Ģeoķīmija pēta ķīmisko elementu un to izotopu daudzumu un to ietekmējošos procesus (ķīmiskās pārvērtības, jaunu cieto, šķidro un gāzveida fāzu veidošanās un mijiedarbība starp tām) Zemes daļās: kodolā, mantijā, garozā, hidrosfērā, atmosfērā un biosfērā. Atšķirībā no mineraloģijas, kuras izpētes objekti ir dabā sastopamie cietie savienojumi – minerāli –, ģeoķīmijas izpētes objekts ir ķīmiskie elementi.

Ģeoķīmijas praktiskā nozīme saistīta ar daudzveidīgu derīgo izrakteņu izpēti, sākot no metālu rūdām līdz pat pazemes ūdens resursu veidošanās apstākļiem, ieguves un izmantošanas iespējām. Ģeoķīmija pēta daudzus ar vidi saistītus jautājumus, piemēram, vides piesārņojumu, piesārņojuma pārvietošanos un pārveidošanos dabā, t. sk. klimata mainības cēloņus un sekas. Piemēram, ar ģeoķīmijas metodēm, analizējot ledājos ieslēgtās gāzes, secināts, ka pirms industriālās revolūcijas ogļskābās gāzes (CO₂) saturs atmosfērā bija 0,028 tilpuma-%. 18. gs. beigās, līdz ar tvaika mašīnas izgudrošanu un plašu lietojumu, strauji pieauga ogļskābās gāzes saturs atmosfērā, kas 2015. gadā pārsniedza 0,04 tilpuma-% un turpina pieaug. Šīs šķietami niecīgās izmaiņas ir ļoti nozīmīgas, jo ogļskābās gāzes koncentrācija atmosfērā ir viens no galvenajiem faktoriem, kas regulē Zemes atmosfēras temperatūru. CO₂ trīs atomu molekula, atšķirībā no citām atmosfēras gāzēm (slāpeklis N₂, skābeklis O₂, argons Ar), efektīvi absorbē siltuma starojumu, tādējādi veicinot siltuma enerģijas uzkrāšanos atmosfērā. CO₂ saturs atmosfērā pieaug cilvēka darbības rezultātā, galvenokārt izmantojot fosilo kurināmo un atmežojot teritorijas.

Viena no centrālajām ģeoķīmijas izpētes tēmām ir iežu cikls: magmas veidošanās, vulkānisms, iežu dēdēšana, nogulumiežu uzkrāšanās un metamorfisms, ko papildus ietekmē ķīmisko elementu riņķojums atmosfērā, hidrosfērā un biosfērā. Mūsdienās daudzu ķīmisko elementu apritē cilvēka loma ir salīdzināma vai pat pārsniedz dabiskos procesus.

Ģeoķīmija ir starpdisciplināra zinātnes nozare, jo tā izmanto ķīmijas metodes, lai risinātu ģeoloģijas problēmas. Ģeoķīmija robežojas arī ar vides zinātni, bioloģiju, ekoloģiju, atmosfēras fiziku u. c. zinātnes nozarēm. Ģeoķīmija ir saistīta arī ar kosmoloģiju, jo viens no tās pētījumu virzieniem ietver Zemes kā planētas veidošanos un ķīmisko elementu izplatību uz Zemes un Saules sistēmā kopumā.

Ģeoķīmijas apakšnozares ir reģionālā ģeoķīmija (ķīmisko elementu reģionālā sadalījuma pētījumi), izotopu ģeoķīmija (stabilo un radioaktīvo izotopu sastopamības likumsakarības), bioģeoķīmija (bioloģisko sistēmu ietekme uz neorganisko komponentu sadalījumu un migrāciju Zemes sistēmās), un tās pretmets – organiskā ģeoķīmija (organisko savienojumu loma un izmaiņas ģeoloģiskajā vidē un procesos), kas ietver naftas un gāzes ģeoķīmiju (ogļūdeņražu veidošanās, pārvietošanās un degradācija ģeoloģiskajā vidē), hidroķīmija (dabas ūdeņu ķīmiskā sastāva un tā veidošanās likumsakarību pētījumi), litoģenēzes ģeoķīmija (iežu un nogulumu ķīmiskā sastāva veidošanās), jūru un okeānu ģeoķīmija (pasaules okeāna kā ģeoķīmiskās sistēmas izpēte), derīgo izrakteņu ģeoķīmija (derīgo izrakteņu meklēšana, izmantojot ģeoķīmiskās metodes) un citas.

