ژئوشيمي و هدفهاي كلي آن
مقدمه
تفاوت ژئوشيمي با شيمي ويا تفاوت آن با زمين شناسي چيست؟ وچه چيز آنهارا
به هم مرتبط ساخته است؟
1- موضوع ژئوشيمي و هدفهاي كلي آن:
در ساده ترين شكل ژئوشيمي را ميتوان به عنوان علمي تعريف كرد
كه با شيمي كل زمين واجزاي تشكيل دهنده آن سروكار دارد.علم ژئو شيمي به تعبير هم محدودتر وهم گسترده تر، از زمين شناسي ميباشد.اين علم با توزيع ومهاجرت
عناصر شيميائي در درون زمين و در ابعاد زمان ومكان سروكار دارد. همچنين ژئوشيمي علم
رخداد وتوزيع عناصر در جهان بطور كلي فضاشيمي ناميده ميشود.قلمرو علم ژئوشيمي مطالعه
تغييرات در داخل يك سيستم ژئوشيميائي است.
از نقطه نظر زمين شناسي پوسته ي جامد زمين موضوع اصلي ژئوشيمي ميباشد.
واژه ژئوشيمي براي اولين بار توسط يك دانشمند سوئيسي به نام Schonben در
سال 1838 مطرح شد. واژه ژئوشيمي از تركيب كارهاي
زمين شناسي و شيمي تشكيل شده است.
چه رابطه اي بين زمين شناسي و شيمي وجود دارد؟
مهمترين تعريفي كه مي توان بيان كرد اين است كه بگوئيم از شيمي
بعنوان يك ابزار كه بتواند مشكلات ما را حل كند استفاده مي كنيم،در واقع ما از شيمي
استفاده مي كنيم كه زمين را بفهميم (بشناسيم) و چگونه كار كنيم.
زمين قسمتي از بدنه كل جهان هستي و منظومه شمسي است كه ارتباط
نزديك به هم دارند و يا هم تشكيل شده اند. به همين جهت علم ژئوشيمي به مسائل ماوراء
زمين و در نتيجه به منظومه شمسي نيز مي پردازد. هدف علم ژئوشيمي از ديگر علوم زمين
شناسي متفاوت نيست بلكه طريقه دستيابي يا روش كار آن متفاوت است. ولي با هدف علم شيمي
متفاوت است. علم ژئوشيمي از يك دامنه وسيع برخوردار است. بطوريكه هيچ كس نمي تواند
در زمينه ژئوشيمي خودش را واقعاًيك Master بداند.در
ژئوشيمي متغيرات متفاوتي را در نظر مي گيريم. يا از ديدگاه هاي مختلف و متفاوتي مي
توان به اين علم نگاه كرد مثلاً:
1- شيمي
آتمسفر
2- ژئوشيمي ترموديناميك
3- ژئوشيمي ايزوتوپي
4- شيمي دريا
5- ژئوشيمي عناصر كمياب
6- شيمي خاك
دسترسي ژئوشيمي به داده هاي كمي زمين در نيمه دوم قرن بيستم بخش
عظيمي از علم زمين را در بر گرفت . داده هاي كمي ارائه شده در اين 50 سال از كل داده
هاي كه انسان از اول تاريخ بدست آورده به مراتب بيشتر است.
مُر اطلاعات و داده ها كه در مورد طرز تشكيل زمين و منظومه شمسي
وجود دارد همه از بركت تخقيقات ژئوشيمي (سنجي) در مورد سنگهاي آسماني يا شهاب سنگها
است.
بوسيله ژئوشيمي مطالعات
زير را مي توان انجام داد :
1- جدول سن زمين را تعيين كرد
2- چين خوردگي گوشته را مي توان مطالعه كرد.
3- عمق و حرارت ماگما را مي توان مطالعه كرد
4- فرورانش رسوبات به زير گوشته را مي توان مطالعه
كرد
5- مي توان فشار و حرارت سنگهاي مختلف دگرگوني
را تعيين كرد. و به كمك آن مي توان بوجود گسلهاي اوليه پي برد.
6- چگونگي سرعت بالا آمدن كمربندهاي كوهزائي را
مطالعه كرد.
7- چگونه و چه موقع پوسته زمين شكل گرفته است
8- آتمسفر زمين چگونه تشكيل شد و متكامل شد.
9- كنوكسيون گوشته را مي توان فهميد.
