● ریشه لغوی
ژئوشیمی از دو کلمه Geo به معنی زمین و chemi stry به معنی شیمی تشکیل شده است.
● دید کلی
در ساده‌ترین شکل ژئوشیمی را می‌توان به عنوان علمی تعریف کرد که با شیمی کل زمینی و اجزای تشکیل دهنده آن سرو کار دارد. علم ژئوشیمی به تعبیری هم محدود‌تر و هم گسترده‌تر از زمین شناسی می‌باشد. این علم با توزیع و مهاجرت عناصر شیمیایی در درون زمین و در ابعاد زمان و مکان سرو کار دارد. علم رخداد و توزیع عناصر در جهان ، بطور کلی شیمی فضایی نامیده می‌شود. جهت درک درست شیمی زمین حائز اهمیت است که تا حد امکان از شیمی و تاریخ خورشید و سایر اجسام سیاره‌ای منظومه شمسی و همچنین شیمی ستارگان و فضای بین سیاره‌ای و میان ستاره‌ای مطلع باشیم.
▪ بطور کلی وظایف اصلی ژئوشیمی را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد :
تعیین فراوانی نسبی و مطلق عناصر و انواع اتمها ( ایزوتوپها ) در زمین.
مطالعه توزیع و مهاجرت هر یک از عناصر در بخشهای مختلف زمین ( اتمسفر ، هیدروسفر ، پوسته و غیره ) و همچنین در کانیها و سنگها به منظور کشف اصول اداره کننده این توزیع و مهاجرت.
● تاریخچه ژئوشیمی
علم ژئوشیمی عمدتا در طی قرن اخیر توسعه یافته است. با این وجود ، مفهوم نظامی مستقل که با شیمی زمین سر و کار داشته باشد، مفهوم کهن است و واژه ژئوشیمی نیز برای اولین بار توسط شیمیدان سوئیسی به نام شون بین (کاشف اوزون) ، در سال ۱۸۳۸ معرفی گردید.
مفهوم جدید یک عنصر را می‌توان به زمان لاووازیه و کتاب معروف وی در مورد عناصر شیمیایی ( ۱۷۸۹ ) نسبت داد.
در سال ۱۸۶۰ بنزن و کیرشف چگونگی کاربرد طیف سنج در تشخیص و شناسایی عناصر را به نمایش گذاشتند، پس از آن عناصر Cs ، Rb و Tl به سرعت و پی در پی به وسیله این دستگاه جدید کشف شدند. با بر پا شدن سازمان زمین شناسی آمریکا در سال ۱۸۸۴ و انتخاب کلارک به عنوان شیمیدان اصلی ، سازمانی مرکزی برای تحقیقات شیمیایی زمین ، در قاره آمریکا بنا نهاده شد.
تاسیس آزمایشگاه ژئوفیزیکی بوسیله موسسه کارنگی واشنگتن در ۱۹۰۴ ، موجب پیدایش پیشرفتهای بزرگی در ژئوشیمی گردید. گلدشمیت که در سال ۱۹۱۱ از دانشگاه آسلو ، فارغ‌التحصیل گردید، رساله دکترای وی کمکی اساسی به ژئوشیمی بود.
سال ۱۹۱۲ ، از بسیاری جهات می‌تواند تاریخی حیاتی برای توسعه و پیشرفت علم ژئوشیمی به حساب آید. در این سال فون‌لو نشان داد که ترتیب قرار گرفتن منظم اتمها در بلورها می‌تواند به صورت شبکه انکساری در مقابل اشعه‌های ایکس عمل کند و بنابراین به اکتشافی دست یافت که می‌توانست ساختار اتمی اجسام جامد را تعیین کند.
یک مرکز مهم ژئوشیمی نیز در سال ۱۹۱۷ در اتحاد جماهیر شوروی تاسیس شد. بزرگان نامی این مرکز را ورنادسکی و همکاران جوانتر وی ، فرسمن و وینوگرادف تشکیل می‌دادند. بازدهی علمی این مرکز بسیار زیاد بوده است. ژئوشیمی در اتحاد جماهیر شوروی بخصوص در راستای جستجو و استخراج مواد معدنی خام قرار داشته، و ظاهرا موفقیت قابل ملاحظه‌ای در این زمینه کسب کرده است.
