Практическая геохимия

А. М. Портнов
ПРАКТИЧЕСКАЯ ГЕОХИМИЯ
Учебное пособие
Допущено УМО по образованию в области прикладной геологии 
в качестве учебного пособия для студентов вузов, 
обучающихся по направлению подготовки 21.00.00 
«Прикладная геология, горное дело, нефтегазовое дело и геодезия»
Москва Вологда
«Инфра-Инженерия»
2021

УДК 550.4 (075)
ББК 26.30
           П60
Рецензент:
доктор геолого-минералогических наук,
профессор кафедры геологии месторождений
полезных ископаемых МГРИ, почетный геолог России,
эксперт республиканского исследовательского
научно-консультационного центра экспертизы А. А. Верчеба
Портнов, А. М. 
П60 
         Практическая геохимия : учебное пособие / А. М. Портнов. - 
              Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 152 с. : ил., табл. 
         ISBN 978-5-9729-0690-1
Освещены главные разделы современной геохимии. Изложены 
 
                основные данные о геохимии космоса, геосфер Земли, магматичес-  
 ких и осадочных пород. Рассмотрены методические приемы, осно              ванные на геохимии и применяемые для решения проблем геологии, 
 
 
              поиска месторождений полезных ископаемых, охраны окружающей 
 
 
              среды.
         Для студентов геологических направлений подготовки.
УДК 550.4 (075)
ББК 26.30
ISBN 978-5-9729-0690-1     ‹ Портнов А. М., 2021
               ‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
               ‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
          Достижения химии Х1Х в., спектральный анализ, периодический закон 
Д. И. Менделеева, основоположники геохимии, современные аналитические 
методы, задачи геохимии, кларки элементов, геохимическая классификация 
элементов В. М. Гольдшмидта.
Задача  курса - ознакомление студентов с некоторыми закономерностями распределения элементов и изотопов в космосе, Солнечной системе, 
геосферах Земли, главных типах горных пород, минералах и экосистемах. 
Показано, как методы геохимии используются для решения научных, 
поисковых, экологических проблем. При составлении курса автор исходил 
из традиционной научно-производственной ориентации студентов МГРИ, 
что определило специфику при отборе материала. Для усвоения курса 
студентам необходимо знание химии, физики, общей геологии, минералогии, 
литологии, петрографии.
Геохимия 
- 
наука 
о 
закономерностях 
распределения 
и 
 
концентрации химических элементов и их изотопов на Земле и в 
космосе. Она возникла на основе широкого внедрения химико-аналитических методов в геологические науки - минералогию, петрографию, литологию, поиск полезных ископаемых и др. Значение химии для геологии одним 
из первых подчеркнул М. В. Ломоносов (1711-1765):
В недро земное ты, химия,
Проникни взора остротой,
И что содержит там Россия,
Драги сокровища открой..

1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР 
Французский ученый А. Лавуазье (1743-1794) заложил основы химии газов атмосферы; выдающийся ученый Й. Берцелиус (1779-1848), глава 
шведской химической школы, разработал основы количественного химического анализа, ввел в употребление современные знаки атомов элементов, 
проанализировал практически все известные к тому времени минералы, 
впервые дал их химические формулы (1813). Он открыл церий, селен, торий, 
тантал и получил впервые уран, кремний, цирконий, титан. В 1838 г. швейцарский геолог Ф. Шёнбейн предложил термин «геохимия».
Разработка Р. Бунзеном и Г. Киргофом в 1859 году весьма чувствительного и простого спектрального анализа произвела переворот в возможностях химических исследований. Оказалось, что элементы, составляющие 
минерал или горную породу, в пламени вольтовой дуги при температуре около 3000 ÛС теряют наружные электроны, ионизируются и переходят в состояние плазмы (четвертое состояние вещества). 
Излучение плазмы, проходя сквозь призму, дает так называемые линейчатые спектры, индивидуальные для каждого элемента. Спектры позволяют быстро и недорого определять даже незначительные содержания элементов-примесей в минералах, горных породах, растворах и газах, а также 
проводить «дистанционное» изучение состава чрезвычайно удаленных объектов - Солнца, звезд, галактик, Вселенной, где элементы находятся в ионизированном плазменном состоянии. 
Очередные этапы развития геохимии связаны с открытиями в 1869 г. 
Д. И. Менделеевым Периодического закона элементов и Анри Беккерелем в 1896 г. - явления радиоактивности. Эти открытия породили лавину 
геохимических исследований, показавших, что значительная часть атомов 
элементов находится в состоянии рассеяния и, по словам В. И. Вернадского, 
обладает «бренностью», т. е. способностью самопроизвольно распадаться, 
выделяя энергию, порождая иные элементы и изменяя во времени химический состав Земли и всей Вселенной. 

