Геохимия

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Геолого-геофизический факультет
Кафедра минералогии и петрографии
ГЕОХИМИЯ
Рабочая программа
Новосибирск
2005
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего специального образования.
Предназначена для студентов 4-го курса геолого-геофизического факультета специализаций геологии и геохимии.
Составитель
д-р геол.-минер. наук, проф. О. М. Туркина
Утверждена на заседании кафедры минералогии и петрографии.
© Новосибирский государственный
университет, 2005
2
I. Организационно-методический раздел
1.1. Курс «Геохимия» относится к общепрофессиональным дисциплинам государственного образовательного стандарта федерального компонента.
1.2. Цели и задачи курса. Дисциплина «Геохимия» предназначена для студентов 4-го курса геолого-геофизического факультета,
обучающихся по специальностям «Геохимия» и «Геология» (7–8
семестры).
Основной целью освоения дисциплины является получение знаний о составе Земли и отдельных ее оболочек.
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса,
включающие изучение распределения элементов в горных породах
и геосферах и миграции элементов в геологических процессах.
1.3. Требования к уровню освоения содержания курса. По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:
– иметь представление о происхождении Земли и отдельных геосфер;
– знать особенности распределения элементов и изотопов в горных породах и их поведение в геологических процессах;
– уметь применять полученные знания для анализа генезиса горных пород.
1.4. Формы контроля
Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрены экзамены по окончании каждого семестра.
Текущий контроль. В течение первого семестра принимаются
два коллоквиума. Выполнение указанных видов работ является обязательным для всех студентов, а результаты текущего контроля
служат основанием для выставления оценок в ведомость контрольной недели на факультете.
2. Содержание дисциплины
2.1. Новизна курса определяется использованием современных
сведений по геохимии элементов, он насыщен данными по изотопной геохимии, позволяющими судить о происхождении различных
типов горных пород, впервые в России в курс включен раздел по
геохимии мантии, в разделе по геохимии магматического процесса
представлена методика количественного моделирования поведения
3
редких элементов при плавлении, кристаллизации и ассимиляции.
Актуальность данного курса обусловлена широким использованием
геохимических данных во всех разделах геологических наук.
2.2. Тематический план курса (распределение часов).
Количество часов
Лекции Самостоятель- Всего
ная работа часов
Введение в геохимию
4
1
5
Космогеохимия
10
3
13
Изотопная геохимия
12
4
16
Общая геохимия
8
2
10
Геохимия мантии
10
3
13
Геохимия земной коры
12
4
16
Геохимия атмосферы
2
1
3
Геохимия гидросферы
10
3
13
Геохимия биосферы
2
1
3
Геохимия магматического и пегма14
5
19
титового процессов
Геохимия процесса метаморфизма
4
2
6
Геохимия гидротермального и ме6
3
9
тасоматического процессов
Геохимия осадочного процесса
8
3
11
Итого по курсу
102
35
137
Темы
2.3. Содержание курса
I. ВВЕДЕНИЕ В ГЕОХИМИЮ
1. Объект и методы геохимии
Определение геохимии, ее место в системе наук о Земле. Основные проблемы и направления геохимии. Методы геохимии: химические и физические методы изучения распределения и форм
нахождения элементов, методы термодинамики и кристаллохимии.
2. Геохимические методы исследования
Типы геохимических задач. Цели и методы опробования, представительный вес проб. Выбор аналитических средств, характеристики аналитических методов (чувствительность, точность, воспроизводимость), аналитические стандарты.
4
II. КОСМОГЕОХИМИЯ
1. Космическая распространенность
Понятие «космической» распространенности, основные закономерности распространенности ядер в зависимости от атомного номера. Происхождение химических элементов: космический нуклеосинтез, реакции горения в недрах звезд, e-, s-, r-процессы, эксплозивный нуклеосинтез.
Последовательность конденсации вещества из газового облака.
Метеориты, их минеральный и химический состав, классификация
метеоритов. Хондриты, особенности состава хондр, тугоплавких
включений и матрикса, классы хондритов и их состав. Дифференцированные типы метеоритов: ахондриты, железные и железокаменные. Возраст метеоритов, первичный изотопный состав, датирование метеоритов по вымершим радионуклидам.
Космохимические классификации элементов по температурам
конденсации из газового облака и распределению по фазам метеоритов.
