Геохимия и геофизика

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ  

 

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ 

ПОЛИТИКИ И РЫБОХОЗЯЙСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА  

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ     

УНИВЕРСИТЕТ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ 

 
 

 
 
 
 

 

Барышев А.Н. 

 
 
 
 
 

ГЕОХИМИЯ И ГЕОФИЗИКА 

 

Учебно-методическое пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург 

2021 

УДК  [550.4:550.3](075.8) 
 
 
 
Барышев А.Н. Геохимия и геофизика: учебно-методическое пособие / 

А.Н. Барышев ; МСХ РФ, СПбГУВМ.- Санкт-Петербург  : Изд-во 
СПбГУВМ, 2021. - 46с. 

 
 
 
В учебно-методическом пособии приведены перечень теоретических 

вопросов для подготовки по всем  разделам программы, а так же примеры 
лабораторных работ. Учебно-методическое пособие предназначено для 
студентов 3 курса очной формы обучения, по курсу "Геохимия и 
геофизика", по направлению подготовки 06.03.01 - Биология. 

 
 
 

 
 
Автор 

к.х.н., доцент кафедры неорганической химии и биофизики Барышев А.Н. 

 
 

Рецензент 

к.ф-м.н.  Карулина Е.А. 

 
 
 
 

Рекомендовано для издания методическим советом ФГБОУ ВО СПбГУВМ      

Протокол № 9 от 13.12.21г. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

© ФГБОУ ВО СПБГУВМ, 2021 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Геохимия является сравнительно молодой геологической наукой, 

возникшей в конце XIX века. Представляет собой наука, возникшую на 
стыке геологии и химии. При этом она тесно связана с физикой, а по ряду 
вопросов - с биологией и астрономией. 

Основоположник 
геохимии 
- 
выдающийся 
русский 
ученый  

В.И. Вернадский, давший определение геохимии как науки, указавший объект 
и предмет исследования. По В.И. Вернадскому, геохимия научно изучает 
химические элементы, их историю, распределение и движение в пространствевремени. По А.Е. Ферсману, она изучает историю химических элементов в 
земной коре и их поведение при различных геохимических процессах [1]. 

А.И. Перельман отмечал, что геохимия – это история атомов Земли. 

По словам В.И. Лебедева геохимия является наукой о распределении 
химических элементов в земной коре [4]. 

Задачи и проблемы геохимии сегодня многообразны. По Ф.У. Кларку, 

каждая порода - это химическая равновесная система, которая может 
изменяться под действием различных агентов с образованием новой 
системы, стабильной в новых условиях. И задачей геохимии является 
определение того, какие возможны изменения, где и как они происходят [2].  

В.М. Гольдшмидт отмечал, что основная задача геохимии - это 

количественное определение состава Земли и установление законов, 
контролирующих распределение отдельных элементов.  

Сегодня геохимии доступно исследование только земной коры. И 

одной из задач геохимии является рассмотрение вопросов миграции 
химических элементов в земной коре. Различают разные виды миграции: 
механическая, физико-химическая, миграция газов, водная, биогенная и 
техногенная миграция [3]. 

Задачей реферата является рассмотрение кинетики и динамики 

физико-химической миграции элементов при геохимическом исследовании. 

 

 

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЛАНДШАФТ 

 
По 
определению 
Полынова, элементарный 
ландшафт в 
своем 

типичном проявлении – один определенный тип рельефа, сложенный одной 
породой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования 
определенным 
растительным 
сообществом. 
Эти 
условия 
создают 

определенную разность почвы и свидетельствуют об одинаковом на 
протяжении элементарного ландшафта развитии взаимодействия между 
горными породами и организмами. 

При отнесении участка земной поверхности к элементарному 

ландшафту 
важно 
учитывать 
возможность 
(хотя 
бы 
мысленную) 

распространения данного элемента ландшафта на значительно большей 
территории (например, пятно солончака 10м2 является ландшафтом, т. к. 
солончаки могут быть размером в десятки и сотни раз больше; кочка на 
болоте имеет весьма ограниченные размеры). Образования ограниченных 
размеров 
(кочка) 
называются предельными 
структурными 
элемен
тами или деталями ландшафта. 

Наименьшая 
площадь, 
на 
которой 
размещаются 
все 
части 

элементарного ландшафта, называется площадью выявления. Она тем 
больше, чем сложнее ландшафт. 

