Geoquímica é uma ciência interdisciplinar que integra química e geologia e aplica os princípios e ferramentas da química para compreender os mecanismos dos principais sistemas geológicos, como da Terra e de outros planetas. Isso envolve a crosta terrestre, oceanos e outros corpos do Sistema Solar. Seu escopo é muito amplo, contribuindo para o entendimento de processos como a convecção do manto, a formação de planetas e as origens de rochas como granito e basalto.
Este campo explora a composição química dos sistemas geológicos, investigando os processos químicos que influenciam rochas, solos e corpos d'água, além dos ciclos de matéria e energia que distribuem os componentes químicos ao longo do tempo e do espaço. Esse estudo inclui a determinação das abundâncias relativas e absolutas dos elementos e a análise de sua distribuição e migração.
Ao unir métodos da química para resolver problemas geológicos, a geoquímica fornece uma compreensão precisa e quantitativa dos fenômenos naturais e apoia outras áreas, como ecologia e oceanografia química, no aprofundamento das interações entre processos químicos e ambientais.
História miniaturadaimagem| Vítor Goldschmidt (1909) O termo geoquímica foi utilizado pela primeira vez pelo químico suíço-alemão Christian Friedrich Schönbein em 1838: "uma geoquímica comparativa deveria ser iniciada, antes que a geognosia possa se tornar geologia, e antes que o mistério da gênese de nossos planetas e de sua matéria inorgânica possa ser revelado". No entanto, pelo restante do século, o termo mais comum foi "geologia química", e havia pouco contato entre geólogos e químicos.
A geoquímica emergiu como uma disciplina separada após a criação de grandes laboratórios, começando com o Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS) em 1884, que iniciou levantamentos sistemáticos da química das rochas e minerais. O químico-chefe do USGS, Frank Wigglesworth Clarke, observou que os elementos geralmente diminuem em abundância à medida que seus pesos atômicos aumentam e resumiu o trabalho sobre a abundância de elementos em The Data of Geochemistry.
A composição de meteoritos foi investigada e comparada com rochas terrestres já em 1850. Em 1901, Oliver C. Farrington sugeriu que, embora houvesse diferenças, as abundâncias relativas dos elementos deveriam ser as mesmas. Esse foi o início do campo da cosmogeoquímica, que tem contribuído significativamente para o nosso conhecimento sobre a formação da Terra e do Sistema Solar.
No início do século XX, Max von Laue e William L. Bragg demonstraram que a dispersão de raios X poderia ser utilizada para determinar as estruturas dos cristais. Nas décadas de 1920 e 1930, Victor Goldschmidt e seus colegas da Universidade de Oslo aplicaram esses métodos a muitos minerais comuns e formularam um conjunto de regras sobre como os elementos se agrupam. Goldschmidt publicou esse trabalho na série Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente (Leis Geoquímicas da Distribuição dos Elementos).
