భూ రసాయన శాస్త్రం

This article is about భూమి మరియు గ్రహాల రసాయన నిర్మాణ శాస్త్రీయ అధ్యయనం గురించి. For పత్రిక గురించి, see Geochemistry (journal).

భూ రసాయన శాస్త్రం (Geochemistry) అనేది భూమి మరియు ఇతర గ్రహాలు ఎలా పనిచేస్తాయో వివరించడానికి రసాయన శాస్త్రం (chemistry) సూత్రాలను ఉపయోగించే ఒక శాస్త్రం (science) విభాగం. ఇది శిలలు (rocks), నీరు, మరియు వాతావరణం (atmosphere) లో ఉండే రసాయన మూలకాలు (chemical elements) గురించి అధ్యయనం చేస్తుంది. భూ రసాయన శాస్త్రవేత్తలు ఈ మూలకాలు కాలక్రమేణా ఎలా మారుతాయి, ఒక చోట నుండి మరో చోటికి ఎలా ప్రయాణిస్తాయి అనే విషయాలను పరిశోధిస్తారు. ఇది మహాసముద్రాలు మరియు భూపటలం (Earth's crust) వంటి పెద్ద వ్యవస్థలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఎంతో సహాయపడుతుంది.

భూ రసాయన శాస్త్రం కేవలం భూమికి మాత్రమే పరిమితం కాలేదు. ఇది మొత్తం సౌర కుటుంబం (Solar System) గురించి కూడా వివరిస్తుంది. గ్రహాలు ఎలా ఏర్పడ్డాయి, గ్రానైట్ మరియు బసాల్ట్ వంటి వివిధ రకాల శిలలు ఎందుకు ఉన్నాయి అనే విషయాలను తెలుసుకోవడానికి ఇది శాస్త్రవేత్తలకు తోడ్పడుతుంది. సరళంగా చెప్పాలంటే, ఇది శిలల గురించి చదివే భూగోళ శాస్త్రం (geology) మరియు పదార్థాల గురించి చదివే రసాయన శాస్త్రాల కలయిక.

ఒక గుహ (cave) లో నీటి చుక్కలు పడటం వల్ల స్టాలక్ టైట్ (stalactites) ఏర్పడతాయి. ఇది ఒక రసాయన ప్రక్రియ. ఇందులో నీటిలోని ఖనిజాలు వెనుక ఉండిపోయి శిలలుగా మారుతాయి.

శాస్త్ర చరిత్ర

"జియోకెమిస్ట్రీ" (Geochemistry) అనే పదాన్ని మొదటిసారిగా 1838లో క్రిస్టియన్ ఫ్రెడరిక్ షాన్బీన్ ఉపయోగించారు. ఆయన స్విట్జర్లాండ్ మరియు జర్మనీ దేశాలకు చెందిన ఒక రసాయన శాస్త్రవేత్త. భూమి ఎలా తయారైందో తెలుసుకోవడానికి భూమి రసాయన శాస్త్రాన్ని అధ్యయనం చేయడం చాలా అవసరమని ఆయన బలంగా నమ్మారు. చాలా కాలం వరకు ప్రజలు దీనిని "కెమికల్ జియాలజీ" అని పిలిచేవారు.

1884వ సంవత్సరంలో యునైటెడ్ స్టేట్స్ జియోలాజికల్ సర్వే (USGS) ప్రారంభమైంది. ఇది భూ రసాయన శాస్త్రంలో ఒక పెద్ద అడుగు. వారు శిలలు మరియు ఖనిజాల రసాయన స్వభావాన్ని ఒక పద్ధతి ప్రకారం పరీక్షించడం మొదలుపెట్టారు. ఫ్రాంక్ విగ్లెస్‌వర్త్ క్లార్క్ అనే శాస్త్రవేత్త "ద డేటా ఆఫ్ జియోకెమిస్ట్రీ" అనే ఒక ప్రసిద్ధ పుస్తకాన్ని రాశారు. భారీ మూలకాల కంటే తేలికైన మూలకాలు సాధారణంగా ప్రకృతిలో ఎక్కువగా ఉంటాయని ఆయన తన పరిశోధనల ద్వారా కనుగొన్నారు.

