Геохимия

Геохимия (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
Atsosa Nupuri-Fumaroles.jpg
Тема Геология, Химия
Предмет изучения Земля и планеты
Период зарождения XIX век
Основные направления биогеохимия, космохимия, геохимия изотопов, региональная геохимия и пр.
Commons-logo.svg 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 г. введён К. Ф. Шёнбейном[1], 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»[2]. Однако, для остальной части XVIII века более распространенным термином был «химическая геология», а между геологами и химиками было мало контактов[2].

Геохимия как самостоятельная наука была создана: В. И. Вернадским, Ф. У. Кларком, А. Е. Ферсманом, В. М. Гольдшмидтом и А. П. Виноградовым.

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. Поэтому дальнейшее развитие геохимии — это химия фаз в геосферах. Валовой элементный анализ геологических проб должен подкрепляться фазовым анализом. Иначе наблюдается ничем сейчас не оправданный перескок через структурный уровень организации вещества: от химического элемента, минуя минеральную фазу, к породе и геологическому телу.

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

Огромный прогресс 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 Американского геофизического общества геохимических сессий было несколько, большинство из них было посвящено локальным проблемам и не выходили за рамки геохимии.

В середине 1950-х годов академик АН СССР Александр Павлович Виноградов[3] основал новое направление в геохимии — изотопную геохимию — фракционирование в природных процессах изотопов лёгких элементов (кислород, сера, углерод, калий и свинец). Результатом работ академика 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).[4] Его исследования дали старт новому этапу развития геохимии.[5]

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

Масштабные морские экспедиции 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 рудные месторождения. Были открыты прежде неизвестные экосистемы, и были выяснены факторы, которые управляют составом морской воды.

Теория тектоники плит преобразила геохимию. Геохимики наконец поняли 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 также тесно срослась с экологией. Открытие озоновых дыр прозвучало как недвусмысленный тревожный признак и источник 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, корой и океанами.

На сегодня геохимия заняла ведущее место среди наук о Земле. Она изучает глобальные перемещения вещества и энергии во времени и пространстве. Сбылось предсказание Вернадского о центральной роли геохимии среди наук о веществе.

Подразделы геохимии

Некоторые подразделы геохимии[6]:

  • Водная геохимия[en] изучает роль различных элементов в водосборных бассейнах, в том числе меди, серы, ртути, и то, как обменяются потоки элементарных частиц посредством взаимодействий атмосферы, земли и воды[7]
  • Биогеохимия — это область исследований, изучающая влияние жизни на химию Земли[8].
  • Космохимия включает в себя анализ распределения элементов и их изотопов в космосе[9].
  • Изотопная геохимия[en] включает определение относительных и абсолютных концентраций элементов и их изотопов на Земле и её поверхности[10].
  • Органическая геохимия[en] изучает роль процессов и соединений, происходящих из живых или некогда живых организмов[11].
  • Фотогеохимия[en] — это исследование вызванных светом химических реакций, которые происходят или могут происходить среди природных компонентов земной поверхности[12].
  • Региональная геохимия[en] включает приложения к экологическим, гидрологическим и минеральным исследованиям[13].

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 при широком ряде концентраций от 100 % до первых г/т.
  2. Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС). Высокая чувствительность, но не высокая 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 [Boynton, 1984] и по примитивной мантии (РМ) [Sun & McDonough, 1989]. Полученные нормированные данные строятся на логарифмической шкале. Полученный тренд, выявленные максимумы и минимумы элементов указывают в каких условиях образовалась порода.

Организации

Первый выпуск журнала «Geochimica et Cosmochimica Acta» появился в июле 1950. «Геохимическое общество» (Geochemical Society) было создано в 1955 году и приняло журнал в качестве официального издания в 1957. «Международная ассоциация геохимии и космохимии» (International Association of Geochemistry and Cosmochemistry) была образована в 1966 году, её журнал «Прикладная геохимия» («Applied Geochemistry») начал издаваться с 1986 года. «Chemical Geology» стал официальным журналом «Европейской Геохимической ассоциации» (European Association for Geochemistry).

Одной из крупнейших ежегодных международных конференций геохимиков является Гольдшмидтовская конференция, впервые проведённая в 1991 году. Геохимия стала основным направлением в геофизическом обществе Америки и Американском Геофизическом объединении (American Geophisical Union). Необходимо отметить медали и другие награды, которыми сейчас отмечаются крупные достижения в геохимии в ряде научных обществ.

