علم زمین‌شیمی و پدر آن

مقدمه

ژئوشیمی یا زمین‌شیمی یکی از شاخه‌های زمین‌شناسی محسوب می‌شود که در سده‌ی کنونی شکل گرفته است. سهم گولداشمیت (1) در پایه‌ریزی این علم چندان زیاد و ارزنده است که از او به عنوان پدر ژئوشیمی یاد می‌شود. با این حال این سخن ارنست راذرفورد را هم نباید فراموش کنیم که این در طبیعت اشیا نیست که کسی به تنهایی به کشفی بزرگ و ناگهانی دست یابد. علم گام به گام پیش می‌رود و کارایی هر کس به کار پیشینیان او وابسته است. برای درک بهترِ کار و زندگی گولداشمیت شایسته است که زمین‌شیمی را در متن تاریخ علم بنگریم.

از شیمی تا زمین‌شیمی

سرگذشت زمین‌شیمی دربرگیرنده‌ی تاریخ علم شیمی و زمین شناسی و تبادلات بین این دو دانش است. لازم است در اینجا از مفهوم بنیادی و محوری عنصر یاد کنیم. عناصر همواره در زندگی بشر مؤثر بوده و توسط او مورد استفاده قرار گرفته‌اند. موادی مثل آهن، مس، طلا، نقره، قلع، سرب، کربن و گوگرد که در زمین یافت می‌شوند برای مردم باستان شناخته شده بودند. این مفرغ و آهن هستند که، به دنبال عصر سنگ، عصر فلزات را در تاریخ تمدن بشر پدید آورده‌اند. (تقسیم‌بندی تاریخ تمدن به عصرهای سنگ، مفرغ و آهن نخستین بار به وسیله‌ی لوکرتیوس، شاعر و فیلسوف رومی، پیشنهاد شد و در سده‌ی نوزدهم توسط کریستین جی تامسون، دیرین شناس دانمارکی، به علم جدید راه یافت).
امپدوکلس، فیلسوف یونانی قرن پنجم قبل از میلاد، عقیده داشت جهان از چهار عنصر خاک، آب، هوا (باد)، و آتش ساخته شده است. (ارسطو عنصر پنجمی به نام اتر را به این‌ها افزود.) با این‌که در همان سده، فیلسوف یونانی دیگری به نام دموکریتوس، به پیروی از استادش لوکیپوس، این اندیشه را رواج می‌داد که جهان از ذرات تجزیه ناپذیری به نام اتم ساخته شده است، اما انگاره‌ی عناصر اربعه برای قرن‌ها باور فلاسفه و کیمیاگران گشت.
رفته رفته، علم قدیمی کیمیا به دانش جدید شیمی تبدیل شد. رابرت بویل انگلیسی (متوفی به سال 1691 میلادی) که یکی از شیمی‌دانان بزرگ قرن هفدهم میلادی بود این مفهوم از عنصر را به دست داد: «یک ماده‌ی بنیادی که می‌تواند با مواد دیگر بیامیزد و ترکیبات را به وجود آورد، و ترکیبات نیز می‌توانند به این مواد بنیادی تجزیه شوند». شیمی‌دان برجسته‌ی فرانسوی، آنتوان لاوازیه (متوفی به سال 1794)، به مطالعه‌ی کمّی در باره‌ی عناصر و تقسیم‌بندی این مواد پرداخت. او 31 عنصر را از هم بازشناخت که از آن جمله‌اند: اکسیژن، هیدروژن، کلسیم، فسفر، و آلومینیوم.
در اوایل سده‌ی نوزدهم میلادی، جان دالتون انگلیسی (متوفی به سال 1844) گام بزرگی در شیمی برداشت و نظریه‌ی اتمی را مطرح ساخت که بنا بر آن هر عنصر نماینده‌ی نوعی اتم است. در قرن نوزدهم عناصر دیگری کشف یا جدا شدند. اختراع طیف‌نما (اسپکتروسکوپ) در سال 1860 به وسیله‌ی بونزن و کیرشهوف کمک بزرگی در این راه بود.
