الخصائص الفيزيائية للصخور
تتمتع الخصائص الفيزيائية للصخور (بالإنجليزية: Physical properties) بالأهمية الكبيرة في جوانب الحياة العملية كافّة، والتي تشمل: علم الجيولوجيا، والجيوفيزياء، والكيمياء الجيولوجية، والهندسة الجيوتقنية، وغيرها العديد، ومن خلال معرفة هذه الخصائص تمكّن العلماء من الآتي:
- تحديد أصل الرواسب الصخرية ولأي عصر تعود، من خلال الخاصيّة الفيزيائية التي تُعرف بالتأريخ الإشعاعي للصخور.
- إمكانية التنبؤ بحدوث الزلازل الأرضيّة، من خلال دراسة التغيرات الفيزيائية للصخور المختلفة.
- معرفة تراكيب المعادن في الصخور، التي تتمتع بخصائص بصرية أو خصائص فيزيائية.
- إمكانية التنقيب عن أماكن الموارد الطبيعية، مثل: الوقود الأحفوري، والطاقة الحرارية، والخامات المعدنية، وذلك بدراسة الاختلاف في الخصائص الفيزيائية للصخور الباطنية.
- إمكانية فحص نوعيّة وطبيعة الصخور المُستخدمة في بناء المباني والجسور والأنفاق وغيرها من المُنشآت، وفيما إذا كانت تناسبها أم لا.
الخصائص الميكانيكية للصخور
تمثّل الخصائص الميكانيكية للصخور (بالإنجليزية: Mechanical properties) خصائص فيزيائية تُظهرها الصخور بعد تطبيق القوة عليها، ويُدرج فيما يأتي أبرز خصائص الصخور الميكانيكية:
الإجهاد والتوتر
يمثّل الإجهاد (بالإنجليزية: Stress) مقدارًا من القوة المطبقة على وحدة المساحة، فعندما تتعرض الصخور للإجهاد فإنّها ستتجه نحو تغيير أبعادها أو حجمها أو شكلها؛ إذ يطلق على هذا التغيير أو التشوه مُسمّى التوتر أو الانفعال (بالإنجليزية: Strain).
يُشار إلى أنّ الإجهاد ينقسم إلى عدة أنواع منها: الإجهاد المحوري، مثل: التوتر الاتجاهي، أو الضغط البسيط، وإجهاد القص، أو الإجهاد من الجوانب كافة، وعندما يكون الإجهاد المطبّق على الصخور قليلًا، يكون التوتر الذي تتعرض له الصخور مرنًا، بينما في حال كان الإجهاد كبيرًا، فإنَّ التوتر يكون غير مرن أو يُصبح دائمًا.
الثوابت المرنة
توجد الثوابت المرنة (بالإنجليزية: Elastic constants) عندما تتعرض الصخور للتشوه الدائم في تركيبها؛ حيثُ تشير هذه الثوابت إلى مقدار استجابة التوتر الذي يحدث للصخور بالإجهاد المطبّق عليها، وتتضمن الثوابت المرنة الآتي:
- معامل يونغ (بالإنجليزية: Young’s modulus): يُعبّر عن نسبة الإجهاد المطبّق على المادة إلى الامتداد أو التقصير الجزئي لطول العينة الموازية للتوتر أو الضغط.
- معامل القص (بالإنجليزية: Shear modulus): يُعرف أيضًا بمعامل الصلابة ويمثل نسبة الإجهاد المطبّق إلى دوران المستوى العمودي على إجهاد القص المطبّق على المادة.
- معامل الحجم (بالإنجليزية: Bulk modulus): يُعرف بمعامل عدم الانضغاط، ويعبر عن نسبة الضغط المحصور إلى الحجم المُختزل جزئيًا نتيجة الاستجابة للضغط الهيدروستاتيكي المطبق على المادة.
- نسبة بواسون (بالإنجليزية: Poisson’s ratio): تُعبّر عن نسبة الإجهاد الجانبي إلى الإجهاد الطولي المطبّق على المادة.
