ما هي خصائص الصخور الأرضية وأنواعها؟

مفهوم الصخر:

هو عبارة عن مادة طبيعية تتكون من بلورات صلبة من معادن مختلفة اندمجت معًا في كتلة صلبة، الصخور شائعة جدًا لدرجة أن معظمنا يعتبرها أمرًا مفروغًا منه، قد تكون المعادن أو لا تكون قد تكونت في نفس الوقت، حيث إن ما يهم هو أن العمليات الطبيعية دمجتهم جميعًا معًا.

كما أن الصخر عبارة عن مجموعة صلبة من المعادن، وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من الصخور مصنفة حسب كيفية الحصول عليها وتشكيلها، وهذه الأنواع هي: رسوبيةوناريةومتحولة. كما أن الصخر عبارة عن كتلة متماسكة طبيعية من معدن واحد أو أكثر

تتكون الصخور بشكل عام من معادن أكثر، مختلطة من خلال العمليات الجيولوجية، على سبيل المثال: الجرانيت حيث إنه عبارة عن صخور نارية تتكون في الغالب من نسب مختلفة من معادن الكوارتز والفلدسبار والميكا، مثل البلورات المتشابكة، كما أن الحجر الرملي عبارة عن صخرة رسوبية يمكن أن تحتوي أيضًا على معادن الكوارتز والفلسبار والميكا، حيث يحدث ذلك عندما يتم ضغط الحبوب وتماسكها مع بعضها البعض.

ما هو المعدن؟

المعدن هو مادة تحدث بشكل طبيعي لها خصائص كيميائية وفيزيائية مميزة، إلى جانب تكوينها وتركيبها الذري، كما أن تعريف المعدن الاقتصادي أوسع، حيث إنه يشمل على كل من المعادن والصخور (أي حجر البناء والركام) والهيدروكربونات (الصلبة مثل الفحم والسائل مثل البترول) التي يتم استخراجها من الأرض عن طريق المحاجر والتعدين والضخ، إلى جانب ذلك فقد تُستخدم المعادن الاقتصادية في مجموعة واسعة من التطبيقات المتعلقة بالبناء والتصنيع والزراعة وإمدادات الطاقة.

المعدن هو عنصر أو مركب غير عضوي يحدث بشكل طبيعي، وله بنية داخلية منظمة وتكوين كيميائي مميز وشكل بلوري وخصائص فيزيائية. تشمل المعادن الشائعة الكوارتز والفلسبار والميكا والأمفيبول والزبرجد الزيتوني والكالسيت.

أنواع الصخور الأرضية

الصخور النارية

هي عبارة عن صخور بلورية أو زجاجية مختلفة، تتكون من تبريد وتصلب مادة الأرض المنصهرة، كما تشكل الصخور النارية واحدة من الفئات الرئيسية الثلاثة للصخور والأخرى متحولة ورسوبية.

تنتج الصخور النارية نتيجة تصلب الصهارة، وهي عبارة عن مادة صخرية منصهرة جزئيًا (600 إلى 1300 درجة مئوية، أو 1100 إلى 2400 درجة فهرنهايت)، نظرًا لارتفاع درجات الحرارة داخل الأرض، فإن مبادئ التوازن الكيميائي قابلة للتطبيق على دراسة الصخور النارية والمتحولة، مع اقتصار الأخيرة على تلك الصخور التي تشكلت دون تدخل مباشر من الصهارة.

كما يمكن تعريف الصخور النارية بأنها عبارة عن خليط منصهر من المعادن المكونة للصخور، والتي تكون وفي أغلب الأحيان متطايرة مثل الغازات والبخار، إلى جانب ذلك ونظرًا لتبلور المعادن المكونة لها من مادة منصهرة، فقد تتشكل الصخور النارية عند درجات حرارة عالية.

كما أن الصخور النارية المتطفلة أو الجوفية تنشأ عندما تكون الصهارة محاصرة في أعماق الأرض، حيث إن الكرات الكبيرة الموجودة في الصخور المنصهرة ترتفع نحو السطح بشكلٍ كبير، كما أن بعض الصهارة تقوم بتغذية البراكين على سطح الأرض، في حين أن أغلب هذه الصهارة تبقى محاصرة في الأسفل، حيث إنها تبرد ببطء شديد على مدى عدة آلاف أو ملايين السنين حتى يتصلب، مما يعني أن التبريد البطيء هو أن الحبوب المعدنية الفردية لديها وقت طويل جدًا للنمو، لذا فهي تنمو إلى حجم كبير نسبيًا، كما أن الصخور المتطفلة لها نسيج حبيبي خشن.

