عندما تسرد مغناطيسية الصخور قصصًا من العصور الغابرة

شبكة بيئة ابوظبي، بقلم د. هادي عيسى، باحث في مجال علوم الأرض في جامعة الإمارات العربية المتحدة، 21 يوليو 2024

للصخور لغات مُتعدّدة تنطق بها ومفاتيح سحرية متنوّعة تكشف لنا أسرار الماضي الغابر، حيث كانت الأرض تدور تحت سماء مختلفة وشمسها تسطع بوهج مغاير؛ وهذه المفاتيح ليست حكرًا على اضمحلال الكربون-14 أو النظائر المشعّة، فهناك مفتاح آخر قد يكون أقل تداولًا خارج الوسط العلمي، وهو مغناطيسية المعادن، التي تشكّل البنية الأساسية للصخور؛ وفي أعماقها، حيث تُحفظ كتبٌ من أخبار الماضي، تحمل بعض المعادن معلوماتٍ عن اتجاه وشدّة المجال المغناطيسي الذي حملته في لحظة تكوينها، بالإضافة إلى سجلٍّ دقيق لتقلّباته عبر الزمن. تُشكّل هذه البيانات شواهد حية على سلوك المجال المغناطيسي للأرض وتقلّباته والتفاوت الزمني في معدل التقلّب، وتكشف عن مواقع الصفائح التكتونية والتغيّرات التي طرأت عليها عبر العصور.

ولكن ما هي الآلية التي تمكّننا من استثمار هذا السجل المغناطيسي للعودة بالزمن إلى الوراء؟ هنا يكمن دور “نقطة كيوري”، والتي تلعب دور المعيار الكامن في الصخور النارية (igneous rocks)، حيث أنّها تمثّل درجة الحرارة التي تفقد عندها هذه الصخور خصائصها المغناطيسية، فتَحتَ درجة حرارة “نقطة كوري” تكون الصخور النارية قادرة على تخزين المعلومات المغناطيسية، وكأنّها تُدوّن بيانات في ذاكرة تخزين طبيعية، وبالتالي تُصبح بمثابة حاملات أرشيف، تحفظ في طيّاتها أسرار المجالات المغناطيسية القديمة للأرض. والسؤال التالي الذي يطرح نفسه هنا هو لماذا الصخور النارية دون سواها؟
تَصَوّر تدفُّقًا للحمم البركانية ينسكب على اليابسة في حقبة زمنية معيّنة، ولنفترض أنّ هذه الحمم، كما العديد من الحمم الأخرى، تحوي معادن مغناطيسية؛ عندما تنبثق هذه الحمم من باطن الأرض، تبدأ حرارتها بالانخفاض تدريجيًا إلى أن تصل إلى درجة الحرارة الفارقة “نقطة كوري”، والتي تبلغ، بالنسبة لمعظم المعادن، حوالي 580 درجة مئوية، وعند تخطّي “نقطة كوري” فما دون أثناء عملية التبريد، تصطفّ المعادن المغناطيسية، متجهة جميعها صوب القطب الشمالي، لكن ماذا يحدث إذا تغيّر موقع القارة التي توجد عليها هذه الصخور المتحجّرة؟ لحسن الحظ، وبما أن درجة الحرارة تظل أقل من “نقطة كوري”، فإنّ المعادن المغناطيسية تحافظ على اصطفافها وتوجهها الأصلي. بعبارة أخرى، تصبح هذه المعادن كبوصلة جامدة مشيرة إلى اتجاه لم يعد يُمثّل القطب الشمالي الحقيقي.

التوجّه المغناطيسي للمعادن في حالة كانت درجة الحرارة أعلى أو دون “نقطة كوري.” المصدر: Tulane University/ Stephen A. Nelson

