გეოქიმია

გეოქიმია ( – მიწა და ქიმია) — ბუნებისმეტყველების დარგი; შეისწავლის დედამიწის ქიმიურ შედგენილობას, უპირველეს ყოვლისა დედამიწის ქერქში ქიმიური ელემენტების გავრცელებისა და განაწილების კანონზომიერებას, ბუნებრივ პროცესებში ქიმიურ ელემენტთა ატომებისა და იონების მიგრაციისა და კონცენტრაციის პირობებს.

გეოქიმია კოსმოქიმიის ნაწილია. იგი ემიჯნება გეოლოგიურ, ფიზიკურ და ქიმიურ მეცნიერებებს და ბიოგეოქიმიის საშუალებით უკავშირდება ბიოლოგიას. გეოქიმიასთან განსაკუთრებით ახლოს დგას გეოლოგიური მეცნიერების დარგები: მინერალოგია, პეტროლოგია და წიაღისეულის საბადოთა გეოლოგია.

გეოქიმია კვლევის გეოლოგიური მეთოდების გარდა იყენებს მინერალოგიურ ნივთიერებათა კვლევის ფიზიკურ და ქიმიურ მეთოდებს (სპექტრულს, მას-სპექტრულს, რენტგენულს, ქრომატოგრაფიულს, პოლაროგრაფიულს და სხვ.) და ბუნებრივი პროცესების მოდელირების ცდებს ტემპერატურისა და წნევის ფართო დიაპაზონში.

ისტორია
გეოქიმიის საფუძვლებს ჯერ კიდევ ანტიკურ პერიოდში ვხვდებით. თუმცა ამ დარგის გახსნითი საქმეები, რომელიც საფუძვლად უდევს ამ მეცნიერებას, ვხვდებით მხოლოდ 1800-1910 წწ.

გეოქიმია შედარებით ახალგაზრდა მეცნიერებაა. მის იდეებს პირველად ვხვდებით ს. გერმანელი და ფრანგი გეოლოგების კარლ გუსტავ ბიშოფისა და ელი დე ბომონის შრომებში.

ტერმინი გეოქიმია მეცნიერებაში შემოიტანა შვეიცარიელმა ქიმიკოსმა კრისტიან ფრიდრიხ შენბაინმა 1838 წ. გეოქიმური გამოკვლევები პირველად შეაჯამა და 1882 წელს გამოაქვეყნა ამერიკელმა გეოქიმიკოსმა ფრანკ უიგლსუორთ კლარკმა (1847-1931 წწ.), რომელიც გამოჩენილ მეცნიერებთან ვლადიმერ ვერნადსკისთან, ალექსანდრე ფერსმანთან და ვიქტორ მორის გოლდშმიდტთან ერთად თანამედროვე გეოქიმიის ფუძემდებლად ითვლება.

ბუნებისმეტყველმა ვლადიმერ ვერნადსკიმ ალექსანდრე ფერსმანთან ერთად შექმნა ცნობილი გეოქიმიკოსთა სკოლა, რომელსაც 1975 წლამდე სათავეში ედგა გეოქიმიკოსი ალექსანდრე ვინოგრადოვი. მნიშვნელოვანი წვლილი შეიტანა ასევე ნიკოლოზ კურნაკოვმა, რომელმაც არაერთი შრომა მიუძღვმა გეოქიმიის საკითხებს.

აღსანიშნავია, რომ ვერნადსკისა და ფერსმანის მოწაფეებმა: ალექსანდრე ვინოგრადოვმა, დიმიტრი შჩერბაკოვმა, პეტრე ჩირვინსკიმ, ნიკოლოზ ბელოვმა, ანატოლი ბეტეხტინმა, ნიკოლოზ სტრახოვმა და სხვ. შეიმუშავეს გეოქიმიის როგორც საერთო, ისე ცალკეული საკითხები, რასაც უდიდესი მნიშვნელობა ჰქონდა.

