1. Направления исследований:
• Органическая геохимия. Химическое содержание процессов, сопровождающих превращение биологического вещества в ископаемые формы. Эволюция отдельных биохимических компонентов: лигнина, аминокислот, порфиринов, липидов;
• Теоретическое и экспериментальное развитие геохимии изотопов углерода;
• Исследования в океане. Лаборатория активно участвовала в программе глубоководного бурения в океане, в том числе на борту буровых судов "Гломар Челленджер" и "Джоидес Резольюшен". Организовывала рейсы НИС "Академик Борис Петров";
• Нефтеобразование. Проблема происхождения нефти. Решение практических задач нефтяной геологии на месторождениях Пермского Прикамья, Западной Сибири, Тимано-Печорского региона, Баренцева моря;
• Геохимия углеводородных газов. Источники, механизм и зональность газообразования. Решение практических задач геологии газа на месторождениях Западной Сибири;
• Биологическое фракционирование изотопов. Экспериментальное исследование внутримолекулярных и межмолекулярных изотопных эффектов в биомолекулах. Теория фракционирования изотопов в биологических системах;
• Алмазы. Вариации изотопного состава углерода алмазов из метеоритов, кимберлитовых трубок, россыпей и ударного метаморфического генезиса, алмазов содержащих разный парагенезис минеральных включений, имеющих разную морфологию и внутреннее строение. Экспериментальное и теоретическое исследование кавитационного синтеза алмазного вещества:
а)влияние динамических параметров кавитационного процесса на структуру алмазного вещества;
б)влияние структуры и состава углеродосодержащей рабочей жидкости на кавитационный синтез алмазного вещества;
• Глобальные изменения изотопного баланса углерода в биосфере;
• Углерод в истории формирования планет и Луны;
• Физико-химическое и математическое моделирование возможных процессов предбиологической эволюции.
•Модернизация экспериментальной установки моделирующей реакции первичной атмосферы Земли.
2. Методы анализа и аппаратура:
• Масс-спектрометрический изотопный анализ;
• Хроматография;
• СHNO-анализ;
• пиролиз.
3. Достижения:
В 1968 г. опубликовал фундаментальный труд Галимова Э.М. «Геохимия стабильных изотопов углерода» (1968), в котором впервые систематически изложена геохимия изотопов отдельного химического элемента, имеющего наиболее сложную геохимическую историю.
Впервые были установлены закономерности распределения изотопов в разных фракциях нефти, смолах, асфальтенах и индивидуальных углеводородов. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования по термодинамике и кинетике изотопных реакции в углеводородных системах. Составлены таблицы полученных изотопных термодинамических величин, которые легли в основу интерпретации поведения изотопов в системах, содержащих органические соединения. Эти пионерские разработки опередили аналогичного рода исследования, проводившиеся за рубежом. Результаты проведенных изысканий обобщены в монументальной книге Э.М. Галимовым «Изотопы углерода в нефтегазовой геологии» (1973), которая была переведена в 1975 г. на английский язык в США.
В 1974-1977 гг. были получены уникальные данные по распределению изотопов внутри молекул хлорофилла, порфиринов, мономеров лигнина. Выявилось принципиальное различие распределения изотопов в биомолекулах и их синтетических аналогах. Предложен новый метод распознавания биогенных и абиогенных соединений, позволивший решить, в частности, спор об «органическом или неорганическом» происхождении нефти. Была создавал теорию изотопных эффектов в органических соединениях. Разработал метод изотопических чисел связей. Введено в химию изотопов представление о внутримолекулярных изотопных эффектах. Впервые были вычислены β-факторы (внутримолекулярный изотопный эффект) для тяжелых углеводородов (пропана, бутана, бензина, толуола и других).
В середине 70-х годов Э.М. Галимовым совместно с А.Л. Бучаченко, Ю.Н. Молиным и Р.З. Сагдеевым был открыт ядерно-спиновый изотопный эффект (научное открытие №300, 1976 г.). В 1982 г. были сформулированы принципы аддитивности в изотопной термодинамике. Установлено явление закономерного, зависящего от химического строения (термодинамически упорядоченного), распределения изотопов в биомолекулах. Итоги многолетних исследований были обобщены в монографии Э.М. Галимова «Природа биологического фракционирования изотопов» (1984), переведенной на английский язык в 1985 г. в США.
В 1976 г. сотрудники лаборатории приняли участие в экспедиции бурового судна «Гломар Челленджер». По исследованиям геохимии дна океана в 1982 была опубликована книга Э.М. Галимова и Л.А. Кодиной «Исследование органического вещества и газов в осадочной толще дна Мирового океана», в которой обсуждаются вопросы эволюции органического вещества в специфических условиях глубоководных океанических отложений.
