Одним из основных аспектов исследования природных объектов, в том числе геологической среды, является химический состав. Его изучением занимается геохимия - наука о химическом составе Земли и космического пространства, законах распределения элементов в геологических средах, процессах их образования.
Первые наблюдения за составом планеты и ее структур относятся к античным временам.
Предпосылки для формирования геохимии в качестве самостоятельной науки возникли в XIX в. Это объясняется тем, что в это время были сделаны многие основополагающие открытия. К ним относятся периодическая система элементов, термодинамика гетерогенных систем, радиоактивность.
Кроме того, появились новые методы исследования. Так, в 1859 г. Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом был создан спектральный анализ, используемый для определения концентраций элементов. В 1912 г. М. фон Лауэ открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, что использовали для исследования внутреннего строения вещества и форм нахождения элементов. К тому же появились результаты химических анализов метеоритов и был определен состав Солнца путем применения солнечного спектра.
Впервые термин «геохимия» использовал в 1838 г. Ф. Шенбейн.
Первые обобщения систематических геохимических данных были произведены в работах Ф.У. Кларка. В 1889 г. он создал первую сводную таблицу среднего химического состава земной коры. В 1924 г. в фундаментальной работе «Данные геохимии» на основе сведенных данных о составе горных пород, вод, почв он рассчитал среднее содержание в земной коре распространенных элементов.
Разработка методологии и проблематики геохимии началась в XX в. на основе данных физической химии и представлений о строении атома. В первой половине столетия для изучения распределения многих редких элементов продолжали применять эмиссионную спектроскопию, а также появился рентгеноспектральный анализ. На основе расшифровки кристаллических структур рентгеновской дифракцией вывели законы распределения элементов по фазам. Была определена роль живого вещества в распределении элементов. Появился изотопный раздел.
К середине века благодаря техническому прогрессу появилось множество новых методов: рентген-флюоресцентный, масс-спектральный, нейтронно-активационный и т. д.
В 60 гг. начался значительный прогресс. К тому времени накопился объем данных, составивший эмпирическую базу науки. Расширились области исследования за счет океанического дна и космического пространства. Благодаря комплексному изучению планету стали рассматривать в качестве единой системы. Большой вклад в развитие знаний о ее истории внесли биогеохимия и космохимия. Морской и атмосферный разделы объединили в геохимию твердой Земли. Большой объем данных был получен в результате морских экспедиций. Значительное влияние на развитие геохимии оказала теория тектоники плит. Благодаря экспериментам было исследовано внутреннее строение планеты и глубинные процессы. В то же время шло изучение космического вещества. Благодаря новым открытиям, особенно появлению биогеохимии, произошло срастание геохимии с экологией. Это обусловлено, прежде всего, значительным техногенным поступлением элементов в природные среды и их значительной взаимосвязью с органическим миром.
Современная наука
В настоящее время геохимия является одной из ведущих наук о Земле. Она исследует глобальные перемещения вещества и энергии в геологическом пространстве и времени.
Ее основой являются количественные данные о содержании химических элементов в различных объектах, их формах нахождения и состоянии. Теоретическую основу геохимии составляют химические и физические законы поведения вещества в различных термодинамических условиях. К ним относятся правила механики, физической химии, химии газов и водных растворов, физики твердого тела, кристаллохимии, термодинамики.
Исследование в геохимии ведется с использованием системного, комплексного и эволюционного подходов.
Данная дисциплина связана почти со всеми естественно-научными направлениями. Так, получение данных о химическом составе объектов опирается на их геологическую характеристику, а многие из них являются геологическими телами. Это определяет взаимодействие геохимии с науками геологического цикла, такими как петрология, минералогия, учение о полезных ископаемых и т. д. Помимо твердых оболочек, исследуются и прочие компоненты планеты, что обуславливает связь геохимии с географическими науками, а также органический мир, обеспечивая взаимодействие с биологией. Так как предметом рассматриваемой дисциплины являются химические элементы, значительную часть ее составляет химия. Посредством методов изучения геохимия взаимодействует с химическими, геологическими, физическими, математическими науками. Кроме того, данная дисциплина взаимодействует с прочими междисциплинарными науками на стыке названных направлений, такими как геофизика, кристаллохимия и т. д.
Одно из достижений геохимии — классификация элементов Гольдшмита.
Наука включает следующие разделы:
геохимию изотопов (изучает законы их разделения в геологических процессах),
физическую геохимию (исследует физико-химические процессы формирования природных тел и оболочек),
термобарогеохимию (рассматривает физико-химические условия минералообразования),
геохимию природных процессов (подразделена на геохимию экзогенных и эндогенных процессов),
атмогеохимию,
гидрогеохимию,
биогеохимию,
органическую геохимию,
геохимию техногенеза,
геохимию радиоактивных элементов и изотопов.
Помимо фундаментального значения, геохимические достижения имеют обширное прикладное использование. Во-первых, установленные законы распределения и концентрирования элементов применяют в геологоразведочных работах, а именно при прогнозной оценке территорий, поисках месторождений, оценке оруденения, планировании использования сырья и т. д. Во-вторых, эти же данные используются в экологических работах: в оценке техногенного воздействия, прогнозировании его последствий и разработке мер охраны природной среды.
Предмет, задачи, методы
Предметом рассматриваемой науки являются атомы химических элементов Земли и космического вещества, их распределение и перемещение под воздействием физико-химических процессов.
Геохимия решает следующие основные задачи:
определение распространенности элементов в пределах планеты;
исследование их распределения и перемещения в частях Земли с целью выведения на основе этого закономерностей;
анализ распределения элементов на прочих планетах Солнечной системы и в космосе (космохимия);
исследование геологических веществ и процессов, производимых организмами (биогеохимия).
Ввиду междисциплинарности в геохимии используются методы смежных наук: геологических, химических, физических и т. д. Так, многие редкоземельные элементы исследовали с применением эмиссионной спектроскопии, для определения кристаллических структур служит рентгеновская дифракция и т. д.
Кроме того, геохимией разработаны собственные методы: локальных и глобальных геохимических констант (кларков), использование единого круговорота вещества (геохимического цикла) с учетом принципиальной роли органического мира для исследования формирования и эволюции земной коры, геохимическое районирование и картирование, датирование, физико-химический анализ минеральных парагенезисов.
Для интеграции практических достижений и теории используют физическое и математическое моделирование.
Образование и работа
Профессии геохимика обучают на специальности Прикладная геохимия, петрология, минералогия, которая весьма распространена. Она предполагает освоение геологических, картографических, инженерных и др. дисциплин и как лабораторные, так и полевые практические работы.
Специальность весьма универсальна, так как позволяет работать в нескольких сферах. Так, выпускники трудятся в научно-исследовательских геолого-геохимических организациях, учебных заведениях высшего и среднего специального уровней, связанных с разведкой и добычей ресурсов учреждениях, государственных службах (Комитет по экологии, Министерство природных ресурсов, МЧС).
Заключение
Геохимия является комплексной наукой о Земле, объединяющей знания о химическом составе всех ее сред и компонентов, а также космического вещества. Благодаря этому она взаимодействует со всеми естественно-научными направлениями, используя их методы, проводя исследования в их сферах и предоставляя данные для их развития. К тому же геохимия имеет прикладное значение, состоящее в использовании ее данных в ресурсодобывающей и экологической сферах.