15الكتل القديمة ودورة ويلسون

على ساحل جنوب شرق اسكتلندا، عند سيكار بوينت، تقف طبقات رمادية من الحجر الرملي منتصبة تحت غطاء من حجر رملي أحمر يميل ميلًا خفيفًا نحو البحر. ترسّبت الطبقات الرمادية في محيط في بداية السيلوري، ثم طُويت واكتسبت انفصامًا حين انغلق ذلك المحيط؛ ثم حُتّت حتى صارت سطحًا غير مستوٍ؛ وفي الديفوني المتأخر دفنتها حصى حمراء، وأمالت حركة بناء جبلي ثانية، أهدأ، الطبقات الحمراء بدورها. فجرف واحد يسجّل محيطًا زال، وحزامًا جبليًا اندثر، والحزام الذي تلاه. يقرأ هذا الفصل سجلات كهذه، ويجمعها في دورة تتبعها الأحواض المحيطية، ثم يرجع خطوة إلى الوراء نحو أطول إيقاع على الإطلاق، تجمّع القارات العظمى وتفكّكها.

ما تعرفه من قبل

من مجلدات المدرسة: بانجيا وتفكّكها، والقارات العظمى؛ وحالات عدم التوافق؛ ومعدّل التعرية، والارتداد الأيزوستاتي، والتناقص الأسّي لسلسلة جبلية تبريها أنهارها. من مجلد السنة الأولى: الشقوق القارية، والهوامش السلبية والظهرات وسط المحيطية، ومعدّلا التوسّع الكامل ونصفه؛ والاندساس والهوامش النشطة. من الفصل 12 إلى الفصل 14: الميغماتيتات والغرانيتات؛ والأوروجين، والأوفيوليت، والدرز، والغطاء الزاحف، والفليش والمولاس، والحوض الأمامي الجبلي؛ والأوروجينات التصادمية والأنديزية النمط؛ وتثخّن القشرة، وسمك إيري والانهيار الثقالي.

15.1 أحزمة بُريت حتى جذورها

تعبر أوروبا الغربية وشرق أمريكا الشمالية أحزمة جبلية أقدم بكثير من الألب. لقد زالت قممها، لكن صخورها باقية. ويهمّنا هنا ثلاثة منها.

يمتدّ الحزام الكاليدوني من النرويج عبر اسكتلندا وأيرلندا إلى نيوفاوندلاند وشمال الأبلاش، ويتواصل عبر شرق غرينلاند وسفالبارد. وهو سجلّ محيط، إيابيتوس، كان يقع في أوائل الباليوزوي بين لورنتيا، سلف أمريكا الشمالية وغرينلاند، في الشمال الغربي، وبلطيقا وأفالونيا في الجنوب الشرقي والشرق. وكانت هوامشه قد انفصلت بالتصدّع الخسفي قبل نحو 600 مليون سنة؛ وأنتج انغلاقه، من الكامبري إلى الديفوني، سلسلة كاملة من التصادمات، حتى إن التكوّن الجبلي الكاليدوني يمتدّ نحو 200 مليون سنة. فالمصطلح يسمّي مكانًا ومحيطًا، لا عصرًا.

والحزام الفاريسكي، المسمّى الهرسيني في النصوص الأقدم، يعبر أوروبا من جنوب غرب إنجلترا وبلجيكا عبر فرنسا وإيبيريا إلى وسط أوروبا؛ والحزام الأبلاشي في شرق أمريكا الشمالية توأمه الغربي. ويسجّلان معًا انغلاق المحيطات بين القارة الجنوبية، غوندوانا، والقارة الشمالية، التي كانت قد التحمت للتوّ بالتصادمات الكاليدونية. وقد خلّف آخر تصادماتهما، في الكربوني المتأخر والبرمي، حزام طيّات يمتدّ شرقًا–غربًا عبر جنوب أوروبا وشمالًا شرقيًا–جنوبًا غربيًا بين شرق أمريكا الشمالية وشمال غرب إفريقيا، ومعه القارة العظمى بانجيا.

كيف يُتعرّف على حزام جبلي حُتّ ثلاثمئة مليون سنة؟ لا بتضاريسه، فقد زالت. بل يُبحث عن أجزائه، وكلٌّ منها التقته الفصول السابقة:

• دروز تحفّها الأوفيوليتات، شرائح من قاع المحيط الذي انغلق؛
• أحزمة من الصخور التحوّلية، عالية الدرجة غالبًا، هي جذور القشرة المتثخّنة، وقد صارت الآن على السطح لأن الكيلومترات التي كانت فوقها حُتّت؛
• الغرانيتات والميغماتيتات، نواتج الانصهار القشري الذي يجلبه التثخّن والتسخين؛
• رواسب المحيط المنغلق والحزام: الفليش المُلقى في الأحواض العميقة أثناء التقارب، والمولاس المُلقى في الأحواض الأمامية والأحواض بين الجبلية؛
• حالات عدم التوافق الزاوي، حيث ترتكز طبقات أحدث على طبقات طُويت وحُتّت قبلها، فتؤرّخ التشوّه الواقع بين الاثنتين.

تعريف 15.1 (شبه السهل)

شبه السهل سطح أرضي قليل التضاريس، قريب من مستوى قاعدة الحتّ، مقطوع عبر صخور مختلفة الصلابة والبنية بحتّ طويل لتضاريس سابقة.