2. Распространенность элементов в веществе планет
Распространенность элементов в планетном веществе, гипотеза
об аналогии твердого вещества планет и метеоритов. Три группы
планет Солнечной системы, различия в их строении и составе. Основные факторы, определяющие различия в составе планет: расстояние от Солнца, время аккреции, импактные процессы. Данные о
планетах земной группы, сведения о строении и составе пород Луны, Венеры и Марса. Исторические и современные представления
об аккреции планетного вещества. Модели гомогенной и гетерогенной аккреции.
Энергетика планет: источники тепла и роль радиогенного тепла.
3. Изотопная геохимия
Строение ядер атомов, диаграмма нуклидов. Стабильность ядер
и распространенность изотопов; радионуклиды. Радиоактивность и
ее виды, закон радиоактивного распада, уравнение определения
возраста; геохронологическая шкала.
Методы изотопного датирования (K-Ar, Ar-Ar, Rb-Sr, Sm-Nd,
U-Th-Pb, Lu-Hf, Re-Os), особенности и области применения. Модельный возраст, особенности интерпретации модельных возрастов
для гранитоидов и осадочных пород. Применение изотопной геохимии Sr, Nd, Hf в решении задач геологии. Космогенные радио5
нуклиды и их значение для решения геологических задач. Стабильные изотопы, причины изотопного фракционирования, основные
области применения данных по геохимии стабильных изотопов.
III. ОБЩАЯ ГЕОХИМИЯ
Распределение элементов
1. Геохимические классификация элементов
Периодический закон Д. И. Менделеева и геохимические классификации элементов.
2. Распределение и факторы миграции элементов в природных
системах
Состояние (формы нахождения) элементов в природе. Минералы
как продукты природных реакций, ограниченность числа минеральных видов. Рассеяние элементов в природе, формы рассеяния, неструктурные примеси. Понятие о миграции; внутренние и внешние
факторы миграции. Основные свойства атомов и ионов и их влияние на распределение и миграцию элементов в природных системах.
3. Изоморфизм
Явление изоморфизма и его геохимическое значение. Основные
типы изоморфизма, эмпирические правила изоморфизма. Термодинамические основания изоморфизма; стабильность изоморфных
смесей и ее зависимость от термодинамических условий. Изоморфизм
и
ассоциации
элементов;
изоморфные
ряды
В. И. Вернадского, диагональные ряды А. Е. Ферсмана. Изоморфизм как механизм рассеяния, концентрирования и разделения элементов.
Общая геохимия Земли
1. Геохимия мантии
Источники сведений о составе и строении мантии. Минеральный
состав мантии и его изменение с глубиной. Химический состав
верхней мантии, его отличие от состава хондритов. Представление
о примитивной мантии. Особенности состава нижней мантии. Обзор моделей строения мантии. Представления о гетерогенности
мантии по данным о геохимии базальтов СОХ и океанических островов. Корреляция изотопного состава Nd, Sr, Pb для океанических
6
базальтов, свинцовый парадокс. Мантийные геохимические резервуары: деплетированый (DM), обогащенные (EM1, EM2), HIMUрезервуар. Масштабы и время формирования мантийной гетерогенности. Отношения несовместимых редких элементов в океанических базальтах. Представления о происхождении мантийных резервуаров, влияние метасоматоза, рециклинга корового и мантийного
вещества на формирование мантийной гетерогенности. Геохимия
верхней мантии по данным о составе перидотитов альпинотипных и
офиолитовых массивов и глубинных ксенолитов. Особенности редкоземельного состава лерцолитов и гарцбургитов; деплетированный
и фертильный типы, модели их образования.
2. Геохимия земной коры
Представления о строении земной коры по вертикали; типы земной коры. Распространенность элементов в земной коре, методы
оценки. Современные модели состава осадочной оболочки, верхней
и нижней континентальной коры и земной коры в целом (модели
Ронова–Ярошевского, Тейлора–Мак-Леннана, Уивера–Тарни, Ведеполя, Рудник–Фаунтейна). Состав архейской континентальной коры. Модели состава архейской континентальной коры (Тейлора–
Мак-Леннана, Конди), изменение состава осадочных пород и верхней континентальной коры на границе архей–протерозой и его причины. Особенности состава континентальной коры в целом, механизмы и скорости роста континентальной коры.
