বইগুলো এখনো বাংলা ভাষায় পাওয়া যায় না — العربية সংস্করণ দেখানো হচ্ছে।

علوم الأرض والفضاء في المرحلة الثانوية · শ্রেণি 10–12

10من الانجراف القاري إلى توسع قاع المحيط

في مطلع خمسينيات القرن العشرين، في مختبر لامونت التابع لجامعة كولومبيا، جلست عالمة جيولوجيا شابة تدعى ماري ثارب أمام صفوف طويلة من الأرقام. كان كل رقم منها عمقًا من أعماق شمال الأطلسي، قاسه مسبار الصدى في سفينة، رقمًا بعد رقم على طول مسار السفينة. وبرسمها واحدًا واحدًا، خطّت شكل قاع المحيط على طول مسارات السفن التي عبرت المحيط. ففي وسط المحيط يرتفع القاع سلسلةً جبلية — وعلى كل مسار، على طول قمة السلسلة، كان القاع ينخفض من جديد في شق عميق، كأن الجبال قد شُقّت من وسطها. يتتبع هذا الفصل كيف حوّلت قياساتٌ كهذه لقاع المحيط فكرةً مرفوضة، هي انجراف القارات، إلى نظرية: قاع المحيط يُصنع عند الظهرات ويتوسع مبتعدًا عنها، ويحمل في صخوره سجلًا لعمره.

ما تعرفه من قبل

الانجراف القاري هو فكرة أن القارات تتحرك؛ وقد دافع عنها ألفريد فيغنر منذ عام 1912 بتطابق السواحل، والأحافير، والصخور، والمناخات القديمة، لكنه لم يستطع أن يقول ما الذي يحركها. يتكون سطح الأرض من صفائح صلبة تلتقي عند حدود متباعدة ومتقاربة وتحويلية؛ وهي تتحرك بضعة سنتيمترات في السنة، و $1\,\mathrm{cm}$ في السنة يساوي $10\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة (الكتاب 1، الصف 7). ولقاع المحيط رفه القاري، وسهوله السحيقة، وظهراته، وخنادقه (الكتاب 1، الصف 8). وللأرض مجال مغناطيسي، له قطب مغناطيسي شمالي وآخر جنوبي، تتبعه إبرة البوصلة؛ ونبضة الصوت المرسلة في الماء تعود صدًى بعد زمن يعطي المسافة (كتب الفيزياء).

10.1 لماذا رُفض الانجراف

أظهرت أدلة فيغنر أن القارات كانت متصلة يومًا ما. أما ما لم تُظهره فهو كيف أمكنها أن تتحرك. فقد تخيّل فيغنر القارات تشق طريقها عبر صخور قاع المحيط كما يشق المحراث الأرض، فأجابه الفيزيائيون بأن لا قوة معروفة تستطيع دفع قارة عبر صخر صلب دون أن تسحقها. وطوال نصف قرن خلص معظم الجيولوجيين إلى أن القارات لم تتحرك قط.

كان ثمة أمران ناقصان. الأول آلية. والثاني، وهو الذي قاد إلى الأول، معرفة قاع المحيطات، الذي يغطي معظم سطح الأرض والذي لم يكن أحد تقريبًا قد رآه في عام 1912: فقد افتُرض أنه سهل يكاد يخلو من التضاريس.

10.2 رسم خريطة قاع المحيط

يرسل مسبار الصدى نبضة قصيرة من الصوت من بدن السفينة إلى قاع البحر ويقيس زمن عودة صداها. ينتقل الصوت في ماء البحر بسرعة تقارب $1500\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ؛ والنبضة تنزل ثم تعود، فالتأخر $t$ يعني عمقًا

d = \frac{v\,t}{2}.

فتأخر قدره $6.0\,\mathrm{s}$ ، مثلًا، يعني $1500 \times 6.0/2 = 4500\,\mathrm{m}$ من الماء. وفي القرن التاسع عشر كانت الأعماق تقاس واحدًا واحدًا، بإنزال حبل مثقل حتى القاع. وبعد الحرب العالمية الأولى حلّت مسابير الصدى محله، فأظهرت سجلات أصدائها قاعًا أشد وعورة بكثير مما ظنه أي أحد؛ وفي الخمسينيات أظهرت مسوح سفن من أمم كثيرة أن سلسلة جبلية عظيمة في قاع المحيط تلتف حول الأرض كلها تقريبًا.

لمحة تاريخية — ماري ثارب ووادي الخسف، 1952

منذ عام 1947 كان الجيوفيزيائي بروس هيزن قد جمع مقاطع سبر بالصدى عبر شمال الأطلسي. وحوّلت ماري ثارب، التي لم يكن يُسمح لها آنذاك بركوب سفن البحث، ما سمّته لاحقًا «صفوفًا لا تنتهي من أرقام السبر» إلى رسوم لقاع البحر. وبحلول عام 1952، بعد أن رتّبت المسارات الممتدة من الشرق إلى الغرب من الشمال إلى الجنوب، رأت أن معلمًا واحدًا يصطف من مسار إلى مسار: شقًّا على طول قمة ظهرة وسط الأطلسي، أي واديًا خسفيًا. وظن هيزن أول الأمر أنه خطأ. ثم تبيّن أن المراكز السطحية لزلازل الأطلسي، حين رُسمت بالمقياس نفسه، تقع في وادي الخسف نفسه. وقد أعطت خريطة ثارب وهيزن لقاع المحيطات في العالم، التي رسمها الفنان هاينريش برّان عام 1977، الناس أول صورة واقعية لقاع المحيط؛ وفي عام 1997 عدّتها مكتبة الكونغرس واحدة من أعظم أربعة رسامي خرائط في القرن العشرين.

