miniatura|Erupció al volcà Mauna Loa. La geoquímica és la branca de la geologia i de la química que estudia la composició i el comportament químic de la Terra, determinant l'abundància absoluta i relativa dels elements químics, distribució i migració dels elements entre les diferents parts que conformen la Terra,
Orígens de la geoquímica El terme «geoquímica» fou encunyat el 1838 pel químic i físic alemany-suís Christian Friedrich Schönbein (1799-1868), professor de química i física a la Universitat de Basilea i més conegut per ser el descobridor de l'ozó. Escriví: «En una paraula, s'hauria de posar en marxa una geoquímica comparativa… abans que el misteri de la gènesi dels nostres planetes i de la seva matèria inorgànica pugui ser revelat». És una descripció precisa del que ha esdevingut la geoquímica, amb la qualificació que també inclou l'estudi de la matèria orgànica no viva.
No obstant això, les arrels de la geoquímica són molt més antigues i estan íntimament vinculades amb les arrels de la química. El tractat de Georgius Agrícola (1490-1555) del 1556 sobre mineria i metal·lúrgia, De re metallica, podria ser considerat com el primer text sobre geoquímica, però el Lehrbuch der chemischen und physikalischen Geologie en quatre volums del químic alemany Karl Gustav Bischof (1792-1870) mereix més aquesta distinció perquè s'hi destaca la importància de l'aigua en els cicles geoquímics. També el francès Jacques-Joseph Ebelmen (1814–1852) el 1845 assenyalà la importància de les plantes en la meteorització de silicats i de la fauna marina en la precipitació de productes de meteorització a l'oceà, establint efectivament el cicle del carboni com el coneixem avui dia. El Allgemeine und chemische Geologie de tres volums de Justin Roth (1879) reemplaçà el de Bischof com el text estàndard de geoquímica i continuà sent àmpliament citat fins al .
Frank W. Clarke El químic estatunidenc Frank W. Clarke (1847–1931) escriví el 1873 un article premonitori excepcional titulat Evolution and the Spectroscope, on especulava que la química de l'Univers havia evolucionat amb el temps, amb els elements lleugers havent-se format abans que els més pesants, basant-se en observacions de la composició estel·lar fetes amb l'astrospectrògraf recentment desenvolupat. Anys després, l'elaboració d'aquesta idea preveu la teoria nucleosintètica moderna. Altres contribucions importants de Clarke inclouen una compilació de densitats específiques, punts d'ebullició i punts de fusió de compostos químics per a la sèrie de la Smithsonian Institution Les Constants de la Naturalesa, un llibre de química (1884), un resum ampli de la química de les roques i les aigües naturals, i Les Dades de Geoquímica (1908), la seva obra més citada. Clarke resumeix amb encert l'objectiu de la geoquímica a la cinquena edició d'aquesta obra: «Determinar quins canvis són possibles, com i quan tenen lloc, observar els fenòmens que els acompanyen i notar el seu resultat final són les funcions del geoquímic.»
Victor M. Goldschmidt miniatura|Goldschmidt (dreta) amb els seus col·laboradors el 1915 a la Universitat d'Oslo. Victor M. Goldschmidt naixé a Zúric el 1888 i es traslladà a Oslo el 1901, on es doctorà i el 1911 fou nomenat professor i director de l'Institut Mineralògic. El seu treball sobre les roques metamòrfiques i magmàtiques del sud de Noruega en aquell moment és notable per ser la primera aplicació de la regla de les fases de Gibbs a la petrologia. Utilitzant l'espectrògraf de raigs X recentment inventat, Goldschmidt descobrí que els elements de nombre atòmic parell tenien una abundància més alta que els de nombre atòmic senar, la qual cosa era clau per a l'estructura nuclear. Analitzant les estructures minerals amb el difractòmetre de raigs X de recent invenció, descobrí que els radis atòmics dels elements de la sèrie de les terres rares decreixien amb el nombre atòmic, fet que anomenà la «contracció lantànida».
Juntament amb els seus col·laboradors, determinà els radis iònics de 67 elements abans del 1925 i deduí relacions ben conegudes avui dia entre el radi iònic, la càrrega iònica, el nombre atòmic i el grup de la taula periòdica. Això donà lloc a les regles de Goldschmidt per a la substitució. Els seus articles sobre la diferenciació de la Terra s'anticiparen a les teories modernes sobre la formació i l'evolució de la Terra. Considerant les propietats dels elements i en quines fases es trobaven als meteorits, Goldschmidt dividí els elements en atmòfils, litòfils, sideròfils i calcòfils i argumentà que els primers tres grups es concentraven a l'atmosfera-hidrosfera, l'escorça i el mantell, i el nucli, respectivament, una classificació encara en ús avui dia. Reconegué que les abundàncies còsmiques dels elements es podien deduir millor dels meteorits i del valor de les argiles glacials com a mostres de l'escorça terrestre, un enfocament que encara es fa servir avui dia.
El 1929, Goldschmidt acceptà una càtedra a l'Institut Mineralògic de la Universitat de Göttingen i posteriorment publicà articles sobre el cicle del carboni destacant la importància de les reaccions bioquímiques. També assenyalà que la quantitat de CO₂ alliberada per la combustió de combustibles fòssils superava amb escreix el flux volcànic i augmentava el contingut de CO₂ a l'atmosfera.
