Geochimica

La geochimica applica gli strumenti ei concetti della chimica allo studio della Terra e più in generale dei pianeti . In una certa misura, i campioni sono accessibili per l'indagine chimica (in particolare dallo studio dei meteoriti ) o la presenza di elementi chimici è determinata con metodi indiretti, il che consente a questa disciplina scientifica di studiare l' abbondanza relativa e assoluta di questi elementi , la loro distribuzione e le loro migrazioni durante la differenziazione planetaria . Questi studi in ultima analisi consentono di ricercare leggi generali del comportamento della materia su scala planetaria, che legano questa disciplina alla cosmochimica nella misura in cui è interessata ai processi di formazione planetaria e intraplanetaria. Per quanto riguarda la Terra, questa disciplina mira a conoscere i cicli mediante i quali la maggior parte degli elementi chimici vengono condotti alternativamente in superficie e in profondità all'interno del pianeta. Per quanto riguarda il sedimento, la geochimica studia i fenomeni chimici che avvengono dall'interfaccia acqua-sedimento alla profondità del sedimento stesso.

Elementi storici

Russo Mikhail Lomonosov è tradizionalmente considerato il padre di questa disciplina scientifica  (in) , lo scienziato che studia i depositi di minerali nel XVIII °  secolo. Un secolo dopo, chimici e mineralogisti come Martin Heinrich Klaproth , Lavoisier , Berthollet o Fourcroy gettano le basi della chimica inorganica, che rientra nella geologia e geochimica.

L'invenzione del termine "geochimica" è attribuita al chimico tedesco Christian Schönbein nel 1838. Tuttavia, per quasi un secolo, il termine più comunemente usato per riferirsi a questa disciplina è quello di "geologia chimica" e c'è poco contatto tra i geologi e chimici.

Il russo Vladimir Vernadsky ei suoi colleghi tedesco-norvegesi Victor Moritz Goldschmidt e l'americano Frank Wigglesworth Clarke sono considerati i fondatori della geochimica moderna negli anni '20 .

Dapprima con l'estensione della chimica attraverso la mineralogia superficiale, la geochimica acquisì lo status di disciplina a sé stante dopo la seconda guerra mondiale , all'epoca dello sviluppo della geologia isotopica (geocronologia assoluta). Con il suo approccio transdisciplinare, la geochimica è un buon esempio della fusione tra diversi campi con obiettivi distinti, come la fisica , la biologia , la paleontologia (anche una disciplina multidisciplinare), ecc.

Aree di applicazione

Dal punto di vista dell'applicazione, gli obiettivi della geochimica sono, tra gli altri:

• determinare la composizione dei vari involucri terrestri, la loro evoluzione, dagli strati superiori dell'atmosfera al seme  ;
• la quantificazione dei trasferimenti di materia ed energia all'interno della Terra; l'identificazione e la quantificazione delle interazioni tra i suoi diversi inviluppi o serbatoi  ;
• l'identificazione e la caratterizzazione di processi chimici, meccanici, mineralogici o di altro tipo che modificano la composizione chimica dei geomateriali, provocandone la differenziazione  ;
• determinazione dell'età delle rocce e degli eventi che hanno interessato la Terra, attraverso la geocronologia  ;
• lo studio delle condizioni ambientali del passato ( paleoambienti ).

Nelle sue ramificazioni teoriche e applicate, la geochimica copre processi sia endogeni che esogeni , su materiale organico o inorganico . Pertanto, l'applicazione di metodi geochimici allo studio degli esseri viventi ha dato vita alla biogeochimica . I due campi più grandi, tuttavia, rimangono la geocronologia e lo studio delle rocce "calde" (in profondità) o "fredde" (in superficie), sulla Terra o in altri sistemi planetari.

Principi principali

Per una tipologia di materiale e / o unità geologica considerata, le misurazioni e gli studi dei vari elementi chimici, e le informazioni che possono fornire, sono fortemente legati alla loro relativa abbondanza, che prende il nome di composizione chimica del materiale.

