ما هي كيمياء الأرض - Geochemistry؟

ما هي الجيوكيمياء؟

يمكن تعريف الكيمياء الجيولوجية على نطاق واسع بأنها العلم المعني بجميع الدراسات الجيولوجية، والتي تتضمن تغيرًا كيميائيًا، ويشمل دراسة توزيع العناصر في المعادنوالصخوروالتربة والتفاعل بين هذه المواد الأرضية، حيث تشير طرق الاستكشاف الجيوكيميائي إلى استخدام الخصائص الكيميائية للمواد التي تحدث بشكل طبيعي (بما في ذلك الصخور والحطام الجليدي والتربة ورواسب المجاري المائية والمياه والنباتات والهواء)؛ وذلك للعثور على الترسبات الاقتصادية للمعادن والهيدروكربونات.

تعتمد طرق الاستكشاف الجيوكيميائي أساسًا على ملاحظات التركيزات الشاذة للعناصر الرئيسية المشتقة من جزء أساسي من الرواسب المعدنية نفسها أو هالة أوسع تحيط بجسم الخام، حيث إن هذه الهالات أو المناطق مفيدة في اكتشاف أو تتبع الرواسب المعدنية؛ لأنها عادة ما تكون أكبر بعدة مرات من رواسب الخام نفسها، وبالتالي فهي تمثل هدفًا أكبر لاستكشاف المعادن.

كما يمكن تصنيف الهالات على أنها أساسية أو ثانوية، حيث إن الهالة الأولية هي منطقة تحيط بنواة التمعدن، وتمثل أنماط توزيع العناصر في القاعدة الصخرية التي تشكلت أثناء عمليات تشكيل الخام الأصلية، كما تختلف هالات التشتت الأولية بشكل كبير في الحجم والشكل نتيجة للمتغيرات الفيزيائية والكيميائية العديدة التي تؤثر على حركات السوائل في الصخور.

وبدلاً من ذلك فقد تشكل هالات التشتت الثانوية أنماطًا شاذة أكثر انتشارًا للعناصر المحيطة بنواة التمعدن، حيث إن تركيزات العناصر المرتفعة هي نتاج تآكل أو تجوية لب التمعدن والهالة الأولية، ويتم نقلها بواسطة عوامل مثل الجاذبية والمياه الجوفية والجداول والأنهار الجليدية. تُعرف الهالة الثانوية الشائعة في الرواسب الجليدية باسم قطار التشتت، الذي يعتمد شكله ومبدأه على آليات النقل الرئيسية المعنية.

أقسم الجيوكيمياء

يحتوي قسم الكيمياء الجيولوجية في وحدة أنظمة الأرض والعلوم البيئية على العديد من المواضيع التي تناقش أحدث المعلومات حول التقنيات والابتكارات التقنية المتاحة لعلماء الجيوكيميائيين الحديثين، وكيف تم تطبيق أدوات ومبادئ الكيمياء على أكمل وجه، حيث إنه وغالبًا ما يُعتبر فيكتور جولدشميت (1888–1947) “أب الكيمياء الجيولوجية”، حيث كانت أحد إنجازاته هو البدء في تنظيم سلوك العناصر الكيميائية في سياق علوم الأرض من خلال تصنيفها وفقًا لمراحل إضافتها على أرض السيليكات (Lithophile وsiderophile وchalcophile وatmophile)، كما لا يزال هذا أحد أكثر التصنيفات الجيوكيميائية انتشارًا للعناصر اليوم، وكان خطوة مهمة من حيث تطبيق مبادئ الكيمياء على دراسة الأرض.

كما تطور قسم الكيمياء الجيولوجية بشكل طبيعي ليتم تقسيمه على مستويات مختلفة إلى تخصصات فرعية، كما تتميز هذه التخصصات الفرعية عن بعضها البعض بعدة أنواع مختلفة من الطرق، وهناك تداخل كبير بينها في كثير من الحالات، حيث تشمل معايير التقسيم: الكيمياء الجيولوجية التحليلية على عكس الدراسات النظرية والتقنية المستخدمة أو أنواع القياسات التي تهتم بها المنطقة (على سبيل المثال: الكيمياء الجيولوجية النظيرية)، نوع العينة (على سبيل المثال: الكيمياء الجيولوجية النارية والكيمياء الجيولوجية العضوية والبترولية)، فئة الأسئلة العلمية التي تتم معالجتها (على سبيل المثال: الكيمياء الكونية)، نظام درجة حرارة الضغط الذي تعمل به مجموعة فرعية معينة من الجيوكيميائيين (على سبيل المثال: الكيمياء الجيولوجية ذات درجة الحرارة المنخفضة).

