Dating ductile deformation of the Earth’s crust: the critical role of fluids

إن قشرة الأرض ليست غلافاً ثابتاً؛ بل هي طبقة ديناميكية تتحرك وتطوى وتتمدد باستمرار تحت ضغط هائل. فعندما تُعصر الصخور في أعماق الأرض وتتعرض للحرارة، فإنها لا تنكسر دائماً مثل الزجاج الهش، بل يمكنها بدلاً من ذلك أن تتدفق ببطء على مدى ملايين السنين، وهي عملية تُعرف باسم التشوه اللدن (ductile deformation). وهذا التحرك البلاستيكي البطيء أمر بالغ الأهمية لفهم كيفية تشكل السلاسل الجبلية وكيفية تفريغ الكوكب للإجهاد. ولبناء نماذج دقيقة لهذه الأحداث، يحتاج الجيولوجيون إلى معرفة متى كانت الصخور تتحرك بدقة. ومع ذلك، ظل تحديد عمر هذا التدفق البطيء لغزاً لفترة طويلة. فالطرق التقليدية غالباً ما تفترض أنه مع تشوه الصخور، يتم إعادة ضبط ساعاتها الكيميائية الداخلية تلقائياً، مما يوفر طابعاً زمنياً واضحاً للحدث. لكن هذا الافتراض يعتمد على فكرة أن الصخور مختلطة تماماً ومتجانسة كيميائياً، وهي فكرة يصعب التحقق منها دون النظر بدقة شديدة إلى العالم المجهري داخل الصخر.

لقد تحدى فريق من الباحثين من جامعات في سويسرا وألمانيا هذا الافتراض القائم منذ فترة طويلة من خلال فحص شريحة محددة من قشرة الأرض في جبال الألب السويسرية. فقد ركزوا على منطقة تعرض فيها الجرانيت القديم للضغط ليتحول إلى صخر دقيق الحبيبات وجارٍ، يسمى "الميلونيت" (mylonite). ومن خلال الجمع بين الخرائط الكيميائية عالية الدقة وتقنيات التأريخ الدقيقة، اكتشفوا أن مجرد عصر الصخور ليس كافياً لإعادة ضبط ساعتها الداخلية. وبدلاً من ذلك، وجدوا أن وجود السوائل الغنية بالمياه هو المكون الحاسم الذي يسمح للأنظمة الكيميائية للصخور بإعادة الضبط وتسجيل وقت التشوه. وهذا الاكتشاف يغير كيفية تفسير العلماء لتاريخ بناء الجبال، مما يشير إلى أنه بدون السوائل، تحتفظ الصخور بذكريات قديمة عن ماضيها، حتى أثناء تعرضها للسحق وإعادة التشكيل.

درس الباحثون قسماً من "نبة غوتهارد" (Gotthard nappe)، وهي كتلة ضخمة من الصخور في جبال الألب السويسرية، والتي دُفعت للأعلى أثناء تصادم الصفائح التكتونية الأوروبية والأدرياتيكية. وقد جمعوا عينات من الجرانيت التي تعرضت لدرجات متفاوتة من التشوه، من الصخور التي تمددت قليلاً فقط إلى الصخور التي طُحنت لتصبح ميلونيت ناعماً للغاية وسلساً. وباستخدام مجاهر متطورة ومحللات كيميائية، أنشأوا خرائط تفصيلية للمعادن داخل هذه الصخور، وبالتحديد بحثوا في الميكا البيضاء، والبيوتيت، والفلدسبار. تعمل هذه المعادن كساعات طبيعية لأنها تحتوي على عناصر مشعة تتحلل بمعدل معروف، مما يسمح للعلماء بحساب متى تشكلت المعادن أو متى تمت إعادة ضبطها كيميائياً لآخر مرة. استخدم الفريق طريقتين مختلفتين للتأريخ، إحداهما تعتمد على غاز الأرغون المحتبس في المعادن، والأخرى تعتمد على نسبة نظائر السترونشيوم، لقياس عمر أجزاء مختلفة من نفس عينة الصخر.

ما وجدوه كان مفاجئاً. ففي الصخور التي تعرضت لتشوه متوسط، أظهرت الساعات الكيميائية مجموعة واسة من الأعمار، بعضها قديم جداً وبعضها أحدث. وبينما كانوا ينتقلون نحو الأجزاء الأكثر تشوهاً في منطقة القص، حيث طُحنت الصخور لتصبح كالعجينة الناعمة، توقعوا العثور على عمر واحد موحد يمثل وقت السحق. وبدلاً من ذلك، وجدوا أن الصخور الأكثر تشوهاً لا تزال تحتوي على كميات كبيرة من المواد القديمة التي لم تُعاد ضبطها. وفي الواقع، زادت وفرة هذه "البقايا" النظائرية القديمة مع زيادة شدة التشوه. وهذا يتناقض مباشرة مع الفرضية القائلة بأن التشوه والتفاعلات الكيميائية يحدثان في خطوة واحدة مثالية. فلو كانت الصخور تُخلط ببساطة بفعل الإجهاد الفيزيائي لبناء الجبال، لكان ينبغي مسح التوقيعات الكيميائية القديمة. إن بقاء هذه التوقيعات يشير إلى أن الإجهاد الفيزيائي وحده لا يمكنه إعادة ضبط الساعة الداخلية للصخر.

