Кіріспе
Геохимия – геологиялық жүйелерді талдау үшін химияны қолданатын ғылым. Геохимия – химияның құралдары мен принциптерін пайдаланып, Жер қыртысы және мұхиттар сияқты ірі геологиялық жүйелердің механизмдерін түсіндіруге арналған ғылым. Алайда, ғасырдың қалған бөлігінде "химиялық геология" термині көбірек қолданылды және геологтар мен химиктер арасында байланыс аз болды. Метеориттердің құрамы 1850 жылдан бастап жер бетінің тастарымен салыстырылып зерттелді. 1901 жылы Оливер К. Фаррингтон, айырмашылықтар болғанымен, элементтердің салыстырмалы мөлшерінің бірдей болуы керек деп болжады. 20 ғасырдың басында Макс фон Лауэ және Уильям Л. Брэгг рентген сәулесінің таралуын кристаллдардың құрылымын анықтау үшін қолдануға болатынын көрсетті. 1920-1930 жылдары Осло университетіндегі Виктор Голдшмидт және оның әріптестері бұл әдістерді көптеген кең таралған минералдарға қолданды және элементтердің топтасу қағидаларын жасады. Голдшмидт бұл жұмысын "Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente" [Элементтердің геохимиялық таралу заңдары] сериясында жариялады. Манфред Шидловскидің 1960 жылдан 2002 жылға дейінгі зерттеулері ерте Жердің биохимиясына, соның ішінде изотоптық биогеохимияға және кембрийге дейінгі тіршілік процестерінің куәліктеріне бағытталды.
Geochemistry is the science that uses the tools and principles of chemistry to explain the mechanisms behind major geological systems such as the Earth's crust and its oceans. However, for the rest of the century the more common term was "chemical geology", and there was little contact between geologists and chemists. The composition of meteorites was investigated and compared to terrestrial rocks as early as 1850. In 1901, Oliver C. Farrington hypothesised that, although there were differences, the relative abundances should still be the same. In the early 20th century, Max von Laue and William L. Bragg showed that X ray scattering could be used to determine the structures of crystals. In the 1920s and 1930s, Victor Goldschmidt and associates at the University of Oslo applied these methods to many common minerals and formulated a set of rules for how elements are grouped. Goldschmidt published this work in the series Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente [Geochemical Laws of the Distribution of Elements]. The research of Manfred Schidlowski from the 1960s to around the year 2002 was concerned with the biochemistry of the Early Earth with a focus on isotope biogeochemistry and the evidence of the earliest life processes in Precambrian.
Химиялық элементтер
Материалдардың құрылыс блоктары химиялық элементтер болып табылады. Оларды атомдық нөмірі Z арқылы анықтауға болады, ол ядродағы протон санына тең. Элемент ядродағы нейтрондар саны N үшін бірнеше мәнге ие болуы мүмкін. Бұлардың қосындысы массалық санды құрайды, ол шамамен атомдық массаға тең. Атомдық нөмірі бірдей, бірақ нейтрон саны әртүрлі атомдар изотоптар деп аталады. Белгілі бір изотоп элемент әрпімен және массалық санымен жоғары индексте көрсетіледі. Мысалы, хлордың екі кең таралған изотопы – 35Cl және 37Cl. Z және N комбинациясының шамамен 1700 түрі белгілі, олардың ішінде 260-ы ғана тұрақты. Дегенмен, тұрақсыз изотоптардың көпшілігі табиғатта кездеспейді. Геохимияда тұрақты изотоптар химиялық жолдар мен реакцияларды іздеу үшін қолданылады, ал радиоактивті изотоптар негізінен үлгілерді мерзімдеу үшін пайдаланылады. Жердің мантиясында химиялық дифференциацияның негізгі себебі – ішінара балқу, әсіресе мұхит орталық жоталарының жанында. Бұл қатты зат гетерогенді болғанда немесе қатты ерітінді түзілгенде және балқыманың бір бөлігі қатты заттан бөлінгенде жүреді. Егер қатты және балқыма балқыма алынып тасталғанға дейін тепе-теңдікте болса, бұл процесс тепе-теңдік немесе партиялық балқу деп аталады, ал егер ол үздіксіз алынып тасталса, фракциялық немесе Рейли балқуы деп аталады. Изотоптық фракциялау массаға тәуелді және массаға тәуелсіз формада болуы мүмкін. Ауыр изотоптары бар молекулалардың негізгі күй энергиясы төмендеу болып келеді, сондықтан олар тұрақтырақ. Осының салдарынан химиялық реакциялар аз изотоптық тәуелділікті көрсетеді, ауыр изотоптар жоғары тотығу күйі бар түрлерді немесе қосылыстарды артық көреді; ал фазалық өзгерістерде ауыр изотоптар ауыр фазаларда шоғырлануға бейім. Массаға тәуелді фракциялау жеңіл элементтерде ең жоғары болады, себебі масса айырмашылығы жалпы массаның үлкен бөлігін құрайды. Изотоптар