جيوكيمياء الرواسب المعدنية

تلعب الكيمياء الجيولوجية دورًا أساسيًا في فهمنا للعمليات التي تُنتج تركيزات اقتصادية للمعادن، سواء عن طريق العوامل المائية الحرارية أو الصخرية أو المتحولة أو الهيدروليكية (السطحية والجوفية) أو عوامل التجوية أو مزيج من هذه العوامل، حيث تساهم الكيمياء الجيولوجية أيضًا بشكل مهم في الاستكشاف.

كما ان التركيزات الاقتصادية المحتملة للمعادن التي تحدث بشكل طبيعي، والتي يشار إليها بشكل رئيسي باسم “الخامات” أو “المواد الخام”، دفعت الاقتصاديات منذ بدايات الحضارات. ومن خلال التعريف الدقيق مثل تعريف المعهد الجيولوجي الأمريكي، من أجل تسمية تركيز غير عادي من المعادن بـ “خام” ، فإنه يجب أن تكون قادرة على استردادها ومعالجتها وتسويقها بربح معقول.

خلاف ذلك فإن الرواسب هي مجرد تركيز مثير للمعادن، حيث تكثر الأمثلة على الرواسب المعدنية الكبيرة، ولكن ذات المحتوى المنخفض جدًا من المعادن (أو العناصر الأخرى) لتكون اقتصادية، والرواسب التي تحتوي على محتويات عالية جدًا من المعادن القيمة ولكنها صغيرة جدًا، بحيث لا يمكن تعدينها اقتصاديًا والبعض الآخر قد يكون كبيرًا وغنيًا، ولكنها ليست اقتصادية إما لأنها تسبب مشاكل خطيرة لتعافيها أو لها تأثير غير مقبول على البيئة أو تعاني من مشاكل معدنية لا يمكن حلها، أو ليس لديها سوق كبير بما فيه الكفاية.

أتاحت التطورات في تكنولوجيا التعدين الوصول إلى الودائع التي لم يكن من الممكن استردادها في السابق، على سبيل المثال منذ عقود مضت كانت محتويات النحاس بحوالي 1٪ بالوزن مطلوبة لتعدين رواسب النحاس المنتشرة، وهو ما يسمى بالنحاس السماقي، ولكن اليوم يمكن أن تكون الدرجات المنخفضة مثل 0.4٪ من النحاس اقتصادية.

كما يتم تعدين رواسب النيكل في فنلندا على سبيل المثال بنسبة 0.3٪ نيكل، حيث بُذلت جهود جادة لتحسين البيئة، على سبيل المثال كما تتطلب بعض الولايات القضائية أن تنشئ الشركة صندوقًا لإعادة موقع التعدين إلى حالة طبيعية مقبولة عند إغلاق المنجم، حيث كانت رواسب المعادن ذات الحبيبات الدقيقة في السابق بمثابة لعنة لمعالجات المعادن.

كما يتم اليوم فتح بعض هذه الثروة من خلال التطورات مثل المعالجة بالمياه المعدنية، حيث يتم استخراج كوكتيلات من المحاليل المائية في درجات حرارة وضغوط مختلفة بشكل انتقائي للمعادن عكس ترسب الخام الحراري المائي، إلى جانب هيمنة السوق على سبيل المثال الصين، التي سيطرت لسنوات على سوق العناصر الأرضية النادرة (REE) التي توفر أكثر من 90٪ من الطلب العالمي، حيث قامت مؤخرًا بتقييد الصادرات، مما أدى إلى إعادة فتح مناجم العناصر الأرضية النادرة غير المربحة في أماكن أخرى، كما تسارعت عمليات التنقيب عن رواسب جديدة.

تأثير التغيرات العلمانية في درجة حرارة الوشاح

تقدم الكيمياء الجيولوجية والجيوفيزيائية صورًا متسقة تمامًا لظروف الذوبان في النظام البركاني الأكثر نشاطًا على الأرض، وهو حواف منتصف المحيط، حيث إن تحديد ما إذا كانت هذه الظروف قد تم الحفاظ عليها على مدى تاريخ الأرض، هو مهمة للكيمياء الجيولوجية.

