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

علوم الأرض والفضاء في المرحلة الثانوية · শ্রেণি 10–12

14الظهرات المحيطية والغلاف الصخري المحيطي

في فبراير 1977 صوّرت زلاجة كاميرا مسحوبة على عمق 2500 متر فوق صدع غالاباغوس، في شرق المحيط الهادئ، اللابة السوداء العارية للظهرة لقطةً بعد لقطة. ثم سجل مقياس حرارتها ارتفاعًا طفيفًا في درجة حرارة الماء، وظهرت اللابة في الصور مغطاة بمئات من المحار الأبيض. وبعد أيام قليلة نزلت الغواصة «ألفين» بجيولوجيين اثنين إلى الموضع: كان ماء دافئ متلألئ يتدفق من شقوق اللابة، وحوله تعيش محارات بطول الساعد، وبلح بحر وسرطانات بيضاء؛ وفي غطسة لاحقة، ديدان أنبوبية ذات رؤوس حمراء. ولم يكن أحد يتوقع وجود حياة هناك، فلم يكن على متن السفينة أي عالم أحياء. يشرح هذا الفصل ما وجده الجيولوجيان: كيف يُصنع قاع المحيط عند الظهرات، ولماذا يكون ساخنًا هناك، وماذا يصير إليه وهو يبتعد.

ما تعرفه من قبل

عند الظهرات يُصنع قاع محيطي جديد ويبتعد على الجانبين، فيزداد عمره مع البعد عن المحور؛ وتشكّل الظهرات منظومة طولها نحو $65\,000\,\mathrm{km}$ ، مع وادي خسف على امتداد الظهرات البطيئة وقمة ملساء على امتداد السريعة (الفصل 10). وتتباعد الصفائح عبر الظهرة بضعة سنتيمترات في السنة، أسرع عبر ظهرة شرق المحيط الهادئ منها عبر ظهرة وسط الأطلسي (الفصل 13). والغلاف الصخري هو الغلاف الخارجي الصلب، والغلاف اللدن الذي تحته ينساب؛ ولا ترتفع درجة حرارة الغلاف اللدن إلا بنحو $0.45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر من العمق، ودرجة انصهار صخر الوشاح ترتفع مع العمق (الفصل 12). والصهارة صخر منصهر تحت السطح، والبازلت هو الصخر الداكن الذي تكوّنه اللابة حين تبرد، والصدع كسر تحركت الصخور على امتداده (الكتاب 1، الصفان 6 و7).

14.1 الغلاف الصخري المحيطي

صخران نادران على سطح القارات يكوّنان معظم الغلاف الصخري المحيطي.

تعريف 14.1 (البيريدوتيت)

البيريدوتيت صخر داكن خشن الحبيبات يتكون في معظمه من معدن الأوليفين، مع شيء من البيروكسين. وهو عادة أخضر وكثيف. ويُعتقد أن جزءًا كبيرًا من وشاح الأرض مصنوع من البيريدوتيت.

تعريف 14.2 (الغابرو)

الغابرو صخر ناري داكن خشن الحبيبات يتكون أساسًا من فلسبار البلاجيوكليز والبيروكسين. وله تركيب البازلت نفسه، لكنه تبلور ببطء، في أعماق باطن الأرض، فأتيح لبلوراته الوقت لتنمو. وهو أوفر صخور القشرة المحيطية العميقة.

المعادن المذكورة هنا، الأوليفين والبيروكسين والفلسبار، موصوفة في الفصل 16.

في اليمين: الغابرو، وعرضه 9\, cm، وفيه بلورات بيروكسين داكنة وبلورات فلسبار فاتحة كبيرة بما يكفي لتُرى؛ الصورة: دارلا سوندرول (CC0). في اليسار: كتلة من البيريدوتيت الأخضر آتية من الوشاح، حملتها إلى الأعلى لابة بازلت سوداء لبركان في أريزونا؛ الصورة: جيمس سانت جون (CC BY 2.0). — في اليمين: الغابرو، وعرضه $9\,\mathrm{cm}$ ، وفيه بلورات بيروكسين داكنة وبلورات فلسبار فاتحة كبيرة بما يكفي لتُرى؛ الصورة: دارلا سوندرول (CC0). في اليسار: كتلة من البيريدوتيت الأخضر آتية من الوشاح، حملتها إلى الأعلى لابة بازلت سوداء لبركان في أريزونا؛ الصورة: جيمس سانت جون (CC BY 2.0).

تعريف 14.3 (القشرة المحيطية؛ الغلاف الصخري المحيطي)

القشرة المحيطية هي قشرة قاع المحيط: نحو $7\,\mathrm{km}$ من البازلت والغابرو، تُصنع عند الظهرات. والغلاف الصخري المحيطي هو القشرة المحيطية مع البيريدوتيت الصلب لأعلى الوشاح الذي تحتها.

تعطي المسوح الزلزالية في المحيطات كلها القشرة المحيطية سمكًا متوسطًا قدره $7.1\,\mathrm{km}$ ، بزيادة أو نقصان $0.8\,\mathrm{km}$ ، بعيدًا عن نطاقات الكسور والبقع الساخنة. وطبقاتها معروفة من الحفر العميق ومن شرائح من قاع محيطي قديم دُفعت إلى أعلى فوق القارات. وفي عام 2005 أنهت سفينة حفر بئرًا عمقها $1507\,\mathrm{m}$ في قشرة عمرها 15 مليون سنة في شرق المحيط الهادئ، وكانت أول بئر تمضي من اللابات، عبر القواطع، إلى الغابرو:

في الأعلى، غطاء رقيق من الرواسب، غائب عند محور الظهرة وأسمك على القاع الأقدم؛
أكثر من $800\,\mathrm{m}$ من لابات البازلت، المنبثقة على قاع البحر صفائحَ ووسائد، أي أنابيب وكتلًا مستديرة من اللابة ذات قشرة زجاجية؛
القواطع المتراصة، $346\,\mathrm{m}$ في هذه البئر: مئات من الصفائح الرأسية من البازلت، كل منها شق متجمد صعدت عبره الصهارة إلى ثوران، متجاورة كصفحات كتاب؛
الغابرو، الذي بُلغ على عمق $1407\,\mathrm{m}$ تحت قاع البحر، وهو الصهارة التي تبلورت ببطء تحت القواطع، حتى الموهو؛
تحت الموهو، بيريدوتيت الوشاح.