Расстояние от верхней до нижней границы элементарного ландшафта 

называется мощностью 
элементарного 
ландшафта. 
Верхняя 
граница 

находится в тропосфере и определяется зоной распространения пыли 
земного происхождения, обитания организмов. Нижней границей обычно 
является горизонт грунтовых вод (включительно). Мощность ландшафта 
обычно, как и площадь выявления, пропорциональна его сложности. 

Характерной особенностью элементарного ландшафта является 

резкая дифференциация вещества и физико-химических условий по 
вертикали на ярусы. Эта дифференциация и составляет 
структуру 

элементарного ландшафта. 

 

Геохимический ландшафт 

Элементарные ландшафты образуют связанные между собой 

ассоциации, 
названные 
Полыновым 
геохимическими 
ландшафтами 

(собственно ландшафты). Геохимический ландшафт – парагенетическая 
ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между 
собой миграцией элементов. (Совокупность элементарных ландшафтов, 
свойственных 
определенному 
геоморфологическому 
элементу 
– 

водоразделу, склону, террасе - Полынов предложил именовать местным 
ландшафтом). 

Характерное для каждого геохимического ландшафта закономерное 

сочетание 
элементарных 
ландшафтов 
называется 
его геохимическим 

сопряжением. Это присущий геохимическому ландшафту тип обмена 
веществ, энергии и информации между элементарными ландшафтами. 

Решающую роль в формировании связей между элементарными 

ландшафтами 
играет 
поверхностный 
и 
подземный 
сток, 
каждый 

геохимический ландшафт характеризуется определенным типом стока. 

По условиям миграции химических элементов элементарные 

ландшафты делятся на следующие группы: 

автономные ландшафты; 
трансэлювиальные ландшафты; 
элювиально-аккумулятивные ландшафты; 
супераквальные ландшафты; 
аквальные ландшафты. 

Полынов выделял три основных группы элементарных ландшафтов – 

элювиальные, супераквальные и субаквальные. 

Объем понятий ―элювиальные‖, ―супераквальные‖ и ―субаквальные‖ 

ландшафты в настоящее время несколько изменился. Так, к супераквальным 
ландшафтам относят верховые болота, хотя они занимают водораздельные 
поверхности и питаются только атмосферными водами. 

Полынов 
также 
выделял 
орто-, 
пара- 
и 
неоэлювиальные 

ландшафты. Ортоэлювиальный 
цикл проходят 
массивно
кристаллические и изверженные породы, впервые попадающие в зону 
выветривания; параэлювиальный 
цикл испытывают 
осадочные, 

преимущественно морские или древние континентальные породы, 
основу которых образуют не только остаточные, но и вторичные 
минералы; неоэлювиальный 
цикл осуществляется 
в 
молодых, 

преимущественно 
четвертичных 
отложениях 
при 
выведении 
их 

вследствие новейшей тектоники и эрозии из областей аккумуляции в 
приподнятые, часто водораздельные позиции. 

 

Распространение элементов в земной коре. Кларки.  

Концентрация и рассеяние 

Средний химический состав части литосферы, доступной для 

исследования, установлен довольно точно. Среднее содержание элемента в 
земной коре называется кларком этого элемента. Величины кларков 
литосферы различаются в миллиарды раз (у разных элементов). Кларк 
элемента К в земной коре – основная геохимическая константа, с которой 
сравнивается распределение элемента в любой системе. 

Можно говорить о кларках атмосферы, гидросферы, почв. 
Содержание элемента в данной пород (или вообще какой-нибудь 

системе) характеризуется кларком концентрации. Кларк концентрации КК 
представляет собой отношение содержания элемента в данной породе С к 
его кларку (содержанию в земной коре) К: 

КК = С/К. 

Величина, обратная кларку концентрации, называется кларком 

рассеяния: 

КР = К/С. 

Поскольку К и С не могут равняться нулю (в силу закона 

Вернадского-Кларка) КК и КР также всегда отличны от нуля. Наибольшие 
величины КК характерны для ртути и сурьмы (в области месторождений – 
сотни тысяч), наименьшие – для железо, магния, калия (не больше 10-100). 
Зная кларк элемента и максимальное значение КК, можно представить себе 
те пределы, в которых данный элемент будет встречаться в ландшафте. 

Каждая отдельная порода характеризуется своим геохимическим 

спектром – графиком содержания (кларков) различных элементов. Часто 
строят графики кларков концентрации элементов в какой-либо скважине с 

глубиной. Для элемента можно построить диаграмму его кларков 
концентрации в различных породах (почвах). 

