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, геохимия изотопов, 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
правитьТермин геохимия в 1838 году был введён Кристианом 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], впервые опубликован в 1844 году.
Распространенным термином был также «химическая геология»[2].
Большой вклад в создание Геохимии как самостоятельной науки внесли В. М. Гольдшмидт, Ф. У. Кларк[3], 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 рентгено-фазовый анализ. 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[источник не указан 1499 дней]. 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 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)[4]. Его исследования дали старт новому этапу развития геохимии[5].
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 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 природу поведения 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 [6] 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
правитьНекоторые подразделы геохимии[7]:
- Водная геохимия[англ.] изучает роль различных элементов в водосборных бассейнах, в том числе меди, серы, ртути, и взаимный обмен веществ гидросферы с атмосферой и литосферой[8]
- Биогеохимия — это область исследований, изучающая влияние жизни на химию Земли[9].
- Космохимия включает в себя анализ распределения химических элементов и их изотопов в космосе[10].
- Изотопная геохимия[англ.] включает определение относительных и абсолютных концентраций элементов и их изотопов в оболочках Земли[11].
- Органическая геохимия[англ.] изучает процесы образования соединений, продуцируемых живыми организмами или образующихся из некогда живых организмов[12].
- Фотогеохимия[англ.] проводит исследования химических реакций, протекающих под действием света или с выделением света, которые происходят среди природных компонентов земной поверхности[13].
- Региональная геохимия[англ.] изучает практические вопросы геохимии, связанные с экологическими, гидрологическими и минеральными исследованиями для отдельных регионов или континентов Земли[14].
Методы
править- 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.
- Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС). Высокая чувствительность, но невысокая производительность, не может сравниться с РФА и ІСР-MS.
- Нейтронно-активационный анализ.
- инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА)
- радиохимический нейтронно-активационный анализ (НАА)
- Гамма-спектрометрия. Измерение естественной радиоактивности трех элементов U, Th, K. С помощью детектора измеряется характерное излучение каждого элемента.
- Эмиссионная спектрометрия с индуктивносвязанной плазмой. Относительно новый вид анализа, в принципе могут быть определены все элементы ПС.
- Масс-спектрометрия. В различной форме это наиболее эффективный метод определения изотопных отношений.
- Масс-спектрометрия с изотопным разбавлением
- Масс-спектрометрия с индуктивносвязанной плазмой ІСР-MS
- Электронно-микропробный (микрозондовый анализ). Определение петрогенных элементов в единичных малых зернах минералов. По принципу аналогичен рентгено-флуоресцентному методу, но образец возбуждается потоком электронов.
- Ион-микропробный анализ (ионный зонд). Применяется для определения редких элементов и изотопов.
Интерпретация геохимических данных:
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
править- 1955 — Геохимическое общество (Geochemical Society)
- 1966 — Международная ассоциация геохимии и космохимии (International Association of Geochemistry and Cosmochemistry)
- Европейская Геохимическая ассоциация (European Association for Geochemistry).
Организации и лаборатории в России:
Владивосток:
Екатеринбург: Институт геологии и геохимии им. А. Н. Заварицкого УрО РАН[15] Иркутск:
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:
- Институт минералогии и петрографии[17] в Объединённом Институте геологии, геофизики и минералогии им. А. А. Трофимука
Петрозаводск:
Сыктывкар:
Съезды геохимиков
править- 1971 — Международный геохимический конгресс[18].
- 1991 — Гольдшмидтовская конференция.
Основная литература
правитьСерийные издания:
- 1950 — Geochimica et Cosmochimica Acta
- 1986 — Applied Geochemistry"
- Геохимия (журнал.
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.
- 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.
- 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
правитьПримечания
править- ↑ Шёнбейн : [арх. 21 октября 2022] // 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.
- ↑ 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».
- ↑ 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. — ISBN 978-1-4612-6047-9, 978-1-4612-6045-5. — doi:10.1007/978-1-4612-6045-5_2.
- ↑ 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.
- ↑ 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. Архивировано 17 февраля 2019 года.
- ↑ Озоновая дыра : [арх. 21 октября 2022] / А. М. Звягинцев // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
- ↑ Welcome to GPS Geochemistry. GPS Research Program. California Institute of Technology. Дата обращения: 2 октября 2017. Архивировано 21 сентября 2017 года.
- ↑ Langmuir, Donald. Aqueous environmental geochemistry. — Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 1997. — ISBN 9780023674129.
- ↑ Schlesinger, William H.; Bernhardt, Emily S. Biogeochemistry : an analysis of global change (англ.). — Third. — Academic Press, 2013. — ISBN 9780123858740.
- ↑ McSween, Jr, Harry Y.; Huss, Gary R. Cosmochemistry. — Cambridge University Press, 2010. — ISBN 9781139489461.
- ↑ 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.
- ↑ Killops, Stephen D.; Killops, Vanessa J. Introduction to Organic Geochemistry. — John Wiley & Sons, 2013. — ISBN 9781118697207.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ Об Институте | www.igg.uran.ru
- ↑ Главная
- ↑ http://www.ipgg.sbras.ru/ru/institute/history/oiggm
- ↑ 1 Международный геохимический конгресс: Москва, 1971. М.: ГЕОХИ АН СССР, 1972.
Ссылки
править- Геохимия в каталоге минералов.
- Геохимия изотопов радиоактивных элементов (U, Th, Ra).
- Словарь геохимических терминов.
- Учебник Геохимии.