المغناطيسية القديـــــــمة

موضوع: المغناطيسية القديـــــــمة 2/11/2012, 14:45

المغناطيسية القديمة ( Paleomagnetism )

تمهيد:

الهدف من هذا الفصل هو التعرف على المغناطيسية الأرضية وكيفية استخدامها كدليل على صحة نظرية زحزحة القارات المقدمة من قبل الفريد فاكنر عام (1912) ونظرية انتشار قاع المحيط المقدمة من قبل هاري هيس عام (1960)، واستناداً إلى المغناطيسية القديمة للأرض تم التوصل إلى ظاهرتين هما ظاهرة تجوال القطب الظاهري، وظاهرة الانقلابات المغناطيسية، واللتان تعدان دليلان مهمان على صحة النظريتين المذكورتين.

المغناطيسية الأرضية:

فيما يلي سوف نذكر بعض الأسس العامة في موضوع المغناطيسية الأرضية، وكيفية حساب اتجاهاتها، وكيفية حفظ الخصائص المغناطيسية في أنواع الصخور المختلفة، ومعلومات عديدة أخرى، كل ذلك تمهيداً لدراسة أدلة المغناطيسية القديمة المتمثلة بتجوال القطب الظاهري والانقلابات المغناطيسية.

أولاً: أصل المغناطيسية الأرضية (Origin of Earth Magnetism):

على الرغم من أن موضوع المغناطيسية الأرضية لم تكشف جميع جوانبه بعد، فان أكثر النظريات قبولاً في هذا المجال هي النظرية الديناميكية (DynamoTheory) ـ وتعرف أيضاً بنظرية الكهربائية المغناطيسية(Magnetic Field) ـ التي جاء بها إلساسر وبولارد (Elsasser and Bullard) اللذان افترضا أن الديناميكية اللازمة لتوليد الجزء الأكبر من المجال المغناطيسي الأرضي (ما يقرب من 94%) يوجد في الغلاف الخارجي لمنطقة اللب التي تتكون بصورة رئيسية من سبائك الحديد والنيكل مع كميات قليلة من العناصر الخفيفة كالكبريت والسيليكون وبعض العناصر المشعة، وتوجد مواد هذه المنطقة بشكل مائع وموصل للكهربائية.

وتفترض النظرية الديناميكية أن حركة دوران الأرض باتجاه عكس دوران عقرب الساعة مع وجود تيارات حمل حراري (Thermal Convection currents) في غلاف اللب الخارجي السائل ووجود لب داخلي صلب تؤدي إلى توليد تيارات كهربائية خفيفة . ويؤدي التداخل بين التيارات الكهربائية وحركة تيارات الحمل الحراري في غلاف اللب الخارجي إلى توليد مجالاً مغناطيسياً. وتتأثر حركة السوائل في منطقة غلاف اللب بحركة دوران الأرض وبالتالي تؤثر الأخيرة على المجال المغناطيسي للأرض وتكسبه خاصية ثنائية الاستقطاب، حيث يلاحظ أن الأقطاب المغناطيس متقاربة مع بعضها اغلب الأوقات.

ومما تجدر الإشارة إلية أن نسبة ضئيلة من المجال الأرضي لا يعود مصدرها إلى باطن الأرض بل إلى حركة التيارات الكهربائية في منطقة الايونوسفير (Ionosphere) من الغلاف الجوي حتى أن بعض العلماء ذهب إلى الاعتقاد إن حوالي (3%) من المجال المغناطيسي الأرضي لا يمكن احتسابه على نظرية الجهد. بل انه يعود إلى جريان تيارات كهربائية من الأرض إلى الغلاف الخارجي وبالعكس من خلال سطح الأرض. وهذه العملية تحتاج إلى تيارات كهربائية كثافتها (10 –12 أمبير/سم3) وهو ما لم تتم ملاحظته حتى الآن في التيارات الجوية.

