גאוכימיה

גביש של המינרל הליט, המוכר כמלח בישול

גאוכימיה היא ענף החוקר את תפוצתם של יסודות כימיים ותרכובות טבעיות בכדור הארץ, ומשתמש בכלים כימיים על מנת ללמוד על תהליכים גאולוגיים. החל מן המאה ה-20 משמשת הגאוכימיה גם לחקר גופים אחרים במערכת השמש.

במושג "גאוכימיה" (כימיה של האדמה) בהקשר לענף מדעי זה השתמש לראשונה כימאי שווייצרי בשם כריסטיאן פרידריך שונביין (Christian Friedrich Schönbein) בשנת 1842. הכללת הכימיה במדעי הגאולוגיה צמחה מתוך שאלות חקלאיות וכלכליות, אך במשך הזמן התרחבה לשטחים נוספים. גאוכימיה מקושרת לכל תחומי הגאולוגיה מאחר שהחומרים הבונים את כדור הארץ והתהליכים המתרחשים בו ניתנים לניתוח כימי, למשל:

• מקורם ותפוצתם של יסודות ביקום, בגלקסיות, במערכת השמש וביחידות המבנה הראשיות של כדור הארץ: הגלעין, המעטפת, הקרום, ההידרוספירה והאטמוספירה
• התנהגותם ותפקידם של יונים בבניית גבישים
• ראקציות כימיות הנוצרות בהתקררות של מאגמה ובמחזור הסלעים
• הכימיה של סלעים געשיים
• תופעות הקשורות לגעשיות כמעיינות חמים, נביעה של גזים געשיים בפומרולות ומקור מרבצי העפרות הנוצרות על ידי מים חמים בשלבים האחרונים של התקררות מאגמה
• ראקציות כימיות הקשורות בבליה של סלעים הנוגעות לפירוק של מינרלים ויצירתם של חדשים
• הובלה של חומרי בליה על ידי גופי מים וריכוזם של אותם חומרים בגופי מים אלה, כמו למשל מליחות ימים ואגמים
• שינויים כימיים המלווים דחיסה ומילוט של משקעים בתהליך הפיכתם לסלעים
• שינויים כימיים ומינרלוגיים מתקדמים המתרחשים בעת התמרת סלעים

ציוני דרך במחקר הגאוכימי

טבעות ליסגאנג באבן חול

את ניצני הגאוכימיה ניתן למצוא ביוון העתיקה אצל דמוקריטוס שהגה את התורה האטומית, לפיה החומר בנוי מחלקיקים יסודיים, בלתי ניתנים לחלוקה נוספת – תאוריה שחידש ג'ון דלטון במאה ה-19. את הדלת להבנת היסודות הכימיים ותפיסת האטום פתח גילויים של שני היסודות החשובים ביותר לקיום חיים: מימן – שהתגלה לראשונה על ידי פאראצלסוס במאה ה-15 וזוהה שנית על ידי הנרי קבנדיש ב-1766, וחמצן – שהתגלה על ידי קרל וילהלם שלה בשנת 1772 אך עבודתו פורסמה ב-1777, שנתיים לאחר פרסום גילויו העצמאי של ג'וזף פריסטלי ב-1775.

במחצית השנייה של המאה ה-19 הפכה הגאוכימיה למדע העומד בפני עצמו. אחד המהלכים החשובים בתקופה זו היה מחקרו של ולדימיר ורנדסקי, מינרלוג וגאוכימאי רוסי, אשר הוכיח את השתתפותם של יסודות כימיים ביצירת מינרלים בטבע. ורנדסקי ידוע גם בתאוריה שפיתח על שלושת שלבי ההתפתחות של כדור הארץ: הגאוספירה – שלב המורכב מחומר דומם בלבד, הביוספירה – השלב בו נוספו חיים ביולוגיים אשר שינו את הכימיה של הגאוספירה, והנוספירה – שליטת האדם בתהליכים גרעיניים באמצעות שינוי של יסודות.

הבנת מקומם של יסודות כימיים במבנה מינרלים בוני סלעים סייעה לראות תמונה רחבה של תהליכים המשנים את המינרלים והסלעים. דוגמה למחזוריות בגלגולם של יסודות ניתן לראות במחזור הסלעים, העוקב אחר היווצרותם והריסתם של סלעים ומראה את השינויים הכימיים החלים בהם בתהליכי התמרה.

