магматичній еволюції.
Ефективність фракціювання та контамінація розплавів як фактори магматичної
еволюції. Їх геохімічне значення.
Використання експериментальних даних щодо розчинності акцесорних фаз в
силікатних розплавах для визначення температурного режиму функціювання
магматичних систем.
Флюїдний режим магматичної еволюції та його геохімічне значення. Розчинність води
в розплавах, засоби визначення їх водонасиченості. Умови генерації магматогенних
флюїдів.
Розподіл елементів між рідкою (розплав) та флюїдною фазами магмтичних систем.
Методи визначення коефіцієнтів розподілу флюїд/розплав. Їх геохімічне та практичне
значення.
Формування магматичних, пегматитових та магматогенно-гідротермальних рудних
родовищ в ході магматичної еволюції. Геохімічні критерії потенційної рудогенеруючої
спроможності магм.
Комплексування різних теоретичних моделей поведінки елементів при частковому
плавленні та кристалізації розплавів в дослідженні зв’язку та співвідношення процесів
генерації магм та їх подальшої еволюції.
Slide 20
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
6. Геохімія ендогенних систем (3)
Метаморфічні системи.
Типи метаморфізму. Сучасні та палеогеотермічні градієнти, методи їх
визначення. Фації та фізико-хімічні умови регіонального метаморфізму.
Поведінка хімічних елементів в процесі регіонального метаморфізму.
Геохімічні ознаки первинного складу метаморфічних порід.
Метаморфічні системи як джерело рудоносних гідротермальних розчинів.
Формування метаморфогенних рудних родовищ.
Гідротермально-метасоматичні системи.
Джерела гідротермальних розчинів, їх склад та фізико-хімічні умови
існування.
Метасоматична зональність, інфільтраційний та дифузійний типи
метасоматозу.
Міграція елементів в гідротермальних розчинах, фільтраційних ефект, його
геохімічна роль.
Геохімічні риси головних продуктів гідротермального та метасоматичного
процесів.
Геохімічний взаємозв’язок ендогенних рудоутворюючих систем.
Slide 21
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
7. Геохімія седиментогенезу
Хімічний склад та розповсюдженість осадової оболонки Землі.
Геохімія процесів вивітрювання в арідних та гумідних кліматичних
зонах. Колоїди в земній корі.
Типи літогенезу та його фізико-хімічні фактори (температура, тиск,
окисно-відновні умови тощо). Процеси галогенезу. Роль органічної
речовини у процесах осадкоутворення.
Геохімія основних типів осадових порід.
Головні геохімічні типи осадочних родовищ та родовищ кори
вивітрювання.
Slide 22
УЗАГАЛЬНЕНИЙ НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
ЛЕКЦІЙ І ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ:
8. Геохімічна еволюція Землі.
Геохімічна диференціація первинної земної речовини. Формування мантії та
ядра.
Примітивна мантія Землі як джерело речовини для формування земної кори.
Виникнення системи мантія — кора та загальна спрямованість її еволюції.
Часткове плавлення на мантійному та коровому рівні глибин і подальша
магматична еволюція розплавів як головний механізм формування
континентальної кори. Роль мантійних геохімічних резервуарів в цьому
процесі.
Формування океанічної кори. Роль процесу корового рециклювання в
геохімічній еволюції верхньої мантії та земної кори в цілому.
Сучасні моделі росту континентальної кори та взаємовідносин мантія —
кора.
Дегазація мантії та її геохімічне значення.
Головні тенденції еволюції та геохімічний взаємозв’язок процесів
седиментогенезу, магматизму, метаморфізму. Металогенічні епохи, їх
практичне значення.
Slide 23
Тобто, загальний план курсу:
1. Поняття про сучасну геохімію
2. Методи геохімії
3. Загальна геохімічна характеристика планети Земля та її геосфер
4. Хімічні елементи та їх ізотопи в геохімії
Будова та розміри атомів та іонів
Ізотопи та радіоактивність
Геохімічна класифікація елементів.
5. Фактори, які контролюють розподіл хімічних елементів в геосферах. (1)
Головні поняття та засоби, які використовуються в дослідженні розподілу елементів
Структурний контроль розподілу елементів.
Термодинамічний контроль розподілу елементів.
Кінетичний контроль розподілу елементів.
Поєднаний вплив структурного, термодинамічного та кінетичного факторів на
розподіл елементів в геологічних об’єктах (на прикладі сучасних моделей поведінки рідкісних
елементів в процесах часткового плавлення та кристалізації розплавів).
Розсіяний та концентрований стан елементів в природі, інтенсивність та типи їх
міграції.