كما يتم إنتاج الصخور النارية البركانية عندما تخرج الصهارة وتبرد فوق أو بالقرب من سطح الأرض، حيث إن هذه هي الصخور التي تتشكل عند ثوران البراكين وتناثر الشقوق، كما أن الصهارة التي تسمى الحمم البركانية عندما تنفجر الصخور المنصهرة على السطح، فإنها تبرد وتتصلب على الفور تقريبًا، وذلك عندما تتعرض لدرجة حرارة الغلاف الجوي الباردة نسبيًا.

يعني التبريد السريع أن البلورات المعدنية ليس لديها الكثير من الوقت لتنمو، لذلك تتميز هذه الصخور بحبيبات دقيقة جدًا أو حتى نسيج زجاجي، وغالبًا ما يتم احتجاز فقاعات الغاز الساخن في الحمم البركانية المروية، مما يشكل نسيجًا حويصليًا شمبانياً.

الصخور الرسوبية

تتكون الصخور الرسوبية من صخور موجودة مسبقًا أو قطع من الكائنات الحية التي كانت حية في السابق، كما تتشكل من الرواسب التي تتراكم على سطح الأرض، وغالبًا ما تحتوي الصخور الرسوبية على طبقات أو فراش مميز، كما تُظهر العديد من المناظر الخلابة للصحراء الجنوبية الغربية أقواس مصنوعة من طبقات صخرية رسوبية.

كما تشمل الصخور الرسوبية الشائعة الحجر الرملي والحجر الجيري والصخر الزيتي، كما أنه وغالبًا ما تبدأ هذه الصخور كرواسب محمولة في الأنهار وترسبت في البحيرات والمحيطات. عند دفنها تفقد الرواسب الماء وتصبح متماسكة لتشكيل الصخور، حيث تحتوي الأحجار الرملية التنافسية على رماد بركاني.

تتكون الصخور الرسوبية البيولوجية عندما تموت أعداد كبيرة من الكائنات الحية، تشيرت هو مثال على هذا النوع من الصخور، وهذه إحدى الطرق التي يمكن أن يتشكل بها الحجر الجيري، يمكن أن يتشكل الحجر الجيري أيضًا عن طريق الترسيب خارج الماء.

غالبًا ما تشتمل الصخور الرسوبية غير المضطربة تكتونيًا المترسبة في بيئة بحرية ضحلة هادئة، حيث تسلسل الطبقات التي قد تقدم تنوعًا صخريًا كبيرًا على نطاق هيكل هندسي، حيث إن كتل هذه الصخور تظهر خصائص هندسية تختلف اختلافًا كبيرًا عن الكتل الصخرية المضطربة تكتونيًا والمماثلة في التكوين.

الصخور المتحولة

بدأت الصخور المتحولة كنوع آخر من الصخور، ولكنها تغيرت بشكل كبير عن شكلها الأصلي البركاني أو الرسوبي أو المتحولة السابق، حيث تتشكل الصخور المتحولة عندما تتعرض الصخور لحرارة عالية أو ضغط مرتفع أو سوائل غنية بالمعادن الساخنة أو بشكل أكثر شيوعًا، وهي عبارة عن مزيج من هذه العوامل، حيث توجد مثل هذه الظروف في أعماق الأرض أو حيث تلتقي الصفائح التكتونية.

لا تؤدي عملية التحول إلى إذابة الصخور، ولكنها بدلاً من ذلك تحولها إلى صخور أكثر كثافة وأكثر إحكاما، حيث يتم إنشاء معادن جديدة إما عن طريق إعادة ترتيب المكونات المعدنية أو من خلال تفاعلات السوائل التي تدخل الصخور، كما يمكن أن يؤدي الضغط أو درجة الحرارة إلى تغيير الصخور المتحولة سابقًا إلى أنواع جديدة.

كما أنه وغالبًا ما يتم سحق الصخور المتحولة وتلطخها وطيها، وعلى الرغم من هذه الظروف غير المريحة، فإن الصخور المتحولة لا تسخن بدرجة كافية لتذوب، أو ستصبح صخورًا نارية، تشمل الصخور المتحولة الشائعة الفيلايت والشست والنيس والكوارتزيت والرخام، كما أن بعض أنواع الصخور المتحولة؛ الجرانيت النيس والشست البيوتايت هما مثالان يتم ربطها بشدة أو ترققها.

