ما هي أهم المعلومات عن الصخور المتحولة؟
تعرف الصخور المتحولة بأنها فئة من الصخور تنتج عن تغيير الصخور الموجودة مسبقاً؛ استجابة لتغير الظروف البيئية مثل التغيرات في درجة الحرارة والضغط والضغط الميكانيكي، وإضافة أو طرح المكونات الكيميائية، قد تكون الصخور الموجودة مسبقاً صخور نارية أو رسوبية أو صخور متحولة أخرى.
كلمة التحول مأخوذة من اليونانية (بمعنى تغيير الشكل)، تُشتق الصخور المتحولة من الصخور البركانية أو الرسوبية التي غيرت شكلها (أعيد بلورتها) نتيجة للتغيرات في بيئتها المادية، كما يشمل التحول تغيرات في علم المعادن وفي نسيج الصخر الأصلي.
بشكل عام تحدث هذه التغييرات إما عن طريق تغلغل الصهارة الساخنة في الصخور المحيطة الأكثر برودة (تحول التلامس) أو عن طريق الحركات التكتونية واسعة النطاق لألواح الغلاف الصخري للأرض التي تغير ظروف درجة حرارة الضغط للصخور (التحول الإقليمي مثل حركات الصفائح التكتونية).
تستجيب المعادن الموجودة داخل الصخر الأصلي أو البروتوليث للظروف المتغيرة من خلال التفاعل مع بعضها البعض لإنتاج مجموعة معدنية جديدة مستقرة ديناميكياً حرارياً في ظل ظروف الضغط ودرجة الحرارة الجديدة، وتحدث هذه التفاعلات في الحالة الصلبة، ولكن يمكن تسهيلها من خلال وجود طور مائع يبطن حدود حبيبات المعادن.
ولكن على عكس تكوين الصخور النارية لا تتبلور الصخور المتحولة من ذوبان السيليكات، على الرغم من أن التحول في درجات الحرارة العالية يمكن أن يؤدي إلى ذوبان جزئي للصخور المضيفة، نظراً لأن التحول يمثل استجابة للظروف المادية المتغيرة، فإن مناطق سطح الأرض، حيث تكون العمليات الديناميكية أكثر نشاطاً ستكون أيضاً مناطق تكون فيها عمليات التحول أكثر كثافة ويمكن ملاحظتها بسهولة.
إن المنطقة الشاسعة من حافة المحيط الهادئ على سبيل المثال مع نشاطها الزلزالي والبركاني هي أيضاً منطقة يتم فيها دفن المواد وتحويلها بشكل مكثف، وبشكل عام إن هوامش القارات ومناطق بناء الجبال هي المناطق التي تتقدم فيها العمليات المتحولة بكثافة، ولكن في الأماكن الهادئة نسبياً، حيث تتراكم الرواسب بمعدلات بطيئة تحدث أيضاً تغييرات أقل إثارة استجابة للتغيرات في ظروف الضغط ودرجة الحرارة، لذلك يتم توزيع الصخور المتحولة في جميع أنحاء العمود الجيولوجي.
وبسبب أن معظم وشاح الأرض صلب فقد تحدث أيضاً عمليات متحولة هناك، ونادراً ما نلاحظ صخور الوشاح على السطح؛ لأنها كثيفة جداً بحيث لا يمكن ارتفاعها، ولكن في بعض الأحيان يتم تقديم لمحة عن طريق إدراجها في المواد البركانية، قد تمثل هذه الصخور عينات من عمق بضع مئات من الكيلومترات حيث قد تكون ضغوط حوالي 100 كيلو بار (3 ملايين بوصة من الزئبق) فعالة.
أظهرت التجارب عند الضغط العالي أن القليل من المعادن الشائعة التي تحدث على السطح ستعيش في عمق الوشاح دون التغيير إلى مراحل جديدة عالية الكثافة، حيث يتم تجميع الذرات معاً بشكل وثيق، وهكذا فإن الشكل الشائع لـ SiO2 الكوارتز بكثافة 2.65 جرام لكل سم مكعب (1.53 أوقية لكل بوصة مكعبة) يتحول إلى مرحلة جديدة stishovite بكثافة 4.29 جرام لكل سنتيمتر مكعب (2.48 أوقية لكل بوصة مكعبة) هذه التغييرات لها أهمية حاسمة في التفسير الجيوفيزيائي لباطن الأرض.
