دراسة تكوين الأرض المعدني خلال العصور الجيولوجية القديمة

ما هي اهتمامات الجيولوجيا خلال عصور القديمة؟

الجيولوجيا هي مجالات الدراسة المعنية بالأرض الصلبة، يشمل ذلك علوم مثل علم المعادن والجيوديسيا والطبقات، تبدأ مقدمة عن العلوم الجيوكيميائية والجيوفيزيائية منطقياً بعلم المعادن؛ لأن صخور الأرض تتكون من معادن وعناصر غير عضوية أو مركبات لها تركيبة كيميائية ثابتة وتتكون من صفوف ذرات متراصفة بانتظام.

إن أحد الاهتمامات الرئيسية لعلم المعادن هو التحليل الكيميائي لما يقرب من 3000 معدن معروف، والتي تشكل المكونات الرئيسية لأنواع الصخور الثلاثة المختلفة، وهي:

• الصخور الرسوبية (التي تتكون من تحلل الرواسب المترسبة عن طريق العمليات السطحية).

• الصخور النارية (تبلورت من الصهارة إما على العمق أو على السطح مثل الحمم).

• الصخور المتحولة (تتشكل عن طريق عملية إعادة التبلور عند درجات حرارة وضغوط عالية في قشرة الأرض بما يكفي لزعزعة استقرار المادة الرسوبية أو النارية الأم).

تهتم الجيوكيمياء (كفرع من فروع علم الجيولوجيا القديم) بدراسة تكوين هذه الأنواع المختلفة من الصخور، وأثناء بناء الجبال أصبحت الصخور مشوهة للغاية، والهدف الأساسي للجيولوجيا الهيكلية هو توضيح آلية تشكيل العديد من أنواع الهياكل (مثل الطيات والصدوع) التي تنشأ من هذا التشوه، يحتوي مجال الجيوفيزياء المتحالف على العديد من التخصصات الفرعية والتي تستخدم تقنيات آلية مختلفة.

علم الزلازل على سبيل المثال ينطوي على استكشاف البنية العميقة للأرض من خلال تحليل مفصل لتسجيلات الموجات المرنة الناتجة عن الزلازل والانفجارات التي من صنع الإنسان، وقد كان علم الزلازل الزلازل مسؤولاً إلى حد كبير عن تحديد موقع حدود الصفائح الرئيسية وانحدار مناطق الاندساس وصولاً إلى أعماق تصل إلى حوالي 700 كيلومتر عند تلك الحدود.

في التخصصات الفرعية الأخرى للجيوفيزياء (التي تتضمن اكتشاف الجيولوجيا قديماً) تُستخدم تقنيات قياس الجاذبية لتحديد شكل وحجم الهياكل تحت الأرض؛ لذلك تساعد الطرق الكهربائية على تحديد مجموعة متنوعة من الرواسب المعدنية التي تميل إلى أن تكون موصلات جيدة للكهرباء، وقد لعبت المغناطيسية القديمة الدور الرئيسي في تتبع انجراف القارات.

علم الجيومورفولوحيا كأحد أفرع الجيولوجيا القديمة:

الجيومورفولوجيا تهتم بالعمليات السطحية التي تخلق المناظر الطبيعية للعالم أي التجوية والتعرية، التجوية هي تغيير وانهيار الصخور على سطح الأرض بسبب الظروف الجوية المحلية، بينما التعرية هي العملية التي يتم من خلالها إزالة منتجات التجوية بواسطة الماء والجليد والرياح، يؤدي الجمع بين عوامل التجوية والتعرية إلى تآكل أو تعرية الجبال والقارات مع ترسب منتجات التعرية في الأنهار وأحواض الصرف الداخلية والمحيطات، وبالتالي فإن التآكل هو مكمل الترسب.

يتم تحويل الرواسب المتراكمة غير المجمعة من خلال عملية التكوّن والصخر إلى صخور رسوبية، وبالتالي إكمال دورة كاملة من نقل المادة من قارة قديمة إلى محيط شاب، وفي النهاية إلى تكوين صخور رسوبية جديدة، تعد معرفة عمليات تفاعل الغلاف الجوي والغلاف المائي مع الصخور السطحية والتربة في قشرة الأرض أمراً مهماً؛ لفهم ليس فقط تطور المناظر الطبيعية، ولكن أيضاً (وربما الأهم من ذلك) الطرق التي يتم بها تكوين الرواسب.

