22الرسوبيات الكربوناتية والسيليسية والتبخّرية

صفائح الطباشير البيضاء المتقابلة عبر البحر الضيّق بين إنجلترا وفرنسا تبدو من أكثر الصخور عاديّةً. لكنها تحت المجهر الإلكتروني تتكوّن من عدد لا يُحصى من صفائح الكالسيت الصغيرة، خلّفتها طحالب وحيدة الخلية كانت تعوم في البحر الذي غطّى المنطقة. والشعاب المرجانية التي تُرى من قارب هي القصة نفسها على الطرف الآخر من السلّم: حجر كلسي قيد التكوّن، تبنيه المرجانيات والطحالب، فتأخذ الكالسيوم والكربونات من الماء وتحوّلهما حجرًا. وليست كل الرسوبيات منقولة؛ فكثير منها يتكوّن حيث يقع، بفعل كائنات حيّة أو بفعل الماء نفسه وهو يتبخّر. يتتبّع هذا الفصل العائلات الثلاث الكبرى لهذه الرسوبيات، وهي الكربونات، والرسوبات السيليسية الناعمة والرسوبات التبخّرية، من كيمياء البحر الذي يغذّيها إلى الصخور التي تتركها.

ما تعرفه من قبل

الحجر الكلسي صخر رسوبي مكوّن من الكالسيت، غالبًا من الأصداف، ويفوّر في الحمض المخفّف (الكتاب الأول، الصف السادس). والكالسيت والأراغونيت هما شكلان بلوريان ل$\ce{CaCO3}$، كثافتهما $2.71\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$ و$2.93\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$، والدولوميت $\ce{CaMg(CO3)2}$، كثافته $2.84\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$، وهو كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم (الفصل 7). وملوحة ماء البحر هي كتلة الملح المذاب في كيلوغرام منه (الكتاب الأول، الصف الثامن). وفي الماء، يرتبط ثاني أكسيد الكربون وأيون الهيدروجين الكربوني وأيون الكربونات بتوازنات حمض-قاعدة، والقلوية تقيس القواعد القادرة على امتصاص أيونات الهيدروجين (كتب الكيمياء)؛ ونظام الكربونات في المحيط يشارك في دورة الكربون (كتب الأحياء). وقاع البحر يعمق مع العمر وفق $d = d_r + C\sqrt t$ (المبرهنة 13.7).

22.1 مصنع الكربونات

تحتوي مياه البحر على الكالسيوم والكربون غير العضوي المذاب، معظمه في صورة بيكربونات الهيدروجين. ويتكوّن منهما كربونات الكالسيوم بالتفاعلين

الأول يُطلق جزيءً من ثاني أكسيد الكربون مقابل كل وحدة كربونات تترسّب. والمياه السطحية الدافئة في المناطق الاستوائية فوق مشبعة بكربونات الكالسيوم، لكنها نادرًا ما تترسّب بذاتها: فمعظمها تصنعه الكائنات الحيّة، التي تدفع الطاقة لبناء أصدافها وهياكلها، وتتحكّم في المعدن الذي تستعمله. فالمرجانيات والطحالب الخضراء تبني الأراغونيت؛ والطحالب الحمراء والفورامينيفيرا الكثيرة تبني الكالسيت، بعضه غنيّ بالمغنيسيوم؛ والرخويات تستعمل أحدهما أو كليهما.

تعريف 22.1 (مصنع الكربونات)

مصنع الكربونات في بحر ما هو مجموعة الكائنات والعمليات التي تُنتج رسوب كربونات الكالسيوم حيث يوجد، بدل أن يُجلب من مكان آخر. ومنتجاته الحبيبات الهيكلية (أصداف وهياكل كاملة أو مكسورة)، والطين الكربوناتي، والحبيبات المغلّفة، والأُطر الصلبة للشعاب المرجانية.

أغنى المصانع يعمل في المياه الدافئة الصافية الضحلة المشمسة، بعيدًا عن طين الأنهار الذي يدفن المنتجين ويعتّم الضوء الذي تحتاجه الطحالب. ويتكوّن رسوبه من قاع البحر نفسه: حطام المرجان والطحالب، وأصداف الرخويات والفورامينيفيرا وحيدة الخلية التي تعيش في القاع، وإبر الأراغونيت التي تطرحها الطحالب الخضراء، وهي تترسّب طينًا كلسيًّا. وحيث يكون الماء مضطربًا ومشبعًا، تكتسي الحبيبات التي تدحرجها الأمواج والمدّ طبقات من الكربونات، طبقةً فوق طبقة، حول نواة، هي حبيبة رمل أو شظية صدف، فتصير أويدات كروية (التعريف 22.3). ويعمل مصنع ثانٍ في المحيط المفتوح، بعيدًا عن أي شاطئ: فالعوالق التي تعيش في الطبقة السطحية المشمسة تبني أصدافًا وصفائح كالسيتية دقيقة تتساقط إلى قاع البحر العميق (القسم 22.3).

وتُقاس سرعة بناء المصنع بميزانيته الكربوناتية، أي كتلة الكربونات المنتجة والمحفوظة في مكانها كل سنة على متر مربّع، بعد الخسائر بفعل الكائنات الحافرة والرعّاة والأمواج. وتتحوّل هذه الميزانية إلى معدّل نمو رأسي بتوازن كتلي.

قضية 22.2 (التراكم من ميزانية كربوناتية)

ليحتفظ قاع بحر في مكانه بالكتلة الصافية $G$ من كربونات الكالسيوم لكل وحدة مساحة ولكل وحدة زمن، كرسوب حبيباته الصلبة كثافتها $\rho_s$، ومساميّته، أي الكسر من حجمه الذي تشغله المسامات، هي $\phi$. فيرتفع القاع بالمعدّل

$$a = \frac{G}{\rho_s\,(1-\phi)}.$$

الكثافة الحجمية الجافّة للرسوب هي $\rho_s(1-\phi)$. وعلى شعاب أرخبيل تشاغوس في المحيط الهندي، قاست 28 شعابًا في 2015 ميزانيةً متوسطها $3.7\,\mathrm{kg}$ من $\ce{CaCO3}$ لكل متر مربّع في السنة، وكانت الشعاب التي تهيمن عليها مرجانيات Acropora المتفرّعة $8.4\,\mathrm{kg}$، وتنمو بنحو $4.2\,\mathrm{mm}$ في السنة؛ ومع المبرهنة يعني هذان العددان معًا كثافة حجمية جافّة $2000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، أي أن إطار الشعاب فيه نحو ثلث حجمه مسامات (التمرين 22.3). وقد فقدت الشعاب نفسها أكثر من تسعة أعشار مرجانياتها في حدث الاحترار عام 1998، وتبيّن ميزانياتها مدى سرعة إعادة بناء الشعاب.

22.2 الشعاب والمنصّات

حيث يبني المصنع إطارًا صلبًا، يمكنه أن يقف فوق قاع البحر في وجه الأمواج.

تعريف 22.3 (الشعاب المرجانية، والمنصّة الكربوناتية، والأويد)

الشعاب المرجانية بناء كربوناتي إطاره من الكائنات، من مرجان وطحالب وغيرها، يُنمّى في مكانه ويُربط ويُلحم معًا، ويعلو قاع البحر المحيط به ويقاوم الأمواج. والمنصّة الكربوناتية جسم سميك من كربونات المياه الضحلة، سطحه المسطّح قريب من مستوى البحر، ويحدّه منحدر نحو مياه أعمق. والأويد حبيبة مستديرة بحجم الرمل، مكوّنة من طبقات متحدة المركز من كربونات الكالسيوم نمت حول نواة وهي تتدحرج في ماء مضطرب؛ والصخر المكوّن من الأويدات يسمّى الأوليت.

