Вернадский приглашает для работы широкий круг ученых — минералогов, геологов, химиков: А. Е. Ферсмана, В. Н. Сукачева, Е. Д. Ревуцкую... Начинают издаваться «Труды» Геологического музея, в них печатаются статьи Вернадского и его учеников.
Как кристаллограф, Вернадский занимается исследованием пространственной структуры минералов, отвлекаясь от их динамики. Как почвовед, минералог, геолог он изучает изменение тех же объектов во времени, при этом пространственный аспект часто отодвигается на второй план. Занятия кристаллографией привели Вернадского к проблемам строения материи, зависимости ее свойств и состояния от этого строения. Именно на этом глубинном уровне по его мнению следует искать объяснение непонятным явлениям природы.
Сначала в Метеоритном отделе Минералогического музея, затем в специально организованной Комиссии по метеоритам под его руководством создается коллекция метеоритов. Они представляются Вернадскому продуктами внеземных химических реакций. С их помощью он стремится проникнуть в далекое прошлое минералов Земли.
Жизнь минералов Вернадский связывает с жизнедеятельностью живых клеток. Протягиваются связующие нити от геохимии и минералогии к биогеохимии, которую он только что начинает формировать как науку.
С ростом интереса к явлениям радиоактивности и появлением необходимости изучения месторождений радиоактивных минералов под руководством Вернадского начинается подбор всех известных в те годы радиоактивных минералов. Для этого используются всевозможные пути: экспедиции учеников, поездки за рубеж, обмен с заграничными музеями, подарки зарубежных ученых из минералогических коллекций.
Как своеобразный минерал рассматривает Вернадский воду. Им формируется самостоятельное научное направление — минералогия природных вод. Ее основное содержание: 1) о вездесущности воды в верхней части планеты; 2) о единстве природных вод; 3) о разных формах связи природных вод с окружающей средой (между молекулами воды, между водой и газами, между водой и жидкостями, между водой и твердыми телами, между водой и организмами); 4) о геосферах, слагающих земную кору и ее облекающих, проникнутых каждая своими водами и отвечающими им «неоднородными равновесиями»; 5) диссимметрии земной коры, резко разделяющей воды суши и воды Мирового океана; область диссимметрии распространяется в пределах тропосферы, гидросферы, коры выветривания, стратисферы, метаморфической геосферы и гранитной геосферы; 6) о закономерной смене подземных атмосфер в геосферах, что отражается на газовой составляющей природных вод; 7) о большой зависимости природных вод биосферы от их географического места на поверхности планеты; 8) о динамической, физической, химической зональности природных вод, в том числе и подземных; 9) об энергетике природных водных растворов в земной коре; 10) об основах минералогической классификации природных вод. Работы Вернадского в этой области определили дальнейшие направления в изучении вод Земли в гидрологии и других науках, изучающих природные воды и их связи со средой.
Видный гидрогеолог Н. И. Толстихин, работавший с В. И. Вернадским, считает, что учение Вернадского о природных водах оказало прямое воздействие на следующие исследования в гидрогеологии (начатые еще при жизни ученого): 1) учение о минеральных водах, стимулируя переход от изучения минеральных источников к изучению месторождений минеральных вод и к разработке различных классификаций минеральных вод; 2) учение о физико-географической зональности природных вод, в том числе и подземных вод, и о глубоком проникновении этой зональности в недра Земли; 3) учение о гидродинамических и гидрохимических зонах Земли; 4) учение о связи подземных и поверхностных вод; 5) становление генетической классификации подземных вод; 6) более углубленное изучение свойств подземных вод; 6) более углубленное изучение свойств подземных вод и их анализе (макро- и микрокомпонентного состава), а также анализе газов, органического вещества в водах, изотопии вод и их компонентов (минеральных, газовых и др.); 7) изучение иловых вод озер, морей, океана и вод седиментационных; 8) изучение взаимосвязи физически и химически связанных вод с капельножидкими водами; 9) в палеогидрогеологии — в изучении геологической истории и истории подземных вод; 10) в учении о гидротермальном режиме земной коры, о роли воды в переносе тепла; 11) в изучении роли организмов (биосферы) в формировании природных вод, микробиологии вод, нефтяных вод и газов, нефти; 12) изучение радиоактивности вод — возникновение радиогидрогеологии; 13) учение о месторождениях полезных ископаемых, изучение рудообразующих растворов и флюи- дов (в частности, водных растворов, выносящих рудное вещество из руд и из вмещающих рудное тело пород, а также из магмы); 14) возникновение поисковой гидрогеологии на базе химии и геохимии природных вод и их динамики; 15) учение о гидросфере; 16) мерзлотоведение.