A pesquisa de Manfred Schidlowski, desde a década de 1960 até cerca de 2002, focou-se na bioquímica da Terra primitiva, com ênfase na isotopo-bioquímica e nas evidências dos primeiros processos de vida no Pré-Cambriano.Harald Strauss: ’’Obituary ’’. In: Geowissenschaftiche Mitteilungen, Nr. 50, december 2012, page 102-103
Subcampos A geoquímica é um tema extremamente amplo que pode ser dividido em subdisciplinas:
Geoquímica aquosa, que estuda estuda o papel de vários elementos nas bacias hidrográficas, incluindo cobre, enxofre, mercúrio e como os fluxos elementares são trocados por meio de interações atmosféricas-terrestres-aquáticas. Geoquímica Oceânica; Geoquímica Orgânica, o estudo do papel dos processos e compostos derivados de organismos vivos ou que já viveram. Biogeoquímica é o campo de estudo que se concentra no efeito da vida na química da Terra. Geoquímica Isotópica, que envolve a determinação das concentrações relativas e absolutas dos elementos e seus isótopos na Terra e na superfície da Terra. Geoquímica de Lateritas e Gossans, etc. A cosmoquímica inclui a análise da distribuição dos elementos e seus isótopos no cosmos. Fotogeoquímica, que é o estudo das reações químicas induzidas pela luz que ocorrem ou podem ocorrer entre os componentes naturais da superfície da Terra. A geoquímica regional inclui aplicações em estudos ambientais, hidrológicos e de exploração mineral. Geoquímica de Alta e Baixa Temperatura; Geoquímica Inorgânica; Geoquímica de Rochas; Geoquímica dos Elementos Terras Raras; Geoquímica Médica; Geoquímica Ambiental; Geoquímica dos Solos; Geoquímica de Exploração Mineral ou Prospecção Geoquímica; Geoquímica de Sedimento de Corrente;
Elementos químicos Os blocos fundamentais dos materiais são os elementos químicos, identificáveis pelo número atômico (Z), que representa o número de prótons no núcleo. Um elemento pode ter diferentes valores para N, o número de nêutrons no núcleo. A soma desses números é o número de massa, que é aproximadamente igual à massa atômica. Átomos com o mesmo número atômico, mas diferentes números de nêutrons, são chamados de isótopos. Um isótopo específico é indicado pela letra do elemento precedida de um sobrescrito para o número de massa. Por exemplo, dois isótopos comuns do cloro são o ³⁵Cl e o ³⁷Cl. Existem cerca de 1700 combinações conhecidas de Z e N, das quais apenas cerca de 260 são estáveis. No entanto, a maioria dos isótopos instáveis não ocorre naturalmente. Na geoquímica, isótopos estáveis são utilizados para rastrear caminhos e reações químicas, enquanto isótopos radioativos são usados principalmente para datar amostras.
O comportamento químico de um átomo – sua afinidade por outros elementos e o tipo de ligações que forma – é determinado pela disposição dos elétrons em orbitais, especialmente os elétrons da camada de valência. Essas disposições são refletidas na posição dos elementos na tabela periódica. Com base em sua posição, os elementos são agrupados amplamente em metais alcalinos, metais alcalino-terrosos, metais de transição, semimetais (ou metalóides), halogênios, gases nobres, lantanídeos e actinídeos.
Outro esquema de classificação útil para a geoquímica é a classificação de Goldschmidt, que divide os elementos em quatro grupos principais. Os litófilos se combinam facilmente com o oxigênio, como Na, K, Si, Al, Ti, Mg e Ca, e dominam a crosta terrestre, formando silicatos e outros óxidos. Elementos siderófilos (Fe, Co, Ni, Pt, Re, Os) têm afinidade com o ferro e tendem a se concentrar no núcleo. Elementos calcófilos (Cu, Ag, Zn, Pb, S) formam sulfetos, enquanto os elementos atmófilos (O, N, H e gases nobres) dominam a atmosfera. Dentro de cada grupo, alguns elementos são refratários, permanecendo estáveis em altas temperaturas, enquanto outros são voláteis, evaporando mais facilmente, de modo que o aquecimento pode separá-los.
Diferenciação e mistura A composição química da Terra e de outros corpos é determinada por dois processos opostos: diferenciação e mistura. No manto da Terra, a diferenciação ocorre nas dorsais meso-oceânicas por meio de fusão parcial, com mais materiais refratários permanecendo na base da litosfera enquanto o restante sobe para formar basalto. Depois que uma placa oceânica desce para o manto, a convecção acaba misturando as duas partes. A erosão diferencia o granito, separando-o em argila no fundo do oceano, arenito na borda do continente e minerais dissolvidos nas águas do oceano. Metamorfismo e anatexia (fusão parcial de rochas da crosta) podem misturar esses elementos novamente. No oceano, os organismos biológicos podem causar diferenciação química, enquanto a dissolução dos organismos e seus resíduos pode misturar os materiais novamente.