ثانياً: المجال المغناطيس الأرضي (Geomagnetic Field):

يعرف المجال المغناطيسي بأنه المنطقة التي تؤثر فيها القوة المغناطيسية على الأجسام المغناطيسية. ويوجد المجال المغناطيسي بثلاثة أبعاد حول المغناطيس ولكنه يمثل عادة بخطوط قوة وهمية تتجه من القطب الشمالي نحو القطب الجنوبي دون أن تتقاطع مع بعضها، لذا نرى الإبرة المغناطيسية تتجه بصورة موازية لاتجاه خطوط القوة المغناطيسي
والمجال المغناطيسي عبارة عن قوة متجهة أي انه يتحدد بقيمة واتجاه، وهي قوة أو كثافة المجال المغناطيسي وباتجاه المجال الذي يمثل المماس لخط القوة المغناطيسية في أي نقطة من نقاط المجال، وتزداد قوة المجال باتجاه قطبي المغناطيس نتيجة لزيادة كثافة خطوط القوة المغناطيسية في تلك المنطقة وتقل كلما ابتعدنا عنها، وهذا ما يمكن مشاهدته بسهولة عند تقريب مغناطيس من براد الحديد، حيث نرى أن البراد يتركز في منطقة القطبين ويقل وسط القضيب.

ومهما قصر القضيب المغناطيسي فانه يبقى يحتفظ بقطبيه الشمالي والجنوبي، فلو قطعنا القطب الشمالي لأي مغناطيس فان قطبه الجنوبي سيولد قطباً شمالياً جديداً والعكس صحيح. ومن هذا يستدل على أن المغناطيسية هي صفة في التركيب الذري للمواد المكونة للمغناطيس، حيث تكون المادة مغناطيسية عندما تترتب مجموعات الذرات بصورة متوازية مع بعضهما وتفقد المواد مغناطيسيتها عندما تسخن إلى درجة حرارة معينة لأن ذلك يسبب حركة الذرات بشكل عشوائي مما يجعلها تضعف مغناطيسية بعضها البعض.

يحدد اتجاه المجال المغناطيسي الأرضي من خلال قياس زاويتين هما:

(1) زاوية الميل المغناطيسي (Inclination): وتسمى أيضاً بالـ (Magnetic Dip)، وهي الزاوية المحصورة بين الشمال المغناطيسي والمستوي الأفقي لسطح الأرض. تتراوح قيمتها من (0º) عند خط الاستواء إلى (90º) عند الأقطاب ويكون اتجاهها نحو الأسفل في نصف الكرة الشمالي ونحو الأعلى في نصفها الجنوبي. وتحسب قيمة هذا الزاوية بواسطة العلاقة الرياضية الآتية: (Tan I = 2 tan L) حيث أن (I) هي زاوية الميل المغناطيسي، و (L) هي قيمة دائرة العرض للأرض

(2) زاوية الانحراف المغناطيسي (Declination): وهي الزاوية المحصورة بين اتجاه الشمال المغناطيسي شرقاً أو غرباً مع الشمال الجغرافي للأرض. وتختلف قيمة زاوية الانحراف باختلاف المواقع على سطح الأرض. وفي حالة تطابق الشمال الجغرافي مع الشمال المغناطيسي (إذا افترضنا أن المغناطيس الأرضي ينطبق تماماً مع محور الدوران) فأن قيمة زاوية الانحراف تكون صفراً.

يتميز المجال المغناطيسي الأرضي بخاصيتين رئيسيتين: أولهما كونه ثنائي القطب (القطب المغناطيسي هو الموقع الذي تكون فيه زاوية الميل تساوي 90º). وثانيهما التغير المنتظم لقوة المجال أو كثافة خطوط القوة بين القطبين، حيث لجميع المناطق الواقعة على خط عرض مغناطيسي واحد نفس زاوية الميل المغناطيس ونفس قوة المجال المغناطيسي في حالة عدم وجود ما يمكن أن يؤثر على الخواص المغناطيسية في هذه المنطقة.