Геохимия элементов, в том числе их распространенной в земной коре 

зависит 1) от строения ядра; 2) от строения электронной оболочки. Ядра 
всех макроэлементов легкие. Согласно правилу Отто-Гаккена, элементов с 
четными номерами больше, чем с нечетными, причем среди четных 
преобладают 
элементы 
с 
номерами, 
кратными 
четырем. 
По 

распространенности в земной коре выделяют следующие группы элементов: 

Макроэлементы (породообразующие) – с кларком более 1%: кислород 
(47%), кремний (29,5%), алюминий (8%), железо (4,7%), кальций (3%), 
натрий (2,5%), калий (2,5%), магний (1,9%), титан (0,45%). Эти девять 
элементов составляют около 98% массы земной коры. 
Микроэлементы 
редкие элементы с кларками 0,01-0,0001 – образуют свои минералы 
(например, медь); 
редкие рассеянные элементы - не образуют своих минералов 
(например, теллур); 
ультрамикроэлементы – например, ртуть, золото (кларк 4,7×10-8%). 
Макроэлементы, 
определяющие 
существенные 
и 
характерные 

особенности данного ландшафта, называются типоморфными. К ним 
относятся Ca, H (в виде иона), Fe, S, Cl и др. Чем больше кларк элемента, 
тем при сходных химических свойствах выше его содержание в природных 
водах, а, следовательно, и больше вероятность образования насыщенных 
растворов, осаждения минералов. 

Классификация элементов Гольдшмидта: 
Сидерофильные элементы (сродство к железу) – Fe, Ni, Pt. 
Халькофильные элементы (сродство к сере) – S, Zn, Pb, Sn, Cd, Ag, Au. 
Литофильные элементы – Ti, V, Mg, Zr, Sc, Ca. 
Атмофильные элементы – Н, Ne, Ar, Ge. 
Химические свойства элемента, его способность давать соединения 

различной растворимости, летучести, твердости, поглощаться организмами 
и т.д. относятся к внутренним факторам миграции. Большое влияние на 
миграцию оказывает также форма нахождения химического элемента  
(в кристаллической решетке минерала, в составе газа, в живом организме, в 
виде иона в водах и т.д.). 

 Внешние факторы миграции – обстановка, в которой мигрируют 

атомы – температура, давление, щелочно-кислотные условия (рН), 
окислительно-восстановительные условия вод (Eh). 

Параметры миграции 
Характеристикой миграции может служить работа, совершаемая при 

перемещении химических элементов. Как и любой вид работы, она 
выражается двумя типами параметров – экстенсивными и интенсивными. 
К экстенсивным относятся расстояния, на которое мигрирует элемент, и 

масса 
перемещенного 
элемента. Интенсивным параметром 
служат 

различные показатели, главным образом скорость миграции. 

Интенсивность 
миграции выражается 
скоростью 
перехода 
в 

подвижное состояние одного грамма вещества данного элемента. Если 
общее количество атомов элемента Х в ландшафте или какой-либо его 
части обозначить Вх, то количество атомов, перешедшее в подвижное 
состояние 
за 
промежуток 
времени 
Dt, 
составит 
DВх. 
Тогда 

относительная часть атомов, перешедших в подвижное состояние, равна 
DВх/Вх, а в единицу времени (DВх/Вх)(1/Dt). Эта величина и 
представляет интенсивность миграции Px. Для бесконечно малого 
промежутка времени (1/Dt). 

Это уравнение было получено Перельманом в 1940 г. Из уравнения 

следует, что чем больше величина Вх, тем (при неизменности dBx) меньше 
интенсивность миграции. Так как величина Вx в общем зависит от кларка 
элемента, то при прочих равных условиях элемент с меньшим кларком 
мигрирует энергичнее. 

Выделяются следующие основные виды миграции: 
Механическая миграция – миграция элементов в минеральной форме, 
зависит преимущественно от величины частиц минералов и пород, их 
плотности. Химические свойства при этом не имеют значения. 
Водная миграция (физико-химическая) – миграция элементов в 
водных растворах или взвесях. 
Воздушная миграция. 
Биогенная миграция – связана с деятельностью живых организмов. 
Техногенная миграция – связана с антропогенными процессами – 
разработкой месторождений, транспортом и т. д. Она определяется 
социальными закономерностями, хотя ей присущи и все более 
простые формы движения. 
Значение видов миграции для разных элементов неодинаково (для 

натрия и хлора наиболее важна водная миграция, на калия и фосфора – 
биогенная, для титана, золота, платины, олова – механическая). 