ქიმიური ელემენტები
სამყაროში ქიმიურ ელემენტთა გავრცელება განპირობებულია ვარსკვლავთა წიაღში მიმდინარე სხვადასხვა თერმობირთვული რეაქციების დროს მათი ატომების სინთეზით. ვარსკვლავთა განვითარების ტემპერატურული სტადია განაპირობებს თერმობირთვული რეაქციების ხასიათს, ე.ი. ქიმიურ ელემენტთა ატომების სინთეზსა და მათ შეფარდებით გავრცელებას.

ასტრონომიული (სპექტრული) მონაცემები მზის შედგენილობის შესახებ, მეტეორიტების, მთვარისა და დედამიწის ქერქის ქიმიური შედგენილობის უშუალო განსაზღვრა გვაფიქრებინებს, რომ მზის სისტემის ციური სხეულები და დედამიწა აგებულია ერთი და იმავე ქიმიური ელემენტებით. სამყაროში ჭარბობს დაბალი რიგითი ნომრის მქონე ატომები. გამონაკლისია , და , რომელთა ატომგულებიც პროტონებით
დაბომბვის დროს არამდგრადია.

ქიმიური ელემენტების რიგითი ნომრის ზრდასთან ერთად მცირდება სამყაროში მათი რაოდენობა. ყველაზე ნაკლებადაა გავრცელებული მენდელეევის სისტემის ბოლოს მოთავსებული მძიმე ელემენტები, ვინაიდან პროტონების დიდი სიჭარბის გამო ისინი არამდგრადობით ხასიათდებიან. ეს ელემენტები (, , და სხვ.) განიცდიან რადიოაქტიურ დაშლას. ყველაზე მეტად გავრცელებულია პროტონებისა და ნეიტრონების ლუწი რიცხვის მქონე ელემენტები; პროტონებისა და ნეიტრონების კენტი რიცხვის მქონე ელემენტები კი ნაკლებადაა გავრცელებული. ქიმიურ ელემენტთა გავრცელება დამოკიდებულია ელემენტების ატომგულების მდგომარეობაზე.

გიბზის ფაზათა წესი და კლარკები
დედამიწის ქერქში ქიმიურ ელემენტთა გავრცელება კარგადაა შესწავლილი, გამოთვლილია მათი წონითი პროცენტები, ე.წ. კლარკები.

გეოსფეროების მიხედვით ქიმიური ელემენტების განაწილების კანონზომიერება განპირობებულია ფიზიკურ-ქიმიური და კრისტალთქიმიური კანონებით. მინერალთა სხვადასხვა პარაგენეტური ასოციაციებით (ქანები და მადნები) აგებული მყარი გეოსფეროები ძირითადად მრავალკომპონენტიანი რთული სილიკატური სისტემებია. ისინი არაწონასწორულნი არიან და ახასიათებთ მასა, მოცულობა, ენტროპია, წნევა, ტემპერატურა და ქიმიური პოტენციალი. ამ სისტემებში მიმდინარე პროცესების მსვლელობის მიმართულება ემორჩილება ლეშატელიე-ბრაუნისა და მოქმედ მასათა კანონს.

სისტემების წონასწორობის პირობები ექვემდებარება გიბზის ფაზათა წესს, რომლითაც შესაძლებელია განისაზღვროს სისტემაში ურთიერთწონასწორობაში მყოფი ფაზების რიცხვი სხვადასხვა წნევის, ტემპერატურისა და მოცულობის პირობებში.

გიბზის ფაზათა წესის მიხედვით სისტემის თერმოდინამიკური თავისუფლების ხარისხია =-+2, სადაც კომპონენტების რიცხვია, - კი ფაზებისა. ბუნებრივ სისტემებში წნევა და ტემპერატურა ცვალებადია (>), ამიტომ ფორმულა ასეთ სახეს მიიღებს: <, ე.ი. სისტემაში არ შეიძლება არსებობდეს კომპონენტებზე მეტი მინერალოგიური ფაზა. ეს არის ვიქტორ მორიც გოლდშმიდტის მინერალოგიური ფაზათა წესი და მას იყენებენ მინერალთა ასოციაციების შესწავლის დროს.