تأتي الشعاب المرجانية الحديثة في ثلاثة أنواع، سمّاها البحّارة الذين رسموها قبل أن يحفر أحد فيها. فالشعاب الهدبية متّصلة بشاطئ جزيرة أو قارّة. والشعاب الحاجزية مفصولة عن اليابسة ببحيرة قد تكون عريضة وعميقة بعشرات الأمتار: فالحاجز قبالة شمال شرق أستراليا يمتدّ، بانقطاعات، نحو ألف ميل، محيطًا ببحر عمقه من 10 إلى 25 قامة، أي نحو $18\,\mathrm{m}$ إلى $46\,\mathrm{m}$. والحلقة المرجانية حلقة من الشعاب، تحمل جزرًا منخفضة من رمل مرجاني، حول بحيرة ليس فيها أي يابسة على الإطلاق.

لمحة تاريخية — الشعاب على أسس تغوص، 1837–1842

في أثناء رحلة السفينة بيغل، أبحر تشارلز داروين بين شعاب المحيطين الهادئ والهندي. واستدلّ من حقيقة واحدة: فالمرجانيات بانية الشعاب، كما خلص، لا تزدهر في الأحوال العادية أعمق من بين 20 و$30$ قامة، أي نحو 37 إلى $55\,\mathrm{m}$. ومع ذلك فالشعاب الحاجزية والحلقات المرجانية ترتفع من ماء عميق، بعيدًا جدًّا عن هذا الحدّ. فأسسها، كما رأى، لا بدّ أنها غاصت، ببطء كافٍ لتبقى المرجانيات قممها على السطح بالنموّ نحو الأعلى: فالشعاب الهدبية التي تحيط بجزيرة بركانية تصير حاجزًا كلما غاصت الجزيرة داخلها، وتصير حلقة مرجانية حين تختفي الجزيرة. وقد عرض نظريّته أمام الجمعية الجيولوجية في لندن في 31 مايو 1837، ونشرها عام 1842 في كتاب The Structure and Distribution of Coral Reefs، مع خريطة لجميع الشعاب في العالم مرتّبة في الأنواع الثلاثة. أما لماذا تغرق الجزر المحيطية، وإلى أيّ حدّ، فهذا مسألة تبريد الصفيحة تحتها، وهو موضوع المجلد الثاني.

تبقى الشعاب الحيّة فقط إن بقيت قمّتها في المياه الضحلة التي يعيش فيها بناتها. ومستوى البحر يتغيّر، وقد يغوص الأساس؛ والمهم هو مجموعهما، أي الارتفاع النسبي لمستوى البحر.

قضية 22.4 (البقاء بالنموّ أو الغرق)

لتكن قمّة الشعاب على عمق $D_0$ تحت مستوى البحر، وتنمو نحو الأعلى بالمعدّل $a$، بينما يرتفع مستوى البحر النسبي بالمعدّل $r$، وكلاهما ثابت. فعمق الماء فوق الشعاب بعد الزمن $t$ هو

$$D(t) = D_0 + (r - a)\,t .$$

إن كان $a \ge r$ بقيت الشعاب تُواكب البحر (وعندما يكون $a > r$ تبلغ قمّتها السطح، ومن ثمّ لا تنمو إلا جانبيًّا)؛ وإن كان $a < r$ تتأخّر، فإن كان بناتها لا يعيشون أعمق من $D_{\max}$، غرقت بعد الزمن $(D_{\max} - D_0)/(r - a)$.

لا تموت الشعاب التي غمرتها المياه في الحال، لكن الضوء يخفت، ويتغيّر البناة، وتبطؤ المصانع، فالشعاب التي تبدأ بالتأخّر تتأخّر أكثر. والشعاب والمنصّات المغمورة، المغطّاة برسوبيات أعماق البحار، توجد على منحدرات كثير من الجزر المحيطية وفي السجلّ الصخري.

عبر ملايين السنين تبني المصانع المنصّات الكربوناتية، وهي أجسام سميكة من كربونات المياه الضحلة تنمو مع هبوط أسسها. ويتكرّر شكلان (انظر الشكل أدناه). فالرفّ المحاط بحافة له سطح مسطّح، محميّ خلف حافة من الشعاب وضحول الأويدات عند حدّه، تكسر الأمواج؛ وخلفه بحيرة هادئة من طين كلسي، وأمامه منحدر شديد تتساقط عليه الكتل والحطام المنفصل عن الحافة نحو الحوض. أما المنحدر فيهبط بانحدار رقيق جدًّا من الشاطئ إلى الحوض بلا أي حافة: ضحول الأويدات ومصاطب من الأصداف حيث تحرّك الأمواج القاع، ثم طبقات من حطام الأصداف تجرفها العواصف، ثم طين كلسي تحت مدى الأمواج. ويكبر الرفّ المحاط بالحافة أساسًا نحو الأعلى والخارج من حافته، بينما يكبر المنحدر بتحريك أحزمة رسوبه نحو الشاطئ أو البحر مع ارتفاع البحر أو انخفاضه.

22.3 الرسوبيات البيلاجية وعمق التعويض الكربوناتي

بعيدًا عن اليابسة، لا يتلقّى قاع البحر من القارات إلا أدقّ الغبار الذي تحمله الرياح. وما يتساقط عليه بدلًا من ذلك هو هياكل العوالق التي عاشت في الماء المشمس على بُعد كيلومترات فوقه: الصفائح الكالسيتية للكوكوليتوفورات وأصداف الفورامينيفيرا، وأغلفة الدياتومات السيليسية المصنوعة من الأوبال، وهياكل الراديولاريا (يُعرض تصويرها بعد قليل). وهذا المطر الطويل من الكوكوليتات إلى قاع البحر هو العملية الرئيسية التي تصنع الطباشير ومعظم الحجر الكلسي في العالم.

تعريف 22.5 (الرسوب الكلسي الناعم، والرسوب السيليسي الناعم)

الرسوب الحيوي الناعم رسوب بيلاجي ناعم الحبيبات، يترسّب في المحيط المفتوح، ومكوّن في معظمه من هياكل العوالق. ويكون رسوبًا كلسيًّا ناعمًا إذا كانت هياكله من كربونات الكالسيوم، وأهمّها الكوكوليتات والفورامينيفيرا، ويكون رسوبًا سيليسيًّا ناعمًا إذا كانت من الأوبال، أي السيليكا المائية غير المتبلورة، وأهمّها الدياتومات والراديولاريا.

تغطّي الرسوبات الكلسية الناعمة نحو نصف قاع البحر في العالم، لكن فوق عمق معيّن فقط: فتختفي تحت نحو $4500\,\mathrm{m}$. والهياكل لا تكفّ عن السقوط هناك، بل تذوب. والمحيط العميق بارد والضغط عالٍ، وانحلالية الكالسيت تزداد مع العمق، بسبب الضغط أساسًا، بينما يقلّ تركيز أيون الكربونات في الماء عمومًا مع العمق (كيمياء هذه التوازنات مستعادة من كتب الكيمياء). وتحت عمق معيّن يكون الماء العميق غير مشبع بالكالسيت، والهياكل التي تصل إلى القاع تذوب أسرع كلما كانت أعمق.