معظم الصخر الدخيل من الوشاح القاري عبارة عن بقايا من استخلاص ذوبان جزئي، حيث يتتبع النظام النظيري (Re-Os) هذا النوع من أحداث التمايز، كما يؤرخ أحداث نضوب الذوبان التي مر بها الوشاح تحت القاري، ونظرًا لأن درجة نضوب الذوبان التي يعاني منها غطاء الغلاف الصخري القديم يضفي طفوًا تركيبيًا، فإن هذه العارضات القارية السميكة من الغلاف الصخري تلعب دورًا مهمًا في بقاء القشرة القارية القديمة.

كما أن هناك عينات من الصخر الدخيل في الوشاح، حيث إن أحداث الانصهار حدثت في أوقات مختلفة في تاريخ الأرض، ومن ثم يمكن استخدام تركيباتها لفحص التغيرات في ظروف الذوبان مع مرور الوقت، حيث يُشير الوشاح إلى انخفاض علماني في درجة استخراج الذوبان مع مرور الوقت، كمناطق الذوبان الحديثة، على سبيل المثال، كما تم أخذ عينات منها في الزبرجد السحيق، والتي لها تركيبات توحي ما بين 5٪ إلى 25٪ استخلاص جزئي للذوبان عند ضغوط تتراوح بين 1 جيجا باسكال و2 جيجا باسكال.

الكيمياء الجيولوجية البترولية

هي علم حديث العهد نسبيًا، وتعود جذوره إلى اكتشاف عام 1934 للهياكل الشبيهة بالكلوروفيل في النفط الخام بواسطة ألبرت تريبس (1934)، وفي حين أن العديد من علماء الجيولوجيا البترولية في وقت مبكر من أواخر القرن التاسع عشر يعتقدون أن النفط مشتق من مادة عضوية في الرواسب، كانت نتائج تريبس دليلاً لا يمكن إنكاره على الأصل العضوي للنفط الخام.

تاريخ الكيمياء الجيولوجية

وبحلول الخمسينيات من القرن الماضي بدأت شركات النفط الكبرى برامج بحثية لمعرفة المزيد عن النفط والغاز، لا سيما كيف يتشكل ويتحرك في باطن الأرض، وذلك إشارة إلى الأهمية التي توليها صناعة البترول للكيمياء الجيولوجية للبترول، هي براءة الاختراع لعام 1958 الصادرة لطريقة التنقيب عن البترول باستخدام صخور المصدر الممنوحة لهانت وماينيرت (1958).

وبحلول أوائل الستينيات من القرن الماضي تم إنشاء الجمعيات المهنية والمؤتمرات البحثية حول الكيمياء الجيولوجية العضوية، وتم نشر أول كتاب مخصص لهذا العلم في (1963). وفي الستينيات أيضًا بدأت التطورات في الأدوات التحليلية، مثل تطوير كروماتوغرافيا الغاز والتحسينات في قياس الطيف الكتلي، في تقديم بيانات أكثر تفصيلاً عن توزيع وهيكلة المركبات العضوية في الرواسب والزيوت الخام، كما تؤدي هذه البيانات الجديدة إلى تطوير مفهوم مركبات الصانعة البيولوجية، أو المرقم الحيوي (Eglinton and Calvin، 1967)، حيث إن الحفريات الكيميائية ستصبح أدوات مهمة لارتباطات الصخور بمصدر النفط والارتباطات بين الزيت والنفط.

في أواخر الستينيات وحتى أوائل السبعينيات تم إحراز تقدم كبير في فهم عملية توليد الهيدروكربون، مما أدى إلى مفهوم نافذة النفط، كما تم التعرف على الحاجة إلى فهم النضج الحراري للرواسب وتكوين الكيروجين، وبحلول منتصف السبعينيات، تم تطوير أداة (Rock-Eval) وإتاحتها، كما ستصبح طريقة الانحلال الحراري المعيارية هذه لتوصيف وتقييم الصخور المصدر معيارًا صناعيًا في الكيمياء الجيولوجية البترولية التي لا تزال مستخدمة حتى اليوم، كما شهدت أواخر السبعينيات أيضًا نشر تيسو وويلتي (1978) وكيمياء الجيولوجيا والجيولوجيا البترولية (1979)، وهو أول كتاب مدرسي عن الجيوكيمياء البترولية.

كما جلبت الثمانينيات توسعًا في تقنيات الانحلال الحراري وانتشار تطبيقات العلامات الحيوية، وفهمًا أفضل لهجرة البترول. كان ذلك أيضًا عندما أصبحت نمذجة الحوض تطبيقًا سائدًا، كما تم استخدام العمل المسبق على نمذجة الأحواض على علاقات مبسطة بين الوقت ودرجة الحرارة، أو أنه اعتمد على حسابات معقدة تتطلب أجهزة كمبيوتر كبيرة. ثم قدم وابلز (1980) طريقة بسيطة لتقدير النضج بناءً على عمل لوباتين (1971).