6. Геохімія ендогенних систем
Магматичні та магматогенно-гідротермальні системи
Метаморфічні системи
Гідротермально-метасоматичні системи
Геохімічний взаємозв’язок ендогенних рудоутворюючих систем
7. Геохімія седиментогенезу
8. Геохімічна еволюція Землі
Slide 24
Тобто, загальний план курсу: ОБНОВЛЯЕМЫЙ ВАРИАНТ
1. Поняття про сучасну геохімію та її методи
2. Хімічні елементи в геохімії
Будова атомів та іонів
Важливі для геохімії властивості хімічних елементів
Геохімічна класифікація елементів
3. Загальна геохімічна характеристика планети Земля та її геосфер
4. Фактори, які контролюють розподіл хімічних елементів в геосферах
Головні поняття та засоби, які використовуються в дослідженні розподілу елементів
Структурний контроль розподілу елементів.
Термодинамічний контроль розподілу елементів.
Кінетичний контроль розподілу елементів.
Поєднаний вплив структурного, термодинамічного та кінетичного факторів на поведінку
елементів в геохімічних процесах.
Розсіяний та концентрований стан елементів в природі, інтенсивність та типи їх міграції.
5. Ізотопи та радіоактивність
6. Геохімія ендогенних систем
Магматичні та магматогенно-гідротермальні системи
Метаморфічні системи
Гідротермально-метасоматичні системи
Геохімічний взаємозв’язок ендогенних рудоутворюючих систем
7. Геохімія седиментогенезу
8. Геохімічна еволюція Землі
9. Значення геохімії для вирішення актуальних теоретичних та прикладних задач
Slide 25
Повернемось до ряду дисциплін геохімічного профілю:
“Основи аналітичної геохімії” – “Методи дослідження мінеральної
речовини” – “Основи фізична геохімія” – “Основи космохімії” – “Основи
геохімії” – “Основи ізотопної геохімії” – “Геохімічні методи пошуків” –
“Методи обробки геохімічних даних”. – лабораторні
заняття
Цей ряд продовжується у магістерській програмі за спеціальністю
“геохімія і мінералогія”:
“Прикладна фізична геохімія”, „Методи фізико-хімічного моделювання
геологічних процесів”, „Методи ізотопної геохронології” тощо.
Slide 26
Зв’язок геохімії з іншими науками
Геологія:
Мінералогія
Космологія
Геохімія
Космогонія
Петрологія
Космохімія
Астрономія
Прикладні
дисципліни
Хімія
Фізика
Астрофізика
Slide 27
Завдання для самостійної роботи:
Визначення науки “Геохімія”
Галузі використання геохімічних даних
Рекомендована література,
інтернет-ресурси.
Slide 28
ПЕРЕЛІК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
Основна:
Барабанов В.Ф. Геохимия. — Л.: Недра, 1985. — 422 с.
Войткевич Г.В., Закруткин В.В. Основы геохимии. — М.: Высшая
школа, 1976. - 365 с.
Мейсон Б. Основы геохимии — М.: Недра, 1971. — 311 с.
Хендерсон П. Неорганическая геохимия. — М.: Мир, 1985. — 339 с.
Тугаринов А.И. Общая геохимия. — М.: Атомиздат, 1973. — 288 с.
Додаткова:
Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г.
Справочник по геохимии. — М.: Недра, 1990. — 480 с.
Geochemistry and Mineralogy of Rare Earth Elements / Ed.: B.R.Lipin
& G.A.McKay. – Reviews in Mineralogy, vol. 21. — Mineralogical Society
of America, 1989. – 348 p.
White W.M. Geochemistry -2001
Slide 29
ОСНОВИ ГЕОХІМІЇ
С.Є.Шнюков
Лекція 2
Поняття про сучасну
геохімію:
історія виникнення та
розвитку геохімії, її сучасні
завдання та розділи
Slide 30
Геохімія – молода наука.
Історія її створення та розвитку є типовою для багатьох перспективних наукових
галузей (ядерна фізика, космохімія, космологія, космохімія тощо).
Головні періоди (етапи) історії геохімії
назвемо таким чином:
Етап 1.
“Загальнонауковий”:
античність – друга половина XIX сторіччя н.е.
Етап 2.
“Етап формування та інтенсивного розвитку”:
друга половина XIX сторіччя – 1950-ті ...1960-ті роки
Етап 3.
“Сучасний” :
1960-ті роки – 2020-ті ??? роки
Зауважимо що: 3-й етап, звичайно, не є останнім. Вже зараз (починаючи
з кінця 1980-х – початку 1990-х років) спостерігаються наявні ознаки
переходу до наступного етапу розвитку геохімії та всього комплексу
споріднених дисциплін. Назвемо цей етап “перспективним”. Хронологічні
межи цього та інших етапів, а також реперні ознаки переходу від одного
етапу до іншого раціонально обгрунтувати надаючи їх коротку
характеристику.