3. Геохимия атмосферы
Строение и химический состав атмосферы. Подземные атмосферы, их состав. Происхождение атмосферы: «избыток летучих», дегазация мантии. Данные о распространенности инертных газов в
атмосфере и мантии. Архейская атмосфера, геологические свидетельства о ее составе, процессы формирования архейской атмосферы, изменение состава атмосферы в позднем архее и их причины.
Эволюция состава атмосферы в позднем докембрии и фанерозое.
4. Геохимия гидросферы
Масса и состав гидросферы. Состав океанической воды. Главные
и рассеянные элементы в морской воде, формы их нахождения.
Распределение элементов в океанической воде: консервативные
элементы, растворенные газы, нутриенты, элементы, реагирующие
с частицами. Взаимодействие океанической воды с породами дна.
Привнос и вынос вещества в океан, понятие о времени пребывания.
7
Источники растворенного вещества в морской воде: речной сток,
гидротермальные потоки, атмосфера. Осаждение вещества в океане:
биогенное поглощение, реакции с глинистыми частицами, осаждение гидроокислами и окислами, осаждение эвапоритовых солей.
Постоянство и возможность изменения состава океанической воды
во времени: данные по эвапоритовым солям, карбонатным осадкам;
изотопный состав Sr океанической воды. Материковые воды, источники минерализации, особенности состава вод рек и озер, подземных вод. Классификация природных вод по А. И. Перельману,
классификационные
параметры:
температура,
окислительно-восстановительные и кислотно-щелочные условия, минерализация, растворимые огранические вещества, ионный состав.
5. Геохимия биосферы
Определение биосферы. Количество и химический состав живого вещества, ассоциации элементов живого вещества. Накопления
организмами элементов и изотопов. Роль органического вещества в
геохимической миграции элементов. Биогеохимические провинции
и эндемии.
Геохимия процессов
1. Геохимия магматического процесса
Понятия о редких когерентных и некогерентных элементах; коэффициенты распределения; различия в составе субстратов, магм и
остаточных расплавов. Основные факторы, определяющие редкоэлементный состав магм. Модели, описывающие поведение редких
элементов в процессах парциального плавления и фракционной
кристаллизации. Влияние ассимиляции, смешения, ликвации, эманационной дифференциации на редкоэлементный состав магматических пород.
Индикаторные отношения изотопов и редких элементов в магматических породах. Изотопно-геохимическая систематика базальтоидов и гранитоидов. Дискриминантные диаграммы.
Практические способы анализа данных по распределению редких элементов и изотопов для реконструкции петрогенезиса; геохимическое моделирование.
2. Геохимия пегматитового процесса
Состав и классификации пегматитов (по А. Е. Ферсману,
А. И. Гинзбургу и Г. Г. Родионову, Б. М. Шмакину). Представления
8
о механизмах формирования; магматический и постмагматический
этапы пегматитообразования. Редкоэлементный состав пегматитов
различных типов; поведение петрогенных, летучих и редких элементов при формировании пегматитов.
3. Геохимия процесса метаморфизма
Главные факторы, определяющие минеральный и химический
состав метаморфических пород. Типы метаморфизма, поведение
элементов в открытых и закрытых системах. Миграция элементов
при региональном и контактовом метаморфизме; инертные и подвижные элементы. Особенности поведения петрогенных и редких
элементов при гранулитовом метаморфизме, мигматизации, чарнокитизации и «гранитизации».
Использование геохимических данных для реконструкции протолитов метаморфических пород.
4. Геохимия гидротермального процесса
Основные типы гидротермально-метасоматических процессов,
ассоциации элементов, характерные для продуктов кислотного и
щелочного метасоматоза.
Состав, концентрация, Т- и Р-гидротерм. Изотопногеохимические данные об источниках гидротермальных растворов и
рудного вещества. Формы миграции металлов в гидротермах; основные факторы отложения рудных минералов, геохимические барьеры. Околорудные положительные и отрицательные ореолы распределения элементов. Стадийность гидротермального процесса и
ее влияние на геохимическую зональность.
5. Геохимия процессов выветривания и седиментации
Основные агенты и химические процессы в зоне гипергенеза.