هل الجليد الجليدي نوع من الصخور؟

الجليد الجليدي مثل الحجر الجيري (على سبيل المثال)، هو نوع من الصخور، كما أن الجليد الجليدي هو في الواقع صخرة أحادية المعدن (صخرة مصنوعة من معدن واحد فقط، مثل الحجر الجيري الذي يتكون من معدن الكالسيت).

خصائص الصخور الأرضية

الخصائص الفيزيائية

تُعد الخصائص الفيزيائية للصخور مهمة بشكلٍ كبير في العديد من مجالات الحياة، والتي تشمل على كل من الجيولوجيا والبتروفيزياء والجيوفيزياء وعلوم المواد والكيمياء الجيولوجية والهندسة الجيوتقنية، حيث يتراوح نطاق التحقيق من الجزيئات والبلورات إلى الدراسات الأرضية للأرض والأجسام الكوكبية الأخرى.

يهتم الجيولوجيون بالتأريخ العمراني للنشاط الإشعاعي للصخور لإعادة بناء منشأ الرواسب المعدنية؛ حيث يقوم علماء الزلازل بصياغة تنبؤات الزلازل المحتملة باستخدام التغيرات الفيزيائية أو الكيميائية للصخر؛ كما يدرس علماء علم البلورات تركيب المعادن ذات الخصائص البصرية أو الفيزيائية الخاصة.

كما يقوم علماء الجيوفيزياء بعمليات الاستكشاف بالتحقيق في تباين الخصائص الفيزيائية للصخور الجوفية؛ وذلك بهدف إتاحة إمكانية الكشف عن الموارد الطبيعية مثل: النفط والغاز والطاقة الحرارية الأرضية وخامات المعادن، حيث يقوم المهندسون الجيوتقنيون بفحص طبيعة وسلوك المواد التي سيتم من خلالها بناء هياكل مثل: المباني والسدود والأنفاق والجسور وأقبية التخزين الموجودة تحت الأرض.

إلى جانب ذلك فقد يدرس علماء فيزياء الحالة الصلبة الخصائص المغناطيسية والكهربائية والميكانيكية للمواد للأجهزة الإلكترونية أو مكونات الكمبيوتر أو السيراميك عالي الأداء ومهندسو مكامن البترول، كما أنهم يحللون الاستجابة المقاسة في سجلات الآبار أو في عمليات الحفر العميق عند درجات حرارة وضغط مرتفعين.

الكثافة

تختلف الكثافة بشكل كبير بين أنواع الصخور المختلفة؛ وذلك نتيجة الاختلافات الموجودة في كل من المعادن والمسامية، كما يمكن أن تساعد معرفة توزيع كثافات الصخور الجوفية في تفسير البنية الجيولوجية الجوفية ونوع الصخور. في الاستخدام الصارم تُعرَّف الكثافة بأنها كتلة المادة لكل وحدة حجم، ومع ذلك وفي الاستخدام الشائع، فإنه يؤخذ على أنه الوزن في الهواء لوحدة حجم العينة عند درجة حرارة معينة.

كما أن هناك خاصية أخرى ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالكثافة وهي الجاذبية النوعية، حيث يتم تعريفه على أنه نسبة الوزن أو الكتلة في الهواء لوحدة حجم مادة عند درجة حرارة محددة إلى الوزن أو الكتلة في الهواء لوحدة حجم الماء المقطر عند نفس درجة الحرارة، كما أن الثقل النوعي بلا أبعاد؛ أي أنه لا يحتوي على وحدات.

تزداد كثافة الصخور الرسوبية الكلسية مع دفن الصخور تدريجياً؛ وذلك بسبب زيادة ضغط الحمل الزائد، والذي يسبب الضغط، والتدعيم التدريجي مع تقدم العمر، كما يقلل كل من الضغط والتدعيم من المسامية.

الخواص الميكانيكية

عندما يتم تطبيق إجهاد (σ) (القوة لكل وحدة مساحة) على مادة مثل الصخور، فإن المادة تتعرض لتغيير في الأبعاد أو الحجم أو الشكل، كما يمكن أن تكون الضغوط محورية على سبيل المثال: التوتر الاتجاهي أو الضغط البسيط أو القص (العرضي) أو من جميع الجوانب (على سبيل المثال: الضغط الهيدروستاتيكي).