Slide 31
Тому ІСТОРІЮ нашої дисципліни ми розглянемо більш широко. Поділемо її (звичайно
умовно) на три періоди (етапи), які не мають чітких хронологічних меж. При цьому ми
обов’язково будемо брати до уваги зв’язки КОСМОХІМІЇ з іншими науковими
дисциплінами, перш за все з астрономією,
астрофізикою, фізикою та
геохімією, які ми вже розглядали раніше:
Геологія:
Мінералогія
Космологія
Геохімія
Космогонія
Петрологія
Космохімія
Астрономія
Прикладні
дисципліни
Хімія
Фізика
Астрофізика
Slide 32
Етап 1:
“Загальнонауковий”
(античність – друга половина XIX сторіччя)
Характризується поступовим, але дуже повільним процесом відкриття хімічних
елементів, а також накопичення інформації щодо хімічног складу мінералів,
гірських порід та інших природних об’єктів. Значна частина х.е. саме й відкрита
при дослідженні мінералів, гірських порід та природних мінералізованих вод. У
XIX сторіччі цей процесс значно прискорився.
Оскільки науки геохімії ще не існувало, приоритет у цих дослідженнях належить
спочатку вченим широкого профілю, а потім – мінералогам та хімікам:
Античність – Теофраст, Пліній (перші спорстереження над хімічними процесами у
земній корі та їх загальнофілософська інтерпретація з позицій, які ми зараз вважаємо
геохімічними).
XVII-XVIII сторіччя – англієць Р.Бойль (перші дослідження хімії атмосфери та
природних вод), росіянин М.Ломоносов (обгрунтування значення хімії у дослідженні
процесів формування вугілля, торфу, нафти), француз А.Лавуазьє (засади геохімії
газів атмосфери та геохімії природних вод) ........
Перша половина XIX сторіччя – шведський хімік Берцеліус (великі, піонерські праці у
галузі хім. аналізу порід, мінералів, вод, а також відкриття багатьох хімічних елементів
– Th, Ce, Se, одержання у чистому вигляді Si,Ti,Zr), англійський мінералог В.Філіпс ще
у 1815 р. зробив сбробу оцінити середній вміст елементів (10 шт.) у земній корі, іншу
таку спробу зробили німці К.Шпренгель та І.Брейтгаупт, які створили, за думкою
В.І.Вернадського, пробраз кларків. Більш того, у 1838 р. з’явився термін “Геохімія”
(Шонбейн, Швейцарія). [До речі, термін “геологія” введено лише на 60 років раніше у 1778 р. (англіець швейцарського походження Жан Де Люк)]
Висновок: У середині с XIX сторіччя вчені різних спеціальностей (хіміки
мінералоги) сформували всі передумови створення геохімії як окремої науки.
Але недостатність існуючого фактичного (емпіричного) матеріалу та недостатній
рівень розвитку засобів його одержання (аналітичні методи) заважали зробити
наступний крок.
Slide 33
Етап 2. “Етап формування та інтенсивного розвитку”:
друга половина XIX сторіччя – 1950-ті ...1960-ті роки
Передумовою цього етапу є бурхливий науково-технічний розвиток:
Густав Кирхгоф та Роберт Бунзен (Гейдельберг, Німеччина) –
винайдення першого спектроскопу (1859 р.), що призвело до широкого
застосування спектрального аналізу для дослідження різноманітних
гірських порід, Сонця, зірок. Так, вже у 1868 р. англійці Дж.Локьер та
Н.Погсон за допомогою цього методу відкрили на Сонці новий елемент
– гелій. (Cs, Rb …). Зауважимо, що для цього вже тоді застосовувався
саме ФІЗИЧНИЙ метод, що харктерно для всього подальшого розвитку
геохімії.
Д.І.Менделєєв (Росія) – відкриття періодичного закону (1869 р.)
Бурхливий розвиток аналітичної хімії.
Це забезпечило широкі можливості одержання даних щодо концентрацій
головних та мікроелементів (major and trace elements) у гірських
породах, мінералах тощо, а також теоретичну базу для ынтерпретацыъ
цих даних.
Але дійсне створення сучасної ГЕОХІМІЇ почалось з праць трьох
засновників цієї науки – Кларка (США), Вернадського (Росія) та
Гольдшмідта (Германія, Норвегія)
Познайомимось з цими видатними вченими
Slide 34
Френк Уиглсуорт Кларк
(Frank Wigglesworth Clarke )
19.03.1847, Бостон — 23.05.1931, Вашингтон
Видатний американский геохимик, член Академии
искусств и наук (1911).
1867 р. — закінчив Гарвардський університет
1874-1883 рр. — профессор университета в
Цинциннати.
1883-1924 рр. — головний хімік Геологічної
Служби США (USGS).
Головні праці присвятив дослідженню хімічного
складу різноманітних геологічних утворень.