• Gli elementi più abbondanti, che generalmente costituiscono circa il 95-99% del materiale, sono indicati, nel contesto specifico dello studio, come elementi principali . Questo studio è poi molto spesso condotto all'interfaccia con la mineralogia , per la tendenza di questi elementi ad organizzarsi in fasi più o meno definite, i minerali .
• Gli elementi chimici meno abbondanti, dell'ordine di una percentuale e chiamati, sempre contestualmente, elementi minori , a seconda delle condizioni fisico-chimiche, formano fasi , sotto forma di minerali accessori.
• Infine, il resto degli elementi chimici, presenti in molto piccole a piccole quantità, si dice che siano in tracce o anche chiamato traccia elementi . Il loro comportamento durante i processi di differenziazione è spesso spiegato tramite un'applicazione della teoria termochimica dell'equilibrio in mezzi diluiti, che implica una nozione di condivisione di questi elementi sotto l'effetto della legge dell'azione di massa .
• Dal momento che circa il primo terzo del XX °  secolo, lo sviluppo della spettrometria di massa ha permesso l'espansione delle misure chimiche alle misure isotopo . Questo aspetto, non propriamente “chimico”, è però completamente compreso e integrato nella geochimica, anche se talvolta viene specificato con il termine di geochimica isotopica oltre che di geochimica elementare (nel senso di geochimica degli elementi chimici ). A livello pratico, ci sono due tipi di variazioni nei rapporti isotopici , quelli tra isotopi stabili e quelli tra isotopi radioattivi o radiogenici:
  • Due isotopi stabili dello stesso elemento chimico si dividono tra due fasi, a causa di effetti quantistici, purché la temperatura non sia troppo alta (il termine frazionamento significa che il loro rapporto di abbondanza non è lo stesso tra le due fasi). Una delle applicazioni più famose è il paleotermometro dell'ossigeno per decifrare i cambiamenti nella temperatura media dell'atmosfera terrestre negli ultimi quattrocentomila anni.
  • La radioattività è la trasmutazione di un isotopo radioattivo di un isotopo genitore in un figlio, ha detto radiogenico. La semplicità della legge del decadimento radioattivo e la sua intangibilità sono alla base della geocronologia , la scienza della datazione assoluta.

Sebbene questi principi teorici siano spesso mutuati da un'ipotesi di equilibrio termodinamico, l'importanza delle metastabilità minerali confrontate con i lunghi periodi di tempo geologico che consentono ai processi di diffusione chimica di giocare talvolta un ruolo nell'evoluzione cinetica dei materiali, fanno della geochimica un campo unico rispetto a termochimica tradizionale.

Metodi di analisi

L'analisi di rocce, minerali e altri geomateriali coinvolge molti tipi di analisi fisico-chimiche. Eccone alcuni:

• la microfotografia  : preparazione di una sottile lama di roccia e microscopio ottico da osservazione , in particolare alla luce polarizzata  ;
• l' analisi chimica Elementale: determinazione della composizione elementare di una roccia ( concentrazione di massa di diversi elementi, generalmente tradotta sotto forma di ossidi agli elementi maggiori); effettuate inizialmente con reazioni chimiche (saggi) elemento per elemento, queste analisi vengono ora eseguite con metodi fisici globali che danno la concentrazione di tutti gli elementi come la spettrometria di massa con sorgente al plasma o la spettrometria a fluorescenza a raggi X  ;
• analisi di fase mediante diffrazione di raggi X  : abbiamo accesso alla struttura cristallina dei componenti, e possiamo quindi determinare la natura delle fasi, ad esempio per riconoscere le diverse forme di cristallizzazione della silice o per sapere se il calcio è presente come CaO o CaCO 3 .

Vedi anche

Bibliografia

• (en) Frank Wigglesworth Clarke , The data of geohemistry , United States Geological Survey Bulletins n. 330 (1908), n. 491 (1911), n. 616 (1916), n. 695 (1920), n. 770 (1924 )
• Alexandre Fersman , geochimica ricreativa , edizioni in lingua straniera,1958, 437  p.
• Albert Jambon, Alain Thomas, Geochimica. Geodinamica e cicli , Dunod,2009, 416  p. ( leggi online )

Articoli Correlati

• Geologia degli isotopi  :
  • Radiocronologia  ;
• Paleoclimatologia  ;
• Paleoambiente  ;
• Sfondo geochimico
• Discipline:
  • Biogeochimica  ;
  • Cosmochimica  ;
  • Geologia  ;
  • Mineralogia  ;
• Scienziati:
  • Victor Goldschmidt , co-fondatore con Vladimir Vernadsky di geochimica e cristallografia moderne  ;
  • Claude Allègre , principale organizzatore dello sviluppo della geochimica in Francia, al CNRS e all'IPGP .

Note e riferimenti

1. René Taton , Storia generale della scienza , Presses Universitaires de France,1957, p.  360
2. (in) Helge Kragh, "From geohemistry to cosmochemistry: The origin of a scientific discipline, 1915-1955" in Carsten Reinhardt, chemical science in the 20th Century: Bridging Boundaries , John Wiley & Sons,2008( leggi in linea ) , p.  160–192
3. Gennadi Aksenov, Vernadsky. Francia ed Europa , Maison des Sciences de l'Homme d'Aquitaine,2019( leggi in linea ) , p.  195
4. Vedi: For a history of geohemistry, di René Létolle (1996)
5. Le successive polemiche sul riscaldamento globale non sminuiscono i meriti dell'allenatore Claude Allègre in questo primo periodo della sua carriera. Vedi su questo argomento: [1] La creazione di un istituto nazionale all'interno del CNRS, l'INAG di Gérard Darmon.
6. Quando Claude Allègre era il direttore dell'IPGP , questo ente era uno dei componenti principali dell'Istituto Nazionale di Astronomia e Geofisica (INAG), esso stesso annesso al CNRS (INAG esisteva dal 1967 e divenne INSU nel 1985).