Ķīmiskos elementus grupē atbilstoši to uzvedībai ģeoķīmiskajās pārvērtībās un sadalījumam Zemes kodolā, mantijā, garozā, hidrosfērā un atmosfērā.

Pirmo ģeoķīmisko elementu klasifikāciju 20. gs. sākumā izstrādāja norvēģu ģeoķīmiķis Viktors Goldšmits (Victor Moritz Goldschmidt), dalot visus ķīmiskos elementus četrās grupās, kas atspoguļo to izplatību. Atmofīlie elementi – ūdeņradis (H), slāpeklis (N), ogleklis (C) un cēlgāzes – koncentrējas Zemes atmosfērā un hidrosfērā. Litofīlie elementi – silīcijs (Si), skābeklis (O), alumīnijs (Al), sārmu un sārmzemju metāli, daudzi pārejas grupas metāli – veido Zemes garozas silikātu iežu pamatmasu vai ir sastopami kā piejaukumi tajos. Halkofīlie elementi – sērs (S), varš (Cu), cinks (Zn), gallijs (Ga), germānijs (Ge) – veido sulfīdu minerālus, piemēram, kā sfalerīts (cinka sulfīds, kurā gandrīz vienmēr daļa cinka atomu ir aizstāti ar dzelzs atomiem, (Zn, Fe)S). Siderofīlie elementi – dzelzs (Fe), kobalts (Co), niķelis (Ni), platīna grupas elementi un zelts (Au), daļēji arī fosfors (P) – veido metālisko, tīrradņu fāzi.

V. Goldšmita klasifikācijas ķīmisko elementu grupas atspoguļo meteorītu sastāvu, kur litofīlie elementi veido akmens (silikātu) fāzi, halkofīlie elementi – sulfīdu (triolītu) fāzi un siderofīlie elementi atrodami dzelzs meteorītos. Klasifikācija atspoguļo arī ķīmisko elementu dalījumu galvenajās Zemes daļās (kodolā, mantijā, garozā, atmosfērā un hidrosfērā). Siderofīlie elementi atrodas Zemes kodolā, ko pamatā veido dzelzs un niķelis. Litofīlie elementi veido Zemes mantiju un garozu, kas sastāv pārsvarā no silikātu minerāliem. Halkofīlie elementi visaugstākajās koncentrācijās atrodami sulfīdu rūdās. Zemes atmosfēru un hidrosfēru viedo atmofīlie elementi. Ir izstrādātas arī citas, detalizētākas ķīmisko elementu ģeoķīmiskās klasifikācijas sistēmas. Piemēram, amerikāņu ģeoķīmiķis Viljams M. Vaits (William M. White) 20.–21. gs. mijā izdalīja deviņas ķīmisko elementu grupas: gaistošie elementi, daļēji gaistošie elementi, dominējošie elementi, pirmās sērijas pārejas grupas metāli, liela lauka spēka elementi (high field strength elements), cēlmetāli, sārmu un sārmzemju metāli, retzemju un līdzīgie elementi un urāna (U) un torija (Th) radioaktīvās sabrukšanas sērijas elementi.

Vairāk nekā 99 % Zemes garozas un mantijas masas viedo tikai astoņi ķīmiskie elementi – skābeklis (O), silīcijs (Si), alumīnijs (Al), dzelzs (Fe), kalcijs (Ca), nātrijs (Na), kālijs (K) un magnijs (Mg). Skābekļa masas daļa Zemes garozā ir 47,0 % un silicija – 29,5 %, tāpēc silikāti (minerāli, ko veido skābekļa un silīcija savienojums ar citiem ķīmiskajiem elementiem) ir izplatītākā minerālu grupa. Pārējie ķīmiskie elementi visbiežāk sastopami cieto šķīdumu veidā pamatelementu veidotajos minerālos. Retāk sastopamie elementi minerālos aizstāj pēc ķīmiskajām īpašībām līdzīgu, biežāk sastopamu elementu atomus. Reti sastopamie elementi, kuru īpašības nelīdzinās nevienam no dominējošiem elementiem, viedo paši savus, aksesoros, minerālus, kas veido niecīgu daļu no ieža kopējās masas.