تشكّل الظهرات وسط المحيطية منظومة واحدة شبه متصلة طولها نحو $65\,000\,\mathrm{km}$ ، يقع أكثر من تسعة أعشارها تحت الماء؛ وتقع القمة في المتوسط على عمق $2500\,\mathrm{m}$ تحت السطح. وعلى طول ظهرة وسط الأطلسي البطيئة، يشق القمةَ وادي خسف؛ أما على طول ظهرة شرق المحيط الهادئ الأسرع فهي قمة ملساء لطيفة الانحدار. وتتبع زلازل المحيطات الظهرات عن قرب. كان كل شيء يشير إلى أن الظهرة مكان يحدث فيه شيء ما — ولكن ما هو؟

10.3 توسع قاع المحيط

لمحة تاريخية — هس والحزام الناقل، 1962

في عام 1962 نشر هاري هس، وهو جيولوجي في جامعة برينستون وأميرال في الاحتياط البحري، بحثه «تاريخ أحواض المحيطات». واقترح أن صخرًا ساخنًا يصعد تحت الظهرات ويصير قاعًا محيطيًا جديدًا، ثم يبتعد على الجانبين كأنه حزام ناقل، ويغوص عائدًا إلى الوشاح عند الخنادق. وأعطى روبرت ديتز، الذي توصّل إلى الفكرة نفسها، هذه الفكرة اسمها: توسع قاع المحيط. وقد فسّرت الفكرة لماذا لا تكبر الأرض مع أن قاعًا جديدًا يُصنع دائمًا، ولماذا لا يوجد إلا القليل من الرواسب على قاع المحيط، ولماذا تكون صخور قاع المحيط أحدث بكثير من صخور القارات.

تعريف 10.1 (توسع قاع المحيط)

توسع قاع المحيط هو العملية التي يتكوّن بها قاع محيطي جديد على طول قمة ظهرة وسط محيطية، حيث يصعد صخر منصهر من الوشاح ويتصلب، ثم يبتعد عن الظهرة على الجانبين، فيزداد قاع المحيط قِدمًا كلما ابتعد عن الظهرة.

تعريف 10.2 (معدل التوسع)

معدل التوسع الكلي لظهرة هو السرعة التي تتباعد بها الصفيحتان الواقعتان على جانبيها. ونصف معدل التوسع هو السرعة التي يبتعد بها القاع على أحد الجانبين عن محور الظهرة. وحين يكون التوسع متماثلًا، يكون المعدل الكلي ضعف نصف المعدل.

تتوسع الظهرات بسرعات شديدة التفاوت. فظهرة وسط الأطلسي تنفتح بمعدل $2\text{ ⁧إلى⁩ }5\,\mathrm{cm}$ في السنة، وظهرة شرق المحيط الهادئ بمعدل $6\text{ ⁧إلى⁩ }16\,\mathrm{cm}$ في السنة. ومن قاع المحيط الموجود اليوم، صُنع نحو الثلث عند ظهرات بطيئة (معدلات كلية من $20\text{ ⁧إلى⁩ }55\,\mathrm{mm}$ في السنة) ونحو الخُمسين عند ظهرات سريعة ( $75\text{ ⁧إلى⁩ }180\,\mathrm{mm}$ في السنة).

كانت فكرة هس جريئة، ولم يكن لها في البداية إلا القليل من الأدلة المباشرة. وقد جاءت الأدلة من جهتين غير متوقعتين: مغناطيسية قاع المحيط ورواسبه.

10.4 الانقلابات المغناطيسية وقاع البحر المخطط

10.4.1 صخر يتذكر المجال

يحتوي بازلت قاع المحيط حبيبات صغيرة من المغنتيت، وهو أكسيد حديد شديد المغناطيسية. وحين تنبثق لابة البازلت تكون أسخن بكثير من أن تحتفظ بأي مغنطة دائمة؛ ومع تبردها تتمغنط الحبيبات موازيةً لمجال الأرض المحيط بها، ثم يُقفل ذلك الاتجاه في الصخر.

تعريف 10.3 (المغنطة المتبقية؛ درجة حرارة كوري)

درجة حرارة كوري لمعدن مغناطيسي هي درجة الحرارة التي لا يستطيع فوقها أن يحتفظ بمغنطة خاصة به: نحو $580\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ للمغنتيت. والصخر الذي تبرد حبيباته المغناطيسية مجتازةً درجة حرارة كوري في مجال الأرض يحتفظ بمغنطة موازية لمجال ذلك الزمن، هي المغنطة المتبقية. وهي تدوم طويلًا بعد أن يتغير المجال، ما لم يُسخَّن الصخر من جديد فوق درجة حرارة كوري.

لابة تبرد (رسم تخطيطي، في نصف الكرة الشمالي، حيث يتجه المجال نحو الشمال وإلى الأسفل). لقد برد أعلى اللابة دون درجة حرارة كوري للمغنتيت: فحبيباتها المغناطيسية (الأسهم السوداء) تحتفظ باتجاه المجال. أما الداخل، الذي لا يزال أسخن، فلا يسجل شيئًا بعد؛ وسوف يسجل مجال اللحظة التي يبرد فيها.

10.4.2 المجال ينقلب

في أوائل القرن العشرين، وجد برنار برونهس (عام 1906) ثم موتونوري ماتوياما (في العشرينيات) أن الصخور البركانية تنقسم إلى مجموعتين. ففي بعضها تتجه المغنطة كما يتجه المجال الحالي؛ وفي الأخرى تتجه في الاتجاه المعاكس، كأن القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي قد تبادلا مكانيهما. لقد انقلب المجال نفسه، مرة بعد مرة.

تعريف 10.4 (الانقلاب المغناطيسي؛ القطبية العادية والمعكوسة)

الانقلاب المغناطيسي هو تبادل القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي للأرض. والزمن الذي كان المجال فيه يتجه كما يتجه اليوم هو زمن قطبية عادية؛ والزمن الذي كان يتجه فيه في الاتجاه المعاكس زمن قطبية معكوسة. والصخر الذي تمغنط في أي من هذين الزمنين له القطبية نفسها.

تعطي اللابات المؤرخة تعاقب الفترات العادية والمعكوسة: السلم الزمني للقطبية المغناطيسية الأرضية. وتحمل فتراته الطويلة أسماء علماء درسوا مغناطيسية الأرض (برونهس، وماتوياما، وغاوس، وجلبرت)؛ أما الأحداث القصيرة داخلها فتحمل أسماء الأماكن التي اكتُشفت فيها أول مرة.

