ГЕОХИ́МИЯ

ГЕОХИ́МИЯ, нау­ка о рас­про­стра­нён­но­сти хи­мич. эле­мен­тов и их изо­то­пов в при­ро­де, про­цес­сах, оп­ре­де­ляю­щих фор­мы их на­хо­ж­де­ния, раз­де­ле­ния и ми­гра­ции в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни. В. И. Вер­над­ский дал оп­ре­де­ле­ние Г. как ис­то­рии ато­мов Зем­ли. Г. изу­ча­ет твёр­дую Зем­лю (ко­ру, ман­тию, яд­ро), её внеш­ние обо­лоч­ки (ат­мо­сфе­ру, гид­ро­сфе­ру, био­сфе­ру) и кос­мос (пла­не­ты, звёз­ды, ме­тео­ри­ты). Уче­ние Вер­над­ско­го о гео­ло­гич. ро­ли жи­во­го ве­ще­ст­ва при­ве­ло к ста­нов­ле­нию Г. био­сфе­ры и её от­ветв­ле­ний: био­гео­хи­мии, ор­га­нич. Г. В ка­че­ст­ве са­мо­сто­ят. раз­де­лов вы­де­ля­ют: Г. изо­то­пов (в т. ч. изо­топ­ную гео­хро­но­ло­гию), кос­мо­хи­мию, Г. твёр­дой Зем­ли, Г. ат­мо­сфе­ры, Г. гид­ро­сфе­ры и Г. ок­ру­жаю­щей сре­ды. С на­ко­п­ле­ни­ем дан­ных сфор­ми­ро­ва­лись на­прав­ле­ния, по­свя­щён­ные де­таль­но­му изу­че­нию отд. объ­ек­тов (напр., неф­те­га­зо­вая Г., Г. ал­ма­за) и эле­мен­тов (напр., Г.: уг­ле­ро­да, се­ры, бла­го­род­ных га­зов, ра­дио­ак­тив­ных эле­мен­тов).

Про­гресс в Г. в су­ще­ст­вен­ной ме­ре оп­ре­де­ля­ет­ся раз­ви­ти­ем ана­ли­тич. хи­мии и при­бо­ро­строе­ния в этой об­лас­ти. Совр. ме­то­ды ана­ли­за ве­ще­ст­ва вклю­ча­ют раз­ные ви­ды масс-спек­тро­мет­рии, ме­то­ды вы­со­ко­раз­ре­шаю­щей хро­ма­то­гра­фии и спек­тро­мет­рии (рент­ге­нов­ской, ра­ма­нов­ской, ин­фра­крас­ной, син­хро­трон­но­го из­лу­че­ния), элек­трон­ную мик­ро­ско­пию в со­че­та­нии с ана­ли­зом мик­ро­ко­ли­честв ве­ще­ст­ва. Эти ме­то­ды по­зво­ля­ют обес­пе­чить оп­ре­де­ле­ние кон­цен­тра­ции эле­мен­тов с точ­но­стью 10^–12 г/г, изо­топ­ных от­но­ше­ний – 10^–5 и про­из­во­дить ана­лиз фаз мик­ро­раз­ме­ра.

Распространённость химических элементов

На­уч­но обос­но­ван­ные оцен­ки рас­про­стра­нён­но­сти хи­мич. эле­мен­тов в при­ро­де бы­ли да­ны в 1-й пол. 20 в. в ра­бо­тах Ф. У. Клар­ка, В. М. Гольд­шмид­та, В. И. Вер­над­ско­го, А. Е. Ферс­ма­на, поз­же А. П. Ви­но­гра­до­ва. Совр. оцен­ки ба­зи­ру­ют­ся на ре­зуль­та­тах спек­тро­ско­пич. ис­сле­до­ва­ния фо­то­сфер Солн­ца и звёзд, оп­ре­де­ле­ни­ях со­дер­жа­ния эле­мен­тов в ме­тео­ри­тах и гор­ных по­ро­дах Зем­ли, а так­же на по­лу­чен­ных в по­след­ние де­ся­ти­ле­тия дан­ных о со­ста­ве ве­ще­ст­ва Лу­ны и др. пла­нет (и их спут­ни­ков) Сол­неч­ной сис­те­мы. При­ня­тые зна­че­ния рас­про­стра­нён­но­сти эле­мен­тов в фо­то­сфе­ре Солн­ца, ка­мен­ных ме­тео­ри­тах и зем­ной ко­ре пред­став­ле­ны в табл. 1. Рас­про­стра­нён­ность хи­мич. эле­мен­тов умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем атом­но­го но­ме­ра. Эле­мен­ты с чёт­ным атом­ным но­ме­ром бо­лее рас­про­стра­не­ны, чем их не­чёт­ные со­се­ди. Ано­маль­но низ­кую для лёг­ких эле­мен­тов рас­про­стра­нён­ность име­ют Li, Be, В. Эти за­ко­но­мер­но­сти обу­слов­ле­ны осо­бен­но­стя­ми нук­лео­син­те­за эле­мен­тов.

За­ко­но­мер­но­сти рас­пре­де­ле­ния и фор­мы на­хо­ж­де­ния хи­мич. эле­мен­тов в при­род­ном ве­ще­ст­ве кон­тро­ли­ру­ют­ся их хи­мич. свой­ст­ва­ми, ко­то­рые в обоб­щён­ном ви­де по­ло­же­ны в ос­но­ву гео­хи­ми­че­ской клас­си­фи­ка­ции эле­мен­тов, впер­вые пред­ло­жен­ной В. М. Гольд­шмид­том (1923). На вы­яв­ле­нии ано­ма­лий со­дер­жа­ния хи­мич. эле­мен­тов ос­но­ва­ны гео­хи­ми­че­ские по­ис­ки по­лез­ных ис­ко­пае­мых.

Физико-химические основы геохимии

При ин­тер­пре­та­ции ре­зуль­та­тов и по­строе­нии тео­ре­тич. мо­де­лей в Г. ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся ме­то­ды фи­зич. хи­мии (хи­мич. тер­мо­ди­на­ми­ка и ки­не­ти­ка), а так­же разл. ма­те­ма­тич. ме­то­ды.

При опи­са­нии гео­хи­мич. про­цес­сов ис­поль­зу­ют­ся та­кие ба­зо­вые по­ня­тия хи­мич. тер­мо­ди­на­ми­ки, как тер­мо­ди­на­мич. по­тен­циа­лы, пра­ви­ло фаз, урав­не­ние со­стоя­ния ве­ще­ст­ва, за­кон дей­ст­вую­щих масс, фа­зо­вые диа­грам­мы со­стоя­ния, кон­стан­ты рав­но­ве­сия хи­мич. ре­ак­ций, тер­мо­ди­на­мич. ак­тив­ность и её связь с хи­мич. по­тен­циа­лом. При­ме­не­ние уни­вер­саль­ных ме­то­дов хи­мич. тер­мо­ди­на­ми­ки в Г., пет­ро­ло­гии и ми­не­ра­ло­гии свя­за­но с име­на­ми В. М. Гольд­шмид­та, П. Эс­ко­лы, Д. С. Кор­жин­ско­го и др. Ап­па­рат хи­мич. тер­мо­ди­на­ми­ки по­зво­ля­ет мо­де­ли­ро­вать фи­зи­ко-хи­мич. про­цес­сы от низ­ких и уме­рен­ных дав­ле­ний (кон­ден­са­ция, ис­па­ре­ние и фрак­цио­ни­ро­ва­ние ве­ще­ст­ва на ран­ней ста­дии эво­лю­ции Сол­неч­ной сис­те­мы, а так­же гид­ро­хи­мич., маг­ма­тич., ме­та­мор­фич. про­цес­сы на Зем­ле) до сверх­вы­со­ких давле­ний (св. 10¹¹ Па), при­су­щих плот­но­сжа­то­му со­стоя­нию ве­ще­ст­ва ман­тии и яд­ра Зем­ли и др. пла­нет. Ис­сле­до­ва­ны тер­мо­ди­на­мич. свой­ст­ва по­ро­до­об­ра­зую­щих и руд­ных ми­не­ра­лов (ок­си­дов; си­ли­ка­тов, в т. ч. оли­ви­нов, пи­рок­се­нов, гра­на­тов; суль­фи­дов, кар­бо­на­тов, а так­же во­до­со­дер­жа­щих ми­не­ра­лов разл. клас­сов и др.). Соз­да­ны ком­пь­ю­тер­ные ба­зы дан­ных, про­грамм­ные ком­плек­сы для рас­чё­та тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сий в твёр­до­фаз­ных, гид­ро­тер­маль­ных и маг­ма­тич. сис­те­мах (с на­ли­чи­ем или от­сут­ст­ви­ем ле­ту­чих ком­по­нен­тов) в ши­ро­ком ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур и дав­ле­ний. При­ме­не­ние тер­мо­ди­на­ми­ки к ана­ли­зу при­род­ных яв­ле­ний и про­цес­сов по­зво­ли­ло по­стро­ить фи­зи­ко-хи­мич. мо­де­ли зем­ной ко­ры, ман­тии и ме­тал­лич. яд­ра Зем­ли, а так­же обо­ло­чек др. кос­мич. тел.

Геохимия изотопов

Во 2-й пол. 20 в. Г. вы­шла за рам­ки сво­его клас­сич. оп­ре­де­ле­ния, дан­но­го В. И. Вер­над­ским, и ста­ла ско­рее ис­то­ри­ей нук­ли­дов, т. к. яв­ле­ние фрак­цио­ни­ро­ва­ния (раз­де­ле­ния) изо­то­пов ока­за­лось не ме­нее ин­фор­ма­тив­ным для изу­че­ния гео­хи­мич. про­цес­сов, чем клас­сич. Г., изу­чаю­щая фрак­цио­ни­ро­ва­ние хи­мич. эле­мен­тов. Фрак­цио­ни­ро­ва­ние изо­то­пов оп­ре­де­ля­ет­ся изо­топ­ны­ми эф­фек­та­ми, ко­то­рые су­ще­ст­вен­ны толь­ко для раз­де­ле­ния изо­то­пов лёг­ких эле­мен­тов. Изу­че­ние воз­ник­ших в ре­зуль­та­те изо­топ­но­го фрак­цио­ни­ро­ва­ния раз­ли­чий в изо­топ­ном со­ста­ве по­зво­ля­ет ре­кон­ст­руи­ро­вать хи­мич. ис­то­рию ве­ще­ст­ва, его ис­точ­ни­ки, тем­пе­ра­ту­ру и ки­не­ти­ку про­цес­сов.

