القوى الخارجية وأثرها تشكيل سطح الأرض

إن سطح الأرض جسم ديناميكى وبالتالى يتغير مع الزمن؛ حيث تقوم القوى الداخلية ببناء تضاريس سطح الأرض سواء كانت تضاريس موجبة أو سالبة تنتج عن النشاط البركانى أو الالتواء أو الانكسار، وبمجرد أن تظهر التضاريس الموجبة تهاجمها القوى الخارجية وتقوم بإعادة تشكيلها؛ حيث تقوم هذه القوى الخارجية بتحريك المواد المفككة من المرتفعات العليا إلى الأجزاء المنخفضة، وتنقسم هذه القوى الخارجية إلى ثلاثة قوى هى:

1 – التجوية: والتى تنقسم إلى تجوية ميكانيكية ـ وأخرى كيميائية.

2 – الانهيارات الأرضية: وهو انتقال الصخور والتربة إلى قاعدة السفح بفعل الجاذبية الأرضية.

3 – التعرية: إزالة طبيعية للمواد بواسطة عوامل الحركة (النقل) المائية، الهوائية (الرياح) الجليدية … الخ.

أولاً:التجوية

تتعرض كل مواد سطح الأرض للتجوية، و تحدث التجوية عندما يتشظى الصخر ميكانيكياً أو يتحلل كيميائياً، أى أنها تنقسم إلى نوعين من التجوية: التجوية الميكانيكية والتجوية الكيميائية، وإن كنا سنناقش كل عملية منها منفصلة عن الأخرى إلا أنهما فى الطبيعة لا تعملان منفصلين عن بعضهما البعض.

1 – التجوية الميكانيكية: Mechanical Weathering

وتعنى التجوية الميكانيكية تكسير الصخر إلى قطع أصغر وأصغر، مع احتفاظ كل قطعة بخصائص المادة الأصلية، ومع زيادة التكسر تكثر أسطح المفتتات مما يساعد على نشاط التجوية الكيميائية، وتنقسم التجوية الميكانيكية إلى أربعة عمليات هى:

أ – تجوية الصقيع : Forst Wedging

والتى تعرف أحيانا باسم التوتد الصقيعى، وتحدث مع توالى عمليات التجمد والذوبان، وترجع هذه العملية إلى أن المياه السائلة عند تجمدها تتمدد ويزيد حجمها بمقدار 9 ٪ ، وذلك لأن جزيئات المياه فى البللورات المنتظمة المكونة للجليد Ice  تتباعد عن بعضها أكثر من تباعدها فى الماء السائل، ونتيجة لذلك فالماء المتجمد فى فراغ ذو مساحة محددة يولد ضغط هائل على الحوائط الخارجية للإناء الذي به السائل، وهذا ما يجعل زجاجة المياه الغازية المغلقة بإحكام عند تجمدها تتكسر.

عندما تتجمد المياه داخل هذه الشقوق تتمدد وتوسع الشقوق، ومع توالى دورات التجمد والذوبانFreeze-Thaw Cycles  يتكسر الصخر إلى شظايا غير منتظمة، كما يتضح من الشكل رقم (28)، وتكثر هذه العملية فوق المرتفعات التى تتعرض لعملية التجمد ـ الذوبان يومياً، وهنا تكثر المواد المنفصلة بعملية التوتد وربما تنهار إلى أسفل فى شكل ركامات سفوح Talus Slopes عند قاعدة السفوح شديدة الانحدار.

ب – تخفيف الثقل: Unloading

عندما تتعرض كتل كبيرة من الصخور النارية خاصة الجرانيت للتعرية تبدأ الشرائح المرتكزة أعلاها فى التفكك بالتكسر، وهذه العملية تسمى أيضا التصفح Sheeting، والتى يعتقد أنها تحدث ولو جزئياً بسبب التقليل الكبير فى الضغط عندما تُنحت الصخور العليا وتنقل بعيداً، تبدأ الطبقات الخارجية فى التمدد أكثر من الصخور أسفلها، وهذا ما يجعل الطبقات العليا تنفصل عن جسم الصخر، تسبب التجوية المستمرة أخيراً انفصال شرائح Slabs وتتشظى وينتج عنها قباب التقشر Exfoliation Domes والتى تمثلها قمة جبل ستون فى جورجيا .