در اختیار داشتن نمونه‌های کره ماه ، داده‌های کاوش از راه دور اتمسفرها و سطوح سیارات و پذیرش مفهوم تکتونیک صفحه‌ای در سالهای ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ ، دیدگاهی نوین برای نمونه برداری و نظریه ژئوشیمی فراهم آورد. افزوده شدن داده‌های گسترده‌ای از ماه و داده‌های زمین و شخانه‌ها ، این امکان را بوجود آورد که بسیاری از نظریه‌های ارائه شده در مورد سیاره شناسی و شیمی فضایی آزمایش شوند.
● فراوانی عناصر در فضا
گلدشیمت در سال ۱۹۳۷ بر مبنای داده‌های حاصل از ترکیب شخانه‌ها و مواد خورشیدی و ستاره‌ای ، اولین جدول رضایت بخش از فراوانی عناصر و ایزوتوپها در فضا را گردآوری کرد. داده‌های مربوط به هیدروژن و هلیوم و سایر مواد فرار عمدتا از بررسی خورشدی و ستاره‌ها بدست آمده است و اعداد مربوط به سایر عناصر نیز بر مبنای فراوای نسبی مواد شخانه‌ای استوار است. فراوانی نسبی یک عنصر مکن است که صد یا هزاربار از عنصر مجاور خود در جدول تناوبی بیشتر یا کمتر باشد. با این وجود هنگامی که داده‌ها به دقت بررسی می‌شوند. نظم بندیهای بیشماری به چشم می‌خورد.
▪ این نظمها را می‌توان به صورت زیر جمع‌بندی کرد:
ـ فراوانی عناصر کاهش نمایی و سریع برای عناصر دارای اعداد اتمی پایین ( تا حدود عدد اتمی ۴۰ ) را نشان می‌دهد، این کاهش نمایی ، مقادیر تقریبا ثابتی از عناصر سنگین‌تر را به دنبال دارد.
ـ عناصر دارای عدد اتمی زوج فراوانتر از عناصر دارای عدد اتمی فرد واقع در دو طرف خود می‌باشند، وجود این نظم در فراوانی نسبی عناصر برای اولین در سال ۱۹۱۴ بطور مستقل توسط اودو و در سال ۱۹۱۷ توسط هارکینز تشخیص داده شد و به همین دلیل گاهی اوقات آن را قانون اودو ـ هارکینز می‌گویند.
ـ تغییر فراوانی نسبی عناصری که عدد اتمی آنها بیشتر از نیکل است، کمتر از عناصری است که عدد اتمی آنها کوچکتر از عدد اتمی نیکل می‌باشد.
ـ تنها ده عنصر که عدد اتمی همه آنها کوچکتر از ۲۷ است فراوانی قابل ملاحظه‌ای دارند، و از این میان هیدروژن و هلیوم از هشت عنصر دیگر بسیار فراوانتر می‌باشد.
ـ در محل عدد اتمی ۲۶ یک قله فراوانی بسیار مشخص دیده می‌شود، و قله‌های کوچکتری نیز در محل چندین عدد اتمی سنگین‌تر قابل مشاهده است.
● ساختار منطقه‌ای زمین
▪ اتمسفر :
اگر چه اتمسفر فقط جزء کوچکی از کل جرم زمین را تشکیل می‌دهد، اما تاثیر آن روی شیمی سطح زمین قابل ملاحظه است. اتمسفر به عنوان محیط انتقال همنه‌های بسیاری از واکنش‌های ژئوشیمیایی سطح زمین عمل می‌کند، مانند انتقال اکسیژن ، دی اکسید کربن و آب ؛ که در فرآیندهای هوازدگی شیمیای اجزای اصلی را تشکیل می‌دهند.