السلم الزمني للقطبية المغناطيسية الأرضية في آخر 5.5 ملايين سنة: الأسود للقطبية العادية، والأبيض للمعكوسة. وقد بدأت الفترة العادية الحالية قبل 780\,000 سنة؛ وحدث عشرون انقلابًا في آخر خمسة ملايين سنة. البيانات: كاندي وكينت (1995). — السلم الزمني للقطبية المغناطيسية الأرضية في آخر 5.5 ملايين سنة: الأسود للقطبية العادية، والأبيض للمعكوسة. وقد بدأت الفترة العادية الحالية قبل $780\,000$ سنة؛ وحدث عشرون انقلابًا في آخر خمسة ملايين سنة. البيانات: كاندي وكينت (1995).

10.4.3 خطوط على قاع المحيط

منذ الخمسينيات، جرّت السفن خلفها مقاييس للمغناطيسية عبر المحيطات، فوجدت أن المجال عند سطح البحر ليس المجال الأملس المتوقع من لب الأرض: فهو أقوى قليلًا هنا، وأضعف قليلًا هناك.

تعريف 10.5 (الشذوذ المغناطيسي)

عند نقطة من سطح البحر، الشذوذ المغناطيسي هو شدة المجال المغناطيسي المقيسة مطروحًا منها الشدة المتوقعة هناك من مجال الأرض وحده. وهو موجب حيث تضيف الصخور التي تحته إلى المجال، وسالب حيث تعاكسه. وهو صغير مقارنةً بالمجال نفسه، ويقاس بالنانوتسلا ( $\mathrm{nT}$ ).

حين رُسمت الشذوذات على خريطة منطقة واسعة، شكّلت خطوطًا موازية لقمة الظهرة، موجبة وسالبة على التناوب، كجلد الحمار الوحشي — وكان النمط على أحد جانبي الظهرة صورة مرآة للنمط على الجانب الآخر.

لمحة تاريخية — فاين وماثيوز، 1963

في سبتمبر 1963، نشر فريد فاين ودروموند ماثيوز ورقة قصيرة في مجلة «نيتشر»، بعنوان «الشذوذات المغناطيسية فوق الظهرات المحيطية». وقد جمعا بين توسع هس وانقلابات المجال. فإذا كان القاع الجديد يتكوّن عند القمة ويبتعد عنها بينما ينقلب المجال، فإن كل شريط من القاع يسجل قطبية الزمن الذي برد فيه. فيصير القاع شريطًا مخططًا ينبسط على جانبي الظهرة: شذوذات موجبة فوق الشرائط العادية، وسالبة فوق المعكوسة، والتعاقب نفسه على الجانبين.

قاع المحيط المخطط (رسم تخطيطي، محسوب لظهرة تتوسع بمعدل 7.5\, cm في السنة على كل جانب، في آخر 4 ملايين سنة). احتفظ كل شريط من القاع بقطبية المجال في الزمن الذي برد فيه عند المحور؛ والنمط على أحد الجانبين صورة مرآة للنمط على الآخر. — قاع المحيط المخطط (رسم تخطيطي، محسوب لظهرة تتوسع بمعدل $7.5\,\mathrm{cm}$ في السنة على كل جانب، في آخر 4 ملايين سنة). احتفظ كل شريط من القاع بقطبية المجال في الزمن الذي برد فيه عند المحور؛ والنمط على أحد الجانبين صورة مرآة للنمط على الآخر.

قضية 10.6 (بعد الشريط عن المحور)

إذا توسعت ظهرة توسعًا متماثلًا بنصف معدل ثابت $u$ ، فإن القاع الذي تكوّن عند المحور قبل زمن $t$ يقع الآن على مسافة

x = u\,t

على كل من جانبي المحور. وبخاصة فإن الحد بين شريطين الذي يسجل انقلابًا عمره $t$ يقع على المسافة $u\,t$ على الجانبين.

برهان. قطعة القاع التي تكوّنت عند المحور قبل زمن $t$ ابتعدت منذئذ عن المحور بالسرعة $u$ ، طوال الزمن $t$ : فقطعت المسافة $u\,t$ . والقطعة التي تكوّنت في اللحظة نفسها على الجانب الآخر من المحور تتحرك في الاتجاه المعاكس بالسرعة نفسها، فتقع على المسافة نفسها. والقاع على كل من جانبي حد الانقلاب تكوّن قبيل الانقلاب وبُعيده، فيقع الحد حيث يقع القاع الذي عمره $t$ : على $u\,t$ . ∎

يمكن حساب الشذوذات من السلم الزمني. ففي المقاطع أدناه، تكون الطبقة الممغنطة صفيحة صخرية سمكها $1\,\mathrm{km}$ يقع أعلاها على عمق $3\,\mathrm{km}$ تحت سطح البحر، مقسومة إلى كتل ذات قطبية عادية ومعكوسة بحسب المبرهنة؛ ويُجمع مجال كل كتلة عند سطح البحر. وفوق شريط عريض يكون الشذوذ أقوى قرب حافتيه، حيث تتغير القطبية، وأضعف فوق وسطه؛ لكن إشارته تتبع قطبية الشريط الذي تحته.