В раз­ви­тие Г. изо­то­пов пер­во­сте­пен­ный вклад вне­сли Г. Юри и Дж. Би­ге­ляй­зен (США), Я. Бот­тин­га, М. Жа­вуа (Фран­ция), Л. Ме­лан­дер (Шве­ция). Рос. гео­хи­ми­ка­ми раз­ра­бо­та­на изо­топ­ная тер­мо­ди­на­ми­ка мно­го­атом­ных со­еди­не­ний уг­ле­ро­да (Э. М. Га­ли­мов,1971–81), от­крыт спи­но­вый изо­топ­ный эф­фект (А. Л. Бу­ча­чен­ко, Э. М. Га­ли­мов), ис­сле­до­ва­на за­ви­си­мость изо­топ­ных эф­фек­тов от дав­ле­ния (В. Б. По­ля­ков). Масс-не­за­ви­си­мые изо­топ­ные эф­фек­ты об­на­ру­же­ны и изу­че­ны Р. Клей­то­ном, М. Тим­мен­сом (США). Наи­бо­лее раз­ви­та Г. ста­биль­ных изо­то­пов лёг­ких эле­мен­тов, ос­но­ван­ная на изу­че­нии изо­топ­ных от­но­ше­ний: D/H, ¹³C/¹²C, ¹⁵N/¹⁴N, ¹⁷O/¹⁸O/¹⁶O, ³²S/³³S/³⁴S. Масс-спек­тро­мет­ры по­след­не­го по­ко­ле­ния по­зво­ли­ли об­на­ру­жить изо­топ­ные ва­риа­ции бо­лее тя­жё­лых эле­мен­тов: Ca, Cr, Fe, Cu, Zn, Se, Mo.

Ос­но­во­по­ла­гаю­щие ра­бо­ты в Г. ста­биль­ных изо­то­пов отд. эле­мен­тов вы­пол­не­ны: по уг­ле­ро­ду – Г. Крей­гом (США) и Э. М. Га­ли­мо­вым, по се­ре – Х. Тод­том, Р. Кро­узом (Ка­на­да) и В. А. Гри­нен­ко (Рос­сия), по ки­сло­ро­ду – С. Эп­стай­ном, Р. Клей­то­ном (США), Е. И. Дон­цо­вой и Р. В. Тей­сом (Рос­сия).

По­строе­ние вре­мен­но́й шка­лы гео­ло­гич. со­бы­тий, оп­ре­де­ле­ние изо­топ­но­го воз­рас­та по­род и ми­не­ра­лов (см. Гео­хро­но­ло­гия) яв­ля­ют­ся ча­стью гео­хи­мич. ис­сле­до­ва­ний. Оп­ре­де­ле­ние изо­топ­но­го гео­ло­ги­че­ско­го воз­рас­та ос­но­ва­но на ана­ли­зе изо­топ­ных сис­тем, в ко­то­рых про­ис­хо­дит на­ко­п­ле­ние ра­дио­ген­ных (до­чер­них) нук­ли­дов за счёт рас­па­да ра­дио­ак­тив­ных нук­ли­дов. Сис­те­мы с дол­го­жи­ву­щи­ми ра­дио­ак­тив­ны­ми изо­то­па­ми (⁸⁷Rb–⁸⁷Sr, ¹⁴⁷Sm–¹⁴³Nd, ²³⁸U–²⁰⁶Pb, ²³⁵U–²⁰⁷Pb, ¹⁸⁷Re–¹⁸⁷Os, ⁴⁰K–⁴⁰Ar и др.) по­зво­ля­ют из­ме­рять от­рез­ки вре­ме­ни от мил­лио­на лет до вре­ме­ни об­ра­зо­ва­ния Зем­ли и Сол­неч­ной сис­те­мы. При по­мо­щи этих сис­тем ус­та­нов­ле­ны точ­ные воз­рас­тные гра­ни­цы эта­пов гео­ло­гич. ис­то­рии, ко­то­рые ра­нее оп­ре­де­ля­лись толь­ко от­но­си­тель­но друг дру­га (пу­тём па­лео­нто­ло­гич. кор­ре­ля­ции), оп­ре­де­лён точ­ный воз­раст Зем­ли (4,566 млрд. лет). Для этих це­лей так­же ис­поль­зу­ют­ся сис­те­мы ¹⁹⁰Pt–¹⁸⁶Os, ¹⁷⁶Lu–¹⁷⁶Hf. В кос­мо­хи­мич. ис­сле­до­ва­ни­ях ис­клю­чи­тель­но пло­до­твор­ным ока­за­лось ис­сле­до­ва­ние сис­тем с ко­рот­ко­жи­ву­щи­ми изо­то­па­ми, син­те­зи­ро­вав­ши­ми­ся в мо­мент воз­ник­но­ве­ния Сол­неч­ной сис­те­мы, та­ки­ми как ¹²⁹I–¹²⁹Xe, ¹⁸²Hf–¹⁸²W, ²⁶Al–²⁶Mg, ¹⁴⁶Sm–¹⁴²Nd. Ра­дио­ак­тив­ные чле­ны этих сис­тем дав­но ис­чез­ли, но ос­та­лись ра­дио­ген­ные до­чер­ние изо­то­пы. Сдви­ги в изо­топ­ных от­но­ше­ни­ях (напр., ¹⁸²W/¹⁸³W, ²⁶Mg/²⁴Mg, ¹⁴²Nd/¹⁴⁴Nd) да­ют ин­фор­ма­цию о са­мых ран­них со­бы­ти­ях в Сол­неч­ной сис­те­ме: ак­ку­му­ля­ции пла­нет, пер­вич­ной диф­фе­рен­циа­ции ве­ще­ст­ва Зем­ли, фор­ми­ро­ва­нии её яд­ра, об­ра­зо­ва­нии Лу­ны. При рас­шиф­ров­ке но­вей­ших со­бы­тий чет­вер­тич­но­го периода ис­поль­зу­ют­ся ко­рот­ко­жи­ву­щие (в мас­шта­бе гео­ло­гич. вре­ме­ни) изо­то­пы ¹⁴C, ¹⁰Be, ³⁶Cl, об­ра­зую­щие­ся под дей­ст­ви­ем кос­мич. лу­чей в ат­мо­сфе­ре или на по­верх­но­сти по­род. Из­ме­ре­ние от­но­си­тель­ных со­дер­жа­ний ко­рот­ко­жи­ву­щих изо­то­пов ²³⁴U, ²³⁰Th, ²²⁶Ra,²¹⁰Pb, ²³¹Pa в ря­дах рас­па­да ²³⁸U и ²³⁵U по­зво­ля­ет да­ти­ро­вать но­вей­шие об­ра­зо­ва­ния с воз­рас­том от ты­сяч до мил­лио­на лет. По­ми­мо воз­рас­та, изу­че­ние ва­риа­ций рас­про­стра­нён­но­стей ра­дио­ген­ных изо­то­пов ⁸⁷Sr, ¹⁴³Nd, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb, ¹⁷⁶Hf, ¹⁸⁷Os да­ёт пред­став­ле­ние об изо­топ­ных ха­рак­те­ри­сти­ках гло­баль­ных ре­зер­вуа­ров, при­чи­нах и ме­ха­низ­мах, от­вет­ст­вен­ных за ге­те­ро­ген­ность и ано­ма­лии изо­топ­ных со­ста­вов по­род и руд, ис­точ­ни­ках сфор­ми­ро­вав­ших их магм и флюи­дов. Со­от­но­ше­ния изо­то­пов бла­го­род­ных га­зов: ³He/⁴He, Ne, Ar, Kr, Xe, ис­поль­зу­ют­ся для ре­кон­ст­рук­ции про­цес­сов в про­то­пла­нет­ном га­зопы­ле­вом об­ла­ке, для вы­яв­ле­ния пер­вич­ных га­зов, удер­жан­ных Зем­лёй при её фор­ми­ро­ва­нии. В раз­ви­тие Г. ра­дио­ген­ных изо­то­пов боль­шой вклад вне­сли К. Ал­легр (Фран­ция), Дж. Вас­сер­бург (США), Г. Луг­ма­ер (Гер­ма­ния), О’Найенс (Ве­ли­ко­бри­та­ния), Э. К. Гер­линг, И. В. Чер­ны­шёв, Ю. А. Шу­ко­лю­ков (Рос­сия).

Космохимия

Ис­сле­до­ва­ния по­ве­де­ния эле­мен­тов и изо­то­пов во вне­зем­ном ве­ще­ст­ве и вне­зем­ных ус­ло­ви­ях на­ча­лись во 2-й пол. 20 в. бла­го­да­ря экс­пе­ди­ци­ям «Апол­лон» (США) и «Лу­на» (СССР), дос­та­вив­шим про­бы лун­но­го грун­та, а так­же ин­фор­ма­ции, по­лу­чен­ной при по­мо­щи кос­мич. ап­па­ра­тов об ат­мо­сфе­ре и по­верх­но­сти Ве­не­ры, Мар­са, спут­ни­ков Юпи­те­ра и Са­тур­на, ко­мет и ас­те­рои­дов. В гло­баль­ных по­строе­ни­ях Г. ба­зи­ру­ет­ся на кон­цеп­ции прин­ци­пи­аль­но­го сход­ст­ва со­ста­ва Зем­ли и ме­тео­ри­тов (Г. Юри, А. П. Ви­но­гра­дов). При этом же­лез­ные ме­тео­ри­ты рас­смат­ри­ва­ют­ся как ана­ло­ги ве­ще­ст­ва зем­но­го яд­ра, ка­мен­ные ме­тео­ри­ты (хон­д­ри­ты) – ве­ще­ст­ва си­ли­кат­ной ман­тии. Про­ис­хо­ж­де­ние зем­ных ле­ту­чих ком­по­нен­тов, в т. ч. во­ды, со­еди­не­ний уг­ле­ро­да, азо­та, про­дол­жа­ет ос­та­вать­ся пред­ме­том дис­кус­сий. Ряд учё­ных счи­та­ет, что Зем­ля в хо­де фор­ми­ро­ва­ния ут­ра­ти­ла пер­вич­ные ле­ту­чие ком­по­нен­ты, и они бы­ли прив­не­се­ны на за­вер­шаю­щей ста­дии ак­ку­му­ля­ции пла­не­ты при вы­па­де­нии на её по­верх­ность ко­мет или др. кос­мич. тел, имею­щих со­став уг­ли­стых хон­д­ри­тов. Кос­мо­хи­мич. ас­пек­ты про­бле­мы фор­ми­ро­ва­ния Зем­ли наи­бо­лее пол­но рас­смот­ре­ны в ра­бо­тах А. Рин­гву­да (Ав­ст­ра­лия), Х. Вен­ке (Гер­ма­ния), К. Ал­ле­гра (Фран­ция). Круп­ным дос­ти­же­ни­ем по­след­них двух де­сят­ков лет яв­ля­ет­ся об­на­ру­же­ние в меж­звёзд­ном про­стран­ст­ве мно­го­числ. ор­га­нич. со­еди­не­ний, а также ус­та­нов­ле­ние изо­топ­ных ано­ма­лий.

