Геохимия: определение, история, методы исследования и химический состав Земли

Геохимия представляет собой науку о распределении и распространённости химических элементов в минералах, горных породах, рудных телах, почвах, атмосфере Земли, а также, по некоторым данным, в других небесных телах. Эта дисциплина изучает принципы, управляющие миграцией и концентрацией элементов, включая анализ их движения, свойств минералов в зависимости от элементного состава и классификацию горных пород на основе химических характеристик. История геохимии берёт начало в 1789 году, когда французский химик Антуан Лавуазье открыл 31 химический элемент. Сам термин «геохимия» впервые употребил немецкий химик Кристиан Ф. Шенбейн в 1813 году.

В 1884 году Геологическая служба США (USGS) создала лабораторию для изучения химии планет, назначив её руководителем Ф. У. Кларка; с тех пор USGS остаётся мировым лидером в области сбора и анализа геохимических данных. В 1904 году Институт Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, основал геофизическую лабораторию для исследования физических и химических свойств минералов и горных пород. Аналогичную миссию выполнял Институт Вернадского в Москве, Россия. Оба института инициировали технологические революции в анализе состава горных пород, что привело к развитию концепций химического равновесия и неравновесности, а также к созданию обширных глобальных баз данных по химии горных пород. Геохимик Виктор М. Гольдшмидт из Университета Осло, Норвегия, применил правило фаз для объяснения метаморфических изменений с точки зрения химического равновесия.

Геохимия обычно изучается с использованием нескольких взаимодополняющих методов. Химический анализ включает разделение горных пород на основные и второстепенные (следовые) компоненты с последующим лабораторным измерением. Анализ атомной и химической структуры позволяет изучить физические свойства минералов и горных пород, отражённые в их геохимии. Прямое экспериментирование в контролируемых условиях моделирует процессы формирования различных материалов и определяет фазовые соотношения между ними. Кроме того, изучение рассеивания и накопления элементов в динамических условиях даёт представление о поведении элементов в природных системах.

Данная дисциплина подразделяется на несколько специализированных областей. Изотопная геохимия измеряет концентрацию элементов и их изотопов в различных системах Земли и планет, используя стабильные и радиогенные изотопы для понимания минеральных и горных породных систем, а также датирует геологические события по радиоактивному распаду. Геохимический цикл отслеживает изменения в распределении элементов по поверхности Земли для изучения минеральных, горных пород, водных и биологических систем. Космохимия анализирует распределение элементов и их изотопов в космосе. Биогеохимия оценивает роль жизни и организмов в химии Земли и её системах. Органическая геохимия изучает процессы и соединения, происходящие из живых и некогда существовавших организмов. Экологическая и геологоразведочная геохимия применяет химические принципы к экологическим, гидрологическим исследованиям и разведке полезных ископаемых.

Геохимия и состав Земли. Геохимики тесно сотрудничают с космологами, чтобы лучше понять химический состав Вселенной и системы Земля-Луна в рамках космохимии. Космохимики разработали модели, показывающие, что химический состав Вселенной начинался почти исключительно с водорода и гелия и эволюционировал в результате звёздных процессов и взрывов сверхновых, включив более тяжёлые элементы. Исследования метеоритов позволили получить данные о среднем составе каменистых планет внутренней части Солнечной системы, которые были использованы для построения модели среднего состава Земли. Считается, что Земля имеет общий состав, близкий к составу углистых хондритовых метеоритов. Планета рано начала нагреваться из-за распада короткоживущих радиоактивных изотопов, тепла от гравитационного сжатия и аккреции металлических фаз в ядре, которые погружались и выделяли тепло. Это раннее нагревание сформировало фазу расплавления внутри Земли; внешнее ядро остаётся расплавленным и по сей день, о чём свидетельствуют сейсмические волны, что приводит к зональному распределению химического состава и плотности внутри планеты.

Поперечные сечения Земли, показывающие химические оболочки (кору, мантию и ядро) и физические слои (литосферу, астеносферу, мезосферу, внешнее ядро и внутреннее ядро).

Зональность по химическому составу и плотности разделила Землю на несколько отдельных оболочек с различными свойствами: земную кору, верхнюю мантию, переходную зону, нижнюю мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро. Магнитное поле Земли создаётся за счёт движения жидкого внешнего ядра, где вследствие перемещения электрически заряженной жидкости возникает динамо-эффект. Состав нижней мантии включает силикаты магния и железа в концентрациях, сходных с хондритными метеоритами. На Земле происходит несколько основных полиморфных превращений, имеющих решающее значение для определения её общей структуры и поведения. На глубине 250 миль (400 км) пироксеновые минералы приобретают гранатовую структуру из-за повышенного давления, сохраняя при этом пироксеновый состав. Одновременно структура кристаллической решётки оливина — одного из наиболее распространённых минералов мантии — меняется с оливиновой на более плотную структуру шпинели. Глубже, на глубине 435 миль (700 км), структуры граната и шпинели взаимодействуют и трансформируются во всё более плотные кристаллические решётки, включая ильменит, а затем и структуру перовскита, всё ещё сохраняя состав оливина и пироксена, хотя, возможно, с большим содержанием железа.

Геохимики определили, что Земля ещё не полностью подверглась химическому разложению. Вулканы продолжают выделять такие газы, как сера и углекислый газ, а при глубоких извержениях, например в кимберлитах, недавно были обнаружены алмазы, что указывает на присутствие углерода на глубине. В настоящее время из недр Земли высокими темпами удаляется углекислый газ, что свидетельствует о непрерывном процессе фракционирования. Состав Земли и её различных слоёв рассчитан на основе измерений плотности, силы тяжести, глубинных образцов, взятых из вулканов, и моделей, основанных на составе метеоритов. Геохимики приблизительно рассчитали состав земной коры: 47% кислорода (O), 28% кремния (Si), 11% железа (Fe), магния (Mg) и кальция (Ca), 8% алюминия (Al) и 6% калия (K), натрия (Na) и всех остальных элементов. Что касается минералов в земной коре, то это примерно 49% полевого шпата, 21% кварца, 5% пироксенов (включая пироксен, амфибол и оливин), 8% слюды, 7% магнетита и всех других минералов.

Общее распределение элементов по всей Земле совершенно иное и напоминает сильно дифференцированный гигантский метеорит с корой сверху. Вся Земля состоит из следующих элементов: 38% её массы приходится на ядро, разделённое между 35% железа (Fe) и 2,7% никеля (Ni); 28% кислорода, распределённого в основном в мантии; 17% магния (Mg); 13% кремния (Si); и 2,7% серы (S).

Дополнительная литература:
Холланд, Х. Д. и К. К. Турекян. Трактат по геохимии. В 9 томах. Амстердам: Elsevier, 2004.
Маршалл, К. и Р. Фэйрбридж. Энциклопедия геохимии. Берлин: Springer, 2006.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.