Γεωχημεία

Η γεωχημεία είναι η επιστήμη που χρησιμοποιεί τα εργαλεία και τις αρχές της χημείας για να εξηγήσει τους μηχανισμούς πίσω από σημαντικά γεωλογικά συστήματα όπως ο γήινος φλοιός και οι ωκεανοί. Το "βασίλειο" της γεωχημείας επεκτείνεται πέρα από την Γη, περιλαμβάνοντας ολόκληρο το Ηλιακό Σύστημα και έχει συνεισφέρει σημαντικά στη κατανόηση ενός αριθμού διαδικασιών συμπεριλαμβανομένων την συναγωγή του μανδύα, τον σχηματισμό των πλανητών και τη προελεύση του γρανίτη και του βασάλτη.

Ιστορία

Ο όρος γεωχημεία χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Ελβετογερμανό Christian Friedrich Schönbein το 1838. Στην εργασία του, ο Schönbein προέβλεψε την γέννηση ενός νέου πεδίου μελέτης, δηλώνοντας:

"Με μία λέξη, μία συγκριτική γεωχημεία θα έπρεπε να ξεκινήσει, πριν η γεωχημεία μπορεί να γίνει γεωλογία, και πριν το μυστήριο της γένεσης των πλανητών μας και η ανόργανη ύλη τους μπορεί να αποκαλυφθεί."

Το πεδίο άρχισε να πραγματοποιείται σε σύντομο χρονικό διάστημα μετά το έργο του Schönbein, αλλά ο όρος του -"γεωχημεία"- αρχικά δεν χρησιμοποιήθηκε ούτε από γεωλόγους ούτε από χημικούς και υπήρξε πολλή συζήτηση για το ποια από τις δύο επιστήμες θα πρέπει να είναι η κυρίαρχη. Υπήρχε λίγη συνεργασία ανάμεσα σε γεωλόγους και χημικούς και το πεδίο της γεωχημείας παρέμεινε μικρό και αγνώριστο. Στα τέλη του 19ου αιώνα, γεννήθηκε ο Ελβετός Victor Goldschmidt, ο οποίος αργότερα έγινε γνωστός ως ο πατέρας της γεωχημείας. Η εργασία του, Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente, σχετική με την κατανομή των στοιχείων στην φύση έχει αναφερθεί ως η αρχή της γεωχημείας. Κατά την διάρκεια των αρχών του 20ου αιώνα, ένας αριθμός από γεωχημικούς δημιούργησαν ένα έργο το οποίο άρχισε να καθιστά το πεδίο δημοφιλές, συμπεριλαμβανομένου του Frank Wigglesworth Clarke ο οποίος είχε ξεκινήσει να ερευνά τις αφθονίες διαφόρων στοιχείων εντός της Γης και το πως οι ποσότητες ήταν συνδεδεμένες με το ατομικό βάρος. Η σύνθεση των μετεωριτών και οι διαφορές τους με τα γήινα πετρώματα ερευνώνται ήδη από το 1850 και το 1901. Ο Oliver C. Farrington υπέθεσε ότι, αν και υπήρχαν διαφορές, οι σχετικές αφθονίες θα πρέπει ακόμα να είναι το ίδιο. Αυτή ήταν η αρχή του πεδίου της κοσμοχημείας και έχει συνεισφέρει πολλά στις γνώσεις μας για τον σχηματισμό της Γης και του Ηλιακού Συστήματος.

Υποπεδία

Ορισμένα υποσύνολα γεωχημείας είναι:

Η γεωχημεία ισοτόπων, η οποία περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των σχετικών και απόλυτων συγκεντρώσεων των στοιχείων και των ισοτόπων τους στη γη και στην επιφάνειά της.
Η εξέταση της κατανομής και των κινήσεων των στοιχείων σε διάφορα μέρη της γης (φλοιό, μανδύα, υδρόσφαιρα, κλπ) και σε μεταλλικά στοιχεία, με στόχο να προσδιοριστεί το υποκείμενο σύστημα της κατανομής και της κίνησης.
Η κοσμοχημεία συμπεριλαμβάνει την ανάλυση της κατανομής των στοιχείων και των ισοτόπων τους στο σύμπαν.
Η βιογεωχημεία είναι το πεδίο μελέτης που εστιάζει στην επίδραση της ζωής στη χημεία της Γης.
Η οργανική γεωχημεία περιλαμβάνει την μελέτη του ρόλου των διαδικασιών και των ενώσεων που προέρχονται από ζωντανούς ή άπαξ-ζώντες οργανισμούς.
Η υδατική γεωχημεία μελετά το ρόλο των διαφόρων στοιχείων σε λεκάνες απορροής, συμπεριλαμβανομένου του χαλκού, του θείου, του υδραργύρου, και το πώς στοιχειώδεις ροές ανταλλάσσονται μέσω των ατμοσφαιρικών-επίγειων-υδρόβιων αλληλεπιδράσεων.
Η περιφερειακή, η περιβαλλοντική και η ερευνητική γεωχημεία περιλαμβάνει εφαρμογές των μελετών περιβαλλοντικών, υδρολογικών και μεταλλευτικών ερευνών.