الحزام الفاريسكي أوروجين حارّ. ففي الألب في الفصل 13، اتّبعت الصخور تدرّجات تحوّلية قدرها نحو $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر؛ أمّا في الحزام الفاريسكي، فنحو $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر. وقد انصهرت قشرته على نطاق واسع: ففي الكتلة الوسطى الفرنسية والكتلة الأرموريكية، تكوّنت الميغماتيتات بين نحو 330 و325 مليون سنة مضت، واخترقتها الغرانيتات. وهذا الانصهار هو الفرق الرئيسي عن الألب الغربية. ومع انتهاء التصادم، رقّت القشرة المتثخّنة بالتمدّد، وصعدت الصخور التحوّلية على امتداد أسطح الانفصال، وانفتحت أحواض بين جبلية؛ ثم سوّى الحتّ السلسلة فصارت شبه سهل برمي وترياسي ترسّبت عليه رواسب الدورة التالية.

المرحلة	العمر	ما الذي تصادم
البنوبسكوتية	من 490 إلى $485\,\mathrm{Ma}$	قوس جزري دُسر على الهامش الأفالوني
الغرامبية، التاكونية	من 480 إلى $455\,\mathrm{Ma}$	أقواس جزرية في مواجهة لورنتيا (اسكتلندا؛ شمال الأبلاش)
الشلفية	أوائل الأوردوفيشي المتأخر	أفالونيا في مواجهة بلطيقا؛ بحر تورنكفيست ينغلق
الإسكاندية	من 425 إلى $400\,\mathrm{Ma}$	بلطيقا في مواجهة لورنتيا؛ الأغطية الزاحفة الكبرى في إسكندنافيا
الأكادية	الديفوني المبكر	رقع قشرية من غوندوانا في مواجهة القارة الجديدة؛ إيابيتوس انغلق

يُظهر الجدول الكاليدوني أعلاه السمة الأخرى للأحزمة القديمة: إنها مركّبة. فقبل أن تلتقي القارتان، جاءت الأقواس والكتل الأصغر واحدة تلو الأخرى والتحمت بها.

تعريف 15.2 (الرقعة القشرية؛ القارة الصغرى)

الرقعة القشرية كتلة من القشرة تحدّها صدوع، يختلف تاريخها الجيولوجي عن تاريخ جاراتها، وقد جاءت بها حركة الصفائح إلى موضعها الحالي؛ وقد تكون قوسًا جزريًا، أو هضبة محيطية، أو شريحة من قاع المحيط، أو قطعة من قارة. والقارة الصغرى كتلة من القشرة القارية، أصغر من قارة، تفصلها عن القارات قشرة محيطية.

كانت أفالونيا كتلة من هذا النوع: شريط من القشرة غادر هامش غوندوانا، وفتح محيط ريك خلفه في الأوردوفيشي، وعبر إيابيتوس ورسا على بلطيقا ثم على لورنتيا. وتبعتها بدورهما أرموريكا وساكسوثورينجيا، الواقعتان اليوم في فرنسا وألمانيا؛ ودروزهما، التي تحدّدها الأوفيوليتات، تقسم الحزام الفاريسكي إلى نطاقات من مقدّمة شمالية في القارة الشمالية القديمة إلى مقدّمة جنوبية في غوندوانا.

15.2 دورة ويلسون

في عام 1966 تساءل ج. توزو ويلسون عمّا إذا كان الأطلسي قد انغلق ثم انفتح من جديد. فقد أخبرته أحافير الباليوزوي المبكر والأوسط أن محيطًا واسعًا كان يفصل حينها حيوانات أمريكا الشمالية عن حيوانات أوروبا الغربية، وهو محيط لم يعد موجودًا من أواخر الباليوزوي إلى أواسط الميزوزوي. وقد انفتح الأطلسي الحديث قريبًا من الموضع الذي انغلق فيه ذلك المحيط الأقدم، إيابيتوس.

تعريف 15.3 (دورة ويلسون)

دورة ويلسون تتابع المراحل التي ينفتح عبرها حوض محيطي ثم ينغلق من جديد بين هوامش قارية: التصدّع الخسفي القاري، فالانفصال وتوسّع قاع البحر، فمحيط يتّسع بهوامش سلبية، فبدء الاندساس، فتضيّق المحيط وانغلاقه، فالتصادم القاري، فانهيار الحزام وحتّه، وبعد ذلك قد تتصدّع القارة الملتحمة من جديد على امتداد النطاق نفسه.

يتتبّع الشكل أدناه المراحل. وهي مراحل الفصول السابقة مرتّبة: الشقوق والهوامش السلبية في مجلد السنة الأولى، والهوامش النشطة وأقواسها، وتصادما الألب والهيمالايا، والانهيار الثقالي للتبت، والبري البطيء للأحزمة القديمة.

15.2.1 ما العرض، وما المدّة؟

ينمو المحيط بتوسّع قاع البحر عند ظهرته ويتقلّص بالاندساس عند خنادقه. وحساب بسيط يعطي عرضه.

قضية 15.4 (عرض محيط عبر دورة)

ليكن محيط ينفتح عند الزمن $t_0$ ويتّسع بمعدّل التوسّع الكامل $V_s$ لظهرته، حتى يبدأ نطاق اندساس عند أحد الهامشين في الزمن $t_1$ ويستهلك قاع المحيط بالمعدّل $V_c$ بالنسبة إلى ذلك الهامش، مع $V_c > V_s$، والظهرة لا تزال تتوسّع. عرضه هو

$$W(t) = V_s\,(t - t_0) \quad (t_0 \le t \le t_1), \qquad W(t) = V_s\,(t_1 - t_0) - (V_c - V_s)\,(t - t_1) \quad (t \ge t_1),$$

وهو أكبر ما يكون عند $t_1$، وينغلق المحيط بعد زمن قدره $V_s(t_1 - t_0)/(V_c - V_s)$ من بدء الاندساس. ومع توسّع متناظر، تتحرّك الظهرة نحو الخندق بالسرعة $V_c - V_s/2$.