 كما يساعدنا التعدين بعيدا عن سطح الأرض في التعرف على تخفيف الضغط ، حيث تنفصل شرائح صخرية كبيرة من حوائط أنفاق المناجم الجديدة بسبب تقليل الضغط فجأة ، ومع أن كثير من التكسر ينتج عن التمدد، فإن بعضه الآخر ينتج عن التقلص أثناء تبلر الماجما ، وبعضها ينتج بواسطة القوى التكتونية أثناء بناء الجبال.

جـ – التمدد الحرارى : Thermal Expansion

تُضعف دورة الحرارة اليومية تماسك الصخور خاصة فى الصحارى الحارة، حيث يصل المدى الحرارى اليومى إلى ما يزيد عن 30 ⁵ مئوية؛فيتمدد الصخر بالتسخين و يتقلص وينكمش بالتبريد، ويولد التمدد والانكماش المتكرر للمعادن- والتي تختلف معدلات تمددها- بعض الضغوط على القشرة الخارجية للأرض، ومع أن هذه العملية كان يعتقد أنها هامة جداً فى تحطيم الصخر، لكن التجارب المعملية أثبتت عكس ذلك، حيث أجريت تجربة تسخين الصخور غير المجواة تحت درجات حرارة أعلى بكثير من التى تتعرض لها هذه الصخور فى الطبيعة ثم بُردت فجأة، وتكررت هذه التجربة عدة مرات لتعادل ما يتعرض له الصخر أثناء التجوية فى مئات السنين، وجاءت النتيجة أن التغير الذى حدث للصخور كان طفيف جداً.

يحمل الحصى فى المناطق الصحراوية دليل تكسر ناتج عن تغيرات الحرارة، ويرى بعض الجيولوجيين أن تفسير ذلك يرجع إلى أن الصخور تتعرض للتجوية الكيميائية لتضعف الصخر قبل أن يتكسر بالنشاط الحرارى، ويمكن أن يضاف إلى هذه العملية التبريد السريع بالأمطار الصحراوية الفجائية.

د– النشاط البيولوجى: Biological Activity

يتمثل هذا النشاط البيولوجى فى النباتات والحيوانات الحافرة والإنسان، فعندما تبحث جذور النباتات عن المواد الغذائية والمياه فى الشقوق، تنمو وترفع الطبقة السطحية من الصخر إلى أعلى.

أما عن دور الحيوانات الحافرة، فإنها تحفر أنفاق فى داخل الصخر وتخرج المفتتات أمام الجحور حيث تبدأ فى التفكك إما بالتجوية الحرارية أو الكيميائية، ويعمل الإنسان كذلك فى تفكيك الصخر ميكانيكياً أثناء البحث عن المعادن فى المناجم، أو أثناء تفجير المناطق الجبلية لشق الطرق، ومع ذلك فإن دور الحيوانات الحافرة يسبق دور الإنسان.

2– التجوية الكيميائية : Chemical Weathering

تشتمل على عمليات معقدة تغير محتوى الصخر و تركيبه المعدنى، وهنا إما أن يتبدل المحتوى المعدنى لتتكون معادن جديدة أو تتبدد فى البيئة المحيطة، وفى أثناء هذا التحول تتحلل الصخور الأصلية إلى المواد التى تستقر على السطح، وتعتبر المياه أهم عوامل التجوية الكيميائية، وإن كانت المياه النقية فقط مذيب جيد فإنه يزيد النشاط الكيميائى بواسطة محاليل التجوية إذا أضيفت مادة ذائبة صغيرة إلى المياه، وتتمثل التجوية الكيميائية فى: الإذابة ، الأكسدة ، التموء ، التحلل المائى.

أ – الإذابة : Dissolution

ربما تعتبر الإذابة أسهل نمط للتحلل، وتذوب بعض المعادن فى الماء كما يذوب السكر فيه، وأهم هذه المعادن القابلة للذوبان فى الماء الهاليت،  والذى  يتركب من أيونات الصوديوم والكلوريد، ويذوب الهاليت فى الماء لأن الأيونات المنفردة تحمل شحنات، وعلاوة على ذلك فأن جزيئات المياه قطب حيث يملك طرفى جزئى الأكسوجين شحنة سالبة صغيرة جداً، بينما يملك طرف جزئى الهيدروجين شحنة موجبة صغيرة، ولأن جزيئات الماء عندما تلامس الهاليت فإن طرفها السالب يقترب من أيونات الصوديوم، بينما تتجمع أطرافها الموجبة مع أيونات الكلوريد، فيمزق ذلك القوى الجاذبة فى بلورة الهاليت وتنطلق الأيونات فى محلول الماء.