טבלת קלארק לתחמוצות הקרום

תרכובת	נוסחה	הרכב
סיליקה	SiO2	59.71%
אלומינה	Al2O3	15.41%
סיד	CaO	4.90%
מגנזיום חמצני	MgO	4.36%
נתרן חמצני	Na2O	3.55%
תחמוצת הברזל (II)	FeO	3.52%
אשלגן חמצני	K2O	2.80%
תחמוצת הברזל (III)	Fe2O3	2.63%
מים	H2O	1.52%
טיטניום דו-חמצני	TiO2	0.60%
פנטוקסיד זרחן	P2O5	0.22%
סיכום		99.22%

ההרכב הכימי של כדור הארץ

בשנת 1889 פרסם הגאוכימאי האמריקאי פרנק קלארק (Frank Wigglesworth Clarke) את הראשון מבין דוחות תפוצת היסודות והתרכובות בכדור הארץ שהרכיב. את הנתונים אסף מאלפי סקרים גאוכימיים של סלעים ברחבי העולם והראה בטבלאות שיצר כי ההרכב הממוצע של הקרום ביבשות השונות דומה מאד וכך גם תפוצתם של יסודות הקורט. קלארק חישב ומצא כי היסוד הנפוץ ביותר בקרום כדור הארץ הוא חמצן (כ-47%) וכי תחמוצות מהוות את המרכיב העיקרי בסלעים, כפי שניתן לראות בטבלה. בשנת 1924 אישר סקר מקיף אשר נשען על יותר מ-5,000 ניתוחים את נתוני דוחות התפוצה, וחישוביו של קלארק נותרו בעינם גם לאחר בדיקות בטכנולוגיות מתקדמות שהתפתחו מאז תקופתו.

טבעות ליסגאנג

טבעות ליסגאנג הן תופעה הנצפית במערכות כימיות העוברות תגובת שיקוע בתנאי ריכוז מסוימים ובהיעדר זרימת חום. תופעה זו נקראת על שם הכימאי הגרמני רפאל ליסגאנג, אשר הבחין בה לראשונה בשנת 1896 כאשר תמיסת כסף חנקתי טפטפה בטעות על שכבת ג'ל דקה של אשלגן דיכרומט. לאחר כמה שעות הופיעו טבעות קונצנטריות של כסף דיכרומט לא מסיס. כאשר נוסה התהליך במבחנה באמצעות פעפוע מרכיב אחד מראשה, נוצרו רצועות ואף סלילים ספירליים כתגובת שיקוע. הופעת הטבעות הציבה אתגר למדענים במשך זמן רב ותאוריות שונות ניסו להסבירה, אולם בשנת 2003 התגבשה תאוריה הנתמכת בתוצאות ראשוניות של ניסויים. טבעות ליסגאנג נצפות במינרלים (אגט) ובסלעים (צור ואבן חול). תאוריה כזו עשויה לשפוך אור על היווצרות אגט, נושא שיש בו עדיין שאלות פתוחות רבות.

הטבלה הגאוכימית של גולדשמידט

ערך מורחב – סיווג גולדשמידט

תרומות חשובות לגאוכימיה נובעות ממחקריו של הגאולוג ויקטור גולדשמידט. גולדשמידט חיפש הסבר להימצאותם של יסודות מסוימים כזיהומים בתוך מינרלים, וגילה כי הסיבה לכך הוא דמיונם של האטומים המזהמים לאטומים המהווים מרכיבים טבעיים של המינרל. לדוגמה, נוכחות כמויות קטנות (0.3%) של ניקל באוליבין הוסברה בדמיונם של אטומי הניקל לאטומי הברזל בגודל ובערכיות, ובאותו אופן הוסברו זיהומי כרום בפירוקסן. מחקריו על התנהגותם של יסודות נדירים ונוכחותם בגבישים מהווים תרומה נוספת אשר הניחה את היסוד לגאוכימיה של יסודות קורט.