تعريف 22.6 (الحدّ الانحلالي، وعمق التعويض الكربوناتي)

الحدّ الانحلالي هو العمق في المحيط الذي يبدأ دونه انحلال الكالسيت على قاع البحر ظاهرًا في الرسوب، ويزداد معدّله بحدّة. وعمق التعويض الكربوناتي (CCD) هو العمق الذي يتساوى عنده معدّل انحلال الكالسيت مع معدّل تساقط الكالسيت على قاع البحر؛ وتحته لا تتراكم كربونات الكالسيوم أبدًا. وعمليًّا يُحدَّد حيث يهبط محتوى كربونات الكالسيوم في الرسوب السطحي دون $10\,\%$ بالوزن.

يقع التعويض الكربوناتي عمومًا على بُعد مئات الأمتار تحت الحدّ الانحلالي. وليس مستوى ثابتًا: إذ تحدّده موازنة بين الإمداد والانحلال، فيقع أعمق حيث ينتج العوالق كربونات أكثر، وحيث يكون الماء العميق أقلّ تآكلًا. ففي الأطلسي يقع نحو $500\,\mathrm{m}$ أعمق منه في المحيط الهادئ، نتيجة إمداد أعلى بالكربونات وانحلال أبطأ معًا؛ وفي غرب المحيط الهادئ وحده يقع نحو $4000\,\mathrm{m}$ في الشمال الغربي، ونحو $5100\,\mathrm{m}$ في وسط المحيط الهادئ. والأراغونيت، وهو أكثر ذوبانًا من الكالسيت، ينحلّ على أعماق أقلّ من ذلك. وعلى مدى الزمن الجيولوجي حرّكت تغيّرات الإمداد والإنتاجية والانحلال التعويض الكربوناتي بأكثر من $2000\,\mathrm{m}$.

طريقة 22.7 (تحديد الحدّ الانحلالي والتعويض الكربوناتي)

1. اجمع أعلى بضعة سنتيمترات من الرسوب عند مواقع بأعماق مختلفة في منطقة واحدة، بعيدة بما يكفي عن اليابسة والتصاعد الصاعد، حتى يكون تخفيف الطين أو السيليس صغيرًا.
2. قِس النسبة المئوية بالوزن ل$\ce{CaCO3}$ في كل عيّنة، وارسمها بدلالة عمق الماء.
3. الحدّ الانحلالي هو العمق الذي يبدأ عنده المحتوى بالهبوط الحادّ، وحيث تُظهر الأصداف أولى علامات الانحلال (فورامينيفيرا مكسورة ومحفورة).
4. التعويض الكربوناتي هو العمق الذي يهبط عنده المحتوى إلى $10\,\%$: اقرأه بالاستيفاء الخطّي بين العينتين المحيطتين به على الجانبين.

على جانب حيد محيطي، يكون قاع البحر فتيًّا وضحلًا قرب المحور، ويهبط مع تقدّم عمره وابتعاده عن المحور. وقطعة القاع التي وُلدت فوق التعويض الكربوناتي تجمع الرسوب الكلسي الناعم حتى تهبط تحته؛ ومنذ ذلك الحين لا تتلقّى إلا ما لا ينحلّ: الغبار الذي يتساقط من الهواء فوقها، وأكاسيد الحديد والمنغنيز، وأسنان الأسماك. وهذا الرسوب البطيء البنّي هو الطين الأحمر في الأحواض العميقة.

قضية 22.8 (عبور التعويض الكربوناتي)

ليكن قاع البحر بعمر $t$ على العمق $d(t) = d_r + C\sqrt t$ (المبرهنة 13.7)، ومحور الحيد على العمق $d_r$، وهو أقلّ عمقًا من عمق التعويض الكربوناتي $z_c$ الثابت. فيمرّ القاع تحت التعويض الكربوناتي عند العمر

$$t_c = \left(\frac{z_c - d_r}{C}\right)^2 ,$$

ويحمل موقعٌ عمره $t > t_c$ من الأسفل إلى الأعلى القشرة البركانية، والرسوب الكلسي الناعم المترسّب خلال الزمن $t_c$، والطين الأحمر المترسّب خلال الزمن $t - t_c$.

مع $d = 2500 + 350\sqrt t$ (بالمتر، و$t$ بالملايين من السنين)، يعبر عمق التعويض $4500\,\mathrm{m}$ عند العمر $(2000/350)^2 = 32.7\,\mathrm{Myr}$؛ وبمعدّل انتشار نصفي قدره $25\,\mathrm{mm}$ في السنة يكون ذلك على بُعد $816\,\mathrm{km}$ من المحور (الشكل أدناه). ويعود هذا الترتيب نفسه مرة بعد مرة عند حفر قاع محيطي قديم: بازلت، ثم الرسوب الكلسي الناعم أو الطباشير، ثم الطين الأحمر، سجلّ رحلة القاع نزولًا على المنحدر. وحيث تحرّكت الصفيحة بعد ذلك تحت حزام إنتاجية عالية، قرب خط الاستواء، يمكن أن يُغطّى الطين بطبقة جديدة من الرسوب الكلسي، وهكذا تسجّل اللُّبّات حركة الصفائح كما تسجّل عمق التعويض الكربوناتي.

22.4 الرسوبات السيليسية والصوّان

الدياتومات، وهي طحالب وحيدة الخلية من العوالق، والراديولاريا، وهي أعضاء وحيدة الخلية من حيوانات العوالق، تبني هياكلها من الأوبال، تأخذه من حمض السيليسيك المذاب في ماء البحر. وخلافًا لكالسيت المحيط السطحي، لا يحميه الإشباع الفائق: فماء البحر غير مشبع به في كل الأعماق، ومعظم الأوبال يذوب ما إن يموت الكائن، أولًا في الماء وهو يهبط ثم على قاع البحر. ومن 255 تيرامول من السيليكون التي تبنيها عوالق المحيط العالمي في الأوبال كل سنة، لا يُدفن منها في الرسوب نهائيًّا إلا نحو 9.2: أي حفظ بنسبة $3.6\,\%$. وذرّة السيليكون التي يجلبها نهر إلى البحر تأخذها العوالق وتطلقها من جديد نحو ست عشرة مرّة قبل أن تُدفن، وتبقى نحو $8000$ سنة في المحيط.

ولهذا تتكوّن الرسوبات السيليسية الناعمة حيث يكون إنتاج الأوبال عاليًا جدًّا، حتى تتراكم نسبة $3.6\,\%$ منه، وحيث لا يخفّفه شيء آخر تقريبًا: حول المحيط الجنوبي، وفي شمال المحيط الهادئ، وعلى طول خطّ الاستواء في المحيط الهادئ، وعلى الهوامش القارية، أي حيث يصعد الماء العميق الغنيّ بالمغذّيات إلى السطح (الفصل 29). وتهيمن أيضًا تحت التعويض الكربوناتي تحت المياه الخصبة، حيث انحلّت الكالسيتات التي تساقطت معها.

تعريف 22.9 (الصوّان)

الصوّان صخر رسوبي صلب كثيف من كوارتز دقيق التبلّر، يتكوّن في أغلب الحالات من أوبال حيوي ذاب وأعيد تبلّره بعد الدفن؛ ويوجد في طبقات، غالبًا من الرسوبات السيليسية الناعمة، أو في عُقَد، وأشهرها عُقَد الصوّان في الطباشير.

