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).

ИсторияПравить

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 геохимииПравить

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].

МетодыПравить

  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 данныхПравить

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.

ОрганизацииПравить

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 РоссииПравить

Екатеринбург

Иркутск

Москва

Новосибирск

Сыктывкар

Владивосток

Петрозаводск

ЛитератураПравить

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. такжеПравить

ПримечанияПравить

  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 (англ.) / Reinhardt, Carsten. — John Wiley & Sons, 2008. — P. 160—192. — ISBN 978-3-527-30271-0.. — «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. 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.; Bernhardt, Emily S. Biogeochemistry : an analysis of global change (англ.). — Third. — Academic Press, 2013. — ISBN 9780123858740.
  9. McSween, Jr, Harry Y.; Huss, Gary R. Cosmochemistry. — Cambridge University Press, 2010. — ISBN 9781139489461.
  10. 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.
  11. Killops, Stephen D.; Killops, Vanessa J. Introduction to Organic Geochemistry. — John Wiley & Sons, 2013. — ISBN 9781118697207.
  12. Doane, T. A. A survey of photogeochemistry // 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.

СсылкиПравить