Zemes garoza veidojas vidusokeānisko grēdu zonās, daļēji kūstot mantijai. Magmā nonāk ķīmiskie elementi, kas viedo vieglāk kūstošos minerālus, kā arī reti sastopamie ķīmiskie elementi, kuru ķīmiskās īpašības būtiski atšķiras no pamatelementu ķīmiskajām īpašībām. Magmai sacietējot, veidojas Zemes garoza, kas, salīdzinājumā ar mantiju, ir bagātināta ar gaistošajiem un nesavietojamiem, reti satopamajiem ķīmiskajiem elementiem.

Ģeoķīmiskais cikls ir secīgu ģeoķīmisko procesu kopums, kurā ķīmiskie elementi pēc migrācijas atgriežas sākuma stāvoklī. Galvenie ģeoķīmiskie cikli ietver vielas apmaiņu starp Zemes garozu un mantiju, t. sk. magmas veidošanos, diferenciāciju un kristalizāciju, vielas transportu tektoniskos un hidrotermālos procesos, iežu dēdēšanu, dēdēšanas produktu pārvietošanu, Zemes atmosfēru, pasaules okeānu, nogulumiežu uzkrāšanos, diaģenēzi un metamorfismu. Ģeoķīmiskos ciklus bieži vizualizē ar rezervuāru un procesu modeļiem. Rezervuāri ir relatīvi homogēnas Zemes daļas, piemēram, atmosfēra, pasaules okeāni, augšējā mantija, biosfēra u. c., kur uzkrājas nozīmīga dotā ķīmiskā elementa vai savienojuma masa. Savukārt ar procesu modeļiem raksturo vielas pārneses ātrumu un mehānismu no viena rezervuāra uz citu.

Analītiskā ķīmija un termodinamika veido ģeoķīmijas faktu materiālu un teorētisko bāzi. Ģeoķīmisko pētījumu faktisko materiālu visbiežāk veido dabas materiālu ķīmiskā sastāva analīžu rezultāti. Savukārt iegūtais materiāls teorētiskā līmenī tiek analizēts, izmantojot termodinamiskos aprēķinus. Dabā visbiežāk sastopami dažādu vielu un atšķirīga sastāva fāzu maisījumi, ko iespējams aprakstīt tikai ar komplicētiem termodinamiskajiem aprēķiniem. Tāpēc praksē ģeoķīmisko pārvērtību simulēšanai un novērojumu datu interpretācijai plaši izmantoto datorsimulācijas. Piemēram, pazemes ūdens ķīmiskā sastāva veidošanās bieži tiek simulēta ar Amerikas Savienoto Valstu (ASV) Ģeoloģijas dienesta (United States Geological Survey, USGS) izstrādāto PHREEQC datorprogrammu. Teorētiskie aprēķini, t. sk. matemātiskā modelēšana, tiek balstīti uz eksperimentāli noteiktām ķīmisko savienojumu termodinamiskajām konstantēm, tāpēc šiem teorētiskajiem aprēķiniem piemīt eksperimentālajiem pētījumiem raksturīgā nenoteiktība.

Ģeoķīmija izveidojās 20. gs. sākumā, bet terminu ieviesa vācu fiziķis Kristiāns Frīdrihs Šēnbeins (Christian Friedrich Schönbein) jau 1838. gadā, paredzot šī jaunā pētījumu virziena parādīšanos.

