Геохимия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Геохимия — наука о химическом составе Земли и планет (космохимия), законах распределения и движения элементов и изотопов в различных геологических средах, процессах формирования горных пород, почв и природных вод.

Важнейшие задачи геохимии[править | править исходный текст]

  • 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).

Большой вклад в геохимию сделали русские учёные Вернадский, Ферсман и др.

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.

История науки[править | править исходный текст]

Геохимия имеет глубокие корни. Её основы могут быть прослежены в античности, но многие из открытий, лежащих в основе науки, были сделаны между 1800 и 1910 годами. Была составлена периодическая система элементов, открыта радиоактивность и разработана термодинамика гетерогенных систем. Солнечный спектр был использован для определения состава Солнца. Эта информация, совместно с химическими анализами метеоритов, открыла дверь для нового понимания Вселенной.

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. Родилась изотопная геохимия. 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.

Однако в 1960-х годах начался расцвет геохимии, продолжающийся до сих пор. За это время в науке произошёл существенный прогресс. 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.

Основоположники науки[править | править исходный текст]

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

Журнал "Геохимия"


Геохимические методы[править | править исходный текст]

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 сравнится 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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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 образованна 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.

Крупнейшие институты[править | править исходный текст]

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 и кристаллохимии 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

Сыктывкар

Институт геологии Коми научного центра УрО РАН

Владивосток

Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

Петрозаводск

Институт геологии Карельского научного центра РАН

Учебники и обзоры по геохимии[править | править исходный текст]

Зарубежные учебники[править | править исходный текст]

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. К сожалению, 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 «Элзевиер» был издан новый суммарный обзор геохимии «Геохимический трактат» («Treatise on geochemistry»)под редакцией Холанда и Турукиана. 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.

Советские и российские учебники[править | править исходный текст]

  • А. Е. Ферсман «Геохимия».
  • А. И. Тугаринов «Общая геохимия». Атомиздат, 1978.
  • «Интерпретация геохимических данных». Под редакцией Е. В. Склярова. Интермет Инжиниринг, 2001.
  • А. А. Ярошевский. Проблемы современной геохимии Конспект лекций, прочитанных в ГЕОХИ РАН в зимнем семестре 2003—2004 г.

Все эти издания, за исключением последнего, устарели и не соответствуют современному состоянию науки. Книга «Интерпретация геохимических данных» затрагивает лишь прикладной аспект геохимии — методы определения происхождения горных пород по геохимическим данным. Таким образом, создание больших обзоров по геохимии на русском языке крайне актуально.

В этом тексте совершенно отсутствует такая важная тема, как Геохимия осадочных пород. Между тем, в этой области на русском языке сделано уже немало - и в некоторых аспектах (Геохимия углей, Геохимия металлоносных черных сланцев, Литохимия (геохимия породообразующих химических элементов осадочных пород) - больше, чем на Западе.


К числу существенных обобщений следовало бы добавить ряд монографий:

  • 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.

Другие учебники по геохимии:

  • А. И. Перельман. Геохимия. — М.:Высшая школа, 1988. — 527 с.
  • Ю. Е. Сает Геохимия окружающей среды. — М.:Недра, 1990—335с.
  • В. Ф. Барабанов. Геохимия. — Л.: Недра, 1985. — 423с.

См. также[править | править исходный текст]

Библиография[править | править исходный текст]

  • «Treatise on geochemistry» 2003, Elsevier.
  • Ферсман А.Е. «Занимательная геохимия», Ленинград, 1954.
  • Фор Г. "Основы изотопной геологии", 1989.
  • Поиск подходов к решению проблемы глобальных изменений: элементы теории биотическо-экосистемного механизма регуляции и стабилизации параметров биосферы, геохимической и геологической среды // Вестник Моск. ун-та. Серия 16. биология. 2005. № 1. С.24-33.
  • Геохимический аппарат водных экосистем: биокосная регуляция // Вестник Российск. академии наук (РАН). 2004. т. 74. № 9. C.785-791

Ссылки[править | править исходный текст]

Аблесимов Н.Е. Синопсис химии: Справочно-учебное пособие по общей химии – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. – 84 с. – http://www.neablesimov.narod.ru/pub04c.html Аблесимов Н.Е. Сколько химий на свете? ч. 1. // Химия и жизнь - XXI век. – 2009. – № 5. – С. 49-52.