Геохимия твёрдой Земли

Яд­ро и ман­тия Зем­ли. Плав­ле­ние – осн. глу­бин­ный про­цесс хи­мич. диф­фе­рен­циа­ции Зем­ли, в ре­зуль­та­те ко­то­ро­го воз­ни­ка­ют рас­пла­вы (маг­мы) разл. со­ста­ва. Г. маг­ма­тиз­ма изу­ча­ет раз­де­ле­ние и ми­гра­цию эле­мен­тов, свя­зан­ную с за­ро­ж­де­ни­ем, пе­ре­ме­ще­ни­ем и за­твер­де­ва­ни­ем магм. Круп­ные обоб­ще­ния по Г. эле­мен­тов в маг­ма­тич. по­ро­дах вы­пол­не­ны В. М. Гольд­шмид­том (1936), А. П. Ви­но­гра­до­вым (1962), К. Г. Ве­де­по­лем (Гер­ма­ния, 1978). Гл. ис­точ­ник энер­гии плав­ле­ния – те­п­ло­та ра­дио­ак­тив­но­го рас­па­да та­ких эле­мен­тов, как U, Th, ⁴⁰K. Пред­по­ла­га­ет­ся так­же, что су­ще­ст­вен­ным ис­точ­ни­ком те­п­ло­ты Зем­ли (до ¹/₃ те­п­ло­во­го по­то­ка) яв­ля­ет­ся про­дол­жаю­щее­ся мед­лен­ное на­ра­щи­ва­ние яд­ра Зем­ли (Э. М. Га­ли­мов, 2005). Маг­мы об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те час­тич­но­го плав­ле­ния ве­ще­ст­ва ман­тии Зем­ли (ба­заль­ты), кон­ти­нен­таль­ной ко­ры (гра­ни­ты) ли­бо име­ют сме­шан­ный ис­точ­ник. Груп­па ще­лоч­ных рас­пла­вов (не­фе­ли­ни­ты, кар­бо­на­ти­ты, ким­бер­ли­ты, лам­прои­ты) фор­ми­ро­ва­лась при уча­стии про­цес­сов ман­тий­но­го ме­та­со­ма­то­за (П. Вай­ли, 1975, Д. Эгг­лер, 1982, США; В. С. Со­бо­лев, 1987, Л. Н. Ко­гар­ко, 2002, Рос­сия). Пер­вич­ные рас­пла­вы ли­бо из­ли­ва­ют­ся на по­верх­ность в вул­ка­нич. ап­па­ра­тах, ли­бо кри­стал­ли­зу­ют­ся на глу­би­не в про­ме­жу­точ­ных оча­гах. Про­цес­сы кри­стал­ли­за­ци­он­ной диф­фе­рен­циа­ции пер­вич­ных магм и гра­ви­та­ци­он­ной ку­му­ля­ции ми­не­ра­лов в про­ме­жу­точ­ных оча­гах – гл. ме­ха­низ­мы фор­ми­ро­ва­ния разл. маг­ма­тич. се­рий по­род и маг­ма­тич. ме­сто­ро­ж­де­ний. Маг­ма­тич. ме­сто­ро­ж­де­ния Fe, Ti, V, Cr (ба­заль­то­вые маг­мы), P, РЗЭ, Nb, Ta, Zr (ще­лоч­ные маг­мы), Li, Rb, U, Th, Sn (гра­нит­ные маг­мы) фор­ми­ро­ва­лись в про­цес­сах кри­стал­ли­за­ци­он­ной диф­фе­рен­циа­ции и фрак­цио­ни­ро­ва­ния ред­ких эле­мен­тов (А. Нал­д­рет, 1972, Ка­на­да; Д. Ир­вин, 1980, США; Л. Н. Ко­гар­ко, 1995, Рос­сия). Ход хи­мич. эво­лю­ции пер­вич­ных магм оп­ре­де­ля­ет­ся по­ряд­ком кри­стал­ли­за­ции и фрак­цио­ни­ро­ва­ни­ем ми­не­ра­лов. Экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния диа­грамм со­стоя­ния сис­тем, близ­ких по со­ста­ву к маг­мам (SiO₂– MgO–Al₂O₃–CaO–Na₂O–K₂O), да­ли воз­мож­ность оце­нить по­ля кри­стал­ли­за­ции гл. по­ро­до­об­ра­зую­щих ми­не­ра­лов и по­стро­ить ко­ли­че­ст­вен­ные гео­хи­мич. мо­де­ли эво­лю­ции при­род­ных рас­пла­вов. Раз­ви­тие этих идей свя­за­но с ра­бо­та­ми Н. Боу­эна (1934, США), Х. Йо­де­ра и К. Тил­ли (1965, США, Ве­ли­ко­бри­та­ния), И. Ку­ши­ро (1972, Япо­ния), А. Эд­га­ра (1989, Ка­на­да), М. Ги­ор­со (1995, США), А. Гуп­ты (1999, США), А. А. Ари­ски­на (1998, Рос­сия), C. Фо­ли (2000, Гер­ма­ния). Г. эле­мен­тов в про­цес­сах кри­стал­ли­за­ци­он­ной диф­фе­рен­циа­ции и час­тич­но­го плав­ле­ния оп­ре­де­ля­ет­ся их свой­ст­ва­ми, гл. обр. раз­ме­ра­ми ато­мов и за­ря­да­ми яд­ра. Они опи­сы­ва­ют­ся ко­эф­фи­ци­ен­та­ми рас­пре­де­ле­ния K_d. В про­цес­сах кри­стал­ли­за­ции си­ли­кат­ных магм эле­мен­ты с вы­со­ки­ми K_d (обыч­но эле­мен­ты с вы­со­ки­ми за­ря­да­ми и ма­лы­ми атом­ны­ми ра­диу­са­ми) за­хва­ты­ва­ют­ся кри­стал­лич. ре­шёт­ка­ми на ран­них эта­пах, в то вре­мя как ато­мы с низ­ки­ми K_d (эле­мен­ты с боль­ши­ми ра­диу­са­ми и низ­ки­ми за­ря­да­ми) кон­цен­три­ру­ют­ся в ко­неч­ных про­дук­тах диф­фе­рен­циа­ции (Д. Шоу, 1957, Ка­на­да; И. Д. Ряб­чи­ков, 1965). Плав­ле­ние ми­не­ра­лов и по­род ха­рак­те­ри­зу­ет­ся уве­ли­че­ни­ем температуры плав­ле­ния с рос­том дав­ле­ния. Ве­ли­чи­на этой за­ви­си­мо­сти ле­жит в пре­де­лах 50–120 К/ГПа.

При­сут­ст­вие ле­ту­чих ком­по­нен­тов в не­драх, та­ких как Н₂О, СО₂, Н₂, СН_4, при­во­дит к по­ни­же­нию темп-ры плав­ле­ния. На­ли­чие Н₂О в ви­де сво­бод­ной па­ро­вой фа­зы по­ни­жа­ет темп-ру плав­ле­ния си­ли­ка­тов на 100–300 °C; СО₂, СО и Н₂, СН₄ – на неск. де­сят­ков гра­ду­сов. При­месь F и в мень­шей сте­пе­ни Cl так­же вы­зы­ва­ет по­ни­же­ние темп-ры плав­ле­ния. Ле­ту­чие ком­по­нен­ты из­ме­ня­ют по­ля кри­стал­ли­за­ции ми­не­ра­лов и со­став вы­плав­ляе­мых магм, напр., при вы­со­ких дав­ле­ни­ях СО₂ из ман­тии мо­гут вы­плав­лять­ся ще­лоч­ные ба­заль­тои­ды, кар­бо­нат­но-си­ли­кат­ные, кар­бо­нат­ные и ким­бер­ли­то­вые рас­пла­вы. Экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния с уча­сти­ем ле­ту­чих ком­по­нен­тов по­ка­за­ли зна­чит. рас­тво­ри­мость си­ли­ка­тов во флю­ид­ной фа­зе в об­лас­ти вы­со­ких дав­ле­ний (ка­над. ис­сле­до­ва­тель Р. Го­ран­сон, 1950; рос. учё­ные: И. A. Ост­ров­ский,1969; Н. И. Хи­та­ров, А. А. Ка­дик, 1971; И. Д. Ряб­чи­ков, 1975, 1982). Эти ра­бо­ты лег­ли в ос­но­ву раз­ви­тия Г. ман­тий­но­го ме­та­со­ма­то­за.

Хи­мич. диф­фе­рен­циа­ция Зем­ли тес­но свя­за­на с пе­ре­рас­пре­де­ле­ни­ем ки­сло­ро­да в не­драх пла­не­ты в ре­зуль­та­те фор­ми­ро­ва­ния ме­тал­лич. яд­ра, глу­бин­ной де­га­за­ции, плав­ле­ния, суб­дук­ци­он­ных про­цес­сов и вос­хо­дя­щих по­то­ков ман­тий­но­го ве­ще­ст­ва (плю­мов) и ас­те­но­сфер­ных диа­пи­ров. Этот про­цесс на­хо­дит пря­мое от­ра­же­ние в окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. со­стоя­нии глу­бин­но­го ве­ще­ст­ва, ме­рой ко­то­ро­го слу­жит пар­ци­аль­ное дав­ле­ние ки­сло­ро­да в ми­нер. ре­ак­ци­ях. По­ве­де­ние ки­сло­ро­да в зна­чит. сте­пе­ни свя­за­но с окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. ре­ак­ция­ми, в ко­то­рых при­ни­ма­ет уча­стие же­ле­зо (Fe³⁺, Fe²⁺ и Fe⁰) – до­ми­ни­рую­щий эле­мент пе­ре­мен­ной ва­лент­но­сти, а так­же вос­ста­нов­лен­ные (H₂, СH₄) и окис­лен­ные (H₂O, CO₂) со­еди­не­ния во­до­ро­да и уг­ле­ро­да. В совр. ли­то­сфер­ных и ас­те­но­сфер­ных сло­ях верх­ней ман­тии ве­ще­ст­во в осн. уме­рен­но окис­ле­но. Зна­че­ния пар­ци­аль­но­го дав­ле­ния ки­сло­ро­да на­хо­дят­ся вы­ше ус­ло­вий рав­но­ве­сия с ме­тал­лич. фа­зой. Ак­тив­ность Fe³⁺-со­дер­жа­щих ком­по­нен­тов в ми­не­ра­лах верх­ней ман­тии со­от­вет­ст­ву­ет зна­че­ни­ям пар­ци­аль­но­го дав­ле­ния ки­сло­ро­да, ко­то­рые оп­ре­де­ля­ют пре­об­ла­да­ние СО₂ и Н₂О в со­ста­ве ле­ту­чих со­еди­не­ний уг­ле­ро­да и во­до­ро­да. С дру­гой сто­ро­ны, име­ют­ся гео­хи­мич. дан­ные, сви­де­тель­ст­вую­щие о вос­ста­нов­лен­ном ха­рак­те­ре ве­ще­ст­ва ман­тии Зем­ли на ран­них эта­пах её фор­ми­ро­ва­ния. Гло­баль­ные из­ме­не­ния пар­ци­аль­но­го дав­ле­ния ки­сло­ро­да во вре­ме­ни и про­стран­ст­ве с вы­со­ки­ми зна­че­ния­ми пар­ци­аль­но­го дав­ле­ния ки­сло­ро­да в верх­них обо­лоч­ках Зем­ли яв­ля­ют­ся ре­зуль­та­том ком­плек­са хи­мич. и фи­зич. про­цес­сов в не­драх пла­не­ты. Вы­пол­нен­ные в кон. 20 – нач. 21 вв. экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния при сверх­вы­со­ких дав­ле­ни­ях по­ка­за­ли, что на глу­би­нах св. 700 км в рас­ту­щей Зем­ле дол­жен об­ра­зо­вы­вать­ся сверх­плот­ный ми­не­рал (си­ли­кат маг­ния со струк­ту­рой пе­ров­ски­та), в ко­то­ром в хи­мич. рав­но­ве­сии с ме­тал­лом при­сут­ст­ву­ет зна­чит. ко­ли­че­ст­во трёх­ва­лент­но­го же­ле­за (нем. ис­сле­до­вате­ли К. Мак­кам­мон, 1997; Д. Фрост, 2004). Пред­по­ла­га­ет­ся, что пер­вич­ной при­чи­ной вы­со­ких зна­че­ний пар­ци­аль­но­го дав­ле­ния ки­сло­ро­да в верх­них час­тях ман­тии яв­ля­ет­ся мно­го­ста­дий­ный ха­рак­тер эво­лю­ции ме­тал­лич. яд­ра Зем­ли (Э. М. Га­ли­мов, 1998, 2005). По­сле фор­ми­ро­ва­ния б. ч. яд­ра (ок. 95% в те­че­ние пер­вых 100 млн. лет) оно про­дол­жа­ло мед­лен­но рас­ти за счёт дис­про­пор­цио­ни­ро­ва­ния FeO ман­тии. При этом ме­тал­лич. же­ле­зо при­сое­ди­ня­лось к яд­ру, а окис­лен­ная его фор­ма под­ни­ма­лась с вос­хо­дя­щим по­то­ком ман­тий­ной кон­век­ции и уве­ли­чи­ва­ла хи­мич. по­тен­ци­ал ки­сло­ро­да в верх­них час­тях ман­тии. В со­от­вет­ст­вии с совр. пред­став­ле­ния­ми Fe–Ni яд­ро Зем­ли вклю­ча­ет до 10% (по мас­се) лёг­ких эле­мен­тов. Наи­бо­лее ве­ро­ят­ны в ка­че­ст­ве при­ме­сей O, S, воз­мож­но Si. При­сут­ст­вие в ман­тии из­быт­ка ра­дио­ген­но­го ¹⁸²W (до­чер­не­го изо­то­па ¹⁸²Hf с пе­рио­дом по­лу­рас­па­да ок. 9 млн. лет) ука­зы­ва­ет на срав­ни­тель­но бы­строе об­ра­зо­ва­ние зна­чит. час­ти яд­ра.