სხვადასხვა მინერალურ ფაზაში ქიმიურ ელემენტთა განაწილება კრისტალთქიმიის კანონებს ემორჩილება. სხვადასხვა მინერალის კრისტალური მესრები ხასიათდება მხოლოდ მათთვის ნიშანდობლივი, დაახლოებით თანაბარი ზომის ატომებისა და იონების უფრო ხშირად იზომორფული მინარევით. იონთა ზომა (რადიუსი) დამოკიდებულია პერიოდულ სისტემაში ქიმიური ელემენტების მდებარეობაზე. პერიოდული სისტემის ჯგუფის ფარგლებში ვერტიკალური მიმართულებით იონთა მასის მატებასთან ერთად იზრდება მათი რადიუსები. კატიონის ვალენტობის ზრდა რადიუსების შემცირებას იწვევს.

მაგნიუმის მინერალები ხშირად შეიცავს სკანდიუმსა და ცირკონს, ნატრიუმისა - კალციუმსა და იტრიუმს, ტიტანისა - ნიობიუმსა და ვოლფრამს. სხვადასხვა მინერალთა კრისტალური მესერი, სტრუქტურულ ერთეულთა ურთიერთგარემოცვა (ანტურაჟი), მათ შორის არსებული ბმა და მესრის სიმეტრია განსხვავებულია.

მარტივი და სიმეტრიული კრისტალური მესრების გარდა ცნობილია რთული აგებულების დაბალი სიმეტრიის მქონე მესრები. მინერალთა კრისტალურ სტრუქტურასა და აგებულებას საზღვრავს კატიონის რადიუსის ანიონის რადიუსთან შეფარდების მნიშვნელობა, რასაც კოორდინაციული რიცხვი ეწოდება და გამოხატავს მესერში იონთა და ატომთა ურთიერთგარემოცვის კონფიგურაციას.

ქანის უმცირეს ნაწილაკშიც კი, თუნდაც კვალის სახით არსებობს ყველა ცნობილი ქიმიური ელემენტი. ბუნებრივ მყარ ფაზებში ატომთა ამგვარი საყოველთაო გავრცელება იზომორფიზმის კანონებით ვერ აიხსება. ამიტომ ვარაუდობენ, რომ მინერალებში ზოგი მინარევი ელემენტი არასტრუქტურულია და მესრის კვანძთაშორის „სიცარიელეებში“ არსებობს.

იზოტოპთა გეოქიმიის ერთ-ერთი მთავარი ამოცანაა ბუნებრივ პროცესებში იზოტოპთა ფრაქციებად დაყოფისა და, უპირველეს ყოვლისა, მსუბუქი ელემენტების ,,,, და იზოტოპების შესწავლა.
იზოტოპთა გეოქიმია მაგმური, მეტამორფული და ზოგი დანალექი ქანის აბსოლუტური ასაკის (ტყვიის, არგონის, სტრონციუმისა და ნახშირბადის იზოტოპები), ზოგჯერ სულფიდური საბადოების გენეზისის (გოგირდის იზოტოპები) და მინერალთა წარმოქმნის ტემპოერატურის (ჟანგბადისა და გოგირდის იზოტოპები) განსაზღვრის საშუალებას იძლევა.

გეოქიმიური პროცესების ენერგიის წყაროა რადიოაქტიური, გრავიტაციული და ეგზოთერმული პროცესების ენერგია, დედამიწის ზედაპირზე კი - მზის ენერგია. გეოქიმიურ პროცესებში განარჩევენ დედამიწის გეოლოგიური ისტორიის წინა პერიოდის, ენდოგენურ, ეგზოგენურ და მეტამორფოგენულ პროცესებს (გეოქიმიური პროცესები).