ومع أن معظم المعادن لا تذوب فى الماء النقى، فإن وجود كمية ولو صغيرة من الحمض يزيد قوة الماء في تجوية الصخور (يحتوى المحلول الحمضى أيون الهيدروجين المتفاعلH  +)، ويتكون الحمض فى الطبيعة بعدة عمليات؛ كمثال أن ينتج حمض الكربونيك عندما يذوب ثانى أكسيد الكربون فى الغلاف الجوى فى قطرات المطر، وعندما ينفذ ماء المطر الحمضى إلى الأرض يزيد ثانى أكسيد الكربون الموجود فى التربة حمضية محلول التجوية، وتنطلق أيضاً أحماض عضوية متنوعة إلى التربة لأن الأحماض العضوية وحمض الكبرينيك تنتج بواسطة تجوية البيريت ومعادن الكبريتيد الأخرى.

بصرف النظر عن مصدر الحمض، فإن هذه المادة شديدة التفاعل   تحلل معظم الصخور وينتج عنها نواتج محددة وتزيد تكوين محلول مائى حمضي؛ كمثال معدن الكالسيت Ca Co3 الذى يكون أحجار البناء الشائعة الرخام Marble والحجر الرملى Limestone ويهاجمه المحلول الحمضى الضعيف، وأثناء هذه العملية تنتقل كربونات الكالسيوم اللاذائبة إلى نواتج ذائبة فى الطبيعة، وتستغرق هذه العملية فترات تزيد عن آلاف السنين، وتذوب كميات ضخمة من الحجر الجيرى وتُحملها المياه الجوفية بعيداً، مما يؤدى إلى تخفيض مستوى سطح الأرض، وقد تنشأ كهوف فى صخور الحجر الجيرى.

ب – الأكسدة : Oxidation

يرى كل منا الأشياء الصلبة والحديدية التى تصدأ عندما تتعرض للماء، ويمكن أن يحدث نفس الشىء للمعادن الغنية بالحديد، وتحدث عملية الصدأ عندما يتحد الأكسوجين مع الحديد ليكونا أكسيد الحديد على النحو التالى: الحديد + الأكسوجين =  أكسيد حديد (هيماتيت)

يسمى هذا النمط من التفاعل الأكسدة، ويحدث عندما تفقد الإلكترونات من عنصر واحد أثناء التفاعل، وفى هذه الحالة يفقد الحديد الإلكترونات لحساب الأكسوجين عند أكسدته. تحدث أكسدة الحديد ببطء شديد جداً فى البيئات الجافة، وتزيد المياه التفاعل بدرجة كبيرة في المناطق الرطبة.

إن الأكسدة هامة فى تحلل معادن مثل الحديد الماغنسيومى مثل الأولفين Olivine، البيروكسين Pyroxene والهورنبلند Hornblende، يتحد الأكسوجين مع الحديد فى هذه المعادن ليكون أكسيد حديد بنى محمر، ويسمى الهيماتيت Hematite، وفى حالات أخرى يكون الصدأ مصفراً ويسمى ليمونيت Limonite، إن هذه النواتج مسئولة عن لون الصدأ على سطح الصخور النارية الداكنة مثل البازلت عندما تصيب التجوية هذه الصخور، وعلى أية حال يمكن أن تبدأ عملية الأكسدة بعد أن يطلق الحديد  مركب السيليكات عن طريق عملية التميؤ.

وتحدث الأكسدة بطريقة آخري وذلك عندما تتحلل معادن الكبريتيد مثل البيريت، وتمثل معادن الكبريتيد المحتوى الأعظم فى كثير من الخامات المعدنية، ويرتبط البيريت بإرسابات الفحم أيضاً فى البيئات الرطبة، وفي هذه العملية يتخلى البيريت (FeS 2) ـ وفى أثناء التجوية الكيميائية ـ عن حمض الكبريتيك (H₂SO₄) وأكسيد الحديد (FeO).