طبقات القشرة المحيطية، بمقياس رسم حقيقي للعمق. وسماكات اللابات والقواطع هي سماكاتها في البئر العميقة المحفورة في شرق المحيط الهادئ؛ والسمك الكلي هو المتوسط المستخرج من المسوح الزلزالية. ويزداد غطاء الرواسب سمكًا مع عمر القاع.

لابة وسائدية على صدع غالاباغوس، على عمق نحو 2500 متر، صوّرتها مركبة يُتحكم فيها عن بعد عام 2011. وكل وسادة لسان من اللابة تجمّد من الخارج لحظة التقائه بماء البحر البارد. الصورة: برنامج «أوكيانوس إكسبلورر» التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (ملك عام).

14.2 انصهار دون تسخين

الوشاح تحت الظهرة بيريدوتيت صلب، كما في كل مكان آخر. ومع ذلك يخرج منه $7\,\mathrm{km}$ من البازلت والغابرو، أي صخر منصهر تجمّد. فمن أين يأتي المصهور؟

تعريف 14.4 (الانصهار الجزئي؛ الانصهار بتخفيف الضغط)

الانصهار الجزئي هو انصهار جزء من الصخر فقط: فبعض معادنه، أو بعض مكوناتها، ينصهر، بينما يبقى الباقي صلبًا. والانصهار بتخفيف الضغط هو الانصهار الجزئي لصخر يصعد، فيقل انضغاطه شيئًا فشيئًا، دون أن يُسخَّن.

حين تتباعد صفيحتان، يصعد الغلاف اللدن تحت الظهرة ليملأ الفراغ. وهو يصعد أسرع من أن يفقد كثيرًا من حرارته، فلا تنخفض درجة حرارته إلا بنحو $0.45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر في طريقه إلى الأعلى. أما درجة انصهاره، التي تتوقف على الضغط، فتنخفض أسرع بكثير: بنحو $3.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر على عمق $50\,\mathrm{km}$ . وعند عمق ما يبلغ الصخر الصاعد درجة انصهاره فيبدأ بالانصهار، مع أن أي حرارة لم تُضف إليه.

طريقة 14.5 (أين ينصهر الوشاح الصاعد؟)

اكتب درجة حرارة الصخر الصاعد عند كل عمق: درجة حرارته الكامنة (درجة الحرارة التي كانت ستكون له عند السطح) مضافًا إليها $0.45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر من العمق.
اكتب درجة انصهار الصخر عند كل عمق، انطلاقًا من الضغط عند ذلك العمق.
جد العمق الذي تتساوى عنده الاثنتان. فأعمق منه يكون الصخر صلبًا؛ وأقرب منه إلى السطح يكون منصهرًا جزئيًا.

درجة حرارة صخر الوشاح الصاعد تحت ظهرة (بالأزرق) ودرجة انصهاره (بالبرتقالي)، بدلالة العمق. فالصخر الذي درجة حرارته الكامنة 1300\, C يبدأ بالانصهار على عمق 54\, km؛ والصخر الأسخن بمقدار 100\, C (المتقطع) يبدأ منذ 85\, km. ودرجة انصهار البيريدوتيت الجاف مأخوذة من التجارب (هيرشمان، 2000). — درجة حرارة صخر الوشاح الصاعد تحت ظهرة (بالأزرق) ودرجة انصهاره (بالبرتقالي)، بدلالة العمق. فالصخر الذي درجة حرارته الكامنة $1300\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ يبدأ بالانصهار على عمق $54\,\mathrm{km}$ ؛ والصخر الأسخن بمقدار $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (المتقطع) يبدأ منذ $85\,\mathrm{km}$ . ودرجة انصهار البيريدوتيت الجاف مأخوذة من التجارب (هيرشمان، 2000).

مثال 14.6 (عمق الانصهار)

في وشاح درجة حرارته الكامنة $1300\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، يكون الصخر الصاعد عند $1300 + 0.45 \times 54 \approx 1324\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ حين يبلغ $54\,\mathrm{km}$ ، وهي درجة انصهاره عند ذلك العمق تمامًا: فيبدأ الانصهار على عمق نحو $54\,\mathrm{km}$ . وفوق ذلك العمق يستمر في الانصهار وهو يصعد.

لا ينصهر إلا كسر صغير من البيريدوتيت، والمصهور ليس بيريدوتيتًا: إنه بازلت. وتتجمع مصاهير البازلت من منطقة الانصهار كلها، التي تمتد من عمق البداية حتى قاعدة القشرة؛ ولأنها أخف من الصخر الصلب المحيط بها، فإنها تصعد إلى محور الظهرة. وهناك ينبثق جزء من الصهارة لابةً، ويتجمد جزء في الشقوق التي صعد عبرها قواطعَ، ويتبلور جزء ببطء في الأسفل غابرو. والبيريدوتيت الصلب المتبقي، المستنزَف من بازلته، يصير الجزء الوشاحي من الغلاف الصخري المحيطي.

حيث تعبر ظهرة منطقة من وشاح أسخن، حول بقعة ساخنة، يبدأ الانصهار أعمق، وينصهر عمود أطول من الصخر ويُصنع بازلت أكثر: فهناك يبلغ سمك القشرة نحو $10\,\mathrm{km}$ بدلًا من 7. وعلى العكس، تحت الظهرات البطيئة جدًا يجد الوشاح الصاعد وقتًا ليفقد حرارته، فينصهر أقل، ويصنع قشرة رقيقة على غير المعتاد.