10- دوران يخچال سازي چقدر سرد بوده و چگونه تأثير
گذاشته است.
شواهد اولين آثار حيات در زمين 3.8×109 سال بر مي گردد كه آثار فسيلي وجود نداشته ولي
از طريق شيمي آثار حيات مشخص مي شود.
بدون شك ابزار و آلات تجزيه شيميايي كليد اصلي راه يابي به اين
مجموعه اطلاعات در مورد ديگر اقمار آسماني مانند
(Jupiter , Mars , Venus) شد. ژئوشيمي در قلب علم محيط زيست
و مسائل محيطي قرار دارد. مسائل مانند بارانهاي اسيدي ،سوراخ شدن لايه اوزون ،گرم
شدن زمين بوسيله مسائل گلخانه اي ، آلودگي آب و خاك كه از مسائل ژئوشيمي است. همچنين
بيشتر مواد قابل بازيافت مانند كاغذ نياز به اطلاعات ژئوشيميايي دارد. دسترسي به منابع
جديدي بدون اطلاع دسترسي به ژئوشيمي ممكن نيست. بطوركلي هر يك از چشم انداز علم زمين
گواهي است كه از طريق ژئوشيمي مي گذرد .تكنولوژي امروز امكاناتي را براي مطالعه فراهم
كرده كه گذشتگان در خواب شب خود هم نمي توانستند تصور آن را داشته باشند.
1- الكترون ميكروسكوپ: امكان آناليز دانه كاني
را در حد ميكرون در دقيقه فراهم مي كند.
2- ميكروسكوپ الكتروني: امكان ديدن كاني در مقياس
اتم را فراهم مي كند.
3- دستگاههاي مانند XRY
بزرگنمايي هسته اي
(Nuclear Magnetic Resonance) و
Raman و اسپكتروسكوپ هاي مادون قرمز امكان مطالعه آرايش
اتمي و اتصالات پديده هاي طبيعي را فراهم كرده است.
Mas
Spectrometes امكان
اندازه گيري سن سنگ و درجه حرارت درياهاي اوليه را فراهم مي كند. دستگاههاي مانند XRF , ICP , AAS دستگاههايي هستند كه بطور روزانه
از آنها استفاده مي گيرند.
كامپيوترهاي بزرگ با ظرفيت مگاهرتز امكان سرعت محاسبه بسيار پيچيده
را كه زماني بسيار وقت گير بود فراهم نموده كه كمتر از دقيقه پيچيده ترين محاسبات ترموديناميك
را انجام مي دهد. اگر تكنولوژي پيشرفت علم كامپيوتر نبود دسترسي به اين امكانات ممكن
نبود. دستگاههاي جديد آناليزور امكان حساسيت ، دقت بيشتر و سرعت بيشتر را روز به روز
فراهم مي كند. تمام اين شواهد به هدف درك بيشتر از زمين و كيهان اطراف كمك مي كنند.
تعريف :
ژئوشيمي علمي است كه با شيمي زمين و اجزاء تشكيل دهنده آن سر
و كار دارد. اين علم به توزيع و مهاجرت عناصر شيميائي در درون زمين و در ابعاد زمان
و مكان مي پردازد.
فضا شيمي: علم رخداد و توزيع عناصر در جهان را بطور كلي فضا شيمي
مي گويند.
كلارك در كتاب داده هاي ژئوشيمي
(The Data Of Geochemistry) خود
مي گويد هر سنگ را مي توان يك سيستم شيميايي به حساب آورد كه تغييرات شيميايي در آن
بوسيله عوامل مختلف صورت مي پذيرد.
سؤال: تغييرات شيميايي چگونه حاصل مي شود؟
اين چنين تغييري مستلزم در هم ريختن تعادل است و در نهايت به
تشكيل سيستم جديد منجر مي شود كه به نوبه خود تحت شرائط جديد پايدار است.
مثال: تشكيل اسكارن بعلت برخورد توده نفوذي با سنگهاي آهكي تشكيل
بوكسيت از بازالت و غيره. قلمرو علم ژئوشيمي مطالعه اين تغييرات است.
اگر آثار كرات ديگر مخصوصاً خورشيد را در نظر نگيريم مي توان
طبق عقيده كلارك از نظر زمين شناسي پوسته جامد زمين موضوع اصلي اين مطالعه مي باشد.