ఆ తర్వాత కాలంలో శాస్త్రవేత్తలు ఉల్కలు (meteorites) పై దృష్టి సారించారు. ఇవి అంతరిక్షం నుండి వచ్చే రాళ్లు. 1901 నాటికి, ఆలివర్ సి. ఫారింగ్టన్ అంతరిక్ష శిలలు మరియు భూమిపై ఉండే శిలలు ఒకే రకమైన భాగాలను కలిగి ఉండవచ్చని సూచించారు. దీనివల్ల కాస్మోకెమిస్ట్రీ (cosmochemistry) అనే ఒక కొత్త విభాగం పుట్టుకొచ్చింది.

1920వ దశకంలో, విక్టర్ గోల్డ్‌స్మిత్ ఖనిజాల నిర్మాణాన్ని చూడటానికి ఎక్స్-రే (X-rays) కిరణాలను ఉపయోగించారు. ఆయనను "ఆధునిక భూ రసాయన శాస్త్ర పితామహుడు" అని పిలుస్తారు. ప్రకృతిలో మూలకాలు ఎలా కలిసి ఉంటాయనే దానిపై ఆయన కొన్ని ముఖ్యమైన నియమాలను రూపొందించారు.

ప్రధాన అధ్యయన రంగాలు

భూ రసాయన శాస్త్రం చాలా పెద్ద విషయం. అందుకే దీనిని కొన్ని చిన్న విభాగాలుగా విభజించారు:

జల భూ రసాయన శాస్త్రం (Aqueous geochemistry): ఇది నీటిలో ఉండే మూలకాల గురించి చేసే అధ్యయనం. రాగి (copper) మరియు పాదరసం (mercury) వంటి లోహాలు నదులు, సరస్సుల ద్వారా ఎలా ప్రయాణిస్తాయో ఇది పరిశీలిస్తుంది.

జీవ భూ రసాయన శాస్త్రం (Biogeochemistry): మొక్కలు, జంతువులు వంటి జీవులు భూమి రసాయన స్వభావాన్ని ఎలా మారుస్తాయో ఇది వివరిస్తుంది.

కాస్మోకెమిస్ట్రీ (Cosmochemistry): ఇది విశ్వం, నక్షత్రాలు మరియు ఇతర గ్రహాలలో కనిపించే మూలకాల గురించి చదువుతుంది.

ఐసోటోప్ భూ రసాయన శాస్త్రం (Isotope geochemistry): ఒకే మూలకానికి చెందిన వివిధ రకాలను ఐసోటోపులు (isotopes) అంటారు. శిలల వయస్సును కనుగొనడానికి ఈ విభాగం ఉపయోగపడుతుంది.

సేంద్రియ భూ రసాయన శాస్త్రం (Organic geochemistry): జీవించి ఉన్న లేదా చనిపోయిన జీవుల నుండి వచ్చే కార్బన్ సంబంధిత పదార్థాల గురించి ఇది అధ్యయనం చేస్తుంది. ఉదాహరణకు చమురు (oil) మరియు బొగ్గు (coal).

ప్రాంతీయ భూ రసాయన శాస్త్రం (Regional geochemistry): ఒక నిర్దిష్ట భూభాగంలోని రసాయన నమూనాలను ఇది అధ్యయనం చేస్తుంది. గనుల తవ్వకానికి ఖనిజాలను వెతకడానికి లేదా కాలుష్యాన్ని తనిఖీ చేయడానికి ఇది ప్రజలకు సహాయపడుతుంది.

మూలకాలు మరియు ఐసోటోపులు

భూమిపై ఉన్న ప్రతి వస్తువు రసాయన మూలకాలు (chemical elements) తో తయారవుతుంది. ప్రతి మూలకానికి ఒక పరమాణు సంఖ్య (atomic number) ఉంటుంది. ఈ సంఖ్య ఆ పరమాణువు మధ్యలో ఎన్ని ప్రోటాన్లు (protons) ఉన్నాయో చెబుతుంది. అయితే, న్యూట్రాన్లు (neutrons) సంఖ్య మారవచ్చు. ఒకే మూలకానికి చెందిన పరమాణువులలో న్యూట్రాన్ల సంఖ్య వేరుగా ఉంటే వాటిని ఐసోటోపులు అంటారు.

ప్రకృతిలో సుమారు 260 స్థిరమైన ఐసోటోపులు ఉన్నాయి. రసాయనాలు ఎలా కదులుతున్నాయో తెలుసుకోవడానికి భూ రసాయన శాస్త్రవేత్తలు స్థిరమైన ఐసోటోపులను ఉపయోగిస్తారు. వస్తువుల వయస్సును చెప్పడానికి రేడియోధార్మిక ఐసోటోపులను (ఇవి కాలక్రమేణా మారుతాయి) ఉపయోగిస్తారు. ఉదాహరణకు, ఒక పురాతన ఎముక ఎంత పాతదో తెలుసుకోవడానికి కార్బన్-14 డేటింగ్ మనకు సహాయపడుతుంది.