Вперше коректно оцінив середній склад
земної кори (визначив кларки елементів).
Slide 35
Владимир Иванович Вернадский
28.02.1863, СПб
— 6.01.1945, Москва
Владимир Иванович Вернадский родился в Санкт-Петербурге.
В 1885 окончил физико-математический факультет
Петербурского университета. В 1898 — 1911 профессор
Московского университета.
В круг его интересов входили геология и кристаллография,
минералогия и геохимия, радиогеология и биология,
биогеохимия и философия.
Деятельность Вернадского оказала огромное влияние на
развитие наук о Земле, на становление и рост АН СССР,
на мировоззрение многих людей.
В 1915 — 1930 председатель Комиссии по изучению
естественных производственных сил России, был одним
из создателей плана ГОЭЛРО. Комиссия внесла огромный
вклад в геологическое изучение Советского Союза и
создание его независимой минерально-сырьевой базы.
С 1912 академик РАН (позже АН СССР ). Один из основателей
и первый президент ( 27 октября 1918) Украинской АН.
С 1922 по 1939 директор организованного им Радиевого
института. В период 1922 — 1926 работал за границей в
Праге и Париже.
Опубликовано более 700 научных трудов.
Основал новую науку — биогеохимию, и сделал огромный
вклад в геохимию. С 1927 до самой смерти занимал
должность директора Биогеохимической лаборатории при
АН СССР. Был учителем целой плеяды советских
геохимиков. Наибольшую известность принесло учение о
ноосфере.
Создал закон о повсеместной распространенности х. э.
Первым широко применял спектральный анализ.
Slide 36
Виктор Мориц Гольдшмидт
(Victor Moritz Goldschmidt)
27.01.1888, Цюрих
— 20.03.1947, Осло
Виктор Мориц Гольдшмидт родился в Цюрихе. Его родители,
Генрих Д. Гольдшмидт (Heinrich J. Goldschmidt) и Амели Коэн
(Amelie Koehne) назвали своего сына в честь учителя отца,
Виктора Майера. Семья Гольдшмидта переехала в Норвегию в
1901 году, когда Генрих Гольдшмидт получил должность
профессора химии в Кристиании (старое название Осло).
Первая научная работа Гольдшмидта называлась «Контактовый
метаморфизм в окрестностях Кристиании». В ней он впервые
применил термодинамическое правило фаз Гиббса к
геологическим объектам.
Серия его работ под названием «Геохимия элементов»
(Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente) считается
началом геохимии. Работы Гольдшмидта о атомных и ионных
радиусах оказали большое влияние на кристаллохимию.
Гольдшмидт предложил геохимическую классификации элементов,
закон изоморфизма названый его именем. Выдвинул одну из
первых теорий относительно состава и строения глубин Земли,
причем предсказания Гольдшмидта подтвердились в
наибольшей степени. Одним из первых рассчитал состав
верхней континентальной коры.
Во время немецкой оккупации Гольдшмидт был арестован, но
незадолго до запланированной отправки в концентрационный
лагерь был похищен Норвежским Сопротивлением, и
переправлен в Швецию. Затем он перебрался в Англию, где
жили его родственники.
После войны он вернулся в Осло, и умер там в возрасте 59 лет. Его
главный труд — «Геохимия» — был отредактирован и издан
посмертно в Англии в 1954 году.
Slide 37
Тісна співпраця наук та їх провідних
представників:
Важливим є те, що результати досліджень
перелічених дисциплін були
комплементарними. Так, наприклад, геохімія
разом з астрономією забезпечувала одержання
оцінок космічної розповсюдженості елементів, а
фізика розробляла моделі нуклеосинтезу, які
дозволяли теоретично розрахувати
розповсюдженість елементів виходячи з кожної
моделі. Зрозуміло, що відповідність емпіричних
та модельних оцінок є критерієм адекватності
моделі. Використання такого класичного
підходу дозволило помітно вдосконалити
теорію нуклеосинтезу та космологічні концепції,
перш за все концепцію «Великого Вибуху».
Така співпраця між геохімією та фізикою була
тісною та плідною. Її ілюструє досить рідкісне
фото цього слайду.
В.М. Гольдшмідт та А. Ейнштейн на
одному з о-вів Осло-фіорду (Норвегія),
де вони знайомились з палеозойскими
осадочними породами (1920 р.)
Slide 38
Ферсман Олександр Євгенович
(1883, СПб – 1945, Сочі)
Навчався: Новоросійський та Московський ун-ти, учень
В.І.Вернадського , який керував його першими роботами.
Аспірантура — Германія (рук. — В.М.Гольдшмидт),
присвячена дослідженню кристалів алмазу (монография
«Алмаз»).
