جيوكيمياء

الجيوكيمياء Geochemistry، هوفهم يستخدم الأدوات والمبادئ الكيميائية الأساسية لتفسير الآليات التي تكمن وراء الأنظمة الجيولوجية الأساسية مثل قشرة الأرض والمحيطات.

والجيوكيمياء هوفهم حديث، ظهر في مطلع القرن العشرين، وينتمي إلى مجموعة علوم الأرض التي تدرس هجريب الكرة الأرضية وبنيتها وتاريخها الجيولوجي. وقد نشأت الجيوكيمياء نتيجة تراكم أعداد كبيرة من الدراسات الجيولوجية والكيميائية، وللحاجة الماسة لحل كثير من المسائل المرتبطة بأعمال التنقيب عن مكامن الخامات المفيدة.

العناصر الكيميائية هي المادة الأساسية لفهم الجيوكيمياء الذي يفهم انتشارها وحركتها في الزمان والمكان، وعلاقات منشئها من القشرة الأرضية في الكرة الأرضية خاصة، وفي الأجرام السماوية والفضاء الكوني بصورة عامة. وللتعريف بهذا الفهم بصورة أوضح نورد أبرز المحاور التي يهتم بدراستها وهي:

- قوانين توزع العناصر الكيميائية في القشرة الأرضية، وفي أغلفة الأرض (المائي والغازي والحيوي) وفي الكرة الأرضية بصورة عامة.

- الخصائص الجيوكيميائية للعناصر الكيميائية.

- قوانين حركة العناصر الكيميائية من خلال دراسة العمليات الجيولوجية، وتحديد مسببات تجمع هذه العناصر وترافقها، وتبعثرها في الفلزات المتنوعة.

- دراسة تاريخ العناصر الكيميائية، وتتبع خط سيرها بدءاً من انفصالها عن المهل magma وتشكل الصخور النارية، ثم خضوع هذه الصخور لعمليات التجوية والنقل والترسيب وتشكل الصخور الرسوبية، ثم خضوع هذه الأخيرة لعمليات التحول ثم انصهارها وتشكل المهل من جديد.

- دراسة توزع العناصر الكيميائية في الأجسام الكونية وفي الفضاء الكوني، وربط هذه الدراسات مع مثيلاتها للكرة الأرضية.

- تحديد الأعمار المطلقة للصخور والفلزات وغيرها.

- التنقيب عن مكامن الخامات المفيدة.

التاريخ

الحقول الفرعية

توسع هذا الفهم توسعاً كبيراً حتى أصبح له فروع متميزة هي:

الجيوكيمياء العامة: وتهتم بدراسة القوانين التي تتحكم بحركة العناصر الكيميائية في العمليات الجيولوجية كعمليات التجوية والنقل والترسيب والتحول وتشكل الخامات المفيدة المتنوعة.

مكن هذا الفرع من الجيوكيمياء من حل الكثير من المسائل النظرية ذات الأهمية التطبيقية كآلية انتنطق العناصر التي تشكل مركبات غير قابلة للانحلال في الماء، وآلية عمليات الترتيب وأسبابه، وكثير من القوانين التي تتحكم في توزع مكامن الخامات المفيدة.

جيوكيمياء العناصر: وتهتم بدراسة توزع العناصر الكيميائية، وأشكال وجودها، ومعدلات تراكيزها في الفلزات والصخور وأغلفة الأرض. ولقد مكن هذا الفرع من الكشف عن كثير من الحقائق حول توزع العناصر الكيميائية. نذكر منها حتى العناصر الأكثر انتشاراً في القشرة الأرضية هي العناصر الخفيفة التي يقل وزنها الذري عن 29، وأن عناصر الأوكسجين والهدروجين والسيليسيوم والألمنيوم هي الأكثر انتشاراً وأهمية في تكوين القشرة الأرضية وأغلفة الأرض. فالأول يدخل بنسبة 50% تقريباً في هجريب القشرة الأرضية، وأهميته للحياة معروفة، والأول والثاني يشكلان الغلاف المائي، ومن هذه العناصر الأربعة مجتمعة تتكون الصخور الغضارية التي تشكل أكثر من نصف حجم الصخور الرسوبية، وأن العناصر ذات الأعداد والأوزان الذرية الزوجية هي أوسع انتشاراً من غيرها. لكن هناك الكثير من المسائل التي تتطلب حلاً كالتباين الشديد في تراكيز العناصر الكيميائية، ووجود عناصر الندرة التي تصادف في حالة تبعثر ضمن الفلزات الأخرى كالروبيديوم وغيره.