გეოქიმიური პროცესები
დედამიწის გეოლოგიური ისტორიის წინა პერიოდის პროცესები უმთავრესად დედამიწის, როგორც ციური სხეულის, წარმოქმნის დროს მიმდინარეობდა. ენდოგენური გეოქიმიური პროცესები ზედა მანტიიდან მაგმის გამოდნობის, მისი დეგაზაციისა და დიფერენციაციის პროცესებით იწყება. ამ პროცესების შედეგად წარმოიქმნება სხვადასხვა მაგმური ქანები მრავალი სასარგებლო წიაღისეულის საბადო (პლატინას, რკინის, ნიკელის, ალმასის, სპილენძის, კალის, ტყვიის, თუთიისა და სხვ.). ეგზოგენური გეოქიმიური პროცესები მიმდინარეობს მზის სითბური ენერგიის ხარჯზე დედამიწის ქერქის ზედაპირზე ატმოსფეროს, ჰიდროსფეროსა და ბიოსფეროს ზემოქმედებით და მოიცავს ქანთა გამოფიტვას, სედიმენტაციასა და დიაგენეზისს. ამ პროცესების შედეგად წარმოიწმნება დანალექი ქანები და მრავალი სასარგებლო წიაღისეულის საბადო (რკინის, მანგანუმის, ალუმინის, თიხის, ნახშირის და სხვ.).

მეტამორფოგენული გეოქიმიური პროცესები მაღალი წნევისა და ტემპერატურის პირობებში (უმთავრესად ქანების ჩაძირვისას დედამიწის ქერქში)
იწვევს მაგმური და დანალექი ქანების გარდაქმნის მეტამორფულ ქანებად. ხშირად ამ პროცესების შედეგადაც წარმოიქმნება სასარგებლო წიაღისეულთა საბადოები (რკინის, გრაფიტის, მარმარილოს და სხვ.).

ჰიდროსფერო
ჰიდროსფერო წარმოიქმნება ბაზალტოიდური მაგმის ამონთხევის დროს გამოყოფილი წყლის ორთქლის, 2-ისა და სხვა აირების ხარჯზე. ოკეანისა და ზღვის წყალი შეიცავს სხვადასხვა გახსნილ მარილს, რომელთა საშუალო რაოდენობა 3,5 % უდრის. ჰიდროსფერო ამა თუ იმ რაოდენობით შეიცავს თითქმის ყველა ქიმიურ ელემენტს, ვინაიდან ჰიდროსფეროსა და სხვა გეოსფეროებს შორის გაცვლითი პროცესები მიმდინარეობს და მყარდება წონასწორობა. ჰიდროსფეროს უდიდესი ნაწილი იონურ-მოლეკულური წყალხსნარია ( 7-8,3) და მხოლოდ მცირე ნაწილი შეიცავს კოლოიდურ წყალხსნარებსა და სიმღვრივეებს. ზღვისა და ოკეანის წყლის აირებიდან პირველ ყოვლისა საყურადღებოა ჟანგბადი და ნახშირორჟანგი. ისინი დიდი რაოდენობით იხსნებიან წყალში და დიდი ქიმიური აქტივობით ხასიათდებიან.

აირული რეჟიმის მნიშვნელობა ზღვის აუზებისათვის მეტად დიდია. იგი განაპირობებს აუზების ჰიდროდინამიკას, ბიონომიას და სედიმენტოგენეზისის მიმართულებას. ოკეანეებისა და ზღვების ზედაპირიდან ყოველწლიურად დაახლოებით 500 ათ. კმ წყალი ორთქლდება. წყლის ნაწილი ხმელეთს უბრუნდება, ქანებში ჩაიჟონება და ქმნის მიწისქვეშა წყალს, რომლის შედგენილობა მრავალფეროვანია (ქლორკალციუმიანი, გოგირდწყალბადიანი, სულფატური და სხვ.) და განპირობებულია ქანებთან გაცვლითი რეაქციებით.