شذوذات مغناطيسية محسوبة عبر ظهرة سريعة وأخرى بطيئة انطلاقًا من السلم الزمني للقطبية، لقاع يصل عمره إلى 5 ملايين سنة على كل جانب. وتحت كل مقطع، شرائط القاع (الأسود: عادية؛ والأبيض: معكوسة). الشذوذ موجب فوق الشرائط العادية وسالب فوق المعكوسة؛ وهو يغيّر إشارته عند الحدود. وتعلّم الخطوط المتقطعة الحد الذي عمره 3.58 مليون سنة. لاحظ اختلاف مقياسي المسافة: فالظهرة البطيئة تحشر التاريخ نفسه في سدس العرض، وتتداخل أقصر أحداثها فتغيم. نموذج محسوب بقيم مختارة (طبقة ممغنطة بشدة 5\, A/ m، ممغنطة رأسيًا، كما في دوائر العرض العليا)؛ والسلم الزمني عن كاندي وكينت (1995). — شذوذات مغناطيسية محسوبة عبر ظهرة سريعة وأخرى بطيئة انطلاقًا من السلم الزمني للقطبية، لقاع يصل عمره إلى 5 ملايين سنة على كل جانب. وتحت كل مقطع، شرائط القاع (الأسود: عادية؛ والأبيض: معكوسة). الشذوذ موجب فوق الشرائط العادية وسالب فوق المعكوسة؛ وهو يغيّر إشارته عند الحدود. وتعلّم الخطوط المتقطعة الحد الذي عمره 3.58 مليون سنة. لاحظ اختلاف مقياسي المسافة: فالظهرة البطيئة تحشر التاريخ نفسه في سدس العرض، وتتداخل أقصر أحداثها فتغيم. نموذج محسوب بقيم مختارة (طبقة ممغنطة بشدة $5\,\mathrm{A}/\mathrm{m}$ ، ممغنطة رأسيًا، كما في دوائر العرض العليا)؛ والسلم الزمني عن كاندي وكينت (1995).

طريقة 10.7 (معدل التوسع من مقطع مغناطيسي)

جد محور الظهرة: مركز تماثل المقطع، في وسط الشذوذ الموجب المركزي.
تعرّف حد انقلاب على الجانبين — أي تغيّر إشارة الشذوذ يؤرخه السلم الزمني — وقس بعده عن المحور على كل جانب.
اقسم كل مسافة على عمر الانقلاب: فتحصل على نصف المعدل على كل جانب، بالكيلومترات في كل مليون سنة ( $10\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة تساوي $1\,\mathrm{cm}$ في السنة).
اجمع نصفي المعدل لتحصل على المعدل الكلي.

مثال 10.8 (الظهرة السريعة)

على المقطع السريع، يقع الحد بين فترتي غاوس وجلبرت، الذي عمره $3.58$ مليون سنة، على بعد $268.5\,\mathrm{km}$ من المحور على كل جانب. فنصف المعدل $268.5/3.58 = 75\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي $7.5\,\mathrm{cm}$ في السنة؛ والمعدل الكلي $15\,\mathrm{cm}$ في السنة، وهو معدل أسرع أجزاء ظهرة شرق المحيط الهادئ.

تفعل الشرائط المغناطيسية أكثر من تأكيد التوسع: فما إن يُطابَق مقطع مع السلم الزمني حتى يعطي كل شريط عمر القاع الذي تحته. وفي الستينيات أُرّخت الشرائط الأقدم بافتراض معدل ثابت؛ فكان اختبار النظرية كلها أن يُؤرَّخ القاع بطريقة مختلفة تمامًا.

10.5 أعمار من الرواسب

تترسب الرواسب — أصداف العوالق الدقيقة، والطين، والغبار — ببطء على قاع المحيط وتتراكم فوقه. وأقدم الرواسب الواقعة مباشرة على البازلت ترسّب بعد تكوّن البازلت بقليل؛ وتؤرخه أحافيره، التي تتغير من عصر إلى عصر.

في عام 1968 عبرت سفينة الحفر «غلومار تشالنجر»، التي بُنيت للحفر في قاع المحيط العميق واستخراج العينات اللبية، ظهرة وسط الأطلسي بين أمريكا الجنوبية وإفريقيا. وفي سبعة مواقع على خط قرب دائرة العرض $30{}^{\circ}$ جنوبًا حفرت عبر الرواسب حتى البازلت الذي تحتها، على مسافات من $191\,\mathrm{km}$ إلى $1270\,\mathrm{km}$ من محور الظهرة.

عمر أقدم الرواسب على البازلت في مواقع الحفر السبعة لعام 1968 (مرقّمة)، مقابل بعدها عن محور ظهرة وسط الأطلسي؛ وتعطي المربعات أعمار الشرائط المغناطيسية في المواقع التي عُرفت فيها. والخط هو نصف المعدل الثابت الذي يلائم أعمار الرواسب على أفضل وجه. البيانات: مشروع الحفر في أعماق البحار، الرحلة 3 (1970).

تزداد الأعمار باطراد مع البعد عن الظهرة، على جانبيها كليهما: فالموقعان المحفوران على الجانب الإفريقي يقعان على الخط نفسه الذي تقع عليه مواقع الجانب الأمريكي. وأفضل نصف معدل ثابت هو $1.9\,\mathrm{cm}$ في السنة، وتتفق الأعمار الأحفورية مع الأعمار المتوقعة من الشرائط المغناطيسية. وقد خلص علماء البعثة إلى أن القاع توسع بمعدل يقل قليلًا عن $2\,\mathrm{cm}$ في السنة على كل جانب طوال آخر 66 مليون سنة على الأقل. لقد اجتاز توسع قاع المحيط اختبارًا كان يمكن أن يفشل فيه.

سفينة الحفر «جويدس ريزولوشن»، التي خلفت «غلومار تشالنجر»: البرج العالي هو برج الحفر فيها، وتحمل السفينة أكثر من 9000\, m من أنابيب الحفر. الصورة: برنامج الحفر المحيطي، جامعة تكساس للزراعة والميكانيكا (ملك عام). — سفينة الحفر *«جويدس ريزولوشن»*، التي خلفت *«غلومار تشالنجر»*: البرج العالي هو برج الحفر فيها، وتحمل السفينة أكثر من $9000\,\mathrm{m}$ من أنابيب الحفر. الصورة: برنامج الحفر المحيطي، جامعة تكساس للزراعة والميكانيكا (ملك عام).

منذ ذلك الحين، جُمعت آلاف المقاطع المغناطيسية ومئات آبار الحفر في خريطة لعمر قاع المحيط كله.