В разных ландшафтах соотношение видов миграции также 

неодинаково. В пустынях возрастает роль механической миграции, во 
влажных тропиках – физико-химической и биогенной. В зависимости от 
вида миграции Перельман выделил три основных ряда элементарных и 
геохимических ландшафтов: 

Абиогенные – только механическая и физико-химическая миграция. 
Биогенные – ведущее значение биогенной миграции, подчиненное – 
физико-химической и механической; 
Культурные – ведущая роль техногенной миграции. 

 

Любой элемент находится в ландшафте в нейтральной, катионной 

или анионной форме. Количество элемента в той или иной форме – 
величина вероятностная. 

Существует три основных типа поведения элементов в растворе в 

зависимости от рН: 

Тяжелые металлы – Zn, Pb, Cd, Ni, Hg – особенно подвижны в кислой 
среде. 
Амфотерные металлы – Se, Mo, As, Ge, U, V – образуют комплексные 
соединения 
(например, 
с 
участием 
карбонатного 
комплекса 

[HO3(CO3)3] 4-. В составе таких комплексов элементы мигрируют поразному. 
Элементы, особенно подвижные в щелочной среде. 
По преобладающей форме содержания в растворе элементы делятся на: 
Катионогенные – Li, Na, K; 
Комплексообразователи – Mg, Al, Ga, Sb; 
Анионогенные – V, Cr, Mo, Cl, Br, I. 
Химический состав природных вод. Общие закономерности водной 

миграции. 

Большинство 
химических 
элементов 
мигрирует 
в 
ионных, 

молекулярных 
и 
коллоидных 
водных 
растворах. 
Важнейшими 

компонентами вод ландшафта являются растворенные газы – кислород O2, 
углекислый газ CO2, сероводород H2S. 

Значительная часть растворенных веществ находится в виде ионов, 

среди которых преобладают Ca2+ > Mg2+ > Na+; HCO3

- > SO4

2- > Cl- 
 шестикомпонентный состав. Бывает, что такие соотношения нарушаются. 
Все воды содержат также ионы H+ и ОН-, роль которых в ландшафте, 
несмотря на низкое содержание (10-5:10-8 г/л), чрезвычайно велика. 
Содержание 
в 
водах 
остальных 
макроэлементов, 
а 
также 
всех 

микроэлементов очень невелико. 

Кроме ионов, растворенные в воде вещества находятся в форме 

молекул и коллоидных частиц. Особенно велика роль растворенного 
органического вещества. Также важная миграция веществ во взвешенном 
состоянии. Почти все воды ландшафта содержат живое вещество. 

Химизм почвенных и грунтовых вод зависит от их подвижности. С 

этой точки зрения различают поровые воды и свободные гравитационные. 

Для ландшафта, как правило, наиболее характерны неравновесные 

воды. Особенно это относится к гумидным ландшафтам. Живое вещество 
все время ―накачивает‖ в воды свободную энергию, поддерживая 
неравновесность. 

Водная миграция осуществляется диффузией, фильтрацией или 

смешанным путем. Диффузия имеет место в застойных или очень 
малоподвижных водах (болотные, иловые воды, растворы элювиальных 
почв, коры выветривания, водоносных горизонтов). Диффузные процессы 

особенно характерны для глин, они нередко приводят к их обессоливанию 
(диффузное выщелачивание), при этом ионы мигрируют с различной 
скоростью 
(например, 
хлориды 
быстрее 
сульфатов). 
Диффузия 

характеризуется малой скоростью, и в ландшафте с его активным 
водообменом 
имеет 
подчиненное 
значение. 
Здесь 
более 

распространена фильтрация, с которой связано растворение, ионный обмен 
(сорбция), осаждение солей и многие другие явления. 

Поведение элементов в водных растворах определяется следующими 

параметрами: 

Щелочно-кислотные условия, рН; 
Окислительно-восстановительные условия (наличие или отсутствие 
свободного кислорода), Еh; 
Температура, 
давление 
(постоянны); 
обычно 
рассматривается 

температура 25°С. 
Сорбционная способность – возможность элемента поглощать 
минеральные или органические частицы или отдавать их в результате 
обменных процессов. 
Биота. 
 