В России статьи по геохимии печатаются в журнале «Геохимия».

Организации в России

Екатеринбург

Иркутск

Москва

Новосибирск

Сыктывкар

Владивосток

Петрозаводск

Литература

Во второй половине 20-го века было издано огромное количество обзоров о различных аспектах геохимии. Из них только три пытались обозреть науку целиком. Широкоизвестная «Геохимия» К. Ранкама и Т. Г. Сахама (K. Rankam, Th. G. Saham) была опубликована в 1950. Гольдшмидт начал книгу с таким же названием в 1940-х. Его здоровье было подорвано во время оккупации немцами его родной Норвегии, и он умер до того, как книга была завершена. Алекс Муир (Alex Muir) и несколько друзей Гольдшмидта написали недостающие главы этого классического труда, который был окончательно издан в 1954 году.

Между 1969 и 1978 годами К. Г. Ведеполь (K. H. Wedepohl) совместно с группой редакторов (C. W. Correns и др.) и большим количеством авторов создали «Руководство по геохимии» (HandBook of Geochemistry). Все три обзора начинаются с обзорных глав, за которыми следуют главы, посвящённые геохимии одного или небольшой группы сходных элементов. Все они на сегодняшний день устарели, так как инновации в аналитических методах и увеличение числа исследователей в науке произвело значительный объём данных, которые породили множество новых взглядов на фундаментальные геохимические проблемы.

В 2003 году издательством «Elsevier» был издан новый суммарный обзор геохимии «Геохимический трактат» («Treatise on geochemistry») под редакцией Холанда и Турекяна. Этот обзор составлен несколько иным образом, чем предыдущие. Он составляет 10 томов, каждый из которых посвящён одной из геосфер или разделу геохимии. Последний том представляет собой глоссарий. В 2014 году трактат был переиздан в расширенной редакции. Новое издание состоит из 16 томов.

Советские и российские учебники
  • 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.
  • Ю. Е. Сает 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.: Феникс, 2016. — 688 с.

Другие учебники по геохимии:

  • 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.

В области такой важной темы, как Геохимия осадочных пород, на русском языке сделано уже немало. В некоторых аспектах (Геохимия углей, Геохимия металлоносных черных сланцев, Литохимия — геохимия породообразующих химических элементов осадочных пород) — больше, чем на Западе.

Монографии:

Прочая литература

См. также

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). — ISBN 978-5-85270-372-9.
  2. 1 2 Kragh, Helge. From geochemistry to cosmochemistry: The origin of a scientific discipline, 1915–1955 // Chemical Sciences in the 20th Century: Bridging Boundaries. — John Wiley & Sons, 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.». — ISBN 978-3-527-30271-0.
  3. Александр Павлович Виноградов, советский геохимик. spravochnick.ru. Дата обращения 16 февраля 2019.
  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. — ISBN 5-02-033736-6.
  5. Виноградов Александр Павлович, выдающийся ученый, создатель нового направления в науке геохимии изотопов - СССР - Наука/изобретения - Статьи - Славные имена. slavnyeimena.ru. Дата обращения 16 февраля 2019.
  6. Welcome to GPS Geochemistry. GPS Research Program. California Institute of Technology. Дата обращения 2 октября 2017.
  7. Langmuir, Donald. Aqueous environmental geochemistry. — Upper Saddle River, N.J. : Prentice Hall, 1997. — ISBN 9780023674129.
  8. Schlesinger, William H. Biogeochemistry : an analysis of global change / William H. Schlesinger, Emily S. Bernhardt. — Third. — Academic Press, 2013. — ISBN 9780123858740.
  9. McSween, Jr, Harry Y. Cosmochemistry / Harry Y. McSween, Jr, Gary R. Huss. — Cambridge University Press, 2010. — ISBN 9781139489461.
  10. Kendall, Carol. Chapter 2: Fundamentals of Isotope Geochemistry // Isotope Tracers in Catchment Hydrology / Carol Kendall, Eric A. Caldwell. — Amsterdam : Elsevier Science, 1998. — P. 51–86.
  11. Killops, Stephen D. Introduction to Organic Geochemistry / Stephen D. Killops, Vanessa J. Killops. — John Wiley & Sons, 2013. — ISBN 9781118697207.
  12. Doane, T. A. A survey of photogeochemistry (неопр.) // Geochem Trans. — 2017. — Т. 18. — С. 1. — DOI:10.1186/s12932-017-0039-y. — PMID 28246525.
  13. 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.

Ссылки