 وفى كثير من مواقع التعدين تخلق عملية التجوية هذه خطراً بيئياً شديداً؛ خصوصاً فى المناطق الرطبة، حيث تتم إزالة المواد المتخلفة بعد عملية التعدين، وتسمى هذه العملية حمض التعدين، حيث تُحمل المواد المتخلفة إلى المجارى المائية وتُقتل الأحياء المائية العضوية.

جـ ـ التموء:Hydration

اتحاد بعض العناصر المعدنية مع الماء لتكون ما يسمى بالمعادن المائية، وفى هذه العملية يحدث تغير فى حجم المعادن، مما يؤدى إلى تُولد إجهادات فيزيائية Physical Stresses، تعمل على تفكك الصخر ميكانيكيا؛ ومن أمثلة هذه العملية تحول معدن كبريتات الكالسيوم Calcium Sulphate (الأنهيدريت Anhydrite) إلى كبريتات كالسيوم متموء (الجبس) على النحو التالى :

أنهيدريت + ماء = جبس. =     CaSO₄+2hO  Co SO₄ + 2Ho   

أما فى حالة السليكات ومعادن الأكاسيد، فتتحول نتيجة عملية التموء إلى سيليكات أو أكاسيد مائية، وفى حالة السيليكات عادة ما نجد أن عملية التموء يصاحبها تحلل مائى، ومن أمثلة هذا التموء ما يتم من تحول أكاسيد الحديد إلى هيدروكسيد الحديد Iron Hydroxide، وما يعنينا من كل ما سبق هو التعرف على أن المعادن المتمؤة عادة ما تكون أقل مقاومة لعمليات التعرية من المعادن الأصلية غير المتموئة .

د – التحلل المائى : Hydrolysis

إن السيليكات Silicates هى أعظم مجموعة معادن شائعة، وقد تحللت أولياً بواسطة عملية التحلل المائى الذى تتحد فيه أى مادة بالماء، والذى يحدث فى مياه نقية؛ حيث تتفكك بعض جزيئات الماء لتكون هيدروجين متفاعل جداً وأيونات الهيدروكسيل، وعند ذلك يهاجم أيون الهيدروجين ويحل محل أيونات أخرى موجبة موجودة فى شبكية البلورة، أي أن أيونات الهيدروجين تدخل إلى التركيب البللورى للصخور لتكون نوع آخر منها، ويتم تدمير التنظيم الأول للذرات ويتحلل المعدن.

تحتوى المياه فى الطبيعة عادة على مواد أخرى والتى تشارك فى أيونات الهيدروجين الإضافية، ومن أكثر هذه المواد شيوعاً ثانى أكسيد الكربون، الذى يذوب فى الماء ليكون حمض الكربونيك، ويغسل المطر ثانى أكسيد الكربون من الغلاف الجوى، وتزداد هذه الكمية مع إضافة المادة العضوية المتحللة فى التربة، ويتأين حمض الكربونيك فى الماء ليكون أيونات الهيدروجين وأيونات البيكربونات؛ فمثلاً عند تحلل الجرانيت ـ والذى يتكون من الكوارتز والفلسبار البوتاسيومى ـ عن طريق التحلل المائى، يحدث التحلل لمعدن الفلسبار البوتاسيومى على النحو التالى:

فلسبار بوتاسيمى + حمض كربونيك + ماء  =    كاولينيت + أيون بوتاسيوم + بيكربونات + سيليكا.

فى هذا التفاعل تحل أيونات الهيدروجين محل أيونات البوتاسيوم فى مركب الفلسبار و يمزق شبكة البلورات، وينزع البوتاسيوم ليصبح نترات للنباتات أو يصبح محلول ملحى بيكربونات البوتاسيوم، والذى قد يندمج فى معادن أخرى أو يُحمل إلى المحيط، وأكثر معدن ناتج عن تحلل الفلسبار البوتاسيومى هو معدن الكاولينيت الصلصالى، ومن ثم تصبح معادن الصلصال هى آخر نواتج التجوية، وتمثل أعلى نسبة للمعادن غير العضوية فى التربة، ولذلك تمثل أعلى نسبة فى الصخور الرسوبية خاصة الطفل.

