ما هي الخصائص الحرارية للصخور الأرضية؟
إن التدفق الحراري (أو التدفق) في قشرة الأرض أو في الصخور كمواد بناء، هو نتاج تدرج درجة الحرارة (التغير في درجة الحرارة لكل وحدة مسافة) والتوصيل الحراري للمادة (أي تدفق الحرارة عبر السطح لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية عند وجود اختلاف في درجة الحرارة في وحدة الطول المتعامدة على السطح).
1. التوصل الحراري: يمكن تحديد الموصلية الحرارية في المختبر أو في الموقع كما هو الحال في بئر أو بئر عميق، وذلك عن طريق تشغيل عنصر التسخين وقياس ارتفاع درجة الحرارة بمرور الوقت.
ويعتمد التوصيل الحراري على عدة عوامل وهي: التركيب الكيميائي للصخر (أي المحتوى المعدني)، محتوى السائل (نوع ودرجة تشبع مساحة المسام) يزيد وجود الماء من الموصلية الحرارية (أي يعزز تدفق الحرارة)، الضغط (الضغط العالي يزيد من الموصلية الحرارية بإغلاق الشقوق التي تمنع تدفق الحرارة)، درجة الحرارة بالإضافة إلى الخواص و تجانس الصخر.
من المهم معرفة أنه يتم إعطاء القيم النموذجية للتوصيل الحراري للمواد الصخرية في جداول جيولوجية خاصة، لكن بالنسبة لصخور السيليكات البلورية (الصخور السائدة في صخور القشرة الأرضية القاعدية) تكون القيم الأدنى نموذجية للصخور الغنية بالمغنيسيوم والحديد (على سبيل المثال البازلت والجابرو) والقيم الأعلى نموذجية لتلك الغنية بالسيليكا (الكوارتز) و الألومينا (على سبيل المثال الجرانيت).
وتنتج هذه القيم لأن الموصلية الحرارية للكوارتز عالية نسبياً في حين أن الموصلية الحرارية للفلدسبار منخفضة.
2. التمدد الحراري: يتم التعبير عن التغيير في البعد الخطي أو الحجمي لعينة صخرية مع درجة الحرارة من حيث معامل التمدد الحراري، حيث يتم إعطاء هذا كنسبة تغيير البعد (على سبيل المثال التغيير في الحجم) إلى البعد الأصلي (الحجم الذي يرمز له بالحرف V) لكل وحدة تغيير درجة الحرارة (مثل المعادن والصخور وطبيعة الصخور والخصائص الحرارية والتمدد الحراري)، أي أن كل وحدة لها صيغة للتغير الحجمي في أبعاد معينة صخرية مع درجة الحرارة.
3. توليد الحرارة المشعة: يوفر الانحلال التلقائي (التفكك الجزئي) لنواة العناصر المشعة جزيئات الانحلال والطاقة، ويتم تحويل الطاقة المكونة من الطاقة الحركية المنبعثة والإشعاع إلى حرارة (ولقد كان عاملاً مهماً في التأثير على التدرج الحراري والتطور الحراري للأرض).
توفر درجات الحرارة المرتفعة العميقة الحرارة التي تتسبب في تشوه الصخور بشكل بلاستيكي وتحركها، وبالتالي تولد إلى حد كبير عمليات الصفائح التكتونية (حركات الصفائح وانتشار قاع البحر والانجراف القاري والاندساس) ومعظم الزلازل والبراكين.
إن بعض العناصر أو نظائرها (الأنواع النووية التي لها نفس العدد الذري لكن بأعداد كتل مختلفة) تتحلل بمرور الوقت، وتشمل هذه العناصر ذات العدد الذري الأكبر من 83 وأهمها اليورانيوم 235 واليورانيوم 238 والثوريوم 232 وعدد قليل منها يحتوي على عدد ذري أقل مثل البوتاسيوم 40.
