La géochimie applique les outils et concepts de la chimie à l'étude de la Terre et , dans une certaine mesure, au-delà, tant que des échantillons sont accessibles à l'investigation chimique. En ce qui concerne la Terre, cette discipline a pour objectif la connaissance des cycles par lesquels la majorité des éléments chimiques sont conduit alternativement en surface et en profondeur au sein de la Terre. Liée à la cosmochimie, elle s'intéresse aux processus de formation planétaires et intraplanétaires, surtout par l'étude des météorites.

Domaines d'application

D'un point de vue applicatif, les buts de la géochimie sont , entre autres :

• la détermination de la composition des différentes enveloppes terrestres, de leur évolution, des hautes couches de l'atmosphère à la graine ;
• la quantification des transferts de matière et d'énergie au sein de la Terre ; l'identification et la quantification des interactions entre ses différentes enveloppes ou réservoirs ;
• l'identification et la caractérisation des processus chimiques, mécaniques, minéralogiques ou autres, qui modifient les compositions chimiques des géomatériaux, provoquant leur différenciation ;
• la détermination de l'âge des roches et des événements ayant affecté la Terre, par le biais de la géochronologie ;
• l'étude des conditions environnementales passées (paléœnvironnements).

Dans ses ramifications théoriques et appliquées, la géochimie couvre autant des processus endogènes qu'exogènes, sur du matériel organique ou non organique. Ainsi, l'application des méthodes de la géochimie à l'étude des êtres vivants a donné naissance à la biogéochimie. Les deux plus grands domaines restent cependant la géochronologie, et l'étude des roches «chaudes» (en profondeur) ou «froides» (en surface), sur Terre ou dans les autres dispositifs planétaires.

Grands principes

Pour un type de matériau et/ou d'unité géologique reconnus, les mesures et études des divers éléments chimiques, et les informations qu'ils peuvent apporter, sont fortement liés à leur abondance relative, ce qu'on nomme la composition chimique du matériau :

• Les éléments plus abondants, qui forment généralement à quelques uns les quelques 95 à 99% du matériau, sont nommés, dans le contexte spécifique de l'étude, éléments majeurs. Cette étude est alors le plus fréquemment menée à l'interface avec la minéralogie, du fait de la tendance de ces éléments à s'organiser en phases plus ou moins définies, les minéraux.
• Les éléments chimiques moins abondants, de l'ordre du pour-cent et nommés, toujours contextuellement, éléments mineurs, peuvent forment, selon les conditions physico-chimiques, des phases, sous forme de minéraux accessoires.
• Enfin le reste des éléments chimiques, présents en particulièrement petites à infimes quantités, sont dits en trace ou encore nommés éléments-traces. Leur comportement lors des processus de différenciation s'explique le plus fréquemment via une application de la théorie thermochimique d'équilibre en milieux dilués, en faisant intervenir une notion de partage de ces éléments sous l'effet de la loi d'action de masse.
• Depuis en gros la premier tiers du XX^è siècle, le développement de la spectrométrie de masse a permis l'extension des mesures chimiques aux mesures isotopiques. Cet aspect, pas à proprement parler "chimique", est cependant complètement sous-entendu et intégré en géochimie, même s'il est quelquefois spécifié sous le terme de géochimie isotopique en complément des géochimies élémentaires (au sens de géochimie des éléments chimiques). Sur le plan pratique, on distingue deux types de variations de rapports isotopiques, celles entre isotopes stables, et celles entre isotopes radioactifs ou radiogéniques :
  • Deux isotopes stables d'un même élément chimique fractionnent entre deux phases, du fait d'effets quantiques, tant que la température n'est pas trop élevée (le terme de fractionnement veut dire que leur rapport d'abondance n'est pas le même entre les deux phases). Une des applications les plus notoires est le paléothermomètre de l'oxygène pour décrypter les évolutions de la température moyenne de l'atmosphère terrestre sur les quatre cents derniers milliers d'années.
  • La radioactivité est la transmutation d'un isotope père, radioactif, en un isotope fils, dit radiogénique. la simplicité de la loi de désintégration radioactive, et son intangibilité, sont la base de la géochronologie, science de la datation absolue.

Bien que ces principes théoriques soient fréquemment emprunts d'une hypothèse d'équilibre thermodynamique, l'importance des métastabilités minérales confrontée aux longues périodes de temps géologiques qui permettent aux processus de diffusion chimique de jouer quelquefois un rôle dans l'évolution cinétique des matériaux, font de la géochimie un domaine singulier comparé à la thermochimie respectant les traditions.

Éléments historiques

L'invention du terme de «géochimie» est attribuée à Schönbein. Initialement extension de la chimie à travers la minéralogie superficielle, la géochimie a acquis un statut de discipline à part entière après la Deuxième Guerre mondiale, au moment du développement de la géologie isotopique (géochronologie absolue). Par son approche transdisciplinaire, la géochimie est un bon exemple de fusion entre plusieurs domaines aux objectifs différents, comme la physique, la biologie, la paléontologie (discipline aussi multidisciplinaire), etc^[1].

Méthodes d'analyse

L'analyse des roches, minéraux et autres géomatériaux fait appel à de nombreux types d'analyses physico-chimiques. En voici quelques unes :

• la micrographie : préparation d'une lame mince de roche et observation au microscope optique, surtout à la lumière polarisée ;
• l'analyse chimique élémentaire : déterminer la composition en éléments d'une roche (concentration massique des différents éléments, généralement traduite sous forme d'oxydes pour les éléments majeurs)  ; originellement faite avec des réactions chimiques (dosages) élément par élément, ces analyses sont désormais faites avec des méthodes physiques globales donnant la concentration en l'ensemble des éléments comme la spectrométrie de masse à source plasma ou la spectrométrie de fluorescence X ;
• l'analyse de phase par diffraction de rayons X : on a accès à la structure cristalline des composants, et on peut par conséquent déterminer la nature des phases, par exemple reconnaître les différentes formes de cristallisation de la silice ou bien savoir si le calcium est présent sous forme de CaO ou de CaCO₃.

Voir aussi

• Géologie isotopique :
  • Paléoclimatologie ;
  • Paléœnvironnement ;
  • Radiochronologie ;
• Disciplines :
  • Cosmochimie ;
  • Géologie ;
  • Minéralogie ;
• Scientifiques :
  • Victor Goldschmidt, co-fondateur avec Vladimir Vernadsky de la géochimie moderne et de la cristallographie ;
  • Claude Allègre, principal organisateur du développement de la géochimie en France^[2], au CNRS ainsi qu'à l'IPGP^[3].

Notes et références

Principaux mots-clés de cette page : éléments - chimique - géochimie - étude - terre - phases - analyse - processus - roches - isotopiques - isotopes - mesure - discipline - domaines - application - composition - géochronologie - forme - sein - différentes -

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