وأثناء تحلل الفلسبار البوتاسيومى وتكون معادن الصلصال يتم انتزاع بعض السيليكات من مركب الفلسبار وتُنقل بعيداً بواسطة المياه الجوفية، هذه السيليكا الذائبة سوف تترسب لتكون عقد الصوان، وسوف تملىء الفراغات المسامية بين حبيبات الصخور المسامية، أو تُنقل إلى المحيطات حيث ستقوم الحيوانات المكرسكوبية بانتزاعها من الماء لتبنى بها محاراتها السيليكة الصلبة، أى أنه عند تحلل الفلسبار البوتاسيومى تنتج ثلاثة نواتج هى كمية قليلة من معدن الصلصال، ومحلول ملحى ( بيكربونات البوتاسيوم ) وبعض السيليكا التى تدخل فى المحلول.

بينما الكوارتز المركب الثانى فى الجرانيت فإنه مقاوم جداً لعمليات التجوية الكيميائية، ويبقى كمادة صلبة لا تستطيع المحاليل الضعيفة أن تحلله، ويبقى بعضه فى التربة بينما يُحمل معظمه إلى البحار والمحيطات والبحيرات فيكون معظم محتويات البلاجات الرملية والكثبان الرملية الساحلية، وعند ترسبه يتكون الحجر الرملى Sandstone .

العوامل المؤثرة فى التجوية:

تؤثر عدة عوامل فى نمط ومعدل تجوية الصخر، فالتجوية الميكانيكية تؤثر فى معدل التجوية، بأن تكسر الصخر إلى قطع أصغر، وبالتالى تزيد المساحة المكشوفة لعمليات التجوية الكيميائية وهذه العوامل هى:

1 - خصائص الصخر:

تشمل خصائص الصخر كل سمات الصخر الكيميائية، مثل التركيب المعدنى وقابلية الذوبان، بالإضافة إلى المظاهر الطبيعية مثل المفاصل Joints التى تؤثر فى قدرة المياه على النفاذ فى الصخر، ويتوقف التنوع فى معدلات التجوية على المحتوى المعدنى الذى يتوقف على الشواهد المكونة للصخر الأصلى، فمثلاً شواهد الجرنيت الذى يتكون من معادن السيليكات مقاومة نسبياً لعمليات التجوية الكيميائية ، وعلى العكس يوضح شاهد الرخام علامات التجوية الكيميائية التى تحدث فى فترة زمنية قصيرة، حيث أن الرخام مركب من كالسيت Calcite ( كربونات الكالسيوم ) التى تذوب حتى فى محلول حمضى ضعيف.

2– المناخ : Climate

إن العوامل المناخية خاصة الحرارة والرطوبة مؤثرةً جداً فى معدل تجوية الصخر، وأن من أهم أمثلة التجوية الميكانيكية هى دورات التجمد ـ الذوبان والتى تؤثر بدرجة عظيمة فى كمية تجوية التجمد أو تجوية الصقيع، ولدرجة الحرارة والرطوبة تأثير قوى على معدلات التجوية الكيميائية، وعلى نوع وكمية الغطاء النباتى، فالمناطق الوفيرة بالغطاء النباتى ذات غطاء تربة سميك وغنية بالمادة العضوية المتحللة، وبالتالى تزيد التجوية الكيميائية بينما تقلل النباتات التجوية الميكانيكية، وأفضل بيئات التجوية الكيميائية بيئة ترتفع بها درجات الحرارة والرطوبة المطلقة كما في المناطق الاستوائية.

3– التجوية المتغيرة : Differenatial Weathering

إن الصخور المكشوفة على سطح الأرض عادة لا تتجوى بنفس المعدل، بسبب التنوعات فى عدد من العوامل مثل التركيب المعدنى، ومقدار الفواصل وبعض العناصر التى تسبب اختلافات هامة، وتؤثر كثير من العوامل فى نوع ومعدل تجوية الصخر، ومن ثم فإن التجوية المتغيرة والتعرية اللاحقة تخلق تكوينات صخرية وأشكال أرضية مثيرة وغير عادية، مثل أقواس النصر Arches والأبراج الصخرية Rock Pinnacles.

ومما تقدم نلاحظ أن التجوية تلعب دور هام فى النحت؛ حيث تجهز المفتتات لعوامل التعرية فى شكل طبقة سطحية رقيقة تسمى الغلاف الصخرى Regolith، التى تقوم عوامل التعرية بنقلها إلى أماكن أخرى .