البيوجيوكيمياء (الجيوكيمياء الحيوية): وتدرس توزع العناصر الكيميائية وتراكيزها في المادة العضوية، ودور الكائنات الحية في حركة العناصر وتوزعها في أغلفة الأرض المتنوعة. وعلى الرغم من حتى وزن الكائنات الحية يقدر بنحو0.01% من وزن القشرة الأرضية إلا حتى لها دوراً بالغ الأهمية في العمليات الجيولوجية، والتي تسمى العمليات البيوجيوكيميائية. ونذكر مثالاً على ذلك حتى اليود يستحصل بصورة رئيسة من بعض أنواع النباتات البحرية التي تستخلصه من ماء البحر وهجرزه في أنسجتها بنسب تزيد مئات المرات على هجريزه في المياه. ومن هذه العمليات أيضاً الهجريب الضوئي وتحرر الأكسجين بتأثير الطاقة الشمسية، وتخزين هذه الطاقة على هيئة وقود مستحاث (الفحوم والنفط والغاز).

ومن الموضوعات المهمة في هذا الفهم دراسة المقاطعات البيوجيوكيميائية، وهي المناطق التي تتغير فيها تراكيز العناصر الكيميائية عن معدلاتها العامة زيادة أونقصاناً. وينعكس ذلك في الكائنات الحية بتعرضها للأمراض أوبظهور بعض التغيرات. ولقد تبين حتى هناك ثلاثين عنصراً كيميائياً على الأقل يشارك في تكوين هذه المقاطعات. نذكر منها المقاطعات الفقيرة بعنصر اليود والتي تنتشر في المناطق المرتفعة، وفي الأجزاء الداخلية من القارات وغيرها، والمقاطعات الفقيرة بالفلور والتي تتسبب في نخر الأسنان، والمقاطعات الغنية بالفلور وتنتشر في المناطق البركانية وفي مناطق انتشار صخور الأباتيت، وتتسبب عادة في هشاشة العظام. ويستفاد من هذا النوع من الدراسات في العلاج بإضافة العناصر اللازمة إلى المياه والأسمدة وعلف الحيوانات.

جيوكيمياء المياه الطبيعية: وتدرس دور المياه في هجرة العناصر الكيميائية وإعادة توزعها في القشرة الأرضية وأغلفة الأرض. ومن أبرز موضوعات هذا الفرع دراسة منشأ المياه وهجريبها الكيميائي وأشكال وجود العناصر الكيميائية فيها أودراسة العمليات التي تتم بين المياه والرواسب القاعية، وبينها وبين الغلاف الغازي. وكذلك دراسة عمليات الترسيب، وتشكل الأملاح، والتنقيب عن الخامات المفيدة (الطرائق الهدروجيوكيميائية). ويقسم هذا الفهم إلى فرعين رئيسين هما: جيوكيمياء البحار والمحيطات، وجيوكيمياء المياه القارية الذي يدعى أيضاً الهدروجيوكيمياء.

جيوكيمياء النظائر: وتدرس توزع النظائر في العناصر الكيميائية المكونة للأجسام الطبيعية (الصخور والفلزات والمياه والمادة العضوية). لقد بينت الدراسات حتى نسبة النظائر للعنصر الكيميائي تتغير بتأثير العمليات الجيولوجية، وبدراسة هذه التغيرات يمكن حل كثير من المسائل كمنشأ الصخور والفلزات والخامات المفيدة، وحرارة تشكلها، ومصدر العناصر الكيميائية المكونة لها.

والمنحى الآخر لهذا الفهم هوتحديد الأعمار المطلقة للأجسام والظواهر الطبيعية باستخدام العناصر المشعة كاليورانيوم والتوريوم والبوتاسيوم K40

والكربون C14 الذي يستخدم لتحديد الأعمار التي تقاس بآلاف السنين كأعمار الرواسب الحالية وأعمار بقايا الإنسان القديم وأدواته.