فیزیک‌دان فرانسوی، هانری بکرل (متوفی به سال 1908)، در سال 1896 پدیده‌ی پرتوزایی یا رادیواکتیویته را کشف کرد. عناصر پرتوزا و نیز گازهای بی اثر در اواخر قرن نوزدهم و بیشتر در قرن بیستم کشف شدند. امروزه در حدود 114 عنصر شیمیایی را می‌شناسیم. این عناصر به ترتیب عدد اتمی‌شان (تعداد پروتون‌های آن‌ها) در جدول تناوبی عناصر قرار می‌گیرند که تنظیم آن را ابتدائاً به نحو قابل توجهی مدیون دانشمند روسی، دیمیتری مندلیف (متوفی به سال 1907)، هستیم.
از این عناصر شیمیایی شناخته شده تنها 92 تا در طبیعت یافت می‌شود و بقیه ناپایدار بوده و در آزمایشگاه به وجود می‌آیند. آب ترکیبی است از اکسیژن و هیدروژن. هوا مخلوطی است از گازهای نیتروژن، اکسیژن، دی اکسید کربن، و مقدار ناچیزی گازهای بی اثر. زمینی که ما بر آن پا می‌گذاریم از سنگ‌ها ساخته شده است. سنگ‌ها از کانی‌ها ساخته شده‌اند. کانی‌ها از عناصر شیمیایی تشکیل یافته‌اند. هشت عنصر اکسیژن، سیلیسیم، آلومینیم، آهن، کلسیم، منیزیم، سدیم، و پتاسیم نود و هشت درصد پوسته‌ی زمین را می‌سازند. این‌گونه توجه به شیمی، نگرشی زمین شناختی بر شیمی، یا به عبارتی دقیق‌تر، کاربرد شیمی، به ویژه کاربرد شیمی تجزیه، در شناخت زمین و ورود به قلمرو دانش زمین‌شیمی است.
واژه‌ی ژئوشیمی را نخستین بار شیمیدانی سویسی متولد آلمان به نام کریستین فریدریش شونباین در سال 1838 میلادی به کار برد. (شونباین در 1839 گاز اُزُن و در 1846 ماده‌ی منفجره را کشف کرد.) با وجود این، زمین‌شیمی در قرن بیستم شکل گرفت و یکی از بنیان‌گذاران برجسته‌ی آن و. م. گولداشمیت است.
ویکتور موریس گولداشمیت، یگانه پسر یک استاد شیمی، در 27 ژانویه‌ی 1888 در شهر زوریخ سویس زاده شد. پدرش در دانشگاه‌های آمستردام، هایدلبرگ و اسلو تدریس می‌کرد. از این رو خانوده‌اش به ناچار در کشورهای مختلف اقامت می‌کردند. گولداشمیت پس از اتمام تحصیلات دبیرستانیش در هایدلبرگ (واقع در جنوب غربی آلمان)، در سال 1905 در دانشگاه کریستیانیا (دانشگاه اسلو) در نروژ ثبت نام کرد تا در رشته‌های شیمی، کانی‌شناسی و زمین‌شناسی تحصیل کند و نیز در همان سال تبعه‌ی نروژ شد.
او در دانشگاه اسلو، شاگرد و. ک. بروگر، یکی از اساتید برجسته‌ی زمین‌شناسی در آن کشور، بود و به سال 1911 با درجه‌ی دکتری فارغ‌التحصیل شد.