У 1912 р. О.Є. Ферсман стає професором Московського
університету, де читає перший у світі курс геохімії.
1917-1945 рр. — директор Мінералогічного музею РАН, який
зараз носить його ім’я.
1920 р. — інициатор створення першого у СРСР
Ільменського державного наукового заповідника.
1920-30-ті рр. — відкриття унікальних родовищ світового
класу — Мончегорського мідно-нікелевого та Хибинського
апатитового.
1930-ті рр. — фундаментальна праця «Геохімія» (4 т.), праці в
області геохімії космосу та прикладної (пошукової) геохімї,
детальне, класичне дослідження пегматитів (монографія
«Мінералогія гранітних пегматитів»).
Академік СПб Імператорської Академії Наук з 1912 р.,
академік АН СРСР (РАН) з 1919 р. Віце-президент АН СРСР
(1926-1929 рр.).
Slide 39
Александр Павлович Виноградов
9.08.1895, СПб
— 16.11.1975, Москва
Ученик и ближайший сотрудник В. И. Вернадского.
Окончил Военно-медицинскую академию и химический
факультет Ленинградского университета в 1924г.
Академик АН СССР (1953), вице-президент АН СССР
(1967-1975).
Ддиректор института геохимии и аналитической химии
им. В. И. Вернадского АН СССР с 1947г. Основатель его
прецизионной аналитической базы.
В 1953г. основал и возглавил кафедру геохимии
геологического факультета МГУ, зав. кафедрой геохимии
МГУ (1953-1975 гг.)
Геохимии: проводил идею создания физико-химической
теории геологических процессов. Оопределил средний
состав главных пород Земли. Предложил гипотезу
универсального механизма образования оболочек планет
на основе зонного плавления силикатной фазы и
разработал представление о химической эволюции
Земли. Развил в СССР геохимию изотопов и геохимию
океана и методы изотопной геохронологии.
Биогеохимия: ввёл понятие «биогеохимические
провинции», развил биогеохимический метод поисков
полезных ископаемых.
Космохимия: хим. состав метеоритов, планет (Луна,
Венера).
Slide 40
Бурксер Євген Самійлович
•Піонер ізотопно-геохімічних та
геохронологічних досліджень в Україні
•
•Проф. Київського Університету
•Більшу частину життя працював у
Інституті Геологічних наук НАНУ
Slide 41
Етап 3.
“Сучасний” : 1960-ті роки – 2020-ті ??? роки
Ми можемо сказати, що саме починаючи з цього етапу почалась епоха
“кількісної геохімії”. Передумовою цього етапу є подальший, ще більш
інтенсивний науково-технічний розвиток:
Розвиток аналітичної техніки (ICP, MS, XRF, EMP, PMP, SHRIMP, LA-ICP-MS)
Широке застосування фізико-хімічних підходів до інтерпретації геохімічних
даних
Широке використання експериментальних досліджень – моделюються системи,
які наближені до прирородних (магматичних, гідротермальних)
Застосування методів математичного моделювання геохімічних процесів
Широке використання численних новітніх космохімічних даних
Все це зумовило перехід до створення комплексних геохімічних (петрологогеохімічних) моделей ендогенних та екзогенних систем, в тому числі до
моделей, які описують міграцію елементів при формуванні геосфер Землі
(моделі планетарного масштабу). Таким чином, геохімія починає “віддавати”свої
потужні моливості в петрологію, мінералогію, геодинаміку ... . Поступово вона
стає узагальнюючою науковою дисципліною, яка саме й спроможна
сформувати коректне, повне та системне уявлення про планетарну еволюцію
планети Земля та її геосфер.
Звичайно, що такий розвиток можливостей призвів й до розквіту прикладних
розділів геохімії, насамперед пошукової та екологічної геохімії.
В сучасних умовах геохімія займає почесне місце серед найбільш розвинутих
геологічних дисциплін. Перелік видатних постатей серед вчених, які внесли
суттєвий внесок у розвиток геохімії на 3-му етапі її розвитку дуже великий. В
цьому переліку звичайно такі вчені як С. Р. Тейлор, Мак-Леннан, К. Г. Ведеполь,
В.Гриффин, Д.Шоу, В. Уайт, багато інших закордонних дослідників, а також:
Slide 42
Коржинский Дмитрий Сергеевич (1899-1985) – один из
крупнейших петрологов и геохимиков всего 20-го века.
