Геохимия А. Е. Ферсмана. Топогеохимия. Распространенность главных элементов в земной коре. Термин кларк

Основные пути научного творчества

Методология науки, создание «Геохимии»

К важнейшим методологическим вопросам любой науки относится определение ее предмета и структуры.

В январе 1941 г. на торжественном заседании МОИП, посвященном 135-летию общества, его вице-президент А. Е. Ферсман сделал доклад «Химия Земли на новых путях», в котором значительно расширил предмет геохимии, отметив, что эта наука изучает атом в условиях Земли и мироздания в целом. Сейчас мы располагаем информацией о веществе Луны и других планет Солнечной системы. Анализом ее занимаются геохимики. В их терминологии появились такие понятия, как «геохимия Луны», «геохимия Марса», «космическая геохимия». Предвидение А. Е. Ферсмана сбывается.

К структуре геохимии А. Е. Ферсман обратился уже в самом начале своей деятельности. Его курс лекций в Народном университете им. А. Л. Шанявского состоял из шести основных разделов. В первом говорилось о предмете геохимии, подчеркивалась ее связь с минералогией. Во втором разделе — «Элемент как объект исследования геохимии» — рассматривались распространенность элементов в земной коре, периодическая система элементов Д. И. Менделеева, изоморфные ряды.

Третий раздел был посвящен химическим реакциям земной коры. А. Е. Ферсман анализировал роль давления и температуры, подчеркивал значение физической химии для геохимии, останавливался на законе В. Оствальда, правиле фаз, разбирал эвтектические смеси и термический анализ.

В четвертом разделе говорилось о минерале как о продукте химических реакций земной коры, его свойствах и полях устойчивости.

Обзору химических реакций отдельных зон Земли — от «центросферы» и магмы до зоны выветривания, гидросферы и атмосферы — посвящался пятый раздел программы. В последнем, шестом разделе трактовалась история отдельных элементов в земной коре. Наряду с распространенными автор характеризовал и редкие элементы: Nb, Та, U, Ra и др.

В заключение А. Е. Ферсман говорил о геохимии как о части астрохимии, рассматривал влияние космических причин на химические процессы земной коры, останавливался на будущем геохимии.

В 30-х годах геохимия считалась еще молодой наукой, а некоторые ученые даже отказывали ей в праве на существование. Не было и геохимических институтов, кафедр в вузах, учебников. Академик Академии наук Азербайджана М. А. Кашкай писал: «Несмотря на то что геохимия как самостоятельная научная дисциплина зародилась еще в начале нашего века, все же еще в 30-х годах между учеными продолжался спор о том, следует ли выделять геохимию и тем будто бы отрывать ее от геолого-минералогических наук. Говорили, что геохимия это „грамотная петрохимия“, что в ее основе лежит физическая химия и т. п. Этот спор принял такие масштабы, что Александру Евгеньевичу пришлось организовать в конференц-зале Академии наук СССР в Ленинграде специальное заседание, где он с глубоким знанием сущности вопроса выступал в защиту геохимии и обосновывал ее как самостоятельную отрасль геолого-минералогических наук. Его поддержали Д. И. Щербаков и другие. Этот день, на мой взгляд, был историческим и поворотным в судьбе отечественной геохимии, и по сути с этого времени геохимия утвердилась как наука» i.

И вот А. Е. Ферсман поставил перед собой задачу — изложить главные разделы этой науки. Такая работа предпринималась впервые, она требовала огромной эрудиции, колоссального труда. Александр Евгеньевич предполагал написать четыре тома на основе лекций, которые он читал весной 1932 г. в Уральском геологоразведочном институте в Свердловске.

Первый том «Геохимии» вышел из печати в 1933 г. А. Е. Ферсман рассматривал геохимию как итог работы геологов, минералогов, химиков, продолжавшейся два столетия. Этапы этого пути ученый связывал с именами М. В. Ломоносова, Д. И. Менделеева, Ф. У. Кларка, В. И. Вернадского, В. М. Гольдшмидта. Двум последним ученым, которые рассматривали геохимию как самостоятельную научную дисциплину, и посвятил свои труд A. Е. Ферсман.

Ученый отметил и других исследователей, которые способствовали развитию геохимии,—швейцарца П. Ниг- гли, немцев Г. Берга и П. Шнейдерхена, норвежца И. Фогта, американцев В. Линдгрена и В. Эммонса.

На примере геохимии А. Е. Ферсман отметил характерную особенность развития естествознания: в эпоху резкой дифференциации наук, на стыке различных направлений возникают синтетические пауки, широко использующие идеи и методы смежных дисциплин. Именно такой наукой, по мнению А. Е. Ферсмана, и является геохимия, базирующая свои выводы на достижениях химии, физики, геологии и других наук.