عمر قاع المحيط. هو أحدث ما يكون (بالأحمر) على طول الظهرات، ثم يزداد قِدمًا بالابتعاد عنها على الجانبين؛ ويقع أقدم القاع (بالأزرق والبنفسجي) عند حواف المحيطات، قبالة القارات وعلى طول الخنادق. البيانات: سيتون وآخرون (2020)، في خلايا من درجة واحدة؛ وحدود اليابسة: Natural Earth.

تؤكد الخريطة كل شيء دفعة واحدة. فعلى طول كل ظهرة يكون القاع حديثًا، ويزداد عمره متماثلًا بالابتعاد عنها. ولا يوجد قاع محيطي أقدم من نحو $190$ مليون سنة: ويقع أقدمه في غرب المحيط الهادئ وقبالة الساحل الشرقي لأمريكا الشمالية (وتُحسب على حدة بضعة أحواض صغيرة في شرق البحر المتوسط). ومتوسط عمر قاع المحيط نحو $64$ مليون سنة، ونحو ثلاثة أرباعه أحدث من 100 مليون سنة — في حين تحتفظ القارات بصخور أقدم بكثير. إن قاع المحيط حديث لأنه يُصنع دائمًا عند الظهرات، ولأنه، كما رأى هس، يُدمَّر في مكان آخر: أين؟ ذلك موضوع الفصل 15.

10.6 تمارين

تمرين 10.1 ★

عرّف توسع قاع المحيط. ما الفرق بين معدل التوسع الكلي ونصف معدل التوسع لظهرة ما؟

حل

حل التمرين 10.1.

توسع قاع المحيط هو صنع قاع محيطي جديد عند قمة ظهرة وسط محيطية، حيث يصعد صخر منصهر ويتصلب، ثم ابتعاده عن الظهرة على الجانبين. والمعدل الكلي هو السرعة التي تتباعد بها الصفيحتان؛ ونصف المعدل هو السرعة التي يبتعد بها القاع على أحد الجانبين عن المحور. وفي التوسع المتماثل، المعدل الكلي $= 2 \times$ نصف المعدل.

تمرين 10.2 ★

لماذا لا تسجل اللابة اتجاه مجال الأرض إلا بعد أن تبرد دون نحو $580\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؟ وماذا يحدث لذلك السجل إذا سُخّن الصخر لاحقًا إلى $700\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؟

حل

حل التمرين 10.2.

فوق درجة حرارة كوري، أي نحو $580\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، لا يستطيع المغنتيت أن يحتفظ بمغنطة خاصة به؛ ولا تتمغنط حبيباته على امتداد المجال وتحتفظ بذلك الاتجاه إلا حين يبرد دونها. وإذا سُخّن الصخر من جديد إلى $700\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، فوق درجة حرارة كوري، فقد سجله القديم؛ وحين يبرد مرة أخرى يسجل مجال ذلك الزمن الجديد.

تمرين 10.3 ★

يسمع مسبار صدى صدى نبضته بعد $5.2\,\mathrm{s}$ من إرسالها. إذا أُخذت سرعة الصوت في ماء البحر $1500\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ، فما عمق قاع البحر؟

حل

حل التمرين 10.3.

ينزل الصوت ثم يعود: $d = 1500 \times 5.2/2 = 3900\,\mathrm{m}$ .

تمرين 10.4 ★

على السلم الزمني للقطبية في هذا الفصل: كم دامت الفترة العادية الحالية حتى الآن؟ وكم دام حدث هاراميو؟ وكم انقلابًا حدث في آخر خمسة ملايين سنة؟

حل

حل التمرين 10.4.

بدأت الفترة العادية الحالية قبل $0.78$ مليون سنة: فقد دامت $780\,000$ سنة. ودام حدث هاراميو $1.07 - 0.99 = 0.08$ مليون سنة، أي $80\,000$ سنة. وبعدّ الحدود التي يقل عمرها عن خمسة ملايين سنة (0.78، 0.99، 1.07، 1.77، 1.95، 2.14، 2.15، 2.581، 3.04، 3.11، 3.22، 3.33، 3.58، 4.18، 4.29، 4.48، 4.62، 4.80، 4.89، 4.98): عشرون انقلابًا.

تمرين 10.5 ★

يبلغ طول الظهرات وسط المحيطية نحو $65\,000\,\mathrm{km}$ . ومحيط الأرض نحو $40\,000\,\mathrm{km}$ . كم مرة تلتف الظهرات حول الأرض؟

حل

حل التمرين 10.5.

$65\,000/40\,000 \approx 1.6$ : تلتف الظهرات حول الأرض نحو مرة ونصف.

تمرين 10.6 ★★

على مقطع مغناطيسي، يقع الحد بين فترتي برونهس وماتوياما ( $0.78$ مليون سنة) على بعد $20\,\mathrm{km}$ من محور الظهرة. احسب نصف المعدل والمعدل الكلي بالسنتيمترات في السنة.

حل

حل التمرين 10.6.

$20/0.78 \approx 25.6\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي نصف معدل قدره نحو $2.6\,\mathrm{cm}$ في السنة؛ والمعدل الكلي نحو $5.1\,\mathrm{cm}$ في السنة.

تمرين 10.7 ★★

على مقطع آخر، يقع حد غاوس–جلبرت ( $3.58$ مليون سنة) على بعد $45\,\mathrm{km}$ غرب المحور و $44\,\mathrm{km}$ شرقه. احسب نصف المعدل على كل جانب والمعدل الكلي. هل التوسع متماثل؟

حل

حل التمرين 10.7.

الغرب: $45/3.58 \approx 12.6$ $\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي $1.26\,\mathrm{cm}$ في السنة؛ الشرق: $44/3.58 \approx 12.3$ $\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي $1.23\,\mathrm{cm}$ في السنة. المعدل الكلي: $1.26 + 1.23 \approx 2.5\,\mathrm{cm}$ في السنة. ويختلف نصفا المعدل بنحو $2\,\%$ : فالتوسع متماثل تقريبًا تمامًا.

