(Fr.: géochimie; Du.: Geochemie; Eng.: geochemistry), tak van wetenschap tussen de aardwetenschappen en de chemie in, die zich ten doel stelt de verdeling van elementen en verbindingen in de samenstellende delen van de aarde te bepalen en inzicht te verschaffen in de processen die tot deze verdeling voeren.
De term werd voor het eerst gebruikt in 1838 door de Zwitserse chemicus Ch. F. Schönbein. Uit het doel van de geochemie volgt dat de geochemie zich zowel op analytisch gebied (analyse van gesteenten, ertsen, mineralen, natuurlijke wateren) als op synthetisch gebied (experimenteel onderzoek waarbij natuurlijke omstandigheden nagebootst worden) dient te bewegen. Vrijwel alle processen in de geologie, of het nu vulkanisme is of verwering, ertsvorming of zoutafzetting, zijn (fysisch-)chemische processen. Daardoor speelt de geochemie rechtstreeks of meer zijdelings een rol bij de beantwoording van de belangrijkste geologische problemen.
Indeling.
De organische geochemie houdt zich bezig met het ontstaan en de evolutie van het leven, met het ontstaan van steenkool, petroleum (aardolie) en aardgas. Ook blijven in fossielen vaak nog organische moleculen bewaard.
Een van de meest fascinerende mogelijkheden voor onderzoek ligt in de paleobiochemie, waar men door middel van immunochemische reacties met behulp van extracten uit fossiel materiaal kans ziet de verwantschap tussen reeds lang uitgestorven diersoorten vast te stellen.
Ook in het lang verwaarloosde overgangsgebied tussen organische en anorganische geochemie worden snelle vorderingen gemaakt. Zo blijken vele metalen bij verwering en erosie in de vorm van metaal-organische complexen of in organo-kleicomplexen getransporteerd te worden. Mede in verband met de milieuproblematiek wordt dit onderzoek steeds belangrijker.
Bij het chemische onderzoek van vaste gesteenten en mineralen zijn goede analytische technieken een eerste vereiste. Hierbij wordt steeds meer gebruik gemaakt van fysische analysemethoden, zoals röntgenfluorescentie, atomaire absorptie- en emissiespectografie. Komt het te onderzoeken materiaal slechts voor in zeer kleine insluitseltjes of lamellen, dan maakt men gebruik van de elektronenmicrosonde, waarbij men een gesteentepreparaat bombardeert met een gefocusseerde elektronenbundel. De golflengte en intensiteit van de daardoor opgewekte röntgenstraling geven dan informatie over de aard en de concentratie van de aanwezige elementen. Op deze wijze zijn de laatste jaren vele tientallen nieuwe mineralen ontdekt, vooral in ertsen.
Dank zij de nieuwe analysetechnieken, waarbij ook nog de neutronactiveringsanalyse vermeld moet worden, heeft de geochemie een goed inzicht verkregen in de samenstelling van de buitenste lagen van de aardkorst. Uit analyses van materiaal dat diep uit de aardmantel afkomstig is blijkt dat deze gesteenten rijker zijn aan magnesium, nikkel, chroom en ijzer, en dat elementen als aluminium, natrium en kalium verrijkt zijn in de korst. Voor het bepalen van de samenstelling van de diepere delen van de mantel en van de aardkern is men aangewezen op indirecte methoden, zoals de voortplantingssnelheid van aardbevingsgolven. Uit analogieën met steen- en ijzermeteorieten kan men een redelijk sluitend beeld over de totale samenstelling van de aarde verkrijgen, die behalve voor waterstof en helium niet sterk afwijkt van de zonnematerie wat betreft het relatieve aandeel van de verschillende elementen.