قبل الدخول في ارتباط المغناطيسية القديمة بتأريخ الظواهر الطبيعية، هناك بعض المفاهيم حول المجال المغناطيسي للأرض التي ينبغي الإشارة إليها. عند النظر إلى كوكب الأرض من الزاوية الكهرومغناطيسية، فبالإمكان إعتباره كمولّد كهرومغناطيسي عملاق، حيث يتكون نواة الأرض الخارجي (outer core)من مادة منصهرة، ومع دوران الأرض، تتحرّك المعادن الموجودة بداخل النواة الخارجي – وهي في الغالب الحديد والنيكل السائلان – فتولّد حركة هذه المعادن السائلة تيارًا كهربائيًا، يُنتج عنه مجال مغناطيسي يحيط بالكوكب؛ يُحوّل هذا المجال الأرض عمليًا إلى مغناطيس كهربائي له قطبان شمالي وجنوبي. يتدفّق المجال المغناطيسي للخارج من القطب الجنوبي، ويلتف حول محيط الكوكب، ثم يعود إلى القطب الشمالي؛ ولهذا السبب، إذا كان لديك بوصلة مغناطيسية، سوف تلحظ أنّها تشير إلى الشمال، فهي تتماشى مع تدفّق المجال المغناطيسي. ولكن هناك ما قد يحرز تغيّرا في هذه الظاهر، وهذا يحدث عندما يحصل تبديل في القطبية (polarity reverse)، حيث أنّه عندما يحدث هذا الانعكاس، فإنّ المجال المغناطيسي، بدلاً من أن يتصرف على النحو الذي هو عليه اليوم، سيتدفق إلى الخارج من القطب الشمالي متجهًا نحو القطب الجنوبي، وبالتالي ستتماشى البوصلة المغناطيسية الخاصة بك حينئذٍ لتشير إلى الجنوب. ولكن لماذا يحدث هذا؟ في الواقع، ليس لدينا إجابات محدّدة على هذا السؤال حتى الآن، ولكن على الأرجح يرتبط هذا الأمر بطريقة تدفق المعادن في النواة الخارجية، ولا يزال البحث جاريًا حول العوامل الموجبة لانعكاس القطبية حتى يومنا هذا.

لنفترض أنّك تخوض رحلة عبر أرجاء المعمورة، تتنقّل من خلالها من موقع جغرافي إلى آخر، حاملًا بوصلتك كمرشد لتحديد الاتجاهات، عندها ستلاحظ أنّ إبرة البوصلة لا تتجّه دائمًا نحو الشمال، بل تتغيّر زاوية ميلها اعتمادًا على خط العرض الذي تقف عليه، وهذا يعود إلى ما يُعرف بزاوية الميل (inclination)، وهي تُعَرَّف على أنها الزاوية التي تفصل بين إبرة البوصلة والخط الأفقي. في القطب الجنوبي، حيث المجال المغناطيسي للأرض ينبثق من باطنها، ستجد إبرة البوصلة تشير مباشرة إلى أعلى، وكأنّها تتماشى مع خطوط المجال المغناطيسي التي تخرج من الأرض، أما على خط الاستواء، حيث المجال المغناطيسي يميل بشكل أفقي، فستستقر إبرة البوصلة بشكل موازٍ لسطح الأرض، وكأنّها تتماشى مع تدفّق المجال المغناطيسي في هذا الموقع.

إلى جانب الميل، هناك مفهوم آخر يُسمى الانحراف المغناطيسي، وهو يختلف عن الميل من حيث أنّه يشير إلى الزاوية بين الشمال الذي تشير إليه البوصلة (الشمال المغناطيسي) والشمال الجغرافي الحقيقي الذي تدور حوله الأرض؛ الأمر أشبه باختلاف بسيط بين الهدف الذي تسعى إليه والاتجاه الذي يرشدك إليه دليل غير مطّلع تمامًا . بما أنّ القوى الهائلة التي تولّد هذا الدرع المغناطيسي الواقي للأرض ليست ثابتة، بل في حالة تغيّر دائم، فإنّ المجال المغناطيسي في حالة ذبذبة دائمة، يزداد قوة أحيانًا ويضعف في أحيان أخرى، وبناءً على ذلك، قد تشير البوصلة إلى اتجاه قريب من الشمال الحقيقي، لكنها لن تتمكن من الوصول إليه بدقة، إلا في حالات نادرة جدًا، وذلك عندما يحالفك الحظ وتكون متواجدًا في موقع حيث يتوافق القطبان الجفرافي والمغناطيسي بالنسبة لإحداثياتك، فتكون درجة انحرافك صفرًا.

المجال المغناطيسي للأرض والقطبان المغناطيسي والجغرافي. المصدر: Live Science/Becky Oskin

بالعودة إلى ارتباط المغناطيسية بتأريخ الظواهر الطبيعية، شهدت حقبة الخمسينيات من القرن الماضي رحلة علمية مثيرة انطلقت عندما بدأ الباحثون بدراسة الحمم البركانية القديمة، وكانت نقطة الانطلاق من أوروبا (أوراسيا في عصور سابقة – أوروبا وآسيا معًا)، حيث قاموا بجمع عيّنات من الحمم البركانية المختلفة ورصد الميل والانحراف المغناطيسي لكلٍّ منها، ثم قاموا بترتيب هذه البيانات وفقًا لعمرها الجيولوجي، ليتوصلوا إلى أنّ هذه الصخور تحمل سجلًا مغناطيسيًا يعكس موقع القطب الشمالي في زمن تكوّنها، وكانت النتيجة خارطة طريق لحركة القطب الشمالي كما رُصِدت من القارة الأوروبية؛ ولكنّ المفاجأة الكبرى كانت تنتظرهم عندما قاموا بتكرير نفس العملية في قارات أخرى، فبدلًا من الحصول على نفس المسار لحركة القطب الشمالي، وجدوا أنّ القطب كان يتحرك بطرق مختلفة في كل قارة، وكأن كل قارة ترسم قصتها الخاصة عن رحلة القطب الشمالي، وهذا ما دفعهم إلى إعادة التفكير، فكيف يمكن أن يتحرك القطب الشمالي في اتجاهات مختلفة في نفس الوقت؟ هل يمكن أن يكون هناك ثلاثة أقطاب شمالية؟ بالطبع لا. أدّت هذه الدراسات إلى التوصّل إلى النتيجة التالية: ليس القطب الشمالي هو الذي يتجوّل، بل القارات هي التي تتحرك حوله؛ هذا الاكتشاف الرائد مهّد الطريق لفهم نظرية الصفائح التكتونية، التي تقول إنّ قارات الأرض تتحرك باستمرار على سطح الكوكب. وعلى أرض الواقع، إنّ القطب يتجوّل فعليًا إلى حد ما، لكنه يظلّ دائمًا قريبًا من محور الدوران، ولا يصل أبدًا إلى الانتقال إلى موقع خط الاستواء.