تمرين 10.8 ★★

يقع الموقع 19 من حفريات عام 1968 على بعد $990\,\mathrm{km}$ من محور ظهرة وسط الأطلسي. باستعمال نصف معدل قدره $1.9\,\mathrm{cm}$ في السنة، تنبأ بعمر القاع هناك، وقارنه بعمر أقدم رواسبه البالغ $49$ مليون سنة.

حل

حل التمرين 10.8.

$1.9\,\mathrm{cm}$ في السنة تساوي $19\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة: $990/19 \approx 52$ مليون سنة، أي أقدم قليلًا من عمر أقدم الرواسب البالغ 49 مليون سنة (بنحو $6\,\%$ ).

تمرين 10.9 ★★

تتوسع ظهرة بنصف معدل قدره $2\,\mathrm{cm}$ في السنة. باستعمال السلم الزمني في هذا الفصل، أعط أبعاد الحدود التي أعمارها 0.78 و0.99 و1.07 و1.77 و1.95 مليون سنة عن المحور، وارسم الشرائط على جانب واحد، والعادية منها بالأسود.

حل

حل التمرين 10.9.

بمعدل $20\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة: $15.6\,\mathrm{km}$ ، و $19.8\,\mathrm{km}$ ، و $21.4\,\mathrm{km}$ ، و $35.4\,\mathrm{km}$ ، و $39.0\,\mathrm{km}$ . وابتداءً من المحور: عادية من 0 إلى $15.6\,\mathrm{km}$ ، ثم معكوسة حتى $19.8\,\mathrm{km}$ ، ثم عادية حتى $21.4\,\mathrm{km}$ (هاراميو)، ثم معكوسة حتى $35.4\,\mathrm{km}$ ، ثم عادية حتى $39.0\,\mathrm{km}$ (أولدوفاي)، ثم معكوسة.

تمرين 10.10 ★★

متوسط عمر قاع المحيط نحو $64$ مليون سنة؛ وعمر الأرض نحو $4.6$ مليار سنة. ما الكسر الذي يمثله ذلك من عمر الأرض؟ وأي حجج هس يدعم؟

حل

حل التمرين 10.10.

$64 \times 10^6/4.6 \times 10^9 \approx 0.014$ ، أي نحو $1.4\,\%$ من عمر الأرض. وهو يدعم حجة هس القائلة إن قاع المحيط حديث لأنه يُصنع ويُدمَّر دائمًا: فلم يبقَ أي قاع محيطي من معظم تاريخ الأرض.

تمرين 10.11 ★★

اشرح، مستعينًا برسم، لماذا يكون نمط الشرائط المغناطيسية على أحد جانبي الظهرة صورة مرآة للنمط على الجانب الآخر. ما الذي قد يكسر هذا التماثل؟

حل

حل التمرين 10.11.

في كل لحظة يتكوّن القاع عند المحور بقطبية تلك اللحظة، ثم ينشطر: فيبتعد نصفه على كل جانب بالسرعة نفسها. لذا فإن شريطين تكوّنا في الزمن نفسه يقعان على البعد نفسه من المحور، واحد على كل جانب، وبالقطبية نفسها: فكل جانب نسخة من الآخر، منعكسة حول المحور. وينكسر التماثل إذا ابتعد القاع على أحد الجانبين أسرع منه على الآخر (توسع غير متماثل)، أو إذا قفز المحور إلى موضع جديد.

تمرين 10.12 ★★★

لنفترض أن الظهرات، التي يبلغ طولها الكلي $65\,000\,\mathrm{km}$ ، تتوسع بمعدل كلي متوسط قدره $5\,\mathrm{cm}$ في السنة.

ما مساحة قاع المحيط الجديد التي تصنعها كل سنة، بوحدة $\mathrm{km}^{2}$ ؟
يغطي قاع المحيط نحو $2.9 \times 10^{8}\,\mathrm{km}^{2}$ . كم من الزمن تحتاج الظهرات لتصنع هذا القدر؟
قارن بأقدم قاع محيطي، الذي يبلغ عمره نحو $190$ مليون سنة. ماذا يجب أن يحدث لقاع المحيط بالسرعة نفسها التي يُصنع بها؟

حل

حل التمرين 10.12.

(1) $5\,\mathrm{cm}$ تساوي $5 \times 10^{-5}$ $\mathrm{km}$ : فكل سنة يضاف شريط مساحته $65\,000 \times 5 \times 10^{-5} = 3.25\,\mathrm{km}^{2}$ . (2) $2.9 \times 10^8/3.25 \approx 9 \times 10^7$ سنة، أي نحو 90 مليون سنة. (3) وهذا من رتبة عمر أقدم قاع نفسها (190 مليون سنة) وأقصر منه: فلكي يبقى قاع المحيط بهذه الحداثة، يجب أن يُدمَّر في مكان ما من القاع قدرُ ما يُصنع عند الظهرات.

تمرين 10.13 ★★★

دام حدث هاراميو من $0.99$ إلى $1.07$ مليون سنة مضت. ما عرض شريطه على كل جانب من ظهرة نصف معدلها $1.25\,\mathrm{cm}$ في السنة، ومن أخرى نصف معدلها $7.5\,\mathrm{cm}$ في السنة؟ يقع الصخر الممغنط على عمق نحو $3\,\mathrm{km}$ تحت سطح البحر. اشرح لماذا يظهر الحدث بوضوح على المقطع السريع في هذا الفصل بينما لا يكاد يظهر على البطيء.

حل

حل التمرين 10.13.

دام الحدث $0.08$ مليون سنة. فبمعدل $12.5\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة يكون عرض شريطه $0.08 \times 12.5 = 1\,\mathrm{km}$ ؛ وبمعدل $75\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، $0.08 \times 75 = 6\,\mathrm{km}$ . ومن سطح البحر، على ارتفاع $3\,\mathrm{km}$ فوقه، لا يُحدث شريط أضيق بكثير من عمقه إلا مجالًا ضعيفًا، يتداخل مع مجالَي جاريه العريضين ذوي القطبية المعاكسة؛ أما شريط عرضه ضعف عمقه فيبرز بوضوح.