كما تعتمد الحرارة المتولدة داخل الصخور على أنواع ووفرة العناصر المشعة ومعادنها المضيفة، يُعطى إنتاج الحرارة هذا بالسعرات الحرارية لكل سنتيمتر مكعب في الثانية أو 1 سعر حراري لكل جرام سنوياً يعادل 4.186 × 107 ergs لكل جرام في السنة وهذا يعادل 1.327 ergs لكل جرام في الثانية.
إن معدل الاضمحلال الإشعاعي إحصائياً هو عملية أسية يُعطى بعمر النصف، بحيث أن نصف العمر هو الوقت المطلوب لنصف الذرات المشعة الأصلية لكي تتحلل لنظير معين.
ما هي الخصائص الكهربائية للصخور؟
أما بالنسبة لخصائص الصخر الكهربائية، تتميز الطبيعة الكهربائية للمادة بقابليتها للتوصيل (أو مقاومتها عكسياً) وثابتها العازل والمعاملات التي تشير إلى معدلات تغيرها مع درجة الحرارة والتردد الذي يتم إجراء القياس به وما إلى ذلك، وبالنسبة للصخور التي تحتوي على مجموعة من التركيب الكيميائي بالإضافة إلى الخصائص الفيزيائية المتغيرة للمسامية ومحتوى السوائل يمكن أن تختلف قيم الخصائص الكهربائية بشكل كبير.
وتُعرَّف المقاومة (R) بأنها أوم واحد عندما ينتج عن فرق الجهد (الجهد V) عبر عينة مقدارها واحد فولت تياراً من أمبير واحد، أما المقاومة الكهربائية (ρ) هي خاصية جوهرية للمادة، بمعنى آخر إن الصخر متأصل ولا يعتمد على حجم العينة أو المسار الحالي.
وبالنسبة للتيارات المتناوبة عالية التردد فإن الاستجابة الكهربائية لصخر يحكمها جزئياً ثابت العزل الكهربائي، وهذه هي قدرة الصخرة على تخزين الشحنة الكهربائية؛ أي أنه مقياس للاستقطاب في مجال كهربائي، وفي وحدات cgs يكون ثابت العزل الكهربائي 1.0 في الفراغ.
وفي وحدات النظام الدولي SI تُعطى القيم الكهربائية بالفاراد لكل متر أو من حيث نسبة السعة النوعية للمادة إلى السعة المحددة للفراغ (وهي 8.85 × 10-12 فاراد لكل متر)، كما أن ثابت العزل هو دالة لدرجة الحرارة والتردد لتلك الترددات التي تزيد عن 100 هرتز (دورات في الثانية).
يحدث التوصيل الكهربائي في الصخور عن طريق توصيل السوائل أي التوصيل الكهربائي عن طريق النقل الأيوني في المياه المالحة ذات المسام، وعن طريق الموصلات المعدنية وأشباه الموصلات (على سبيل المثال بعض خامات الكبريتيد) بالتوصيل الإلكتروني.
إذا كان للصخر أي مسامية ويحتوي على سائل فإن المائع يهيمن عادةً على استجابة الموصلية، وتعتمد الموصلية الصخرية على موصلية السائل (وتركيبه الكيميائي) ودرجة تشبع السوائل والمسامية والنفاذية ودرجة الحرارة إذا فقدت الصخور الماء، كما هو الحال مع انضغاط الصخور الرسوبية في العمق تزداد مقاومتها عادةً.
ما هي الخواص المغناطيسية للصخور؟
تنشأ الخصائص المغناطيسية للصخور من الخصائص المغناطيسية للحبوب المعدنية والبلورات المكونة لها، وعادة يتكون جزء صغير فقط من الصخور من معادن مغناطيسية، إن هذا الجزء الصغير من الحبوب هو الذي يحدد الخصائص المغناطيسية ومغنطة الصخر ككل.
