ژئوشیمی از دو کلمه Geo به معنی زمین و chemistry به معنی شیمی تشکیل شده است. در سادهترین شکل ژئوشیمی را میتوان به عنوان علمی تعریف کرد که با شیمی کل زمینی و اجزای تشکیل دهنده آن سرو کار دارد. علم ژئوشیمی به تعبیری هم محدودتر و هم گستردهتر از زمین شناسی میباشد. این علم با توزیع و مهاجرت عناصر شیمیایی در درون زمین و در ابعاد زمان و مکان سرو کار دارد. علم رخداد و توزیع عناصر در جهان ، بطور کلی شیمی فضایی نامیده میشود. جهت درک درست شیمی زمین حائز اهمیت است که تا حد امکان از شیمی و تاریخ خورشید و سایر اجسام سیارهای منظومه شمسی و همچنین شیمی ستارگان و فضای بین سیارهای و میان ستارهای مطلع باشیم. بطور کلی وظایف اصلی ژئوشیمی را میتوان به صورت زیر خلاصه کرد :
تعیین فراوانی نسبی و مطلق عناصر و انواع اتمها ( ایزوتوپها ) در زمین.
مطالعه توزیع و مهاجرت هر یک از عناصر در بخشهای مختلف زمین ( اتمسفر ، هیدروسفر ، پوسته و غیره ) و همچنین در کانیها و سنگها به منظور کشف اصول اداره کننده این توزیع و مهاجرت.
تاریخچه ژئوشیمی
علم ژئوشیمی عمدتا در طی قرن اخیر توسعه یافته است. با این وجود ، مفهوم نظامی مستقل که با شیمی زمین سر و کار داشته باشد، مفهوم کهن است و واژه ژئوشیمی نیز برای اولین بار توسط شیمیدان سوئیسی به نام شون بین (کاشف اوزون) ، در سال 1838 معرفی گردید. مفهوم جدید یک عنصر را میتوان به زمان لاووازیه و کتاب معروف وی در مورد عناصر شیمیایی ( 1789 ) نسبت داد.
در سال 1860 بنزن و کیرشف چگونگی کاربرد طیف سنج در تشخیص و شناسایی عناصر را به نمایش گذاشتند، پس از آن عناصر Cs ، Rb و Tl به سرعت و پی در پی به وسیله این دستگاه جدید کشف شدند. با بر پا شدن سازمان زمین شناسی آمریکا در سال 1884 و انتخاب کلارک به عنوان شیمیدان اصلی ، سازمانی مرکزی برای تحقیقات شیمیایی زمین ، در قاره آمریکا بنا نهاده شد.
تاسیس آزمایشگاه ژئوفیزیکی بوسیله موسسه کارنگی واشنگتن در 1904 ، موجب پیدایش پیشرفتهای بزرگی در ژئوشیمی گردید. گلدشمیت که در سال 1911 از دانشگاه آسلو ، فارغالتحصیل گردید، رساله دکترای وی کمکی اساسی به ژئوشیمی بود.
سال 1912 ، از بسیاری جهات میتواند تاریخی حیاتی برای توسعه و پیشرفت علم ژئوشیمی به حساب آید. در این سال فونلو نشان داد که ترتیب قرار گرفتن منظم اتمها در بلورها میتواند به صورت شبکه انکساری در مقابل اشعههای ایکس عمل کند و بنابراین به اکتشافی دست یافت که میتوانست ساختار اتمی اجسام جامد را تعیین کند.
یک مرکز مهم ژئوشیمی نیز در سال 1917 در اتحاد جماهیر شوروی تاسیس شد. بزرگان نامی این مرکز را ورنادسکی و همکاران جوانتر وی ، فرسمن و وینوگرادف تشکیل میدادند. بازدهی علمی این مرکز بسیار زیاد بوده است. ژئوشیمی در اتحاد جماهیر شوروی بخصوص در راستای جستجو و استخراج مواد معدنی خام قرار داشته، و ظاهرا موفقیت قابل ملاحظهای در این زمینه کسب کرده است.