Создатель: (1) теории термодинамически открытых систем
с вполне подвижными компонентами, которые являются
моделью природных минералообразующих процессов,
(2) теории метасоматических процессов и формирования
метасоматической зональности (диффузионный и
инфильтрационный типы), (3) теории кислотно-основной
эволюции постмагматических гидротермальных растворов,
(4) гипотезы о потоках трансмагматических флюидов ……
Жариков Вилен Андреевич. Академик РАН, доктор геол.мин. наук, директор Института экспериментальной
минералогии АН СССР, профессор, зав. кафедрой
геохимии геологического факультета МГУ, Опубликовал
более 300 научных работ в оласти теоретической и
экспериментальной геохимии, минералогии, петрологии
Рябчиков Игорь Дмитриевич - геохимик, доктор геол.-мин. наук, профессор
кафедры геохимии геологического факультета МГУ, академик РАH.
Создатель теории поведения элементов-примесей в магматических системах,
предложил термодинамические методы оценки коэффициента распределения,
провел комплекс экспериментальных исследований систем, моделирующих
процессы формирования рудоносных флюидов при кристаллизации магм.
Первым выполнил серию экспериментальных исследований, которые
позволили установить механизм генерации алмазоносных лампроитовых и
кимберлитовых магм.
Slide 43
Сучасна геохімія є цільною та системною, але й досит розгалудженою
наукою. Які ж задачі вона вирішує та які ж розділи входять до її складу?
Відповідаючи на це запитання слід пригадати загальні зв’язки геохімії з
іншими природничими дисциплінами, які ми вже розглідали раніше:
Геологія:
Космологія
Мінералогія
Геохімія
Космогонія
Петрологія
Космохімія
Прикладні
дисципліни
Хімія
Фізика
Астрономія
Астрофізика
Slide 44
Тобто, найважливіші задачі геохімії:
Визначення відносної та абсолютної
розповсюдженості хімічних елементів та їх ізотопів в
геосферах Землі та інших планет (зв’язок з
КОСМОХІМІЄЮ!).
Дослідження розподілу та міграції хімічних елементів
при формуванні геосфер Землі та у їх межах.
Визначення факторів, що контролюють поведінку
елементів у геохімічних процесах їх міграції,
розсіяння та концентрування.
Встановлення законів та закономірностей поведінки
елементів в процесах формування геосфер Землі та
функціонування природних, в тому числі
рудогенеруючих систем.
Вирішення прикладних завдань (пошукова геохімія та
екологічна геохімія).
Slide 45
Розділи геохімії:
Геохімія геосфер (кори, мантії, атмосфери, гідросфери).
Геохімія природних, в тому числі рудогенеруючих
систем/процесів (магматичних, гідротермальних,
метаморфічних, тощо).
Геохімія окремих елементів та їх груп (геохімія платиноїдів,
елементів групи заліза, рідкісних елементів, рідкісноземельних
елементів, радіоактивних елементів, тощо).
Ізотопна геохімія (визначення віку геологічних утворень,
встановлення генетичного зв’язку рудної речовини з
різноманітними ендогенними джерелами, оцінка пропорцій
змішування різних джерел та їх хімічного складу, термометрія).
Біогеохімія.
Геохімія техногенезу та екологічна геохімія.
Пошукова геохімія.
Аналітична геохімія.
..............................................
Slide 46
Ці завдання геохімія вирішує за допомогою
раціональної системи методів дослідницьких “інструментів” кожного її
розділу:
Аналітичні методи.
Статистичний аналіз.
Термодинамічний аналіз.
Кількісне геохімічне моделювання процесів та
систем.
Slide 47
ОСНОВИ ГЕОХІМІЇ
С.Є.Шнюков
Лекція 3
Методи геохімії
Slide 48
Тобто, найважливіші задачі геохімії:
Визначення відносної та абсолютної
розповсюдженості хімічних елементів та їх ізотопів в
геосферах Землі та інших планет (зв’язок з
КОСМОХІМІЄЮ!).
Дослідження розподілу та міграції хімічних елементів
при формуванні геосфер Землі та у їх межах.
Визначення факторів, що контролюють поведінку
елементів у геохімічних процесах їх міграції,
розсіяння та концентрування.
Встановлення законів та закономірностей поведінки
елементів в процесах формування геосфер Землі та
функціонування природних, в тому числі
рудогенеруючих систем.
Вирішення прикладних завдань (пошукова геохімія та
екологічна геохімія).
Slide 49
Розділи геохімії:
Геохімія геосфер (кори, мантії, атмосфери, гідросфери).
Геохімія природних, в тому числі рудогенеруючих
систем/процесів (магматичних, гідротермальних,
метаморфічних, тощо).
Геохімія окремих елементів та їх груп (геохімія платиноїдів,
елементів групи заліза, рідкісних елементів, рідкісноземельних
елементів, радіоактивних елементів, тощо).
Ізотопна геохімія (визначення віку геологічних утворень,
встановлення генетичного зв’язку рудної речовини з
різноманітними ендогенними джерелами, оцінка пропорцій
змішування різних джерел та їх хімічного складу, термометрія).
Біогеохімія.
Геохімія техногенезу та екологічна геохімія.