Зем­ная ко­ра. Кон­ти­нен­таль­ная ко­ра су­ще­ст­вен­но обо­га­ще­на SiO₂ и ли­то­филь­ны­ми эле­мен­та­ми с боль­шим ион­ным ра­диу­сом, напр. U, K, РЗЭ. Её гра­нит­но-ме­та­мор­фич. ком­плекс сло­жен при­бли­зи­тель­но на 50% гра­ни­тои­да­ми (с не­боль­шим ко­ли­че­ст­вом др. маг­ма­тич. по­род) и на 50% ме­та­мор­фич. по­ро­да­ми, сре­ди ко­то­рых пре­об­ла­да­ют ме­та­пес­ча­ни­ки, кри­стал­лич. слан­цы и гней­сы (ок. 83%), ам­фи­бо­ли­ты и ме­та­мор­фи­зо­ван­ные кис­лые эф­фу­зи­вы (ок. 13%), кар­бо­нат­ные по­ро­ды (3,1%) и же­ле­зи­стые квар­ци­ты (ок. 1%). Пре­об­ла­да­ние гра­ни­тои­дов и кри­стал­лич. слан­цев оп­ре­де­ля­ет в це­лом кис­лый со­став верх­ней час­ти кон­ти­нен­таль­ной ко­ры (SiO₂ ок. 64%). Хи­мич. со­став ниж­ней час­ти кон­ти­нен­таль­ной ко­ры – гра­ну­лит-ба­зи­то­во­го слоя – точ­но не оп­ре­де­лён и пред­по­ло­жи­тель­но име­ет ме­нее крем­не­зё­ми­стый со­став. В океа­нич. ко­ре слой маг­ма­тич. по­род пред­став­лен гл. обр. ба­заль­та­ми и про­дук­та­ми их из­ме­не­ния (со­дер­жа­ние SiO₂ по­ряд­ка 50%). Океа­нич. ко­ра в мень­шей сте­пе­ни обо­га­ще­на не­со­вмес­ти­мы­ми эле­мен­та­ми от­но­си­тель­но ман­тии, чем кон­ти­нен­таль­ная ко­ра. В изу­че­ние хи­мич. строе­ния оса­доч­ной обо­лоч­ки круп­ный вклад был вне­сён рос. учё­ны­ми А. Б. Ро­но­вым, А. А. Яро­шев­ским, А. А. Ми­гди­со­вым. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны в со­ста­ве оса­доч­ной обо­лоч­ки гли­ны и гли­ни­стые слан­цы (ок. 44%), пес­ки и пес­ча­ни­ки (ок. 24%), кар­бо­нат­ные по­ро­ды (ок. 16%), вул­ка­нич. по­ро­ды (ок. 14%). До­ля крем­ни­стых по­род 1,6%, эва­по­ри­тов 1,1%, рас­се­ян­но­го ор­га­нич. ве­ще­ст­ва 0,4%. Рас­про­стра­нён­ность всех ос­таль­ных по­род, в т. ч. кон­центрир. форм ор­га­нич. ве­ще­ст­ва (уголь, нефть и др.), не пре­вы­ша­ет в сум­ме 0,1%. Б. ч. оса­доч­ных по­род фор­ми­ру­ет­ся за счёт раз­ру­ше­ния кри­стал­лич. по­род кон­ти­нен­тов, пер­вич­ны­е для ко­то­рых – маг­ма­тич. по­ро­ды ман­тий­но­го про­ис­хож­де­ния. По­это­му ср. хи­мич. со­став осад­ков дол­жен на­сле­до­вать ср. со­став маг­ма­тич. по­род. Из­бы­точ­ны­ми яв­ля­ют­ся ле­ту­чие ком­по­нен­ты (Н₂О, СО₂, S, Cl, Br, I, B), на­ка­п­ли­ваю­щие­ся за счёт де­га­за­ции зем­ных недр. Есть не­ко­то­рые раз­ли­чия и в со­ста­ве по­ро­до­об­ра­зую­щих эле­мен­тов, напр. за­мет­ное обо­га­ще­ние оса­доч­ной обо­лоч­ки каль­ци­ем. В об­щем ви­де это объ­яс­ня­ет­ся тем, что ма­те­риал оса­доч­ной обо­лоч­ки, как и зем­ной ко­ры в це­лом, на­хо­дит­ся в со­стоя­нии кру­го­обо­ро­та. Он не толь­ко воз­ни­ка­ет, но и ут­ра­чи­ва­ет­ся в про­цес­сах пе­ре­плав­ле­ния и суб­дук­ции. Раз­ли­чие хи­мич. со­ста­ва по­сту­паю­ще­го и воз­вра­щае­мо­го ма­те­риа­ла мо­жет при­во­дить к обо­га­ще­нию оса­доч­ной обо­лоч­ки од­ни­ми эле­мен­та­ми и обед­не­нию дру­ги­ми.

Вы­ве­ден­ные на по­верх­ность оса­доч­ные и маг­ма­тич. по­ро­ды под­вер­га­ют­ся вы­вет­ри­ва­нию – воз­дей­ст­вию раз­ру­шаю­щих аген­тов, в т. ч. ор­га­низ­мов, во­ды, уг­ле­ки­сло­ты, ор­га­нич. ки­слот. Ми­нер. со­став гор­ных по­род при этом ис­пы­ты­ва­ет слож­ные пре­об­ра­зо­ва­ния (напр., по­ле­вые шпа­ты пре­вра­ща­ют­ся в као­ли­нит, кар­бо­на­ты и кварц; Na, Mg, K в ви­де хло­ри­дов, суль­фа­тов, кар­бо­на­тов пе­ре­хо­дят в рас­твор и уно­сят­ся по­то­ка­ми в оке­ан и т. д.). Вслед­ст­вие гид­ра­та­ции и кар­бо­на­ти­за­ции об­щий объ­ём по­род уве­ли­чи­ва­ет­ся. Гид­ро­лиз алю­мо­си­ли­ка­тов при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию ла­те­ри­тов и бок­си­тов, ко­то­рые обо­га­ще­ны Ti, Nb, Sn, Be и др. Про­ис­хо­дит окис­ле­ние до бо­лее вы­со­ких сте­пе­ней по­ли­ва­лент­ных эле­мен­тов. Же­лез­ные оса­доч­ные ру­ды обо­га­ща­ют­ся фос­фа­та­ми, ар­се­на­та­ми, ва­на­да­та­ми, а мар­ган­це­вые – Ba, Ra, Co и др.

Сфор­ми­ро­вав­шие­ся по­ро­ды ко­ры и ман­тии в хо­де даль­ней­шей гео­ло­гич. ис­то­рии под воз­дей­ст­ви­ем по­вы­шен­ных тем­пе­ра­тур, дав­ле­ний и цир­ку­ля­ции флюи­дов мо­гут из­ме­нять свой ми­не­раль­ный и хи­мич. со­став, т. е. под­вер­гать­ся про­цес­сам ме­та­мор­физ­ма. В ме­та­мор­фич. по­ро­дах вы­яв­ле­на за­ко­но­мер­ная сме­на ми­не­раль­ных ас­со­циа­ций, от­ра­жаю­щая ре­гио­наль­ные осо­бен­но­сти тер­мо­ба­рич. ус­ло­вий ме­та­мор­физ­ма. Изу­че­ние зо­наль­ных ми­не­раль­ных ком­плек­сов при­ве­ло к соз­да­нию кон­цеп­ции фа­ций ме­та­мор­физ­ма (Дж. Д. Бар­роу, 1983, Ве­ли­ко­бри­та­ния; В. М. Гольд­шмидт, 1911; П. Эс­ко­ла, 1920, Фин­лян­дия). Раз­ви­тие фа­ци­аль­ной сис­те­ма­ти­ки ме­та­мор­физ­ма свя­за­но с име­на­ми рос. учё­ных Д. С. Кор­жин­ско­го, В. С. Со­бо­ле­ва, Н. Л. До­б­ре­цо­ва, А. А. Ма­ра­ку­ше­ва, С. П. Ко­ри­ков­ско­го, Л. Л. Пер­чу­ка; амер. гео­ло­га У. Дж. Эрн­ста, япон. ис­сле­до­ва­те­ля А. Мия­ши­ро. В свя­зи с по­яв­ле­ни­ем кон­цеп­ции тек­то­ни­ки ли­то­сфер­ных плит поя­ви­лась гео­ди­на­мич. сис­те­ма­ти­ка, вклю­чаю­щая офио­ли­то­вый (А. Мия­ши­ро, 1976; Р. Ко­ул­ман, 1984, США; в Рос­сии – С. А. Си­лан­ть­ев, Г. С. За­ка­ри­ад­зе, 1984) и суб­дук­ци­он­ный ти­пы ме­та­мор­физ­ма (У. Дж. Эрнст, 1976; В. Шре­ер, 1986, Гер­ма­ния). В сре­дин­но-океа­нич. хреб­тах про­ис­хо­дит гид­ра­та­ция ве­ще­ст­ва океа­нич. ли­то­сфе­ры, кон­тро­ли­рую­щая пе­ре­рас­пре­де­ле­ние руд­ных эле­мен­тов в сис­те­ме «во­да–по­ро­да». По­па­дая в зо­ны суб­дук­ции, бло­ки океа­нич. ли­то­сфе­ры при по­гру­же­нии ис­пы­ты­ва­ют по­сле­до­ва­тель­ную де­гид­ра­та­цию и ме­та­мор­физм вы­со­ких и сверх­вы­со­ких дав­ле­ний, при этом вос­хо­дя­щий по­ток ве­ще­ст­ва оп­ре­де­ля­ет Г. над­суб­дук­ци­он­но­го маг­ма­тиз­ма, а нис­хо­дя­щий – дос­ти­га­ет глу­бо­кой ман­тии и ин­кор­по­ри­ру­ет­ся в её ве­ще­ст­во.