                              1.1. Основоположники геохимии                                           5
1.1. Основоположники геохимии
В начале ХХ века основополагающие геохимические работы провели В. И. Вернадский (1863-1945), А. Е. Ферсман (1883-1945), Ф. Кларк 
(1847-1931), В. М. Гольдшмидт (1886-1947). Основы геохимии, как современной науки, заложил в 1908-1911 гг. В. И. Вернадский, руководивший в 
это время кафедрой минералогии МГУ
. Первый в мире курс геохимии прочитал в 1912 году А. Е. Ферсман в Народном университете им. А. Шанявского 
в Москве. Перечисленные ученые подчеркивали роль редких и рассеянных 
элементов в геологических процессах; В. И. Вернадский стоит у истоков геохимии живого вещества и радиоактивных элементов. 
Американец Ф. Кларк впервые дал расчеты средних содержаний ряда 
химических элементов для земной коры мощностью 10 миль (16 км). Сводки 
Ф. Кларка были высоко оценены А. Е. Ферсманом, который в 1923 г. предложил называть среднее содержание элемента в земной коре «кларком». 
Норвежский исследователь В. М. Гольдшмидт вычислил к 1926 г. ионные радиусы большинства элементов и установил, что сходство размеров 
ионных радиусов в значительной мере определяет законы изоморфизма и 
объясняет рассеяние элементов с низкими кларками. В СССР большой вклад 
в развитие геохимии внесли известные ученые - А. А. Сауков, В. В. Щербина, А. П. Виноградов, А. И. Перельман; последний является автором наиболее полного учебника для студентов геологических специальностей («Геохимия», 1989). 
1.2. Задачи геохимии
Геохимия возникла на «искрящем контакте» химии и минералогии, 
но дальнейшее развитие этой науки тесно связано с петрографией, петрологией, геологией рудных месторождений, методами поиска руд, кристаллохимией, геофизикой, астрономией, экологией и др. Изучается геохимия 
космоса, атмосферы, литосферы, гидросферы, морей, рек, подземных вод и 
газов, различных типов горных пород, минералов, рудообразующих процессов, радиоактивных элементов, метеоритов и т. д.

1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР 
Несмотря на это разнообразие, методами геохимии решаются три 
основные задачи: 
   1. Проблемы геологии (специфика состава пород, минералов, растворов и газов; вопросы генезиса, абсолютного возраста и др.). 
   2. Задачи поиска месторождений полезных ископаемых (поисковая 
геохимия). 
    3. Вопросы экологии и охраны окружающей среды.
 В отличие от минералогии, изучающей конкретные минералы, т. е. 
соединения определенного химического состава, и петрографии, имеющей 
дело с горными породами, т. е. с закономерными ассоциациями минералов, 
геохимия исследует особенности распределения атомов и их изотопов в минералах, горных породах, растворах, газах, живом веществе и т. д. При этом 
выявляются многочисленные элементы, не входящие в формулы минералов 
и составы горных пород. Современные анализы показывают, что большинство элементов таблицы Д. И. Менделеева находится в литосфере в состоянии субатомарного или ионного рассеяния.
Например, в тонне гранита содержится в рассеянном состоянии (в г): 
Rb - 150; Zn - 100; Cu - 100; Th - 18; U - 3; Мо - 1; Sb - 0,5; Hg - 0,1; Bi - 
0,01; Au - 0,005. Однако собственных минералов этих элементов обнаружить 
не удается. Рассеянные элементы изоморфны, находятся в межзерновом 
пространстве и трещинах кристаллов, образуют минеральные выделения 
размером в доли микрона и легко выщелачиваются высокотемпературными 
флюидами, т. е. водно-паро-газовой смесью различных фаз, а также более 
низкотемпературными гидротермальными растворами. 
 Роль рассеянных элементов очень велика, поскольку, концентрируясь, 
они являются потенциальным источником руд. В 1 км3 гранита в состоянии 
изоморфного или дисперсного рассеяния содержится уже около 300 000 тонн 
цинка и столько же меди, 50 000 тонн тория, 10 000 тонн урана, 15 тонн золота, что соответствует запасам месторождений среднего размера. Эти элементы при кристаллизации расплава концентрируются в постмагматических 
флюидах и растворах, формирующих рудные месторождения.