تمرين 10.14 ★★★

في مواقع عام 1968، يبلغ سمك الرواسب $176\,\mathrm{m}$ في الموقع 16، الذي يبلغ عمر قاعه نحو $11$ مليون سنة، ولا يتجاوز $72\,\mathrm{m}$ في الموقع 20، الذي يبلغ عمره نحو $67$ مليون سنة. احسب المعدل المتوسط الذي تراكمت به الرواسب في كل موقع، بالأمتار في كل مليون سنة. هل يمكن استعمال سمك الرواسب لتأريخ القاع؟ وما الذي يُستعمل بدلًا منه؟

حل

حل التمرين 10.14.

الموقع 16: $176/11 \approx 16\,\mathrm{m}$ في كل مليون سنة؛ الموقع 20: $72/67 \approx 1.1\,\mathrm{m}$ في كل مليون سنة. تتراكم الرواسب بمعدلات شديدة التفاوت من مكان إلى مكان ومن زمن إلى زمن، فلا يعطي سمكها عمر القاع. وإنما يعطي العمرَ أحافيرُ أقدم الرواسب، الواقعة مباشرة على البازلت.

تمرين 10.15 ★★★

على مقطع عبر ظهرة، يقع الحد الذي عمره $2.581$ مليون سنة على بعد $58\,\mathrm{km}$ غرب المحور و $70\,\mathrm{km}$ شرقه.

احسب نصف المعدل على كل جانب والمعدل الكلي.
لقد صُنع القاع شرق المحور أسرع من القاع غربه. بعد 10 ملايين سنة بهذين المعدلين، على أي بعد من المحور يقع القاع الذي له ذلك العمر على كل جانب؟
اشرح لماذا تعطي المسافة بين الحدين المعدل الكلي حتى لو لم يكن التوسع متماثلًا.

حل

حل التمرين 10.15.

(1) الغرب: $58/2.581 \approx 22.5\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي $2.25\,\mathrm{cm}$ في السنة؛ الشرق: $70/2.581 \approx 27.1\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي $2.71\,\mathrm{cm}$ في السنة؛ والمعدل الكلي $128/2.581 \approx 49.6\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي نحو $5.0\,\mathrm{cm}$ في السنة. (2) نحو $225\,\mathrm{km}$ غربًا و $271\,\mathrm{km}$ شرقًا. (3) كان الحدان معًا عند المحور حين وقع الانقلاب؛ ومنذئذ تباعدا بالمعدل الكلي، أيًّا كان توزيع الحركة بين الجانبين. فالمسافة بينهما مقسومة على عمرهما هي المعدل الكلي.

10.7 مسألة: عمر جنوب الأطلسي

مسألة 10.1

مسألة نهاية الأسبوع — تأريخ محيط بثلاث طرق

في عام 1968 حفرت «غلومار تشالنجر» سبع آبار عبر ظهرة وسط الأطلسي قرب دائرة العرض $30{}^{\circ}$ جنوبًا. يعطي الجدول، لكل موقع، بعده عن محور الظهرة، وعمر أقدم الرواسب على البازلت (من أحافيرها)، وحيثما عُرف الشريط الذي تحته، عمر ذلك الشريط المغناطيسي، بملايين السنين.

الموقع	البعد عن المحور ( $\mathrm{km}$ )	عمر أقدم الرواسب	عمر الشريط المغناطيسي
16	191	11	9
15	380	24	21
18	506	26	—
17	643	33	—
14	727	40	38.5
19	990	49	53
20	1270	67	71

البيانات: مشروع الحفر في أعماق البحار، الرحلة 3 (1970)؛ والأعمار المغناطيسية هي منتصفات المجالات المعطاة هناك.

الجزء الأول — مواقع الحفر.

أي المواقع أقرب إلى الظهرة، وأيها أبعد؟ وكيف يقارن عمراهما؟
لماذا يكون عمر أقدم الرواسب الواقعة على البازلت قريبًا من عمر البازلت نفسه؟ هل هو أقدم قليلًا أم أحدث قليلًا؟
احسب لكل موقع نسبة بعده إلى عمر أقدم رواسبه، بالكيلومترات في كل مليون سنة.
ما متوسط هذه النسب السبع؟ حوّله إلى سنتيمترات في السنة.
يقع الموقعان 17 و18 شرق الظهرة، والمواقع الأخرى غربها. هل تتبع المواقع الشرقية الاتجاه نفسه الذي تتبعه الغربية؟ وماذا يدل ذلك على التوسع؟

الجزء الثاني — المعدل من الرواسب.

لو توسع القاع بنصف معدل ثابت $u$ ، فكيف يتوقف عمر القاع $t$ على بعده $d$ عن المحور؟
ميل المستقيم المار بالأصل الذي يلائم النقاط على أفضل وجه هو $u = \sum d\,t / \sum t^2$ . وللمواقع السبعة، $\sum d\,t = 208\,276$ و $\sum t^2 = 10\,952$ (بالكيلومترات وملايين السنين). احسب $u$ بالكيلومترات في كل مليون سنة وبالسنتيمترات في السنة.
ما معدل التوسع الكلي لجنوب الأطلسي عند دائرة العرض هذه؟
كتب علماء البعثة أن المعدل «أقل قليلًا من $2\,\mathrm{cm}$ في السنة». هل توافقهم؟
بهذا المعدل، تنبأ بعمر القاع في الموقع 20، وقارنه بعمر أقدم رواسبه.

الجزء الثالث — المعدل من الشرائط المغناطيسية.

من الموقع 16 وحده ( $191\,\mathrm{km}$ ، شريط عمره 9 ملايين سنة)، احسب نصف معدل.
من الموقع 20 وحده ( $1270\,\mathrm{km}$ ، شريط عمره 71 مليون سنة)، احسب نصف معدل.
للمواقع الخمسة التي لها عمر مغناطيسي، $\sum d\,t = 180\,329$ و $\sum t^2 = 9854$ . احسب أفضل نصف معدل.
بكم في المئة يختلف المعدل المستخرج من الأحافير عن المستخرج من الشرائط؟ هل تتفق الطريقتان؟
لماذا من المهم أن العمرين وُجدا بطريقتين مختلفتين تمامًا؟

الجزء الرابع — إلى حافة المحيط.