وهذا بدوره يساعد في تفسير طريقة التكوين والبيئة الترسيبية للصخور الرسوبية، وبالتالي فإن الانضباط الجيومورفولوجي أساسي للنهج الموحد لعلوم الأرض، والذي وفقًا له يكون الحاضر هو مفتاح الماضي.

كيف وفر التاريخ الجيولوجي معلومات عن تطور الأرض؟

يوفر التاريخ الجيولوجي إطاراً مفاهيماً ولمحة عامة عن تطور الأرض، وفيما يلي أهم هذه المفاهيم:

• كان التطور المبكر للموضوع هو علم الطبقات ودراسة الترتيب والتسلسل في الصخور الرسوبية المبطنة بالفراش.

• قد تم اليوم استخدام الرسم الطبقي الحيوي الأحافير لوصف الفترات المتتالية من الزمن الجيولوجي، ولكن كمؤشرات زمنية دقيقة نسبياً فقط لبداية العصر الكامبري منذ حوالي 540.000.000 سنة.

• يمكن قياس المقياس الزمني الجيولوجي بالعودة إلى أقدم الصخور منذ حوالي 4.280.000.000 سنة من خلال تقنيات التأريخ النظيرية، هذا هو علم الجيوكرونولوجيا الذي أحدث ثورة في الإدراك العلمي لتاريخ الأرض في السنوات الأخيرة، والذي يعتمد بشكل كبير على نسبة الأب إلى الابنة للنظائر المشعة.

• علم الحفريات هو دراسة الأحافير ولا يهتم فقط بوصفها وتصنيفها، ولكن أيضاً بتحليل تطور الكائنات الحية المعنية، يمكن العثور على أشكال أحافير بسيطة في صخور ما قبل الكامبري القديمة التي يعود تاريخها إلى 3500.000.000 سنة.

• يعتقد على نطاق واسع أن الحياة على الأرض يجب أن تكون قد بدأت قبل ظهور أقدم الصخور، وقد ساهم البحث الحفري لسجل الحفريات منذ العصر الكمبري كثيراً في نظرية تطور الحياة على الأرض.

• العديد من تخصصات العلوم الجيولوجية لها فوائد عملية للمجتمع، حيث إن الجيولوجي هو المسؤول عن اكتشاف المعادن المختلفة كالرصاص والكروم والنيكل والقصدير والنفط والغاز والفحم، حيث إن هذه المعادن هي الموارد الاقتصادية الرئيسية للأرض؛ لتطبيق معرفة الهياكل تحت السطحية والظروف الجيولوجية لصناعة البناء وللوقاية من الأخطار الطبيعية أو على الأقل تقديم إنذار مبكر بحدوثها.

• علم الفلك مهم لأنه يساهم في فهم تطور ا0لأرض داخل النظام الشمسي، قدم برنامج أبولو الأمريكي للبعثات المأهولة إلى القمر على سبيل المثال للعلماء معلومات مباشرة عن الجيولوجيا القمرية، بما في ذلك ملاحظات حول ميزات مثل الحفر النيزكية النادرة نسبياً على الأرض.

• أسفرت المسابير الفضائية غير المأهولة عن بيانات مهمة عن السمات السطحية للعديد من الكواكب وأقمارها الصناعية، منذ سبعينيات القرن الماضي، وتم استكشاف أنظمة الكواكب البعيدة مثل تلك الخاصة بالمشتري وزحل وأورانوس بواسطة المسبار.

ما هو علم المعادن كرابط تاريخي جيولوجي قديم؟

كان لعلم المعادن روابط تاريخية وثيقة مع الجيولوجيا، ومن الواضح أن المعادن كمكونات أساسية للصخور ورواسب الخام جزء لا يتجزأ من الجيولوجيا، ومع ذلك فإن مشاكل وتقنيات علم المعادن تختلف في كثير من النواحي عن تلك الموجودة في بقية الجيولوجيا، مما أدى إلى نمو علم المعادن ليصبح تخصصاً كبيراً ومعقداً في حد ذاته.

