Геохімія
Геохі́мія — наука про хімічний склад Землі і закони поширення, поєднання руху атомів хімічних елементів та їх стабільних ізотопів у різних оболонках земної кулі.
За визначенням В. І. Вернадського, геохімія — наука, що вивчає «історію хімічних елементів планети», досліджує хімічний склад Землі, окремо геосфер, порід імінералів, на хімічній основі пояснює походження та історію Землі.
Геохімія як наука виникла на початку XX століття. Розвиток і становлення геохімії пов’язані з іменами В. І. Вернадського, О. Є. Ферсмана, О. П. Виноградова та інших.
Складається з регіональної геохімії, геохімії елементів і процесів, геохімії ізотопів, гідрогеохімії, біогеохімії, радіогеохімії та ін. Методологія геохімії: метод глобальних і локальних геохімічних констант — кларків елементів; геохімічний цикл; геохімічного картування і районування, датування — абсолютна геохронологія; методи фізико-хімічного аналізу парагенезисів мінералів.
Геохімічні дослідження в Україні проводить Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення імені М. П. Семененка НАН України, Інститут геології і геохімії горючих копалин НАН України та відповідні кафедри вузів.
Завдання геохімії: дослідження поширеності хімічних елементів, а також розподілу хімічних елементів і їх ізотопів в Землі в цілому, в різних її геосферах, конкретних гірських породах, рудах, мінералах, грунтах, живих організмах, техногенних системах; вивчення закономірностей поведінки (міграції елементів) хімічних елементів у геологічних і техногенних процесах, що ведуть до концентрації або розсіюванню елементів, формуванню гірських порід та мінералів, родовищ корисних копалин.
Фактичною підставою геохімії служать кількісні дані про зміст і розподілі хімічних елементів і їх ізотопів у різних об'єктах (мінералах, рудах, гірських породах, водах і газах, живих організмах, структурних зонах земної кори, земній корі, мантії і Землі в цілому, в різноманітних космічних об'єктах тощо), про форми знаходження та стану елементів в природному речовині (власне мінерали, домішки в мінералах, різні форми розсіяного стану; відомості про ступінь іонізації, характері хімічних зв'язків елементів у фазах і т.п.). Отримання цих даних спирається на геологічну характеристику об'єктів, сучасні фізичні та фізико-хімічні методи визначення вмісту і стану елементів у мінеральному, рідкому, газоподібному і живу речовину (хімічні, спектральні, рентгеноспектральні, масспектральние, радиографические, активаційні методи аналізу, локальні, резонансні, спектроскопічні методи визначення стану елементів в мінералах, гірських породах, рідинах і т.п.), математичні методи обробки даних.
Теоретична база геохімії - фізичні та хімічні закони поведінки речовини в різних термодинамічних умовах (закони механіки, термодинаміки, фізичної хімії, хімії водних розчинів і газів, кристаллохимии, фізики твердого тіла і т.п.). Для сучасної геохімії характерний комплексний, системний і еволюційний підхід до стоять перед нею проблем. У їх вирішенні геохімія тісно пов'язана з мінералогії, кристалохімії, петрології, вченням про корисних копалин, геофізикою і іншими розділами геології.
Спільними методологічними принципами розробки теорії геохімії є створення математичних та фізичних моделей природних процесів, експериментальне відтворення поділу хімічних елементів в різних умовах і визначення фазових рівноваг і термодинамічних властивостей мінералів і сполук елементів у розплавах і розчинах, необхідних для розрахунку рівноваг в природних системах. Геохімія виробила власні методи дослідження: метод глобальних і локальних геохімічних констант - Кларків елементів (Кларк, Ферсман); вивчення механізму формування та хімічні еволюції земної кори на основі уявлень про єдиний круговороті речовини (геохимическом циклі) при обліку принципової ролі живої речовини біосфери (Вернадський, Гольдшмідт та ін.); геохимическое картування і районування (Ферсман), датування - абсолютна геохронологія [П. Кюрі (Франція), А. Холмс (Великобританія), Е. К. Герлинг (СРСР)]; методи фізико-хімічного аналізу парагенезісов мінералів (Д. С. Коржинський, В. А. Жаріков).
Міграція хімічних елементів і їх поділ (концентрація і розсіювання) в геологічних процесах призводять до складної картині розподілу хімічних елементів у земній корі. Властивості атомів елементів, що визначають їх поведінку в цих процесах, залежать від будови електронних оболонок і особливостей хімічного зв'язку і в першому наближенні - від їх положення в періодичній системі елементів (рис.).
