Геохимия

Геохимия (Химия Земли, от др.-греч. γῆ «Земля» + химия) — наука о химическом составе Земли и планет, законах распределения и движения элементов и изотопов в различных геологических средах, процессах формирования горных пород, почв и природных вод.

Наука
Геохимия
англ. Geochemistry
Тема	геология, химия
Предмет изучения	Земля и планеты
Период зарождения	XIX век
Основные направления	(биогеохимия), (космохимия), , (региональная геохимия) и пр.
Медиафайлы на Викискладе

В задачи геохимии входят:

• Определение относительной и абсолютной распространённости элементов и изотопов в Земле и на её поверхности.
• Изучение распределения и перемещения элементов в различных частях Земли (коре, мантии, гидросфере и т. д.) для выяснения законов и причин неравномерного распределения элементов.
• Анализ распределения элементов и изотопов в космосе и на планетах Солнечной системы ((космохимия)).
• Изучение геологических процессов и веществ, производимых живыми или вымершими организмами ((биогеохимия)).

История

Термин геохимия в 1838 году был введён (Кристианом Шёнбейном), который сказал: «Сравнительная геохимия должна быть запущена до того, как геохимия может стать геологией, и до того, как тайна бытия наших планет и их неорганических веществ могут быть раскрыты», впервые опубликован в 1844 году.

Распространенным термином был также «химическая геология».

Большой вклад в создание Геохимии как самостоятельной науки внесли (В. М. Гольдшмидт), (Ф. У. Кларк), В. И. Вернадский, (А. Е. Ферсман), (А. П. Виноградов) и другие учёные.

Геохимия исторически сформировалась как химия элементов в геосферах и во многом продолжает оставаться такой. Это было оправдано во времена Ферсмана и Вернадского. Но свойства веществ — это свойства фаз. Один и тот же элемент может находиться в составе различных фаз и сам образовывать много фаз с очень разными свойствами (пример — несколько фаз углерода). В XX веке появились методы анализа фаз, например . Поэтому дальнейшее развитие геохимии представляется, как химия фаз в геосферах. Общий элементный анализ геологических проб должен подкрепляться фазовым анализом. Иначе при рассмотрении свойств геологических пород происходит резкий переход через структурный уровень организации вещества: от химического элемента, минуя минеральную фазу, к породе и геологическому телу.

В течение первой половины XX века множество учёных использовали разнообразные методы для определения состава земной коры, и геохимия многих редких элементов была изучена с использованием появившегося метода (эмиссионной спектроскопии). Кристаллические структуры большинства минералов были определены методом (рентгеновской дифракции). В. И. Вернадский разработал основы (биогеохимии).

Резкий прогресс в области науки и технологий во время Второй мировой войны привёл к появлению новых приборов^[]. Но геохимия в это время ещё развивалась сравнительно медленно. В 1950-х годах всего нескольких журналов было достаточно для публикации всех важных достижений в геохимии. На собрании было несколько геохимических сессий, большинство из которых было посвящено локальным проблемам и не выходили за рамки геохимии.

В середине 1950-х годов академик АН СССР (Александр Павлович Виноградов) основал новое направление в геохимии — изотопную геохимию — фракционирование в природных процессах изотопов лёгких элементов (кислород, сера, углерод, калий и свинец). Результатом работ Виноградова стало определение абсолютного (возраста Земли), щитов — (Балтийского), (Украинского), (Алданского) и других, а также пород Индии, Африки и других регионов; изучен состав метеоритов (разные формы углерода, газов и других веществ). Его исследования дали старт новому этапу развития геохимии.

В 1960-х годах атмосферная и морская геохимия интегрировались с геохимией литосферы; (космохимия) и (биогеохимия) внесли огромный вклад в наше понимание истории нашей планеты. Началось изучение Земли как единой системы.

Масштабные показали, как и насколько быстро смешиваются воды океанов, они продемонстрировали связь между морской биологией, физической океанологией и морским осадконакоплением. Открытие (гидротермальных источников) показало, как формируются . Были открыты прежде неизвестные экосистемы, и были выяснены факторы, которые управляют составом морской воды.

Теория тектоники плит преобразила геохимию. Геохимики, наконец, поняли пррироду поведение осадков и океанической коры в зонах субдукции, их погружение и эксгумацию. Новые эксперименты при температурах и давлениях глубин Земли позволили выяснить, какова трехмерная структура мантии и как происходит генерация магм. Доставка на Землю лунных пород, исследование с помощью космических аппаратов планет и их спутников и успешный поиск (планет в других звёздных системах) произвели революцию в нашем понимании Вселенной.