در اختیار داشتن نمونههای کره ماه ، دادههای کاوش از راه دور اتمسفرها و سطوح سیارات و پذیرش مفهوم تکتونیک صفحهای در سالهای 1960 و 1970 ، دیدگاهی نوین برای نمونه برداری و نظریه ژئوشیمی فراهم آورد. افزوده شدن دادههای گستردهای از ماه و دادههای زمین و شخانهها ، این امکان را بوجود آورد که بسیاری از نظریههای ارائه شده در مورد سیاره شناسی و شیمی فضایی آزمایش شوند.
اهداف ژئوشیمی
هدف زمین شیمی امروزی ، بررسی قوانین اشتراک عنصرها و کانههایی است که در بخشهای گوناگون پوسته در معرض فشارها و دماهای بینهایت متغییر زمین قرار دارند. برخی عنصرهای شیمیایی (اسکاندیم ، هافنیم) نمیتوانند متراکم شوند و همچنان پراکندهاند، بطوری که در سنگها بیش از یکصد میلیونیم درصد آن یافت نمیشوند. این گونه عنصرها ، که میتوان آنها را عنصرهای بینهایت پراکنده توصیف کرد، تاکنون استخراج نشدهاند، تا ارزش عملیشان ظاهر گردد. در حال حاضر به نظر میرسد در یک متر مکعب گونهای کانی ، با بکار بردن روشهای تجزیهای بیاندازه دقیق همگی عنصرهای ردهبندی دورهای را بتوان پیدا کرد.
نباید فراموش کرد که روشهای تازه در سرنوشت دانش نقش بسیار موثرتری از فرضیههای تازه دارند. عنصرهای دیگر (سرب و آهن) ، برخلاف عنصرهای بینهایت پراکنده ، در جابجاییهای دائمی خود ، وقفههای متناوب دارند و در این دورهها در ترکیبهایی که از خود میسازند، بدون اشکال متراکم میگردند و مدتها در آن محفوظ میمانند. اینک بدون توجه به تغییرات بهم پیچیده پوسته زمین در طی سرگذشت آن ، عنصرهای مزبور به صورت تراکمهایی باقیماندهاند و تودههای مهمی را گرد آوردهاند که برای استخراج صنعتی آمادهاند.
وظیفه علم ژئوشیمی
وظیفه دانش مزبور پیگیری و روشن کردن حالت عنصرهای شیمیایی است که شالوده طبیعت هستند، بر حسب نظام معینی قرار یافتهاند و معرف ردهبندی دورهای مندلیفاند (جدول تناوبی). پژوهش "زمین شیمی" در زمینه عنصر شیمیایی و اتم آن است.
گستره ژئوشیمی(confine Geochemistry)
دانشی که کانیها را بررسی میکند، کانی شناسی و آنکه وضع سنگها را بیان مینماید، سنگ شناسی توصیفی (Petrographic) است، در حالیکه ، ژئوشیمی ذرههای بنیادی سازنده سنگها و مهاجرت طبیعی آنها را بررسی میکند. این علم طبیعت زمین ، سرگذشت آن ، دگرگونیهایش ، پیدایش کوهها ، رودها و دریاها ، آتشفشانها و گدازهها و انباشتگی پیاپی لجنها و ماسههای ته اقیانوس را به ما میشناساند.
ژئوشیمی کاربردی
رفتار هر عنصری با نهایت دقت بررسی شده است، ولی برای ساختن اندیشهای درست از آن ، باید خواص و مشخصات این عنصر و میل ترکیبی آنرا با سایرین یا برخلاف چگونگی جدا شدن آن را بشناسیم. بنابراین ژئوشیمیدان یک مامور اکتشاف از نظر کانی تعیین میکند که در چه موضع از پوسته زمین کانه سنگ آهن یا منگنز پیدا میشود، در چه سنگی نهشت پلاتین کشف میگردد. همچنین زمینشناسان را وادار به جستجوی آرسنیک و آنتیموان در سازندههای زمین شناسی و کوههای جوان میکند و آنان را در برابر یک ناکامی احتمالی حفظ میکند که این ناکامی از جستجوی بیهوده این فلزها در جایی که شرایط لازم برای انباشتگی آنها وجود ندارد، حاصل میشود.