Основные реакции при химическом выветривании, продукты выветривания. Дифференциация вещества в процессах выветривания,
эрозии, переноса и отложения осадков. Вклад взвешенной, сорбированной и растворенной форм переноса вещества в формирование
основных типов осадочных пород. Состав основных типов осадочных пород. Специфика состава глубоководных океанических осадков. Роль органического вещества в концентрации микроэлементов
в осадках. Геохимические индикаторы областей сноса терригенных
пород.
9
3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
3.1. Образцы вопросов для подготовки к экзамену
1. Rb-Sr- и Sm-Nd-методы датирования магматических, метаморфических и осадочных пород; Nd, модельные датировки.
2. U-Th-Pb-методы определения возраста, диаграмма с конкордией.
3. Состав базальтов срединно-океанических хребтов и океанических островов.
4. Геохимические мантийные резервуары; представления об их
происхождении.
5. Геохимия верхнемантийных пород на основании данных по
составу массивных перидотитов и глубинных ксенолитов.
6. Модели А. Ронова и А. Ярошевского, С. Тейлора и С. МакЛеннана состава верхней континентальной коры и земной коры в
целом.
7. Состав нижней континентальной коры, способы оценки
(модели
Б. Уивера–Дж. Тарни,
А. Ронова–А. Ярошевского,
С. Тейлора–С. Мак-Леннана, Р. Рудник–Фаунтейна).
8. Состав архейской верхней континентальной коры, эволюция
состава верхней коры на границе AR-PR.
9. Геохимия атмосферы (состав и происхождение атмосферы,
основные этапы и факторы эволюции состава атмосферы).
10. Состав океанической воды, вертикальное распределение
элементов в океане, привнос и вынос вещества в океан.
11. Геохимическая классификация природных вод (по А. И. Перельману). Характеристика континентальных поверхностных и подземных вод.
12. Геохимия биосферы: количество и состав живого вещества,
роль органического вещества в миграции элементов, геохимия биологических и биокосных систем.
13. Поведение элементов-примесей в магматической системе,
коэффициенты распределения. Модели распределения редких элементов при парциальном плавлении и фракционной кристаллизации.
14. Геохимические типы вулканитов океанических хребтов,
субдукционных и внутриплитных обстановок.
15. Геохимические типы гранитоидов. Редкоэлементный состав
гранитоидов различных геодинамических обстановок.
10
16. Состав и классификации пегматитов. Поведение петрогенных, редких и летучих элементов при формировании пегматитов
различных типов.
17. Поведение элементов при выветривании горных пород. Состав основных типов терригенных пород (песчаники, граувакки и
глинистые сланцы).
18. Поведение элементов при океанической седиментации. Состав терригенных, карбонатных и кремнистых пелагических осадков. Роль органического вещества в концентрации микроэлементов
в осадочных породах.
19. Поведение редких элементов при региональном метаморфизме и ультраметаморфизме. Поведение петрогенных и редких
элементов в процессах кислотного, щелочного и основного метасоматоза.
20. Состав, концентрация, Т, Р и кислотно-щелочные свойства
гидротермальных растворов. Источники гидротермальных растворов и рудного вещества. Факторы рудоотложения.
3.2. Список основной и дополнительной литературы
Основной
Войткевич Г. В., Закруткин В. В. Основы геохимии. М.: Высш.
шк., 1976.
Браунлоу А. Х. Геохимия. М.: Недра, 1984.
Хендерсон П. Неорганическая геохимия. М.: Мир, 1985.
Перельман А. И. Геохимия. М.: Высш. шк., 1989.
Интерпретация геохимических данных. М.: Интермет Инжиниринг, 2001.
Дополнительный
Вернадский В. И. Очерки геохимии. М.: Наука, 1983.
Балашов Ю. А. Геохимия редкоземельных элементов. М.: Наука,
1976.
А. Б. Ронов и др. Химическое строение земной коры и геохимический баланс главных элементов. /Ронов А. Б., Ярошевский А. А.,
Мигдисов А. А. /М.: Наука, 1990.
Тейлор С. Р., Мак-Леннан С. М. Континентальная кора, ее состав
и эволюция. М.: Мир, 1988.
11
Фор Г. Основы изотопной геологии. М.: Мир, 1989.
Таусон Л. В. Геохимические типы и потенциальная рудоносность
гранитоидов. М.: Наука, 1977.
Холленд Х. Химическая эволюция океанов и атмосферы.
М.: Мир, 1989.
12