مقطع عبر محور ظهرة (رسم، ليس بمقياس رسم حقيقي). يصعد الوشاح تحت المحور وينصهر جزئيًا؛ ويتجمع المصهور في عدسة صهارة تحت المحور ويبني القشرة، التي تحملها الصفيحتان بعيدًا على الجانبين. وتقع خطوط تساوي درجة الحرارة (المتقطعة) قريبة من السطح عند المحور وأعمق فأعمق بالابتعاد عنه: فالغلاف الصخري يزداد سمكًا وهو يبرد.

14.3 ظهرات سريعة وظهرات بطيئة

تنفتح الظهرات بسرعات شديدة التفاوت. فإذا حُسبت من أقطاب الدوران في الفصل 13، وُجد أن ظهرة شرق المحيط الهادئ عند $30{}^{\circ}$ جنوبًا تنفتح بمعدل $14.6\,\mathrm{cm}$ في السنة، وظهرة وسط الأطلسي عند دائرة العرض نفسها بمعدل $3.3\,\mathrm{cm}$ في السنة. وشكل المحور ليس واحدًا.

على امتداد الظهرات البطيئة يكون المحور واديًا عمقه 1 إلى $2\,\mathrm{km}$ وعرضه 20 إلى $30\,\mathrm{km}$ . فالصهارة التي تبلغ المحور أقل من أن تملأ الفراغ باستمرار: فيتمطط الغلاف الصخري البارد الهش وينكسر على امتداد صدوع.

تعريف 14.7 (الصدع العادي)

الصدع العادي صدع مائل تحركت على امتداده الكتلة الواقعة فوق مستوى الصدع إلى الأسفل بالنسبة إلى الكتلة الواقعة تحته. وتتكوّن الصدوع العادية حيث تتمطط القشرة.

وادي الظهرة البطيئة كتلة هبطت بين صدوع عادية متقابلة؛ ويميل كلها تقريبًا نحو المحور. وتسمى هذه الكتلة الهابطة بين صدوع عادية الغرابن.

أما على امتداد الظهرات السريعة فتصل الصهارة بتواتر يكفي لملء الفراغ. فيكون المحور مرتفعًا أملس لطيف الانحدار، فوق عدسة من الصهارة تقع تحته.

مقطعان عبر ظهرة بطيئة وأخرى سريعة (رسمان، ليسا بمقياس رسم حقيقي؛ والارتفاع مبالغ فيه). في اليسار: الوادي المحوري لظهرة بطيئة، الذي يبلغ عمقه 1 إلى 2\, km، قد هبط بين صدوع عادية تميل نحو المحور (الأسهم البرتقالية: الكتل الواقعة فوق الصدوع تنزلق إلى الأسفل). في اليمين: ظهرة سريعة ترتفع ارتفاعًا لطيفًا فوق عدسة من الصهارة. — مقطعان عبر ظهرة بطيئة وأخرى سريعة (رسمان، ليسا بمقياس رسم حقيقي؛ والارتفاع مبالغ فيه). في اليسار: الوادي المحوري لظهرة بطيئة، الذي يبلغ عمقه 1 إلى $2\,\mathrm{km}$ ، قد هبط بين صدوع عادية تميل نحو المحور (الأسهم البرتقالية: الكتل الواقعة فوق الصدوع تنزلق إلى الأسفل). في اليمين: ظهرة سريعة ترتفع ارتفاعًا لطيفًا فوق عدسة من الصهارة.

مثال 14.8 (ظهرة بطيئة وأخرى سريعة)

في مليون سنة تصنع ظهرة شرق المحيط الهادئ عند $30{}^{\circ}$ جنوبًا $14.6\,\mathrm{cm}/\mathrm{yr} \times 10^6\ \text{سنة} = 146\,\mathrm{km}$ من قاع المحيط الجديد، $73\,\mathrm{km}$ على كل جانب؛ وتصنع ظهرة وسط الأطلسي عند دائرة العرض نفسها $33\,\mathrm{km}$ ، أي $16.5\,\mathrm{km}$ على كل جانب. وقد دخلت البئر العميقة في شرق المحيط الهادئ قشرة صُنعت بمعدل يزيد على $20\,\mathrm{cm}$ في السنة، وهو من أسرع معدلات التوسع المسجلة على الإطلاق.

14.4 الفتحات الحرمائية

القشرة الفتية عند المحور ساخنة، وتقطّعها الشقوق. فيشق ماء البحر طريقه إليها.

تعريف 14.9 (الدوران الحرمائي؛ المدخنة السوداء)

الدوران الحرمائي هو جريان ماء البحر نزولًا عبر شقوق القشرة المحيطية الساخنة، حيث تسخّنه الصهارة التي تحتها ويتفاعل مع الصخر، ثم صعودًا إلى قاع البحر، حيث يخرج من الفتحات الحرمائية. والمدخنة السوداء فتحة يتدفق منها ماء شديد الحرارة يحمل فلزات ذائبة؛ وحين يلتقي بماء البحر البارد، تترسب كبريتيدات الحديد ومعادن أخرى على هيئة سحابة سوداء، وتبني مدخنة حول الفتحة.

يغادر ماء المدخنة السوداء مدخنته عادة بنحو $350\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، وقد تبلغ مياه الفتحات $400\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . ولا تغلي، لأن كيلومترين ونصفًا من الماء تضغط عليها. وقد تعلو المداخن أكثر من $10\,\mathrm{m}$ . وحول الفتحات تستمد البكتيريا طاقتها من كبريتيد الهيدروجين في ماء الفتحة، وتغذي الديدان الأنبوبية والروبيان وبلح البحر: وعلى هذا عاشت محارات صدع غالاباغوس. ومعظم الفتحات تقع على امتداد الظهرات وسط المحيطية.

في اليمين: الدوران الحرمائي عند محور ظهرة (رسم، ليس بمقياس رسم حقيقي). في اليسار: مدخنة سوداء على ظهرة خوان دي فوكا، مدخنتها مغطاة بديدان أنبوبية ذات خياشيم حمراء؛ الصورة: جامعة واشنطن والإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (ملك عام).