رساله‌ی دکتری وی با عنوان «دگرگونی (متامورفیسم) گرمایی در ناحیه‌ی کریستیانیا» امروزه یکی از آثار کلاسیک در زمین شناسی به شمار می‌رود. او در این رساله به شرح مطالعات وسیعش بر روی نمونه‌های سنگی که از جنوب نروژ جمع آورده بود در زمینه‌ی دگرگونی گرمایی (تغییر سنگ بر اثر گرما) و مقایسه‌ی ترکیبات شیمیایی و کانی شناختیِ انواع گوناگون سنگ‌های دگرگونی (متامورفیک) می‌پردازد. این کاوش علمی منجر به انگاره‌ی «قاعده‌ی فاز کانی شناختی» شد. قاعده‌ی فاز (Phase Rule) در شیمی انگاره‌ای در مطالعه‌ی تعادل‌های دو یا چند فاز در یک سیستم است که بنا بر آن در یک سیستم شیمیایی تعداد فازها (P) به اضافه‌ی تعداد درجات آزادی (F- اصطلاح آماری درجه‌ی آزادی عبارت است از تعداد تغییرات مستقل و غیر محدود در حساب تغییرات) برابر است با تعداد سازه‌ها (C، Component) به اضافه‌ی عدد ثابت 2، که به صورت
P+F=C+2 بیان می‌شود. قاعده‌ی فاز کانی شناختی بیان می‌کند که بیشترین تعداد فازهای بلوری که با هم به حالت پایدار در سنگ‌ها وجود دارند برابر با تعداد سازه‌های آن است، یعنی P=C.
گولداشمیت دو سال در دانشگاه اسلو تدریس کرد و در سال 1914 استاد و رئیس مؤسسه‌ی کانی شناسی آن دانشگاه شد. احتیاج فراوان به مواد خام در جنگ جهانی اول باعث شد که دولت نروژ در 1917 از گولداشمیت تقاضا کند که به کار اکتشاف منابع معدنی آن کشور بپردازد. بدین ترتیب او به سمت ریاست کمیسیون و آزمایشگاه مواد خام برگزیده شد. کار جستجو و کاوش منابع معدنی در عین حال مرحله‌ی تازه‌ای از تحقیقات علمی را پیش پای گولداشمیت گذاشت. او به پژوهش در باره‌ی عواملی که در توزیع عناصر در طبیعت نقش دارند پرداخت. در آزمایشگاه، بررسی‌های وسیعی بر روی کانی‌ها انجام داد و در این کار از تکنیک‌های پرتو ایکس بهره برد.
پرتو ایکس یک تابش الکترومغناطیسی غیر مرئی با طول موج کوتاه است که در 1895 توسط ویلهلم رونتگن آلمانی کشف شد. فون لاوه، فیزیکدان دیگری از آلمان، نشان داد که پرتو ایکس در عبور از شبکه‌ی منظم بلور طبیعی تفرق پیدا می‌کند و الگوی این تفرق که بر روی صفحه‌ی عکاسی ظاهر می‌شود نمایان‌گر تقارن بلور است. ویلیام لاورنس براگ و پدرش ویلیام هنری براگ، فیزیکدانان انگلیسی، گام بعدی را برداشتند و روش دقیقی برای تعیین طول موج پرتوهای ایکس از الگوی تفرق آن‌ها یافتند و بدین ترتیب از پرتو ایکس برای یافتن آرایش اتم‌ها در بلور بهره گرفتند.
گولداشمیت به همراهی همکارانش در آزمایشگاه، با استفاده از این تکنیک، ساختار بلوری 200 ترکیبِ 75 عنصر شیمیایی را تعیین نمود. او همچنین نخستین جدول‌های شعاع اتمی و شعاع یونی را برای تعداد زیادی از عناصر تهیه کرد، و جایگزینی یک عنصر به جای عنصری دیگر در یک بلور و الگوهای رفتاری عناصر در چنان فرایندهایی را بررسی کرد (درنتیجه این امکان فراهم آمد که فرمول‌های شیمیایی پیچیده‌ی کانی‌ها بر اساس خنثی سازی بار الکتریکی یون‌های مثبت و منفی از طریق جایگزینی شیمیایی، که در آن اندازه عامل مهمی است، توضیح داده شود)، و درجه‌ی سختی بلورها را در رابطه با ساختار و بار الکتریکی یون‌ها و فاصله‌ی بین اتمی در آن‌ها توصیف نمود.