تُظهِر منحنيات التجوال القطبي أنّ القطب الشمالي المغناطيسي كان موجودًا في مكانين مختلفين في نفس الوقت على مرّ التاريخ، وذلك عند دراسة المنحنيات الخاصة بأوراسيا وأمريكا الشمالية، إلّا أنّه عند إعادة تجميع القارات لتشكيل القارة العظمى (بانجيا)، حصل التطابق بين المنحنيان، ممّا يدل على أن القارات هي التي تحركت وليس القطب. المصدر: Roger Williams University

قبل الانتقال إلى مغناطيسية صخور قاع المحيط، سنقدّم أولًا نبذة عن تصوّرات الناس عن المحيطات قديمًا. في القرنين السادس عشر والسابع عشر، كان يُعتقد أن المحيطات هي عبارة عن أحواض ضخمة فارغة، مجرد مسطحات مائية خالية من التضاريس، لكن هذا الاعتقاد كان على موعد مع تغيّر جذري في سبعينيات القرن التاسع عشر، وذلك عندما أبحرت سفينة “HMS Challenger” البريطانية في رحلة استكشافية لدراسة قاع المحيطات، حيث كشفت هذه الرحلة أنّ قاع المحيط بعيد كل البعد عن أن يكون حوضًا أجردًا، بل هو عالم مليء بالتضاريس الخفية، من جبال شاهقة ووديان عميقة إلى حقول بركانية وأخاديد ضخمة. ومن بين الاكتشافات الهامة في تلك الرحلة، سلسلة الجبال المحيطية الوسطى (أو حيود منتصف المحيط)، وهي في الواقع سلسلة جبلية طويلة تمتدّ تحت المحيطات، وهي فريدة من نوعها، حيث تتكوّن قشرتها بشكل أساسي من البازلت، وهو صخر بركاني، وكما أشرنا سابقًا، إنّ الصخور النارية والبركانية غنية بالمعادن ذات الخواص المغناطيسية، وهذا ما يجعلها هدفًا مثاليًا لدراسة المغناطيسية القديمة.
في خمسينيات القرن الماضي، بدأ العلماء بدراسة مغناطيسية الصخور البركانية في قاع المحيط، حيث توصّلوا إلى أنّ هذه الصخور تحمل سجلاً مغناطيسيًا يعكس حالة المجال المغناطيسي للأرض في وقت تكونها، وعلى نحو غير متوقّع، وجدوا أنّ بعض الأجزاء من حيود منتصف المحيط تحمل قطبية مغناطيسية عادية، حيث تشير المعادن المغناطيسية إلى الشمال – كما هو متوقع – بينما توجد مناطق أخرى تحمل قطبية مغناطيسية معكوسة، حيث تشير المعادن إلى الجنوب. وهذا الاكتشاف لوحده كان مثيرًا بما يكفي للاهتمام، حيث أنّه يدل على أنّ المجال المغناطيسي للأرض قد ينعكس أحيانًا، ولكن هذا لم يكن الاكتشاف الوحيد، حيث توصّل الباحثون أيضًا إلى أنّه في حالة قمنا بوضع حد فاصل يقسم حيود منتصف المحيط إلى نصفين، فسنجد أن الجانبين متماثلان تمامًا في تراتبية القطبية المغناطيسية، وكأنّ الطبيعة رسمت لنا صورة معكوسة لنفس النمط، وكما هي العادة في الجيولوجيا، فإنّ كل نمط يفتح أبوابًا لمزيد من البحث.