В умовах земної кори переважна маса елементів присутній у формі вільних або зв'язаних в комплекси іонів. Стійкість різних форм іонів, а також різних типів кристалічних структур залежить від розмірів іонів (ефективних радіусів), ефективних зарядів і особливостей будови електронних оболонок (освіта ненапрямлених або спрямованих зв'язків, ступінь іонності і т.п.). Хімічні властивості елементів корелюють з цими параметрами іонів і ці кореляції широко використовуються для пояснення та передбачення геохимической історії елементів. Фундаментальні властивості атомів - розміри і заряди - визначають закономірності розподілу елементів у мінеральному речовині земної кори: поля стійкості мінералів, що знаходяться в залежності від термодинамічних умов геологічних процесів, і закономірності изоморфного розсіювання елементів у головних породоутворюючих мінералах.
У межах земної кори виділяють геохімічні провінції планетарного і регіонального масштабу, в яких стійко протягом геологічного часу виявляються ті чи інші типи мінералізації або асоціації елементів, що накопичуються в геологічних процесах. Самі процеси йшли в часі нерівномірно, і в історії Землі виділяються геохімічні епохи (металлогенические), для яких було характерне формування певних типів родовищ хімічних елементів.
Загальні принципи розподілу елементів в природних фазах - мінералах - покладені в основу найбільш широко використовуваної в геохімії геохимической класифікації елементів Гольдшмідт. Будь геологічний процес супроводжується накопиченням одних елементів і ізотопів і розсіюванням інших, тобто, з точки зору геохімії, є процесом їх поділу. Спостережувані емпіричні закономірності розподілу елементів і ізотопів в тому чи іншому геологічному процесі несуть безпосередню інформацію про фізико-хімічних факторах і механізмах геологічних процесів (див. Геохімічні процеси). Причина поділу елементів і ізотопів в геологічних процесах - відмінність їх властивостей. У геохімії широко використовується метод аналізу змін у геологічних процесах співвідношень змісту близьких елементів і особливо ізотопів, невеликі відмінності міграційних властивостей яких ведуть до їх фракціонування. У геохімії зазвичай досліджуються і інтерпретуються відхилення складу від середнього співвідношення, наприклад відносини К / Rb, Sr / В, Y / Ce, Zr / Hf, Nb / Ta, U / Th, 12С / 13С, 18О / 16О і т.п. , що свідчать про тривалості, складності, інтенсивності, фізико-хімічних параметрах геологічного процесу або джерела рудної речовини [Гольдшмідт (Норвегія), Ферсман, А. П. Виноградов, В. В. Щербина, В. І. Герасимовський, Л. В. Таусон , В. А. Гриненко, Е. М. Галімов (СРСР), Д. Шоу (Канада), Г. Юри, С. Епштейн, Х. Тейлор (США)]. Завдяки широкому діапазону варіацій спектра 14 лантаноїдів і їх повсюдного поширення геохімія рідкоземельних елементів - найбільш великого сімейства елементів у періодичній системі - успішно досліджує еволюцію хімічних умов природних процесів: окислення - відновлення, кислотність - лужність та ін. [Гольдшмідт (Норвегія), Л. Хаскин , Дж. Філпотс (США), Ю. А. Балашов, Д. А. Мінєєв (СРСР)].
Вивчення космічних об'єктів (планет, їх супутників, астероїдів, метеоритів, космічного пилу й ін.) Геохімічними методами становить предмет геохімії космосу, успіхи якої пов'язані з іменами Вернадського, Ферсмана, Виноградова (СРСР), Юрі (США), А. Е. Рингвуд (Австралія) та ін.
У тісній взаємодії з речовиною земної кори знаходяться рухливі оболонки Землі - атмосфера і гідросфера, які є об'єктами вивчення спеціальних розділів геохімії - атмогеохіміі і гідрохімії. Дослідженням геологічної та геохімічної діяльності живих організмів займається біогеохімія, створена працями Вернадського; історію, умови накопичення і геохімічну роль неживої органічної речовини вивчають органічні геохімії; геохимическое вплив техногенних процесів, пов'язаних з діяльністю промислових підприємств і техніки, - предмет геохімії техногенезу. Значний внесок у розробку цих напрямків геохімії зроблений радянськими вченими Вернадським, Я. В. Самойловим, Ферсманом, Виноградовим, Б. Б. Полинова, А. І. Перельманом. Основні проблеми геохімії радіоактивних елементів та ізотопів (радиогеология): вивчення поведінки радіоактивних елементів в геологічних процесах, пошук родовищ радіоактивних руд, дослідження енергетичних процесів в земній корі, пов'язаних з радіоактивністю [Вернадський, В. Г. Хлопин (СРСР), Дж. Джолі ( Великобританія)]; визначення абсолютного віку гірських порід та мінералів по накопиченню продуктів розпаду радіоактивних ізотопів, що йде з постійною швидкістю [Холмс (Великобританія), А. Нір, Г. Вассербург (США), Герлинг, Виноградів, І. Є. Старий, А. І. Тугаринов (СРСР), Ф. Хаутерманс (Швейцарія)]. Геохімія ізотопів досліджує закономірності розділення ізотопів елементів в геологічних процесах і розробляє критерії використання цих даних для вирішення теоретичних і прикладних задач геології; основи цього розділу геохімії закладені працями Вернадського, Виноградова; Юрі, Епстайна (США), Х. Тодта (Канада) та ін. В якості самостійних напрямків оформилися фізична геохімія - наука про фізико-хімічних процесах формування мінералів, гірських порід і руд, земної кори і мантії, атмосфери, гідросфери, основи якої були закладені працями Гольдшмідт, розвинені роботами Коржинского і його школи, і термобарогеохімія - комплекс методів вивчення фізико-хімічних умов процесів мінералоутворення за особливостями складу газово-рідких і твердих включень в мінералах, запропонований радянським ученим Н. П. Єрмаковим та ін.