حاصل این مطالعات، کتاب عظیم «قوانین زمین‌شیمیایی برای توزیع عناصر»(2) (8 جلد، 1938-1923) بود که دانش زمین‌شیمی را بنیاد نهاد.
در سال 1929، گولداشمیت با عنوان استاد در دانشکده‌ی علوم طبیعی دانشگاه گوتینگن در آلمان به تدریس پرداخت. او در طی اقامتش در آلمان، به پژوهش‌های زمین‌شیمیایی، هم بر روی کانی‌هایی که در سنگ‌های زمین یافت می‌شوند و هم بر روی کانی‌هایی که در شهاب‌سنگ‌ها وجود دارند ادامه داد و سرانجام مدلی از زمین تنظیم کرد که در آن عناصر شیمیایی بر اساس بار الکتریکی و اندازه‌ی یون‌هایشان در بخش‌های گوناگون زمین جای می‌گیرند. این درواقع طبقه‌بندی زمین‌شیمیایی عناصر به پنج گروه بود:
1- عناصر آهن‌گرا (سیدروفیل) که بیشتر در هسته‌ی فلزی زمین قرار دارند، مانند آهن و نیکل.
2- عناصر سنگ‌گرا (لیتوفیل) که در پوسته‌ی بیرونی زمین یافت می‌شوند، مانند سیلیسیم، منیزیم، کلسیم، آلومینیم و عناصر قلیایی.
3- عناصر مِس‌گرا (کالکوفیل) از قبیل سرب و مس.
4- عناصر گازگرا (اتموفیل) که در فشار و دمای معمولی به شکل گاز هستند و بیشتر در جو زمین قرار دارند مثل اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گازهای بی‌اثر.
5- عناصر زیست‌گرا (بیوفیل) که در موجودات زنده یافت می‌شوند از قبیل کربن، هیدروژن، کلسیم و پتاسیم.
به قدرت رسیدن نازی‌ها در آلمان، گولداشمیت را وادار ساخت که در سال 1935 به اسلو بازگردد و دوباره به کارهای علمی و فنی در آنجا بپردازد. او در آن‌جا پژوهش‌های علمی مهم دیگری انجام داد از جمله این که اطلاعات فراوانی از علوم زمین‌شیمی، اخترفیزیک، و فیزیک هسته‌ای گرد آورد و کوشید که مقدار نسبی عناصر در عالم را برآورد کند و رابطه‌ای بین پایداری ایزوتوپ‌های گوناگون یک عنصر و مقدار فراوانی آن در جهان به دست دهد. این درواقع پژوهشی بود در زمینه‌ی کیهان‌شیمی (کوسموشیمی). امروزه می‌دانیم که دو عنصر هیدروژن (نود و دو و هفت دهم درصد) و هلیم (هفت و دو دهم درصد) مجموعاً نود و نه و نه دهم درصد، و عناصر سنگین مانند اکسیژن، سیلیسیم و آهن روی هم رفته تنها یک دهم درصد از ماده‌ی جهان را تشکیل می‌دهند.
پس از اشغال نروژ توسط آلمان نازی در 1940، گولداشمیت دو بار دستگیر شد و سرانجام او را به اردوی اسیران جنگی بردند. وی با شجاعت این سختی‌ها را تحمل کرد و سرانجام در اواخر 1942 به سوئد فرار کرد و سپس به انگلستان رفت. در انگلستان، در مؤسسه‌های علمی به کار مشغول بود و پس از پایان جنگ جهانی دوم به اسلو بازگشت. گولداشمیت هرگز ازدواج نکرد و گرچه فرزندی را پرورش نداد اما شاگردان بسیاری تربیت کرد که برخی از آنها به مقام‌های علمی شامخی رسیدند. سختی‌های بازداشت و اسارت بر سلامتی او اثر کذاشته بود. او در 20 مارس 1947 در سن 59 سالگی در شهر اسلو (نروژ) جهان را وداع گفت.