ميكانيكا الصخور
يُمكن تعريف ميكانيكا الصخور (بالإنجليزية: Rock mechanics) بأنّها الدراسة المتعلقة بعملية التشوّه التي تحدث للصخور نتيجة تعرضها للإجهادات، وبالتالي حدوث توتر الصخور، ويُشار إلى أنّه بامتداد حجم التشوه إلى أجزاء القشرة الأرضية فإنّ مجال الدراسة يُعرف حينها بمسمى الجيوتكتونيك (بالإنجليزية: geotectonics)، وتتم هذه الدراسة عادةً بإجراء التجارب المخبرية على عينات الصخور وتحليل تأثير الإجهاد والتوتر عليها.
تأثير الظروف البيئية
تتأثر الخصائص الميكانيكية للصخور بالظروف البيئية المحيطة بها، وذلك من خلال الآتي:
- يرفع معدل الضغط المحصور في الصخور من عوامل القوة والمرونة والليونة فيها.
- يُقلّل ضغط السائل الداخلي في المسامات من تأثير مقدار الإجهاد المطبق على الصخور.
- تزيد درجة الحرارة من عوامل القوة والليونة وإعادة التبلور.
- تُؤثر محاليل الموائع على الصخور، وذلك بتعزيز عملية التشوه وإعادة التبلور.
الخصائص الحرارية للصخور
تعبر الخصائص الحرارية للصخور (بالإنجليزية: Thermal properties) عن التدفق الحراري في الصخور، والذي يمثل نسبة التغير الحراري إلى عامل التوصيل الحراري للمادة، ويُدرج فيما يلي أبرز الخصائص الحرارية للصخور:
التوصيل الحراري
تحدد خاصّية التوصيل الحراري (بالإنجليزية: Thermal conductivity) إمّا في الموقع الذي يوجد فيه الصخور، أو بأخذ عينة من الصخور إلى المختبر، وتُقاس من خلال تسخين عينة الصخور ومراقبة ارتفاع درجة الحرارة مع الوقت، وتعتمد هذه الخاصيّة على عدة عوامل منها:
- نوعيّة التركيب الكيميائي للصخور.
- نوعيّة ومدى تشبع مسامات الصخور للسوائل حيثُ يزيد وجود الماء من موصلية الحرارة.
- مقدار الضغط حيثُ يزيد الضغط المرتفع من التوصيل الحراري.
- مقدار درجات الحرارة.
- خواص الصخور وتجانسها.
التمدد الحراري
يُمثّل التمدد الحراري (بالإنجليزية: Thermal expansion) مقدار التغيير في أبعاد عينة من الصخور مع درجة الحرارة، ويعبّر عنها من خلال نسبة التغيير في بُعد العينة إلى البُعد الأصلي لكل وحدة درجة حرارة، ويُشار إلى أنّ غالبية أنواع الصخور لديها معامل تمدد حجمي في ظل الظروف الطبيعية ويتراوح مقداره ما بين (15–33) × 10^-6 لكل درجة مئوية.
الإشعاع الحراري
تمثّل خاصّية الإشعاع الحراري (بالإنجليزية: Radioactive heat) عمليّة توليد الطاقة الحرارية نتيجة التفكك الجزئي أو ما يعرف بالانحلال التلقائي لنواة العناصر المشعة إلى جزيئات مشعة وطاقة حركية والتي تتحول فيما بعد إلى حرارة، وقد كان لهذه الخاصيّة تأثير على التدرج الحراري في الأرض، ويُشار إلى أنّ درجات الحرارة المرتفعة في باطن الأرض أدّت إلى تشوّه الصخور وتحركها، والتي بدورها تسبب حدوث حركة الصفائح التكتونية والزلازل والبراكين.
الخصائص المغناطيسية للصخور
تُنسب الخصائص المغناطيسية للصخور (بالإنجليزية: Magnetic properties) إلى الخصائص المغناطيسية الخاصة بحبوب المعادن والبلورات فيها، ويُشار إلى أنّ هناك جزءًا صغيرًا من الصخور يوجد فيه الخصائص المغناطيسية، وبناءً عليه تُحدد تلك الخصائص ومدى تأثيرها على الصخر ككل، وتتفاوت الخصائص المغناطيسية للصخور بالاعتماد على عدة عوامل منها:
- عدم وجود التجانس الكيميائي في التركيب الصخري.