בשנת 1922 הגיע גולדשמידט להישג חשוב כאשר פיתח את הטבלה הגאוכימית הקרויה על שמו, הנשענת על ההיפותזה כי יסודות נוטים לזיקה – או "אהבה", כהגדרתו – לשותפים או מארחים מסוימים ביצירת תרכובות בטבע:

קבוצה

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

מחזור

1

1 H

2 He

2

3 Li

4 Be

5 B

6 C

7 N

8 O

9 F

10 Ne

3

11 Na

12 Mg

13 Al

14 Si

15 P

16 S

17 Cl

18 Ar

4

19 K

20 Ca

21 Sc

22 Ti

23 V

24 Cr

25 Mn

26 Fe

27 Co

28 Ni

29 Cu

30 Zn

31 Ga

32 Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

5

37 Rb

38 Sr

39 Y

40 Zr

41 Nb

42 Mo

43 Tc

44 Ru

45 Rh

46 Pd

47 Ag

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Te

53 I

54 Xe

6

55 Cs

56 Ba

*

72 Hf

73 Ta

74 W

75 Re

76 Os

77 Ir

78 Pt

79 Au

80 Hg

81 Tl

82 Pb

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

7

87  Fr

88 Ra

**

104 Rf

105 Db

106 Sg

107 Bh

108 Hs

109 Mt

110 Ds

111 Rg

112 Cn

113 Nh

114 Uuq

115 Mc

116 Lv

117 Ts

118 Og

* לנתנידים

57 La

58 Ce

59 Pr

60 Nd

61 Pm

62 Sm

63 Eu

64 Gd

65 Tb

66 Dy

67 Ho

68 Er

69 Tm

70 Yb

71 Lu

** אקטינידים

89 Ac

90 Th

91 Pa

92 U

93 Np

94 Pu

95 Am

96 Cm

97 Bk

98 Cf

99 Es

100 Fm

101 Md

102 No

103 Lr

מקרא

יסודות נדירים

אטמופילים

ליתופילים

כלקופילים

סידרופילים

הטבלה של גולדשמידט מציעה זיהוי כימי של השכבות הבונות את כדור הארץ על פי ריכוז היסודות בהן:

• סידרופילים, אוהבי ברזל – יסודות המתרכזים בגלעין כדור הארץ
• כלקופילים, אוהבי גופרית – יסודות המתרכזים במעטפת כדור הארץ
• ליתופילים, אוהבי סיליקט – יסודות המתרכזים בקרום כדור הארץ
• אטמופילים, אוהבי גזים – יסודות המתרכזים באטמוספירה

טבלה זו, הנובעת מן ההיפותזה של גולדשמיט, מייצגת תמונה של מבנה כדור הארץ המקובלת גם היום – אם כי החלק הנוגע לכלקופילים הופרך.

שורת בואן

ערך מורחב – שורת בואן

הפטרולוג נורמן לוי בואן הציעה בתחילת המאה ה-20 תאוריה המסבירה מדוע בנויים סלעים מצרופים מסוימים של מינרלים, בעוד שסוגים אחרים של מינרלים כמעט ואינם מצויים יחד. בואן ערך סדרה של ניסויים בהם התיך אבקה של סלעים גרוסים, קרר את החומר המותך בהדרגה ואז בחן את סוגי המינרלים שנוצרו בו. בניסויים אלה נראה גיבוש מפריט – תהליך התבדלות של מינרלים בתוך המאגמה: המינרלים שהתגבשו ראשונים שוקעים לקרקעית המאגר ונפרדים מיתרת המאגמה המותכת, וככל שהרחקת המינרלים נמשכת, הולכת וגדלה תכולת הסיליקה (תחמוצת צורן) במאגמה הנותרת במאגר.

גאוכימיה מודרנית

כריות בזלת בקרקעית האוקיינוס השקט

אחד מן הנושאים המרכזיים במחקר הגאוכימי הוא מיחזור של החומרים בכדור הארץ המתרחש בכמה אופנים: היווצרות בזלת ביבשה ובאוקיינוסים שמקורה בחומרי מעטפת מומסים, חילוף מסידן לנתרן במגעה של בזלת אוקיינית עם מי הים, שינוי הרכבם של סלעים אלה וסלעי המשקע שנוצרו עליהם באזורי הפחתה ועוד.