ما هي المتغيرات المتحولة الخاصة في الصخور المتحولة؟
ينتج التحول عن تفاعل معقد بين العمليات الفيزيائية والكيميائية التي تعمل على نطاق يتراوح من ميكرومتر (على سبيل المثال أحجام الحبوب المعدنية الدقيقة وسمك السائل بين الخلايا الحبيبية ومسافات الانتشار للأنواع الكيميائية) إلى عشرات أو مئات الكيلومترات (على سبيل المثال سمك القشرة عرض منطقة الاصطدام بين صفائح الغلاف الصخري وعمق الصفيحة المندمجة).
على الرغم من هذا النطاق الواسع والعديد من العمليات المتضمنة في إعادة بلورة الأحجار الأولية الرسوبية والبركانية (صخور المصدر) إلى صخور متحولة، هناك عدد قليل نسبياً من المتغيرات التي تؤثر على التغيرات المتحولة، تلك التي لها أهمية كبرى هي درجة الحرارة والضغط والتركيب الكيميائي الأصلي للطبقة الأولية.
أول هذه المتغيرات هي درجات الحرارة، حيث تتراوح درجات الحرارة التي يحدث فيها التحول من ظروف التشوه (حوالي 150 إلى 200 درجة مئوية) حتى بداية الذوبان، تبدأ الصخور ذات التركيبات المختلفة في الذوبان عند درجات حرارة مختلفة، مع حدوث ذوبان مبدئي عند حوالي 650 إلى 750 درجة مئوية في صخور من الجرانيت أو الصخري وحوالي 900 إلى 1200 درجة مئوية في الصخور ذات التركيب البازلتي.
فوق درجات الحرارة هذه تفسح العمليات المتحولة المجال تدريجياً للعمليات النارية، ومن ثم فإن مجال درجة الحرارة للتحول يمتد على فترة تتراوح من 150 إلى 1100 درجة مئوية ويعتمد بشدة على تكوين البروتوليث، حيث يتم التحكم في درجة الحرارة في أي نقطة داخل قشرة الأرض عن طريق نظام التدفق الحراري المحلي، وهو عبارة عن وظيفة مركبة لتدفق الحرارة إلى الأعلى من الوشاح إلى القشرة والحرارة الناتجة عن التحلل الإشعاعي في المناطق القريبة من القشرة الحرارة المنقولة إلى القشرة عن طريق ذوبان السيليكات والنقل التكتوني للصخور الساخنة أو الباردة، بمعدلات أسرع من تلك اللازمة للحفاظ على التوازن الحراري مع الصخور المحيطة.
التدرج الحراري في أي مكان على الأرض والمعروف باسم التدرج الحراري الأرضي هو الزيادة في درجة الحرارة لكل وحدة مسافة للعمق، يتم إعطاؤه بواسطة الظل إلى حرارة الأرض المحلية، وبالتالي فإن حجم التدرج الحراري الأرضي يختلف باختلاف شكل الحرارة الجوفية.
وفي المناطق ذات التدفق الحراري العالي للسطح مثل مناطق النشاط البركاني النشط أو الوشاح المرتفع تحت القشرة القارية الرقيقة تسود التدرجات الحرارية الأرضية من 40 إلى 100 درجة مئوية (104 إلى 212 درجة فهرنهايت) لكل كيلومتر (0.6 ميل)، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة في مستويات ضحلة نسبياً من القشرة.
وداخل المناطق الداخلية المستقرة للقارات القديمة تكون التدرجات الحرارية الأرضية من 25 إلى 35 درجة مئوية (77 إلى 95 درجة فهرنهايت) لكل كيلومتر نموذجية أكثر، وفي مناطق الاندساس النشط حيث تنتقل القشرة المحيطية الباردة نسبياً بسرعة إلى أعماق كبيرة إن الحرارة الجوفية تتراوح التدرجات من 10 إلى 20 درجة مئوية (53.6 إلى 68 درجة فهرنهايت) لكل كيلومتر.
