تطبيقات عملية في دراسة هيكل الكرة الأرضية منذ العصور القديمة

ما هو دور علم الفلك في فهم تطور الكرة الأرضية منذ القدم؟

يهتم علم الفضاء الفلكي بجيولوجيا الأجسام الصلبة في النظام الشمسي مثل الكويكبات والكواكب وأقمارها، كما يساعد البحث في هذا المجال العلماء على فهم تطور الأرض بشكل أفضل مقارنة مع جيرانها في النظام الشمسي، كان هذا الموضوع في يوم من الأيام مجالاً لعلماء الفلك لكن ظهور المركبات الفضائية جعله في متناول الجيولوجيين والجيوفيزيائيين وعلماء الجيوكيميائيين، ويعتمد نجاح هذا المجال من الدراسة إلى حد كبير على تطوير الأجهزة المتقدمة.

دلائل قدرة علم الفلك في معرفة الكرة الأرضية:

• مكّن برنامج أبولو الأمريكي البشر من الهبوط على القمر عدة مرات منذ عام 1969.

• تم جمع صخور مختلفة وأقيمت تجارب جيوفيزيائية على سطح القمر وأجريت القياسات الجيوفيزيائية من المركبات الفضائية.

• جمع برنامج سويوز التابع للاتحاد السوفيتي الكثير من البيانات الجيوفيزيائية من المركبات الفضائية التي تدور في مدارات.

• تمت دراسة علم المعادن وعلم البترول والكيمياء الجيولوجية وعلم الجيولوجيا للصخور القمرية بالتفصيل، وقد أتاح هذا البحث العمل على التطور الجيوكيميائي للقمر.

أسفرت البعثات المختلفة المأهولة وغير المأهولة إلى القمر عن العديد من الإنجازات الأخرى، وفيما يلي ذكر بعض هذه الإنجازات:

1. تم بناء طبقات القمر وتم إعداد خرائط جيولوجية بمقياس 1: 1.000.000 كما تمت دراسة هيكل ماريا والري والحفر.

2. تم إنتاج ملامح الجاذبية عبر ماريا الكثيفة المليئة بالحمم البركانية.

3. تم تعيين توزيع العناصر المشعة المنتجة للحرارة مثل اليورانيوم والثوريوم باستخدام مطياف أشعة جاما.

4. تم تحديد الهيكل الداخلي للقمر على أساس السجلات الزلزالية للزلازل.

5. تم قياس تدفق الحرارة من الداخل.

6. تم تسجيل درجات الحرارة ليلا ونهارا على السطح.

تطورات علم الفلك في دراسة هيكل الأرض قديماً:

• منذ أواخر الستينيات تم إرسال مركبات فضائية بدون طيار إلى الكواكب المجاورة.

• تم هبوط العديد من هذه المجسات بسهولة على المريخ والزهرة.

• تم تحليل مجارف التربة من سطح المريخ كيميائياً بواسطة مطياف مضان للأشعة السينية على متن الطائرة.

• تمت دراسة النشاط الإشعاعي للمواد السطحية لكل من كوكب المريخ والزهرة باستخدام كاشف أشعة جاما، وتم تحليل التركيب النظائري لغلافيهما باستخدام مطياف الكتلة وقياس مجالاتهما المغناطيسية.

• تم عمل خرائط التضاريس والخرائط الجيولوجية للمريخ من صور عالية الدقة وخرائط طوبوغرافية لكوكب الزهرة تم تجميعها من بيانات الرادار المرسلة بواسطة المركبات الفضائية التي تدور حول الأرض، حيث تظهر صور المريخ وعطارد أن أسطحهما مرصعة بالعديد من الحفر النيزكية المشابهة لتلك الموجودة على القمر.

• تم إجراء دراسات مفصلة عن الفوهات والتضاريس البركانية وتدفقات الحمم البركانية والوديان المتصدعة على المريخ كما تم إنشاء تاريخ جيولوجي حراري مبسط للكوكب.

تطبيقات عملية لدراسة هيكل الكرة الأرضية قديماً:

• التنقيب عن مصادر الطاقة والمعادن: على مدى القرن الماضي تطورت الصناعات بسرعة وزاد عدد السكان بشكل كبير وتحسنت مستويات المعيشة، مما أدى إلى زيادة الطلب على الطاقة والموارد المعدنية، وقاد الجيولوجيون والجيوفيزيائيون عمليات التنقيب عن الوقود الأحفوري (الفحم والنفط والغاز الطبيعي وما إلى ذلك) وتركيزات الطاقة الحرارية الأرضية التي نمت تطبيقاتها في السنوات الأخيرة، كما أنها لعبت دوراً رئيسياً في تحديد مواقع رواسب المعادن ذات القيمة التجارية.

• الفحم: كانت الثورة الصناعية في أواخر القرنين الثامن عشر والتاسع عشر تغذيها الفحم، على الرغم من أنه تم استبداله بالنفط والغاز الطبيعي كمصدر أساسي للطاقة في معظم الدول الصناعية الحديثة، إلا أن الفحم يظل وقوداً مهماً.