В 1973 г. была опубликована работа Э.М. Галимова «Кавитация как механизм синтеза природных алмазов», а в журнале «Nature» - статья «Possibility of Natural Diamond Synthesis under Conditions of Cavitation occurring in a Fast-moving Magmatic Melt» (1973), в которой была предложена гипотеза о возможности образования алмазов при возникновении кавитации в быстротекущей магматической жидкости. Э.М. Галимов совместно с Н.В. Соболевым установил в конце 70-х годов различие изотопных характеристик алмазов ультраосновного и основного (эклогитового) парагенезиса. Позже были исследованы другие формы углерода, связанные с кимберлитовым магматизмом - карбонаты, органический углерод, включения в оливинах и пиропах, сопутствующих алмазам. Это нашло отражение в работе Э.М. Галимова «Isotope fractionation related to kimberlite magmatism and diamond formation» (1991), где представлена модель алмазообразования и поведения эндогенных форм углерода в мантии.
В 2008 г. для доказательства теории кавитационного синтеза алмазов были проведены эксперименты по симметричному кавитационному коллапсу в среде бензола с использованием экспериментальной установки, выполненной на базе Кафедры внутриствольной баллистики МВТУ.
Показано, что при выполнении двух противоположно направленных взрывов пороховых зарядов с интервалом 20—50 мкс имеет место образование кластеров алмазного вещества размером 30—60 мкм в форме правильных додекаэдров. Полагая исходный размер кавитационных полостей (пузырей) равным 1 мм, можно считать, что имеет место сжатие полостей по объему в 8—10 тыс. раз менее, чем за 10-3 сек, что соответствует повышению температуры в кавитационной полости до 2—3 тыс. градусов и увеличению давления до 2—3 тыс. кг/см2. Эти параметры являются первой оценкой термодинамических условий при симметричном кавитационном коллапсе. Такие условия отвечают области устойчивого состояния алмазного вещества, что и показали проведенные эксперименты. Алмазная природа возникающих в данных условиях новообразований доказана соответствием их Раман-спектров спектрам заведомых природных алмазов.
В 1986 г. в лаборатории был впервые разработан изотопно-фракционный метод выявления нефтематеринских пород, позволяющий определять отложения, которые давали начало той или иной залежи нефти. Это было важно для оценки запасов и планирования разведочных работ на месторождениях многих регионов страны. В 1988 г. была сформулирована новая концепцию газообразования, на ранней стадии превращения гумусового органического вещества, которая позволила объяснить происхождение гигантских скоплений газа в сеноманских отложениях Западной Сибири. Установлена связь между изотопным составом природных газов и степенью зрелости органического вещества. Сформулирован механизм образования углеводородных газов. Разработан механизм корреляции нефть-нефть, нефть-горная порода, основанная на сопоставлении картины изотопного распределения в тех же самых фракциях нефти и органического вещества. Метод был успешно применен для идентификации нефтематеринской породы в Волго-Уральском и Западно-Сибирском районах.
Проблемы глобальной планетологии, ранней истории Земли и космохимии являются предметом давних научных интересов Э.М. Галимова. В 1966 г. он выдвинул гипотезу аккреции вещества верхней оболочки Земли из протопланетного вещества типа углистых хондритов. Концепция и ее варианты получили широкое распространение. В 1972 г. был исследован изотопный состав углерода лунного грунта, доставленного автоматической станцией «Луна-16». Был создан сценарий ранней истории Земли, включавшей представление о богатых водой и органическим веществом углистых хондритах, как источнике воды и предбиологических соединений на Земле. Разработана модель восстановительной эволюции Земли, вызванной многоэтапным образованием коры.
В 90-е годы Э.М. Галимов основал научную школу «Глобальный цикл углерода: мантия-кора-океан-атмосфера», в которой развиваются три крупных направления:
1. Геохимия органического углерода, включая геохимию нефти и углеводородных газов, механизм метанообразования, поведение органического вещества и газов в осадках Мирового океана, битуминологии и спектральный анализ.
2. Изотопная геохимия, включая теорию фракционирования изотопов, изотопный состав углерода в природных объектах, масс-спектрометрия и изотопный анализ.
3. Углерод в планетарном цикле, включая проблемы происхождения Луны и ранней истории Земли, условия зарождения биосферы, механизмы образования алмазов, поведение углерода в условиях мантии.