كما سمحت للجيولوجيين بعمل نماذج باستخدام ورق الرسم البياني والآلة الحاسبة المحمولة، مع التقديم المتزامن لأجهزة الكمبيوتر الشخصية، كما تم تكييف نمذجة الحوض مع هذه الأداة الجديدة وسرعان ما أصبحت طريقة قياسية لكيمياء الجيولوجيا البترولية والاستكشاف.

الكيمياء الجيولوجية البيئية والطبية للمواد الخطيرة الناتجة عن الكوارث

تطلق العديد من الكوارث الطبيعية أو التي يتسبب فيها الإنسان مواد خطرة (HM) قد تشكل تهديدات على البيئة وصحة البشر المعرضين والحياة البرية والماشية، كما يلخص هذا الفصل الخصائص الفيزيائية والمعدنية والجيوكيميائية ذات الأهمية البيئية والسمية للمواد الناتجة عن مجموعة واسعة من الكوارث الحديثة، مثل الثورات البركانية والأعاصيروالعواصف الشديدة وانسكابات نفايات التعدين / معالجة المعادن أو المنتجات الثانوية لاستخراج الفحم.

بالإضافة إلى التوصيف التفصيلي للتركيب الفيزيائي والكيميائي والميكروبي للمخلفات الخطرة الناتجة عن الكوارث، والتي تشمل أيضًا تحديد وتمييز المصادر المتعددة المحتملة للمواد، رصد ورسم الخرائط ونمذجة تشتت وتطور المواد في البيئة، فهم كيفية تعديل المواد من خلال العمليات البيئية، تحديد الخصائص والعمليات الرئيسية التي تؤثر على سمية المواد للإنسان المكشوف والنظم الإيكولوجية، تقدير التحولات بعيداً عن الظروف البيئية الأساسية السابقة للكوارث، استخدام الرؤى الجيوكيميائية المستفادة من الكوارث السابقة للمساعدة في تقدير والاستعداد وزيادة المرونة المجتمعية للتأثيرات البيئية والصحية ذات الصلة للكوارث المستقبلية.

الجيوكيمياوية غير العضوية

الجيوكيمياء هي دراسة كيمياء طبيعة مواد الأرض والعمليات الكيميائية العاملة داخل وعلى الأرض، حيث يتم إجراء التحليلات الجيوكيميائية على أي طبيعية عينة مثل الهواء والغاز البركاني والماء والغبار والتربة والصخور أو الأنسجة الصلبة البيولوجية (خاصة القديمة، الأنسجة البيولوجية)، وكذلك على المواد بشرية المنشأ مثل النفايات السائلة الصناعية وحمأة الصرف الصحي.

ولذلك فإن التحليلات الجيوكيميائية تنطوي على نطاق واسع من المواد والتحليلات ذات الأهمية، ويمكن إجراؤها لأغراض صناعية أو بيئية أو أكاديمية، كما أن جميع العناصر التي تحدث بشكل طبيعي في الجدول الدوري مهمة والتي قد تتراوح من المكونات الرئيسية أو الثانوية إلى المتتبعات الجيوكيميائية.

حيث إنها تستخدم عادة للتحقيق الجيولوجي، كما أن العمليات التي يتعذر الوصول إليها، تتطلب كاشفات عالية، إلى جانب التحليل الدقيق لوفرة العناصر النزرة أو النسبة النظيرية، وقد لعبت متطلبات الجيوكيميائيين غير العضوية دورًا مهمًا في التطوير، ومن التقنيات التحليلية عالية الدقة متعددة العناصر، كما أن المواد الجيولوجية هي عادة مواد مقاومة للصهر، وقد تتطلب تحضيرًا كيميائيًا قويًا قبل التحليلات.

طبيعة المواد الجيولوجية

صخور الجزء العلوي من قشرة الأرض هي تنقسم إلى ثلاثة أنواع رئيسية: نارية ، رسوبية ، والصخور المتحولة. الصخور النارية مثل البازلت ، شكل الجرانيت والجابرو والريوليت من التبلور من سوائل السيليكات بشكل أساسي وبالتالي فهي أولية
الصخور. تشكل الصخور النارية حوالي 95 ٪ من حجم القشرة ، ولكن حوالي 25٪ فقط من القشرة منطقة. الصخور المتحولة مثل النيس والشست ولائحة تتشكل عندما تتعرض الصخور الموجودة ارتفاع درجات الحرارة و / أو الضغوط ، وهي شائعة مكشوفة في مناطق cratonic القديمة من القارات.