تؤدي هذه الاختلافات الكبيرة في حرارة
الأرض والتدرجات الحرارية الأرضية إلى ظهور أنظمة متحولة مختلفة أو مجموعات من ظروف الضغط ودرجة الحرارة المرتبطة بالمقاطعات التكتونية المختلفة.
وثاني هذه المتغيرات هو الضغط حيث يرجع الضغط الذي تتعرض له الصخور أثناء التحول في المقام الأول إلى وزن الصخور التي تعلوها (أي الضغط الصخري) ويتم الإبلاغ عنه عموماً بوحدات من القضبان أو الكيلوبارات، ويتم التعبير عن الترميز العلمي القياسي للضغط بوحدة باسكال أو ميجاباسكال (1 باسكال يعادل 10 بار)، وبالنسبة للكثافات النموذجية للصخور القشرية التي تتراوح من 2 إلى 3 جرام لكل سنتيمتر مكعب، يتم إنشاء كيلوبار واحد من الضغط الصخري بواسطة عمود من الصخور التي تعلوها حوالي 3.5 كيلومتر (حوالي 2 ميل) سميكة، يتراوح سمك القشرة القارية النموذجية بين 30-40 كم (حوالي 19-25 ميلاً)، ولكن يمكن أن يصل إلى 60 إلى 80 كم (حوالي 37-50 ميلاً) في الأحزمة الجبلية مثل
جبال الألب وجبال الهيمالايا.
ومن ثم فإن تحول القشرة القارية يحدث عند ضغوط تتراوح من بضع مئات من القضبان (المجاورة للتدخلات الضحلة) إلى 10 أو 20 كيلو بار في قاعدة القشرة، كما يبلغ سمك القشرة المحيطية بشكل عام 6 إلى 10 كيلومترات (حوالي 4 إلى 6 أميال)، وبالتالي فإن الضغوط المتحولة داخل القشرة المحيطية أقل بكثير مما هي عليه في المناطق القارية.
ومع ذلك في مناطق الاندساس قد يتم نقل القشرة المحيطية والأكثر ندرة القشرة القارية إلى أعماق تتجاوز 100 كيلومتر (62 ميلًا)، وقد يحدث التحول عند ضغوط عالية جداً، تحدث إعادة التبلور المتحولة أيضاً في الوشاح عند ضغوط تصل إلى مئات الكيلوبارات.
تحدث التغيرات في الضغط الصخري الذي تتعرض له الصخور أثناء التحول عن طريق دفن العينة أو رفعها، ومن الممكن أن يحدث الدفن استجابة إما للترسيب المستمر للرواسب فوق العينة أو التحميل التكتوني الناتج على سبيل المثال قد ينتج عن طريق التصدع أو الطي على نطاق واسع للمنطقة، كما أنه يحدث رفع السقف أو فكه بشكل صحيح عندما يتم تجريد الصخور العلوية من خلال عمليات التآكل أو عندما يتم تخفيف العبء التكتوني.
مع العلم أن السوائل المحتجزة في مسام الصخور أثناء التحول تضغط على الحبوب المحيطة، وفي الأعماق التي تزيد عن بضعة كيلومترات داخل الأرض يكون حجم ضغط السائل مساوياً للضغط الصخري، مما يعكس حقيقة أن حدود الحبوب المعدنية تتبلور بطريقة تقلل من مساحة المسام وتغلق قنوات السوائل التي يتم من خلالها المحاليل ترتفع من العمق.
ومع ذلك في الأعماق الضحلة يمكن أن توجد مسام مترابطة، وبالتالي فإن الضغط داخل المسام مرتبط بوزن العمود العلوي من السائل بدلاً من الصخور، نظراً لأن السوائل المتحولة (المكونة بشكل أساسي من الماء وثاني أكسيد الكربون) أقل كثافة من الصخور، فإن ضغط السائل في هذه الظروف يكون أقل من الضغط الصخري.
يحدث تشوه الصخور أثناء التحول عندما تتعرض الصخور لضغط متباين الخواص؛ أي ضغوط غير متساوية تعمل في اتجاهات مختلفة، نادراً ما تتجاوز الضغوط متباينة الخواص أكثر من بضع عشرات أو مئات من الأشرطة، ولكن لها تأثير عميق على التطور التكويني للصخور المتحولة.