Ģeoķīmijas kā atsevišķas zinātnes nozares aizsākumu iezīmē amerikāņu zinātnieka Frenka Viglsvērta Klārka (Frank Wigglesworth Clark) iecelšana par ASV Ģeoloģijas dienesta galveno ķīmiķi 1884. gadā. Viņa vadībā tika veiktas lauka ekspedīcijās ievākto un iesūtīto iežu un minerālu paraugu ķīmiskā sastāva analīzes. Balstoties uz šo iespaidīgo un nepārtraukti augošo datu kopu, viņš spējā noskaidrot izplatītāko iežu grupu un visas Zemes garozas vidējo ķīmisko sastāvu, kas apkopotā veidā tika publicēts kā ASV Ģeoloģijas dienesta biļetens Nr. 330 ar nosaukumu “Ģeoķīmijas dati” (The Data of Geochemistry, 1908). Godinot F. Viglsvērta Klārka devumu, vidējo ķīmisko elementu saturu Zemes sistēmās 1923. gadā ierosināja saukt par klarkiem.

Krievu zinātnieks Vladimirs Vernadskis (Влади́мир Ива́нович Верна́дский) ir bioģeoķīmijas pamatlicējs un viens no pirmajiem formulējis noosfēras koncepciju, atzīstot, ka cilvēka darbības ietekme uz vidi ir salīdzināma ar ģeoloģisko procesu ietekmi.

Krievu zinātnieks Aleksandrs Fersmans (Александр Евгеньевич Ферсман) veica fundamentālus derīgo izrakteņu pētījumus, atklājot daudzas nozīmīgas atradnes Krievijā, piemēram, apatītu iegulas Hibīnu kalnos, sēra atradnes Vidusāzija un citas. Viņa nozīmīgākais devums ir fundamentāls četru sējumu darbs “Ģeoķīmija” (Геохимия, 1933–39).

Ģeofizikālās laboratorijas dibināšana Kārnegija zinātnes institūtā Vašingtonā (Geophysical laboratory Carnegie Institution for Science) 1904. gadā ir nozīmīgs pavērsiens ģeoķīmijas zinātnes attīstībā, jo tur aizsākās eksperimentālie ģeoķīmisko parādību pētījumi.

20. gs. 50. gados parādījās plašas iespējas veikt dabas materiālu ķīmiskā sastāva un izotopu satura analīzes un attīstījās nopietna sadarbība starp ģeologiem, ķīmiķiem un fiziķiem, tādējādi iezīmējot ģeoķīmiju kā pastāvīgu zinātnes nozari.

Ģeoķīmijas jēldatus pamatā veido iežu un fluīdu ķīmiskā sastāva analīžu rezultāti, tāpēc analītisko metožu attīstība ir būtisks priekšnoteikumus ģeoķīmijas zinātnes attīstībai. 1912. gadā vācu fiziķis Makss fon Laue (Max von Laue) atklāja, ka atomu izvietojums kristālā ir režģis rentgenstaru kūļa difrakcijai. 1913. gadā angļu fiziķis Viljams Lorenss Bregs (William Lawrence Bragg) rentgenstaru difrakciju kristāla režģī izmantoja, lai noskaidrotu halīta (akmens sāls, vārāmā sāls) kristāla uzbūvi. 20. gs. 20. gados V. Goldšmits ar kolēģiem Oslo Universitātē (Universitetet i Oslo), izmantojot šo metodi, noskaidroja daudzu citu minerālu uzbūvi. Pētījumu rezultāti tika publicēti rakstu sērijā “Elementu sadalījuma ģeoķīmiskie likumi” (Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente, 1923–27), kas, neskatoties uz nosaukumu, pamatā apskata neorganisko savienojumu kristāla režģa uzbūvi.

20. gs. 30. gados tika radīti daudzi jauni tērauda sakausējumi, kas eksperimentālajiem petrologiem deva iespēju pētīt procesus ļoti augstās temperatūrās un spiedienos, simulējot apstākļus, kādi valda dziļi Zemes garozā un mantijas augšējā daļā. Mūsdienās ierīcē, ko sauc par dimanta kalvi (diamond anvil), ir iespējams radīt Zemes kodolam raksturīgus spiediena un temperatūras apstākļus. Augsto spiedienu fizikas pamatlicējs ir amerikāņu fiziķis Pērsijs Viljamss Bridžmens (Percy Williams Bridgman), savukārt kanādiešu ģeologs Normens Bovens (Norman Levi Bowen), strādājot Ģeofizikālajā laboratorijā Kārnegija institūtā, veica plašus eksperimentālus augstas temperatūras silikātu sistēmu fāzu līdzsvara pētījumus.