مغناطيسية المعادن والصخور:

يتغير البناء الذري لأغلب المواد تحت تأثير المجال المغناطيسي حيث ترتب مجمعة الذرات نفسها بموازاة خطوط القوة المغناطيسية أو على طولها، كما لو أنها كانت أبر بوصلة. ويتكون لها نتيجة لذلك أقطاباً شمالية وجنوبية. وبعد زوال تأثير المجال المغناطيسي فأن بعض المواد تفقد مغناطيسيتها في حين تحتفظ الأخرى بجزء منها. وهكذا نرى أن بعضاً من الصخور تحتفظ بالمجال المغناطيسي الذي كان سائداً وقت تكونها.

تحمل اغلب أنواع الصخور صفات مغناطيسية نتيجة لوجود كميات متفاوتة من المعادن المغناطيسية التي يمكن تقسيمها من الناحية الجيوكيميائية إلى ثلاثة مجموعات رئيسية من المعادن هي:

(1) مجموعة الحديد ـ التيتانيوم ـ الأوكسجين:

(2) مجموعة الحديد ـ الكبريت:

(3) مجموعة أكسيد الحديد المائية:

يمكن استخدام المعادن المغناطيسية كبوصلة لتحديد قيمة واتجاه المجال المغناطيسي الأرضي الذي كان سائداً وقت تكونها، إذا ما افترضنا أن هذه المعادن لم تتعرض إلى ما يمكن أن يؤثر على مغناطيسيتها بأي شكل من الأشكال. وتقسم مغناطيسية الصخور إلى مركبتين هما:

(1) مغناطيسية الحث (Induced Magnetism): وتتكون في الصخور لوجودها في مجال مغناطيسي وتفقدها بعد إزاحتها من المجال وخلال فترات متفاوتة.

(2) المغناطيسية المتبقية (Remnant Magnetism): وهي جزء المغناطيسية التي تحتفظ به الصخور بعد إبعادها من المجال المغناطيسي، ويحمل هذا الجزء من قبل المعادن الحديدية مثل معادن الماكنيتايت والهيمتايت والماكهمايت والفوستايت.

النسبة بين المغناطيسية المتبقية الطبيعية (NRM) المحفوظة في الصخور إلى مغناطيسية الحث في المجال المغناطيسي الحالي(F) في أي نموذج صخري، تدعى بنسبة كونكزبيرغ (Kongsberg Ratio) ويرمز لها بالحرف(Q).

فيما يلي عرض مختصر لطبيعة المغناطيسية المتبقية في كل من أنواع الصخور الرئيسة الثلاث، الرسوبية والنارية والمتحولة.

(1) مغناطيسية الصخور الرسوبية: فيما يتعلق بالصخور الرسوبية والترسبات البحرية منها بصفة خاصة فان الحبيبات المعدنية والأصداف البحرية وهياكل الكائنات الحية فيها تستقر ببطء في القيعان البحرية. وتمتاز اغلب الحبيبات المعدنية، خصوصاً المتعرية من الصخور النارية، بكونها معادن مغناطيسية يتصرف كل منها وكأنه مغناطيس صغير. وعندما توجد هذه الحبيبات بصورة عالقة قبل عملية الترسيب فأنها تكون حرة الحركة في الماء وتتأثر اتجاهاتها بالتيارات البحرية أكثر من تأثرها بالمجال المغناطيسي الأرضي. ويحدث نفس الشيء عندما ترسو هذه الحبيبات على سطح القاع. وبالنظر لكون ترسبات السطح لا تزال غير متماسكة فان الحبيبات تكون لديها القدرة على تحريك نفسها باتجاه المجال المغناطيسي للأرض وبذلك تحتفظ باتجاه المجال الأرضي بذلك الوقت. وعندما تترسب مواد جديدة فوقها تبدأ الترسبات الأولى تتماسك محتفظة باتجاه المجال المغناطيسي فيها.