يطبّق الشكل أدناه هذا الحساب على محيط نموذجي من نمط إيابيتوس: توسّع منذ $570\,\mathrm{Ma}$ بمعدّل $30\,\mathrm{mm}$ في السنة، واندساس منذ $490\,\mathrm{Ma}$ يستهلك $60\,\mathrm{mm}$ في السنة. والمعدّلات افتراضات، قيم مدوّرة من رتبة ما يُقاس اليوم في المحيطات؛ وإيابيتوس الحقيقي لم يكن بهذه البساطة ولا معروفًا إلى هذا الحدّ. ويبلغ المحيط النموذجي $2400\,\mathrm{km}$ وينغلق عند $410\,\mathrm{Ma}$، ضمن المدى الزمني للتصادم الإسكاندي.

15.2.2 الانفتاح حيث كان الانغلاق

تستند فكرة ويلسون إلى فكرة ميكانيكية: الحزام القديم نطاق ضعف، والقارة التي تُشدّ تميل إلى أن تنكسر على امتداد نطاقات ضعفها لا عبر داخلها القوي المستقر.

تعريف 15.5 (إعادة التنشيط البنيوي)

إعادة التنشيط البنيوي لبنية سابقة (صدع، أو نطاق قصّ، أو درز، أو تماس صخري) هي عودة تركّز التشوّه على امتدادها، تحت حقل إجهاد لاحق قد يختلف عن الحقل الذي كوّنها.

شمال الأطلسي هو حالة الاختبار، ولا ينجح فيه إلا جزئيًا. ففي وسط الأطلسي يتبع المحيط الفتيّ جبال الأبلاش عن قرب. وبين إسكندنافيا وغرينلاند يتبع الانفصال الحزام الكاليدوني إجمالًا. أمّا أبعد جنوبًا فلا: فدرز إيابيتوس لا يزال يمرّ عبر شمال إنجلترا ووسط أيرلندا، وقد انفتح الأطلسي غربه، تاركًا قطعًا من قشرة لورنتيا القديمة على الهامش الشمالي الغربي لأوروبا، حول روكول وهاتون. وأبعد نحو الشمال الغربي، يقطع بحر لابرادور وخليج بافن مباشرة عبر كراتونات وأحزمة أقدم. فالبنى القديمة توجّه الشقوق اللاحقة، لكن ليس دائمًا: فنطاق الضعف الذي برد أكثر من 30 إلى 50 مليون سنة قد يكون صار قويًا، وقد يتبع شقّ جديد النسيج الأعمق للوشاح بدلًا من الدرز القشري. ودورة ويلسون دليل، لا قانون.

ليست كل دورة تفتح محيطًا واسعًا. فكثير من الأوروجينات يغلق محيطات جنينية، شقوقًا لم تكد تبدأ التوسّع، يقلّ عرضها عن نحو $500\,\mathrm{km}$: الألب، والبيرينيه، ومعظم الحزام الفاريسكي في أوروبا الغربية. وأخرى تغلق محيطات واسعة ناضجة، كما فعلت الكاليدونيات الإسكندنافية. ويظهر الفرق في النهاية. فالحزام الذي أغلق محيطًا واسعًا حمل قوسًا طويل العمر، استنزف من الوشاح تحته جزءه القابل للانصهار؛ فكان انهياره فقيرًا بالصهارة، كما في الكاليدونيات. والحزام الذي أغلق حوضًا ضيقًا يقوم على وشاح خصب؛ فيمكن أن يكون انهياره غنيًا بالصهارة، كما في الحزام الفاريسكي، حيث الموهو اليوم مستوٍ والقشرة السفلى طبقية، وهو ما يُقرأ بازلتًا مبطّنًا تحت القشرة أو قشرة سفلى قُصّت وهي حارّة. وفي غضون بضع عشرات من ملايين السنين تخبو الشذوذات الحرارية للحزام؛ وتبقى بناه.

15.3 القارات العظمى

تعريف 15.6 (القارة العظمى؛ دورة القارات العظمى)

القارة العظمى كتلة يابسة تجمع معظم القشرة القارية للأرض في كتلة واحدة. ودورة القارات العظمى هي التجمّع المتقطّع للقارات في قارة عظمى ثم تفكّكها اللاحق، متكرّرًا عبر تاريخ الأرض.

بانجيا، التي أعاد فيغنر بناءها ووصفتها مجلدات المدرسة، وُجدت من نحو 325 إلى 200 مليون سنة مضت. وقد اقتُرحت قارات عظمى أقدم: بانوتيا قبل نحو 620 إلى 580 مليون سنة، ووجودها موضع خلاف؛ ورودينيا قبل نحو 950 إلى 800 مليون سنة؛ ونونا، المسمّاة أيضًا كولومبيا، قبل نحو 1.6 إلى 1.4 مليار سنة؛ ثم، على نحو أقل يقينًا، كينورلاند قبل نحو 2.7 إلى 2.5 مليار سنة وأُور قبل نحو 3.0 مليار سنة. ويبدو أنها تجمّعت وتفكّكت بفواصل قدرها نحو نصف مليار سنة منذ ربما أواخر الأركي. ورُبطت الدورة بأعمار البناء الجبلي، وبذُرى أعمار الغرانيتات وحبيبات الزركون التي تحويها، وبنموّ القشرة، وبالمقاطعات النارية الكبيرة، وبمستوى سطح البحر وبالمناخ: فتجمّع قارة عظمى يميل إلى أن يتزامن مع التبرّد.

هل الدورة دورية حقًا؟ إن منتصفات الفترات في المخطط تفصل بينها 400 و1100 و625 و275 و337.5 مليون سنة: أي نحو 550 في المتوسط، لكن بتشتّت قدره عامل أربعة. فعبارة «نحو نصف مليار سنة» نزعة، لا ساعة، والقارات العظمى الأقدم تستند إلى أدلّة شحيحة.