арасындағы қатынастар әдетте стандартпен салыстырылады. Мысалы, күкірттің төрт тұрақты изотобы бар, олардың ең көп таралғандары – 32S және 34S. «Қойма моделі» деп аталатын модельде резервуар кіріс және шығыстары бар қорап түрінде бейнеленеді. Күн жүйесінің құрамы көптеген басқа жұлдыздарға ұқсас, және шағын аномалиялардан басқа, ол біртекті құрамға ие болған Күн тұмандығынан пайда болды деп есептеуге болады, ал Күннің фотосферасының құрамы Күн жүйесінің қалған бөлігіне ұқсас. Фотосфераның құрамы оның спектріндегі сіңіру сызықтарын Күн атмосферасының модельдерімен сәйкестендіру арқылы анықталады. Жалпы массаның үлесі бойынша ең үлкен екі элемент – сутегі (74,9%) және гелий (23,8%), ал қалған барлық элементтер тек 1,3% құрайды. Атомдық санының артуымен элементтердің мөлшерінің экспоненциалды түрде төмендеуі байқалады, бірақ жұп атомдық саны бар элементтер тақ санмен атомдық саны бар элементтерге қарағанда жиі кездеседі (Оддо-Харкинс ережесі). Жалпы тенденциямен салыстырғанда литий, бор және бериллий азайған, ал темір аномальды түрде байыған. Элементтердің мөлшерінің үлгісі негізінен екі факторға байланысты. Сутегі, гелий және литийдің бір бөлігі Үлкен жарылыстан кейін 20 минут ішінде пайда болды, ал қалғаны жұлдыздардың ішкі бөлігінде пайда болды. Үлкен планеталардың құрамы туралы біздегі ақпараттың көп бөлігі спектроскопиядан алынған. 1930 жылдан бастап Юпитерде сутегі, метан және аммоний бар екені белгілі болды. 1960 жылдары интерферометрия спектрлік талдаудың ажыратымдылығы мен сезімталдығын арттырды, бұл этан, ацетилен, су және көміртек моноксиді сияқты көптеген молекулаларды анықтауға мүмкіндік берді. Алайда, Жердегі спектроскопия алыс планеталарда қиынға соғады, себебі Күн сәулесінің шағылысқан жарығы әлдеқайда әлсіз болады; ал планеталардан келетін жарықтың спектроскопиялық талдауы тек молекулалардың тербелісін анықтау үшін қолданылуы мүмкін, ол инфрақызыл жиілік диапазонында болады. Бұл H, C және N элементтерінің мөлшерін шектейді. 2017 жылы Кассини зондының соңғы миссиясы Сатурн атмосферасына ену болды. Юпитер атмосферасында He Күн құрамымен салыстырғанда 2 есе, ал Ne 10 есе азайғаны анықталды, бұл күтпеген нәтиже, себебі басқа асыл газдар мен C, N және S элементтері 2-4 есеге көбейді (оттегі де азайды, бірақ бұл Галилео алған ерекше құрғақ аймаққа байланысты болды). Ядродан тыс Юпитердің сұйық металл сутегінен тұратын мантиясы және молекулалық сутегі мен гелийден тұратын атмосферасы бар. Металл сутегі гелиймен жақсы араласпайды, ал Сатурнда ол металл сутегінің астында жеке қабатты құрайды. Марс, Венера және Меркурий туралы тікелей ақпарат көбінесе ғарыш аппараттарының миссияларынан алынған. Гамма-сәуле спектрометрлерін пайдалану арқылы Марс Odyssey орбиталық аппараты Марс қабырғасының құрамын, ал Venera миссиялары Венера қабырғасының құрамын өлшеді. Марс туралы қосымша ақпарат Жерге түскен метеориттерден алынады (Shergottites, Nakhlites және Chassignites, бірге SNC метеориттері деп белгілі). Мөлшері планеталардың массасымен де шектеледі, ал элементтердің ішкі таралуы инерция моменттерімен шектеледі. Планеталар мен Айдың құрамы хондриттік, яғни әрбір топтағы элементтердің арақатынасы карбонатты хондриттердегідей. Басқа анықтаушы фактор, яғни консолидацияға қатысты физикалық жағдайлар, көбінесе кіші рөл атқарады, бірақ оны елемеуге болмайды. Кейбір минералдар тек терең орналасқан интрузивті тастарда ғана кездеседі, мысалы, микроклин, мұскавит, диаллаж. Лейцит плутондық массаларда сирек кездеседі; көптеген минералдар кристалдану тереңдігіне немесе бетке жақындығына байланысты микроскопиялық сипаттамаларында ерекшеліктерге ие, мысалы, гиперстен, ортоклаз, кварц. Химиялық құрамы бірдей, бірақ мүлдем әртүрлі минералдардан тұратын тастардың қызықты мысалдары бар, мысалы, Норвегиядағы Gran жеріндегі горнблендит, ол тек горнблендиттен тұрады, ал сол жердегі камптониттерде фельдшпат және горнблендит бар. Осыған байланысты, магмалық тастардағы порфирлі минералдардың коррозиясы туралы жоғарыда айтылғандарды қайталаймыз. Риолиттер мен трахиттерде горнблендит пен биотит кристалдары көптеп табылған, олар аугит пен магнетиттерге жартылай айналған. Горнблендит және биотит жер бетінің астындағы қысым мен басқа жағдайларда тұрақты болды, бірақ жоғары деңгейлерде тұрақсыз болды. Бұл тастардың негізгі массасында аугит дерлік әрқашан кездеседі. Бірақ осы магманың плутондық өкілдері, гранит және сиенит, аугитке қарағанда биотит пен горнблендитті көбірек қамтиды.