كه بطور كلي به 4 فصل تقسيم مي شوند:
1- مطالعه لايه هاي زمين
2- بررسي واكنشهايي كه بين اجزاي اصلي خود زمين
( اين لايه ها) صورت مي گيرد.
3- واكنشهاي ناشي از اثر لايه هاي نازك آبگين (Aqueous Envelope)
4- واكنشهاي توليد شده بوسيله اتمسفر (آثار جوي)
گلدشميت Goldeshmit : بنا به
نظر گلدشميت وظيفه اصلي ژئوشيمي دو چيز است.
1- تعيين تركيب كمي زمين و بخشهاي مختلف آن
2- كشف قوانين كنترل كننده توزيع هر يك از عناصر
وظايف اصلي ژئوشيمي چيست؟
وظايف اصلي ژئوشيمي را مي توان بصورت زير خلاصه كرد.
1- تعيين فراواني نسبي و مطلق عناصر و انواع اتمي
(ايزوتوپها) در زمين.
2- مطالعه توزيع و مهاجرت هر يك از عناصر در بخشهاي
مختلف زمين.
تاريخچه علم ژئوشيمي:
شون بين (Schonbein) (1838): كاشف
ازون واژه ژئوشيمي را براي اولين بار معرفي كرد.
تاريخچه توسعه علم ژئوشيمي: در ادامه توسعه علوم شيمي و زمين
شناسي صورت گرفته بطوريكه در اوائل هر يك از اين علوم به تنهايي توسعه مي يافته ولي
در يك نقطه اين دو با يكديگر طلاقي كرده و به كمك يكديگر شتافته و علم جديد ژئوشيمي
بنا نهاده شد. لاوازيه Lavoisier (1789): مفهوم
جديد يك عنصر را بيان كرد. او 31 عنصر را تشخيص داد:
O,N,H,S,P,C,Cl,F,B,Sb,Ag,Bi,Co,Cu,Cr,Fe,Mn,……,Ca,Al,Si
جداسازي عناصر از سال 1800 الي 1899 ادامه داشت. در بين دهه
1809 –1800 بيشترين عناصر شناخته و جداسازي شد در بين دهه 1850-1859 هيچگونه عنصري
شناخته و يا جداسازي نشد.
بنزن و كيرشف Bunsen & Kirchost (1860): چگونگي
كاربرد طيف سنج در تشخيص و شناسائي عناصر را به نمايش گذاشتند.
بكرل Bequrel
(1896) : راديواكتيو را كشف كرد و منجر به كشف و شناسائي
عناصر پولونيم و راديوم بوسيله كوري ها در سال 1898 گرديد.
مقطع اصلي شروع علم ژئوشيمي:
بابرپا شدن سازمان زمين شناسي آمريكا در سال 1884 و انتخاب كلارك
بعنوان شيميدان اصلي Chief Chemist سازمان
مركزي براي تحقيقات شيميايي زمين در قاره آمريكا بنا نهاده شد. كلارك تا سال 1925 كه
بازنشسته شد به مدت 41 سال در سمت شيميست اصلي خدمت كرد. كلارك در سال 1889 مقاله اي
كلاسيك تحت عنوان (فراواني نسبي عناصر شيميايي) ارائه كرد:
1- تلاش براي استفاده از نتايج گردآوري شده.
2- تعيين تركيب ميانگين پوسته زمين.
3- فراواني نسبي عناصر.
يكي از اشكالات اساسي كار كلارك اين بود كه در كار بزرگي كه تحت عنوان داده هاي ژئوشيمي براي
اولين بار در بولتن (1908) سازمان زمين شناسي آمريكا منتشر نمود نظريه منشأ عناصر خود
را دنبال نكرد.
موسسه كارنكي واشنگتي (1904) : موجب پيدايش پيشرفتهاي بزرگي در
ژئوشيمي گرديد.
سياست كار اين موسسه
بر دو اصل استوار بود :
1- انجام تجزيه دقيق
2- كاربرد اصول شيمي فيزيك در فرآيند زمين شناسي
گلدشميت در سال 1911 از دانشگاه
اسلو فارغ التحصيل گرديد. رساله دكتراي وي كمكي اساسي به علم ژئوشيمي كرد كارهاي تحقيقاتي
گلدشميت در نهايت منجر به ارائه مقاله اي در مورد اصل ((رخساره هاي كانيها)) (كانيهاي
رخساره اي) بوسيله اسكولا گرديد. اين مقاله توسط آزمايشگاه گلدشميت انتشار يافت.فون
لوي (Vonlaue) (1912): نشان داد
كه آرايش منظم اتمها در بلورها در برابر اشعه X بصورت
مانعي عمل مي كند و كشفي نايل شد كه تعيين ساختمان اتمي مواد جامد را عملي ساخت و اين
كشف براي ژئوشيميستها اهميت زياد داشت.