Fracionamento Uma importante fonte de diferenciação é o fracionamento, uma distribuição desigual de elementos e isótopos. Isso pode ser o resultado de reações químicas, mudanças de fase, efeitos cinéticos ou radioatividade. Em uma escala maior, a diferenciação planetária é uma separação física e química de um planeta em regiões quimicamente distintas. Por exemplo, os planetas terrestres formaram núcleos ricos em ferro e mantos e crostas ricos em silicatos. No manto da Terra, a principal fonte de diferenciação química é a fusão parcial, particularmente perto das dorsais meso-oceânicas. Isso pode ocorrer quando o sólido é heterogêneo ou uma solução sólida, e parte do fundido é separada do sólido. O processo é conhecido como fusão de equilíbrio ou em lote se o sólido e o fundido permanecerem em equilíbrio até o momento em que o fundido for removido, e fusão fracionada ou de Rayleigh se for removido continuamente.
O fracionamento isotópico pode ter formas dependentes e independentes da massa. Moléculas com isótopos mais pesados têm energias de ponto zero mais baixas e, portanto, são mais estáveis. Como resultado, as reações químicas mostram uma pequena dependência de isótopos, com isótopos mais pesados preferindo espécies ou compostos com um estado de oxidação mais alto; e nas mudanças de fase, os isótopos mais pesados tendem a se concentrar nas fases mais pesadas. O fracionamento dependente da massa é maior em elementos leves porque a diferença nas massas é uma fração maior da massa total.
As proporções entre isótopos são geralmente comparadas a um padrão. Por exemplo, o enxofre tem quatro isótopos estáveis, dos quais os dois mais comuns são 32 S e 34 S. A razão de suas concentrações, , é relatada como
onde é a mesma razão para um padrão. Como as diferenças são pequenas, a proporção é multiplicada por 1000 para torná-la partes por mil (chamadas de partes por mil). Isto é representado pelo símbolo .
Equilíbrio O fracionamento de equilíbrio ocorre entre produtos químicos ou fases que estão em equilíbrio entre si. No fracionamento de equilíbrio entre fases, as fases mais pesadas preferem os isótopos mais pesados. Para duas fases A e B, o efeito pode ser representado pelo fator
Na transição de fase líquido-vapor da água, a 20 graus Celsius é 1,0098 para 18 O e 1,084 para 2 H. Em geral, o fracionamento é maior em temperaturas mais baixas. Em 0 °C, os fatores são 1,0117 e 1,111.
Cinético Quando não há equilíbrio entre fases ou compostos químicos, pode ocorrer fracionamento cinético. Por exemplo, nas interfaces entre água líquida e ar, a reação direta é aumentada se a umidade do ar for menor que 100% ou se o vapor de água for movido pelo vento. O fracionamento cinético geralmente é melhorado em comparação ao fracionamento de equilíbrio e depende de fatores como taxa de reação, via de reação e energia de ligação. Como os isótopos mais leves geralmente têm ligações mais fracas, eles tendem a reagir mais rápido e enriquecer os produtos da reação.
O fracionamento biológico é uma forma de fracionamento cinético, pois as reações tendem a ocorrer em uma direção. Os organismos biológicos preferem isótopos mais leves porque há um menor custo energético na quebra de ligações energéticas. Além dos fatores mencionados anteriormente, o ambiente e as espécies do organismo podem ter um grande efeito no fracionamento.
Ciclos Por meio de uma variedade de processos físicos e químicos, os elementos químicos mudam de concentração e se movimentam no que chamamos de ciclos geoquímicos. A compreensão dessas mudanças requer observação detalhada e modelos teóricos. Cada composto químico, elemento ou isótopo tem uma concentração que é uma função da posição e do tempo, mas não é prático modelar a variabilidade total. Em vez disso, numa abordagem emprestada da engenharia química, Os geoquímicos calculam a média da concentração em regiões da Terra chamadas reservatórios geoquímicos. A escolha do reservatório depende do problema; por exemplo, o oceano pode ser um único reservatório ou ser dividido em vários reservatórios. Em um tipo de modelo chamado modelo de caixa, um reservatório é representado por uma caixa com entradas e saídas.