మూలకాల సమూహాలు

మూలకాలు ఎక్కడ ఉండటానికి ఇష్టపడతాయో అనే దాని ఆధారంగా వాటిని వర్గీకరించడానికి భూ రసాయన శాస్త్రవేత్తలు గోల్డ్‌స్మిత్ వర్గీకరణ (Goldschmidt classification) అనే పద్ధతిని ఉపయోగిస్తారు:

లిథోఫైల్స్ (Lithophiles): ఇవి ఆక్సిజన్ తో ఉండటానికి ఇష్టపడతాయి. ఇవి భూపటలంలో (పై పొర) కనిపిస్తాయి. ఉదాహరణలు: సిలికాన్, అల్యూమినియం, మరియు మెగ్నీషియం.

సిడెరోఫైల్స్ (Siderophiles): ఇవి ఇనుము అంటే ఇష్టపడతాయి. భూమి కరుగుతున్న స్థితిలో ఉన్నప్పుడు ఇవి భూమి కేంద్ర భాగానికి వెళ్ళాయి. ఉదాహరణలు: నికెల్ మరియు బంగారం.

చాల్కోఫైల్స్ (Chalcophiles): ఇవి గంధకం (sulfur) తో ఉండటానికి ఇష్టపడతాయి. ఉదాహరణలు: రాగి మరియు జింక్.

అట్మోఫైల్స్ (Atmophiles): ఇవి వాయువుల రూపంలో ఉండటానికి ఇష్టపడతాయి. ఇవి గాలి లో కనిపిస్తాయి. ఉదాహరణలు: నత్రజని (nitrogen) మరియు హైడ్రోజన్.

పదార్థాలు కలవడం మరియు విడిపోవడం

భూమి ఎప్పుడూ మారుతూనే ఉంటుంది. శిలలు కరుగుతాయి మరియు ఖనిజాలు ఒకదానితో ఒకటి కలిసిపోతాయి. ఇది ప్రధానంగా రెండు మార్గాల్లో జరుగుతుంది: భేదం (differentiation) మరియు కలవడం (mixing).

భేదం (Differentiation): అంటే పదార్థాలు విడిపోవడం. ఉదాహరణకు, భూమి లోపల శిలలు కరిగినప్పుడు, కొన్ని భాగాలు ఘనరూపంలో ఉంటాయి మరియు మరికొన్ని భాగాలు ద్రవరూపంలోకి మారుతాయి. ఆ ద్రవం పైకి వచ్చి ఒక అగ్నిపర్వతం (volcano) గా మారవచ్చు. ఇది శిలలోని వివిధ రసాయనాలను వేరు చేస్తుంది.

కలవడం (Mixing): ఇది విడిపోవడానికి వ్యతిరేకం. కోత (erosion) వల్ల పర్వతాలు విచ్ఛిన్నమైనప్పుడు ఇది జరుగుతుంది. వర్షం వివిధ శిలల ముక్కలను సముద్రంలోకి తీసుకువెళుతుంది. అక్కడ అవన్నీ కలిసి కొత్త బురద లేదా ఇసుక పొరగా మారుతాయి.

భిన్నం చేయడం (Fractionation)

భిన్నం చేయడం (Fractionation) అనేది ఒక ప్రత్యేక రకమైన విభజన. మూలకాలు సమానంగా విస్తరించనప్పుడు ఇది జరుగుతుంది. ఉదాహరణకు, ఆవిరి అయ్యే సమయంలో, తేలికపాటి ఐసోటోపులు ఉన్న నీరు భారీ ఐసోటోపులు ఉన్న నీటి కంటే వేగంగా వాయువుగా మారుతుంది. దీనివల్ల ద్రవంలో భారీ ఐసోటోపులు మిగిలిపోతాయి. గతంలో జరిగిన వాతావరణ మార్పు (climate change) వంటి విషయాలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఇది భూ రసాయన శాస్త్రవేత్తలకు తోడ్పడుతుంది.