Геохимия атмосферы

Ат­мо­сфе­ра Зем­ли – осн. пла­не­тар­ный ре­зер­ву­ар са­мых ле­ту­чих эле­мен­тов, на­ка­п­ли­ваю­щих­ся в про­цес­се де­га­за­ции зем­ных недр. Совр. ат­мо­сфе­ра со­сто­ит из азо­та (78,1%), ки­сло­ро­да (20,9%), ар­го­на (ок. 1%), СО₂ (0,03%). Кро­ме то­го, в со­ста­ве ат­мо­сфе­ры в не­боль­ших и пе­ре­мен­ных кон­цен­тра­ци­ях на­хо­дят­ся па­ры во­ды, а так­же се­ро­во­до­род, ди­ок­сид се­ры, ме­тан, ок­си­ды азо­та, озон и др. со­еди­не­ния, ко­то­рые по­сто­ян­но вы­де­ля­ют­ся в про­цес­сах де­га­за­ции зем­ных недр, дея­тель­но­сти жи­вых ор­га­низ­мов и хи­мич. ре­ак­ций, про­те­каю­щих в ат­мо­сфе­ре. Со­став ат­мо­сфе­ры др. пла­нет су­ще­ст­вен­но от­ли­ча­ет­ся от зем­ной. Ве­не­ра, как по­ка­за­ли ис­сле­до­ва­ния, вы­пол­нен­ные при по­мо­щи рос. кос­мич. ап­па­ра­тов се­рии «Ве­не­ра», име­ет плот­ную (100 атм) мощ­ную ат­мо­сфе­ру, со­стоя­щую на 98% из CO₂, не­боль­шо­го ко­ли­че­ст­ва па­ров во­ды (ок. 0,1%), в об­лач­ном слое в ви­де аэ­ро­зо­ля при­сут­ст­ву­ет сер­ная ки­сло­та (А. П. Ви­но­гра­дов, В. Л. Бар­су­ков, Ю. А. Сур­ков). Ат­мо­сфе­ра Мар­са раз­ре­же­на (≈800 Па) и со­сто­ит из CO₂, обо­га­щён­но­го изо­то­пом ¹³С. Пер­вич­ная ат­мо­сфе­ра Мар­са, по-ви­ди­мо­му, со­дер­жав­шая ме­тан, бы­ла ут­ра­че­на. Ре­зуль­та­ты, по­лу­чен­ные кос­мич. ап­па­ра­том «Кас­си­ни-Гюй­генс», со­вер­шив­шим по­сад­ку на Ти­тан, по­ка­за­ли, что его ат­мо­сфе­ра со­сто­ит из ме­та­на, а на по­верх­но­сти име­ют­ся бас­сей­ны жид­ко­го ме­та­на.

Со­став зем­ной ат­мо­сфе­ры из­ме­нял­ся в хо­де гео­ло­гич. вре­ме­ни. Пре­ж­де все­го, это ка­са­ет­ся ки­сло­ро­да, ко­то­рый яв­ля­ет­ся про­дук­том фо­то­син­те­за рас­те­ний. Име­ют­ся гео­хи­мич., в т. ч. изо­топ­ные сви­де­тель­ст­ва то­го, что по­яв­ле­ние за­мет­но­го ко­ли­че­ст­ва ки­сло­ро­да в ат­мо­сфе­ре про­изош­ло в ин­тер­ва­ле 2,0–2,4 млрд. лет на­зад. Ки­сло­род по­сто­ян­но по­гло­ща­ет­ся в хо­де вы­вет­ри­ва­ния гор­ных по­род и осад­ко­на­ко­п­ле­ния. Он рас­хо­ду­ет­ся на окис­ле­ние Fe²⁺ до Fe³⁺, суль­фидной се­ры S^2– до суль­фат­ной $\ce{SO^{2-}_4}$ и др. эле­мен­тов пе­ре­мен­ной ва­лент­но­сти (Mn, V) до выс­ших сте­пе­ней окис­ле­ния. 

Эк­ви­ва­лент­ная мас­са вос­ста­нов­лен­но­го ор­га­нич. уг­ле­ро­да за­хо­ро­ня­ет­ся в осад­ках. На­ру­ше­ние это­го ба­лан­са влия­ет на со­дер­жа­ние ки­сло­ро­да в ат­мо­сфе­ре. По­яв­ле­ние ки­сло­ро­да в ат­мо­сфе­ре и его гео­ло­гич. ис­то­рия тес­но свя­за­ны с раз­ви­ти­ем био­сфе­ры. До воз­ник­но­ве­ния фо­то­син­те­за ат­мо­сфе­ра Зем­ли бы­ла бес­ки­сло­род­ной. Од­на­ко во­прос о том, бы­ла ли она вос­ста­нов­лен­ной, т. е. со­дер­жа­ла уг­ле­род в фор­ме CH₄ и CO (воз­мож­но, так­же H_2, NH₃), или ней­траль­ной, т. е. со­дер­жа­ла на­ря­ду с N₂ уг­ле­род в фор­ме CO₂, ос­та­ёт­ся от­кры­тым. До не­дав­не­го вре­ме­ни су­ще­ст­во­ва­ние вос­ста­нов­лен­ной ат­мо­сфе­ры счи­та­лось не­воз­мож­ным, по­сколь­ку она не­со­вмес­ти­ма с от­но­си­тель­но окис­лен­ным со­стоя­ни­ем ман­тии Зем­ли. К то­му же CH₄ в ат­мо­сфе­ре бы­ст­ро под­вер­га­ет­ся фо­то­дис­со­циа­ции. Од­на­ко в по­след­нее вре­мя амер. учёные К. Чай­ба и К. Са­ган по­ка­за­ли, что CH₄ мо­жет эк­ра­ни­ро­вать­ся ор­га­нич. аэ­ро­зо­лем и дли­тель­но ос­та­вать­ся ус­той­чи­вым, а по мне­нию Э. М. Га­ли­мо­ва, – пер­вич­ная ман­тия бы­ла вос­ста­нов­лен­ной и лишь при­бли­зи­тель­но к ру­бе­жу 4 млрд. лет на­зад дос­тиг­ла близ­ко­го к совр. уров­ня окис­ле­ния, т. е. на по­верх­но­сти Зем­ли в пер­вые сот­ни мил­лио­нов лет су­ще­ст­во­ва­ла вос­ста­но­ви­тель­ная об­ста­нов­ка, бла­го­при­ят­ная для про­ис­хо­ж­де­ния жиз­ни.

Уни­каль­ная воз­мож­ность ре­кон­ст­рук­ции кли­ма­та и со­ста­ва про­шлых ат­мо­сфер Зем­ли в те­че­ние по­след­них 100–200 тыс. лет ста­ла воз­мож­на бла­го­да­ря ин­фор­ма­ции, по­лу­чен­ной в ре­зуль­та­те бу­ре­ния ле­до­во­го по­кро­ва Ан­тарк­ти­ды и Грен­лан­дии. Ва­риа­ции изо­топ­но­го со­ста­ва во­до­ро­да и ки­сло­ро­да в кер­не льда до­ку­мен­ти­ру­ют че­ре­до­ва­ние пе­рио­дов оле­де­не­ния и меж­лед­ни­ко­вых эпох, а со­дер­жа­ние и изо­топ­ный со­став уг­ле­ро­да CO₂ и CH₄ в за­хва­чен­ных льдом пу­зырь­ках воз­ду­ха от­ра­жа­ют ам­пли­ту­ду ес­теств. ва­риа­ций, что важ­но для пра­виль­ной оцен­ки мас­шта­ба влия­ния совр. ан­тро­по­ген­ной про­дук­ции этих га­зов.

По­ры оса­доч­ных по­род со­дер­жат зна­чит. мас­сы га­зов: ат­мо­сфер­ные га­зы (N₂, Ar, CO₂, O₂, бла­го­род­ные га­зы), га­зы био­хи­мич. про­ис­хо­ж­де­ния (CO₂, CH₄, H₂S), ка­та­ген­ные га­зы, об­ра­зую­щие­ся при раз­ло­же­нии и обуг­ле­ро­жи­ва­нии ор­га­нич. ве­ще­ст­ва в не­драх (CH₄, бо­лее тя­жё­лые уг­ле­во­до­ро­ды, CO₂). В об­лас­тях ак­тив­но­го вул­ка­низ­ма в га­зо­во-вод­ную сис­те­му оса­доч­ных по­род по­сту­па­ют вул­ка­ни­че­ские га­зы.

Геохимия гидросферы

Мас­са Ми­ро­во­го ок. со­став­ля­ет ок. 5% от мас­сы зем­ной ко­ры. В хо­де кру­го­во­ро­та ве­ще­ст­ва зем­ной ко­ры и ман­тии в те­че­ние гео­ло­гич. ис­то­рии оке­ан удер­жи­вал лег­ко­рас­тво­ри­мые ве­ще­ст­ва, ко­то­рые по­сте­пен­но фор­ми­ро­ва­ли его со­ле­вую мас­су. Гл. ио­ны океа­нич. во­ды по­ка­за­ны в табл. 2. Ус­ло­вия для по­яв­ле­ния во­ды на по­верх­но­сти Зем­ли воз­ник­ли до­воль­но ра­но. Об этом сви­де­тель­ст­ву­ет изо­топ­ный со­став ки­сло­ро­да древ­ней­ших цир­ко­нов (воз­раст 4,1–4,3 млрд. лет). Од­на­ко нель­зя с оп­ре­де­лён­но­стью ска­зать, бы­ла ли это вод­ная обо­лоч­ка или раз­роз­нен­ные бас­сей­ны, бы­ла ли вод­ная мас­са пер­вич­ной, на­ра­щи­ва­лась ли она за счёт де­га­за­ции ман­тии или вы­па­де­ния во­до­со­дер­жа­ще­го кос­мич. ма­те­риа­ла ти­па уг­ли­стых хон­д­ри­тов и ко­мет. Во­да ран­не­ар­хей­ско­го океа­на от­но­си­тель­но обо­га­ще­на изо­то­пом ¹⁸О, что сви­де­тель­ст­ву­ет ли­бо о вы­со­кой темп-ре во­ды (70–90 °C), ли­бо о низ­ком от­но­ше­нии вод­ной мас­сы к мас­се оса­ж­дён­но­го ма­те­риа­ла, т. е. ог­ра­ни­чен­ном объ­ё­ме океа­на.