Ο Victor Goldschmidt θεωρείται από τους περισσότερους ο πατέρας της σύγχρονης γεωημείας και οι ιδέες του θέματος σχηματίστηκαν από αυτόν σε μία σειρά εκδόσεων από το 1922 υπό τον τίτλο ‘Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente’ (γεωχημικοί κανόνες κατανομής των στοιχείων).

Χημικά χαρακτηριστικά

Τα πιο κοινά συστατικά πετρωμάτων είναι σχεδόν όλα οξείδια: τα χλωριούχα, τα θειούχα και τα φθοριούχα είναι οι μόνες σημαντικές εξαιρέσεις σε αυτό και το συνολικό ποσό τους σε οποιοδήποτε πέτρωμα είναι συνήθως πολύ μικρότερη από 1%. Ο F. W. Clarke έχει υπολογίσει ότι λίγο περισσότερο από το 47% του φλοιού της Γης αποτελείται από οξυγόνο. Αυτό συμβαίνει κυρίως σε συνδυασμό ως οξείδια, εκ των οποίων το πρωτεύων είναι το πυρίτιο, οξείδιο του αργιλίου, οξείδια του σιδήρου, και διάφορα ανθρακικά άλατα (ανθρακικό ασβέστιο, ανθρακικό μαγνήσιο, ανθρακικό νάτριο και ανθρακικό κάλιο). Το πυρίτιο λειτουργεί κυρίως ως ένα οξύ, σχηματίζοντας πυριτικά άλατα, και όλα τα πιο κοινά ορυκτά από πυριγενή πετρώματα είναι αυτού του είδους. Από έναν υπολογισμό βασισμένο σε αναλύσεις του 1672 πολλών ειδών πετρωμάτων, ο Clarke κατέληξε στα ακόλουθα ως το μέσο ποσοστό σύνθεσης του γήινου φλοιού: SiO₂=59.71, Al₂O₃=15.41, Fe₂O₃=2.63, FeO=3.52, MgO=4.36, CaO=4.90, Na₂O=3.55, K₂O=2.80, H₂O=1.52, TiO₂=0.60, P₂O₅=0.22, (σύνολο 99.22%). Όλα τα άλλα συστατικά εμφανίζονται μόνο σε πολύ μικρές ποσότητες, συνήθως πολύ λιγότερο από 1%.

Αυτά τα οξείδια συνδυάζονται με έναν τυχαίο τρόπο. Για παράδειγμα, η ποτάσσα (ανθρακικό κάλιο) και η σόδα (ανθρακικό νάτριο) συνδυάζονται για να παράγουν άστριο. Σε μερικές περιπτώσεις μπορεί να πάρουν άλλες μορφές, όπως νεφελίνη, λευκίτη και μοσχοβίτη, αλλά στην μεγάλη πλειονότητα των περιπτώσεων βρίσκονται ως άστριο. Το φωσφορικό οξύ με τον άσβεστο (ανθρακικό ασβέστιο) σχηματίζουν απατίτη. Το διοξείδιο του τιτανίου με το οξείδιο του σιδήρου δημιουργούν ιλμανίτη. Μέρος της ασβέστου σχηματίζει άστριο ασβέστη. Το ανθρακικό μαγνήσιο και τα οξείδια του σιδήρου με διοξείδιο του πυριτίου κρυσταλλώνονται ως ολιβίνη ή ενστατίτη, ή με οξείδιο του αργιλίου και ασβέστη σχηματίζονται τα σύνθετα σιδηρομαγνησιούχα πυριτικά των οποίων το πυροξένιο, το αμφίβολο και ο βιοτίτης είναι τα πρωτεύοντα. Οποιοδήποτε πλεόνασμα πυριτίου πάνω από αυτό που απαιτείται για να εξουδετερώσει τις βάσεις θα διαχωριστεί ως χαλαζίας: περίσσεια οξειδίου του αργιλίου κρυσταλλώνεται ως κορούνδιο. Αυτά πρέπει να θεωρηθούν μόνο ως γενικές τάσεις. Είναι δυνατό, με ανάλυση πετρωμάτων, να πούμε περίπου ποια ορυκτά περιέχει το πέτρωμα, αλλά υπάρχουν πολλές εξαιρέσεις σε κάθε κανόνα.

Σύσταση ορυκτών

Εκτός από τα όξινα και πυριτικά πυριγενή πετρώματα που περιέχουν περισσότερο από 66% διοξείδιο του πυριτίου, ο χαλαζίας δεν υπάρχει σε αφθονία στα πυριγενή πετρώματα. Στα βασικά πετρώματα (που περιέχουν 20% πυρίτιο ή λιγότερο) είναι σπάνιο για αυτά να περιέχουν τόσο πυρίτιο. Αν το μαγνήσιο και ο σίδηρος είναι πάνω από τον μέσο όρο ενώ το πυρίτιο είναι πιο χαμηλό, αναμένεται ολιβίνη: όπου υπάρχει πυρίτιο σε μεγαλύτερη ποσότητα πάνω σε σιδηρο-μαγνησιακά ορυκτά, όπως στον(αυγίτη),στον απατίτη, στον(ενστατίτη)ή στον βιοτίτη, προκύπτουν αυτά παρά ολιβίνη.