                                                       1.2. Задачи геохимии                                                     7
Интрузивные тела нередко имеют огромные объемы. Например, объем Бушвельдского массива в Южной Африке, расположенного в структуре 
астроблемы Вредефорт (диаметр до 300 км, возраст около 2 млрд лет) составляет более 500 000 км3 Подобные интрузии обладали огромным запасом тепловой энергии, часть которой расходовалась на процессы рудообразования. При кристаллизации Бушвельдского массива выделилось более 
50 000 км3 воды и газов, растворенных в расплаве, что соответствует объему 
50 озер типа Ладожского, крупнейшего в Европе
 Рассеянные в интрузивных и в окружающих породах элементы являются основой для формирования гигантских по масштабам месторождений золота, урана, меди, хрома, платины. Поэтому геохимия уделяет много 
внимания флюидно-гидротермальным системам, с помощью которых происходят выщелачивание, перенос и концентрация элементов, рассеянных в 
магматических и осадочных породах.
Главным «оружием» геохимии являются цифры, получаемые разнообразными аналитическими методами. Современному геологу необходимо 
понимать, какие геологические процессы скрываются за данными химических анализов, нужно научиться расшифровывать «оцифрованную» геологическую информацию. Геохимик отбирает представительный геологический 
материал, анализирует его, а затем от чисел возвращается к геологии на новом смысловом уровне. 
Современные аналитические методы весьма разнообразны. Наряду с 
«классическими» количественными силикатными и спектральными анализами сейчас широко используются рентгеноспектральные, в том числе микрозондовые, а также изотопные, нейтронно-активационные, фотолюминесцентные, гаммаспектрометрические, аэрогаммаспектрометрические и иные 
виды анализов. 
Результаты анализов выдаются в объемных (для газов), весовых и 
атомных процентах, промилле (0,1 ), г/т. За рубежом используются такие понятия, как р.р.m., т. е. «часть на миллион (частей)», что соответствует 10í4  или 1 г/т, а также (для низких концентраций, особенно для газов) 
«часть на миллиард (частей) - р.р.b., что соответствует 10í7  или 1 мг/т. 

1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР 
Широко используются численные характеристики, основанные на отношениях определенных элементов и изотопов в коре, мантии и метеоритах, а 
также путем сравнения с выбранными и утвержденными в научном мире 
«стандартами».
1.3. Кларки элементов
Кларк - константа содержания элемента в земной коре - впервые подсчитан для большинства элементов Ф. У
. Кларком (США). В 1923 году, по 
предложению А. Е. Ферсмана, кларком стали называть среднее содержание 
элемента в земной коре. Позже это понятие расширили и сейчас говорят о 
«кларке», как о среднем содержании элемента, в разных типах горных пород.
В «десятку» наиболее распространенных элементов земной коры входят (мас. ): О - 47,0 ; Si - 29,5; Аl - 8,0; Fe - 4,6; Са - 3,0; Na - 2,5; К - 2,5; 
Mg - 1,9; Ti - 0,5; для углерода данные многочисленных авторов резко занижены, и мы предложили новое значение - 0,37  (Портнов, 1997). Эти 10 
элементов составляют 99  земной коры. Оставшиеся 82 элемента составляют всего 1 . Поэтому кларки большинства важных рудных элементов очень 
малы.
Некоторые распространенные в быту элементы крайне редки: например, кларк ртути - 8ǜ10í6 , кларк золота - 4ǜ10í7  и т. д. В то же время 
относительно велики кларки у таких, казалось бы, редких и рассеянных элементов, как Rb (15ǜ10í3 ), Zr (17ǜ10í3 ), Се (17ǜ10í3 ) и др. В земной коре 
резко преобладают атомы и их изотопы с устойчивыми ядрами типа 4q, масса которых кратна 4: кислород, кальций, железо и др. (закон четности); они 
составляют 86  земной коры.
1.4. Геохимическая классификация 
элементов В. М. Гольдшмидта
Известны различные геохимические классификации элементов, предложенные В. М. Гольдшмидтом, В. И. Вернадским, А. Н. Заварицким и др. 
Наиболее распространена классификация В. М. Гольдшмидта, которая учитывает важнейшие геохимические свойства элементов, изоморфизм, данные 