إلى جانب ذلك فقد تستخدم مصطلحات الضغط أحيانًا بالتبادل، ولكن غالبًا ما يشير الإجهاد إلى الإجهاد الاتجاهي أو إجهاد القص والضغط (P) يشير إلى الضغط الهيدروستاتيكي. أما عن الضغوط المنخفضة فإن الضغط في هذه الحالة يكون مرنًا؛ مما يعني أنه يمكن استعادته عند إزالة الضغط ويتناسب خطيًا مع الإجهاد المطبق، وبالنسبة للضغوط الأكبر والظروف الأخرى، فإنه يمكن أن تكون السلالة غير مرنة أو دائمة.

وفي التشوه المرن فقد يكون هناك العديد من الثوابت التي تربط حجم استجابة الانفعال بالضغط المطبق، حيث تشمل هذه الثوابت المرنة ما يلي:

• معامل يونغ (E): وهو عبارة عن النسبة بين الضغط المطبق إلى الامتداد الجزئي المتعلقة بطول العينة الموازي للتوتر.

• معامل القص (μ): وهو عبارة عن النسبة بين الضغط المطبق إلى تشويه (دوران) مستوى عمودي أصلاً على إجهاد القص المطبق؛ يطلق عليه أيضًا معامل الصلابة.

• معامل الحجم (k): هو نسبة الضغط المحاصر إلى الاختزال الجزئي للحجم استجابةً للضغط الهيدروستاتيكي المطبق، كما أن إجهاد الحجم هو التغير في حجم العينة مقسومًا على الحجم الأصلي، حيث يُطلق على معامل الحجم أيضًا معامل عدم الانضغاط.

• نسبة بواسون (σp): وهي عبارة عن نسبة الإجهاد الجانبي (عمودي على الإجهاد المطبق) إلى الإجهاد الطولي (بالتوازي مع الإجهاد المطبق).

التدفق الحراري

التدفق الحراري (q) في قشرة الأرض أو في الصخور كمواد بناء؛ هو نتاج تدرج درجة الحرارة (التغير في درجة الحرارة لكل وحدة مسافة) والتوصيل الحراري للمادة (تدفق الحرارة عبر السطح لكل وحدة مساحة ولكل وحدة زمنية عند وجود اختلاف في درجة الحرارة في طول الوحدة المتعامد على السطح).

حيث تكون الموصلية الحرارية للزجاج العازل أقل من الموصلية الحرارية للعازل البلوري المقابل، وبالتالي فإن الزجاج يصنع عوازل حرارية جيدة، حيث تختلف البلورات والنظارات أيضًا بشكل منهجي في أطيافها الضوئية. تعكس الموصلية الحرارية للمادة قدرتها على نقل الحرارة عن طريق التوصيل، وفي المواقف العملية فقد تعتبر كل من اللزوجة والتوصيل الحراري مهمين، كما يتضح من التباين بين مرتبة هوائية وسرير مائي.

كما يمكن مقارنة الخصائص الحرارية للموصل الفائق بخصائص نفس المادة عند نفس درجة الحرارة في الحالة الطبيعية، حيث يمكن دفع المادة إلى الحالة الطبيعية عند درجة حرارة منخفضة بواسطة مجال مغناطيسي كبير بدرجة كافية.

على الرغم من أن الخصائص المغناطيسية للصخور التي تشترك في نفس التصنيف قد تختلف من صخرة إلى أخرى، إلا أن الخصائص المغناطيسية العامة تعتمد عادةً على نوع الصخور والتركيب الكلي، حيث يمكن فهم الخصائص المغناطيسية لصخرة معينة جيدًا بشرط أن يكون لدى المرء معلومات محددة حول الخصائص المغناطيسية للمواد والمعادن البلورية.

وكذلك حول كيفية تأثر هذه الخصائص بعوامل مثل درجة الحرارة والضغط والتركيب الكيميائي والحجم من الحبوب، كما يتم تعزيز الفهم بشكل أكبر من خلال المعلومات حول كيفية اعتماد خصائص الصخور النموذجية على البيئة الجيولوجية وكيف تختلف باختلاف الظروف.