Геохимия имеет ряд смежных вопросов с экологией. Открытие (озоновых дыр) послужило недвусмысленным тревожным экологическим признаком и источником новых фундаментальных взглядов в (фотохимии) и динамике атмосферы. Увеличение содержания СО₂ в атмосфере вследствие сжигания ископаемого топлива и уничтожения лесов было и будет предметом основных дискуссий о глобальных антропогенных изменениях климата. Исследование этих явлений служит источником новой информации о взаимодействии атмосферы с биосферой, земной корой и океанами.

Разделы геохимии

Некоторые подразделы геохимии:

• ^[англ.] изучает роль различных элементов в водосборных бассейнах, в том числе (меди), серы, ртути, и взаимный обмен веществ гидросферы с атмосферой и литосферой
• (Биогеохимия) — это область исследований, изучающая влияние жизни на химию Земли.
• (Космохимия) включает в себя анализ распределения химических элементов и их изотопов в космосе.
• ^[англ.] включает определение относительных и абсолютных концентраций элементов и их изотопов в оболочках Земли.
• ^[англ.] изучает процесы образования соединений, продуцируемых живыми организмами или образующихся из некогда живых организмов.
• ^[англ.] проводит исследования химических реакций, протекающих под действием света или с выделением света, которые происходят среди природных компонентов земной поверхности.
• ^[англ.] изучает практические вопросы геохимии, связанные с экологическими, гидрологическими и минеральными исследованиями для отдельных регионов или континентов Земли.

Методы

1. (Рентгено-флуоресцентный анализ (РФА, XRF)) . В настоящее время наиболее широко используемый метод для определения главных и редких элементов в породах. Можно определить до 80 элементов в широком диапазоне концентраций, до г/т.
2. (Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС)). Высокая чувствительность, но невысокая производительность, не может сравниться с РФА и ІСР-MS.
3. (Нейтронно-активационный анализ).
   • инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА)
   • радиохимический нейтронно-активационный анализ (НАА)
4. (Гамма-спектрометрия). Измерение естественной радиоактивности трех элементов U, Th, K. С помощью детектора измеряется характерное излучение каждого элемента.
5. Эмиссионная спектрометрия с индуктивносвязанной плазмой. Относительно новый вид анализа, в принципе могут быть определены все элементы ПС.
6. (Масс-спектрометрия). В различной форме это наиболее эффективный метод определения изотопных отношений.
   • Масс-спектрометрия с изотопным разбавлением
   • Масс-спектрометрия с индуктивносвязанной плазмой ІСР-MS
7. Электронно-микропробный (микрозондовый анализ). Определение петрогенных элементов в единичных малых зернах минералов. По принципу аналогичен рентгено-флуоресцентному методу, но образец возбуждается потоком электронов.
8. Ион-микропробный анализ (ионный зонд). Применяется для определения редких элементов и изотопов.

Интерпретация геохимических данных:

Основная статья: (Геохимические карты)

Редкоземельные элементы (РЗЭ) нормируются по хондриту С1 и по примитивной мантии. Полученные нормированные данные строятся на логарифмической шкале. Полученный тренд, выявленные максимумы и минимумы элементов указывают в каких условиях образовалась порода.

Организации и общества

• 1955 — (Geochemical Society)
• 1966 — ()
• ().

Организации и лаборатории в России:
Владивосток:

• (Дальневосточный геологический институт ДВО РАН)

Екатеринбург: Иркутск:

• (Институт земной коры СО РАН)

Москва:

• (Институт минералогии, геохимии, кристаллохимии и редких элементов (ИМГРЭ))
• (Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН)
• (Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского)

Новосибирск:

• в Объединённом Институте геологии, геофизики и минералогии им. А. А. Трофимука

Петрозаводск:

• (Институт геологии Карельского научного центра РАН)

Сыктывкар:

• (Институт геологии Коми научного центра УРО РАН)

Съезды геохимиков

• 1971 — .
• 1991 — .

Основная литература

Серийные издания:

• 1950 — Geochimica et Cosmochimica Acta
• 1986 — Applied Geochemistry"
• .

Книги:

