Геохимия

Геохимия (Химия Земли, от  «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).

История 
Термин геохимия в 1838 году был введён Кристианом Шёнбейном, 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», впервые опубликован в 1844 году.

Распространенным термином был также «химическая геология».

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, 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. 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). Его исследования дали старт новому этапу развития геохимии.

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 пррироду 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 имеет ряд смежных вопросов с экологией. Открытие озоновых дыр  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 
Некоторые подразделы геохимии:
  изучает роль различных элементов в водосборных бассейнах, в том числе меди, серы, ртути, и взаимный обмен веществ гидросферы с  атмосферой и литосферой
 Биогеохимия — это область исследований, изучающая влияние жизни на химию Земли.
 Космохимия включает в себя анализ распределения химических элементов и их изотопов в космосе.
  включает определение относительных и абсолютных концентраций элементов и их изотопов в оболочках Земли.
  изучает процесы образования соединений, продуцируемых живыми организмами  или образующихся из некогда живых организмов.
  проводит исследования химических реакций, протекающих под действием света или с выделением света, которые происходят среди природных компонентов земной поверхности.
  изучает практические вопросы геохимии, связанные с  экологическими, гидрологическими и минеральными исследованиями для отдельных регионов или континентов Земли.

Методы 
 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.

Геохимические организации и общества 
 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
Дальневосточный геологический институт ДВО РАН
 Екатеринбург
Институт геологии и геохимии им. А. Н. Заварицкого УрО РАН
 Иркутск
Институт земной коры СО РАН

Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН
 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 в составе

Объединённого института геологии, геофизики и минералогии им. А. А. Трофимука
 Петрозаводск
Институт геологии Карельского научного центра РАН
 Сыктывкар
Институт геологии Коми научного центра УрО РАН

Съезды геохимиков 
 1971 — Международный геохимический конгресс.
 1991 — Гольдшмидтовская конференция.

Геохимическая литература

Серийные издания 
 1950 — Geochimica et Cosmochimica Acta
 1986 — Applied Geochemistry»

Российским изданием  по геохимии является журнал «Геохимия».

Обзоры, монографии и учебники 
К основополагающим монографиям по геохимии можно отнести следующие издания:

 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.
 Wedepohl K. H. Handbook of Geochemistry. Vol. 1 — Berlin—Heidelberg: Springer-Verlag, 1969. — 442 с. — ISBN 978-3-642-46302-0.
 Wedepohl K. H. Handbook of Geochemistry. Vol. 2.  Elements Kr (36) to Ba (56) — Berlin—Heidelberg: Springer-Verlag, 1978. — 950 с. — ISBN 978-3-642-65935-5.
 Cocco G,  Fanfani L.,  Zanazzi P. F. / Ed. Wedepohl K. H. — Handbook of Geochemistry. Vol. 2 Elements Cr (24) to Br (35) —  Berlin—Heidelberg: Springer-Verlag, 1972. — 897 с. —ISBN 978-3-642-65041-3.
 Wedepohl K. H. Handbook of Geochemistry. Vol. 2. Elements La (57) to U (92) — Berlin—Heidelberg: Springer-Verlag, 1978. — 950 с. — ISSN 0072-9817.
 Holland Heinrich D., Turekian Karl K. Treatise on Geochemistry,  Vols. 1—16 — Elsevier Science, 2014, ISBN 978-0-08-098300-4. 
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
 Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Геохимия черных сланцев. — Л.: Наука, 1988, 272 с.
 Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Элементы-примеси в черных сланцах. — Екатеринбург: УИФ Наука, 1994, 304 с.
 Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Неорганическое вещество углей. — Екатеринбург: УрО РАН, 2002, 422 с.
 Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Основы литохимии. — Л.: Наука, 2000, 479 с.
 Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Токсичные элементы-примеси в углях. — Екатеринбург: УрО РАН, 2005, 655 с.
 Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Ценные элементы-примеси в углях. — Екатеринбург: УрО РАН, 2006, 538 с.
 Энерглин У., Брили Л. Аналитическая геохимия. — , Недра, 1975. — 296 с.

Прочая литература
 Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. — Ленинград, 1954.
 Фор Г. «Основы изотопной геологии», 1989.

См. также 
 Биогеохимический цикл
Геохимические классификации элементов
 Геоэкология
 Гелиеметрия
 Мантия Земли

Примечания

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