Пошукова геохімія.
Аналітична геохімія.
..............................................
Slide 50
Ці завдання геохімія вирішує за допомогою
раціональної системи методів дослідницьких “інструментів” кожного її
розділу:
Аналітичні методи.
Статистичний аналіз.
Термодинамічний аналіз.
Кількісне геохімічне моделювання процесів та
систем.
Slide 51
Класифікація базових аналітичних методів геохімії
Аналітичні методи
Валові методи:
аналіз макроб’єктів (породи ...)
Визначення
елементного складу
Макрокомпоненти
Визначення
ізотопного складу
Мікрокомпоненти
Локальні методи:
аналіз мікроб’єктів (мінерали ....)
Визначення
елементного
складу
Визначення
ізотопного та
елементного
складу
Мас-спектрометрія
(MS)
Електронно-зондовий
мікроаналіз (EMP)
Рентгенофлуоресцентна
спектрометрія (XRF)
Методи
“мокрої хімії”
Рентгено-флуоресцентна
спектрометрія (XRF)
LA-ICP-MS
Протонно-зондовий
мікроаналіз (PMP, PIXE)
Атомно-емісійна спектрометрія
з індуктивно зв’язаною плазмою (ICP-AES)
SIMS (SHRIMP)
XRF-MP/SG
Мас-спектрометрія з індуктивно
зв’язаною плазмою (ICP-MS)
Атомно-абсорбційна
спектроскопія (AAS)
Slide 52
Кларки провідних петротипів (сине) та ідеалізовані вимоги (максимальні та
мінімільні) до межі визначення (МВ) елементів (червоне):
1000000
100000
10000
1000
C, ppm
100
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Z
Максимальні вимоги: МВ = 0.1 мінімального кларку елемента
Мінімальні вимоги: МВ = 0.2 кларку елемента в найбільш
розповсюджених гірських породах
100
Slide 53
Реальні можливості (МВ) методу AAS-Flame у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
AAS-Flame
1000
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
Z
AAS-Flame - пламенная атомно-абсорбционная
спектроскопия
80
90
100
Slide 54
Реальні можливості (МВ) методу ICP-AES у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
ICP-AES
1000
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
Z
ICP-AES - атомно-эмиссионная спектроскопия с
индуктивно-связанной плазмой;
80
90
100
Slide 55
Реальні можливості (МВ) методу ICP-MS у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
1000
ICP-MS
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Z
ICP-MS - масс-спектрометрия с индуктивно-связанной
плазмой
90
100
Slide 56
Реальні можливості (МВ) методу AES-Arc у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
AES-Arc
1000
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Z
AES-Arc - атомно-эмиссионная спектроскопия с дуговой
атомизацией
90
100
Slide 57
Реальні можливості (МВ) методу XRF у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
1000
XRF
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
Z
XRF - рентгенофлуоресцентная спектроскопия
80
90
100
Slide 58
Реальні можливості (МВ) методу INAA у співсталенні з
ідеалізованим вимогами:
10000
INAA
1000
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Z
INAA - инструментальный нейтронно-активационный
анализ.
90
100
Slide 59
Реальні можливості (МВ) методу ICP-MS при аналізі розчинів:
ICP-MS - масс-спектрометрия с индуктивно-связанной
плазмой
Slide 60
Метод ICP-MS на теперешній час – найбільш перспективний:
10000
1000
ICP-MS
100
C, ppm
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Z
ICP-MS - масс-спектрометрия с индуктивно-связанной
плазмой
90
100
Slide 61
Контроль систематичної похибки елементного аналізу гірських порід
100
10
S iO 2
С реднее по
ан али зу С О,
ма с .%
K 2O
1
а
C aO
0 ,1
При визначенні
концентрацій головних
компонентів
(макроелементів)
Al 2 O 3
N a2O
P 2O 5
А т т е с т а т С О , ма с .%
0 ,0 1
0 ,0 1
0 ,1
1
10000
10
100
С реднее по
Ba
ан али зу С О,
При визначенні
концентрацій
домішкових
компонентів
(мікроелементів)
1000
Sr
ppm
Zr
Rb
Ce
б
100
Y
La
Аттестат С О, p p m
10
10
100
1000
10000
Slide 62
НДЛ мінералого-геохімічних досліджень
Методи дослідження:
4. Рентгенофлуоресцентний аналіз вмісту макрокомпонентів в порошкових
пробах гірських порід та інших неорганічних матеріалів
SiO2
Рез. вимірів
75
65
55
45
Концентрації
35
35
Спектрометр рентгенівський
багатоканальний СРМ-25
45
55
65
75
Результати визначення концентрації SiO2 в
стандартних зразках гірських порід з
використанням методу фундаментальних
параметрів (рожеве) та альфа-корекції
(жовте)
Slide 63
Енергодисперсійний спектр стандартного зразка VS-N (Франція)
Slide 64
Класифікація базових аналітичних методів геохімії
Аналітичні методи
Валові методи:
аналіз макроб’єктів (породи ...)