سهم اروپا، هم در ایجاد پایه‌های شیمی و زمین‌شناسی، و هم در بنیادگذاری دانش زمین‌شیمی، که در چهره‌ی گولداشمیت تجلی یافته، زیاد و ارزنده بوده است اما این دانش در امریکا و شوروی نیز مورد توجه بوده است.
یکی از پیشگامان زمین‌شیمی در امریکا، ف. و. کلارک بود. او به عنوان شیمیدان ارشد در سازمان زمین شناسی ایالات متحده از سال 1884 تا زمان بازنشستگی‌اش در 1925 به کار پژوهش مشغول بود. کتاب عظیم کلارک با عنوان داده‌های زمین‌شیمی (ویرایش پنجم) در سال 1924 توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده منتشر شد. گام بزرگ دیگر در تکامل زمین‌شیمی در امریکا، تأسیس آزمایشگاه زمین‌فیزیک در مؤسسه‌ی دیل کارنگی واشنگتن در سال 1904 بود که مرکز موفقی برای پژوهش‌های علمی در این زمینه و موضوعات مربوطه گشت.
زمین‌شیمی به خصوص پس از 1917 در شوروی پیشرفت کرد. و. ی. ورنادسکی و همکاران جوانش ا. ئی. فرسمان و ا. پ. وینوگاردف از پیشگامان این علم در آن سرزمین بودند. زمین‌شیمی در شوروی بیشتر در رابطه با کاوش مواد معدنی بوده و به موفقیت‌های قابل توجهی نایل آمده است.
پس از درگذشت گولداشمیت در 1947، دست‌نوشته‌های او در زمینه‌ی زمین‌شیمی جمع‌آوری شد و در سال 1954 به صورت کتابی تحت عنوان «زمین‌شیمی» به وسیله‌ی انتشارات دانشگاه آکسفورد انتشار یافت. این کتاب قطور که یادگاری پس از مرگ گولداشمیت است برای دانش‌پژوهان زمین‌شیمی کتابی بسیار آموزنده و ارزنده محسوب می‌شود. او درس اول زمین‌شیمی را چنین آغاز می‌کند: «هدف اساسی زمین‌شیمی از یک سو، تعیین کمّی ترکیب زمین و بخش‌های آن، و از سوی دیگر کشف قوانینی است که در توزیع عناصر منفرد تأثیر دارند. برای حل این مسائل، زمین‌شیمیدان نیاز به مجموعه‌ی جامعی از اطلاعات تجزیه‌ی شیمیایی در مورد مواد زمبنی مثل سنگ‌ها، آب‌ها و جو دارد. همچنین وی از اطلاعات به دست آمده از تجزبه‌ی شهاب‌سنگ‌ها، اطلاعات اخترشناسی درباره‌ی ترکیب اجرام کیهانی و اطلاعات زمین‌فیزیکی درباره‌ی ماهیت درون زمین بهره می‌گیرد. آگاهی‌های زیادی نیز از سنتز کانی‌ها در آزمایشگاه و بررسی‌هایی درباره‌ی نحوه‌ی تشکیل و شرایط پایداری آنها به دست می‌آید.»
اگرچه دانش زمین‌شیمی عمدتاً در نیمه‌ی دوم قرن بیستم پیشرفت‌های زیادی کرد، پیشاهنگی و. م. گولداشمیت در پایه‌ریزی این علم، که به بهای یک زندگی آکنده از تلاش علمی بود، فراموش نشدنی است.

پی‌نوشت‌ها:

1. Victor Moritz Goldschmidt (1888 –1947)
2. Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente (Geochemical Laws of Distribution of the Elements)