Геохимия
Наука | |
Геохимия | |
---|---|
англ. Geochemistry | |
![]() | |
Тема | геология, химия |
Предмет изучения | Земля и планеты |
Период зарождения | XIX век |
Основные направления | биогеохимия, космохимия, геохимия изотопов, региональная геохимия и пр. |
Геохимия (Химия Земли, от др.-греч. γῆ «Земля» + химия) — наука о распространённости химических элементов и их изотопов в природе, процессах, определяющих формы их нахождения, разделения и миграции в пространстве и времени.
Геохимия решает следующие основные задачи:
- определение распространенности элементов в пределах планеты;
- исследование их распределения и перемещения в частях Земли с целью выведения на основе этого закономерностей;
- анализ распределения элементов на прочих планетах Солнечной системы и в космосе (космохимия);
- исследование геологических веществ и процессов, производимых организмами (биогеохимия).
История
Предпосылки для формирования геохимии в качестве самостоятельной науки возникли в XIX веке. Это объясняется тем, что в это время были сделаны многие основополагающие открытия. К ним относятся периодическая система элементов, термодинамика гетерогенных систем, радиоактивность. Кроме того, появились новые методы исследования. Так, в 1859 году Р. Бунзен и Г. Кирхгоф создали спектральный анализ, используемый для определения концентраций элементов. В 1912 году М. фон Лауэ открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, что использовали для исследования внутреннего строения вещества и форм нахождения элементов. К тому же появились результаты химических анализов метеоритов и был определён состав Солнца путем применения солнечного спектра. Впервые термин «геохимия» использовал в 1838 году Ф. Шёнбейн[1].
Первые обобщения систематических геохимических данных были произведены в работах Ф. У. Кларка. В 1889 году на основании почти тысячи точных анализов, систематически отобранных горных пород составил первую сводную таблицу среднего химического состава Земной коры. В 1924 году в фундаментальной работе «Данные геохимии» на основе сведенных данных о составе горных пород, вод, почв он рассчитал среднее содержание в земной коре распространенных элементов.
В. И. Вернадский (1863—1945) — основоположник геохимии в России. Сформулировал основные цели и задачи геохимии. Занимался систематизацией составов минералов и представлениями об изоморфизме. Его называют творцом учения о биосфере. В работах Вернадского большое внимание уделяется влиянию на процессы в биосфере антропогенной деятельности. Он показал, что эта деятельность приводит к существенным изменениям химического состава почв, природных вод, атмосферы; он же обратил внимание на появление в биосфере новых химических соединений[2]. В. И. Вернадский дал определение геохимии как истории атомов Земли. Геохимия изучает твёрдую Землю (кору, мантию, ядро), её внешние оболочки (атмосферу, гидросферу, биосферу) и космос (планеты, звёзды, метеориты). Учение Вернадского о геологической роли живого вещества привело к становлению геохимии биосферы и её ответвлений: биогеохимии, органической геохимии[3].
Огромный вклад в геохимию внёс академик А. Е. Ферсман. В его работах большое внимание уделено изучению влияния на перемещение химических элементов внутренних факторов, обусловленных их строением, и в первую очередь — энергетическим коэффициентов ионов. Именно эти работы вместе с работами Вернадского и Гольдшмидта составили фундамент геохимии. В своих исследованиях Ферсман широко использовал такие понятия как «заряд» и «радиус иона». Особо следует отметить введение термина «техногенез» (1922), который характеризует геохимическую деятельность человека и начало изучения этого процесса. Он создал первый учебник из 4 томов «Геохимия», первый минералогический музей[4].
В развитие неохимии радиогенных изотопов большой вклад внесли К. Аллегр (Франция), Дж. Вассербург (США), Г. Лугмаер (Германия), О’Найенс (Великобритания), Э. К. Герлинг, И. В. Чернышёв, Ю. А. Шуколюков (Россия). Большой вклад в развитие органической геохимии внесли учёные: Н. Б. Вассоевич, С. М. Манская, В. И. Успенский, В. А. Соколов, С. Г. Неручев, О. Ф. Радченко, К. Ф. Родионова, Т. В. Дроздова (Россия); М. Тайхмюллер, Д. Вельте, Э. Дегенс (Германия); И. Брегер, У. Мейншейн, Дж. Хант (США)[3].
Разделы геохимии
В качестве самостоятельных разделов выделяют[3]:
- Геохимия изотопов (в том числе изотопную геохронологию) включает определение относительных и абсолютных концентраций элементов и их изотопов в оболочках Земли
- Космохимия включает в себя анализ распределения химических элементов и их изотопов в космосе. Изучение космических объектов (планет, их спутников, астероидов, метеоритов, космической пыли и др.) геохимическими методами составляет предмет космохимии.
- Геохимия твёрдой Земли изучает разделение и миграцию элементов, связанную с зарождением, перемещением и затвердеванием магм.
- Геохимия атмосферы является объектом изучения специальных разделов геохимии — атмогеохимии и гидрогеохимии.
- Геохимия гидросферы изучает условия протекания гидротермальных процессов (минералообразования, в частности рудообразования). Одним из способов реконструкции гидрохимических процессов является исследование газожидких включений в минералах.
- Органическая геохимия изучает состав (молекулярный и изотопный), химические превращения, распространённость и формы ископаемого органических вещества в земных недрах.
С накоплением данных сформировались направления, посвящённые детальному изучению отдельных объектов (например, нефтегазовая геохимия, геохимия алмаза) и элементов (например, геохимия: углерода, серы, благородных газов, радиоактивных элементов).