وينتج عن ذلك نتيجتين وهما: الخصائص المغناطيسية لصخرة معينة قد تختلف على نطاق واسع داخل جسم أو هيكل صخري معين، وذلك اعتماداً على عدم التجانس الكيميائي وظروف الترسيب أو التبلور وما يحدث للصخر بعد التكوين، والنتيجة الثانية إن الصخور التي تشترك في نفس الصخر (النوع والاسم) لا تحتاج بالضرورة إلى نفس الخصائص المغناطيسية.
وتعتمد التصنيفات الحجرية عادةً على وفرة معادن السيليكات السائدة، ولكن يتم تحديد المغناطيسية بالجزء الصغير من حبيبات المعادن المغناطيسية مثل أكاسيد الحديد، المعادن المغناطيسية الرئيسية المكونة للصخور هي أكاسيد الحديد والكبريتيدات.
ما هي تطبيقات دراسة مغنطة الصخور؟
يعد فهم مغنطة الصخور أمراً مهماً في ثلاثة مجالات مختلفة على الأقل وهي: التنقيب والجيولوجيا وعلم المواد، وفي التنقيب المغناطيسي يهتم المرء برسم خرائط العمق والحجم والنوع والتكوين المستنتج للصخور المدفونة، كما يوفر التنقيب الذي قد يتم من سطح الأرض أو السفن أو الطائرات خطوة أولى مهمة في استكشاف الهياكل الجيولوجية المدفونة، وقد يساعد على سبيل المثال في تحديد المواقع الملائمة للنفط والغاز الطبيعي والرواسب المعدنية الاقتصادية.
وقد لعب مغنطة الصخور تقليدياً دوراً مهماً في الجيولوجيا، ويسعى العمل المغنطيسي القديم إلى تحديد ما تبقى من مغنطة، وبالتالي التأكد من طبيعة مجال الأرض عند تشكل صخور معينة، إن نتائج مثل هذه الأبحاث لها تداعيات مهمة في الارتباط الطبقي والتأريخ بالعمر وإعادة بناء الحركات السابقة لقشرة الأرض.
في الواقع قدمت المسوحات المغناطيسية للقشرة المحيطية لأول مرة الدليل الكمي اللازم لإثبات بشكل مقنع أن أجزاء من القشرة قد خضعت لعمليات نزوح جانبية واسعة النطاق على مدى الزمن الجيولوجي، وبالتالي دعم مفاهيم الانجراف القاري وانتشار قاع البحر وكلاهما تعتبر أساسية لنظرية الصفائح التكتونية.
إن فهم المغنطة مهم بشكل متزايد في علم المواد كذلك، ويعتمد تصميم وتصنيع نوى ذاكرة فعالة وأشرطة مغناطيسية ومغناطيس دائم بشكل متزايد على القدرة على إنشاء مواد لها خصائص مغناطيسية مرغوبة.
إن الأنواع الأساسية للمغنطة ستة أنواع أساسية من المغنطة وهي: نفاذية المغناطيسية، البارامغناطيسية، المغناطيسية الحديدية، المغناطيسية المضادة، المغناطيسية الحديدية، المغناطيسية الفائقة.
تنشأ نفاذية المغناطيسية من الإلكترونات التي تدور حول كل نواة ذرية، وعندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي يتم إزاحة المدارات بطريقة تجعل الذرات تنشئ مجالها المغناطيسي الخاص بها في مقابل المجال المطبق، وبمعنى آخر المجال المغنطيسي المستحث يعارض المجال الخارجي.
من المهم معرفة أن نفاذية المغناطيسية موجودة في جميع المواد وهي ضعيفة ولا توجد إلا في وجود مجال مطبق، وتنتج البارامغناطيسية من دوران الإلكترون للإلكترونات غير المزاوجة، حيث يحتوي الإلكترون على عزم مغناطيسي ثنائي القطب (وهذا يعني أنه يتصرف مثل قضيب مغناطيسي صغير) وهكذا عندما يتم وضع مجموعة من الإلكترونات في مجال مغناطيسي تميل لحظات ثنائي القطب إلى الاصطفاف مع المجال.