Визначення
елементного
складу
Макрокомпоненти
Рентгенофлуоресцентні
методи (XRF)
Методи
“мокрої хімії”
Локальні методи:
аналіз мікроб’єктів (мінерали ....)
Визначення
ізотопного
складу
Мікрокомпоненти
Рентгенофлуоресцентні
методи (XRF)
Мас-спектрометрія
(MS)
ICP-AES
ICP-MS
AAS
Визначення
елементного
складу
Визначення
ізотопного та
елементного
складу
Електронно-зондовий
мікроаналіз (EMP)
LA-ICP-MS
Протонно-зондовий
мікроаналіз (PMP)
SIMS (SHRIMP)
Slide 65
Принципова схема електронного мікроскопа-мікроаналізатора
1 - нитка накалювання;
2 – електронна гармата;
3 – конденсорна лінза;
4 – стабілізація струму
зонда; 5 – освітлення
зразка; 6 – об’єктивна
лінза; 7 – підсилювач;
8 – вихід пропорційного
лічильника;
9 – амплітудний аналізатор
імпульсів; 10 - рахункова
схема; 11 – інтенсиметр або
персональний комп’ютер;
12 – спектрометр м’якого
рентгенівського
випромінювання;
13 – вихід сцинтиляційного
лічильника;
14 – спектрометр жорсткого
рентгенівського
випромінювання;
15 – зразок; 16 – самопис
або принтер.
Slide 66
Електронно-зондовий
мікроаналіз (EMP)
X-ray Mapping of a zoned Garnet.
CAMECA SX100
Slide 67
НДЛ мінералого-геохімічних досліджень
Методи дослідження:
3. Електронно-мікрозондовий аналіз хімічного складу мінералів та інших
неорганічних сполук
Розподіл концентрацій SiO2, Al2O3, K2O, Na2O та CaO
вздовж зерна калієвого польового шпату розміром 0,2 мм
80
SiO2
70
60
C, %
50
Модифікований
електронний
мікроскоп мікроаналізатор
РЕММА-202М
40
30
Al2O3
20
K2O
Na2O
10
CaO
0
0
20
40
60
80
100
L, мкм
120
140
160
180
200
Slide 68
НДЛ мінералого-геохімічних досліджень
Методи дослідження:
6. Рентгенофлуоресцентний аналіз хімічного складу поодиноких зерен мінералів
розміром від 0.02 мм
Принципова схема та діючий спектрометр для дослідження поодиноких зерен мінералів
(розробка НДЛ)
Slide 69
Енергодисперсійний спектр стандартного зразка VS-N (Франція)
Slide 70
Принципова схема магнітного мас-спектрометра
Slide 71
Мас-спектрометрія вторинних іонів SIMS
CAMECA IMS 7f is a
magnetic sector SIMS
with top performances in
trace element depth
profiling and secondary
ion microscopy.
CAMECA IMS
1280 -LARGE
RADIUS
MAGNETIC
SECTOR SIMS
FOR
GEOLOGY
Slide 72
LA-ICP-MS
Мас-спектрометр
Система лазерної
абляції
Slide 73
1 ,3
А НА Л И З / NIST 610
Мак с им у м
1 ,2
1 ,1
1
0 ,9
Средн ее
Мин им у м
U
Th
Pb
Ta
Hf
Lu
Yb
Er
Ho
Dy
Tb
Gd
Eu
Sm
Nd
Pr
Ce
La
Ba
Nb
Zr
Y
Sr
As
Ga
Fe
V
Ti
0 ,7
Sc
0 ,8
Систематическая и случайная погрешности метода LAM-ICP-MS по
данным многократного контрольного анализа (N = 49) стандарта
NIST 610 при исследовании элементного состава образцов сравнения
Kovd-ZR и Kovd-AP.
Slide 74
Thorium mapping in zircon
grain
U/Pb Concordia diagram.
Slide 75
Slide 76
1000
EMP
X R F -M P
V, %
LA M -IC P -M S (1)
PMP
V = 100 %
100
ПО: V =50 % ( 2V =100 % )
ПК А : V =25 % ( 2V =50 % )
10
ППА : V =5 %
( 2V =10 % )
LA M -IC P -M S (2)
1
C , ppm
0,1
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
Сравнительная характеристика XRF-MP, LAM-ICP-MS и других современных
локальных аналитических методов на основе принципиальных зависимостей
случайной погрешности анализа (V, %) от концентрации определяемых элементов
(C, ppm). Для LAM-ICP-MS приведены оценки рядовых (1) и максимально точных
[138] (2) определений.