كان المفتاح لفك شفرة التوقيت الحقيقي للتشوه هو السوائل. فقد حدد الباحثون ثلاثة أجيال متميزة من المعادن: الأجيال الأقدم، التي تشكلت قبل بدء بناء الجبال، حُفظت في أنوية بعض البلورات. أما الجيل الثاني فقد تشكل خلال ذروة بناء الجبال، لكن هذه المعادن لم تعيد ضبط ساعاتها الكاسية بالكامل إلا في المناطق التي تواجدت فيها السوائل. أما الجيل الثالث فقد ظهر لاحقاً، خلال مرحلة التبريد، وكان مرتبطاً بوضوح بوصول سوائل جديدة تسببت في تغيير تركيب المعادن. ومن خلال فصل هذه الأجيال المعدنية المختلفة بعناية بناءً على بصماتها الكيميائية، تمكن الفريق من تحديد لحظات زمنية محددة. وقد حددوا أن المرحلة الرئيسية لبناء الجبال والتشوه اللدن المرتبط بها حدثت بين 18.8 مليون و17.1 مليون سنة مضت تقريباً. بينما حدثت مرحلة لاحقة من التبريد وحركة السو fluids حوالي 13.3 مليون سنة مضت.

كشفت الدراسة أيضاً أن السوائل كانت المحركات الرئيسية لإعادة التوازن الكيميائي والنظائري، وليس مجرد عصر الصخر أو درجة الحرارة وحدها. وبينما لم تكن الصخور نظاماً مغلقاً تماماً، وجد الباحثون أن عملية "الميلونيتة" (mylonitisation) حدثت في نظام شبه مغلق مع وصول محدود إلى السوائل المستمدة من الخارج. وفي المناطق الأكثر تشوهاً، أشارت التوقيعات الكيميائية إلى أن السوائل كانت نادرة، وهذا هو السبب في استمرار الإشارات النظائرية القديمة رغم الإجهاد الشديد. وفقط في الأماكن التي سهلت فيها السوائل التفاعلات، تم إعادة ضبط الساعات النظائرية لتسجيل عمر التشوه. وخلص الباحثون إلى أن حركة السوائل، وليس مجرد عصر الصخور أو درجة الحرارة وحدها، كانت المحرك الأساسي الذي سمح للمعادن بإعادة التوازن وتسجيل عمر التشوه. وهذا يعني أنه لتقدير تاريخ بناء سلسلة جبلية بدقة، يجب على الجيولوجيين أولاً فهم دور السوائل واستخدام الخرائط الكيميائية للتمييز بين المعادن التي تشكلت أثناء الحدث وتلك التي هي مجرد بقايا قديمة.

لهذا العمل تداعيات كبيرة على كيفية حسابنا لسرعة تشوه قشرة الأرض. فمن خلال تحديد المعادن المحددة التي أعيد ضبطها بواسطة السوائل أثناء التشوه، حسب الباحثون معدل انفعال (strain rate) يبلغ حوالي 8.68 مضروباً في 10 أس سالب 14 في الثانية. وهذا قياس لمدى سرعة تمدد الصخر. وتقديرهم هذا أكثر دقة من الحسابات السابقة لأنه يتجنب خلط المعادن القديمة والجديدة، وهو خطأ شائع في الدراسات السابقة. ويساعد هذا المعدل الدقيق العلماء على ربط الحركة البطيئة والعميقة لقشرة الأرض بالزلازل الأسرع والأكثر هشاشة التي تحدث بالقرب من السطح. فهو يوضح كيف يمكن أن يرتبط تراكم الإجهاد البطيء في وسط القشرة مباشرة بالتحرر المفاجئ للطاقة في القشرة العليا.

كما توفر النتائج صورة أوضح للتاريخ الجيولوجي لجبال الألب. إذ يتوافق توقيت التشوه مع الحركة نحو الغرب للحزام الجبلي، مما يشير إلى وجود صلة مباشرة بين التمدد اللدن العميق للقشرة وبين الطي الضحل الذي خلق جبال "جورا". وتظهر الدراسة أن الصخر تم استخراجه، أو رفعه إلى السطح، من عمق حوالي 33 كيلومتراً إلى حوالي 16 كيلومتراً خلال فترة أربع ملايين سنة، مبرداً من درجات حرارة تبلغ حوالي 537 درجة مئوية إلى 340 درجة مئوية. وقد حدث هذا التبريد والارتفاع بمعدل حوالي 4.3 كيلومتر لكل مليون سنة.

في نهاية المطاف، يثبت هذا البحث أن قصة بناء الجبال مكتوبة في التفاصيل الكيميائية للصخور، ولكن فقط إذا عرفنا كيف نقرؤها. إن وجود السوائل هو المفتاح الأساسي الذي يسمح بإعادة ضبط الساعات الداخلية للصخور وتسجيل وقت التشوه. فبدون السوائل، تحتفظ الصخر بتاريخها القديم، حتى أثناء إعادة تشكيلها. وهذه الرؤية تفرض تحولاً في كيفية مقاربة الجيولوجيين لتأريخ قشرة الأرض. فلم يعد كافياً مجرد سحق الصخر وتأريخه؛ بل يجب على العلماء الآن رسم خرائط للتركيب الكيميائي للمعادن للعثور على الأجزاء المحددة التي أعيد ضبطها بواسطة السوائل. ويضمن هذا النهج أن التواريخ التي يحصلون عليها تعكس حقاً اللحظة التي كانت فيها الجبال تُبنى، بدلاً من كونها مزيجاً من أحداث قديمة وجديدة. وتؤكد الدراسة أن السوائل، وليس الحرارة أو الضغط فحسب، هي المحركات الرئيسية للتغير الكيميائي في أعماق الأرض، وأن فهم هذه العلاقة أمر حيوي لإعادة بناء التاريخ الديناميكي للكوكب.