Zelfs indien twee gesteenten dezelfde chemische samenstelling hebben, kunnen zij opgebouwd zijn uit geheel verschillende mineralen. Steeds tracht de natuur de meest stabiele combinatie van mineralen op te bouwen, maar de stabiliteit van mineralen is een functie van de temperatuur en de druk, die beide hoger worden met toenemende diepte. Wanneer ergens in zee laag na laag sedimenteert, waarbij de lagen steeds dieper wegzinken, zal een voortdurende rekristallisatie als een aanpassing aan de hogere temperaturen en drukken plaatsvinden. Bij deze metamorfose worden kalkstenen tot marmers, zandstenen tot kwartsieten, en kleiige gesteenten tot leisteen, glimmerschist en gneiss. Stijgt de temperatuur nog verder, dan kunnen gesteenten opsmelten, waarbij magma’s (silicaatsmelten) ontstaan. De stabiliteit en vormingsomstandigheden van mineralen en gesteenten kunnen door de expirementele geochemie en petrologie worden onderzocht, die werkt met drukken tot enkele honderdduizenden maal de atmosferische druk en temperaturen tot 1800°C. Door de daarbij verkregen gegevens op natuurlijke gesteenten toe te passen, kan men hun vormingsomstandigheden en kristallisatiegeschiedenis reconstrueren. Spectaculaire resultaten hierbij zijn de synthese van diamant en de omzetting van kwarts (SiO2) in de vormen van SiO2 die onder hoge druk ontstaan en die men aangetroffen heeft in de inslagkraters van meteorieten. Veel van het chemisch onderzoek aan meteorieten en aan materiaal van de maan is door de geochemie bedreven.
De isotopen-geochemie en de geochronologie houden zich bezig met de verdeling van isotopen over verschillende stoffen, en met het verval van de radioactieve nucliden. De mariene geochemie en de hydrogeochemie bestuderen het gedrag van elementen in zeewater, rivieren, bronnen en grondwater, en de reacties tussen deze oplossingen en het nevengesteente.
De samenstelling van de oceanen wordt bepaald door reacties met vaste stoffen. De afzettingsgesteenten op de bodem van de oceanen vormen ingewikkelde buffersystemen, die ervoor zorgen dat de samenstelling van de oceanen binnen betrekkelijk nauwe grenzen constant blijft. Hoe dit buffersysteem werkt, hoe lang nieuw met de rivieren aangevoerde stoffen in zee verblijven, in welke mineralen zij uiteindelijk vastgelegd worden, wat de invloed is van variaties in de aanvoer, in welke mate submarien vulkanisme een rol speelt vormen onderzoekgebieden van de mariene geochemie. Als men de verschillende mechanismen kent, waardoor elementen aan het oceaansysteem onttrokken worden, kan men ook de gevolgen voorspellen van menselijke activiteiten, zoals die zich uiten in een sterk vergrote toevoer van bijv. cadmium, kwik, lood en koper. Interessant zijn de mangaanknollen, concentrisch opgebouwde concreties van mangaan- en ijzerhydroxiden, die grote delen van de diepe oceaanbodem bedekken. Deze zijn vermoedelijk ook economisch van grote betekenis, omdat zij zeer grote reserves aan kobalt, nikkel en koper bevatten, die in gehalten tussen 0,1...2% samen met de mangaanhydroxiden neergeslagen zijn.
De relatie tussen de chemie van het bodemwater en de aard van de verwering vormt een speciaal geval van het hoofdonderwerp van de hydrogeochemie: de relatie tussen de chemie van het water en de gesteenten waarmee het in contact is. Ook in de diepere ondergrond, waar de formatiewateren zeer veel zout kunnen bevatten, vinden allerlei reacties plaats. Waar dergelijke wateren vaak in hete bronnen uittreden in jong-vulkanische gebieden, kan men aan de samenstelling van het water van deze bronnen de aard van de reacties in de ondergrond aflezen, en de temperatuur waarbij deze plaatsvinden. De verstoringen van het evenwicht door menselijk ingrijpen, bijv. door diepwellozingen, worden eveneens bestudeerd.
In het tussengebied tussen de mariene en de hydrogeochemie van rivierwateren is de menging en interactie van rivier- met zeewater in de estuaria een belangrijk onderwerp. Wat er precies gebeurt met het water, en de hoge gehalten aan metalen en organische stoffen van een sterk vervuilde rivier als de Rijn, heeft uiteraard ook gevolgen voor de ecologie van een gebied als de Waddenzee.