15.4 من الجبال إلى السهول

ما الذي يحوّل حزامًا كالهيمالايا إلى تلال بريتاني المنخفضة؟ لقد بنى مجلد المرحلة الثانوية نموذجًا: تبري الأنهار السلسلة بمعدّل يتناسب مع متوسط ارتفاعها، $kh$، وكل متر يُزال من القمة يُعاد جزء منه بالارتداد الأيزوستاتي، بحيث لا يُفقد ارتفاعًا إلا الجزء $f = (\rho_m - \rho_c)/\rho_m$ منه. فيتناقص متوسط الارتفاع عندئذ وفق

مع ثابت الزمن $\tau = 1/(kf)$. وفي الأحواض الكبيرة في العروض الوسطى، يتناسب معدّل التعرية مع متوسط التضاريس، ودون رفع كانت التضاريس ستهبط إلى عُشر قيمتها في نحو 11 مليون سنة: $k = \ln 10/11 \approx 0.21$ لكل مليون سنة. ومع الكثافتين 2700 و$3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$، يكون $f = 0.18$ و$\tau \approx 26\,\mathrm{Myr}$: فسلسلة ارتفاعها $3\,\mathrm{km}$ تظل مرتفعة $1\,\mathrm{km}$ بعد نحو 30 مليون سنة، وتهبط دون $300\,\mathrm{m}$ بعد نحو 60 مليون سنة.

والارتداد نفسه يفسّر لماذا تكشف الأحزمة القديمة جذورها. فلإعادة قشرة متثخّنة من $H$ إلى $T$ إلى مستوى سطح البحر، يجب حتّ السمك الإضافي كله $T - H$، بينما لم يكن متوسط الارتفاع إلا $(T - H)f$: أي يُزال من الصخر نحو 5.5 أضعاف ارتفاع السلسلة. فالصخور التي كانت على عمق 20 أو $30\,\mathrm{km}$ في الجذر تصعد إلى السطح: ميغماتيتات الكتل القديمة وغرانيتاتها ونيساتها عالية الدرجة، كتلك التي في الكتلة الوسطى الفرنسية.

السلسلة الفاريسكية، التي انتهت آخر تصادماتها قبل نحو 290 مليون سنة، كانت قد سُوّيت فصارت شبه سهل خلال البرمي والترياسي: أي ضمن المدة التي يعطيها النموذج، نحو 60 مليون سنة. ويمكن للانهيار أن يسرّع ذلك: فتمدّد قشرة متثخّنة، كما في التبت اليوم، يرقّقها مباشرة، دون انتظار الأنهار. وعند سيكار بوينت، ترتكز حصى الديفوني المتأخر على طبقات سيلورية طُويت في التصادمات الكاليدونية، فوق سطح أرضي قديم لا يزال يحتفظ ببعض التضاريس بين الطبقات الصلبة والطبقات اللينة.

في الميدان — قراءة عدم توافق زاوي

يبدأ الجيولوجيون الذين يدرسون عدم توافق زاويًا مثل سيكار بوينت بقياس وضع الطبقات تحت السطح وفوقه، المضرب والميل، في أماكن كثيرة. ويبحثون عن اتجاه أعلى الطبقات السفلى، بالتطبّق المتدرّج أو بالعلامات على قواعد الطبقات، لأن الطبقات المطويّة قد تكون مقلوبة. ويفحصون السطح نفسه: تضاريسه، والتجوية تحته، وحصى الصخور الأقدم في الكونغلوميرا فوقه. ثم يؤرّخون: فأحدث الأحافير تحته تعطي العمر الذي لا يمكن أن يكون الطيّ قد حدث قبله، وأقدم الأحافير فوقه العمر الذي كان الطيّ قد حدث قبله وكانت الأرض قد بُريت. والفجوة بين الاثنين تحصر التكوّن الجبلي. وعند سيكار بوينت الطبقات السفلى من أوائل السيلوري والعليا من الديفوني المتأخر، ويقع الطيّ والرفع والحتّ الكاليدونية بينهما؛ أمّا الميل الخفيف للطبقات العليا فأحدث مرة أخرى، فاريسكي.

التمارين

معطيات التمارين: $g = 9.8\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}$؛ وكثافتا القشرة والوشاح $2700\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ و$3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$؛ والقشرة العادية $H = 35\,\mathrm{km}$؛ وأعمار قواعد السيلوري والديفوني والكربوني 443.1 و419.6 و$358.9\,\mathrm{Ma}$، وقاعدة الترياسي $251.9\,\mathrm{Ma}$.

تمرين 15.1 ★

انفصلت هوامش إيابيتوس قبل نحو $600\,\mathrm{Ma}$؛ وانتهى التصادم الكاليدوني الرئيسي، الإسكاندي، قرب $400\,\mathrm{Ma}$؛ وبدأ أول تصادم بين قوس وقارة مع لورنتيا قرب $480\,\mathrm{Ma}$. (أ) كم دامت دورة إيابيتوس كلها؟ (ب) كم دامت التصادمات؟ (ج) لماذا لا ينبغي استعمال «كاليدوني» للدلالة على عمر؟

حل

حل التمرين 15.1.

(أ) $600 - 400 = 200\,\mathrm{Myr}$، من انفصال الهوامش إلى آخر تصادم. (ب) $480 - 400 = 80\,\mathrm{Myr}$. (ج) التكوّن الجبلي الكاليدوني مجموعة من المراحل الموزّعة على نحو 200 مليون سنة، وكل مرحلة بدأت في أوقات مختلفة في أماكن مختلفة: فالكلمة تحدّد موقع محيط وحزامه، لا لحظة. والعمر يُعطى بالسلّم الطبقي أو بملايين السنين.