Гло­баль­ные кли­ма­тич. из­ме­не­ния от­ра­жа­ют­ся на изо­топ­ном со­ста­ве ки­сло­ро­да океа­на. В пе­рио­ды оле­де­не­ния изо­топ ¹⁶О на­ка­п­ли­ва­ет­ся в ле­до­вых по­кро­вах, в пе­рио­ды по­те­п­ле­ния он воз­вра­ща­ет­ся в оке­ан, обо­га­щая лёг­ким изо­то­пом кар­бо­нат­ные и крем­не­зём­ные ске­ле­ты ор­га­низ­мов. На этой ос­но­ве по­строе­на свя­зан­ная с кли­ма­том изо­топ­но-ки­сло­род­ная стра­ти­фи­ка­ция (Н. Шекл­тон, Ве­ли­ко­бри­та­ния).

Во­да как са­мо­стоят. фа­за рас­про­стра­не­на в зем­ной ко­ре до глу­би­ны св. 20 км, об­ра­зуя со­вме­ст­но с Ми­ро­вым ок. гид­ро­сфе­ру. Об­щее ко­ли­че­ст­во рас­тво­рён­ных ком­по­нен­тов со­ле­вой мас­сы гид­ро­сфе­ры оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми рав­но­ве­сия (рас­тво­ри­мо­сти, сорб­ции, на­ко­п­ле­ния био­ген­ных от­ло­же­ний) в сис­те­ме «во­да– по­ро­да», а так­же об­ме­ном га­зов с ат­мо­сфе­рой. Ве­ще­ст­ва, рас­тво­ри­мые в дан­ных ус­ло­ви­ях, пе­ре­хо­дят в вод­ный рас­твор, труд­но­рас­тво­ри­мые – на­ка­п­ли­ва­ют­ся в дон­ных осад­ках. Со­ле­но­нос­ные от­ло­же­ния воз­ни­ка­ют в ре­зуль­та­те ис­па­ре­ния во­ды в изо­ли­ро­ван­ных бас­сей­нах. По­сле­до­ва­тель­ность от­ло­же­ния со­лей NaCl, MgSO₄ и др. оп­ре­де­ля­ет­ся га­ло­ге­не­зом.

Со­ле­вой со­став пла­сто­вых вод из­ме­ня­ет­ся в зо­не ги­пер­ге­не­за от гео­хи­мич. ти­па с пре­об­ла­даю­щим со­ста­вом $\ce{HCO^{-}_3–SO_4^{2-}–Cl^{–}–Ca^{2+}–Na^{+}–Mg^{2+}}$ к гео­хи­мическим ти­пам $\ce{Cl^{–}–SO_4^{2-}–Na^{+}–Ca^{2+}–Mg^{2+}}$ (осадоч­ные по­ро­ды), $\ce{SO_4^{2-}–Cl^{–}–HCO^{-}_3–Ca^{2+}–Na^{+}–Mg^{2+}}$ (гра­ни­тои­ды), $\ce{SO_4^{2-}–HCO^{-}_3–Cl^{–}–Ca^{2+}–Mg^{2+}–Na^{+}}$ (ос­нов­ные по­ро­ды), $\ce{HCO^{-}_3–Cl^{–}–Mg^{2+}–Na^{+}– Ca^{2+}}$ (ульт­ра­ос­нов­ные по­ро­ды). Ми­нера­ли­за­ция рас­тво­ров воз­рас­та­ет с 0,1–0,2 до 1–2 г/л (кри­стал­лич. по­ро­ды), до 13–28 г/л (оса­доч­ные по­ро­ды). Сни­же­ние кон­цен­тра­ции рас­тво­рён­но­го ки­сло­ро­да при­во­дит к по­ни­же­нию окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. по­тен­циа­ла и вос­ста­нов­ле­нию час­ти суль­фат­ной се­ры, по­яв­ле­нию пи­ри­та вме­сто ге­ма­ти­та. При уве­ли­че­нии пар­ци­аль­но­го дав­ле­ния ди­ок­си­да уг­ле­ро­да вод­ная фа­за под­кис­ля­ет­ся (pH 8,2→ 6,1), су­жа­ет­ся по­ле каль­ци­та и до­ло­ми­та, по­яв­ля­ют­ся кварц, као­ли­нит.

На­блю­дае­мые в зем­ной ко­ре со­ста­вы при­род­ных вод яв­ля­ют­ся ре­зуль­та­том гео­хи­мич. про­цес­сов, про­те­каю­щих в сис­те­ме «во­да–по­ро­да–га­зы» (рос. учё­ные С. Р. Край­нов, Б. Н. Ры­жен­ко, С. Л. Швар­цев). Хло­рид­ные во­ды и рас­со­лы, об­ра­зо­ван­ные при взаи­мо­дей­ст­вии оса­доч­ных и кри­стал­лич. по­род с за­хо­ро­нен­ной мор­ской во­дой, име­ют вы­со­кую ми­не­ра­ли­за­цию и су­ще­ст­вен­ную до­лю маг­ния в ка­ти­он­ном со­ста­ве рас­со­ла. Вы­де­ля­ют так­же ще­лоч­ные кар­бо­нат­ные во­ды и ин­вер­си­он­ные (оп­рес­нён­ные) кар­бо­нат­ные во­ды глу­бо­ких го­ри­зон­тов зем­ной ко­ры.

Г. изу­ча­ет ус­ло­вия про­те­ка­ния гид­ро­тер­маль­ных про­цес­сов (ми­не­ра­ло­об­ра­зо­ва­ния, в ча­ст­но­сти ру­до­об­ра­зо­ва­ния). Од­ним из спо­со­бов ре­кон­ст­рук­ции гид­ро­хи­мич. про­цес­сов яв­ля­ет­ся ис­сле­до­ва­ние га­зо­жид­ких вклю­че­ний в ми­не­ра­лах. За­хва­чен­ные при их об­ра­зо­ва­нии флю­ид­ные вклю­че­ния (ино­гда с осад­ком и ор­га­нич. ве­ще­ст­вом) по­зво­ля­ют оп­ре­де­лить па­ра­мет­ры гид­ро­тер­маль­ных про­цес­сов: тем­пе­ра­ту­ру, дав­ле­ние и хи­мич. со­став мак­ро- и мик­ро­ком­по­нен­тов (Н. П. Ер­ма­ков, В. Б. Нау­мов, Рос­сия; Е. Рёд­дер, США). Гео­хи­мич. ис­сле­до­ва­ния гид­ро­тер­маль­ных ру­до­об­ра­зую­щих про­цес­сов на­прав­ле­ны на вы­яс­не­ния ис­точ­ни­ков, пу­тей ми­гра­ции и ус­ло­вий от­ло­же­ния руд­но­го ве­ще­ст­ва (В. В. Щер­би­на). Совр. оцен­ки ис­точ­ни­ков руд­но­го ве­ще­ст­ва и ста­дий­но­сти ру­до­от­ло­же­ния ос­но­ва­ны гл. обр. на изо­топ­ных дан­ных. Центр. за­да­чей яв­ля­ет­ся вы­яв­ле­ние про­цес­са, при­во­дя­ще­го к кон­цен­тра­ции по­лез­но­го (руд­но­го) ком­по­нен­та, ко­то­рая ино­гда пре­вы­ша­ет в 10³–10⁶ раз со­дер­жа­ние это­го эле­мен­та в гид­ро­тер­маль­ном рас­тво­ре. Раз­ра­бо­та­но уче­ние о гео­хи­мич. барь­е­рах – уча­ст­ках гор­ных по­род, на ко­то­рых про­ис­хо­дит рез­кое из­ме­не­ние со­ста­ва вме­щаю­щей по­ро­ды, темп-ры, дав­ле­ния, ки­слот­но-ос­но́в­ных, окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. и др. свойств гид­ро­тер­маль­но­го флюи­да, не­су­ще­го руд­ные ком­по­нен­ты (А. И. Пе­рель­ман). Од­ним из та­ких барь­е­ров яв­ля­ет­ся ме­сто сме­ше­ния гид­ро­тер­маль­ных рас­тво­ров, имев­ших раз­ные пу­ти фильт­ра­ции в по­ро­во-тре­щин­ном про­стран­ст­ве по­род (рос. учё­ные В. Л. Бар­су­ков, Н. П. Ла­вё­ров, М. В. Бо­ри­сов, А. А. Пэк).

Геохимия биосферы

Гео­ло­гич. роль жи­во­го ве­ще­ст­ва впер­вые все­сто­рон­не ис­сле­до­вал и по­ка­зал В. И. Вер­над­ский. Раз­но­об­раз­ные ор­га­нич. со­еди­не­ния об­ра­зу­ют­ся под дей­ст­ви­ем те­п­ла и из­лу­че­ний в вос­ста­но­ви­тель­ной об­ста­нов­ке из про­стых пред­ше­ст­вен­ни­ков (HCN, HCHO, CH₄, N₂, H₂O). Дос­та­точ­но слож­ные со­еди­не­ния, та­кие как ами­но­кис­ло­ты, гид­р­ок­си­кис­ло­ты, ус­та­нов­ле­ны в ко­ме­тах, ме­тео­ри­тах. По­это­му ор­га­нич. фон, не­со­мнен­но, при­сут­ст­во­вал на са­мой ран­ней Зем­ле. Прин­ци­пи­аль­ным яв­ля­ет­ся во­прос о том, ка­ким об­ра­зом был за­пу­щен и стал раз­ви­вать­ся про­цесс упо­ря­до­че­ния, ко­то­рый в хо­де гео­ло­гич. ис­то­рии про­из­во­дил всё бо­лее слож­ные фор­мы ор­га­ни­за­ции. Эта про­бле­ма рас­смат­ри­ва­лась М. Эй­ге­ном, И. Р. При­го­жи­ным, С. Ка­уф­ма­ном. В со­от­вет­ст­вии с од­ной из по­след­них вер­сий (Э. М. Га­ли­мов, 2001) оп­ре­де­лён­ные ти­пы со­пря­жён­ных ре­ак­ций по­ро­ж­да­ют упо­ря­до­че­ние. Клю­че­вую роль в пред­био­ло­гич. эво­лю­ции мог иг­рать гид­ро­лиз аде­но­зин­три­фос­фа­та (АТФ), со­пря­жён­ный с ре­ак­ция­ми син­те­за по­ли­ме­ров. При оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях воз­мо­жен абио­ген­ный син­тез АТФ из про­стых пред­ше­ст­вен­ни­ков. По­сле ус­та­нов­ле­ния (в хо­де эво­лю­цио­ни­рую­ще­го упо­ря­до­че­ния) со­от­вет­ст­вия ме­ж­ду ами­но­кис­ло­та­ми и на­бо­ром нук­лео­ти­дов (ге­не­тич. ко­да) по­я­ви­лось жи­вое ве­ще­ст­во. В те­че­ние дли­тель­но­го гео­ло­гич. вре­ме­ни оно ус­лож­ня­лось, ос­та­ва­ясь внеш­не в при­ми­тив­ной про­ка­ри­от­ной фор­ме. Од­на­ко гео­ло­гич. роль его уже в этой фор­ме ста­ла ог­ром­ной. Жи­вые ор­га­низ­мы яв­ля­ют­ся био­ка­та­ли­за­то­ра­ми (мно­го­крат­но ус­ко­ря­ют те­че­ние гео­хи­мич. про­цес­сов). Они об­ла­да­ют хи­мич. и изо­топ­ной се­лек­тив­но­стью, кон­тро­ли­ру­ют под­виж­ность эле­мен­тов. Их ме­та­бо­лизм оп­ре­де­ля­ет но­вые пу­ти ми­гра­ции эле­мен­тов.