أما رسوب الدياتومات الذي لم يُعَد تبلّره فيصير الدياتوميت، صخرًا خفيفًا أبيض مسامّيًّا، يكاد يكون أوبالًا نقيًّا. ومع الدفن والزمن يتحوّل الأوبال إلى أشكال أخرى من السيليكا، وأخيرًا إلى كوارتز، وتهاجر السيليكا: فتخرج من الطباشير مثلًا، وتتجمّع في عُقَد من الصوّان على طول طبقات معيّنة. وكيف يحدث ذلك يعود إلى علم الدياجينيز (الفصل 23).

22.5 الرسوبات التبخّرية

حيث يفقد جسم من ماء البحر بالتبخّر ماءً أكثر مما يتلقّى، تتركّز أملاحه حتى تترسّب واحدًا بعد الآخر. وتركيب ماء البحر هو نفسه، في أيوناته الرئيسية، في كل المحيطات (Table 22.1).

الأيون	الكسر الكتلي من ملح البحر	$\mathrm{g}$ لكل $\mathrm{kg}$ من ماء البحر	$\mathrm{mmol}$ لكل $\mathrm{kg}$
كلوريد $\ce{Cl-}$	0.5503	19.353	545.9
صوديوم $\ce{Na+}$	0.3066	10.781	469.0
كبريتات $\ce{SO4^2-}$	0.0771	2.712	28.2
ماغنيسيوم $\ce{Mg^2+}$	0.0365	1.284	52.8
كالسيوم $\ce{Ca^2+}$	0.0117	0.412	10.3
بوتاسيوم $\ce{K+}$	0.0113	0.399	10.2
بيكربونات الهيدروجين $\ce{HCO3-}$	0.0030	0.105	1.72
بروميد $\ce{Br-}$	0.0019	0.067	0.84
كل المذابات	1	35.165

تعريف 22.10 (الرسوب التبخّري، وتتابع التبخّر، والسبخة)

الرسوب التبخّري هو رسوب أو صخر رسوبي من أملاح ترسّبت من محلول ملحي طبيعي تركّز بالتبخّر: أساسًا الجبس $\ce{CaSO4.2H2O}$ والأنهيدريت $\ce{CaSO4}$، والهاليت $\ce{NaCl}$، وأملاح البوتاسيوم والماغنيسيوم. وتتابع التبخّر هو الترتيب الذي تترسّب به المعادن من ماء البحر المتبخّر، وأقلّها ذوبانًا أولًا: كربونات الكالسيوم، ثم الجبس، ثم الهاليت، ثم أملاح البوتاسيوم والماغنيسيوم. والسبخة سهل ملحي ساحلي، عند مستوى أعلى المدّات أو فوقه بقليل، تنمو فيه الجبس والأنهيدريت والهاليت داخل الرسوب من الماء المالح المتبخّر الذي يتشرّبه.

رصد أوسيليو هذا التتابع منذ عام 1849، حين بخّر وعاءً من ماء البحر حتى الجفاف؛ وأدقّ القياسات تأتي من أملاح جزيرة إيناغوا الكبرى في جزر البهاما، حيث يُقاد ماء البحر عبر سلسلة أحواض متزايدة التركيز. وتبدأ كربونات الكالسيوم بالترسّب حين يصير المحلول الملحي أكثر تركيزًا من ماء البحر ب$1.8$ مرة، والجبس عند 3.8 مرة، والهاليت عند 10.6 مرة؛ وفي المختبر تلتها كبريتات الماغنيسيوم عند نحو 70 مرة، وأملاح البوتاسيوم فوق 90 مرة. وبما أن الأملاح التي تترسّب قبلها جزء ضئيل من الكتلة، فإن معامل التركيز 10.6 يعني أن $1/10.6$، أي نحو $9\,\%$، من الماء يبقى: فالهاليت لا يأتي إلا بعد أن تذهب تسعة أعشار الماء (الشكل أدناه، اللوحة أ). ويزداد المحلول الملحي كثافةً كلما تركّز، من $1.03\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$ لماء البحر إلى نحو $1.13$ عند تكوّن الجبس، و$1.22$ مع الهاليت، وأكثر من $1.30$ مع أملاح المرّ، وهي آخر الأملاح جميعها.

وكم يعطي كيلوغرام من ماء البحر من كل ملح يُحسب من Table 22.1 بعدّ الأيون الذي ينفد أولًا. فكربونات الكالسيوم يحدّها الكربونات وبيكربونات الهيدروجين، أي $1.10\,\mathrm{mmol}$، نحو $0.11\,\mathrm{g}$. ويأخذ الجبس الكالسيوم المتبقّي، أي $9.18\,\mathrm{mmol}$، أي $1.58\,\mathrm{g}$، والكبريتات فائضة. ويأخذ الهاليت كل الصوديوم، أي $469\,\mathrm{mmol}$، أي $27.4\,\mathrm{g}$، والكلوريد فائض. وما يبقى، نحو $6.3\,\mathrm{g}$ من الماغنيسيوم والبوتاسيوم والكبريتات والكلوريد والبروميد، يكوّن أملاح المرّ. والهاليت يمثّل $78\,\%$ من المجموع: فحوض تبخّري جفّ هو قبل كل شيء كتلة من ملح الصخر.

ومن هذه الكتل تتبع سماكة الملح الذي يمكن لجسم ماء معيّن أن يتركه مباشرة.

قضية 22.11 (ملح من عمود من ماء البحر)

عمود من ماء البحر ارتفاعه $H$ وكثافته $\rho_{sw}$، يُبخَّر حتى الجفاف، فيضع طبقة من معدن كثافته $\rho_x$، سمكها

$$h_x = \frac{\rho_{sw}\,H\,m_x}{\rho_x},$$

حيث $m_x$ كتلة ذلك المعدن المترسّبة لكل وحدة كتلة من ماء البحر.

ب$\rho_{sw} = 1030\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، و$m = 27.4\,\mathrm{g}\,\mathrm{kg}^{-1}$، وكثافة الهاليت $2170\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، يترك عمود من ماء البحر ارتفاعه $1000\,\mathrm{m}$ طبقة من الهاليت سمكها $13.0\,\mathrm{m}$؛ ومع الجبس، كثافته $2300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، يترك $0.71\,\mathrm{m}$ من الجبس. وهذه هي مشكلة السماكة في الرسوبات التبخّرية: فطبقات الملح التي تبلغ مئات الأمتار أو كيلومترات في السماكة لا يمكن أن تكون بقايا ملء واحد لأيّ حوض، مهما كان عميقًا.

والجواب حوض يستمرّ في تلقّي ماء البحر. فحوض مفصول عن المحيط بعتبة، أو مضيق ضحل، أو حاجز، في مناخ جاف، يفقد الماء بالتبخّر على كامل مساحته؛ فيتدفّق ماء البحر فوق العتبة ليعوّضه، جالبًا ملحًا جديدًا، ويمكن للمحلول الملحي الأثقل أن يتدفّق خارجًا في العمق فوق العتبة (الشكل أدناه). وتركيز المحلول الملحي يحدّده توازن هذه التدفّقات.

قضية 22.12 (الحوض المحجوز)

ليفقد حوض جيّد الخلط مساحته $A$ حجم $EA$ من الماء في وحدة الزمن بالتبخّر الصافي، ويتلقّى ماء بحر بمعدّل حجمي $Q_{\mathrm{in}}$، ويعيد المحلول الملحي إلى المحيط بمعدّل حجمي $Q_{\mathrm{out}}$، في حالة مستقرّة. وبالنسبة إلى أيون لا يترسّب، يتركّز المحلول الملحي بالمعامل

$$k = \frac{Q_{\mathrm{in}}}{Q_{\mathrm{out}}} = \frac{Q_{\mathrm{in}}}{Q_{\mathrm{in}} - EA}$$

بالنسبة إلى ماء البحر (الحجوم محسوبة كأنها بكثافة متساوية).