Radioaktīvo izotopu izmantošana ģeohronoloģijā sākās 20. gs. sākumā līdz ar radioaktivitātes atklāšanu. Plašāki izotopu pētījumi ģeoķīmijā sākās 20. gs. 30. gados, kad tika izgudrots augstas precizitātes masas spektrometrs. Amerikāņu fiziķa Alfreda Niera (Alfred Otto Carl Nier) 1947. gadā Minesotas Universitātē (University of Minnesota) izstrādātais vienkāršais, bet precīzais masas spektrometrs kļuva finansiāli pieejams daudzām ģeoķīmijas laboratorijām pasaulē. Izotopu ģeoķīmija arī mūsdienās ir zinātnes nozare, kas strauji attīstās.

20. gs. otrajā pusē tika attīstītas daudzas jaunas analītiskās metodes, kas ļāva ģeoķīmiķiem arvien precīzāk un ar mazākām izmaksām noteikt iežu ķīmisko sastāvu, t. sk. mikrokomponentu satura analīzes. Jaunās zināšanas par mikrokomponentu saturu deva būtisku ieguldījumu magmatisko un tektonisko procesu izpratnei un priekšstatiem par Zems mantijas uzbūvi un attīstību. 19. gs. 40. gadu beigās Francijā un Krievijā neatkarīgi izgudrotā elektronu mikrozonde ģeoķīmiķiem ļauj ieraudzīt smalkus ķīmiskā sastāva gradientus monolītos paraugos, piemēram, minerālu kristālos, dodot iespēju attīstīties ģeoķīmiskās kinētikas pētījumiem.

Zemes garozas un mantijas sastāvs un īpašības, plātņu tektonikas vēsture, Zemes un Mēness binārās sistēmas izcelsme, Zemes klimats ģeoloģiskajā vēsturē ir daži no jautājumiem, kas mūsdienās ir aktuāli ģeoķīmiskos pētījumos.

Zemes mantijas un garozas fizikālās īpašības (viskozitāte, blīvums un tā atkarība no temperatūras un spiediena, kušanas temperatūra un spiediens) un attiecīgi arī plātņu tektonika ir tieši atkarīgas no mantijas ķīmiskā sastāva. Gandrīz vienīgās liecības, kas saglabājušās no Saules sistēmas pirmsākumiem, ir dažādu kosmisko objektu ķīmiskais sastāvs, kas izpaužas kā niecīgas atšķirības mikroelementu vai izotopu koncentrācijā.

Svarīgāko Zemes virsmas sistēmu (dažādu iežu tipu) ķīmiskais sastāvs mūsdienās pamatā ir noskaidrots, bet diskusijas par Zemes dziļāko sfēru – augšējās un apakšējās mantijas un kodola – ķīmisko sastāvu turpinās. To ir iespējams izzināt tikai netiešā veidā, analizējot to seismiskās īpašības, veicot precīzus masas bilances aprēķinus vai eksperimentālā ceļā. Ierīcē, ko sauc par dimanta kalvi, ir iespējams īslaicīgi radīt Zemes mantijai un pat kodolam raksturīgos temperatūras un spiediena apstākļus, radot iespēju pārbaudīt hipotēzes par noteikta ķīmiskā sastāva materiāla fizikālajām īpašībām un to atbilstību novērojumiem. Piemēram, zinātnieki uzskata, ka Zemes kodols sastāv pamatā no dzelzs ar nelielu niķeļa piejaukumu, līdzīgi kā metāliskā fāze dzelzs meteorītos. Tiek uzskatīts, ka dažus procentus no kodola masas veido arī kāds vieglāks ķīmiskais elements, kas varētu būt sērs (S), ogleklis (C), skābeklis (O) vai kāds cits.