Мощ­ным ме­ха­низ­мом кон­цен­тра­ции эле­мен­тов яв­ля­ет­ся био­ми­не­ра­ли­за­ция. Ос­но­вы нау­ки о био­ген­ных ми­не­ра­лах за­ло­же­ны в ра­бо­тах амер. учё­но­го Х. Лоу­эн­ста­ма. К нач. 21 в. опи­са­но бо­лее 60 био­ген­ных ми­нер. ви­дов, ко­то­рые фор­ми­ру­ют­ся про­ка­рио­та­ми и эу­ка­рио­та­ми. Ок. 25% из­вест­ных био­ген­ных ми­не­ра­лов при­хо­дит­ся на до­лю фос­фо­ра, 50% – на каль­ций. В совр. океа­не б. ч. био­ген­но­го каль­ци­та (96%) оса­ж­да­ет­ся из фо­ти­че­ской зо­ны эу­ка­ри­от­ным планк­то­ном (кок­ко­ли­то­фо­ри­ды, фо­ра­ми­ни­фе­ры), в древ­нем океа­не ар­хея и про­те­ро­зоя кар­бо­нат­ный се­ди­мен­то­ге­нез кон­тро­ли­ро­вал­ся про­ка­рио­та­ми (рос. учёный М. А. Се­ми­ха­тов). Био­ген­ная ми­гра­ция крем­ния в океа­не оп­ре­де­ля­ет­ся диа­то­мо­вы­ми и ра­дио­ля­рия­ми, строн­ция – акан­та­рия­ми, фос­фо­ра – ске­лет­ны­ми жи­вот­ны­ми. Био­ми­не­ра­ли­за­ция, так же как и био­кон­цен­тра­ция эле­мен­тов, ока­зы­ва­ет влия­ние на хи­мич. со­став мор­ской во­ды и дон­ных осад­ков океа­на. С по­яв­ле­ни­ем в океа­не фау­ны с при­су­щим ей ти­пом пи­та­ния, напр. фильт­ра­ци­ей, су­ще­ст­вен­но ус­ко­рил­ся про­цесс за­хо­ро­не­ния ве­ще­ст­ва в дон­ных осад­ках за счёт т. н. пел­лет­но­го транс­пор­та.

В осад­ках ус­та­нав­ли­ва­ет­ся био­гео­хи­мич. зо­наль­ность: в са­мом верх­нем слое – аэроб­ная зо­на, ни­же – суль­фат­ре­дук­ции, глуб­же, по ме­ре ос­лаб­ле­ния дея­тель­но­сти суль­фат­ре­ду­ци­рую­щих бак­те­рий, – зо­на ме­та­но­ге­не­за. Ге­не­ра­ция мик­ро­био­ло­гич. ме­та­на име­ет гло­баль­ный ха­рак­тер, в ча­ст­но­сти при­во­дит к ско­п­ле­нию га­зо­гид­ра­тов.

С по­яв­ле­ни­ем ки­сло­ро­да в гид­ро­сфе­ре свя­зы­ва­ют эпо­ху на­ко­п­ле­ния же­ле­зи­стых квар­ци­тов (джес­пи­ли­тов), об­ра­зую­щих ги­гант­ские ме­сто­ро­ж­де­ния же­ле­за в рай­онах Кур­ской маг­нит­ной ано­ма­лии в Рос­сии, оз. Верх­нее в США, пров. Лаб­ра­дор в Ка­на­де, а так­же в Ав­ст­ра­лии, Юж. Аф­ри­ке, Бра­зи­лии и Ин­дии. Мак­си­мум на­ко­п­ле­ния этих руд в пе­ри­од 2,5–1,7 млрд. лет на­зад объ­яс­ня­ют по­яв­ле­ни­ем в во­де ки­сло­ро­да фо­то­син­те­за и окис­ле­ни­ем рас­тво­рён­но­го двух­ва­лент­но­го же­ле­за до пло­хо рас­тво­ри­мой трёх­ва­лент­ной фор­мы. По ме­ре ок­си­ге­ни­за­ции океа­на сни­жа­лась дос­туп­ность для ор­га­низ­мов ря­да ме­тал­лов, напр. Fe, Ni, W, из­вест­ных как ак­ти­ва­то­ры фер­мен­тов, фор­ми­ро­ва­лись ме­ха­низ­мы из­вле­че­ния и на­ко­п­ле­ния в клет­ке био­ло­ги­че­ски важ­ных мик­ро­эле­мен­тов. Со­глас­но М. А. Фе­дон­ки­ну, воз­ник­но­ве­ние эу­ка­ри­от­ной клет­ки, воз­рас­та­ние ро­ли ге­те­ро­тро­фии, уве­ли­че­ние био­раз­но­об­ра­зия, ус­лож­не­ние тро­фи­че­ских от­но­ше­ний, ус­ко­ре­ние кру­го­во­ро­та био­филь­ных эле­мен­тов и др. осо­бен­но­сти эу­ка­рио­ти­за­ции био­сфе­ры яви­лись в зна­чит. сте­пе­ни от­ве­том на су­же­ние гео­хи­мич. ба­зи­са жиз­ни.

Органическая геохимия

От­мер­шие ор­га­низ­мы за­хо­ро­ня­ют­ся в осад­ках и поч­вах и ста­но­вят­ся ис­точ­ни­ком ор­га­нич. ве­ще­ст­ва в гор­ных по­ро­дах. Ис­ко­пае­мое ор­га­нич. ве­ще­ст­во при­сут­ст­ву­ет на Зем­ле в осн. в рас­се­ян­ном со­стоя­нии (в по­ро­дах, осад­ках, поч­вах, во­дах рек, мо­рей, океа­нов) и в кон­цен­трир. фор­мах (нефть, уг­ли, го­рю­чие и чёр­ные слан­цы, го­рю­чие га­зы, торф и др.). Ор­га­нич. Г. изу­ча­ет со­став (мо­ле­ку­ляр­ный и изо­топ­ный), хи­мич. пре­вра­ще­ния, рас­про­стра­нён­ность и фор­мы ис­ко­пае­мо­го ор­га­нич. ве­ще­ст­ва в зем­ных не­драх. Воз­ник­но­ве­ние ор­га­нич. Г. как са­мо­стоят. раз­де­ла при­ня­то свя­зы­вать с ра­бо­та­ми А. Трейб­са (1934, 1936), вы­де­лив­ше­го впер­вые из неф­тей пор­фи­ри­ны и оп­ре­де­лив­ше­го их как про­дукт пре­об­ра­зо­ва­ния мо­ле­ку­лы хло­ро­фил­ла. На ран­нем эта­пе (до 1960–70-х гг.) ис­сле­до­ва­лись гл. обр. рас­про­стра­нён­ность ор­га­нич. ве­ще­ст­ва (С_орг), его ти­пы (са­про­пе­ле­вое, гу­му­со­вое), ис­то­рия уг­ле­фи­ка­ции (диа­грам­ма Ван-Кре­ве­ле­на, гра­да­ции ка­та­ге­не­за) и ко­ли­че­ст­вен­ные со­от­но­ше­ния со­став­ляю­щих, из­вле­кае­мых из ор­га­нич. ве­ще­ст­ва не­ор­га­нич. и ор­га­нич. рас­тво­ри­те­ля­ми (фуль­во­кис­ло­ты, гу­ми­но­вые ки­сло­ты, би­ту­мои­ды, смо­лы, ас­фаль­те­ны). Не­рас­тво­ри­мый ос­та­ток по­лу­чил назв. «ке­ро­ген». Боль­шой вклад в раз­ви­тие ор­га­нич. Г. на этом эта­пе вне­сли учё­ные: Н. Б. Вас­сое­вич, С. М. Ман­ская, В. И. Ус­пен­ский, В. А. Со­ко­лов, С. Г. Не­ру­чев, О. Ф. Рад­чен­ко, К. Ф. Ро­дио­но­ва, Т. В. Дроз­до­ва (Рос­сия); М. Тайх­мюл­лер, Д. Вель­те, Э. Де­генс (Гер­ма­ния); И. Бре­гер, У. Мейн­шейн, Дж. Хант (США). Ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние по­лу­чил экс­пресс­ный и ин­фор­ма­тив­ный ме­тод пи­ро­ли­за (ап­па­ра­ты ти­па ROCK-EVAL), раз­ра­бо­тан­ный франц. учё­ны­ми для неф­тя­ной гео­ло­гии. Дан­ные ор­га­нич. Г. под­твер­ди­ли идеи В. И. Вер­над­ско­го, вы­ска­зан­ные им в 1920-е гг., о «всюд­но­сти» жиз­ни и био­ген­ном про­ис­хо­ж­де­нии неф­ти. В нач. 1960-х гг. Дж. Эг­лин­тон (Ве­ли­ко­бри­та­ния) пред­ло­жил для та­ких со­еди­не­ний тер­мин био­мар­ке­ры, к чис­лу ко­то­рых от­но­сят­ся го­па­ны, сте­ра­ны, три­тер­па­ны, пор­фи­ри­ны, изо­пре­нои­ды и мно­гие др. со­еди­не­ния, встре­чаю­щие­ся в ис­ко­пае­мом ор­га­нич. ве­ще­ст­ве (в т. ч. в неф­тях) и не­су­щие яв­ные чер­ты хи­мич. сход­ст­ва со свои­ми био­ло­гич. ана­ло­га­ми (пред­ше­ст­вен­ни­ка­ми). С по­яв­ле­ни­ем в 1970–1980-е гг. вы­со­ко­раз­ре­шаю­щей хро­ма­то-масс-спек­тро­мет­рии Г. био­мар­ке­ров ста­ла од­ним из гл. на­прав­ле­ний раз­ви­тия ор­га­нич. Г. (А. А. Пет­ров в Рос­сии, В. К. Зей­ферт, М. Мол­до­ван, К. Пи­терс, Дж. Хейс, Б. Си­мо­нейт в США, Дж. Эг­лин­тон в Ве­ли­ко­бри­та­нии, Г. Урис­сон во Фран­ции).

