تعرّف على أصل الجيولوجيا وعلوم الأرض

إعداد الجيولوجي: محمد حسين

رئيس مجلس إدارة شركة ABH Training & Supply

الجيولوجيا (من اليونانية القديمة γῆ ، gē ، أي «الأرض» و -λoα ، -log ، أي «دراسة ، الأرض») هي علوم الأرض المعنية بالأرض الصلبة ، والصخور التي تتكون منها ، والعمليات من خلالها يتغير مع مرور الوقت. يمكن أن تشير الجيولوجيا أيضًا إلى دراسة السمات الصلبة لأي كوكب أرضي أو ساتل طبيعي مثل المريخ أو القمر. تتداخل الجيولوجيا الحديثة بشكل كبير مع جميع علوم الأرض الأخرى ، بما في ذلك الهيدرولوجيا وعلوم الغلاف الجوي ،

تصف الجيولوجيا بنية الأرض تحت سطحها ، والعمليات التي شكلت تلك البنية. كما أنه يوفر أدوات لتحديد الأعمار النسبية والمطلقة للصخور الموجودة في موقع معين ، وأيضا لوصف تاريخ تلك الصخور. من خلال الجمع بين هذه الأدوات ، يستطيع علماء الجيولوجيا تأريخ التاريخ الجيولوجي للأرض ككل، وأيضا لإثبات عمر الأرض. تقدم الجيولوجيا الدليل الأساسي على الصفائح التكتونية ، والتاريخ التطوري للحياة، والمناخ الماضي للأرض.

يستخدم الجيولوجيون مجموعة واسعة من الأساليب لفهم بنية الأرض وتطورها ، بما في ذلك العمل الميداني، وصف الصخور، والتقنيات الجيوفيزيائية، والتحليل الكيميائي، والتجارب الفيزيائية ، والنمذجة العددية. من الناحية العملية ، تعد الجيولوجيا مهمة في استكشاف المعادن والمواد الهيدروكربونية واستغلالها، وتقييم الموارد المائية، وفهم المخاطر الطبيعية ، ومعالجة المشاكل البيئية، وتوفير نظرة ثاقبة لتغير المناخ في الماضي.

كما تلعب الجيولوجيا، وهي تخصص أكاديمي رئيسي ، دورًا في الهندسة الجيوتقنية.

الصخور:

لدراسة جميع أنواع الصخور الثلاثة ، يقوم الجيولوجيون بتقييم المعادن التي يتكونون منها. لكل معدن خصائص فيزيائية مميزة ، وهناك العديد من الاختبارات لتحديد كل منها. يمكن اختبار العينات من أجل:

اللمعان: قياس كمية الضوء المنعكسة من السطح. يتم تقسيم اللمعان إلى معدني وغير معدني.

اللون: يتم تجميع المعادن حسب لونها. يمكن للتشخيص في الغالب ولكن الشوائب تغيير لون المعدن.

خط: نفذت من خلال خدش العينة على طبق من الخزف. لون الخط يمكن أن يساعد في تسمية المعادن.

صلابة: مقاومة معدنية للخدش.

نمط الكسر: يمكن أن يظهر المعدن إما كسرا أو انشقاقا ، في حين أن الكسر هو كسر الأسطح غير المستوية والأخيرة تتكسر على طول الخطوط الموازية المتقاربة.

الثقل النوعي: وزن حجم معين من معدن.

الانفعال: ينطوي على تقطير حمض الهيدروكلوريك على المعادن لاختبار الازاحة.

المغناطيسية: ينطوي على استخدام المغناطيس لاختبار المغناطيسية.

الذوق: يمكن أن يكون للمعادن طعم مميز ، مثل الهاليت (الذي يتذوق طعمه مثل ملح الطعام).

رائحة: المعادن يمكن أن يكون لها رائحة مميزة. على سبيل المثال ، رائحة الكبريت مثل البيض الفاسد. المواد غير المحسنة .

يدرس الجيولوجيون أيضًا مواد غير مشروعة (يشار إليها باسم الانجراف) ، والتي عادة ما تأتي من رواسب حديثة. هذه المواد هي رواسب سطحية تقع فوق الصخور.

تُعرف هذه الدراسة غالبًا باسم الجيولوجيا الرباعية ، بعد فترة الرباعية من التاريخ الجيولوجي.

في الستينيات ، تم اكتشاف أن الغلاف الصخري للأرض، والذي يتضمن القشرة والجزء العلوي الصامد من الوشاح العلوي ، ينقسم إلى صفائح تكتونية تتحرك عبر الوشاح البلاستيكي العلوي الصلب المشوه ، والذي يدعى الأثينوسفير. تدعم هذه النظرية عدة أنواع من الملاحظات ، بما في ذلك انتشار قاع البحر والتوزيع العالمي للتضاريس الجبلية والزلزالية.