భూ రసాయన చక్రాలు

భూమిపై ఉన్న మూలకాలు భూ రసాయన చక్రాలు (geochemical cycles) అని పిలువబడే వృత్తాకార మార్గాల్లో తిరుగుతాయి. దీనిని ఒక "పెట్టె నమూనా" (box model) గా ఊహించుకోవచ్చు. సముద్రాన్ని ఒక పెట్టెలా అనుకోండి. నదుల నుండి నీరు మరియు ఉప్పు ఆ పెట్టెలోకి వస్తాయి. ఉప్పు ఘన స్పటికాలుగా మారినప్పుడు ఆ పెట్టె నుండి బయటకు వెళ్తుంది. లోపలికి వచ్చే పరిమాణం మరియు బయటకు వెళ్ళే పరిమాణం సమానంగా ఉంటే, సముద్రం మారకుండా అలాగే ఉంటుంది.

ఒక మూలకం ఒక "పెట్టె"లో ఉండే సమయాన్ని దాని నివాస సమయం (residence time) అంటారు. సముద్రంలోని ఉప్పు వంటి కొన్ని పదార్థాలు లక్షల సంవత్సరాల పాటు అక్కడే ఉంటాయి. గాలిలోని నీటి ఆవిరి వంటి ఇతర పదార్థాలు కేవలం కొన్ని రోజులు మాత్రమే ఉంటాయి.

సౌర కుటుంబంలోని మూలకాలు

సౌర కుటుంబం వాయువు మరియు ధూళితో కూడిన ఒక పెద్ద మేఘంగా ప్రారంభమైంది. ఇందులో ఎక్కువ భాగం హైడ్రోజన్ (75%) మరియు హీలియం (24%) ఉన్నాయి. మిగిలిన అన్ని మూలకాలు కలిపి కేవలం 1% మాత్రమే ఉంటాయి.

ఉల్కలు మరియు సూర్యుడు

ఉల్కలు చాలా ముఖ్యమైనవి. ఇవి సౌర కుటుంబం ప్రారంభం నుండి ఉన్న "కాలకోశాలు" (time capsules) వంటివి. 'CI కాండ్రైట్లు' అనే ఒక రకమైన ఉల్కలు సూర్యునితో సమానమైన రసాయన స్వభావాన్ని కలిగి ఉంటాయి. సౌర కుటుంబం మొదట్లో దేనితో తయారైందో తెలుసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు ఈ శిలలను ఉపయోగిస్తారు.

గ్రహాలు

గ్రహాలను రెండు సమూహాలుగా విభజించవచ్చు:

భౌమ గ్రహాలు (Terrestrial planets): ఇవి భూమి, అంగారకుడు (Mars), శుక్రుడు (Venus), మరియు బుధుడు (Mercury) వంటి రాతి గ్రహాలు. ఇవి ఇనుము మరియు సిలికాన్ వంటి భారీ మూలకాలతో తయారయ్యాయి.

భారీ గ్రహాలు (Giant planets): ఇవి గురుడు (Jupiter) మరియు శని (Saturn) వంటి భారీ గ్రహాలు. ఇవి ఎక్కువగా వాయువులతో (హైడ్రోజన్ మరియు హీలియం) నిండి ఉంటాయి. యురేనస్ మరియు నెప్ట్యూన్ గ్రహాలను "మంచు రాక్షసులు" అని పిలుస్తారు ఎందుకంటే వాటిలో నీరు మరియు మీథేన్ మంచు ఎక్కువగా ఉంటాయి.

భూపటలం

భూమి పై పొరను భూపటలం (crust) అంటారు. ఇది ఎక్కువగా ఆక్సిజన్ మరియు సిలికాన్‌తో తయారైంది. నిజానికి, భూపటలం బరువులో ఆక్సిజన్ సుమారు 47% ఉంటుంది!

చాలా శిలలు సిలికేట్లు అని పిలువబడే ఖనిజాలతో తయారవుతాయి. ఇవి సిలికాన్ మరియు ఆక్సిజన్ ఇతర లోహాలతో కలిసినప్పుడు ఏర్పడే రసాయనాలు.