يتحكّم الخارج فيما يرسّبه الحوض. فإن عاد أكثر من عُشر الداخل إلى المحيط محلولًا ملحيًّا، بقي $k$ أدنى من 10.6، ورسّب الحوض الكربونات والجبس دون الهاليت أبدًا؛ وإن كان الخارج أقلّ، بلغ المحلول الملحي تشبّع الهاليت، وامتلأ الحوض بالملح؛ وإن أُغلق المضيق تمامًا، جفّ الحوض وانخفض مستواه بمعدّل $E$.

أكبر رسوب تبخّري حديث في العالم يرقد تحت قاع البحر الأبيض المتوسط. وبين $5.97$ و$5.33$ مليون سنة مضت، في عصر المسينيان، كانت تبادلات الماء بين البحر المتوسط والأطلسي مقيّدة، وترسّبت في الأحواض العميقة تبخّريات يبلغ سمكها $2\,\mathrm{km}$، معظم هاليتها في فترة قصيرة بين $5.60$ و$5.55$ مليون سنة. وكيف حدث ذلك ما زال محلّ جدل. ففي نموذج منها كان البحر مقطوعًا إلى حدّ كبير، وانخفض مستواه بنحو $1500\,\mathrm{m}$، فصارت الأحواض العميقة بحيرات ملحية، وحفرت الأنهار أخاديد عميقة في الهوامش الجافّة؛ وفي نماذج أخرى ظلّ الحوض متصلًا وممتلئًا، حوضًا محجوزًا على نطاق واسع. وكلاهما يجب أن يفسّر كيلومترات من الملح، وهو ما كان ليعطيه ملء واحد للبحر أبدًا.

22.6 التمارين

تمرين 22.1 ★

يحتوي ماء البحر ذو التركيب المرجعي على $35.165\,\mathrm{g}$ من الملح لكل كيلوغرام، ومنه الكسور الكتلية للكلوريد والصوديوم والكبريتات والماغنيسيوم $0.5503$ و$0.3066$ و$0.0771$ و$0.0365$. احسب كتلة كل أيون في كيلوغرام من ماء البحر، وكسر الملح المكوّن من الصوديوم والكلوريد معًا.

حل

حل التمرين 22.1.

الكلوريد $0.5503\times35.165 = 19.35\,\mathrm{g}$؛ الصوديوم $0.3066\times35.165 = 10.78\,\mathrm{g}$؛ الكبريتات $2.711\,\mathrm{g}$؛ الماغنيسيوم $1.284\,\mathrm{g}$. ويكوّن الصوديوم والكلوريد معًا $0.5503 + 0.3066 = 0.857$، أي $85.7\,\%$ من الملح.

تمرين 22.2 ★

يبدأ ترسّب كربونات الكالسيوم والجبس والهاليت وكبريتات الماغنيسيوم من ماء بحر مُركّز $1.8$ و$3.8$ و$10.6$ و$70$ مرة. احسب لكل منها كسر الماء المتبقّي والكسر الذي تبخّر.

حل

حل التمرين 22.2.

الكسر المتبقّي هو $1/\mathrm{CF}$: كربونات الكالسيوم $1/1.8 = 0.556$ متبقّية، أي $44.4\,\%$ تبخّرت؛ الجبس $0.263$ متبقٍّ، $73.7\,\%$ تبخّرت؛ الهاليت $0.094$ متبقٍّ، $90.6\,\%$ تبخّرت؛ كبريتات الماغنيسيوم $0.014$ متبقٍّ، $98.6\,\%$ تبخّرت.

تمرين 22.3 ★

على شعاب تهيمن عليها Acropora تبلغ الميزانية الكربوناتية $8.4\,\mathrm{kg}$ من $\ce{CaCO3}$ لكل متر مربّع في السنة، وتنمو الشعاب بمقدار $4.2\,\mathrm{mm}$ في السنة. (أ) باستعمال القضية 22.2، احسب الكثافة الحجمية الجافّة للشعاب. (ب) ما مساميّتها إن كانت حبيباتها أراغونيتًا، كثافته $2.93\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$؟ أم كالسيتًا، كثافته $2.71\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$؟ (ج) عند الكثافة الحجمية نفسها، بأيّ سرعة تنمو شعاب ميزانيتها المتوسطة $3.7\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{yr}^{-1}$؟

حل

حل التمرين 22.3.

(أ) $\rho_s(1-\phi) = G/a = 8.4/0.0042 = 2000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$. (ب) مع الأراغونيت، $1 - 2000/2930 = 0.32$، أي مسامية $32\,\%$؛ ومع الكالسيت، $1 - 2000/2710 = 0.26$. (ج) $a = 3.7/2000 = 1.85 \times 10^{-3}\,\mathrm{m}$، أي $1.85\,\mathrm{mm}$ في السنة.

تمرين 22.4 ★

تحتوي الرسوبات السطحية من منطقة في قاع البحر على النسب المئوية بالوزن التالية من $\ce{CaCO3}$: 88 عند $3000\,\mathrm{m}$، و$85$ عند $3500\,\mathrm{m}$، و$80$ عند $4000\,\mathrm{m}$، و$62$ عند $4300\,\mathrm{m}$، و$35$ عند $4500\,\mathrm{m}$، و$12$ عند $4700\,\mathrm{m}$، و$6$ عند $4800\,\mathrm{m}$، و$2$ عند $5000\,\mathrm{m}$. باستعمال الطريقة 22.7، حدّد الحدّ الانحلالي والتعويض الكربوناتي.

حل

حل التمرين 22.4.

حتى $4000\,\mathrm{m}$ ينخفض المحتوى ببطء فقط (من 88 إلى 80)؛ وتحت $4000\,\mathrm{m}$ ينخفض بحدّة: فالحدّ الانحلالي يقع عند نحو $4000\,\mathrm{m}$. ويهبط المحتوى دون $10\,\%$ بين $4700\,\mathrm{m}$ (12) و$4800\,\mathrm{m}$ (6): $4700 + 100\times(12-10)/(12-6) = 4733\,\mathrm{m}$، فالتعويض الكربوناتي عند نحو $4730\,\mathrm{m}$، أي نحو $700\,\mathrm{m}$ تحت الحدّ الانحلالي.

تمرين 22.5 ★★

(أ) اكتب معادلة التوازن لترسّب كربونات الكالسيوم من أيوني الكالسيوم وبيكربونات الهيدروجين، واحسب كتلة ثاني أكسيد الكربون المنطلق لكل كيلوغرام من $\ce{CaCO3}$ المترسّب (الكتلتان المولاريتان $100.09\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$ و$44.01\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$). (ب) كم يطلق من ثاني أكسيد الكربون شعاب ميزانيتها $3.7\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{yr}^{-1}$ لكل متر مربّع في السنة، بحسب هذه المعادلة؟ (ج) لماذا تطلق شعاب تحوّل الكربون المذاب إلى صخر ثاني أكسيد الكربون؟

حل

حل التمرين 22.5.