تمرين 15.2 ★

رتّب هذه الحالات وفق ترتيب دورة ويلسون وسمِّ مرحلة كلٍّ منها: (أ) البحر الأحمر، محيط ضيق بين هامشين فتيّين متصدّعين؛ (ب) الهيمالايا؛ (ج) الشقّ لشرق إفريقيا؛ (د) المحيط الأطلسي، الواسع، بهوامش سلبية على جانبيه؛ (ه) الهامش الهادئي لأمريكا الجنوبية؛ (و) تلال بريتاني المنخفضة على قاعدة قديمة من الغرانيت والنيس.

حل

حل التمرين 15.2.

(ج) شقّ شرق إفريقيا، التصدّع الخسفي؛ (أ) البحر الأحمر، محيط فتيّ؛ (د) الأطلسي، محيط واسع بهوامش سلبية؛ (ه) الهامش الهادئي لأمريكا الجنوبية، الاندساس وانغلاق محيط؛ (ب) الهيمالايا، التصادم؛ (و) بريتاني، حزام مبريّ، قد يبدأ بعده التصدّع الخسفي من جديد.

تمرين 15.3 ★

عند سيكار بوينت تقع طبقات من أوائل السيلوري تحت طبقات من الديفوني المتأخر. (أ) بين أي حدّين، تعطيهما المعطيات أعلاه، يجب أن يكون الطيّ والرفع والحتّ قد حدثت؟ (ب) ما أطول زمن يمكن أن تكون قد استغرقته؟ (ج) عدّد بالترتيب الأحداث التي يسجّلها الجرف.

حل

حل التمرين 15.3.

(أ) بعد ترسّب طبقات أوائل السيلوري، أي بعد $443.1\,\mathrm{Ma}$، وقبل ترسّب طبقات الديفوني المتأخر، أي قبل $358.9\,\mathrm{Ma}$، نهاية الديفوني. (ب) أقل من $443.1 - 358.9 = 84.2\,\mathrm{Myr}$؛ بل أقل في الواقع، لأن الطبقات السفلى أحدث من قاعدة السيلوري والطبقات العليا أقدم من قمّته. (ج) ترسّب التوربيديتات الرمادية في المحيط؛ فالطيّ والانفصام في التصادمات الكاليدونية؛ فالرفع والحتّ حتى سطح أرضي غير مستوٍ؛ فترسّب البريشيا والكونغلوميرا الحمراء؛ فالإمالة الخفيفة في التكوّن الجبلي الفاريسكي؛ فحتّ اليوم، الذي يقطع الجرف.

تمرين 15.4 ★

قل هل كلٌّ مما يلي رقعة قشرية، أم قارة صغرى، أم كلاهما، أم لا هذا ولا ذاك، ولماذا: (أ) أفالونيا؛ (ب) لورنتيا؛ (ج) قوس جزري التحم بقارة؛ (د) درز إيابيتوس.

حل

حل التمرين 15.4.

(أ) كلاهما: كتلة من القشرة القارية تفصلها عن القارات محيطات حين كانت تعبر إيابيتوس، وهي بعد أن رست كتلة تحدّها صدوع ويختلف تاريخها عن تاريخ جاراتها. (ب) لا هذا ولا ذاك: قارة، لا كتلة أُضيفت إلى قارة. (ج) رقعة قشرية، لا قارة صغرى: قشرتها قشرة قوس، لا قطعة من قارة. (د) لا هذا ولا ذاك: إنه الحدّ بين الرقع القشرية، أثر المحيط المنغلق.

تمرين 15.5 ★★

خذ منتصفات فترات القارات العظمى أُور (3000)، وكينورلاند (2600)، ونونا (1500)، ورودينيا (875)، وبانوتيا (600)، وبانجيا (262.5)، بملايين السنين قبل الحاضر. (أ) احسب الفواصل الخمسة ومتوسطها. (ب) ما نسبة أكبر فاصل إلى أصغرها؟ (ج) استبعد كينورلاند وأُور، وهما موضع شك: ما متوسط الفاصل بين الأربع الأخرى؟ وهل «نصف مليار سنة» دور؟

حل

حل التمرين 15.5.

(أ) $3000 - 2600 = 400$، $2600 - 1500 = 1100$، $1500 - 875 = 625$، $875 - 600 = 275$، $600 - 262.5 = 337.5$؛ والمتوسط $2737.5/5 = 547.5\,\mathrm{Myr}$. (ب) $1100/275 = 4.0$. (ج) $(1500 - 262.5)/3 = 412.5\,\mathrm{Myr}$. يتغيّر المتوسط بمقدار الربع حين تُستبعد النقاط المشكوك فيها، وتتفاوت الفواصل بعامل أربعة: فهو تكرار تقريبي، لا دور.

تمرين 15.6 ★★

يبدأ محيط عرضه $3000\,\mathrm{km}$ بالاندساس عند أحد هامشيه بمعدّل $70\,\mathrm{mm}$ في السنة، بينما تتوسّع ظهرته بمعدّل $25\,\mathrm{mm}$ في السنة. (أ) كم يستغرق انغلاقه؟ (ب) وكم يستغرق إذا توقّف التوسّع فورًا؟ (ج) حركة أي صفيحة تحدّد معدّل الانغلاق بعد اندساس الظهرة؟

حل

حل التمرين 15.6.

(أ) $3000/(70 - 25) = 66.7\,\mathrm{Myr}$. (ب) $3000/70 = 42.9\,\mathrm{Myr}$. (ج) بعد أن تندسّ الظهرة، يكون قاع المحيط الباقي جزءًا من الصفيحة البعيدة، التي تحمل القارة البعيدة: فمعدّل الانغلاق هو سرعة تلك الصفيحة بالنسبة إلى الخندق.

