التاريخ الجيولوجي للأرض وتطور القارات والمحيطات

ما هو التاريخ الجيولوجي للأرض؟

تحتوي طبقات الصخور الموجودة على سطح الأرض على دليل كبير عن العمليات التطورية التي مرت بها هذه المكونات من البيئة الأرضية أثناء الأوقات التي تكونت فيها كل طبقة، من خلال دراسة هذا السجل الصخري من البداية يمكن بالتالي تتبع تطورها والتغيرات الناتجة عبر الزمن.

ما هي فترة (Pregeologic)؟

من النقطة التي بدأ فيها الكوكب في التكون يمتد تاريخ الأرض لما يقرب من 4.6 مليار سنة، وإن أقدم الصخور المعروفة (البرمائيات المزيفة لحزام الحجر الأخضر Nuvvuagittuq في كيبيك وكندا) لها عمر نظيري يبلغ 4.28 مليار سنة، وفي الواقع هناك فترة تمتد لما يقرب من 300 مليون سنة لا يوجد لها أي سجل جيولوجي للصخور، وتطور هذه الفترة الزمنية السابقة ليس من المستغرب أن يكون موضوع الكثير من التكهنات، لكن لفهم هذه الفترة غير المعروفة يجب أخذ العوامل التالية في الاعتبار:

• عمر التكوين قبل 4.6 مليار سنة.

• العمليات الجارية حتى 4.3 مليار سنة.

• قصف الأرض بالنيازك.

• أقدم بلورات الزركون.

من المقبول على نطاق واسع من قبل الجيولوجيين وعلماء الفلك أن عمر الأرض يبلغ 4.6 مليار سنة تقريباً، وتم الحصول على هذا العمر من التحليل النظائري للعديد من النيازك وكذلك عينات التربة والصخور من القمر بطرق التأريخ مثل الروبيديوم والسترونشيوم واليورانيوم والرصاص، كما يعتبر الوقت الذي تشكلت فيه هذه الأجسام ومن خلال الاستدلال الوقت الذي تطور فيه جزء كبير من النظام الشمسي، وعندما يتم دراسة تطور نظائر الرصاص 207 والرصاص 206 من عدة رواسب رصاص مختلفة الأعمار على الأرض بما في ذلك الرواسب المحيطية التي تمثل عينة متجانسة من الرصاص الأرضي، يمكن حساب منحنى نمو الرصاص الأرضي، وعندما يتم استقراء هذا في الوقت المناسب وجد أنه يتزامن مع عمر حوالي 4.6 مليار سنة تم قياسه على نظائر الرصاص في النيازك.

وهكذا كان للأرض والنيازك تواريخ نظائر مماثلة للرصاص، ولذا استنتج أنه على مدى 30 مليون سنة تكثفوا أو تراكموا كأجسام صلبة من سحابة بدائية من الغاز والغبار بين النجوم، وذلك ما يسمى بالسديم الشمسي من الذي يُعتقد أن النظام الشمسي بأكمله قد تشكل في نفس الوقت تقريباً، والنماذج التي تم تطويرها من مقارنة نظائر الرصاص في النيازك وانحلال الهافنيوم 182 إلى التنجستن 182 في وشاح الأرض، حيث تشير إلى أن ما يقرب من 100 مليون سنة قد انقضت بين بداية النظام الشمسي وانتهاء عملية التراكم التي تشكلت أرض، وتضع هذه النماذج عمر الأرض عند 4.5 مليار سنة تقريباً.

عمليات تشكيل سطح الأرض البدائي قديماً:

• تتكثف الجسيمات في السديم الشمسي لتكوين حبيبات صلبة ومع زيادة التأثيرات الكهروستاتيكية والتثاقلية تتجمع في النهاية معاً في أجزاء أو قطع من الصخور.

• تطورت إحدى هذه الكواكب الصغيرة إلى الأرض، وغاصت العناصر المعدنية المكونة نحو مركز الكتلة، بينما ارتفعت العناصر الأخف نحو الأعلى، والأخف وزنا (مثل الهيدروجين والهيليوم) التي ربما كونت الغلاف الجوي الأول أو البدائي ربما هربت إلى الفضاء الخارجي.

• في هذه المراحل المبكرة من التراكم الأرضي نتجت الحرارة عن ثلاث ظواهر محتملة: (اضمحلال النظائر المشعة قصيرة العمر وطاقة الجاذبية المنبعثة من غرق المعادن أو تأثير الأجسام الكوكبية الصغيرة أو planetesimals).

• أصبحت الزيادة في درجة الحرارة كافية لتسخين الكوكب بأكمله، وأدى الانصهار في العمق إلى إنتاج سوائل كانت خفيفة الجاذبية، وبالتالي ارتفعت نحو السطح وتبلورت لتشكل القشرة الأولى.

• في الوقت نفسه انفصلت السوائل الأثقل الغنية بالحديد والنيكل وربما الكبريت وغرقت تحت الجاذبية، مما أدى إلى نشوء اللب في مركز الكوكب المتنامي، وتمكنت العناصر المتطايرة الأخف وزنا من الصعود والهروب من خلال إطلاق الغازات، والتي قد تكون مرتبطة بالنشاط البركاني السطحي لتكوين الغلاف الجوي الثانوي والمحيطات.