(2) مغناطيسية الصخور النارية: بالنسبة للصخور النارية فان درجة حرارتها العالية التي تفوق درجة حرارة كوري (Curie Point) تجعل حركة الذرات فيها مبعثرة مما يؤدي إلى انعدام المغناطيسية فيها. أما عند التبريد فان حركة الذرات تقل بسبب قلة الطاقة الحرارية وعندئذ يظهر تأثير المجال المغناطيسي الأرضي على الذرات حيث تبدأ بترتيب نفسها بصورة موازية للمجال المغناطيسي الأرضي. وعندما تنخفض درجة الحرارة أكثر يصبح من الصعب على الذرات أن تتحرك بصورة مخالفة لاتجاه المجال الأرضي. وبذلك تخزن أو تحفظ اتجاه المجال المغناطيسي في ذلك الوقت.

[ملاحظة: درجة حرارة كوري: هي الدرجة الحرارية التي تفقد عندها المعادن مغناطيسيتها. ولما كانت أغلب أنواع الصخور تتكون من مجموعة من المعادن المختلفة فلا تمثل حرارة كوري في الصخور درجة حرارة محددة بل تمثل مدا حرارياً معيناً. وتعتمد درجة كوري على التركيب الكيميائي الأصلي للصخور وعلى عمليات الأكسدة والاختزال التي تتعرض لها، حيث تؤثر عمليات الأكسدة عادة في زيادة هذه الدرجة وعمليات الاختزال في إنقاصها].

(3) مغناطيسية الصخور المتحولة: تعد حالة وسطية بين مغناطيسية الصخور الرسوبية ومغناطيسية الصخور النارية.

الشدة المغناطيسية في الصخور الرسوبية والنارية: تحمل أغلب أنواع الترسبات كميات قليلة جداً من الحبيبات المعدنية، إضافة إلى أن تركيب الحبيبات يكون في الغالب مبعثراً بحيث يقلل المحصلة النهائية للمغناطيسية في هذه الترسبات، لذا فان شدة المغناطيسية في الصخور الرسوبية تكون في الغالب (1/100) عنها في الصخور النارية. إضافة إلى أن المغناطيسية تكون اقل استقراراً وثباتاً في الرسوبيات منها في الصخور النارية نتيجة لكون الرسوبيات قبل تصلبها وتحولها إلى صخور تحتاج إلى فترة طويلة، مما يعطي الفرصة الأكبر للعوامل الفيزيائية والكيميائية للتأثير عليها وتغير مغناطيسيتها.

التجوال الظاهري للقطب (Apparent Polar Wandering):

من الممكن تحديد مكان أي صخرة نسبة إلى القطب المغناطيسي من خلال دراسة المغناطيسية المتبقية في تلك الصخرة. فعلى سبيل المثال لو أن صخرة عمرها (500) مليون سنة تظهر ميلاً مغناطيسياً متبقياً مقداره صفراً، فهذا يعني أن الصخرة ـ وبغض النظر عن موقعها الجغرافي الحالي ـ كانت في الفترة ما قبل (500) مليون سنة موجودة قرب دائرة عرض صفر أي قرب خط الاستواء، إذ أنه يمكن الاستدلال من خلال قيمة الميل المحفوظ في الصخور والذي ينحصر، كما ذكرن سابقاً، بين (0º) عند خط الاستواء و(90º) عند الأقطاب، على موقع الصخرة بالنسبة لدوائر العرض الجغرافية في الفترة التي تولدت فيها مغناطيسيتها. ومن ملاحظة ما سبق، يتضح لنا أن كل ما تدلنا عليه المغناطيسية المتبقية هو موقع الصخرة نسبة لخطوط العرض، أما موقعها نسبة لخطوط الطول فلا يمكن تحديده.

