Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




28.11.2021


25.11.2021


25.11.2021


25.11.2021


25.11.2021





Яндекс.Метрика

Геохимия

31.10.2021

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).

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

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, 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:

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

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 при широком ряде концентраций от 100 % до первых г/т.
  • Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС). Высокая чувствительность, но не высокая 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 [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

    • 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 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
    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 — Геохимия и космохимия Geochimica et Cosmochimica Acta
    • 1986 — Прикладная геохимия («Applied Geochemistry»)

    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:

    • 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. — Л., Недра, 1975. — 296 с.
    Прочая литература
    • Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. — Ленинград, 1954.
    • Фор Г. «Основы изотопной геологии», 1989.