Vladímir Vernadsky miniatura|Vladímir Vernadski el 1889. Vladímir Vernadski (1863–1945) naixé a Sant Petersburg, de pares ucrainesos, es doctorà en mineralogia de la Universitat de Moscou el 1897 i hi fou nomenat professor el 1898. Fou un dels primers a reconèixer-ne la importància de la recentment descoberta desintegració radioactiva com a font d'energia terrestre. Quan els bolxevics prengueren el poder, es traslladà a Kiiv. Malgrat la convulsió política i la violència de la Guerra Civil russa, inicià la feina per la qual és més conegut: la biogeoquímica, un terme que encunyà; i l'elaboració del concepte de la biosfera, un terme encunyat prèviament pel geòleg austríac Eduard Suess (1831-1914). Vernadski argumentava que la vida no era independent del seu entorn, sinó que era ella mateixa una força geològica que afectava i era afectada pel món inert. Aquesta idea fou popularitzada el 1972 pel químic anglès James E. Lovelock (1919-1922) com a hipòtesi Gaia.
Vernadski acceptà una invitació per ensenyar a la Sorbona de París el 1922 i treballà en radioactivitat amb Marie Curie (1867-1934). El 1924 publicà La géochimie. A Rússia el 1926, publicà un altre llibre seminal, La biosfera, dirigí estudis sobre el permagel, els recursos minerals i la determinació de la composició dels éssers vius i la relació entre la salut, incloent-hi la salut humana, i l'excés o la manca d'elements com el iode, el calci i el bari a l'entorn local. Liderà un programa per a la concentració d'aigua pesant i inicià la construcció del primer ciclotró en la Unió Soviètica. Vernadski demanà al govern posar en marxa un programa de desenvolupament de l'energia nuclear i identificar dipòsits d'urani dins de l'URSS. La feina de Vernadski fou gairebé obviada a l'Occident fins als anys 1980 i el seu redescobriment ha influït significativament no només en la geoquímica, sinó també en camps com l'ecologia i la microbiologia.
Geocronologia miniatura|Cadena de desintegració de l'actini que s'inicia en l'U-235 i acaba en el Pb-207. El descobriment de la radioactivitat per part del físic francès Henri Becquerel (1852-1908) el 1896 revolucionà la física, la química i la geoquímica. Ja el 1905, se sabia que l'urani i el tori es descomponien a través d'una cadena de desintegració que incloïa el radi i el poloni; però es desconeixia en quin element acabava. El químic de la Universitat Yale Bertram Boltwood (1870-1927) proposà que era el plom i que la seva concentració en minerals d'urani permetria mesurar el temps geològic (datació urani-plom), calculant que l'edat de la Terra era superior a 2,2 mil milions d'anys (2,2 Ga), molt més antiga del que se suposava. Així naixé la geocronologia radiomètrica.
El químic anglès Frederick Soddy (1877-1956) proposà l'existència d'isòtops el 1913 i el també químic anglès Francis W. Aston (1877-1945) els confirmà el 1919. Aleshores ja s'entenia que l'urani es desintegrava fins Pb-206 i el tori fins a Pb-208. No obstant això, el 1918 Frank W. Clarke qüestionà la tècnica de Boltwood perquè Clarke havia trobat que el plom uranogènic tenia una massa atòmica variable, de fins a 206,8, inconsistent amb la producció radiogènica de Pb-206. El problema se solucionà el 1935 amb el descobriment de l'U-235 que dona Pb-207. L'alemany Friedrich Georg Houtermans (1903-1966) el 1953 establí l'edat de la Terra en 4,5 ± 0,3 mil milions d'anys (4,5 ± 0,3 Ga) basant-se en la composició isotòpica del plom en minerals i la composició isotòpica inicial del sistema solar mesurada en meteorits de ferro. miniatura|Willard F. Libby al seu laboratori. A l'Institut Enrico Fermi Harrison Brown (1917-1985) i alguns dels seus companys com Harold C.Urey (1893-1981) i Willard F. Libby (1908-1980), iniciaren la «geoquímica nuclear» i el geoquímic estatunidenc Clair C. Patterson (1922-1995) arribà a la conclusió que, a partir d'estàndards meteorítics i terrestres, la Terra tenia 4,55 ± 0,07 mil milions d'anys (4,55 ± 0,07 Ga), valor acceptat en l'actualitat.
A mitjà del segle XX Willard F. Libby desenvolupà el mètode de datació basada en el carboni 14 (pel qual guanyà el Premi Nobel de Química el 1960), i en les dècades següents seguiren altres esquemes de datació de núclids cosmogònics. El 1956, Thomas Aldrich mostrà que el sistema de descomposició rubidi-estronci 87Rb/87Sr podia ser utilitzat com a geocronòmetre. Al mateix temps, Jerry Wasserburg i R.D. Russell, desenvoluparen el mètode de datació per potassi-argó 40K/40Ar. Posteriorment també s'han emprat els sistemes samari-neodimi, luteci-hafni i reni-osmi.
La descoberta que l'heli 3 primordial s'estava filtrant als oceans a través de l'escorça oceànica obrí el camp de la geoquímica isotòpica dels gasos nobles el 1969. La identificació de variacions isotòpiques en altres gasos nobles revelà heterogeneïtat primordial a l'interior profund de la Terra. Això completà les eines del geoquímic isotòpic radiogènic, tot i que els desenvolupaments en les tècniques analítiques han continuat millorant-les en les dècades següents.
Geoquímica d'isòtops
Geoquímica isotòpica radiogènica miniatura|Subducció de l'escorça cap el mantell que retorna a través d'un volcà.