Связь с другими науками
Геохимия тесно связана с геофизикой. Вопросы энергетики различных зон нашей планеты связаны с распределением носителей активной энергии — радиоактивных элементов, которое осуществляется по геохимическим законам, можно считать, что с атомарным составом мантии связаны явления сейсмики и геотермии, электропроводности вещества и его магнитные свойства, полиморфные превращения и реакции в условиях высокого давления. Иначе говоря, поскольку химический состав земного вещества определяет его физические свойства, постольку геохимия неразрывно связана с геофизикой[3].
Кристаллохимия служит также связующим звеном между геохимией и кристаллографией и минералогией. Современная кристаллохимия, вооружённая тончайшей методикой рентгеноструктурного анализа, доставляет для геохимии данные первостепенной важности. Ценность этих данных определяется тем, что подавляющее количество химических элементов земной коры находится в соединениях, обладающих кристаллической структурой. Геохимия связана с минералогией в той степени, в какой химический элемент связан с твёрдыми химическими соединениями.
Задачи геохимии теснейшим образом переплетаются с петрографией и литологией. Образование отдельных минеральных ассоциаций в виде горных пород различного типа — закономерный процесс, который требует знания физико-химических свойств тех систем, из которых образуется порода как более устойчивая система в конкретной геологической обстановке. Любая порода содержит все элементы периодической системы и поэтому распределение элементов по минералам пород и в различных типах пород при высоких температурах представляет собой уже геохимическую задачу, связывающую геохимию с петрографией магматических пород[3].
Методы исследования
Методы исследования в геохимии[5]:
1) Геологические методы — познания о картировании, отборе проб
2) Аналитическая химия
— химия растворов (классическая) — сравнивает эквивалентные взаимоотношения между различными химическими элементами
— электрохимические методы — основаны на эквиваленте зарядов
— спектральные методы — основаны на том, что разные электронные оболочки испускают или поглощают характеристические излучения. Относятся все виды электромагнитного излучения: γ — XRF — оптические — ИК
— масс — спектрометрия — служит для анализа изотопов элементов. Массспектр — отношение массы спектра к заряду
3) Математические методы — методы обработки данных
4) Экспериментальные методы — эксперименты, которые воспроизводят природные условия по критерию подобия. Проблемы: масштаб, время. Задача — получение фундаментальных физико-химических констант
5) Физико-химические методы — позволяют использовать константы, полученные в эксперименте для того, чтобы посчитать на масштабы природных процессов
6) Собственные методы — использование геохимических индикаторов.
Геохимический индикатор — содержание элементов; отношения элементов (Br/Cl, K/Rb); соотношения изотопов.
Научные организации
В России ведущие научные организации в области геохимии[3]:
— Геохимии и аналитической химии институт им. В. И. Вернадского РАН (Москва)
— Геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии институт РАН (Москва)
— Геологии и минералогии институт СО РАН (Новосибирск)
— Экспериментальной минералогии институт РАН (Черноголовка)
— Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН (Иркутск)
— Институт геологии и геохронологии докембрия РАН (С.-Петербург)
— Геологический институт Кольского науч. центра РАН (Апатиты)
— Институт минералогии, геохимии и кристаллографии редких элементов Министерства природных ресурсов РФ (Москва).
Геохимические исследования также ведутся в вузах — МГУ, Московском государственном геолого-разведочном университете им. С. Орджоникидзе, Российском государственном университете нефти и газа им. И. М. Губкина.
За рубежом известны своими геохимическими исследованиями[3]:
- США
— Колумбийский университет
— Калифорнийский технологический институт (США)
— Скрипсовский океанографический институт
— Вудсхолский океанографический институт
— Университет штата Индиана
— Университет штата Флорида;
- Германия
— Институт химии им. М. Планка (Майнц)
— Ин-т химии центра ядерных исследований (Юлих)
— Гамбургский университет;
- Франция
— Парижский университет
— Институт физики Земли (Париж)
— Французский институт нефти (Мальмезон);
- Великобритания
— Бристольский университет,
— Открытый университет (Кембридж).
Координационные функции в области геохимии выполняют Международная ассоциация геохимии и космохимии (с 1967), Европейская геохимическая ассоциация, Европейская ассоциация органической геохимии, Геохимическое общество (с 1955). Проводятся Международные конференции по органической геохимии (с 1978, раз в четыре года), Гольшмидтовские конференции (с 1988, с 1994 — ежегодно)[3].
Периодические издания
- Журнал «Геохимия» (М., с 1956)
- Международные
- Журнал «Applied Geochemistry» (Oxf.; N. Y., с 1986)
- Журнал «Chemical Geology» (Amst.; N. Y., с 1966)
- Журнал «Geochimica et Cosmochimica Acta» (Oxf.; N. Y., с 1950)
- Журнал «Organic Geochemistry» (Oxf.; N. Y., с 1977) и др.
Примечания
- ↑ Геохимия . catalogmineralov.ru. Дата обращения: 16 мая 2024.
- ↑ А.Ю,Бычков. Геохимия . teach-in.ru. Дата обращения: 16 мая 2024.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 Геохимия . БРЭ. Дата обращения: 16 мая 2024.
- ↑ История геохимии . studfile.net. Дата обращения: 16 мая 2024.
- ↑ Геохимия . Дата обращения: 16 мая 2024.
Ссылки
- Геохимия в каталоге минералов.
- Геохимия изотопов радиоактивных элементов (U, Th, Ra).
- Словарь геохимических терминов.
- Учебник Геохимии.
![WLW Checked Off icon.svg](https://storage.yandexcloud.net/roz-wiki/thumb/WLW_Checked_Off_icon.svg/30px-WLW_Checked_Off_icon.svg.png)