Геохімію природних процесів підрозділяють на геохімію ендогенних - магматичних, гідротермальних, метаморфічних (зарубіжні дослідники Гольдшмідт, Н. Боуен, Ф. Тернер, У. Файф і багато радянські вчені - Коржинський, Н. І. Хитаров, Жариков, Таусон і ін.) І екзогенних процесів - геохімія осадко- і корообразованія (Самойлов, Полин, Н. М. Страхов, А. Б. Ронов, І. І. Гінзбург), хімічні седиментации, галогенеза, епігенеза опадів (Н. С. Курнаков, М. Г. Валяшко, Перельман). У зв'язку з особливою актуальністю найбільша увага приділяється геохімічних процесів рудоутворення (Ферсман, Щербина, А. А. САУК, Тугаринов, Л. Н. Овчинников, В. Л. Барсуков, Г. Б. Наумов, В. І. Рехарскій, Д. В. Рундквіст та ін.). Використання геохімічних даних для пошуків, розвідки, комплексної оцінки та розробки родовищ, охорони навколишнього середовища становить зміст прикладної геохімії. У зв'язку з особливою актуальністю сировинних проблем все більшу роль набуває вивчення геохімії окремих елементів, простежується історія кожного з елементів і їх ізотопів, особливо рідкісних, розсіяних і радіоактивних.
Встановлені в геохімії закономірності розподілу і концентрування хімічних елементів в геологічних процесах є основою прогнозною оцінкою території того чи іншого типу корисних копалин. Ця оцінка спирається на стійкі зв'язки концентрацій елементів з певним типом гірських порід і геологічних процесів, на регіональні (провінційні) відмінності середньої поширеності того чи іншого елемента (геохімічні провінції), на ознаки підвищення концентрації елемента в певній формації порід даного регіону (регіональна геохімія), на конкретні, виявлені спеціальними дослідженнями геохімічні аномалії в розподілі елементів на досліджуваній території. Знання законів виникнення і розподілу асоціацій елементів у геологічних процесах і різних типах рудних родовищ і мінералів дозволяє оцінювати масштаби зруденіння (Барсуков), глибину ерозійного зрізу рудних тіл (С. В. Григорян), планувати комплексне вивчення і використання мінеральної сировини (Ферсман), попутне витяг багатьох рідкісних (Мінєєв) і розсіяних (В. В. Іванов) елементів. Розуміння принципів і механізму формування первинних і вторинних ореолів і потоків розсіювання елементів навколо рудних тіл є теоретичною базою геохімічних пошуків і розвідки, а також боротьби з втратами і разубожіванія руд, охорони надр. Особливого значення набувають геохімічні дослідження біосфери, тільки на основі яких можуть бути розроблені прогнози її еволюції та раціональні заходи охорони навколишнього середовища від забруднення.
Провідні геохімічні центри СРСР: Інститут геохімії та аналітичної хімії ім. В. І. Вернадського Академії Наук СРСР (Москва), Інститут геохімії ім. А. П. Виноградова Академії Наук СРСР (Іркутськ), Інститут мінералогії, геохімії та кристалохімії рідкісних елементів Академії Наук СРСР і Міністерства геології СРСР, Інститут геології рудних родовищ, петрографії, мінералогії і геохімії Академії Наук СРСР (обидва - Москва), Інститут геохімії та фізики мінералів Академії Наук УРСР (Київ) та ін. У багатьох університетах і Московському геологорозвідувальному інституті ім. С. Орджонікідзе є кафедри геохімії. З 1950 видається міжнародний журнал "Geochimica et Cosmochimica Acta", з 1956 - журнал "Геохімія", інші видання.