భూపటలంలో సాధారణంగా ఉండే ఖనిజాలు

ఖనిజం రకం	భూపటలంలో శాతం	సాధారణ మూలకాలు
ప్లాజియోక్లేస్ ఫెల్డ్‌స్పార్	39%	కాల్షియం, సోడియం, అల్యూమినియం
ఆల్కలీ ఫెల్డ్‌స్పార్	12%	పొటాషియం, అల్యూమినియం
క్వార్ట్జ్	12%	సిలికాన్, ఆక్సిజన్
పైరోక్సిన్	11%	మెగ్నీషియం, ఇనుము
యాంఫిబోల్	5%	మెగ్నీషియం, ఇనుము, నీరు
మైకా	5%	పొటాషియం, అల్యూమినియం, నీరు
బంకమట్టి (Clay)	5%	అల్యూమినియం, సిలికాన్, నీరు

అగ్నిశిలల రకాలు

మాగ్మా (కరిగిన శిల) చల్లబడినప్పుడు, అది అగ్నిశిలలు (igneous rocks) గా మారుతుంది. భూ రసాయన శాస్త్రవేత్తలు వాటిలో ఉండే సిలికా పరిమాణం ఆధారంగా వీటిని సమూహాలుగా విభజిస్తారు:

ఫెల్సిక్ శిలలు (Felsic rocks): వీటిలో సిలికా ఎక్కువగా (66% కంటే ఎక్కువ) ఉంటుంది. గ్రానైట్ ఒక ప్రసిద్ధ ఫెల్సిక్ శిల. ఇది లేత రంగులో ఉంటుంది.

మధ్యస్థ శిలలు (Intermediate rocks): ఇవి మధ్యస్థంగా ఉంటాయి. ఆండసైట్ దీనికి ఒక ఉదాహరణ.

మాఫిక్ శిలలు (Mafic rocks): వీటిలో సిలికా తక్కువగా ఉంటుంది మరియు ఇనుము, మెగ్నీషియం ఎక్కువగా ఉంటాయి. బసాల్ట్ ఒక మాఫిక్ శిల. ఇది సాధారణంగా ముదురు రంగులో లేదా నలుపు రంగులో ఉంటుంది.

అల్ట్రామాఫిక్ శిలలు (Ultramafic rocks): వీటిలో సిలికా చాలా తక్కువగా ఉంటుంది. ఇవి భూమి లోపల లోతైన భాగాలలో కనిపిస్తాయి.

మహాసముద్రాల రసాయన శాస్త్రం

మహాసముద్రం అంటే కేవలం ఉప్పు నీరు మాత్రమే కాదు. ఇందులో చాలా లోహాలు తక్కువ పరిమాణంలో ఉంటాయి. వీటిని 'ట్రేస్ మెటల్స్' (trace metals) అంటారు. ఇనుము, జింక్, మరియు రాగి వంటి మూలకాలు సముద్రంలోని జీవులకు చాలా అవసరం. ఫైటోప్లాంక్టన్ అని పిలువబడే చిన్న మొక్కలు పెరగడానికి ఈ లోహాలు కావాలి.

లోతైన సముద్రంలో ఈ లోహాల పరిమాణం మారుతూ ఉంటుంది. కొన్ని చోట్ల జల ఉష్ణ ద్వారాలు (hydrothermal vents) ఉండటం వల్ల ఇనుము ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఇవి సముద్రం అడుగున ఉండే అగ్నిపర్వతాల వంటివి. ఇవి వేడిగా ఉన్న, ఖనిజాలు నిండిన నీటిని సముద్రంలోకి చిమ్ముతాయి.

భూ రసాయన శాస్త్రం ఎందుకు ముఖ్యం?

భూ రసాయన శాస్త్రం మనకు చాలా సమస్యలను పరిష్కరించడానికి సహాయపడుతుంది:

వనరులను కనుగొనడం: బంగారం, రాగి మరియు చమురు వంటి నిక్షేపాలను కనుగొనడానికి ఇది తోడ్పడుతుంది.

పర్యావరణ పరిరక్షణ: నీరు మరియు నేలలోని కాలుష్యాన్ని కనిపెట్టడానికి ఇది సహాయపడుతుంది.

చరిత్రను అర్థం చేసుకోవడం: భూమి వాతావరణంలో ఆక్సిజన్ ఎలా వచ్చిందో ఇది మనకు చెబుతుంది.

అంతరిక్ష పరిశోధన: ఇతర గ్రహాలపై జీవం ఉండే అవకాశం ఉందో లేదో తెలుసుకోవడానికి ఇది సహాయపడుతుంది.

సంబంధిత పేజీలు

భూగోళ శాస్త్రం

ఖనిజం

ఆవర్తన పట్టిక

జల చక్రం

బాహ్య లింకులు

ద జియోకెమికల్ సొసైటీ

USGS భూ రసాయన శాస్త్ర సమాచారం