Мұхиттағы микрометалдар
Издік металдар теңіздегі негізгі иондармен, соның ішінде гидроксид, карбонат және хлоридпен оңай күрделі қосылыстарды түзетіп, олардың химиялық түрлері ортаның тотығу немесе тотығу-тотықсыздану жағдайына байланысты өзгереді. Бенджамин (2002) судан басқа, бірнеше түрлі лигандтары бар металл кешендерін аралас лиганд кешендері деп анықтайды. Кейбір жағдайларда лиганд бір донорлық атомнан көп құрамында болады, олар өте берік кешендерді құрайды, оларды хелаттар деп те атайды (лиганд – хелатор). Ең көп таралған хелаторлардың бірі – ЭДТА (этилендиаминтетрауксус қышқылы), ол алты молекула суды ығыстырып, плюс екі зарядты металдармен берік байланыстар жасай алады. Күрделі қосылыс түзген кезде еркін металл ионының белсенділігі төмендейді. Комплекстелген металдардың реакциялық қабілетінің сол концентрациядағы еркін металға қарағанда төмен болуының салдары – хелаттау металдарды қатты денелердің орнына сулы ерітіндіде тұрақтандыруға бейімделеді. Су ортасында кадмий(II) тотығу жағдайында CdCl+(aq) немесе тотықсыздану жағдайында CdS(s) түрінде болуы мүмкін. Сондықтан, теңіз шөгінділеріндегі Cd концентрациясының жоғары болуы өткендегі төмен тотықсыздану потенциалын көрсетеді. Мыс(II) үшін, оксидтік ортада CuCl+(aq), ал тотықсыздану ортасында CuS(s) және Cu2S түрлері кең таралған. Теңіз суының тотықсыздануы мыстың екі тотығу күйіне – Cu(I) және Cu(II) әкеледі. Қоректік заттармен таралатын издік металдар органикалық заттардың ішкі циклдарымен, әсіресе планктонның сіңіруімен тығыз байланысты. Бұл металдардың ең төменгі концентрациясы мұхит бетінде болады, онда оларды планктон сіңіреді. Тереңде ерігеннен және ыдырағаннан кейін, бұл издік металдардың концентрациясы артады. Мырыш сияқты бұл металдардың тұру мерзімі бірнеше мыңнан жүз мың жылға дейін жетеді. Сонымен қатар, алюминий – мұхиттағы тұру мерзімі қысқа, бөлшектермен күшті өзара әрекеттесетін қалдық металдың мысалы. Қалдық типтегі издік металдардың тұру мерзімі шамамен 100 жылдан 1000 жылға дейін. Бұл металдардың концентрациясы теңіз түбінің шөгінділерінде, гидротермальдық жерлерде және өзендерде ең жоғары болады. Алюминий үшін, атмосфералық шаң мұхитқа сыртқы түсулердің ең үлкен көзін құрайды. Темір мен мыс мұхитта аралас таралымды көрсетеді. Оларға қайта өңдеу және қарқынды жинау әсер етеді. Темір мұхиттардың кең аумақтарында шектеулі қоректік зат болып табылады және гидротермальдық жерлердің жанында марганецпен бірге көп мөлшерде кездеседі. Мұнда темірдің көптеген тұнбалары, көбінесе темір сульфидтері және тотыққан темір оксигидроксидтері түрінде кездеседі. Гидротермальдық жерлердің жанындағы темірдің концентрациясы ашық мұхиттағы концентрациядан бір миллион есеге дейін артық болуы мүмкін. Электрохимиялық әдістерді қолдану арқылы, биоактивті издік металдардың (мырыш, кобальт, кадмий, темір және мыс) теңіз бетіндегі судағы органикалық лигандтармен байланысқандығын көрсетуге болады. Бұл лиганд кешендері мұхиттағы издік металдардың биожетімділігін төмендетуге қызмет етеді. Мысалы, ашық мұхит фитопланктоны мен бактериялары үшін улы болуы мүмкін мыс органикалық кешендерді құрай алады. Бұл кешендердің пайда болуы теңіз тіршілігіне жоғары концентрацияда зиян келтіруі мүмкін, биожетімді емес мыс кешендерінің концентрациясын төмендетеді. Мыстан айырмашылығы, теңіз фитопланктонында мырыш уыттылығы төмен және Zn2+ органикалық байланысын арттырудың қажеті жоқ. Жоғары қоректік заттарға және төмен хлорофиллге ие аймақтарда темір шектеулі қоректік зат болып табылады, басым түрі Fe(III) -нің берік органикалық кешендері болып табылады.