Ģeoķīmijas attīstību nosaka analītisko metožu attīstība. Mūsdienās dažādu iežu tipu pamatkomponentu ķīmiskais sastāvs ir noskaidrots, bet mikrokomponentu pētījumi turpinās. Ar augstas izšķirtspējas masas spektrometriem var noteikt gandrīz visu ķīmisko elementu stabilo un radioaktīvo izotopu saturu iežos, kas savukārt rada jaunas iespējas izzināt iežu veidošanās un ģeoloģiskās vēstures apstākļus. Dažādi organiskie savienojumi, piemēram, lipīdi, tiek izmantoti kā paleovides indikatori, lai izzinātu veģetācijas attīstību ģeoloģiskajā pagātnē. Stabilo izotopu attiecības bieži ir vienīgā liecība par Zemes veidošanās pirmsākumiem vai ģeoloģiskajiem procesiem dziļi zem Zemes virsmas, tāpēc šī joma ir aktīvas izpētes lauks. Piemēram, lantanoīdu grupas retzemju elementu samārija (Sm) un neodīma (Nd) radioaktīvo un stabilo izotopu sistēma tiek izmantota, lai noteiktu, kā Zemes vēsturē ir mainījies Zemes garozas apjoms salīdzinājumā ar Zemes mantiju. Tādējādi ģeoķīmija ir viena no būtiskākajām nozarēm Zemes ģeoloģiskās vēstures izzināšanā.

Mūsdienās cilvēku darbība aizvien vairāk nosaka dažādus ģeoloģiskos procesus. Piemēram, cilvēka darbības rezultātā būtiski mainās Zemes atmosfēras ķīmiskais sastāvs: 2016. gadā ogļskābās gāzes koncentrācija neatgriezeniski pārsniedz 400 daļas uz miljonu, lai gan pēdējos desmit tūkstošus gadu tā bija 290 daļas uz miljonu. Oglekļa ģeoķīmiskā cikla izpēte ir viens no dinamiskākajiem ģeoķīmijas pētījumu virzieniem, jo ogļskābās gāzes daudzums atmosfērā ir viens no svarīgākajiem faktoriem, kas Zemes vēstures gaitā ir regulējis tās temperatūru.

Ņemot vērā starptautiski atzīto zinātnisko rakstu skaitu pēc 2000. gada, galvenās ģeoķīmijas nozares pētniecības iestādes atrodas Ķīnā. Nozīmīgākās - Ķīnas zinātņu akadēmija (Chinese Academy of Sciences), Ķīnas zemes zinātņu universitāte Pekinā (China University of Geosciences), Ķīnas zemes zinātņu universitāte Uhaņā (China University of Geosciences) un citas. Starp desmit galvenajām institūcijām tikai divas atrodas ārpus Ķīnas. Tās ir ASV Ģeoloģijas dienests (United States Geological Survey) un Krievijas zinātņu akadēmija (Российская академия наук). Eiropā nozīmīgākās pētniecības institūcijas ir Francijas nacionālais zinātniskās pētniecības centrs (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS), Šveices federālais tehnoloģiju institūts Cīrihē (Eidgenossische Technische Hochschule) un GEOMAR – Helmholca okeāna izpētes centrs Ķīlē (GEOMAR – Helmholtz Zentrum für Ozeanforschung). Nozīmīgas pētniecības institūcijas ir arī Lielbritānijā, Itālijā, Austrālijā un Japānā.

Vēsturiski nozīmīgs periodiskais izdevums ir Geochimica et Cosmochimica Acta (kopš 1950. gada, The Geochemical Society, Meteoritical Society); Geochemical Perspectives (kopš 2012. gada; European Association of Geochemistry); Reviews in Mineralogy and Geochemistry (kopš 1974. gada; Mineralogical Society of America, The Geochemical Society), Global Biogeochemical Cycles (kopš 1987. gada; American Geophysical Union); Geochemistry, Geophysics, Geosystems (kopš 2000. gada; American Geophysical Union).