(أ) $\ce{Ca^2+ + 2 HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O}$: مول واحد من $\ce{CO2}$ لكل مول من $\ce{CaCO3}$، ف$44.01/100.09 = 0.440\,\mathrm{kg}$ من $\ce{CO2}$ لكل كيلوغرام من $\ce{CaCO3}$. (ب) $3.7\times0.440 = 1.63\,\mathrm{kg}$ من $\ce{CO2}$ لكل متر مربّع في السنة. (ج) من أيوني بيكربونات الهيدروجين المستعملين، لا يدخل إلى المعدن إلا كربون واحد؛ والآخر يخرج ثاني أكسيد الكربون. والتكلّس ينزع القلوية من الماء ويخفّض قدرته على حمل الكربون المذاب؛ وما يصل من $\ce{CO2}$ إلى الهواء يتوقّف على تنظيم ماء البحر، وهذه مسألة توازنات الكربونات في كتب الكيمياء.

تمرين 22.6 ★★

خذ قاع البحر على العمق $d = 2500 + 350\sqrt t$ (بالمتر، و$t$ بالملايين من السنين)، ينتشر من حيده بمعدّل نصفي $25\,\mathrm{mm}$ في السنة. (أ) في أيّ عمر وعلى أيّ بُعد من المحور يعبر تعويضًا كربوناتيًّا عند $4500\,\mathrm{m}$؟ (ب) الأمر نفسه لتعويض عند $5100\,\mathrm{m}$، كما في وسط المحيط الهادئ. (ج) كم كان قاع عمره $60\,\mathrm{Myr}$ سيتلقّى من الطين الأحمر في كل حالة؟

حل

حل التمرين 22.6.

(أ) $t_c = (2000/350)^2 = 32.7\,\mathrm{Myr}$؛ بمعدّل $25\,\mathrm{km}$ لكل مليون سنة، $25\times32.7 = 816\,\mathrm{km}$ من المحور. (ب) $t_c = (2600/350)^2 = 55.2\,\mathrm{Myr}$، أي $1380\,\mathrm{km}$. (ج) القاع بعمر $60\,\mathrm{Myr}$ تلقّى الطين الأحمر لمدّة $60 - 32.7 = 27.3\,\mathrm{Myr}$ في الحالة الأولى، ولمدّة $60 - 55.2 = 4.8\,\mathrm{Myr}$ فقط في الثانية.

تمرين 22.7 ★★

شعبة مرجانية تنمو بمقدار $4.2\,\mathrm{mm}$ في السنة. (أ) هل تستطيع مواكبة ارتفاع نسبي لمستوى البحر قدره $3\,\mathrm{mm}$ في السنة؟ (ب) قمّتها على عمق $2\,\mathrm{m}$ تحت البحر، عندما يصير الارتفاع النسبي $10\,\mathrm{mm}$ في السنة. فإن كان بناؤها لا يعيشون أعمق من $50\,\mathrm{m}$، فكم يستغرق حتى تغرق؟ (ج) لماذا قد تغرق في الواقع أبكر؟

حل

حل التمرين 22.7.

(أ) نعم: $a = 4.2 > r = 3$، والشعبة تكسب $1.2\,\mathrm{mm}$ في السنة على البحر حتى تبلغ قمّتها السطح. (ب) ينمو $D$ بمقدار $10 - 4.2 = 5.8\,\mathrm{mm}$ في السنة؛ ومن $2\,\mathrm{m}$ إلى $50\,\mathrm{m}$ يستغرق ذلك $48/0.0058 = 8300$ سنة. (ج) لأن معدّل نموّها يهبط كلما زاد عمق الماء: فلا يصل إلى الطحالب التي تعيش في المرجانيات وتغذّيها إلا قليل من الضوء، فينخفض $a$، والشعبة تتأخّر أسرع فأسرع.

تمرين 22.8 ★★

يُدفن الجبس $\ce{CaSO4.2H2O}$ ($172.17\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، كثافته $2.30\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$) تحت بضع مئات من الأمتار من الرسوب، فيفقد ماءه ويصير أنهيدريتًا $\ce{CaSO4}$ ($136.14\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$، كثافته $2.97\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$). (أ) اكتب التفاعل. (ب) احسب الحجوم المولارية للمعدنين والتغيّر في حجم الصلب. (ج) ما الكسر من كتلة الجبس الذي يخرج ماءً؟ وماذا يمكن لهذا الماء أن يفعل في الصخور المحيطة؟

حل

حل التمرين 22.8.

(أ) التفاعل هو $\ce{CaSO4.2H2O -> CaSO4 + 2 H2O}$. (ب) الحجوم المولارية هي $172.17/2.30 = 74.9\,\mathrm{cm}^{3}$ و$136.14/2.97 = 45.8\,\mathrm{cm}^{3}$، فالصلب يفقد $1 - 45.8/74.9 = 38.8\,\%$ من حجمه. (ج) $2\times18.02/172.17 = 0.209$: $20.9\,\%$ من الكتلة يخرج ماءً. وحين يُطلق هذا الماء في العمق يرفع الضغط في مسامات الصخور المحيطة؛ وتحت غطاء محكم يمكن أن يُضعف الصخور ويساعد الصدوع على الانزلاق، ويمكنه أن يُذيب أملاحًا أخرى وينقلها.

تمرين 22.9 ★★

تبني عوالق المحيط العالمي 255 تيرامول من السيليكون في الأوبال كل سنة، ويُدفن منها $9.2$. (أ) احسب الكسر المحفوظ والكسر المنحلّ. (ب) لماذا يمكن مع ذلك أن يتكوّن الرسوب السيليسي الناعم، وأين؟ (ج) لماذا يكون سجلّ الدياتومات في الرسوب صورة منحازة عن الدياتومات التي عاشت في الماء؟

حل

حل التمرين 22.9.

(أ) $9.2/255 = 3.6\,\%$ محفوظ، و$96.4\,\%$ منحلّ. (ب) حيث يكون الإنتاج عاليًا جدًّا، تبقى بضعة في المئة منه تدفّقًا كبيرًا، وحيث يخفّفه قليل من الطين أو الكربونات: تحت الماء الصاعد في المحيط الجنوبي، وفي شمال المحيط الهادئ، وفي المحيط الهادئ الاستوائي، وتحت التعويض الكربوناتي. (ج) الهياكل الرقيقة الهشّة تذوب أولًا وتبقى الأقوى: فيحفظ الرسوب نخبة من أقوى الأنواع، لا المجتمع الذي عاش في الماء.

تمرين 22.10 ★★★

حوض محجوز مساحته $10\,000\,\mathrm{km}^{2}$ يفقد بالتبخّر الصافي $1.5\,\mathrm{m}$ من الماء في السنة. (أ) احسب الحجم المتبخّر كل سنة. (ب) باستعمال القضية 22.12، احسب معامل تركّز المحلول الملحي عندما يكون التدفّق الداخل فوق العتبة $1.8 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$ في السنة، وعندما يكون $1.575 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$ في السنة. أيّ معادن يمكن أن يترسّب في كل حالة؟ (ج) حتى أيّ تدفّق داخل يرسّب الحوض الهاليت؟

حل

حل التمرين 22.10.

(أ) $EA = 1.5\times1 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{2} = 1.5 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$ في السنة. (ب) مع $Q_{\mathrm{in}} = 1.8 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$، و$Q_{\mathrm{out}} = 0.3 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$، و$k = 6$: يتجاوز عتبة الجبس (3.8) دون عتبة الهاليت (10.6)، فيترسّب الكربونات والجبس. ومع $Q_{\mathrm{in}} = 1.575 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$، و$Q_{\mathrm{out}} = 0.075 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$، و$k = 21$، لأيون يبقى في المحلول مثل الماغنيسيوم: يجتاز المحلول عتبة الهاليت، فيترسّب الهاليت أيضًا، لكن لا أملاح الماغنيسيوم (70). (ج) يقتضي الهاليت أن يكون $Q_{\mathrm{in}}/(Q_{\mathrm{in}} - EA) \ge 10.6$، أي $Q_{\mathrm{in}} \le 10.6\,EA/9.6 = 1.104\,EA = 1.66 \times 10^{10}\,\mathrm{m}^{3}$ في السنة: فقد يتجاوز الداخل التبخّر بعشر تقريبًا على الأكثر.