تم التعرف على حوالي 3000 نوع من المعادن المميزة، ولكن القليل منها نسبياً مهم في أنواع الصخور المتوافرة بكثرة في الجزء الخارجي من الأرض، وبالتالي فإن بعض المعادن مثل الفلسبار والكوارتز والميكا هي المكونات الأساسية في الجرانيت وأقاربه القريبة، حيث يتكون الحجر الجيري الموزع على نطاق واسع في جميع القارات إلى حد كبير من معدنين فقط وهما الكالسيت والدولوميت، تحتوي العديد من الصخور على معادن أكثر تعقيداً، وفي بعض الأحيان تكون الجزيئات المعدنية دقيقة جداً بحيث لا يمكن التعرف عليها إلا من خلال تقنيات متخصصة.

من الممكن تحديد معدن فردي في عينة من خلال فحص واختبار خصائصه الفيزيائية، يعد تحديد صلابة المعدن هو الطريقة الأكثر عملية لتحديدها، يمكن القيام بذلك من خلال استخدام مقياس صلابة موس الذي يسرد 10 معادن شائعة بترتيبها النسبي للصلابة، والترتيب هو: التلك يعد أنعم مع مقياس رقم 1، الجبس (2) الكالسيت (3)، الفلوريت (4)، الأباتيت (5)، أورثوكلاز (6)، كوارتز (7)، توباز (8)، اكسيد الالمونيوم (9)، ماس (10).

تعمل المعادن القاسية على خدش المعادن الأكثر ليونة، بحيث يمكن وضع معدن غير معروف بسهولة بين المعادن الموجودة على الميزان، بعض الأشياء الشائعة التي تم تخصيص قيم صلابة لها تقابل تقريباً تلك الخاصة بمقياس موس تُستخدم عادةً بالاقتران مع المعادن الموجودة على المقياس.

الخصائص الفيزيائية الأخرى للمعادن التي تساعد في التعرف عليها هي الشكل البلوري ونوع الانقسام والكسر والخط واللمعان واللون والجاذبية النوعية والكثافة، بالإضافة إلى ذلك يمكن تحديد معامل الانكسار للمعدن باستخدام زيوت الغمر المُعايرة بدقة، بعض المعادن لها خصائص مميزة تساعد في التعرف عليه، على سبيل المثال تتدفق معادن الكربونات مع الأحماض المخففة مثل أن الهاليت قابل للذوبان في الماء وله طعم مالح، يتألق الفلوريت (وحوالي 100 معدن آخر) في الضوء فوق البنفسجي والمعادن الحاملة لليورانيوم مشعة.

يهتم علم علم البلورات بالخصائص الهندسية والبنية الداخلية للبلورات، نظراً لأن المعادن تكون بلورية بشكل عام فإن علم البلورات يعد جانباً أساسياً من علم المعادن، وقد يستخدم الباحثون في هذا المجال مقياس الزوايا العاكس الذي يقيس الزوايا بين الوجوه البلورية للمساعدة في تحديد النظام البلوري الذي ينتمي إليه المعدن.

الأداة الأخرى التي يستخدمونها كثيراً هي مقياس حيود الأشعة السينية والذي يستفيد من حقيقة أن الأشعة السينية عند مرورها عبر عينة معدنية تنحرف بزوايا منتظمة، يتم تسجيل مسارات الأشعة المنعرجة على فيلم فوتوغرافي وتوفر مواضع وشدة خطوط الانعراج الناتجة على الفيلم نمطاً معيناً، كل معدن له نمط حيود فريد خاص به؛ لذلك فإن علماء البلورات قادرون على تحديد ليس فقط التركيب البلوري للمعدن ولكن نوع المعدن أيضاً.

عندما تتبلور مادة معقدة مثل الصهارة لتشكل صخوراً نارية، فإن حبيبات المعادن المكونة المختلفة تنمو معاً وتتداخل بعضها مع بعض، مما يؤدي إلى عدم احتفاظها بشكلها البلوري المعروف خارجياً، لدراسة المعادن في مثل هذه الصخرة يستخدم عالم المعادن مجهراً صخرياً تم إنشاؤه لعرض الأجزاء الرقيقة من الصخور، والتي يتم طحنها بشكل موحد بسماكة حوالي 0.03 ملليمتر في ضوء مستقطب بواسطة موشوريين مستقطبين في المجهر.