تمرين 15.7 ★★

افترض أن الانصهار القشري يبدأ عند نحو $700\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ وأن السطح عند $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (أ) على أي عمق تُبلغ تلك الحرارة على امتداد تدرّج قدره $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر؟ وتدرّج قدره $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر؟ (ب) أي الحزامين، الألب أم الحزام الفاريسكي، ينبغي عندئذ أن يكشف ميغماتيتات وغرانيتات قشرية المنشأ؟ (ج) لماذا يبالغ التدرّج الثابت في تقدير العمق في الحالة الأولى؟

حل

حل التمرين 15.7.

(أ) $700/8 = 87.5\,\mathrm{km}$؛ $700/30 = 23.3\,\mathrm{km}$. (ب) الحزام الفاريسكي: فعند $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر تنصهر القشرة الوسطى؛ وعند $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل كيلومتر تقع حرارة الانصهار تحت قاعدة القشرة حتى لو كانت متثخّنة. (ج) يصف التدرّج المنخفض صخورًا حُملت إلى الأسفل بسرعة في نطاق اندساس، قبل أن تتمكّن من التسخّن. أمّا الصخور التي تبقى عميقة في قشرة متثخّنة فتدفأ نحو تدرّج حراري عادي على مدى ملايين السنين، ويمكنها عندئذ أن تبلغ الانصهار على عمق أصغر.

تمرين 15.8 ★★

انتهت التصادمات الفاريسكية قرب $290\,\mathrm{Ma}$؛ وكان شبه سهل قد تكوّن بحلول البرمي والترياسي. استعمل نموذج التناقص في الفصل، $\tau = 26.3\,\mathrm{Myr}$. (أ) كم تستغرق سلسلة لتهبط من متوسط ارتفاع قدره $3\,\mathrm{km}$ إلى $0.3\,\mathrm{km}$؟ (ب) عند أي عمر يكون ذلك؟ (ج) ما ثابت الزمن الذي يوصلها إلى هناك بحلول قاعدة الترياسي؟ (د) ما العملية التي يمكن أن تقصّر الزمن؟

حل

حل التمرين 15.8.

(أ) $\tau\ln(3/0.3) = 26.3\times2.303 = 60.6\,\mathrm{Myr}$. (ب) $290 - 60.6 = 229\,\mathrm{Ma}$، في الترياسي المتأخر. (ج) $\tau = (290 - 251.9)/\ln10 = 16.5\,\mathrm{Myr}$. (د) الانهيار التمدّدي للقشرة المتثخّنة، الذي يرقّقها ويخفض سطحها مباشرة؛ وكذلك معدّل تعرية أعلى، أو مناخ أرطب، أو صخور ألين، أو ارتفاع ابتدائي أدنى.

تمرين 15.9 ★★

(أ) اشرح لماذا يُظهر درز إيابيتوس في شمال إنجلترا ووسط أيرلندا، والقشرة اللورنتية قرب روكول، أن الأطلسي لم يُعد الانفتاح تمامًا على امتداد الدرز القديم. (ب) ما الذي يتوقّع جيولوجي أن يجده في القاعدة القديمة على جانبي الدرز في أيرلندا؟ (ج) بقيت الأبلاش تتشوّه حتى البرمي المبكر؛ وبدأ التصدّع الخسفي بعد التكوّن الجبلي بنحو 80 مليون سنة. قارن بالمدة، من 30 إلى 50 مليون سنة، التي يصير بعدها نطاق بارد أقوى من أن يُعاد تنشيطه.

حل

حل التمرين 15.9.

(أ) الدرز، أثر إيابيتوس، يقع على اليابسة في بريطانيا وأيرلندا، شرق الأطلسي؛ وقشرة لورنتيا، من الجهة الأخرى لإيابيتوس، تقع قرب روكول في الجهة الأوروبية. فقد قطع الشقّ الجديد غرب الدرز القديم: انفتح قربه، لا على امتداده. (ب) شمال الدرز، القاعدة والغطاء الرسوبي للهامش اللورنتي؛ وجنوبه، قاعدة أفالونيا وغطاؤها، بتاريخين مختلفين، وبحيوانات مختلفة في أوائل الباليوزوي. (ج) جاء التصدّع الخسفي بعد 80 مليون سنة، أي أكثر من 30 إلى 50 التي قد يصير بعدها النطاق البارد قويًا؛ ومع ذلك تبع وسط الأطلسي جبال الأبلاش فعلًا. فحرارة الحزام تخبو؛ أمّا صدوعه ونسيجه وتراكيبه فتبقى ويمكنها أن توجّه شقًّا.

تمرين 15.10 ★★★

محيط عرضه $3000\,\mathrm{km}$ ظهرته في وسطه، على بعد $1500\,\mathrm{km}$ من خندق يستهلك الصفيحة الواقعة في جهته بمعدّل $70\,\mathrm{mm}$ في السنة؛ والظهرة تتوسّع بمعدّل $40\,\mathrm{mm}$ في السنة، توسّعًا متناظرًا. (أ) بأي سرعة تقترب الظهرة من الخندق؟ (ب) متى تبلغه؟ (ج) ما عرض المحيط حينئذ؟ (د) ماذا يحدث للقوس البركاني حين تندسّ ظهرة؟

حل

حل التمرين 15.10.

(أ) $70 - 40/2 = 50\,\mathrm{mm}$ في السنة. (ب) $1500\,\mathrm{km}/50\,\mathrm{km}\,\mathrm{Myr}^{-1} = 30\,\mathrm{Myr}$. (ج) يضيق المحيط بمعدّل $70 - 40 = 30\,\mathrm{mm}$ في السنة: $3000 - 30\times30 = 2100\,\mathrm{km}$. (د) يصل عندئذ إلى الخندق غلاف صخري فتيّ حارّ، ولا تعود كتلة قديمة باردة تفقد ماءها تحت القوس: فتتغيّر صهارية القوس أو تتوقّف.