لمحة تاريخية — «ألفين» على صدع غالاباغوس، 1977

بدأت البعثة، التي موّلتها المؤسسة الوطنية للعلوم، في 8 فبراير 1977 على متن سفينة البحث «كنور». فسجلت زلاجة الكاميرا ANGUS، المسحوبة على عمق $2500\,\mathrm{m}$ فوق الصدع، ارتفاعًا في درجة حرارة الماء، وفي اللقطات نفسها أظهرت صورها مئات من المحار الأبيض وأصداف بلح البحر البنية على اللابة. وفي الغطسة 713 للغواصة «ألفين»، وجد الجيولوجيان جاك كورليس وتيرد فان أندل ماءً بدرجة $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ يتلألأ خارجًا من الشقوق، ثم حتى $17\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، بينما كان الماء العميق المحيط عند $2\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؛ وكانت محارات بيضاء يصل طولها إلى $30\,\mathrm{cm}$ تغطي مساحة عرضها نحو $50\,\mathrm{m}$ . ولم يكن على متنها عالم أحياء: فقد جاءت البعثة من أجل الماء الساخن، فوجدت مجتمعًا من الحيوانات لم يتخيله أحد.

14.5 التبرد، والتسمك، والغوص

وهو يبتعد عن المحور، يبرد الغلاف الصخري من أعلاه، عبر المحيط البارد الذي فوقه. وتزداد الطبقة المبردة سمكًا مع الزمن: فيتسمك الغلاف الصخري، من بضعة كيلومترات عند المحور إلى نحو مئة كيلومتر تحت القاع القديم. والصخر المبرد ينكمش ويزداد كثافة، فيطفو الغلاف الصخري أخفض على الغلاف اللدن (التوازن الأيزوستاتي، الفصل 12): فيغوص قاع المحيط كلما تقدم في العمر. وفي جسم يبرد بالتوصيل من سطحه، يزداد سمك الطبقة المبردة بما يتناسب مع الجذر التربيعي للزمن.

قضية 14.10 (عمق قاع المحيط بدلالة عمره)

في المتوسط، يقع قاع المحيط الذي عمره $t$ (بملايين السنين) على العمق

d(t) = 2500 + 350\sqrt{t} \quad \text{متر} \qquad (0 \le t \le 70),

وللقاع الذي يزيد عمره على نحو 20 مليون سنة،

d(t) = 6400 - 3200\,e^{-t/62.8} \quad \text{متر}:

فالقاع يغوص بسرعة ما دام فتيًا، ثم أبطأ فأبطأ، مقتربًا من نحو $6400\,\mathrm{m}$ . (مقبول دون برهان: فقد لاءم بارسونز وسكليتر عام 1977 الصيغتين مع أعماق شمال المحيط الهادئ وشمال الأطلسي، بعد تصحيحها من وزن رواسبهما.)

الجذر التربيعي يجعل القاع الفتي يغوص بسرعة: ففي مليون سنته الأولى يغوص القاع $350\,\mathrm{m}$ ، وفي ملايين السنين الثلاثة التالية $350\,\mathrm{m}$ أخرى، وبين 16 و64 مليون سنة $1400\,\mathrm{m}$ ، أي بقدر ما غاص في ملايين سنينه الستة عشر الأولى. أما القانون الأسي فيصف كيف يتوقف القاع القديم عن الغوص: فهو يتصرف كأن للصفيحة المتبردة سمكًا ثابتًا، نحو $125\,\mathrm{km}$ .

عمق قاع المحيط بدلالة عمره: لكل نطاق عمري عرضه 5 ملايين سنة، العمق الوسيط لكل خلايا محيطات العالم ذات الدرجة الواحدة، ومدى النصف الأوسط منها. يتبع القاع الفتي قانون الجذر التربيعي عن كثب؛ أما القاع الأقدم فيقع أقل عمقًا مما يعطيه القانونان، لأن خلاياه تشمل رواسب وبراكين. البيانات: ETOPO1 (الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي) وأعمار قاع المحيط لسيتون وآخرين (2020)؛ والقانونان لبارسونز وسكليتر (1977).

تتفق الأعماق المقيسة للقاع الفتي مع القانون في حدود نحو $100\,\mathrm{m}$ . أما على القاع الأقدم فتقع الأوساط المقيسة أعلى من القانونين بعدة مئات من الأمتار. فالقانونان يصفان عمق القاع نفسه، كأن رواسبه قد أزيلت؛ أما الخلايا المقيسة فلا تزال تحمل رواسبها، التي يزداد سمكها مع عمر القاع ويتجاوز كيلومترًا على أقدم قاع في غرب شمال الأطلسي، وهي تشمل جبالًا بحرية وهضابًا بركانية.

فالغلاف الصخري المحيطي القديم إذن سميك وبارد وكثيف. ويبيّن الفصل التالي أنه قد يصير أكثف من الغلاف اللدن الذي تحته، فيغوص عائدًا إلى الوشاح (الفصل 15).

14.6 تمارين

تمرين 14.1 ★

عرّف البيريدوتيت والغابرو. أيهما ينتمي إلى القشرة المحيطية، وأيهما إلى الوشاح؟ للغابرو تركيب البازلت نفسه: فلماذا تكون بلوراته أكبر بكثير؟

حل

حل التمرين 14.1.

البيريدوتيت صخر داكن خشن الحبيبات يتكون في معظمه من الأوليفين، مع شيء من البيروكسين؛ ومنه يتكون جزء كبير من الوشاح. والغابرو صخر ناري داكن خشن الحبيبات من فلسبار البلاجيوكليز والبيروكسين، وهو أوفر صخور القشرة المحيطية العميقة. فالغابرو ينتمي إلى القشرة، والبيريدوتيت إلى الوشاح. وقد تبلور الغابرو ببطء، في أعماق تحت قاع البحر، حيث بردت الصهارة ببطء: فأتيح لبلوراته الوقت لتنمو. أما لابة البازلت فبردت بسرعة على قاع البحر، فبقيت بلوراتها صغيرة.

تمرين 14.2 ★

عدّد طبقات الغلاف الصخري المحيطي من قاع البحر نزولًا. لقد بلغت البئر العميقة في شرق المحيط الهادئ $1507\,\mathrm{m}$ تحت قاع البحر: فما الكسر الذي عبرته من قشرة سمكها $7.1\,\mathrm{km}$ ؟

حل

حل التمرين 14.2.