على امتداد دائرة العرض $30{}^{\circ}$ جنوبًا، يقع محور الظهرة عند خط الطول $13.8{}^{\circ}$ غربًا وينتهي قاع المحيط قبالة إفريقيا عند $13.8{}^{\circ}$ شرقًا. كم درجة من خطوط الطول تفصل بينهما؟
على كرة نصف قطرها $6371\,\mathrm{km}$ ، يبلغ طول درجة واحدة من خط الطول $111.2\,\mathrm{km} \times \cos(\text{دائرة العرض})$ . احسب طول درجة واحدة عند $30{}^{\circ}$ جنوبًا، والمسافة من المحور إلى حافة قاع المحيط بجوار إفريقيا.
لو توسع القاع دائمًا بمعدل الجزء الثاني، فمنذ متى يكون القاع عند الحافة قد تكوّن؟
تعطي خريطة الأعمار، التي تؤرخ القاع القديم بشرائطه المغناطيسية، $130$ مليون سنة عند الحافة. ما نصف المعدل المتوسط الذي يقتضيه ذلك؟ هل كان الانفتاح المبكر للمحيط أسرع قليلًا أم أبطأ قليلًا من انفتاح آخر 66 مليون سنة؟
استنتج: ما عمر أقدم قاع محيطي بجوار إفريقيا عند $30{}^{\circ}$ جنوبًا؟ بدأ العصر الطباشيري قبل نحو $143$ مليون سنة: ففي أي عصر بدأ جنوب الأطلسي ينفتح هناك؟

حل

حل المسألة 10.1.

1. الموقع 16 هو الأقرب ( $191\,\mathrm{km}$ ، 11 مليون سنة)، والموقع 20 الأبعد ( $1270\,\mathrm{km}$ ، 67 مليون سنة): كلما ابتعدنا عن الظهرة، كان القاع أقدم.

2. تبدأ الرواسب بالترسب على البازلت ما إن يتكوّن البازلت، فتكون أقدم طبقة في عمر البازلت تقريبًا. ولا يمكن أن تكون إلا أحدث قليلًا، لا أقدم أبدًا.

3. بالكيلومترات في كل مليون سنة: الموقع 16: $191/11 \approx 17.4$ ؛ الموقع 15: $380/24 \approx 15.8$ ؛ الموقع 18: $506/26 \approx 19.5$ ؛ الموقع 17: $643/33 \approx 19.5$ ؛ الموقع 14: $727/40 \approx 18.2$ ؛ الموقع 19: $990/49 \approx 20.2$ ؛ الموقع 20: $1270/67 \approx 19.0$ .

4. $129.5/7 \approx 18.5$ $\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي نحو $1.85\,\mathrm{cm}$ في السنة.

5. نعم: نسبتاهما (19.5) تقعان بين نسب المواقع الغربية. فقد توسع القاع بالمعدل نفسه تقريبًا على الجانبين: والتوسع متماثل.

6. $t = d/u$ : العمر متناسب مع المسافة.

7. $u = 208\,276/10\,952 \approx 19.0$ $\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي $1.90\,\mathrm{cm}$ في السنة.

8. نحو $2 \times 1.9 = 3.8\,\mathrm{cm}$ في السنة.

9. نعم: $1.9\,\mathrm{cm}$ في السنة أقل قليلًا من $2\,\mathrm{cm}$ في السنة.

10. $1270/19.0 \approx 67$ مليون سنة، وهو عمر أقدم رواسبه نفسه.

11. $191/9 \approx 21.2$ $\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي $2.1\,\mathrm{cm}$ في السنة.

12. $1270/71 \approx 17.9$ $\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي $1.8\,\mathrm{cm}$ في السنة.

13. $180\,329/9854 \approx 18.3$ $\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي $1.83\,\mathrm{cm}$ في السنة.

14. $(1.90 - 1.83)/1.83 \approx 4\,\%$ : يتفق المعدلان في حدود عدم اليقين في الأعمار والمسافات.

15. أحد العمرين مصدره الأحافير في الرواسب، والآخر مصدره مغناطيسية البازلت والسلم الزمني للانقلابات. والخطأ في إحدى الطريقتين لا يظهر في الأخرى: فاتفاقهما اختبار قوي لتوسع قاع المحيط.

16. $13.8 + 13.8 = 27.6{}^{\circ}$ .

17. $111.2 \times \cos 30^\circ \approx 96.3\,\mathrm{km}$ لكل درجة؛ $27.6 \times 96.3 \approx 2660\,\mathrm{km}$ .

18. $2660/19.0 \approx 140$ مليون سنة.

19. $2660/130 \approx 20.5$ $\mathrm{km}$ في كل مليون سنة، أي نحو $2.0\,\mathrm{cm}$ في السنة، وهو أكثر قليلًا من $1.9\,\mathrm{cm}$ في السنة. وبما أن آخر 67 مليون سنة جرت بنحو $1.9\,\mathrm{cm}$ في السنة، فقد كان الانفتاح المبكر أسرع قليلًا: فالقاع بين الموقع 20 والحافة، $2660 - 1270 = 1390\,\mathrm{km}$ ، تكوّن في $130 - 67 = 63$ مليون سنة، أي نحو $2.2\,\mathrm{cm}$ في السنة.

20. يبلغ عمر أقدم قاع محيطي بجوار إفريقيا عند $30{}^{\circ}$ جنوبًا نحو 130 مليون سنة (140 مليون سنة باستقراء المعدل الحالي): فقد بدأ جنوب الأطلسي ينفتح هناك في العصر الطباشيري.

এই অধ্যায়ে সংজ্ঞায়িত পরিভাষা-শব্দ

পরিভাষায় সব 957 টি শব্দ দেখো