هناك اقتران حميم بين حركة الصفائح على السطح والحمل الحراري للوشاح (أي ، انتقال الحرارة الناجم عن الحركة السائبة للجزيئات داخل السوائل). وهكذا ، تتحرك الصفائح المحيطية وتيارات الحمل الحراري المتجاورة دائماً في نفس الاتجاه – لأن الغلاف الصخري المحيطي هو في الواقع الطبقة الحدودية الحرارية العليا الصلبة للغطاء الحمل. ويطلق على هذا الاقتران بين الألواح الصلبة التي تتحرك على سطح الأرض والوشاح الحملي تكتونية الصفائح.

لقد وفرت عملية تطوير الصفائح التكتونية أساسا ماديا للعديد من ملاحظات الأرض الصلبة. تُفسر المناطق الخطية الطويلة من السمات الجيولوجية على أنها حدود اللوحة.

فمثلا: ينظر إلى التلال الواقعة في منتصف المحيط والمناطق المرتفعة في قاع البحر حيث توجد فتحات المياه الحارة والبراكين ، على أنها حدود متباعدة ، حيث تتحرك طبقتان منفصلتان.

تُنظَر أقواس البراكين والزلازل على أنها حدود متقاربة ، حيث توضع صفيحة واحدة أو تتحرك تحت أخرى.

أدت حدود التحويل ، مثل نظام صدع سان أندرياس ، إلى حدوث زلازل قوية واسعة الانتشار. كما توفر تكتونية الصفائح آلية لنظرية ألفريد فيجنر عن الانجراف القاري، حيث تتحرك القارات عبر سطح الأرض على مدار الزمن الجيولوجي.

كما أنها توفر قوة دافعة للتشوه القشري ، وبيئة جديدة لملاحظات الجيولوجيا الهيكلية. تكمن قوة نظرية الصفائح التكتونية في قدرتها على دمج كل هذه الملاحظات في نظرية واحدة حول كيفية تحرك الغلاف الصخري فوق الوشاح الحراري.

هيكل الأرض

تقدم التطورات في علم الزلازل والنمذجة الحاسوبية والمعدنية وعلم البلورات عند درجات حرارة وضغوط عالية نظرة ثاقبة على التكوين الداخلي وهيكل الأرض.

يمكن لعلماء الزلازل استخدام أوقات وصول الموجات الزلزالية في الاتجاه المعاكس لتصوير الجزء الداخلي للأرض. أظهرت التطورات المبكرة في هذا المجال وجود نواة خارجية سائلة (حيث لم تكن موجات القص قادرة على الانتشار) ونواة داخلية صلبة كثيفة. أدت هذه التطورات إلى تطوير نموذج الطبقات للأرض ، مع القشرة والقشرة الصخرية في الأعلى، والغطاء أدناه (مفصولة داخل نفسها عن طريق الانقطاعات الزلزالية على مسافة 410 و 660 كيلومترًا)، والنواة الخارجية والداخلية الأساسية تحت ذلك.

وفي الآونة الأخيرة ، تمكن علماء الزلازل من إنشاء صور مفصلة لسرعة الموجة داخل الأرض بالطريقة نفسها التي يقوم فيها الطبيب بتصوير الجسم في الأشعة المقطعية. وقد أدت هذه الصور إلى عرض أكثر تفصيلاً للجزء الداخلي من الأرض ، واستبدلت نموذج الطبقات المبسط بنموذج أكثر ديناميكية.

لقد تمكن علماء المعادن من استخدام بيانات الضغط ودرجة الحرارة من الدراسات الزلزالية والنمذجة إلى جانب معرفة التكوين الأساسي للأرض من أجل إعادة إنتاج هذه الظروف في البيئات التجريبية وقياس التغيرات في تركيب البلورات. تشرح هذه الدراسات التغيرات الكيميائية المرتبطة بالانتقادات الزلزالية الرئيسية في الوشاح وتُظهر التركيبات البلورية المتوقعة في القلب الداخلي للأرض.

الوقت الجيولوجي

يشمل النطاق الزمني الجيولوجي تاريخ الأرض.

وقد وضع بين قوسين في أقرب وقت تواريخ المواد الشمسية الأولى في 4.567 جا (أو 4.567 مليار سنة مضت) وتشكيل الأرض في 4.54 جا (4.54 مليار سنة) ، والتي هي بداية Hadean eon المعترف بها بشكل رسمي – تقسيم الزمن الجيولوجي. في الطرف الأخير من المقياس ، يتم تمييزه من خلال هذا اليوم (في عصر الهولوسين).