Ведущая идея первого тома «Геохимии» — закономерное распределение атомов в земной коре, образование геосфер — концентрических оболочек со строго закономерным составим (атмосфера, гидросфера, магматическая, метаморфическая и прочие геосферы). Характеристике строения и состава геосфер А. Е. Ферсман предпослал анализ роли атома и кристалла в геохимии. Он широко использовал в работе гениальное творение Д. И. Менделеева — периодическую систему, а также теорию строения атома. Количеством электронов и протонов в атоме, строением его наружного электронного слоя, размерами атомов и ионов объяснял ученый причины различного поведения элементов в земной коре, образование геосфер.

Незадолго до выхода в свет первого тома «Геохимии» B. М. Гольдшмидт вычислил размеры большинства ионов, заложив основы кристаллохимического направления в геохимии. Творческая натура А. Е. Ферсмана, однако, не позволила ему ограничиться лишь изложением чужих идей, он углубил их, и в частности внес значительный вклад в учение о радиусах ионов и изоморфизме. Об этих работах мы расскажем в следующем разделе.

Привлекла внимание А. Е. Ферсмана и распространенность атомов: почему одних элементов на Земле много (О, Fe, Si), а других мало (Ra, Au, Ga и т. д.).

Как известно, распространенность главных элементов в земной коре точно высчитал еще в конце XIX в. Ф. У. Кларк. В честь его А. Е. Ферсман предложил именовать среднее содержание химических элементов в отдельных геосферах (литосфере, гидросфере), Земле в целом, звездах, туманностях и других частях космоса кларками. Геохимики стали говорить о кларках почв, Мирового океана, живых организмов и т. д., а саму проблему распространенности элементов именовать проблемой кларков (интересно, что термин «кларк» получил распространение в нашей стране, но не на родине ученого — в США, где его почти не употребляют).

Выяснилось, что кларки характеризуются различными величинами: если кларк самого распространенного в литосфере элемента — О равен 49%, то Fe — лишь 4,65, U-2,5-10-4, Au —4,3-10"7%.

После работ Ф. У. Кларка изучением среднего состава земной коры стали заниматься почти все крупнейшие геохимики; много внимания уделил этой проблеме и А. Е. Ферсман. Только осветив эти великие достижения геохимии, автор приступил к анализу состава атмосферы, гидросферы и других геосфер.

Таково содержание первого тома «Геохимии», который можно рассматривать как статику геохимии.

В 1934 г. из печати вышел второй том монографии, посвященный динамике геохимии — процессам миграции химических элементов в земной коре. А. Е. Ферсман исследовал причины, приводящие атомы в движение, заставляющие их концентрироваться или рассеиваться. В одном случае — это высокие температуры и давления (в глубинах Земли), в другом — живые организмы (на земной поверхности) , в третьем — хозяйственная деятельность человечества и т. д. А. Е. Ферсман рассмотрел миграцию в отдельных системах: расплавленной магме, горячих растворах больших глубин, морских илах, почвах, живых организмах, человеческом обществе и т. д. Для каждой системы он отметил особые законы миграции, особые типы концентрации элементов: только живые организмы концентрируют углерод в больших количествах, только из расплавленной магмы создаются концентрации хрома и платины, и только промышленная деятельность приводит к концентрации рассеянных элементов. Для каждой природной системы А. Е. Ферсман выявил присущие ей концентрации элементов — месторождения полезных ископаемых. Свои выводы автор иллюстрировал примерами из личного опыта.

В третьем томе Ферсман предполагал изложить региональную геохимию, осветить общие законы «геохимической топографии» и показать их конкретное воплощение на примере Урала, Прибайкалья и Средней Азии. Последний, четвертый том намечалось посвятить геохимии отдельных элементов и прикладной геохимии. Однако этот план не был осуществлен, так как в начале 30-х годов ученого увлекли новые теоретические проблемы, которые составили содержание третьего тома «Геохимии», самого крупного по объему.

В 1934 г. на юбилейном съезде химиков, посвященном 100-летию со дня рождения Д. И. Менделеева, А. Е. Ферсман выступил с докладом о роли периодического закона в геохимии. По словам Александра Евгеньевича, он не мог ограничиться только формальным анализом того, что сделано, без более глубокого анализа проблемы в целом. К проблемам геохимии и к самой периодической системе А. Е. Ферсман подошел с новых, энергетических позиций.

До сих пор, говорил Александр Евгеньевич, наши кристаллохимические представления опирались на измерение размеров атомов и ионов, основным масштабом служила линейка с делением в сотые доли ангстрема.

Независимо от этого «второй меркой природных процессов служил термометр, который строил здание термохимии». Теперь, по мнению А. Е. Ферсмана, настало время широко использовать третью меру — электрический счетчпк.

Из этих исследований возникла геоэнергетическая теория, легшая в оспову третьего тома. Она привлекла внимание геохимиков к энергетическому анализу природных процессов, объяснила некоторые общие особенности миграции атомов.