تمرين 15.11 ★★★

يُثخّن تصادم قشرة من $35\,\mathrm{km}$ إلى $60\,\mathrm{km}$، معوَّضة على طريقة إيري. (أ) ما متوسط الارتفاع، بحسب القضية 14.4؟ (ب) كم من الصخر يجب أن يزيله الحتّ لإعادة السطح إلى مستوى سطح البحر بقشرة ذات سمك عادي؟ (ج) ما الضغط الصخري الذي كانت تتحمّله الصخور التي ينتهي بها المطاف على السطح؟ (د) في أي سحنة تحوّلية يمكن أن تكون قد أعادت تبلورها؟

حل

حل التمرين 15.11.

(أ) $h = \Delta T(\rho_m - \rho_c)/\rho_m = 25\times600/3300 = 4.5\,\mathrm{km}$. (ب) السمك الإضافي كله، $25\,\mathrm{km}$، أي 5.5 أضعاف ارتفاع السلسلة. (ج) $2700\times9.8\times25\,000 = 6.6 \times 10^{8}\,\mathrm{Pa}$، أي نحو $0.66\,\mathrm{GPa}$. (د) عند نحو $0.7\,\mathrm{GPa}$ وحرارة جذر قشرة متثخّنة، بضع مئات من الدرجات، سحنة الأمفيبوليت أو الغرانوليت: نيسات الكتل القديمة وميغماتيتاتها.

تمرين 15.12 ★★★

بعد التقاء قارتين، يستمر التقارب بمعدّل $30\,\mathrm{mm}$ في السنة مدة $10\,\mathrm{Myr}$. ويُستوعب التقصّر عبر حزام ينتهي عرضه إلى $300\,\mathrm{km}$، في قشرة كان سمكها $35\,\mathrm{km}$. (أ) باستعمال القضية 14.8، أوجد سمك القشرة. (ب) أوجد ارتفاع إيري وجذره. (ج) باستعمال القضية 14.5، احسب فائض الطاقة الكامنة وقارنه بفائض التبت، $6.1 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$. (د) ما الذي ينبغي أن يلي ذلك؟

حل

حل التمرين 15.12.

(أ) $S = 30\times10 = 300\,\mathrm{km}$؛ $W_0 = 300 + 300 = 600\,\mathrm{km}$؛ $T = 35\times600/300 = 70\,\mathrm{km}$. (ب) $h = 35\times600/3300 = 6.36\,\mathrm{km}$؛ $r = 4.5h = 28.6\,\mathrm{km}$. (ج) $\Delta F = 2700\times9.8\times6364\times(35\,000 + 3182 + 14\,318) = 8.8 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$، أي 1.4 ضعف فائض التبت. (د) حزام كهذا أثقل من التبت، التي تنبسط أصلًا: انهيار ثقالي، بتمدّد مناطقه العالية واندفاع عند حوافه.

مسألة 15.1

مسألة نهاية الأسبوع — إيابيتوس من الولادة إلى الموت

ينفتح محيط نموذجي من نمط إيابيتوس بين قارتين، L في الشمال الغربي وB في الجنوب الشرقي. يبدأ التصدّع الخسفي عند $610\,\mathrm{Ma}$؛ وتوسّع قاع البحر عند $580\,\mathrm{Ma}$. وما لم يُذكر غير ذلك، $g = 9.8\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}$ و$\rho_c = 2700\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ و$\rho_m = 3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ وسمك القشرة العادية $H = 35\,\mathrm{km}$. والتوسّع متناظر ومعدّله ثابت.

الجزء الأول — الانفتاح.

1. عند $500\,\mathrm{Ma}$، يقع قاع محيط تكوّن عند $540\,\mathrm{Ma}$ على بعد $720\,\mathrm{km}$ من محور الظهرة. احسب نصف معدّل التوسّع بالمليمترات في السنة.
2. استنتج معدّل التوسّع الكامل. إلى أي صنف من الظهرات ينتمي، بين الظهرات البطيئة والسريعة وفائقة البطء؟
3. ما عرض المحيط عند $540\,\mathrm{Ma}$؟
4. وما عرضه عند $500\,\mathrm{Ma}$؟
5. ماذا افترض النموذج للحصول على هذين العرضين؟
6. ما عمر أقدم قاع محيطي عند $500\,\mathrm{Ma}$، وأين يقع؟ ولماذا هو موضع مرجّح لبدء الاندساس؟

الجزء الثاني — الانغلاق. عند $500\,\mathrm{Ma}$ يبدأ نطاق اندساس على امتداد هامش L ويستهلك قاع المحيط بمعدّل $64\,\mathrm{mm}$ في السنة بالنسبة إلى L؛ والظهرة تستمر في التوسّع.

7. بأي معدّل يضيق المحيط؟
8. لو توسّعت الظهرة حتى النهاية، فمتى كان المحيط سينغلق؟
9. تبدأ الظهرة في وسط المحيط. متى تبلغ الخندق؟
10. ما عرض المحيط حينئذ؟
11. بعد أن تندسّ الظهرة، يتوقّف التوسّع وتقترب B من L بمعدّل $40\,\mathrm{mm}$ في السنة. متى ينغلق المحيط؟
12. قارن بأعمار المرحلة الإسكاندية، من 425 إلى $400\,\mathrm{Ma}$.

الجزء الثالث — التصادم. بعد التصادم، يستمر التقارب بمعدّل $40\,\mathrm{mm}$ في السنة مدة $8\,\mathrm{Myr}$؛ ويُستوعب التقصّر عبر حزام ينتهي عرضه إلى $400\,\mathrm{km}$.

