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.

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. 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.

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.

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).

Разделы геохимии

В ка­че­ст­ве са­мо­сто­ятельных раз­де­лов вы­де­ля­ют:

• 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.

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.

Методы исследования

Методы исследования в геохимии:

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:

— 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:

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).

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.

Ссылки

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