مقياس الوقت

توضح المخططات الأربعة التالية المقياس الزمني الجيولوجي. الأول يُظهر الوقت بأكمله من تشكيل الأرض حتى الوقت الحاضر، لكن هذا يعطي مساحة صغيرة لأحدث ثُقب. لذلك ، يعرض المخطط الزمني الثاني عرضًا موسعًا لأحدث عزم. وبطريقة مماثلة، يتم توسيع الحقبة الأحدث في الجدول الزمني الثالث، ويتم توسيع الفترة الأخيرة في المخطط الزمني الرابع.

التأريخ النسبي

تم تطوير طرق التأريخ النسبي عندما ظهرت الجيولوجيا لأول مرة كعلم طبيعي. لا يزال الجيولوجيون يستخدمون المبادئ التالية اليوم كوسيلة لتوفير معلومات حول التاريخ الجيولوجي وتوقيت الأحداث الجيولوجية.

ينص مبدأ التوحيد على أن العمليات الجيولوجية التي تمت ملاحظتها في التشغيل والتي تعمل على تعديل قشرة الأرض في الوقت الحاضر قد عملت بنفس الطريقة على مدار الزمن الجيولوجي.

من المبادئ الأساسية للجيولوجيا التي قدمها الباحث الجيولوجي جيمس هاتون في القرن الثامن عشر هو أن “الحاضر هو مفتاح الماضي”. بكلمات هوتون: “يجب تفسير التاريخ الماضي للعالم من خلال ما يمكن رؤيته يحدث الآن.”

مبدأ العلاقات التدخلية يتعلق بتداخل الاختراق. في الجيولوجيا ، عندما يتخلل تسلل ناري عبر تشكيل صخور رسوبية ، يمكن تحديد أن التطفل الناري أصغر من الصخور الرسوبية. أنواع مختلفة من التدخلات تشمل الأسهم،

laccoliths  batholiths، عتبات والسدود.

يتعلق مبدأ العلاقات الشاملة بتشكيل الأعطال وعمر التسلسلات التي قطعت من خلالها. العيوب أصغر من الصخور التي قطعوها. وفقا لذلك ، إذا تم العثور على خطأ يخترق بعض التكوينات ولكن ليس تلك الموجودة فوقه ، فإن التكوينات التي تم قطعها أقدم من الخطأ، ويجب أن تكون تلك التي لم يتم قطعها أصغر من الخطأ. قد يساعد العثور على السرير الرئيسي في هذه المواقف في تحديد ما إذا كان الخطأ هو خطأ طبيعي أو خطأ في الاتجاه.

ينص مبدأ الشوائب والمكونات على أنه ، مع الصخور الرسوبية ، إذا تم العثور على شوائب (أو كُلاَّات) في تكوين ، ثم يجب أن تكون الادراج أقدم من التكوين الذي يحتوي عليها. على سبيل المثال ، في الصخور الرسوبية ، من الشائع أن يتم تكسير الحصى من تشكيل أقدم وإضافته إلى طبقة أحدث. وضع مماثل مع الصخور النارية يحدث عندما يتم العثور على xenoliths. يتم التقاط هذه الأجسام الغريبة على شكل تدفقات للحمم البركانية أو الحمم البركانية، ويتم دمجها فيما بعد لتبرد في المصفوفة. ونتيجة لذلك، تكون الأكسينوليت أقدم من الصخور التي تحتوي عليها. وينص مبدأ الأفقية الأصلية على أن ترسب الرواسب يحدث كأساس أفقي أساسًا. إن رصد الرواسب البحرية الحديثة وغير البحرية في مجموعة متنوعة من البيئات يدعم هذا التعميم (على الرغم من أن الميلان المتقاطع يميل، فإن الاتجاه العام للوحدات عبر الأسرة يكون أفقيًا).

ينص مبدأ التراكب على أن الطبقة الصخرية الرسوبية في تسلسل ثابت دون توتر أصغر من تلك الموجودة تحتها وأقدم من تلك الموجودة فوقها. منطقياً، لا يمكن أن تنزلق الطبقة الأصغر تحت طبقة مودعة من قبل. يسمح هذا المبدأ بالظهور إلى طبقات رسوبية كشكل من أشكال الخط الزمني العمودي، وهو سجل جزئي أو كامل للوقت المنقضي من ترسب الطبقة الدنيا إلى ترسب أعلى سرير.

ويستند مبدأ التوريث الحملي على ظهور الأحافير في الصخور الرسوبية. وبما أن الكائنات الحية موجودة في نفس الفترة الزمنية في جميع أنحاء العالم ، فيمكن استخدام وجودها أو غيابها (في بعض الأحيان) لتوفير عمر نسبي للتكوينات التي توجد فيها. استنادًا إلى المبادئ التي وضعها وليام سميث قبل مائة عام تقريبًا من نشر نظرية التطور التي وضعها تشارلز داروين ، تم تطوير مبادئ الخلافة بشكل مستقل عن الفكر التطوري. يصبح المبدأ معقدًا جدًا ، ومع ذلك ، نظرًا لأوجه عدم التيقن من التحجر، توطين الأنواع الأحفورية بسبب التغيرات الجانبية في الموائل (تغير الأجسام في الطبقات الرسوبية)، وأنه لا يمكن العثور على جميع الحفريات على مستوى العالم في الوقت نفسه.