• يشار إلى هذه العملية الكيميائية للذوبان وفصل المواد وإطلاق الغازات باسم تمايز الأرض، وربما كانت القشرة الرقيقة الأولى غير مستقرة وبالتالي تعثرت وانهارت إلى العمق.

• وقد أدى هذا بدوره إلى توليد المزيد من طاقة الجاذبية، مما أتاح تكوين قشرة أكثر سمكاً واستقراراً وأطول أمداً.

• بمجرد أن يصبح باطن الأرض (أو عباءته) ساخناً وسائلاً كان من الممكن أن يتعرض للحمل الحراري على نطاق واسع، والذي ربما يكون قد مكّن القشرة المحيطية من التطور فوق مناطق ارتفاع المياه.

• حدثت إعادة التدوير السريع لمواد القشرة والعباءة في خلايا الحمل الحراري، وبهذه الطريقة ربما تكون القارات الأرضية الأولى قد تطورت خلال فجوة استمرت 300 مليون سنة بين تكوين الأرض وبداية سجل الصخور.

• من المعروف من الملاحظة المباشرة أن سطح القمر مغطى بعدد كبير من الحفر النيزكية، وهناك حوالي 40 حوضاً كبيراً يُعزى إلى تأثير النيزك، وكانت هذه المنخفضات المعروفة باسم ماريا مليئة بالحمم البازلتية الناتجة عن ذوبان الوشاح القمري الناجم عن التأثير، وقد تم تحليل العديد من هذه البازلت نظرياً ووجد أن أعمار تبلورها تتراوح بين 3.9 إلى 4 مليارات سنة.

• أظهرت الأبحاث أن الأرض ذات الكتلة الجذابة الأكبر من القمر، حيث يجب أن تكون قد خضعت لقصف نيزكي مكثف، ووفقاً للجيولوجي الإنجليزي سميث تم تشكيل ما لا يقل عن 500 إلى 1000 من أحواض التصادم على الأرض خلال فترة تتراوح من 100 إلى 200 مليون سنة قبل 3.95 مليار سنة مضت.

• علاوة على ذلك تشير الحسابات المعقولة إلى أن هذا التقدير لا يمثل سوى نهاية الذيل لفترة من انخفاض قصف النيزك، وأن حوالي 20 ضعفاً من عدد الأحواض التي تشكلت في 300 مليون سنة السابقة، وكان من الممكن أن يغطي هذا القصف المكثف معظم سطح الأرض مع تسبب التأثيرات في تدمير كبير للقشرة الأرضية حتى 4 مليارات سنة مضت.

تطور الغلاف الجوي والمحيطات قديماً – الغلاف الجوي الثانوي:

بدأ الغلاف الجوي الثانوي للأرض في التطور في وقت تمايز الكواكب، ربما فيما يتعلق بالنشاط البركاني، ومع ذلك كانت الغازات المكونة لها على الأرجح مختلفة تماماً عن تلك المنبعثة من البراكين الحديثة، وفقاً لذلك كان تكوين الغلاف الجوي الثانوي المبكر مختلفاً تماماً عن تكوين الغلاف الجوي اليوم، يسود أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والميثان ومع ذلك لا يمكن أن يكون الأكسجين الحر موجوداً؛ لأن الغازات البركانية الحديثة لا تحتوي على أكسجين، لذلك يُفترض أن الغلاف الجوي الثانوي خلال (Archean Eon) قبل 4 مليارات إلى 2.5 مليار سنة كان غير مؤكسد.

تطور الأكسجين الحر الذي يشكل الجزء الأكبر من الغلاف الجوي الحالي عبر الزمن الجيولوجي من خلال عمليتين ممكنتين، أي أنه بداية كان من الممكن أن توفر الأشعة فوق البنفسجية الشمسية (المكون ذو الطول الموجي القصير لضوء الشمس) الطاقة اللازمة لتفتيت بخار الماء إلى الهيدروجين الذي هرب إلى الفضاء والأكسجين الحر الذي بقي في الغلاف الجوي، وكانت هذه العملية على الأرجح مهمة قبل ظهور أقدم الصخور الموجودة، ولكن بعد ذلك الوقت أصبحت العملية الثانية التمثيل الضوئي العضوي هي السائدة.

تتسبب الكائنات الحية البدائية مثل الطحالب الخضراء المزرقة (أو البكتيريا الزرقاء) في تفاعل ثاني أكسيد الكربون والماء عن طريق التمثيل الضوئي لإنتاج الكربوهيدرات التي يحتاجونها للنمو والإصلاح والوظائف الحيوية الأخرى، وهذا التفاعل يطلق الأكسجين الحر، ويشير اكتشاف الستروماتوليت (الهياكل الرسوبية ذات الطبقات أو المخروطية التي تشكلت من الطحالب البحرية الملزمة للرواسب) في الحجر الجيري الذي يبلغ عمره 3.5 مليار سنة في عدة أجزاء من العالم إلى وجود الطحالب الخضراء المزرقة في ذلك الوقت.

إن وجود مثل هذه الرواسب الكربونية المبكرة دليل على أن ثاني أكسيد الكربون كان موجوداً في الغلاف الجوي، وقد تم حساب أنه كان على الأقل 100 مرة أكبر من الكمية الموجودة في الغلاف الجوي الحالي، ويمكن الافتراض أن مثل هذه الوفرة من ثاني أكسيد الكربون قد تسبب احتباس الحرارة، مما يؤدي إلى ظاهرة الاحتباس الحراري وجو حار.