تمرين 22.11 ★★★

يحتوي ماء البحر على $0.0673\,\mathrm{g}$ من البروميد لكل كيلوغرام. وحين يترسّب الهاليت يأخذ من البروميد بنسبة تركيزه في المحلول الملحي: فمحتوى الهاليت من البروميد هو $D = 0.032$ من مثيله في المحلول. (أ) احسب محتوى المحلول من البروميد، بالملليغرام لكل كيلوغرام، وفي أول هاليت يترسّب، حين يصير المحلول الملحي أكثر تركيزًا من ماء البحر ب$10.6$ مرة. (ب) الأمر نفسه حين يبلغ المحلول 30 مرة. (ج) لا يكاد الهاليت يُزيل البروميد من المحلول: لماذا؟ (د) في طبقة سميكة من الهاليت يرتفع محتوى البروميد نحو الأعلى، ثم ينخفض فجأة. ماذا حدث للحوض؟

حل

حل التمرين 22.11.

(أ) يحتوي ماء البحر على $67.3\,\mathrm{mg}$ من البروميد لكل كيلوغرام؛ وعند $10.6$ مرة، يحتوي المحلول على $67.3\times10.6 = 713\,\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}$، وأول هاليت $0.032\times713 = 22.8\,\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}$. (ب) عند 30 مرة، $67.3\times30 = 2019\,\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}$ في المحلول و$64.6\,\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}$ في الهاليت. (ج) لا يأخذ الهاليت إلا $3.2$ من مئة من تركيز المحلول، فيبقى البروميد في المحلول تقريبًا كلّه ويتركّز أكثر مع تبخّر الماء. (د) الصعود يسجّل تركيز المحلول؛ والهبوط المفاجئ يسجّل تخفيفه بتدفّق جديد من ماء البحر إلى الحوض، أو بماء عذب، قبل أن يواصل الهاليت نموّه.

تمرين 22.12 ★★★

يقع موقع على منحدر حيد، عمقه $d = 2500 + 350\sqrt t$، وعمره الآن $70\,\mathrm{Myr}$. افترض أن الرسوب الكلسي الناعم يتراكم بسمك $2\,\mathrm{cm}$ لكل ألف سنة فوق التعويض الكربوناتي، والطين الأحمر بسمك $1\,\mathrm{mm}$ لكل ألف سنة تحته، وأهمل الانضغاط. (أ) احسب سماكة الرسوب الكلسي والطين الأحمر في الموقع من أجل تعويض كربوناتي عند $4500\,\mathrm{m}$. (ب) الأمر نفسه من أجل تعويض أعمق ب$500\,\mathrm{m}$، كما في الأطلسي. (ج) تُظهر لُبّة في الموقع طبقة رقيقة من الرسوب الكلسي داخل الطين الأحمر. اعطِ تفسيرين ممكنين.

حل

حل التمرين 22.12.

(أ) $t_c = 32.65\,\mathrm{Myr}$، ف$0.02\times32\,650 = 653\,\mathrm{m}$ من الرسوب الكلسي ($32\,650$ فترة من ألف سنة بسمك $2\,\mathrm{cm}$) و$0.001\times37\,350 = 37\,\mathrm{m}$ من الطين الأحمر. (ب) $t_c = (2500/350)^2 = 51.0\,\mathrm{Myr}$: $1020\,\mathrm{m}$ من الرسوب الكلسي و$19\,\mathrm{m}$ من الطين الأحمر. فالتعويض الأعمق يعطي رسوبًا كلسيًّا أسمك بكثير، والطين الأحمر في قاع الأطلسي العميق أرقّ منه في المحيط الهادئ للعمر نفسه. (ج) ربما كان التعويض الكربوناتي أعمق لفترة، فصار الموقع فوقه مرة أخرى؛ أو حملت الصفيحة الموقع تحت حزام إنتاجية عالية، كخطّ الاستواء، حيث سقط كربونات أكثر؛ أو نُقلت الطبقة بانزلاق أو بتيار عكارة من جزء أعلى من قاع البحر.

22.7 مسألة: ملح من بحر زال

مسألة 22.1

مسألة نهاية الأسبوع — كم من ماء البحر يلزم لصنع حوض ملحي، وكم من الوقت

بحر داخلي مساحته $A = 1.0 \times 10^{5}\,\mathrm{km}^{2}$، عمقه $1000\,\mathrm{m}$، يتّصل بالمحيط عبر مضيق فوق عتبة ضحلة. وقاعه، المدفون الآن، يحمل $1.5\,\mathrm{km}$ من الهاليت. خذ لماء البحر كثافة $1030\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، والكتل المترسّبة لكل كيلوغرام المحسوبة في الفصل: $0.110\,\mathrm{g}$ من $\ce{CaCO3}$، و$1.581\,\mathrm{g}$ من الجبس، و$27.41\,\mathrm{g}$ من الهاليت، و$6.34\,\mathrm{g}$ من أملاح المرّ؛ وللمعادن الكثافات: الكالسيت $2710\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، والجبس $2300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، والأنهيدريت $2970\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، والهاليت $2170\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$. عامِل البحر كصندوق بجدران رأسية.

الجزء الأول — ملء واحد.

1. احسب كتلة ماء البحر فوق متر مربّع واحد من القاع، وكتلة الملح الذي يحويه ($35.165\,\mathrm{g}\,\mathrm{kg}^{-1}$).
2. احسب كتلة الجبس والهاليت المترسّبين على متر مربّع واحد حين يتبخّر البحر حتى الجفاف.
3. باستعمال القضية 22.11، احسب سماكة كربونات الكالسيوم والجبس والهاليت.
4. بعد الدفن يصير الجبس أنهيدريتًا. فما سماكة طبقة الكبريتات حينئذٍ؟
5. ما الكسر من الملح الجاف الذي هو هاليت؟ ولماذا يكون البحر المجفّف صخر ملح في معظمه؟
6. بأيّ ترتيب، من الأسفل إلى الأعلى، تترتّب الطبقات؟ ولماذا؟

الجزء الثاني — المحلول الملحي مع جفاف البحر.

7. على أيّ عمق من المحلول الملحي في الصندوق تبدأ كربونات الكالسيوم والجبس والهاليت بالترسّب؟
8. ما الكسر من الماء الذي تبخّر حين يظهر الهاليت؟
9. تحت أيّ عمق من المحلول الملحي تبدأ أملاح الماغنيسيوم والبوتاسيوم؟
10. ما كثافة المحلول الملحي في كل مرحلة؟ وماذا يعني ذلك لمحلول ملحي يلتقي بماء بحر عذب يتدفّق داخلًا؟
11. لماذا نادرًا ما يُرى الرسوب الأول، أي الكربونات، طبقةً مستقلّة في حوض تبخّري؟
12. يرتفع محتوى الهاليت من البروميد من قاعدة طبقة الهاليت إلى قمّتها في ملء واحد. لماذا؟

الجزء الثالث — كم ملءً؟

13. كم ملءً للحوض، يُبخَّر كل مرّة حتى الجفاف، يلزم لترسيب $1.5\,\mathrm{km}$ من الهاليت؟
14. كم من الأنهيدريت يصاحبه، وكيف يتوزّع في المقطع؟
15. كم تكون سماكة أملاح المرّ لو حُفظت كلّها، بكثافة متوسطة $2000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$؟ ولماذا تغيب كثيرًا؟
16. كيف يسجّل محتوى الهاليت من البروميد كل إعادة ملء؟
17. بلغت التبخّريات المسينيانية $2\,\mathrm{km}$. كم ملءً لبحر عمقه $1000\,\mathrm{m}$ يحتاج هاليتها، لو كان كلّه هاليتًا؟

الجزء الرابع — التدفّق والزمن.