در فاصله سالهاي 1922-1926 گلدشميت و همكاران وي در دانشگاه اسلو
ساختمان بسياري از تركيبات را مشخص كرده و بر مبناي آن توانستند قوانين كلي اداره كننده
توزيع عناصر در مواد بلورين را پايه ريزي كنند. از كارهاي مهم ديگر او تعيين ساختمان
بلور در ژئوشيمي بود. نتايج بدست آمده بصورت مقالات تحت عنوان ((قانون توزيع ژئوشيميايي
عناصر)) منتشر گرديد. گلدشميت در سال 1929
به آلمان رفت ولي بعلت وضع خاص آلمان او در سال 1935 به اسلو برگشت . پس از يورش آلمان
به نروژ در سال 1940 گلدشميت به سختي قادر بود كه فعاليت كند . درسال 1942 براي اجتناب
از فرستاده شدن به لهستان ناگذير به فرار از نروژ شد اول به سوئد و سپس به انگليس گريخت
و بالاخره در سال 1947 عمر نسبتاً كوتاه وي پايان يافت.
بطور كلي و خلاصه :دو موضوع در پيشرفت علم ژئوشيمي تأثير ويژه
داشت .
1- تحقيقات و كارهاي گلدشميت كه روي متامورفيسم
سنگها كار كرد و نهايتاً منجر به ارائه مقاله اصل كانيهاي رخساره اي(Minerap Faliy) بوسيله اسكولا گرديد و سپس ادامه
تحقيقات ايشان .
2- كارهاي فون لوي
Voni laue بود . او نشان داد كه آرايش منظم اتمها در بلورها
در برابر اشعه X بصورت
مانعي عمل ميكند كه نهايتاً تعيين ساختمان اتمي مواد جامد را عملي ساخت.
گلدشميت با زيركي خاصي نه تنها به اهميت ساختمان بلوري در ژئوشيمي
پي برد بلكه وي و همكارانش در بين سالهاي 1922 – 1926 درباره ساختمان بسياري از تركيبات
تحقيق كردند.
اتحاد جماهير شوروي سابق و ژئوشيمي:
ورنادسكي: A-E Fersman Vernadsky (1917) و
همكارانش يك مركز مهم ژئوشيمي تأسيس كردند كه بازدهي علمي اين مركز بسيار زياد بود.ژئوشيمي
در اين كشور بخصوص در راستاي جستجو و استخراج مواد معدني خام قرار داشته و ظاهراً موفقيت
قابل ملاحظه اي در اين زمينه كسب كرده است. دسترسي به نمونه هاي فضايي- اطلاعات دقيق
از سطوح و اتمسفرهاي سياره اي پذيرش مفاهيم تكتونيك صفحه اي در دهه هاي 60 و 70 ديدگاههاي
جديدي در تئوري ها و نمونه هاي ژئوشيمي ايجاد كرد. افزايش اطلاعات وسيع از كره ماه
و نيز زمين و متئوريتها امكان بررسي بسياري از تئوريهاي مربوط به اختر شناسي و شيمي
كيهاني را فراهم آورد.
آثار انتشار يافته در زمينه ژئوشيمي:
از سال 1950 زير نظر گروه بين المللي از سردبيران Geochemical Of Cosmochemia Act
1950
از سال 1965 توسط آكادمي علوم اتحاد
جماهير شوروي آغاز كرده Geokhimiya 1965
سه كتاب برجسته بعنوان كار كلاسيك در اين رشته مي توان معرفي
كرد.
1-
كتاب داده هاي ژئوشيمي (1924) توسط كلارك
2- كتاب ژئوشيمي (1947) نوشته گلدشميت
3- كتاب ژئوشيمي (1950) توسط رانكاما و ساهلا
از كتابهاي مهم ديگر مي توان كتاب راهنماي ژئوشيمي توسط ودپول (Wedepohl) را نام برد.