Een andere toepassing van de geochemie treedt op in de exploratiegeofysica. De meeste ertsen die in goed toegankelijke gebieden aan de oppervlakte voorkomen, zijn inmiddels wel gevonden; het zoeken naar nieuwe ertsvoorkomens richt zich dan ook op gebieden waar door een dikke verweringslaag, intensieve vegetatie of afzetting van lagen van glaciaal puin uit de ijstijden de gesteenten aan de directe waarneming onttrokken zijn. Vaak verraden verborgen ertslichamen zich doordat zij zich in de bedekkende lagen of in de vegetatie manifesteren door verhoogde gehalten aan spoorelementen; zo kan een systematische analysecampagne van bodems, of van het water dat na door deze bodems gestroomd te hebben in beekjes of rivieren terecht komt tot de ontdekking van verborgen ertslichamen leiden. Deze exploratiemethoden vormen op dit moment reeds het belangrijkste hulpmiddel bij de ertsexploratie; in de Sovjet-Unie worden jaarlijks meer dan 6 miljoen analyses uitgevoerd voor de geochemische prospectie. De opsporing van vervuilende industrieën maakt gedeeltelijk van dezelfde methoden gebruik. Veel ertslichamen staan in een genetische relatie tot hun nevengesteente; de herkenning van een aantal karakteristieken van ‘moedergesteenten’ die erts bevatten, begint ook mogelijk te worden. Op deze manier kan men de exploratiecampagnes veel nauwkeuriger richten.
Ook buiten het terrein van de aardwetenschappen is de geochemie vaak een belangrijke hulpwetenschap. Met behulp van karakteristieke spoorelementen kan men bij stenen artefacten (bijv. obsidiaan of vuursteen) het gebied van herkomst vastleggen, en zodoende de oude cultuur- en handelswegen reconstrueren. In de volksgezondheid, de veeteelt en de landbouw spelen spoorelementen in de bodem en het water eveneens een grote rol; bijv. de jooddeficiëntie in bepaalde gebieden in de Alpen, het variabele fluorgehalte in drinkwater en de gevolgen van een teveel of tekort aan spoorelementen voor veeteelt en tuinbouw; in Frankrijk is het onderzoek op dit gebied sterk gericht op de wijnbouw.
Beschouwingswijzen.
In de geochemie probeert men in eerste instantie gesteenten, mineralen, natuurlijke vloeistoffen en gassen te zien als een poging van de natuur om onder invloed van bepaalde omstandigheden (op de eerste plaats van druk en temperatuur) tot een evenwicht te komen. Ondanks de lage reactiesnelheden in de natuur gelukt dit toch verrassend vaak. Zo’n natuurlijk systeem kan dan door opheffing en afkoeling vaak ‘ingevroren’ worden, zodat aan het oppervlak van de aarde gesteenten en mineralen aangetroffen worden, die gevormd zijn onder geheel andere omstandigheden. Een bekend voorbeeld hiervan is diamant.
Tegenover deze evenwichtsbenadering staat de kinetische benadering, waarbij de reactiesnelheden de hoofdrol spelen. Vrijwel ieder systeem aan het oppervlak van de aarde is aan verandering onderhevig, dus nog niet in evenwicht. Ook zijn er vele systemen in dynamisch evenwicht, d.w.z. er zijn minstens twee processen tegelijk bezig, die elkaar tegenwerken. Het oceaansysteem is daarvan een voorbeeld: door de rivieren wordt een zekere hoeveelheid materiaal aangevoerd, maar door de neerslag op de oceaanbodem wordt een equivalente hoeveelheid materiaal onttrokken; het nettoeffect is een oceaan met een constante samenstelling.
Een ander hoofdthema vormt de geochemische cyclus, gebaseerd op de opvatting dat al het materiaal van de aardkorst deelneemt aan een voortdurende kringloop, waarbij gesteenten door opheffing bloot komen te liggen, aangetast worden door water en CO2 (verwering), getransporteerd worden naar zee (erosie), en dan in sedimenten op de zeebodem weer vastgelegd worden (exogene cyclus). Hierna neemt het materiaal deel aan de endogene cyclus: de gevormde sedimenten worden bedekt door jongere sedimenten, rekristalliseren onder invloed van de hogere temperatuur en druk of smelten op. Dan worden deze gesteenten geplooid en opgeheven, zij dringen als smelt omhoog in de korst, of vloeien uit als lava’s aan het aardoppervlak. Zodra de gesteenten daar zijn aangekomen, begint de cyclus opnieuw (zie afb.). Ieder element, ieder mineraal gaat bij al deze processen zijn eigen weg, zodat bij een gunstige combinatie van omstandigheden ook ertslichamen van zeldzame elementen kunnen worden gevormd. Juist deze schakering van afzonderlijke, maar onderling wel samenhangende geschiedenissen, maakt de geochemie tot een wetenschap met raakvlakken aan velerlei andere disciplines.