18. يتدفّق ماء البحر فوق العتبة بمعدّل $5000\,\mathrm{m}^{3}\,\mathrm{s}^{-1}$ ولا يخرج أيّ محلول ملحي؛ فيبقى المستوى ثابتًا. احسب معدّل التبخّر الصافي فوق البحر، بالأمتار في السنة (والسنة $365.25$ يومًا).
19. احسب كتلة الملح التي تدخل البحر كل سنة.
20. إن رُسّب كل هاليته بالتساوي على القاع، فكم يتكوّن من سماكة من الهاليت كل سنة؟
21. كم يستغرق تكوّن $1.5\,\mathrm{km}$ من الهاليت؟
22. يُغلق المضيق. ما سرعة انخفاض المستوى، وكم يستغرق حتى يجفّ البحر، إن بقي معدّل التبخّر كما هو؟
23. كم بعد الإغلاق يبدأ ترسّب الهاليت؟
24. لأقرب عدد صحيح، كم ملءً للحوض احتاج ملحه؟

حل

حل المسألة 22.1.

1. $1030\times1000 = 1.03 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}$ من ماء البحر، يحمل $1.03\times10^6\times0.035165 = 36\,200\,\mathrm{kg}$ من الملح.

2. الجبس $1.03\times10^6\times1.581\times10^{-3} = 1628\,\mathrm{kg}$؛ الهاليت $1.03\times10^6\times0.02741 = 28\,230\,\mathrm{kg}$.

3. كربونات الكالسيوم $113.3/2710 = 0.042\,\mathrm{m}$؛ الجبس $1628/2300 = 0.71\,\mathrm{m}$؛ الهاليت $28230/2170 = 13.0\,\mathrm{m}$.

4. للأنهيدريت الكتلة $1628\times136.14/172.17 = 1288\,\mathrm{kg}$ والسماكة $1288/2970 = 0.43\,\mathrm{m}$.

5. جافًّا، الملح $0.110 + 1.250 + 27.41 + 6.34 = 35.11\,\mathrm{g}$ لكل كيلوغرام، منه الهاليت $27.41/35.11 = 78\,\%$: يكوّن الصوديوم والكلوريد معظم الملح المذاب، ويأخذ الهاليت كلّهما تقريبًا.

6. من الأسفل إلى الأعلى: كربونات الكالسيوم، ثم الجبس، ثم الهاليت، ثم أملاح المرّ. يبدأ كل معدن بالترسّب حين يبلغ المحلول تشبّعه، والأقلّ ذوبانًا أولًا، ويستقرّ فوق ما ترسّب قبله.

7. عمق المحلول هو $1000/\mathrm{CF}$: $556\,\mathrm{m}$ لكربونات الكالسيوم، و$263\,\mathrm{m}$ للجبس، و$94\,\mathrm{m}$ للهاليت.

8. $1 - 1/10.6 = 90.6\,\%$.

9. $1000/70 = 14\,\mathrm{m}$ لكبريتات الماغنيسيوم، و$1000/90 = 11\,\mathrm{m}$ لأملاح البوتاسيوم.

10. نحو $1.10\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$ حين تتكوّن كربونات الكالسيوم، و$1.13$ مع الجبس، و$1.22$ مع الهاليت، وأكثر من $1.30$ مع أملاح المرّ، مقابل $1.03$ لماء البحر. يطفو ماء البحر الداخل فوق المحلول الكثيف، الذي يبقى في القاع؛ وفي حوض محجوز يمكن للمحلول أن يعود إلى المحيط في العمق تحت الداخل.

11. لا يبلغ سمكها إلا $4\,\mathrm{cm}$، مقابل $13\,\mathrm{m}$ من الهاليت؛ وتتكوّن على الهوامش، حيث يتركّز الماء الداخل أولًا، أكثر منه في الوسط، فتختلط بقاعدة الجبس أو يحلّ محلّها.

12. يأخذ الهاليت جزءًا صغيرًا فقط من بروميد المحلول (التمرين 22.11)، فيصير المحلول أغنى في البروميد كلما نما الهاليت، وتأخذ كل طبقة جديدة من الهاليت منه أكثر.

13. $1500/13.01 = 115.3$: 116 ملءً.

14. $116\times0.434 = 50\,\mathrm{m}$ من الأنهيدريت، لا كطبقة واحدة بل ك$116$ طبقة، كلّ منها أقلّ قليلًا من نصف متر سمكًا، عند قاعدة الهاليت من ملئها: تعاقب دوري من الأنهيدريت والهاليت.

15. لكل ملء، $1.03\times10^6\times6.34\times10^{-3}/2000 = 3.3\,\mathrm{m}$، ف$379\,\mathrm{m}$ ل$116$ ملءً. وهي أكثر الأملاح ذوبانًا: فالداخل التالي من ماء البحر يعيد إذابتها، والحوض الذي يخرج محلوله قبل النهاية لا يصل إليها أبدًا.

16. عند كل إعادة ملء يُخفَّف المحلول: فينخفض محتوى البروميد بحدّة عند قاعدة الهاليت الجديد ثم يرتفع من جديد نحو الأعلى، في نمط مُسنَّن بسنّة واحدة لكل ملء.

17. $2000/13.01 = 154$ ملءً.

18. $5000\times365.25\times86400 = 1.578 \times 10^{11}\,\mathrm{m}^{3}$ في السنة، موزّعةً على $1.0 \times 10^{11}\,\mathrm{m}^{2}$: $E = 1.58\,\mathrm{m}$ في السنة.

19. $1.578\times10^{11}\times1030\times0.035165 = 5.72 \times 10^{12}\,\mathrm{kg}$ من الملح في السنة.

20. $1.578\times10^{11}\times1030\times0.02741/2170 = 2.05 \times 10^{9}\,\mathrm{m}^{3}$ من الهاليت في السنة، أي $0.0205\,\mathrm{m}$، نحو $2\,\mathrm{cm}$ في السنة على القاع كله.

21. $1500/0.0205 = 73\,000$ سنة.

22. ينخفض المستوى بمقدار $1.58\,\mathrm{m}$ في السنة؛ و$1000\,\mathrm{m}$ من الماء تذهب في $1000/1.578 = 634$ سنة.

23. يظهر الهاليت حين يذهب $90.6\,\%$ من الماء، بعد $905.7/1.578 = 574$ سنة.

24. استغرق $1.5\,\mathrm{km}$ من الهاليت ملح 116 ملءً للحوض ($115.3$، يُقرَّب إلى الأعلى)، سواء جاءت الواحدة بعد الأخرى مع جفاف الحوض وإعادة ملئه، أو بشكل متّصل فوق العتبة، كما في السؤال 21، بمعدّل حوض واحد من ماء البحر كل $1000/1.578 = 634$ سنة.