تتشكّل الأشرطة المغناطيسية في قاع المحيط نتيجة انعكاسات المجال المغناطيسي للأرض أثناء التكوّن المستمر لقشرة المحيط عند القمة المحيطية في الوسط. تتكوّن قشرة المحيط عن طريق الانفجارات البركانية عند القمة (الوسط) وتحفظ سجلاً للمجال المغناطيسي وقت الانفجار، ثم تنتشر هذه الصخور بعيدًا عن القمة في كلا الاتجاهين حاملة هذا السجل معها. عندما تنعكس قطبية المجال المغناطيسي، فإنّ الصخور التي تتكون عند القمة ستحفظ سجلاً لهذه القطبية الجديدة. تمثّل الأشرطة الداكنة الصخور ذات القطبية المغناطيسية العادية (أسهم لأعلى)؛ وتمثّل الأشرطة الفاتحة الصخور ذات القطبية العكسية (أسهم لأسفل). المصدر: Tanner & Calvari

في عام 1962، قام الجيولوجي الأمريكي هاري هيس بطرح نظريةً ثورية أُطلِق عليها “انتشار قاع البحر”،حيث أنّه لم يكن يرى سلسلة الجبال الوسطى الأطلسية مجرد سلسلة جبلية عادية، بل تصورّها كمنطقة بركانية نشطة. تقول نظرية هيس أنّ الحمم المنصهرة تتصاعد باستمرار من باطن الأرض في مركز هذه السلسلة الجبلية، لتبرد وتتحول إلى صخور جديدة تدفع الصخور القديمة بعيدًا عنها، وبناءً على ذلك، فإننّا كلما ابتعدنا عن مركز السلسلة، كلما أصبحت الصخور أقدم، وكأنّ قاع البحر ينفتح ككتابٍ أمامنا، صفحة تلو الأخرى، كلما ابتعدنا عن خط المنتصف. وعنددما بدأت دراسات السونار، كان ما طرحه هيس هو بالضبط ما تم رصده، وبهذا لم يعد قاع البحر ثابتًا جامدًا في نظر الباحثين، بل هو في حالة ديناميكية مستمرّة.

رسم توضيحي لظاهرة “انتشار قاع البحر”. المصدر: Columbia University

والسؤال الذي يطرح نفسه هنا، إذا كان قاع البحر يتوسّع باستمرار نتيجة لاندفاع الحمم، فماذا يحدث للقشرة المحيطية القديمة؟ لا يمكن للأرض أن تزداد حجمًا بلا نهاية، لذا يجب أن يكون هناك مكان تختفي فيه هذه القشرة الزائدة، وهذا المكان هو ما يُعرف بـ”منطقة الاندساس”، وفي هذه المنطقة، تغوص إحدى الصفائح المحيطية تحت صفيحة أخرى، سواءً كانت قارية أو محيطية، وذلك بسبب كثافة الصفيحة المحيطية الأعلى. ويعود اكتشاف هذا الأمر إلى دراسة الزلازل، وخاصة ما يُعرف بـ”منطقة واداتي-بينيوف”(Wadati-Benioff Zone) . لاحظ العالمان الياباني كيو واداتي والأمريكي هوغو بينيوف أنّ الزلازل تختلف في عمقها، ففي بعض المناطق، تكون الزلازل سطحية، بينما تزداد عمقًا كلما ابتعدنا عن الساحل؛ إذن هناك نمط، والنمط في الجيولوجيا يُترجم لمزيد من البحث. عندما تغوص القشرة المحيطية الأثقل تحت الصفيحة الأخرى، تسبّب احتكاكًا وتوترًا يؤدّي إلى حدوث الزلازل على طول مسار غوصها، ولذلك كلما تعمّقت الصفيحة، زاد بالنتيجة عمق الزلازل. لذلك، فإنّ منطقة “واداتي-بينيوف” هي في الواقع منطقة انحدار للزلازل تشير إلى موقع الاندساس. ولا تقتصر ظواهر منطقة الاندساس على الزلازل فحسب، بل تشتهر أيضًا بالبراكين، حيث أنّ المياه المالحة التي تحملها الصفيحة المحيطية إلى أعماق الأرض تساهم في انخفاض درجة حرارة انصهار الصخور، ممّا يؤدّي إلى نشاط بركاني مكثّف.

رسم توضيحي لمنطقة “Wadati-Benioff” المكتظة بالبراكين والزلازل. المصدر: Cornell/Earth and Atmospheric Sciences

تُظهِر هذه الظواهر بعض الجوانب الديناميكية التي يتمتّع بها كوكب الأرض، وكيف تتفاعل قوى الطبيعة باستمرار لتشكيل تضاريسه وتغيير ملامحه. تساعدنا المغناطيسية على تحديد عمر الصخور، دراسة حركة الصفائح التكتونية، فهم المناخ القديم، البحث عن المعادن والنفط؛ فهي أداة قوية لفهم ديناميكية الكوكب بشكل أفضل، ومفتاح لفهم تاريخ الأرض وتكوينها وحتى مستقبلها.