Неф­те­га­зо­вая Г. яв­ля­ет­ся ча­стью ор­га­нич. Г. Неф­ти клас­си­фи­ци­ру­ют в за­ви­си­мо­сти от пре­об­ла­да­ния в их со­ста­ве уг­ле­во­до­ро­дов ос­нов­ных клас­сов: па­ра­фи­но­вых, наф­те­но­вых, аро­ма­ти­че­ских. В со­став неф­тей вхо­дят так­же вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ные по­ли­цик­лич. со­еди­не­ния (смо­лы и ас­фаль­те­ны), со­дер­жа­щие ато­мы азо­та, се­ры, ки­сло­ро­да и мик­ро­эле­мен­ты. Тру­да­ми отечественных ис­сле­до­ва­те­лей Н. Б. Вас­сое­ви­ча, И. О. Бро­да, В. Е. Хаи­на, А. А. Тро­фи­му­ка, А. Э. Кон­то­ро­ви­ча, Н. В. Ло­па­ти­на, Б. А. Со­ко­ло­ва и за­ру­беж­ных учё­ных Б. Тис­со, Д. Вель­те, Дж. Хан­та соз­да­но уче­ние о неф­те­га­зо­нос­ных бас­сей­нах и раз­ра­бо­та­ны ос­но­вы оса­доч­но-ми­гра­ци­он­ной тео­рии об­ра­зо­ва­ния неф­ти в хо­де гео­хи­ми­ческого со­зре­ва­ния ор­га­нического ве­ще­ст­ва. Вве­де­но по­ня­тие глав­ной фа­зы неф­те­об­ра­зо­ва­ния («неф­тя­ное ок­но»), со­от­вет­ст­вую­щей сред­ним ста­ди­ям ка­та­ге­не­за ор­га­нического ве­ще­ст­ва (от­ра­жа­тель­ная спо­соб­ность вит­ри­ни­та R_o= 0,7–1,3%). При бо­лее вы­со­ких гра­да­ци­ях ка­та­ге­не­за ке­ро­ген про­ду­ци­ру­ет уг­ле­во­до­род­ный газ. На ос­но­ве ана­ли­за изо­топ­ных эф­фек­тов при га­зо­об­ра­зо­ва­нии Э. М. Га­ли­мо­вым да­но обос­но­ва­ние так­же ран­ней ге­не­ра­ции ме­та­на из гу­му­со­во­го ор­га­нического ве­ще­ст­ва, объ­яс­няю­щее про­ис­хо­ж­де­ние ги­гант­ских за­ле­жей га­за в се­но­ман­ских от­ло­же­ни­ях Зап. Си­би­ри. В изо­топ­ную Г. го­рю­чих га­зов су­ще­ст­вен­ный вклад вне­сли М. Шо­эль, Я. Ка­план, К. Квен­вол­ден (США), Дай, Ёнг­чанг (КНР).

Пер­вые эм­пи­рич. дан­ные по изо­топ­но­му со­ста­ву ор­га­нич. уг­ле­ро­да в при­ро­де на совр. уров­не бы­ли по­лу­че­ны амер. ис­сле­до­ва­те­ля­ми Г. Крей­гом (1953), Сил­вер­ме­ном и Эп­стай­ном (1959), Абель­со­ном и Хо­рин­гом (1961). Тео­ре­тич. ос­но­вы изо­топ­ной ор­га­нич. Г. раз­ра­бо­та­ны Э. М. Га­ли­мо­вым. В Ин-те гео­хи­мии и ана­ли­тич. хи­мии им. В. И. Вер­над­ско­го РАН экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­нов­ле­ны за­ко­но­мер­но­сти фрак­цио­ни­ро­ва­ния изо­то­пов уг­ле­ро­да в про­цес­сах хи­мич. пре­вра­ще­ния ис­ко­пае­мо­го ор­га­нич. ве­ще­ст­ва (Л. А. Ко­ди­на). Пред­ло­жен изо­топ­но-фрак­ци­он­ный ме­тод иден­ти­фи­ка­ции неф­те­ма­те­рин­ских по­род и ме­тод меж­пла­сто­вой кор­ре­ля­ции «нефть-нефть». Дж. Хейс (США) раз­ра­бо­тал по­ком­по­нент­ный ме­тод масс-спек­тро­мет­рич. изо­топ­но­го ана­ли­за. Во­про­сы био­ген­но­го или абио­ген­но­го про­ис­хо­ж­де­ния осн. мас­сы уг­ле­во­до­ро­дов дли­тель­ное вре­мя яв­ля­ют­ся объ­ек­том дис­кус­сий. В при­ро­де встре­ча­ют­ся наф­ти­ды, об­ра­зую­щие­ся абио­ген­но, напр. би­ту­мои­ды в ми­не­ра­лах из­вер­жен­ных по­род, ло­каль­ные про­яв­ле­ния наф­ти­дов при вул­ка­низ­ме. Уг­ле­во­до­род­ные сме­си воз­ни­ка­ют при ка­та­ли­тич. син­те­зе из СО и Н₂ (про­цесс Фи­ше­ра – Троп­ша), при взаи­мо­дей­ст­вии кар­би­дов с во­дой, что да­ло ос­но­ва­ние Д. И. Мен­де­лее­ву вы­дви­нуть ги­по­те­зу о «не­ор­га­ни­че­ском» про­ис­хо­ж­де­нии неф­ти. Оп­тич. ак­тив­ность и при­сут­ст­вие био­мар­ке­ров не да­ют од­но­знач­ных ар­гу­мен­тов (по­след­ние мо­гут быть за­хва­че­ны из ок­ру­жаю­щих по­род при дви­же­нии уг­ле­во­до­род­ной мас­сы). Воз­мож­ность ре­ше­ния про­бле­мы поя­ви­лась с соз­да­ни­ем ос­нов изо­топ­но-мо­ле­ку­ляр­ной ор­га­нич. Г. Био­ген­ное про­ис­хо­ж­де­ние неф­ти до­ка­зы­ва­ет­ся в рам­ках тео­рии био­ло­ги­че­ско­го фрак­цио­ни­ро­ва­ния изо­то­пов сов­па­де­ни­ем ли­ний фрак­цио­ни­ро­ва­ния био­мар­ке­ров и осн. клас­сов уг­ле­во­до­ро­дов неф­ти.

Биогеохимия

Совр. био­гео­хи­мия (с од­ной сто­ро­ны, раз­дел Г., а с другой – био­ло­гии) изу­ча­ет взаи­мо­дей­ст­вие ор­га­низ­мов с гео­ло­гич. сре­дой и в этом по­ни­ма­нии сов­па­да­ет с гео­хи­мич. эко­ло­ги­ей. Вы­де­ля­ют­ся об­лас­ти (био­гео­хи­ми­че­ские про­вин­ции), где ор­га­низ­мы на­хо­дят­ся в ус­ло­ви­ях не­дос­тат­ка или из­быт­ка оп­ре­де­лён­ных хи­мич. эле­мен­тов в ок­ру­жаю­щей сре­де, что име­ет ряд не­га­тив­ных по­след­ст­вий, напр. не­дос­та­ток I при­во­дит к раз­ви­тию у лю­дей эн­де­ми­че­ско­го зо­ба, из­бы­ток Mo – по­даг­ры. Со­дер­жа­ние мик­ро­эле­мен­тов в рас­те­ни­ях не­сёт и гео­ло­го-по­ис­ко­вую ин­фор­ма­цию. Осо­бое ме­сто в био­гео­хи­мич. ис­сле­до­ва­ни­ях за­ни­ма­ет изу­че­ние рас­про­стра­нён­но­сти, форм на­хо­ж­де­ния и ми­гра­ции ра­дио­ак­тив­ных изо­то­пов ¹³⁸Cs, ⁹⁰Sr, Pu.

Научные организации и периодические издания

В Рос­сии ве­ду­щие на­уч. ор­га­ни­за­ции в об­лас­ти Г.: Гео­хи­мии и ана­ли­ти­че­ской хи­мии ин­сти­тут им. В. И. Вер­над­ско­го РАН (Мо­ск­ва), Гео­ло­гии руд­ных ме­сто­ро­ж­де­ний, пет­ро­гра­фии, ми­не­ра­ло­гии и гео­хи­мии ин­сти­тут РАН (Мо­ск­ва), Гео­ло­гии и ми­не­ра­ло­гии ин­сти­тут СО РАН (Но­во­си­бирск), Экс­пе­ри­мен­таль­ной ми­не­ра­ло­гии ин­сти­тут РАН (Чер­но­го­лов­ка), Ин-т гео­хи­мии им. А. П. Ви­но­гра­до­ва СО РАН (Ир­кутск), Ин-т гео­ло­гии и гео­хро­но­ло­гии до­кем­брия РАН (С.-Пе­тер­бург), Гео­ло­гич. ин-т Коль­ско­го на­уч. цен­тра РАН (Апа­ти­ты), Ин-т ми­не­ра­ло­гии, гео­хи­мии и кри­стал­ло­гра­фии ред­ких эле­мен­тов Мин-ва при­род­ных ре­сур­сов РФ (Мо­ск­ва). Геохимич. исследования также ведутся в ву­зах – МГУ, Моск. гос. гео­ло­го-раз­ве­доч­ном ун-те им. С. Орд­жо­ни­кид­зе, Рос. гос. ун-те неф­ти и га­за им. И. М. Губ­ки­на. За ру­бе­жом из­вест­ны свои­ми гео­хи­мич. ис­сле­до­ва­ния­ми: в США – Ко­лум­бий­ский ун-т, Ка­ли­фор­ний­ский тех­но­ло­гич. ин-т, Скрип­сов­ский и Вудс­хол­ский океа­но­гра­фич. ин-ты, ун-ты шта­тов Ин­диа­на, Фло­ри­да; в Гер­ма­нии – Ин-т хи­мии им. М. План­ка (Майнц), Ин-т хи­мии цен­тра ядер­ных ис­сле­до­ва­ний (Юлих), Гам­бург­ский ун-т; во Фран­ции – Па­риж­ский ун-т, Ин-т фи­зи­ки Зем­ли (Па­риж), Фран­цуз­ский ин-т неф­ти (Маль­ме­зон); в Ве­ли­ко­бри­та­нии – Бри­столь­ский ун-т, От­кры­тый ун-т (Кем­бридж).

Ко­ор­ди­на­ци­он­ные функ­ции в об­лас­ти Г. вы­пол­ня­ют Ме­ж­ду­нар. ас­со­циа­ция гео­хи­мии и кос­мо­хи­мии (с 1967), Ев­роп. гео­хи­мич. ас­со­циа­ция, Ев­роп. ас­со­циа­ция ор­га­нич. гео­хи­мии, Гео­хи­мич. об-во (с 1955). Про­во­дят­ся Ме­ж­ду­нар. кон­фе­рен­ции по ор­га­нич. гео­хи­мии (с 1978, раз в че­ты­ре го­да), Гольш­мид­тов­ские кон­фе­рен­ции (с 1988, с 1994 – еже­год­но). Из­да­ют­ся жур­на­лы: в Рос­сии – «Гео­хи­мия» (М., с 1956), ме­ж­ду­на­род­ные – «Applied Geochemistry» (Oxf.; N. Y., с 1986), «Chemical Geology» (Amst.; N. Y., с 1966), «Geochimica et Cosmo­chi­mica Acta» (Oxf.; N. Y., с 1950), «Or­ganic Geochemistry» (Oxf.; N. Y., с 1977) и др.