                                   1.4. Геохимическая классификация элементов                                 9
минералогии, геохимические барьеры, распределение в различных природных системах. В. М. Гольдшмидт выделяет:
1.4.1. Литофильные элементы - обладающие сродством к кислороду 
и образующие оксиды, гидроксиды, соли кислородных кислот, в т. ч. силикаты, а также галогениды. К ним относятся все щелочные, щелочноземельные 
и редкоземельные элементы, а также углерод, кремний, сера, фосфор, бериллий, бор, олово, вольфрам, ниобий, тантал и др.; они концентрируются в 
«базальтовом», «гранитном» и осадочном слоях земной коры. Литофилами 
являются также такие элементы «базальтового» слоя, как железо, никель, кобальт, титан, рассеянные в темноцветных минералах - оливине, пироксене 
и др. Дефицит серы в базальтоидах очень редко дает возможность многим 
элементам, таким, как медь, цинк, железо и др. проявить свои халькофильные свойства и они являются литофилами в темноцветных минералах базальтов и других горных пород.
 1.4.2. Халькофильные элементы - обладающие сродством с серой 
и ее аналогами - селеном, теллуром, мышьяком. Рудные минералы образуют сульфиды, селениды, теллуриды, арсениды. К ним относятся сера, селен, 
теллур, мышьяк, медь, свинец, цинк, кадмий, молибден, висмут, ртуть, серебро, золото, рений, германий и др. Они концентрируются преимущественно в «базальтовом» слое земной коры, но проявляют свои халькофильные 
свойства лишь при наличии серы. Резкий дефицит серы в андезито-базальтах ограничивает проявление «халькофильности» металлов; она проявляется 
преимущественно в локальных рудных месторождениях, где по различным 
причинам (астроблемы, вулканы, глубинные разломы и др.) привносится 
много серовододорода. В базальтоидах с их обилием потенциально халькофиьных металлов, могли бы возникнуть тысячи гигантских иесторождений 
никеля, кобальта, серебра, золота и платиноидов, если они действительно 
были бы богаты серой.
 1.4.3. Сидерофильные элементы - близкие по свойствам к самородному железу: случайные находки никелистого железа в метеоритах с самородным хромом и кобальтом; разнообразные природные сплавы платиноидов; самородные микровключения серебра, никеля, железа и др. в алмазах. 

1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР 
Присутствуют преимущественно в мантии, ультраосновных породах, железо-каменных метеоритах и, видимо, в ядре Земли. 
 1.4.4. Атмофильные элементы - обычно присутствуют в виде газов. 
К ним относятся все благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, 
радон), азот, кислород, углерод, водород. Концентрируются в атмосфере и 
гидросфере, а также в радиоактивных минералах (Не, Аr и др.).
1.4.5. Многообразие свойств элементов. Следует отметить, что один 
и тот же элемент в различных условиях может проявлять разные свойства. В 
самородном виде железо, например, в железных метеоритах, является сидерофилом. Но чаще железо - типичный литофил, который играет роль магния 
или кальция в составе карбонатов (сидерит, анкерит), фосфатов, сульфатов, 
но чаще всего - в темноцветных силикатах ультраосновных и основных пород (оливин, пироксены, амфиболы). Халькофильные свойства железа, меди, 
никеля широко проявляются в составе сульфидов (халькопирит, пирит, пирротин и др.).
 Медь является халькофилом в сульфидах (халькопирит, борнит и др.), 
литофилом в окислах, карбонатах, фосфатах и силикатах (куприт, малахит, 
бирюза, диоптаз), сидерофилом - в самородном виде. Бор выступает как литофил в боратах и как атмофил - в гидридах. Углерод является литофилом в 
карбонатах и алмазе, сидерофилом - в графите, атмофилом - в газах: метане 
СН4, СО2 и СО.
 Контрольные вопросы
1. 
Заслуги А. Лавуазье, Й. Берцелиуса, Ф. Шенбейна. 
2. 
Особенности спектрального анализа. 
3. 
Вклад В. И. Вернадского и А. Е. Ферсмана. 
4. 
Роль Ф. Кларка и В. М. Гольдшмидта. 
5. 
Задачи геохимии. 
6. 
Кларки элементов. 
7. 
Литофильные элементы. 
8. 
Халькофильные элементы. 
9. 
Сидерофильные элементы. 
10. Атмофильные элементы.