من قاع البحر نزولًا: الرواسب (غائبة عند المحور)، ولابات البازلت (وسائد وصفائح منسابة)، والقواطع المتراصة، والغابرو، ثم، تحت الموهو، بيريدوتيت الوشاح. وقد عبرت البئر $1507/7100 \approx 0.21$ ، أي نحو خُمس القشرة: فلم يبلغ أي حفر قط الغابرو العميق ولا الموهو.

تمرين 14.3 ★

باستعمال $d = 2500 + 350\sqrt{t}$ ، جد عمق قاع المحيط الذي عمره 0 و9 و25 مليون سنة.

حل

حل التمرين 14.3.

$d(0) = 2500\,\mathrm{m}$ ؛ $d(9) = 2500 + 350 \times 3 = 3550\,\mathrm{m}$ ؛ $d(25) = 2500 + 350 \times 5 = 4250\,\mathrm{m}$ .

تمرين 14.4 ★

عرّف الصدع العادي. عند ظهرة بطيئة، أي قوة تصنع الصدوع العادية، وفي أي اتجاه تتحرك الكتل الواقعة فوق الصدوع؟

حل

حل التمرين 14.4.

الصدع العادي صدع مائل تحركت على امتداده الكتلة الواقعة فوق مستوى الصدع إلى الأسفل بالنسبة إلى الكتلة الواقعة تحته. وعند ظهرة بطيئة تشد الصفيحتان الغلاف الصخري البارد الهش في اتجاهين متعاكسين: فيتمطط وينكسر. وتنزلق الكتل الواقعة فوق الصدوع إلى الأسفل، نحو المحور، والوادي المحوري هو الكتلة التي هبطت بينها.

تمرين 14.5 ★

يخرج ماء المدخنة السوداء بنحو $350\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . فلماذا لا يغلي؟ وما «الدخان» الأسود؟

حل

حل التمرين 14.5.

لا يغلي بسبب الضغط: فأكثر من كيلومترين من الماء تضغط عليه، وتحت هذا الضغط يبقى الماء سائلًا في درجات أعلى بكثير من $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . و«الدخان» الأسود سحابة من حبيبات دقيقة من كبريتيدات الحديد ومعادن أخرى، تترسب حين يلتقي ماء الفتحة الساخن، الغني بالفلزات الذائبة، بماء البحر البارد.

تمرين 14.6 ★★

باستعمال شكل الانصهار: (1) على أي عمق يبدأ وشاح درجة حرارته الكامنة $1300\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ بالانصهار، وعند أي درجة حرارة؟ (2) ووشاح أسخن بمقدار $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؟ (3) أيهما يصنع القشرة الأسمك؟ ولماذا؟

حل

حل التمرين 14.6.

(1) على عمق نحو $54\,\mathrm{km}$ ، عند نحو $1324\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . (2) على عمق نحو $85\,\mathrm{km}$ ، عند نحو $1400 + 0.45 \times 85 \approx 1438\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . (3) الوشاح الأسخن يبدأ بالانصهار أعمق، فينصهر عمود أطول من الصخر الصاعد قبل أن يبلغ القشرة: فيصنع بازلت أكثر، وقشرة أسمك.

تمرين 14.7 ★★

صخر وشاحي صاعد درجة حرارته الكامنة $1300\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ يكون عند $1345\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ على عمق $100\,\mathrm{km}$ ، حيث درجة انصهاره $1489\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . (1) كم يقل عن درجة انصهاره؟ (2) يبدأ بالانصهار عند $54\,\mathrm{km}$ . فبكم درجة لكل كيلومتر، في المتوسط، انغلقت الفجوة في الطريق إلى الأعلى؟ (3) هل سُخّن الصخر؟

حل

حل التمرين 14.7.

(1) $1489 - 1345 = 144\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ دون درجة انصهاره. (2) يصعد $100 - 54 = 46\,\mathrm{km}$ ؛ فتنغلق الفجوة بمقدار $144/46 \approx 3.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر في المتوسط. (3) لا: ففي طريقه إلى الأعلى يبرد الصخر قليلًا، بنحو $0.45 \times 46 \approx 21\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . إن درجة انصهاره هي التي تنخفض، وأسرع بكثير، مع تناقص الضغط.

تمرين 14.8 ★★

تنفتح ظهرة شرق المحيط الهادئ بمعدل $14.6\,\mathrm{cm}$ في السنة عند $30{}^{\circ}$ جنوبًا، وظهرة وسط الأطلسي بمعدل $3.3\,\mathrm{cm}$ في السنة. بافتراض توسع متماثل، كم تستغرق كل ظهرة لتصنع $1000\,\mathrm{km}$ من القاع على جانب واحد؟

حل

حل التمرين 14.8.

نصفا المعدلين $7.3\,\mathrm{cm}$ و $1.65\,\mathrm{cm}$ في السنة، أي $73\,\mathrm{km}$ و $16.5\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة. ولصنع $1000\,\mathrm{km}$ من القاع على جانب واحد: $1000/73 \approx 13.7$ مليون سنة لظهرة شرق المحيط الهادئ، و $1000/16.5 \approx 61$ مليون سنة لظهرة وسط الأطلسي.

تمرين 14.9 ★★

يبلغ طول الظهرات نحو $65\,000\,\mathrm{km}$ . لنفترض أنها تنفتح في المتوسط بمعدل $5\,\mathrm{cm}$ في السنة وتصنع قشرة سمكها $7.1\,\mathrm{km}$ . (1) ما مساحة قاع المحيط الجديد التي تصنعها كل سنة؟ (2) وما حجم القشرة؟ (3) كم من الزمن تحتاج لتصنع مساحة تساوي مساحة المحيطات، $3.6 \times 10^{8}\,\mathrm{km}^{2}$ ؟

حل

حل التمرين 14.9.