• Rankama K., Sahama Th. G. Geochemistry. — Chicago: The University of Chicago Press, 1950. — 912 p.
• Goldschmidt V. M. Geochemistry / Ed. Muir Alex. — Oxford: Clarendon Press, 1954. — 730 p.
• Holland Heinrich D., Turekian Karl K. Treatise on Geochemistry, Vols. 1—16 — Elsevier Science, 2014, ISBN 978-0-08-098300-4.
• (А. Е. Ферсман). Геохимия. — тома 1—4, 1933—1939.
• В. И. Вернадский. Химическое строение биосферы Земли и её окружения. — М.: Наука, 1965. — 348 с.
• А. И. Перельман. Геохимия. — М.: Высшая школа, 1988. — 527 с.
• А. И. Перельман, (Н. С. Касимов). Геохимия ландшафта. — М.: Астрея-2000, 1999. — 762 с.
• (В. А. Алексеенко). Экологическая геохимия. — М.: Логос, 2000. — 627 с.
• и др. Геохимия окружающей среды. — М.: Недра, 1990. — 335 с.
• Экогеохимия ландшафтов / (Н. С. Касимов). — М.: ИП Филимонов М. В., 2013—208 с.
• (В. А. Алексеенко). Геоэкология. Экологическая геохимия. — Ростов- н/Д.: , 2016. — 688 с.
• А. А. Ярошевский. Проблемы современной геохимии Конспект лекций, прочитанных в ГЕОХИ РАН в зимнем семестре 2003—2004 г.
• В. Ф. Барабанов. Геохимия. — Л.: Недра, 1985. — 423 с.
• А. И. Тугаринов «Общая геохимия». — (Атомиздат), 1978.
• «Интерпретация геохимических данных». Под редакцией Е. В. Склярова. — Интермет Инжиниринг, 2001.
• Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. — Ленинград, 1954.
• Фор Г. «Основы изотопной геологии», 1989.

См. также

• Биогеохимический цикл
• (Геохимические классификации элементов)
• (Геоэкология)
• (Гелиеметрия)
• Мантия Земли

Примечания

1. Шёнбейн // Хвойка — Шервинский. — М. : Большая российская энциклопедия, 2017. — С. 793. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 34). — .
2. Kragh, Helge. From geochemistry to cosmochemistry: The origin of a scientific discipline, 1915–1955 // Chemical Sciences in the 20th Century: Bridging Boundaries (англ.) / Reinhardt, Carsten. — , 2008. — P. 160—192. — .. — «a comparative geochemistry ought to be launched, before geochemistry can become geology, and before the mystery of the genesis of our planets and their inorganic matter may be revealed».
3. John A. C. Fortescue. Outline of Historical Development of Geochemistry // Environmental Geochemistry / W. D. Billings, F. Golley, O. L. Lange, J. S. Olson. — New York, NY: Springer New York, 1980. — Т. 35. — С. 7–17. — , 978-1-4612-6045-5. — doi:10.1007/978-1-4612-6045-5_2.
4. Александр Павлович Виноградов. Творческий портрет в воспоминаниях учеников и соратников. К 110-летию со дня рождения / Ответственный редактор академик Э. М. Галимов.. — Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН.. — Москва: Наука, 2005. — 382 с. — .
5. Виноградов Александр Павлович, выдающийся ученый, создатель нового направления в науке геохимии изотопов — СССР — Наука/изобретения — Статьи — Славные имена  (неопр.). slavnyeimena.ru. Дата обращения: 16 февраля 2019. 17 февраля 2019 года.
6. Озоновая дыра / А. М. Звягинцев // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
7. Welcome to GPS Geochemistry  (неопр.). GPS Research Program. California Institute of Technology. Дата обращения: 2 октября 2017. 21 сентября 2017 года.
8. Langmuir, Donald. Aqueous environmental geochemistry. — Upper Saddle River, N.J.: (Prentice Hall), 1997. — .
9. Schlesinger, William H.; Bernhardt, Emily S. Biogeochemistry : an analysis of global change (англ.). — Third. — (Academic Press), 2013. — .
10. McSween, Jr, Harry Y.; Huss, Gary R. Cosmochemistry. — Cambridge University Press, 2010. — .
11. Kendall, Carol; Caldwell, Eric A. Chapter 2: Fundamentals of Isotope Geochemistry // Isotope Tracers in Catchment Hydrology / Kendall, C.; McDonnell, J. J.. — Amsterdam: Elsevier Science, 1998. — С. 51—86.
12. Killops, Stephen D.; Killops, Vanessa J. Introduction to Organic Geochemistry. — , 2013. — .
13. Doane, T. A. A survey of photogeochemistry // Geochem Trans. — 2017. — Т. 18. — С. 1. — doi:10.1186/s12932-017-0039-y. — PMID 28246525. — PMC 5307419.
14. Garrett, R.G.; Reimann, C.; Smith, D.B.; Xie, X. From geochemical prospecting to international geochemical mapping: a historical overview: Table 1 (англ.) // Geochemistry: Exploration, Environment, Analysis : journal. — 2008. — November (vol. 8, no. 3—4). — P. 205—217. — doi:10.1144/1467-7873/08-174.
15. Об Институте | www.igg.uran.ru
16. Главная
17. http://www.ipgg.sbras.ru/ru/institute/history/oiggm
18. 1 Международный геохимический конгресс: Москва, 1971. М.: (ГЕОХИ АН СССР), 1972.

Ссылки

• Геохимия в каталоге минералов.
• Геохимия изотопов радиоактивных элементов (U, Th, Ra).
• Словарь геохимических терминов.
• .