נושא חשוב אחר הוא שיפור הבנת הביוספירה וכיצד משפיעים חיים – ובהם גם חיים אנושיים – על הגאוכימיה של כדור הארץ. תופעות כהתחממות עולמית ועמעום עולמי הדגישו את הצורך לראות בכדור הארץ מערכת אקולוגית מורכבת ולהבין עד כמה האיזון העדין המתקיים בה רגיש ופגיע. בין היתר פותחו מחקרים על מעבר יסודות ותרכובות בין מערכות ביולוגיות ומערכות אי-אורגניות.

גאוכימיה משתתפת גם במחקר גופים אחרים ביקום בכלל ובמערכת השמש בפרט, מחקר ההולך ומתפתח מאז נחיתת האדם הראשון על הירח ונמצא בעיצומו בכוונה לשלוח משימה מאוישת למאדים.

כלים ושיטות

מאז שנות ה-70 של המאה ה-20 התפתחו שיטות מחקר כימיות רגישות ביותר המאפשרות לגלות כמויות מזעריות של חומרים ויסודות קורט. יסודות כימיים שונים מובלים על ידי גופי מים, כך שמדידה שיטתית של כל יסוד יכולה לסייע באיתור מקורו. באופן זה ניתן לזהות מקורות של פחמימנים (המרכיבים הראשיים בנפט, גז טבעי ודלקי מאובנים אחרים), וכן מקורות של זיהומים שונים.

גאוכימיה משתמשת בכל הכלים בהם משתמש מדע הכימיה המודרני ותחומי המשנה שלו: כימיה אנליטית, ספקטרוסקופיה, אלקטרוכימיה, כימיה גרעינית ועוד, בין היתר לקביעת גילם הגאולוגי של סלעים תוך שימוש באיזוטופים (תיארוך רדיומטרי).

סקר גאוכימי

סקרים גאוכימיים הם כלי ראשוני להבנת ההרכב הכימי של כדור הארץ, ואחד השימושים הנפוצים שלהם הוא איתור מחצבים במרבצים תת-קרקעיים. בסקרים כאלה דוגמים ריכוזים של מתכות בקרקעות על פני אזור נרחב, ומיפוי של הריכוזים מצביע על מוקדי המרבצים. שימוש נוסף בסקרים נועד לבדוק את הרכבם של מי תהום ומי בארות לקראת שאיבה.

תחומים בגאוכימיה

שינויים ברמת פחמן דו-חמצני באטמוספירה במהלך הפנרוזואיקון, המתבססים על מודלים שונים

גאוכימיה מנסה לענות על שאלות רבות בנושאים שונים, וחלוקתה לתחומי משנה מאפשרת התמקדות בכל נושא בנפרד:

• אוקיינוגרפיה כימית – עוסקת בתכונות הכימיות של האוקיינוסים ובקשר בינם לבין האטמוספירה.
• ביוגאוכימיה – עוסקת בניתוח מחזורים ביוגאוכימיים (מחזורי הפחמן, החנקן והחמצן) וביחסים בין כדור הארץ הדומם לצורות החיים המתקיימות בו, כמו למשל האיזון הדרוש לקיום שוניות אלמוגים.
• גאוכימיה אורגנית – חוקרת את תפקידן של תרכובות אורגניות בתהליכים גאוכימיים, כמו למשל תהליך היווצרותם של דלקים מאובנים.
• גאוכימיה סביבתית – חוקרת את ההשפעה של תנאים סביבתיים על חלקים שונים של כדור הארץ, למשל על הרכבם של מי תהום.
• גאוכימיה פלנטרית – עוסקת בניתוח תפוצת יסודות כימיים והאיזוטופים ביקום בכלל ובמערכת השמש בפרט ובהשפעתם על היווצרות כדור הארץ.
• גאוכימיה איזוטופית – עוסקת בקביעת ריכוזם של היסודות והאיזוטופים שלהם על פני שטח כדור הארץ, בתיארוך סלעים ובניתוח התנאים בתקופות אקלים שונות, למשל תקופות קרח.

לקריאה נוספת

• ויליאם מ' וייט, "גאוכימיה", ספר מקוון

קישורים חיצוניים

• המושג מחזור ביוגאוכימי ומחזורים ביוגאוכימיים מוכרים באתר אקו-ויקי.
• עוד על ההיסטוריה של הגאוכימיה