4. От геохимии — к биогеохимии
Генетический подход к изучению почв и минералов, вообще к исследованию природы привел Вернадского к геохимии, которая в начале XX века не имела единой концепции. Вернадский не только выявил закономерности концентрации и рассеяния химических элементов в формировании Земли и ее оболочек (т. е. создал концепцию геохимии), но и наполнил отдельные разделы этой науки конкретным научным содержанием, много сделал для развития прикладных направлений геохимии.
Представления о формах движения материи впервые были разработаны Фридрихом Энгельсом. Основываясь на них, Вернадский представляет миграцию атомов химических элементов как одну из форм движения материи, развивая тем самым естественнонаучные работы Ф. Энгельса. (От знания этих форм наука наших дней перешла к типам миграции химических элементов).
Представление о геохимии как науке об истории земных атомов возникло у Вернадского на фоне новой атомистики, новой химии и физики в тесной связи с тем представлением о минералогии, которое проводилось в Московском университете в 1890—1911 гг. Главная установленная им особенность методологии геохимии — изучение геологических процессов на атомарном уровне. Вернадский теоретически обосновал геохимическую классификацию химических элементов, ввел понятие геохимического цикла, выделил в земной коре термодинамические области, характеризуемые определенными парагенезисами химических элементов. Доказывая химическое единство мира, он увидел в изучении земных атомов путь к познанию Космоса и выдвинул идею о материальном обмене и энергетическом взаимодействии между нашей планетой и Космосом, чем способствовал развитию нового научного направления — метеоритики. В июне 1917 г. Вернадский в письме к жене пишет: «Странно как-то себя и весь ход человеческой истории, со всеми ее трагедиями и личными переживаниями, осмотреть с точки зрения бесстрастного химического процесса природы».
В 1924 г. во Франции вышел его труд «Геохимия». В письме А. Е. Крымскому Вернадский писал: «Эта работа связана с Академией, потому что начал я ее организовывать в Киеве и мечтал, что закончу в Украинской Академии наук. Случилось иначе».
Одна из центральных проблем геохимии — характер и особенности химических реакций в биосфере, химическое ее равновесие. В ряде работ Вернадский излагает идеи о геохимических круговых процессах первого и второго порядков, об их энергии, проявлении свойств химических элементов, пытается найти специфические особенности реакций в различных областях земной коры.
Обобщая данные о деятельности организмов и геохимические изыскания, Вернадский с геохимических позиций выявляет функциональную роль живого вещества как геологическую силу планетарного масштаба, закладывая этим основы биогеохимии. Биолог изучает конкретное проявление жизни, организм или вид; биогеохимик изучает всю совокупность живых организмов, — использование жизни, как отличительного признака изучаемых в биосфере явлений придало геохимии совершенно особый характер. Биологические исследования не могут ограничиваться изучением одного организма, организм нераздельно связан с земной корой и должен изучаться в тесной связи с ее исследованием. В биогенном потоке атомов, движущей силой которого является космическая энергия, проявляется и космическое значение живого вещества. Аккумулирование космической энергии живым веществом, распределение ее в биогеохимических циклах определяет и способность биосферы концентрировать эту энергию. Содержание в организме химических элементов для каждого организма есть видовой признак. Ученый ощущает недостаток научных данных: «Наше познание химического состава живой материи отстало от познания химического состава других ... естественных тел, по крайней мере, на столетие». Поэтому Вернадский организовывает исследования элементного состава организмов, принадлежащих к различным таксонам, при этом разрабатывает оригинальные методики для определения биомассы, химического состава и геохимической энергии видов. Ведь химические исследования живой материи потребовали определения веса организмов, элементарного состава, числового распределения различных соединений, количества и элементарного состава частей организма, влияния организмов и продуктов их разложения на окружение.