АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыМатериалы БРЭСпецпроектыСтать автором
Настроить видСменить язык
О РУВИКИ
Ответ на вопрос

Геохимия

Pause

Экспертиза РАН

Logo-ran-black.png
Проведена экспертиза
Российской академией наук
Подробнее
Aprove.svg

Экспертиза РАН

Arrow-Right.png
Logo-ran.png
Проведена экспертиза
Российской академией наук
Подробнее

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.

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).
Общие сведения
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.

История

Термин 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], опубликован в 1844 году.

Распространённым термином был также «химическая геология»[2].

Большой вклад в создание Геохимии как самостоятельной науки внесли В. М. Гольдшмидт, Ф. У. Кларк, 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. 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 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.

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 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)[3]. Его исследования дали старт новому этапу развития геохимии[4].

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 трёхмерная 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, земной 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.

Разделы геохимии

Некоторые подразделы геохимии[5]:

  • Водная геохимия 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[6]
  • Биогеохимия — это область исследований, изучающая влияние жизни на химию Земли[7].
  • Космохимия включает в себя анализ распределения элементов и их изотопов в космосе[8].
  • Изотопная геохимия включает определение относительных и абсолютных концентраций элементов и их изотопов на Земле и её поверхности[9].
  • Органическая геохимия изучает роль процессов и соединений, происходящих из живых или некогда живых организмов[10].
  • Фотогеохимия — это исследование вызванных светом химических реакций, которые происходят или могут происходить среди природных компонентов земной поверхности[11].
  • Региональная геохимия включает приложения к экологическим, гидрологическим и минеральным исследованиям[12].

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 трёх 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 зёрнах 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:

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.

Геохимические организации и общества

Организации и лаборатории в России:

Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

Институт геологии и геохимии им. А. Н. Заварицкого УрО РАН

Институт земной коры СО РАН

Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН

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

Институт проблем нефти и газа РАН

Геологический институт РАН

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН

Институт минералогии и петрографии[13] в составе

Объединённого института геологии, геофизики и минералогии им. А. А. Трофимука

Институт геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН

Институт геологии Карельского научного центра РАН

Институт геологии Коми научного центра УрО РАН

Институт геологии алмаза и благородных металлов СО РАН

Геологический институт СО РАН

Институт минералогии УрО РАН

Съезды геохимиков

  • 1971 — Международный геохимический конгресс[14].
  • 1991 — Гольдшмидтовская конференция.

Геохимическая литература

Серийные издания

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

Обзоры, монографии и учебники

«Геохимия» К. Ранкама и Т. Г. Сахама (K. Rankam, Th. G. Saham) была опубликована в 1950 году. В. М. Гольдшмидт начал книгу с таким же названием в 1940-х годах, 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:

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 чёрных 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 (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. 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.
  4. ↑ 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.
  5. ↑ Welcome to GPS Geochemistry. GPS Research Program. California Institute of Technology. Дата обращения: 2 октября 2017. Архивировано 21 сентября 2017 года.
  6. ↑ Langmuir, Donald. Aqueous environmental geochemistry. — Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 1997. — ISBN 9780023674129.
  7. ↑ Schlesinger, William H.; Bernhardt, Emily S. Biogeochemistry : an analysis of global change (англ.). — Third. — Academic Press, 2013. — ISBN 9780123858740.
  8. ↑ McSween, Jr, Harry Y.; Huss, Gary R. Cosmochemistry. — Cambridge University Press, 2010. — ISBN 9781139489461.
  9. ↑ 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.
  10. ↑ Killops, Stephen D.; Killops, Vanessa J. Introduction to Organic Geochemistry. — John Wiley & Sons, 2013. — ISBN 9781118697207.
  11. ↑ 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.
  12. ↑ 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.
  13. ↑ Институт минералогии и петрографии. web.archive.org (4 апреля 2005). Дата обращения: 6 января 2022. Архивировано из оригинала 4 апреля 2005 года.
  14. ↑ 1 Международный геохимический конгресс: Москва, 1971. М.: ГЕОХИ АН СССР, 1972.

Ссылки

Дополнительно по теме

Категории

Pause