«Впервые концепция энергии была столь широко и с таким успехом привлечена к разрешению важнейших геолого-минералогических проблем.

Эти идеи можно отметить как поворотный пункт в науке о неживой природе»,—писал физикохимик А. Ф. Капустинский2.

Вместе с тем теория А. Е. Ферсмана представляла только первый шаг в разработке энергетики природных процессов. Это хорошо понимал и сам ученый. В предисловии к третьему тому «Геохимии» он писал: «И хотя я лично потратил много сил, внимания на изучение проблемы в целом и на выполнение поставленной задачи, я вижу, что в ней очень многое лишь намечено, многие вопросы лишь поставлены, но далеко еще не решены.

Думается, однако, что путь, взятый мною сейчас, правилен»

Последний, четвертый том «Геохимии» увидел свет в 1939 г. Автор охарактеризовал в нем геохимию всех известных в то время элементов периодической системы, начиная с водорода и кончая ураном. Рассматривая строение атома, различные физико-химические константы, Ферсман анализировал особенности поведения элементов в земной коре, объяснял основные законы их миграции, намечал важнейшие типы месторождений, их поисковые признаки. Весь свой опыт он использовал для установления этих признаков и прогнозирования новых районов поисков месторождений. Таким образом, А. Е. Ферсман применил геохимию к поисково-разведочным работам. «Для наших масштабов и для наших темпов,— писал он,— только новые геохимические и геофизические методы смогут в ближайшие годы дать стране нужное сырье — в нужном количестве, нужного качества и в соответствующих местах» \

Автор предупреждал «о необходимости большой осторожности вообще в пользовании теорией при анализе природных явлений. Приведенные в книге (четвертом томе ,,Геохимии“.— А. П.) теоретические соображения, по возможности, проверены и обоснованы большим фактическим материалом и потому в известной мере являются синтезом теории и практических наблюдений. Однако природные условия и сочетания геохимических факторов, как мы знаем сейчас, не ограничиваются типичными, характерными и наиболее вероятными системами. Статистическая правильность построений недостаточна для полного применения общих положений к каждому данному случаю; несогласие с теорией превращается в необходимое и законное исключение, а в исключении нередко лежит наибольший интерес и специфичность данного месторождения. Поэтому пользование общими идеями и выводами этого тома требует одновременно и очень вдумчивого к ним отношения, и критического анализа самих природных явлений. Только в типичной геохимической и геологической обстановке мы будем ожидать проявления и типичных законов, т. е. того, что мы называем чистой линией процесса.

 Но большинство природных явлений не принадлежит к этому типу, и задачей каждого полевого исследователя является одновременно разрешение двух задач — во-первых, выяснение того основного типа, к которому данное месторождение относится, и тех типичных черт, которые должны пз этого вытекать, и, во-вторых, выявление тех отклонений и исключений, которые характерны именно для данного месторожения и которые, в свою очередь, вызывают отклонения от чистой линии теории» 5.

Исключительно важен вывод А. Е. Ферсмана о том, что геохимический метод имеет значение лишь в тесной и гармоничной увязке с методами геологии.

Пятый том «Геохимии» А. Е. Ферсман предполагал посвятить топогеохимии, в частности геохимии СССР. Главы по Крыму, Кольскому полуострову, Карелии, Ленинградской области и другим районам были готовы, но автор отмечал «исключительные пропуски» в наших знаниях, касающиеся Дальнего Востока, Казахстана, Кавказа, писал он и о трудностях, и о большом практическом значении данной работы.

В последнем, шестом томе А. Е. Ферсмана должны были рассматриваться проблемы прикладной геохимии. В архиве ученого сохранился план этого тома, включавший пять основных разделов: Кларки и кларки концентрации; Изотопы в геохимии; Эки, вэки и величины pH; Берцелииды, их роль в науке и технике (соединения, содержащие какой-либо элемент в разных валентностях) ; Геохимические идеи в технологии; Геохимия в истории науки. Ее прошлое, настоящее и будущее.

«Геохимия» А. Е. Ферсмана представляет собой непревзойденный образец изложения основ данной науки. Академик С. С. Смирнов сказал, что это в полном смысле слова декларация новой науки, ее утверждение и современное ее состояние.

А. Е. Ферсман предполагал посвятить прикладной геохимии особый том «Геохимии». В 1940 г. увидела свет его монография о геохимических и минералогических методах поисков полезных ископаемых. Во введении A. E. Ферсман изложил теорётические основы геохимий, а затем показал, как минералогия и геохимия используются при поисках месторождений.

Геохимические методы поисков полезных ископаемых тогда еще только зарождались, и в этой области почти не было специалистов. Следует отдать должное силе научного предвидения А. Е. Ферсмана. Еще в 1940 г. он настаивал на широком применении этих методов, предсказывая им большое будущее, которое началось с середины 50-х годов.

К содержанию книги: Биография и книги Ферсмана