الكوسموكيمياء (الكيمياء الكونية):

وتهتم بدراسة توزع العناصر الكيميائية وتراكيزها في الأجرام السماوية وخاصة النيازك. كما تدرس تأثير الأشعة الكونية في مكونات أغلفة الأرض وخاصة الغلاف الغازي والتي تتسبب في تشكل بعض العناصر كالكربون C14. تفيد الدراسات الكوسموكيميائية في تدقيق المعلومات عن نشأة الأرض وتطورها، وتشكل أغلفتها، وتطور العمليات الجيولوجية خلال تاريخ الأرض الطويل. وهذا بدوره يفيد في توجيه أعمال التنقيب عن الخامات المفيدة.

الخصائص الكيميائية

البنية المعدنية

الأحماض، الصخور النارية المتوسطة والأساسية

Commonest Minerals	الحمض	المتوسطة		Mafic	Ultramafic
Commonest Minerals	كوارتز Orthoclase (and Oligoclase), Mica, Hornblende, Augite	كوارتز قليل أومعدوم: Orthoclase hornblende, Augite, Biotite	كوارتز قليل أومعدوم: Plagioclase Hornblende, Augite, Biotite	كوارتز معدوم Plagioclase Augite, Olivine	No Felspar Augite, Hornblende, Olivine
Plutonic or Abyssal type	گرانيت	Syenite	Diorite	Gabbro	Peridotite
Intrusive or Hypabyssal type	Quartz-porphyry	Orthoclase-porphyry	Porphyrite	Dolerite	Picrite
Lavas or Effusive type	Rhyolite, Obsidian	Trachyte	Andesite	Basalt	Limburgite

Nepheline and Leucite-bearing Rocks
Commonest Minerals	Alkali Feldspar, Nepheline or Leucite, Augite, Hornblend, Biotite	Soda Lime Feldspar, Nepheline or Leucite, Augite, Hornblende (Olivine)	Nepheline or Leucite, Augite, Hornblende, Olivine
Plutonic type	Nepheline-syenite, Leucite-syenite, Nepheline-porphyry	Essexite and Theralite	Ijolite and Missourite
Effusive type or Lavas	Phonolite, Leucitophyre	Tephrite and Basanite	Nepheline-basalt, Leucite-basalt

طرق البحث في فهم الجيوكيمياء

تبدأ الدراسات الجيوكيميائية في الحقل ثم تتابع في المخابر، وتنجز في مراكز البحث. يقوم الجيوكيميائي في الحقل بدراسة توضع الصخور وبنياتها والعلاقات المتبادلة فيما بينها، وجمع العينات. وفي المخابر تصنع شرائح رقيقة، تدرس بالمجهر الاستقطابي لتحديد الصخور وهجريبها الفلزي، ثم ترسل العينات إلى المخابر الكيميائية لتحديد تراكيز العناصر الكيميائية فيها. وتختار طرائق التحليل الكيميائي المناسبة حسب حساسيتها وحسب التراكيز المتسقطة للعناصر الكيميائية، وأكثر ما يستخدم في ذلك أجهزة التحليل الطيفي لحساسيتها العالية وإنتاجيتها الكبيرة. ثم تخضع النتائج للدراسات الإحصائية واستخلاص النتائج الفهمية المرجوة منها.

الأهمية الاقتصادية لفهم الجيوكيمياء

إن الهدف الأساسي للدراسات الجيوكيميائية هوالكشف عن مكامن الخامات المفيدة. وهي تكتسب أهمية بالغة لأنها تعمل على كشف المكامن العميقة التي يصعب أويستحيل الكشف عنها بالطرائق الجيولوجية الأخرى، وخاصة بعد حتى نَفَدَت معظم المكامن السطحية وقليلة العمق. وإضافة إلى ذلك فإن الجيوكيمياء تساعد في حل كثير من المسائل الجيولوجية كتحديد العمر المطلق، ومنشأ الصخور والفلزات والخامات، وشروط تشكلها وغيرها من الأمور الهامة التي تساعد في توجيه أعمال التنقيب عن الخامات المفيدة.

انظر أيضاً

مطبوعات هامة في الجيوفيزياء
فهم النفط
Tephrochronology

قراءات إضافية

Holland, H.D., & Turekian, K.K. (2004). .تسعة Volumes. Elsevier
Marshall, C., & Fairbridge, R. (2006). . ISBN 1-4020-4496-8. Berlin: Springer.
Bernard Gunn:
Gunter Faure (1986). Principles of Isotope Geology, John Wiley & Sons. ISBN 0-471-86412-9
H.R. Rollinson (1993), Using Geochemical Data: evaluation, presentation, interpretation (Longman). ISBN 978-0-582-06701-1
W.M. White: Geochemistry (Free Download)