وهذه الطريقة المستخدمة في تحديد مواقع الصخور القديمة نسبة للقطب المغناطيسي تعتمد على افتراضين رئيسين هما: الأول هو افتراض أن الصخرة لم تتعرض إلى ما يمكن أن يغير من قيمة واتجاه المغناطيسية المتولدة في وقت تكونها نتيجة لعمليات تكتونية أو حرارية. والثاني هو افتراض أن المجال المغناطيسي القديم كان بنفس الحالة التي هو عليها الآن ونعني تقارب القطبين المغناطيسي والجغرافي مع بعضهما.

باستخدام هذه الطريقة أصبح بالإمكان تحديد مواقع الصخور القديمة وبالتالي تحديد مواقع القارات واتجاهات حركتها، وبذلك فقد أضافت دراسة المغناطيسية القديمة أو المتبقية في الصخور أدلة جديدة ودامغة على أن المواقع الجغرافية ومن ضمنها القارات لم تكن ثابتة خلال الفترات الجيولوجية المختلفة من عمر الأرض

من الجدير بالذكر أن هذه الطريقة سميت بطريقة التجوال الظاهري للقطب وذلك لان العينة الصخرية المدروسة والواقعة عند خط الاستواء في الوقت الحاضر مثلاً قد تعطي ميلاً مغناطيسياً مقداره (90º)، ويفهم من هذا الرقم أن القطب المغناطيسي في زمن تصلب الصخرة كان واقعاً عند خط الاستواء، ولكن الحقيقة هي أن موقع القطب ثابت ولكن الصخرة هي التي كانت واقعة على القطب في زمن تصلبها وتحركت بعد ذلك إلى خط الاستواء.

والدليل على صحة هذه الفكرة هو انه لو كان منحني تجوال القطب يعود إلى تغير موقع القطب المغناطيسي نفسه نتيجة لتغيرات المجال المغناطيسي الأرضي فقط وليس لتغير المواقع الجغرافية للقارات، فمن المتوقع أن تتطابق جميع خطوط منحنيات تجوال القطب في جميع مناطق الكرة الأرضية لكي تعطي منحنياً واحداً، ولكن الملاحظ هو وجود اختلاف في المنحنيات باختلاف المواقع الجغرافية

الانقلابات المغناطيسية (Magnetic Reversals):

ذكرنا سابقاً، أن حركة المواد المائعة في منطقة اللب الخارجي للأرض هي السبب الرئيسي لتوليد المجال المغناطيسي الأرضي. لذلك فان عدم انتظام حركة المواد السائلة فيها يولد اختلافاً في قيمة واتجاه المجال المغناطيسي ويكون أحياناً من القوة بحيث يؤدي إلى عكس المجال المغناطيسي وجعل قطبه الشمالي يحل محل قطبه الجنوبي وبالعكس. وليس هناك حتى الآن تفسير واضح لسبب تغير المواد المائعة في منطقة اللب الخارجي لاتجاه حركتها والتي تؤدي بالتالي لتغير القطبية المغناطيسية. وتستغرق عملية تغير القطبية حوالي (2000) سنة، حيث تنخفض قيمة الميل المغناطيسي إلى الصفر ثم ترتفع ثانية في الاتجاه الآخر حتى تصل إلى نفس قيمتها السابقة في الاتجاه الجديد
في عام (1960) اكتشف كل من رونالد ماسون (Ronald Masson) وآرثر راف (Arthur Raff) وفيكتور فاكواير (Vector Vacquier) من معهد سكربس لعلم المحيطات أن قاع المحيط في الساحل الغربي من أمريكا الشمالية يظهر أحزمة أو مناطق ذات خواص مغناطيسية. واظهر مخطط المغناطيسية الذي تم اكتشافه وجود أجسام مغناطيسية ممتدة بالاتجاه شمال ـ جنوب وأخرى باتجاه جنوب ـ شمال بصورة متعاقبة وغير مرتبطة بأي مظهر تركيبي يمكن أن يعطي تفسيراً لمثل هذا المخطط