ولی این امکان تنها در صورتی وجود دارد که حالت عنصرهای شیمیایی را بخوبی بشناسیم، همانطور که اگر بدانیم یک شخص در زندگی چه راهی پیش گرفته است، میتوان کارهای او را از پیش اندیشید و طرز رفتارش را در فلان یا فلان موقعیتها پیشبینی نمود. بنابراین نمیتوان نقش عملی این دانش نوین را بیش از حد آن ارزشیابی کرد. به کوتاه سخن ، گسترش ژئوشیمی به موازات شیمی و زمین شناسی است.
ژئوشیمی نوین (modern Geochemistry)
ژئوشیمی ، تنها قوانین پخش و مهاجرت عنصرهای شیمیایی را در زمین بررسی نمیکند، بلکه در شرایط زمین شناسی ویژه برخی نواحی به پژوهش آنها میپردازد. مثلا در قفقاز یا اورال ، راه اکتشاف کانههای مفید را پیدا میکند. بدین ترتیب بنیانهای نظری زمین شیمی نوین بیش از پیش با مسایل عملی یکی میشوند. بنابراین اصول کلی دانش مزبور سعی دارد تعیین کند که در کجا قادر خواهیم بود تا با یک عنصر شیمیایی نامعینی برخورد کنیم، کجا و در چه شرایطی. به عنوان مثال ، میتوان یک تمرکز وانادیم یا ولفرام را یافت و چه فلزهایی مانند باریم و پتاسیم در همجواری «پیشدستی» میکنند و غالبا چه فلزهای دیگری مانند تلور یا تانتال «دوری میجویند».
ژئوشیمی و ارتباط آن با کانی شناسی
همچنین میدانیم کانی شناسی دانشی است که کانیها را بررسی میکند. یک کانی ترکیبی از عناصر شیمیایی است که بدون دخالت آدمی به حالت طبیعی درست شده است. نوعی ساختمان است مرکب از مقادیر متفاوت لاشه سنگهای گوناگون که به موجب قوانین بسیار مشخص قرار یافتهاند. به خوبی میدانیم با همان مقدار مصالحی که در ساختمان بنایی بکار میرود، میتوان بناهایی به شکلهای گوناگون برافراشت، همینطور ، یک کانی به فرمهایی بسیار گوناگون مشاهده میشود که همه آنها دارای یک ترکیب شیمیایی هستند. ما در بنای طبیعت یکصد گونه لاشه سنگهای عنصری میشناسیم. این عنصرها یا گاز هستند، مانند : اکسیژن ، نیتروژن ، هیدروژن و ... ؛ یا از فلزهایی، مانند سدیم ، منیزیم ، آهن ، طلا ، جیوه ، یا عنصرهایی مانند سیلیسیم ، کلر ، برم و ... تشکیل شدهاند. از ترکیب عنصرهای نامبرده به شکلهای گوناگون و به مقادیر مختلف چیزی حاصل میشود که آنرا کانی مینامند. مانند کلر و سدیم که نمک دریا را میسازند و دو بخش اکسیژن و یک بخش سیلیسیم که ایجاد سیلیس یا در کوهی میکند. تقریبا 3000 کانی موجود در زمین (سیلیس ، نمک ، فلدسپات و ...) از عنصرهای شیمیایی با ترکیبهای گوناگون درست شدهاند و از انباشته شدن کانیها آنچه را که سنگ مینامند، درست میشود. (سنگ خارا ، آهن ، بازالت ، ماسه و دیگر سنگها).