13. كم يبلغ هذا التقصّر؟
14. باستعمال القضية 14.8، أوجد سمك القشرة.
15. باستعمال القضية 14.4، أوجد متوسط ارتفاعها وفق إيري وجذرها.
16. احسب فائض طاقتها الكامنة وقارنه بفائض التبت، $6.1 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$.
17. ماذا تتوقّع أن يفعل الحزام بعد ذلك؟

الجزء الرابع — البري. بحلول $410\,\mathrm{Ma}$، كان الانهيار قد خفض متوسط الارتفاع إلى $3.0\,\mathrm{km}$. ثم يتبع الحتّ نموذج الفصل، مع $k = \ln 10/11$ لكل مليون سنة ومع الارتداد.

18. احسب $f$ وثابت الزمن $\tau$.
19. ما متوسط الارتفاع عند $380\,\mathrm{Ma}$؟
20. متى يهبط متوسط الارتفاع دون $500\,\mathrm{m}$؟
21. كم من القشرة الإضافية يُزال بينما يهبط من $3.0\,\mathrm{km}$ إلى $0.5\,\mathrm{km}$؟
22. ما الضغط الصخري الذي تحمّلته في الجذر الصخورُ التي انكشفت حينئذ؟
23. ترتكز رواسب الديفوني المتأخر على الحزام المحتوت عند سيكار بوينت. هل توقيت النموذج متّسق مع ذلك، علمًا بأن قاعدة الكربوني عند $358.9\,\mathrm{Ma}$؟
24. خلاصة: ما أكبر عرض بلغه المحيط النموذجي، بالكيلومترات؟

حل

حل المسألة 15.1.

1. $720/(540 - 500) = 18\,\mathrm{km}$ في المليون سنة، أي $18\,\mathrm{mm}$ في السنة. 2. $36\,\mathrm{mm}$ في السنة: ظهرة بطيئة التوسّع (من 20 إلى $55\,\mathrm{mm}$ في السنة). 3. $36\times(580 - 540) = 1440\,\mathrm{km}$. 4. $36\times(580 - 500) = 2880\,\mathrm{km}$. 5. توسّع متناظر بمعدّل ثابت من عرض صفري عند $580\,\mathrm{Ma}$، ولا اندساس قبل $500\,\mathrm{Ma}$. 6. $80\,\mathrm{Myr}$، عند حافتي المحيط كلتيهما، ملاصقًا للهوامش القارية. وهو أبرد غلاف صخري محيطي في المحيط وأسمكه وأكثفه، والأكثر استعدادًا للغوص. 7. $64 - 36 = 28\,\mathrm{mm}$ في السنة. 8. $2880/28 = 102.9\,\mathrm{Myr}$ بعد $500\,\mathrm{Ma}$: أي عند $397.1\,\mathrm{Ma}$. 9. الظهرة، على بعد $1440\,\mathrm{km}$ من الخندق، تقترب منه بمعدّل $64 - 18 = 46\,\mathrm{mm}$ في السنة: بعد $1440/46 = 31.3\,\mathrm{Myr}$، أي عند $468.7\,\mathrm{Ma}$. 10. $2880 - 28\times31.3 = 2004\,\mathrm{km}$. 11. $2004/40 = 50.1\,\mathrm{Myr}$ بعد ذلك: أي عند $468.7 - 50.1 = 418.6\,\mathrm{Ma}$. 12. داخل المدى من 425 إلى $400\,\mathrm{Ma}$ للتصادم الإسكاندي. 13. $40\times8 = 320\,\mathrm{km}$. 14. $W_0 = 400 + 320 = 720\,\mathrm{km}$؛ $T = 35\times720/400 = 63.0\,\mathrm{km}$. 15. $h = 28\times600/3300 = 5.09\,\mathrm{km}$؛ $r = 4.5\times5.09 = 22.9\,\mathrm{km}$. 16. $\Delta F = 2700\times9.8\times5091\times(35\,000 + 2545 + 11\,455) = 6.60 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$، أي أكثر من فائض التبت بنحو $8\,\%$. 17. أن يتوقّف عن الارتفاع وينبسط: تمدّد وصدوع عادية في داخله العالي، وصدوع دفعية عند حوافه، كما تفعل التبت اليوم. 18. $f = 600/3300 = 0.182$؛ $k = 2.303/11 = 0.209$ لكل مليون سنة؛ $\tau = 1/(kf) = 26.3\,\mathrm{Myr}$. 19. $3.0\,e^{-30/26.3} = 0.96\,\mathrm{km}$. 20. $26.3\ln(3.0/0.5) = 47.1\,\mathrm{Myr}$ بعد $410\,\mathrm{Ma}$: أي عند $362.9\,\mathrm{Ma}$. 21. القشرة الإضافية هي $h/f$: إذ تهبط $3.0/0.182 = 16.5\,\mathrm{km}$ إلى $0.5/0.182 = 2.75\,\mathrm{km}$، فيُزال $13.75\,\mathrm{km}$ من الصخر. 22. $2700\times9.8\times13\,750 = 3.6 \times 10^{8}\,\mathrm{Pa}$، أي نحو $0.36\,\mathrm{GPa}$. 23. نعم: بحلول الديفوني المتأخر يكون متوسط ارتفاع الحزام النموذجي قد هبط إلى نحو $1\,\mathrm{km}$ ولا يزال يهبط، مع تضاريس باقية بين أوديته وحيوده؛ ويمكن للحصى الحمراء أن تتجمّع في منخفضاته قبل $358.9\,\mathrm{Ma}$ بزمن طويل، كما في سيكار بوينت، حيث ترتكز على سطح ذي تضاريس. 24. $2880\,\mathrm{km}$، عند $500\,\mathrm{Ma}$، حين بدأ الاندساس.