التأريخ المطلق:

يستخدم الجيولوجيون طرقًا لتحديد العمر المطلق لعينات الصخور والأحداث الجيولوجية. هذه التواريخ مفيدة بمفردها ويمكن استخدامها أيضًا مع طرق التأريخ النسبية أو لمعايرة الطرق ذات الصلة.

في بداية القرن العشرين، تم تسهيل التقدم في العلوم الجيولوجية من خلال القدرة على الحصول على تواريخ مطلقة دقيقة للأحداث الجيولوجية باستخدام النظائر المشعة والطرق الأخرى. هذا غير من فهم الوقت الجيولوجي. في السابق، كان بإمكان الجيولوجيين فقط استخدام الحفريات والارتباط الطبقي لأقسام التاريخ من الصخر بالنسبة لبعضهم البعض. مع التواريخ النظائرية، أصبح من الممكن تحديد أعمار مطلقة لوحدات الصخور ، ويمكن تطبيق هذه التواريخ المطلقة على المتواليات الأحفورية التي توجد بها مادة قابلة للتحويل، وتحويل الأعمار النسبية القديمة إلى عصور مطلقة جديدة.

بالنسبة للعديد من التطبيقات الجيولوجية ، تُقاس نسب النظائر المشعة للعناصر المشعة بالمعادن التي تعطي مقدار الوقت الذي يمر منذ مرور صخرة عبر درجة حرارة الإغلاق الخاصة بها ، وهي النقطة التي تتوقف عندها النظائر الإشعاعية المختلفة عن الانتشار إلى الشبكة البلورية وخارجها. وتستخدم هذه الدراسات في الجيولوجيولوجي والحراري الحراري. وتشمل الطرق الشائعة مواعدة اليورانيوم الرصاص، ودينات البوتاسيوم-الأرجون.

التطور الجيولوجي

تتغيّر جيولوجية منطقة ما عبر الزمن مع ترسية وإدخال وحدات الصخور ، وتغيير العمليات التشوهية أشكالها ومواقعها.

يتم أولاً وضع وحدات الصخور إما عن طريق الترسب على السطح أو الاقتحام في الصخور المتراكمة. يمكن أن يحدث الترسيب عندما تستقر الرواسب على سطح الأرض وتترسب فيما بعد إلى صخور رسوبية ، أو عندما تكون المادة البركانية مثل الرماد البركاني أو تدفقات الحمم البركانية تغطي السطح. توغلات نازقة مثل batholiths ، laccoliths ، dikes، ودفع الصخور المطلقة، وتبلور لأنها تتطفل.

بعد أن تم ترسيب التسلسل الأول للصخور ، يمكن أن تتشوه وحدات الصخور. يحدث التشوه عادة كنتيجة للتقصير أو التمديد الأفقي، أو حركة من جانب إلى جانب. ترتبط هذه الأنظمة الهيكلية على نطاق واسع بحدود متقاربة وحدود متباعدة وتحول الحدود، على التوالي ، بين الصفائح التكتونية.

عندما توضع الوحدات الصخرية تحت ضغط أفقي ، فإنها تقصر وتصبح أكثر سمكًا. لأن الوحدات الصخرية ، بخلاف الطين ، لا تتغير بشكل كبير في الحجم ، يتم تحقيق ذلك بطريقتين أساسيتين: من خلال التصدع والطي. في القشرة الضحلة ، حيث يمكن أن يحدث تشوه هش ، تتشكل أخطاء الدفع ، مما يؤدي إلى تحرك الصخور الأعمق فوق الصخور الضحلة. نظرًا لأن الصخور الأعمق تكون أقدم في كثير من الأحيان ، كما يلاحظ مبدأ التراكب ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحريك صخور قديمة فوق الأصغر سنا. يمكن أن تؤدي الحركة على طول الأخطاء إلى الطي ، إما لأن الأخطاء ليست مستوية أو لأن الطبقات الصخرية يتم جرها بطولها ، مما يشكل طيات السحب عند حدوث الانزلاق على طول الخطأ. أعمق في الأرض ، تتصرف الصخور برفق وتطوى بدلاً من التصدع. يمكن أن تكون هذه الطيات إما تلك التي تلتصق فيها المواد الموجودة في مركز الثنايا إلى أعلى ، فتنشئ “antiforms” ، أو حيث تنحدر إلى الأسفل ، مما يخلق “synforms”.