(1) $5\,\mathrm{cm}$ تساوي $5 \times 10^{-5}\,\mathrm{km}$ : $65000 \times 5 \times 10^{-5} = 3.25\,\mathrm{km}^{2}$ من القاع الجديد في السنة. (2) $3.25 \times 7.1 \approx 23\,\mathrm{km}^{3}$ من القشرة في السنة. (3) $3.6 \times 10^8 / 3.25 \approx 1.1 \times 10^8$ سنة، أي نحو 110 ملايين سنة: فبهذه الوتيرة يمكن للظهرات أن تصنع قاع المحيطات كله في نحو مئة مليون سنة، وهي مدة قصيرة مقارنة بعمر الأرض. ولهذا لا يوجد قاع محيطي قديم جدًا.

تمرين 14.10 ★★

عمق وادٍ محوري $1.5\,\mathrm{km}$ . وقد هبط على امتداد صدعين عاديين متقابلين، يميل كل منهما بزاوية $60{}^{\circ}$ . (1) بكم تحرك كل صدع على امتداد مستواه؟ (2) كم تباعد الجانبان أفقيًا بسبب الصدعين؟ (3) عرض الوادي $25\,\mathrm{km}$ : فهل صنعه التصدع وحده؟

حل

حل التمرين 14.10.

(1) يصنع مستوى الصدع زاوية $60{}^{\circ}$ مع الأفقي، والهبوط هو الضلع الرأسي لمثلث قائم وتره الإزاحة على الصدع: $1.5/\sin60{}^{\circ} \approx 1.73\,\mathrm{km}$ . (2) يباعد كل صدع بين الجانبين أفقيًا بمقدار $1.5/\tan60{}^{\circ} \approx 0.87\,\mathrm{km}$ ؛ والصدعان معًا بنحو $1.73\,\mathrm{km}$ . (3) لا. فمسافة $25\,\mathrm{km}$ هي البعد بين الصدعين اللذين يحدّان الكتلة الهابطة، لا مقدار التمطط، الذي لا يتجاوز نحو $1.7\,\mathrm{km}$ ؛ والظهرة تواصل الانفتاح بقواطع ولابات جديدة عند المحور، لا بالتصدع وحده.

تمرين 14.11 ★★

باستعمال $d = 6400 - 3200\,e^{-t/62.8}$ ، جد عمق القاع الذي عمره 25 و100 مليون سنة، ومقدار ما يغوصه القاع بين هذين العمرين. وقارن القيمة الأولى بقيمة قانون الجذر التربيعي.

حل

حل التمرين 14.11.

$d(25) = 6400 - 3200\,e^{-25/62.8} \approx 6400 - 3200 \times 0.672 \approx 4251\,\mathrm{m}$ ؛ $d(100) = 6400 - 3200\,e^{-100/62.8} \approx 6400 - 3200 \times 0.203 \approx 5749\,\mathrm{m}$ . وبين 25 و100 مليون سنة يغوص القاع بنحو $1500\,\mathrm{m}$ . ويعطي قانون الجذر التربيعي $2500 + 350 \times 5 = 4250\,\mathrm{m}$ عند 25 مليون سنة: فالقانونان متفقان حيث ينطبق كلاهما.

تمرين 14.12 ★★★

يبرد عمود من الوشاح سمكه $100\,\mathrm{km}$ بمقدار $700\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ في المتوسط. وينكمش الصخر بمقدار $\alpha = 3.2 \times 10^{-5}$ من طوله عن كل درجة تبريد. (1) بكم يقصر العمود؟ (2) وبينما يغوص، يملأ ماء البحر ( $1025\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ ) الحيز الذي فوقه؛ ومع كثافة للوشاح قدرها $3380\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ ، يجعل التوازن الأيزوستاتي القاع يغوص بمقدار $s = \rho_m\,\alpha\,\Delta T\,L/(\rho_m - \rho_w)$ . احسب $s$ . (3) قارن بالغوص الكلي الذي يسمح به القانون الأسي، من $2500\,\mathrm{m}$ إلى $6400\,\mathrm{m}$ .

حل

حل التمرين 14.12.

(1) $\alpha\,\Delta T\,L = 3.2 \times 10^{-5} \times 700 \times 100 = 2.24\,\mathrm{km}$ . (2) $s = 3380 \times 2.24/(3380 - 1025) = 7571/2355 \approx 3.2\,\mathrm{km}$ . (3) يسمح القانون الأسي بغوص كلي قدره $6400 - 2500 = 3900\,\mathrm{m}$ : فالتبرد والانكماش وحدهما يفسران نحو أربعة أخماسه، بقيم بسيطة لانخفاض درجة الحرارة وللسمك.

تمرين 14.13 ★★★

يبدأ الانصهار على عمق $54\,\mathrm{km}$ في وشاح عند $1300\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، وعلى عمق $85\,\mathrm{km}$ في وشاح عند $1400\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؛ وفي كليهما يستمر الانصهار حتى قاعدة القشرة، على عمق نحو $7\,\mathrm{km}$ . (1) قارن طولي عمودي الانصهار. (2) لو أعطى كل كيلومتر من الصخر الصاعد القدر نفسه من المصهور، فكم يكون سمك القشرة فوق الوشاح الأسخن، إذا كانت القشرة فوق الوشاح العادي $7.1\,\mathrm{km}$ ؟ (3) قارن بالسمك $10.3\,\mathrm{km}$ المقيس حيث تلتقي الظهرات بوشاح أسخن.

حل

حل التمرين 14.13.

(1) $54 - 7 = 47\,\mathrm{km}$ مقابل $85 - 7 = 78\,\mathrm{km}$ : فالعمود الأسخن أطول بمقدار $78/47 \approx 1.66$ مرة. (2) $7.1 \times 1.66 \approx 11.8\,\mathrm{km}$ . (3) السمك المقيس $10.3\,\mathrm{km}$ أكبر من المعتاد، كما كان متوقعًا، لكنه أقل من التقدير: فالكيلومترات الأعمق من العمود، فوق بداية الانصهار مباشرة، تعطي مصهورًا أقل مما تعطيه الأقرب إلى السطح، وافتراض القدر نفسه من المصهور لكل كيلومتر يبالغ في التقدير.