თავისებური და მრავალფეროვანი ქიმიური შედგენილობისაა მინერალური წყლები, რომელთაც დიდი ბალნეოლოგიური მნიშვნელობა აქვთ. ახალგაზრდა ვულკანიზმის რაიონებში გავრცელებულია ცხელი, მაღალი მინერალიზაციისა და აირების (2, 2 და სხვ.) ჭარბადშემცველი წნევიანი წყაროები.

ატმოსფერო
ვარაუდობენ, რომ დედამიწის უძველესი აირული გარსი მცირე სისქისა იყო და შედგებოდა 2, 2, შესაძლებელია 4-სა და ზოგი სხვა აირისაგან.

თანამედროვე ატმოსფერო - ჟანგბად-აზოტოვანი გარსი - მეორეული ბუნებისაა და ძირითადად წარმოიქმნა ფოტოსინთეზის შედეგად თავისუფალი ჟანგბადის გაჩენისა და ვულკანური აირების 2, 3-ის ხარჯზე. ატმოსფეროს ქვედა საზღვარი ლითოსფეროსა და ჰიდროსფეროს ზედაპირთან გადის, მაგრამ ატმოსფეროს ნივთიერება საკმაოდ ღრმად აღწევს ლითოსფეროსა და ჰიდროსფეროშიც.

ატმოსფეროს ნივთიერების უდიდესი ნაწილი დედამიწის გრავიტაციული ველის ზეგავლენით თავმოყრილია მის ქვედა 8-18 კმ სისქის ფენაში - ტროპოსფეროში. მისი ქიმიური შედგენილობა რთულია, აეროზოლების სახით იგი შეიცავს მიწიერ და კოსმოსურ მტვერსაც. ატმოსფეროს ნახშირორჟანგის წყაროს, ვულკანების გარდა, ოკეანისა და ზღვის წყალი წარმოადგენს, რომელიც გათბობისას გამოყოფს 2-ს.

ატმოსფეროს ქიმიურ შედგენილობაზე გავლენას ახდენს ბირთვული გარდაქმნები, ორაგანული ნაშთების ლპობის შედეგად გამოყოფილი აირები და სხვ.; ატმოსფეროს 2 და 2 მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ ქანების გამოფიტვასა და ბევრ სხვა ეგზოგენურ პროცესში.

მიწისქვეშა ატმოსფეროები ფოროვან ქანებსა და ნაპრალებში მოქცეული სხვადასხვა წარმოშობის აირებია. გენეზისის მიხედვით განარჩევენ:
ბიოქიმიურ აირებს
ატმოსფერულ აირებს
ვულკანურ აირებს
რადიოგენურ აირებს

ბიოსფერო
ატმოსფეროს ქვედა ნაწილს, ჰიდროსფეროს და ლითოსფეროს სულ თხელ პერიფერიულ ნაწილს, სადაც ორგანული სამყაროა გავრცელებული, ბიოსფერო ეწოდება. ორგანული სამყაროს აქტივობა განპირობებულია მზის სითბური ენერგიით, რომელსაც იგი სხვადასხვა სახის თავისუფალ ენერგიად გარდაქმნის. ამ ენერგიის ხარჯზე ბიოსფეროში მიმდინარეობს სხვადასხვა ბიოგეოქიმიური პროცესები.

ბიოსფეროს ცოცხალი ნივთიერების მასა დედამიწის ქერქის მასასთან შედარებით უმნიშვნელოა (დაახლ. 0,001 % შეადგენს). ცოცხალი ნივთიერების მასის უდიდეს ნაწილს ქმნის ზღვიური ფიტოპლანქტონი, ტყე და ხმელეთის ბალახეული საფარი. აღსანიშნავია, რომ ცოცხალი სამყაროს კომპონენტების მასა არ განსაზღვრავს მათ გეოქიმიურ როლს, ვინაიდან უმნიშვნელო მასის კომპონენტებს (უმდაბლესი წყალმცენარეები, მიკროორგანიზმები) უაღრესად დიდი ბიოგეოქიმიური მნიშვნელობა აქვთ.