وبقي تفسير شكل هذا المخطط غامضاً حتى عام (1963)، إذ استطاع كل من فاين (Vine) وماثيوس (Mattews) من جامعة كامبرج إيجاد تفسير مقنع لها عند دراستهما للحاجز المحيطي الأطلسي وذلك بان افترضا أن نمطية السلوك المغناطيسي هذه يمكن إرجاعها إلى الانقلاب الحاصل في اتجاه المجال المغناطيسي الأرضي الذي حدث عدة مرات في الماضي.

وأوضح العالمان أن الصخور النارية المنصهرة (صخور بازلتية) قد اندفعت على طول محور سلسلة المرتفع المحيطي الوسطي وعندما بردت اتخذت اتجاه الشمال المغناطيسي في ذلك الوقت ولنفترض أنه كان يمثل الاتجاه الاعتيادي. وعندما تندفع مواد منصهرة جديدة في وقت آخر تدفع المواد الأولى بعيداً عن محور المرتفع وحين تبرد المواد الجديدة المندفعة فأنها تأخذ اتجاه المجال المغناطيسي الأرضي في ذلك الوقت، فإذا كان اتجاه المجال في ذلك الوقت عكس ما هو عليه في الحالة الأولى فان الصخور تحتفظ باتجاه المجال الجديد وهكذا يتكون في كل فترة منطقة أو حزام من مواد منصهرة ذات مغناطيسية تمثل اتجاه المجال المغناطيسي في وقت تكونها.

وبذلك تتكون أحزمة أو انطقة من الصخور ذات مساحات تتناسب مع كمية المواد المنصهرة المندفعة نحو الأعلى وذات مغناطيسية تعبر قطبيتها عن اتجاهين إحداهما اعتيادي والآخر مقلوب اعتماداً على قطبية المجال المغناطيسي الأرضي وقت تصلب المواد المندفعة. وبإمكان أي جهاز لقياس المغناطيسية يستخدم على سطح المحيط أن يظهر المخطط المغناطيسي على شكل أشرطة أو أحزمة من الشواذ المغناطيسية الموجبة والسالبة موزعة بصورة متماثلة على جانبي محور المرتفعات المحيطية الوسيطة.

تاريخ الانقلابات المغناطيسية:

من خلال دراسة النماذج الصخرية في القيعان البحرية تم اكتشاف (171) حالة انقلاب في القطبية المغناطيسية خلال الـ (76) مليون سنة الماضية، منها (9) انقلابات حدثت خلال الأربعة ملايين سنة الماضية. وكانت أطول فترة متواصلة للقطبية الاعتيادية قد تجاوزت (3) مليون سنة، في حين سجلت اقصر فترة بـ (50) ألف سنة. أما بالنسبة للفترة الحالية التي تمثل القطبية الاعتيادية فهي مستمرة منذ ما يزيد عن (700) ألف سنة. ومن المعروف أن قيمة المجال المغناطيسي تنخفض بصورة منتظمة بمعدل (6%) منذ عام (1835)، وإذا ما استمر الانخفاض بهذا المعدل فان قيمة المجال المغناطيسي ستصل إلى الصفر خلال الألفي سنة القادمة.

تدرج رائع لتاريخ المغناطيسية القديمة , وبها معلومات رائعة

مع الشكر

فعلا معلومات رائعة وجميلة معرفتها شكرا للمجهود آيات

» المغناطيسية الذاتيـه
» الموائع المغناطيسية وتطبيقاتها
» الموائع المغناطيسية وتطبيقاتها
» الحقول المغناطيسية لعلاج الآلام المفاصل
» أردني يخترع جهازا لتسخين المياه بالطاقة المغناطيسية.