تمرين 14.14 ★★★

الأعماق الوسيطة المقيسة لقاع المحيط هي $3114\,\mathrm{m}$ عند عمر $3.75$ مليون سنة، و $4018\,\mathrm{m}$ عند $22.5$ ، و $4465\,\mathrm{m}$ عند $42.5$ ، و $4648\,\mathrm{m}$ عند $62.5$ . (1) احسب العمق الذي يعطيه قانون الجذر التربيعي عند كل عمر، والفرق بينه وبين القياس. (2) كيف يتغير الفرق مع العمر؟ (3) فسّره.

حل

حل التمرين 14.14.

(1) يعطي القانون $3178\,\mathrm{m}$ و $4160\,\mathrm{m}$ و $4782\,\mathrm{m}$ و $5267\,\mathrm{m}$ ؛ والأوساط المقيسة أقل عمقًا بمقدار $64\,\mathrm{m}$ و $142\,\mathrm{m}$ و $317\,\mathrm{m}$ و $619\,\mathrm{m}$ . (2) يكبر الفرق مع العمر. (3) يعطي القانون عمق القاع نفسه، مصححًا من وزن رواسبه؛ أما الخلايا المقيسة فتحمل رواسبها، الأسمك على القاع الأقدم، وتشمل جبالًا بحرية وهضابًا بركانية، وهي أقل عمقًا من القاع المحيط بها.

تمرين 14.15 ★★★

النقطة الحرجة للماء عند $374\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $22.064\,\mathrm{MPa}$ : فوق هذا الضغط لا يغلي الماء عند أي درجة حرارة. (1) احسب ضغط الماء على عمق $2500\,\mathrm{m}$ (ماء البحر $1025\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ ، $g = 9.8\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}$ ، مضافًا إليه ضغط الغلاف الجوي $0.1\,\mathrm{MPa}$ ). (2) هل يمكن لماء فتحة أن يغلي على ذلك العمق، مهما كانت حرارته؟ (3) تحت أي عمق تقريبًا يصح هذا لكل فتحة؟

حل

حل التمرين 14.15.

(1) $p = 1025 \times 9.8 \times 2500 \approx 25.1\,\mathrm{MPa}$ ، مضافًا إليه $0.1\,\mathrm{MPa}$ : أي نحو $25.2\,\mathrm{MPa}$ . (2) وهذا أعلى من الضغط الحرج، $22.064\,\mathrm{MPa}$ : فلا يمكن لماء الفتحة أن يغلي، مهما كانت حرارته. (3) يبلغ الضغط $22.064\,\mathrm{MPa}$ على العمق $(22.064 - 0.1) \times 10^6/(1025 \times 9.8) \approx 2190\,\mathrm{m}$ : فكل فتحة أعمق من نحو $2200\,\mathrm{m}$ في مأمن من الغليان.

14.7 مسألة: حياة قطعة من قاع المحيط الهادئ

مسألة 14.1

مسألة نهاية الأسبوع — من الظهرة إلى المحيط العميق

تولد قطعة من قاع المحيط اليوم على ظهرة شرق المحيط الهادئ عند $30{}^{\circ}$ جنوبًا، حيث تتباعد الصفيحتان الهادئية ونازكا بمعدل $14.6\,\mathrm{cm}$ في السنة. وهي تتحرك غربًا مع الصفيحة الهادئية. اعتبر التوسع متماثلًا، والقشرة بسمك $7.1\,\mathrm{km}$ ، وقانون العمق $d = 2500 + 350\sqrt{t}$ مترًا ( $t$ بملايين السنين).

الجزء الأول — الولادة عند الظهرة.

ما نصف معدل التوسع، بالسنتيمترات في السنة وبالكيلومترات في كل مليون سنة؟
على أي عمق تولد قطعة القاع؟
عدّد الصخور التي تتكون منها، من قاع البحر حتى قاعدة الغلاف الصخري.
جاءت الصهارة التي صنعتها من الوشاح الذي تحتها. فسّر كيف انصهر الوشاح دون أن يُسخَّن.
ما حجم القشرة الذي تصنعه هذه الظهرة في كل مليون سنة، على الجانبين، لكل كيلومتر من طولها؟

الجزء الثاني — الرحلة.

كم ستبعد القطعة عن الظهرة بعد 1 و4 و16 و64 مليون سنة، إذا بقي المعدل كما هو؟
كم من الزمن ستستغرق لتقطع $2000\,\mathrm{km}$ ؟
لماذا قد تختلف المسافة الحقيقية بعد 64 مليون سنة عن جواب السؤال 6؟
قرب الظهرة يدور ماء البحر عبر القشرة الفتية ويخرج من الفتحات. فلماذا يتوقف هذا الدوران على القاع القديم؟
على أي صفيحة تسافر القطعة، ونحو أي نوع من حدود الصفائح تحملها تلك الصفيحة، على جانبها الغربي؟

الجزء الثالث — الغوص مع التقدم في العمر.

احسب عمقها عند 1 و4 و16 و64 مليون سنة.
بكم تغوص خلال ملايين سنينها الستة عشر الأولى، وبين 16 و64 مليون سنة؟ علّق.
عند أي عمر تبلغ عمق $4000\,\mathrm{m}$ ؟
قارن عمقها عند 64 مليون سنة بالقانون الأسي، $6400 - 3200\,e^{-t/62.8}$ .
العمق الوسيط المقيس لقاع محيطي عمره 60 إلى 65 مليون سنة $4648\,\mathrm{m}$ . فسّر الفرق.

الجزء الرابع — كثافتها ومصيرها.