- نوعيّة ظروف الترسيب أو التبلور.
- المرحلة التي تلي تكوين الصخور.
يجدُر الإشارة إلى أنّه ليس بالضرورة أن تشترك جميع الصخور التي لها النوع والاسم نفسها بالخصائص المغناطيسية؛ حيثُ يعتمد تحديد الخاصيّة المغناطيسية للصخور بنحوٍ رئيس على وجود أكاسيد الحديد والكبريتيدات.
تتمتّع الصخور بمجموعة متنوعة من الخصائص، هي: الفيزيائية، والميكانيكية، والحرارية، والمغناطيسية، والتي من خلالها يُمكن معرفة تراكيب الصخور وأنواعها واستخداماتها.
خصائص الصخور الرسوبية
تعد الصخور الرسوبية (بالإنجليزية: Sedimentary rock) من أبرز أنواع المجموعات الصخرية الرئيسة، والتي تغطي سطح الأرض بنسبة 75%، ومن أبرز أنواعها: الحجر الجيري، والرملي، والطباشير، والصخر الزيتي، وتتشكل الصخور الرسوبية من خلال الطرق الرئيسية الآتية:
- ترسيب بقايا عمليات التجوية.
- تراكم الرواسب واندماجها.
- ترسيب ما ينتُج عن الأنشطة الحيوية.
- ترسيب ما يرشح من المحاليل.
يُشار إلى أنّ هناك 4 عمليات رئيسة تُسهم في تشكيل الصخور الرسوبية، وهي: عمليّة التجوية والتعرية بفعل الرياح وتيارات المياه، وعملية نقل الرواسب من خلال التيارات، وعملية الترسيب، وعملية الضغط، التي يحدث من خلالها سحق الرواسب بقوة وتكوين الصخر الرسوبي.
يُدرج فيما يأتي أبرز خصائص الصخور الرسوبية:
- يمكن رؤية حبيبات صخور الكالسيت الرسوبيّة من خلال العين المجردة أو بالمجهر.
- توجد معظم الصخور الرسوبية على سطح الأرض.
- تضم طبقات الصخور الرسوبية على السجلات الأحفورية التي تعود لبقايا الكائنات القديمة.
خصائص الصخور البركانية
تُعرف الصخور البركانية (بالإنجليزية: volcanic rock) أو بالصخور النارية (Igneous rock) والتي تتشكّل عند تبريد الصُهارة أو الحمم البُركانية، وتصنّف الصخور البركانية بناءً على وقت التبريد وعلى نوعيّة الصُهارة التي تكونت منها، وفيما يأتي أبرز الخصائص التي تتمتع بها هذا النوع من الصخور:
- تتضمن تراكيب الصخور النارية كافة على المعادن.
- تتكوّن معظم أنواع الصخور النارية من السيليكات.
- يصعُب ملاحظة تشكّل الصخور النارية مباشرةً.
- يكون تركيب الحبيبات المكونة لها إما حبيبات دقيقة أو متقاربة.
- تتمتع الحمم البركانية التي تبرد بمعدل سريع على قوام زجاجي.
خصائص الصخور المتحولة
تتشكّل الصخور المتحولة (بالإنجليزية: Metamorphic Rocks) نتيجة تعرض الصخور إلى عمليات جيولوجية تشتمل على الضغط الشديد، والحرارة، والعمليات الكيميائيّة، في باطن الأرض، وتُقسم إلى نوعين، هما: الصخور المتحولة المورقة، وغير المورقة، ويُدرج فيما يأتي أبرز خصائصها:
- تتمتّع الصخور المتحولة بملمسها البلوري.
- تتميّز بأنّها ذات نطاقات ومظهر الصخور المسحوقة.
- يُشار إلى أنّ الصخور المتحولة لا تسخن حرارتها للحد الذي تذوب من خلاله.
تُصنّف الصخور إلى 3 مجموعات رئيسة بناءً على طريقة نشأتها وهي: صخور رسوبيّة، وصخور نارية، وصخور متحولة، وتتمتّع هذه المجموعات بعدة خصائص ميّزتها عن بعضها بعضًا.