الصخور الرسوبية مثل الحجر الرملي والحجر الجيري تكونت من تجميع المكونات المتآكلة والمتجوية لصخور أخرى ، أو من مواد كيميائية أو الترسيب البيولوجي للمعادن من محلول في سطح الأرض. الصخور الرسوبية تمثل فقط 5٪ من حجم القشرة الأرضية ، ولكن حوالي 70٪ من مساحتها. تتكون الصخور من حبيبات أو بلورات من واحد أو المزيد من المعادن. على الرغم من وجود عدة آلاف من المعادن الموجودة بشكل طبيعي ، تتكون معظم الصخور من مجموعة محدودة ، تُعرف مجتمعة باسم الصخور المكونة للمعادن.

تكوين 29 من يتم عرض المعادن الأكثر شيوعًا لتشكيل الصخور إن الأرض متباينة كيميائياً مع تتركز العناصر المغناطيسية الحديدية الكثيفة في اللب والعباءة ، عناصر تشكيل الصخور الأخف مثل كما يتركز Al و Si في القشرة ، والأخف وزنا العناصر التي تشكل الغلاف الجوي.

طرق الاستكشاف الجيوكيميائية السطحية

الجيولوجيا السطحية حتى الجيوكيمياء ودراسات المعادن الثقيلة هي أدوات استكشاف عملية في التضاريس الجليدية، حيث تم تطبيق الأساليب الجيوكيميائية على نطاق واسع لرسم خرائط الإمكانات المعدنية والاستكشاف في فنلندا على سبيل المثال، وفي نصف الكرة الشمالي لأكثر من 50 عامًا.

(Till) هي وسيلة أخذ عينات فعالة في التنقيب عن المعادن؛ نظراً لأن تركيبها يعكس طبيعة وتكوين الأساس الصخري الطازج والأساس الصخري قبل التجوية والرواسب القديمة في منطقة الجليد العلوي، ومن الجسيمات بحجم الصلصال إلى الصخور، فقد تم تشتيت الحطام الموجود في الأجزاء المشتقة من المنطقة المعدنية على مسافة ما من المصدر (المصادر) في اتجاه تدفق الجليد، مما أدى إلى انتشار القطارات التي تكون عمومًا أكبر من منطقة المصدر المعرضة للتعرية الجليدية.

أظهرت العديد من الدراسات أن تشتت الفتات يختلف بين المناطق الجيومورفولوجية الجليدية، كما تختلف العمليات تحت الجليدية للجليد النشط والمتحرك عن الجليد السلبي المتلاشي، مما يؤدي إلى اختلاف مسافة الانتقال الجليدي، علاوة على ذلك يشير عدد من دراسات الحالة إلى أن مسافة الانتقال الجليدي تختلف باختلاف التضاريس الجليدية مثل الركام المضلع المستعرض والأوساخ المبسطة، المرتبطة بظروف الجليد النشط. حتى الرواسب في المنطقة الجليدية لها خصائصها الخاصة، أثبتت دراسات الإمكانات المعدنية في فنلندا أنه حتى الكيمياء الجيولوجية المدعومة بأبحاث المعادن الثقيلة وطرق أخذ العينات الجديدة منخفضة التأثير توفر طرقًا فعالة للقيام بالتنقيب عن المعادن.

المسح الجيوكيمائي

يعتمد المسح الجيوكيميائي على أخذ عينات من مواد الأرض المتاحة في منطقة مسح معينة، واعتمادًا على حجم المنطقة وكثافة أخذ العينات، فإنه يمكن تقسيم أنواع المسح تقريبًا إلى نطاق قاري وإقليمي واستهداف محلي، كما يعتمد تصميم المسح الجيوكيميائي على توصيف التركيزات الإقليمية للعناصر والمعادن على مساحة كبيرة، تحديد الانحرافات الجيوكيميائية أو المعدنية المتعلقة بمنطقة معدنية محتملة.

عادة ما تكون مرحلة التنقيب عن المعادن والتكاليف هي العوامل المهيمنة في اتخاذ القرار لطرق ومقاييس المسح الجيوكيميائي. حيث إن ما يجب تضمينه أيضًا في عامل التكلفة هو أن التقنيات الجيوكيميائية لا يمكن استخدامها لتحديد التمعدن بمفردها، وتحتاج عمومًا إلى التكامل مع المسوحات الجيولوجية والجيوفيزيائية.