ـ ترکیبات اتمسفر :
ترکیب ساده بوده و تقریبا تماما از سه عنصر نیتروژن ، اکسیژن و آرگون تشکیل شده است. و گازهای دیگری هم که به مقدار بسیار کم اتمسفر وجود دارند شامل دی اکسید کربن ، نئون ، هلیوم ، کریپتون ، گزنون ، هیدروژن و اکسید نیتروژن می‌باشند. این دسته اجزای اتمسفر در نمونه‌ای مختلف هوا نسبتا ثابت بوده و در جاهای مختلف و یا زمانهای مختلف تفاوتی نمی‌کند. ولی بعضی از اجزای سازنده‌ی اتمسفر مقدارشان متغییر است و شامل گازهای می‌باشند.
▪ هیدروسفر :
قشری ناپیوسته از آب شیرین ، شور و جامد در سطح زمین است. هیدروسفر از اقیانوسها همراه با دریاها و خلیج‌های پیوسته به آنها ، دریاچه‌ها ، آب رودها و رودخانه‌ها ، آبهای زیرزمینی و برف و یخ تشکیل شده است.
▪ بیوسفر :
واژه بیوسفر برای اولین بار توسط لامارک به کار برده شد. این واژه کاربردی دوگانه دارد؛ یکی برای مشخص کردن آن بخش از زمین که توانایی حفظ حیات را دارا می‌باشد و دیگری برای نشان دادن مقدار کل ماده زنده موجود شامل گیاهان ، جانوران و موجودات ذره‌بینی.
ـ ترکیبات بیونسفر :
دانش ما از مقدار نسبی جانوران مختلف بیونسفر از حدس و گمان هوشیارانه فراتر نمی‌رود. آب جز اصلی تمام مواد آبی است. چوب حدود ۵۰% آب دارد و مهره داران حدود ۶۶ % ، در حالیکه مقدار آب بی‌مهرگان دریایی بیش از ۹۰% است. عناصر موجود در بیونسفر عبارتند از: انرژی عناصر تغذیه‌ای بزرگ و عناصر اغذیه‌ای کوچک برای گیاهان و جانوران فقط برای گیاهان و Co و I فقط برای جانوران).
▪ پوسته زمین :
پوسته زمین ، ضخامتی از زمین است که از سطح شروع می‌شود و تا ناپیوستگی موهو ادامه می‌یابد.
ـ ترکیبات شیمیایی پوسته زمین :
ترکیب میانگین پوسته در اصل همان ترکیب سنگهای آذرین است، زیرا مقدار کل سنگهای رسوبی و دگرگونی پوسته در مقام مقایسه با توده سنگهای آذرین موجود فاقد اهمیت است.
▪ گوشته زمین :
گوشته زمین از قاعده پوسته شروع می‌شود و تا عمق ۲۹۰۰ کیومتری که ناپیوستگی گوتنبرگ - ویچرت قرار دارد، ادامه می‌یابد.
ـ ترکیب شیمیایی گوشته :
ترکیب شیمیایی گوشته از کانیهای سیلیکاتی ، احتمالا بیشتر الیوین و پیروکسین‌ها یا معادلهای فشار بالای آنها تبعیت می‌کند.
ـ هسته زمین :
هسته زمین از ناپیوستگی گوتنبرگ - ویچرت در عمق ۲۹۰۰ کیلومتر شروع می‌شود، تا مرکز زمین ادامه می‌یابد. از نظر شیمیایی هسته از آهن و نیکل تشکیل شده است.
ـ هسته خارجی زمین :
هسته خارجی از عمق ۲۹۰۰ کیلومتری شروع می‌شود و تا عمق تقریبا ۵۰۰۰ کیلومتر ادامه می‌یابد این قسمت از هسته بصورت مایع می‌باشد.
ـ هسته داخلی زمین :
هسته داخلی از عمق ۵۰۰۰ شروع و تا مرکز زمین ادامه می‌یابد، این قسمت از هسته به صورت جامد می‌باشد.