Щелочно-кислотные условия 

Концентрацию иона водорода ввиду малых абсолютных величин 

выражают не в г/л, а в виде отрицательного логарифма концентрации рН. По 
величине рН воды делятся на четыре группы: 

Сильнокислые (рН < 3) – связаны с существованием в водах 
свободной серной кислоты (в вулканических ландшафтах – соляной 
кислоты). 
Слабокислые (рН 3-6,5) – связаны с органическими кислотами и 
углекислым газом. 
Нейтральные и слабощелочные (рН 6,5-8,5) – связаны с наличием 
ионов кальция и HCO3

-. 

Сильнощелочные (рН > 8,5) – связаны с присутствием соды. 

Элементы, образующие катионы – катионогенные (Ca, Mg, Na, K, Sr, Rb, Cu, 
Zn, Cd) более подвижны в кислых средах; анионогенные элементы (S, Cl, N, 
C, P, Se, Mo, Si, As, V, Cr, Br, I) – в щелочных средах. Те и другие менее 
подвижны в нейтральных водах. Миграция Na, Li, Br, I почти не 
контролируется рН. 

Показателем подвижности элемента в растворе с тем или иным рН 

является рН начала выпадения его гидрокидов из децинормальных растворов. 
В соответствии со значениями этого показателя, двухвалентное железо 
обнаруживается в менее кислых водах, чем трехвалентное; гидроксиды магний 
выпадают из раствора только в сильнощелочных водах. Отсюда следует 
интенсивная миграция двухвалентного железа в болотах тундры и тайги 
(кислые воды) и слабая в болотах степей и пустынь (слабощелочные воды). 

Для большинства элементов с ростом температуры рН осаждения гидроксида 
повышается. Поэтому в жарком климате обычно миграционная способность 
элементов выше. Также рН осаждения гидроксида растет с уменьшением 
концентрации. Поэтому для редких элементов роль рН осаждения гидроксидов 
мала или вообще не имеет значения. 

Большинство металлов находится в природных водах не в виде 

простых ионов (Fe2+, Fe3+ и т.д.), а в виде различных комплексов ионов типа 
Fe(OH)2+, Fe(OH)2+ и т.д. В общем, образование растворимых комплексных 
соединений 
повышает 
рН 
выпадения 
гидроксида 
и 
увеличивает 

миграционную способность элементов. Миграция металлов в форме 
органических комплексов особенно характерна для тайги, тундры и других 
ландшафтов влажного климата. 

Органические 
соединения 
живых 
организмов 
и 
гумус 

обладают буферной способностью усреднять сильнокислую и сильнощелочную среды. 

Кислая (слабокислая) среда в ландшафте возникает в основном при 

разложении органических веществ, обогащающим воды угольной кислотой, 
органическими кислотами. Сильнокислая среды создается при окислении 
элементарной серы и дисульфидов (в месторождениях серы, угля, 
промышленных районах): 

MeS+O2 +H2O=MeSO4 +H2SO4. 

Известную роль в подкислении вод играют атмосферные осадки, 

особенно в вулканических районах и промышленных центрах. 

Поскольку в литосфере кларки катионогенных элементов выше, чем 

анионогенных, кислые воды, мигрируя по почвам и породам, довольно 
быстро нейтрализуются. В результате в почвах, корах выветривания, 
водоносных горизонтах по мере фильтрации вод образуется кислотнощелочная 
зональность (дифференциация). 
Кислая 
среда 
в 
верхних 

горизонтах порождает щелочную в нижних. 

В местах, где на коротких расстояниях кислая среда сменяется 

щелочной, возникает щелочной барьер, здесь осаждаются катионогенные 
элементы. Если щелочная среда сменяется кислой, образуется кислый 
барьер, где осаждаются анионогенные элементы (менее характерен). 
Возможно существование двухсторонних геохимических барьеров (такой 
барьер, в частности, был открыт Касимовым на границе березовых колков 
казахстанских лесостепей). 

Окислительно-восстановительные условия 
Важнейшим окислителем в ландшафте служит свободный кислород 

атмосферы. Окислителями могут быть и другие химические элементы, 
способные принимать электроны (восстанавливаться) – трехвалентное 
железо, четырех валентный марганец и т.д. Важнейшими восстановителями 
являются 
органические 
вещества 
(органические 
кислоты 
и 
др.), 

двухвалентное железо и газообразный водород.