عند 64 مليون سنة، اعتبر غلافها الصخري بسمك $100\,\mathrm{km}$ وأبرد في المتوسط من الغلاف اللدن بمقدار $700\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . ومع $\alpha = 3.2 \times 10^{-5}$ لكل درجة، بأي كسر صار الجزء الوشاحي أكثف؟ وانطلاقًا من $3380\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ ، ما كثافته؟
سمك قشرتها $7.1\,\mathrm{km}$ ، وكثافتها $2900\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ . احسب متوسط كثافة الغلاف الصخري كله، وسمكه $100\,\mathrm{km}$ .
قارن بالغلاف اللدن الذي تحتها، مأخوذًا بكثافة $3380\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ .
ماذا يمكن لغلاف صخري كهذا أن يفعل حين يبلغ خندقًا؟
استنتج: على أي عمق تقع هذه القطعة من القاع حين يبلغ عمرها 64 مليون سنة؟

حل

حل المسألة 14.1.

1. $14.6/2 = 7.3\,\mathrm{cm}$ في السنة، أي $73\,\mathrm{km}$ في كل مليون سنة.

2. على عمق محور الظهرة، $d(0) = 2500\,\mathrm{m}$ .

3. من قاع البحر نزولًا: لابات البازلت (وسائد وصفائح منسابة)، والقواطع المتراصة والغابرو، أي نحو $7.1\,\mathrm{km}$ من القشرة في المجموع؛ وتحت الموهو بيريدوتيت الوشاح، حتى قاعدة الغلاف الصخري، التي لا تزال قريبة جدًا من السطح عند المحور. وستستقر عليها الرواسب لاحقًا.

4. حين تتباعد الصفيحتان، يصعد الغلاف اللدن تحت الظهرة. ولا تنخفض درجة حرارته إلا بنحو $0.45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر، بينما تنخفض درجة انصهاره أسرع بكثير مع تناقص الضغط. وعلى عمق نحو $54\,\mathrm{km}$ تتساويان: فيبدأ الصخر بالانصهار، ويستمر في الانصهار وهو يصعد، دون أن تُضاف إليه أي حرارة (الانصهار بتخفيف الضغط).

5. في كل مليون سنة تصنع الظهرة $2 \times 73 = 146\,\mathrm{km}$ من القاع على جانبيها؛ ولكل كيلومتر من الظهرة، يكون حجم القشرة $146 \times 7.1 \times 1 \approx 1040\,\mathrm{km}^{3}$ .

6. $73 \times t$ : $73\,\mathrm{km}$ و $292\,\mathrm{km}$ و $1168\,\mathrm{km}$ و $4672\,\mathrm{km}$ .

7. $2000/73 \approx 27$ مليون سنة.

8. تغيّر الصفائح سرعتها واتجاهها على مدى عشرات الملايين من السنين، كما يبيّن انعطاف سلسلة هاواي–الإمبراطور (الفصل 13)؛ فلا يلزم أن يبقى معدل اليوم ثابتًا طوال 64 مليون سنة.

9. بعيدًا عن المحور لا تعود القشرة فوق عدسة صهارة: فهي تبرد، ولا تبقى تحتها حرارة كافية لتحريك الدوران وتسخين الماء.

10. غرب ظهرة شرق المحيط الهادئ تسافر القطعة على الصفيحة الهادئية. ونحو الغرب تنتهي الصفيحة الهادئية على امتداد خنادق عميقة، حيث تغوص تحت جاراتها: إنها نطاقات الاندساس (الفصل 15).

11. $d(1) = 2850\,\mathrm{m}$ ، $d(4) = 2500 + 700 = 3200\,\mathrm{m}$ ، $d(16) = 2500 + 1400 = 3900\,\mathrm{m}$ ، $d(64) = 2500 + 2800 = 5300\,\mathrm{m}$ .

12. $3900 - 2500 = 1400\,\mathrm{m}$ خلال ملايين السنين الستة عشر الأولى، و $5300 - 3900 = 1400\,\mathrm{m}$ بين 16 و64 مليون سنة: الغوص نفسه، في زمن أطول بثلاث مرات. فالقاع يغوص أبطأ فأبطأ كلما تقدم في العمر.

13. $350\sqrt{t} = 1500$ يعطي $\sqrt{t} \approx 4.29$ ، إذن $t \approx 18.4$ مليون سنة.

14. $6400 - 3200\,e^{-64/62.8} \approx 6400 - 3200 \times 0.361 \approx 5245\,\mathrm{m}$ ، أي أقل من قانون الجذر التربيعي بنحو $55\,\mathrm{m}$ : فالقانونان متفقان في حدود نحو $1\,\%$ .

15. الوسيط المقيس أقل عمقًا من القانون بنحو $650\,\mathrm{m}$ . فالقانون يصف القاع مصححًا من وزن رواسبه؛ أما الأعماق المقيسة فتشمل الرواسب، وهي على قاع كهذا حصيلة عشرات كثيرة من ملايين السنين، وتشمل الجبال البحرية والهضاب البركانية، وكل ذلك يجعل القاع المقيس أقل عمقًا.

16. $\alpha\,\Delta T = 3.2 \times 10^{-5} \times 700 = 0.0224$ : فالجزء الوشاحي أكثف بمقدار $2.24\,\%$ ، $3380 \times 1.0224 \approx 3456\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ .

17. سمك الجزء الوشاحي $100 - 7.1 = 92.9\,\mathrm{km}$ . ومتوسط الكثافة: $(7.1 \times 2900 + 92.9 \times 3456)/100 \approx (20590 + 321060)/100 \approx 3416\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ .

18. $3416 > 3380$ : فالغلاف الصخري القديم في مجمله أكثف من الغلاف اللدن الذي تحته بنحو $36\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$ ، أي نحو $1\,\%$ . فلم تعد القشرة الخفيفة تكفي لتعويض جزئه الوشاحي البارد الكثيف.

19. لأنه أكثف من الغلاف اللدن، يمكنه أن يغوص عائدًا إلى الوشاح عند خندق: إنه الاندساس، موضوع الفصل التالي.

20. عند 64 مليون سنة تقع قطعة القاع على عمق نحو $5300\,\mathrm{m}$ : أي نحو 5.3 $\mathrm{km}$ تحت سطح البحر، أعمق بمقدار $2.8\,\mathrm{km}$ من موضع ولادتها.

এই অধ্যায়ে সংজ্ঞায়িত পরিভাষা-শব্দ

পরিভাষায় সব 957 টি শব্দ দেখো