قدرت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية أنه تم حتى الآن استغلال حوالي 2٪ فقط من الفحم القابل للتعدين في العالم، ويجب أن تدوم الاحتياطيات المعروفة لمدة 300 إلى 400 عام على الأقل، علاوة على ذلك لا يزال هناك محاولة العثور على أحواض الفحم الجديدة، على سبيل المثال حوض الليغنيت المكتشف في منتصف الثمانينيات في راجاستان في شمال غرب الهند.

وجد علماء الجيولوجيا التنقيب عن الفحم أن الفحم قد تشكل في موقعين تكتونيين مختلفين، وهما:

1. دلتا بحرية مستنقعات على حواف قارية مستقرة.

2. بحيرات مستنقعات للمياه العذبة في انتزاع (أحواض طويلة وضيقة بين صدعين عاديين متوازيين) على القشرة القارية.

وبمعرفة هذا وأنواع التكوينات الصخرية الرسوبية التي عادة ما تشمل الفحم يمكن للجيولوجيين تحديد مواقع الفحم بسهولة، وبالتالي فإن شاغلهم الرئيسي هو جودة الفحم وسمك طبقة الفحم أو التماس، كما يمكن اشتقاق هذه المعلومات من العينات التي تم الحصول عليها عن طريق الحفر في التكوين الصخري الذي يوجد فيه الفحم.

• النفط والغاز الطبيعي: خلال النصف الأخير من القرن العشرين زاد استهلاك المنتجات البترولية بشكل حاد، حيث أدى ذلك إلى نضوب العديد من حقول النفط الموجودة ولا سيما في الولايات المتحدة وجهود مكثفة للعثور على مستودعات جديدة.

يوجد النفط الخام والغاز الطبيعي بكميات تجارية بشكل عام في الصخور الرسوبية على طول الحواف القارية المتصدعة وفي الأحواض داخل القارات، تُظهر مثل هذه البيئات مجموعة خاصة من الظروف الجيولوجية وأنواع الصخور والهياكل التي تؤدي إلى تكوين وتراكم الهيدروكربونات السائلة والغازية، كما أنها تحتوي على صخور مصدر مناسبة (صخور رسوبية غنية عضويًا مثل الصخر الأسود) وصخور الخزان (تلك ذات المسامية العالية والنفاذية القادرة على الاحتفاظ بالنفط والغاز الذي يهاجر إليها) وصخور غير منفذة تمنع الحركة التصاعدية سوائل.

• الطاقة الحرارية الأرضية: مصدر آخر للطاقة البديلة هو الحرارة من باطن الأرض، وقد يتجلى التعبير السطحي لهذه الطاقة في البراكين والفومارول والسخانات البخارية والينابيع الساخنة وبرك الطين المغلية، كما تُظهر خرائط التدفق الحراري العالمية التي تم إنشاؤها من البيانات الجيوفيزيائية أن مناطق التدفق الحراري الأعلى تحدث على طول حدود اللوحة النشطة، وهناك في الواقع ارتباط وثيق بين مصادر الطاقة الحرارية الأرضية والمناطق النشطة بركانياً.

تم تطوير مجموعة متنوعة من التطبيقات للطاقة الحرارية الأرضية، فعلى سبيل المثال يتم تسخين المباني العامة والمساكن السكنية والصوبات الزراعية في مناطق مثل ريكيافيك بأيسلندا بالمياه التي يتم ضخها من الينابيع الساخنة والآبار الحرارية الأرضية، كما يتم استخدام الماء الساخن من هذه المصادر لتسخين التربة لزيادة إنتاج المحاصيل (على سبيل المثال في ولاية أوريغون) ولتبخير الخشب (على سبيل المثال في أجزاء من نيوزيلندا)، ومع ذلك فإن أهم تطبيق للطاقة الحرارية الأرضية هو توليد الكهرباء.

• الرواسب المعدنية: إن توزيع الرواسب المعدنية ذات الأهمية التجارية الكبيرة والعوامل الاقتصادية المرتبطة باستعادتها وتقديرات الاحتياطيات المتاحة تشكل الاهتمامات الأساسية لعلماء الجيولوجيا الاقتصاديين، ولأن التنمية الصناعية المستمرة تعتمد بشكل كبير على الموارد المعدنية فإن عملهم أمر بالغ الأهمية للمجتمع الحديث.

من المعروف منذ فترة طويلة أن فترات معينة من تاريخ الأرض كانت مواتية بشكل خاص لتركيز أنواع معينة من المعادن، فمثلاً فإن النحاس والزنك والنيكل والذهب مهمة في صخور الآرشي، ويتركز المغنتيت والهيماتيت في تكوينات الحديد النطاقات الأولية المبكرة، وهناك احتياطيات اقتصادية من اليورانيوم البدائي في التكتلات، كما يمكن أن تكون هذه الرواسب المعدنية ومجموعة متنوعة من الترسبات الأخرى التي نشأت في جميع أنحاء دهر الحياة الواقعية مرتبطة بأنواع معينة من البيئات التكتونية للصفائح.