أنواع الصخور وخصائصها

الصخور

تعرف الصخور بأنها خليط من المعادن بنسب متفاوتة و بالتالي يكون لها تركيب كيميائي مميز. على سيل المثال الجرانيت يحتوى على ثلاثة معادن رئيسية هي الكوارتز – المايكا – الفلورسبارت. و قد يحتوى الصخر على نوع واحد من المعادن مثل صخر ملح الطعام النقي المعروف باسم الهاليات.

و يمكن تقسيم الصخور إلى ثلاثة أقسام رئيسية:

1)     الصخور النارية

من المعروف انه في باطن الأرض أن هناك مادة صخرية منصهرة تسمى الصهارة و لها كثافة أقل من كثافة الصخور المحيطة بها. و هذه المادة تكون واقعة تحت ضغوط عالية، و إذا قلت هذه الضغوط لسبب أو لأخر فان هذه المادة تتدفق إلى أعلى فى هيئة حمم بركانية من فوهات البراكين. و أثناء هذه الرحلة تحدث عملية التبلور لهذه المادة مكونة الصخور النارية.

و يمكن تقسيم الصخور النارية حسب موضع تكونها بالنسبة لسطح الأرض (قريبة – متوسطة – بعيدة) و كذلك يمكن تصنيفها حسب تركيبها الكيميائي( صخور حامضية – صخور قاعدية)

  الصخور الرسوبية

سميت هذه الصخور بهذه التسمية لأنها تتعرض لعملية ترسيب، و هي عبارة عن طبقات و بها فجوات. و يمكن تصنيف الصخور الرسوبية من حيث نشأتها إلى ثلاثة أقسام رئيسية:

ا) صخور ميكانيكية النشأة

مثل الحصى – الرمال – الطين-……..

ب) صخور عضوية النشأة

و هي تنشأ نتيجة لتراكم المواد العضوية، مثل بعض الصخور الجيرية و الفحم و الفوسفات العضوي.

ج) صخور كيميائية النشأة

و تنشأ هذه الصخور من عمليات التبخير و التفاعل الكيميائى بين المحاليل، و من أمثلة هذه الصخور الحجر الجيري و الجبس و …….

2)     الصخور المتحولة

تنشأ هذه الصخور نتيجة لتعرض الصخور النارية أو الرسوبية لعوامل الضغط و الحرارة و المحاليل الكيميائية النشطة. و يحدث ذلك التحويل عندما تتغير الظروف الطبيعية و الكيميائية التي تتعرض لها الصخور مما يجعل كثيرا من المعادن المكونة للصخر غير ثابتة للظروف الجديدة و بالتالي تتحول إلى معادن جديدة تكون أكثر ملائمة للبيئة الجديدة.

الخواص الميكانيكية و الفيزيائية للصخور

أولا الخواص الفيزيائية

تتلخص الخواص الفيزيائية للصخور في:

1-     المسامية

و هي نسبة حجم الفراغات في عينة ما إلى الحجم الكلى للعينة.

و تعتمد المسامية على عدة عوامل منها شكل الحبيبات و حجمها و كيفية ترتيبها و درجة الانضغاط و صلادة الجسم، فمثلا تزداد المسامية بزيادة الشقوق و الفواصل في الصخر.

2-     المحتوى المائي

و هو عبارة عن النسبة بين وزن الماء الموجود داخل فجوات العينة إلى وزن المادة الصلبة الجافة في العينة.

3-     الوزن النوعي

هو وزن حجم معين من المادة الصخرية الو وزن نفس الحجم من الماء.

4-     الكثافة

وهى عبارة وزن وحدة حجم معين من المادة المعدنية الصلبة المكونة للصخر.

5-     النفاذية

هي قابلية مرور الماء عبر الصخر من خلال فجواته التي يتصل بعضها ببعض.

و تتوقف النفاية على عدة عوامل منها درجة لزوجة السائل، درجة الحرارة، حجم الفراغات، انحدار العينة.

6-     متانة الصخر

يقصد بها مدى مقاومة الصخر للظروف و العوامل الطبيعية التي تحيط به مثل الأمطار التي تؤثر على الصخور الجيرية فتؤدى إلى إذابتها و عمل بعض الفجوات بها مما يؤدى إلى الكثير من المشاكل الجيولوجية مثل انهيار الطرق و المباني.

ثانيا الخواص الميكانيكية

عندما تتعرض المواد الصلبة و بصفة خاصة الصخور لقوى خارجية قد يؤدى ذلك إلى تغير في شكلها الأصلي أو حجمها أو الاثنين معا، و يقال في هذه الحالة حدث تشوه للمادة. لذلك يجب علينا دراسة أنواع القوى المؤثرة على المادة , أنواع التشوه الحادثة بها، لذلك يجب علينا دراسة المرونة بشئ من التفصيل.

المرونة

المرونة هي ظاهرة في الجسم تمكنه مكن استعادة وضعه الأصلي بعد زوال القوة المؤثرة.

و وفقا لهذا التعريف يمكننا تقسيم المواد حسب مرونتها إلى قسمين:

الجسم المرن:- هو الجسم الذي يقاوم التشوه الحادث فيه، أو هو الجسم الذي يستعيد وضعه الأصلي بعد زوال القوة المؤثرة.

الجسم اللدن:- و هو الجسم الذي يحتفظ بالتشوه الحادث فيه، أو هو الجسم الذي لا يستعيد حالته الأولى بعد زوال القوة المؤثرة.

الإجهاد   Stress

يعرف الإجهاد بأنه القوة المؤثرة عموديا على وحدة المساحات من الجسم. فإذا أثرت قوة  F  على مساحة A   من الجسم فأن الإجهاد يعطى من العلاقة:

Stress = F/A

و وحدة الإجهاد هي داين / سم2. و يختلف نوع الإجهاد الحادث باختلاف نوع القوة المؤثرة. , حيث أن القوى المؤثرة على الجسم يمكن تقسيمها إلى

1- قوة ضغط       2- قوة شد         3- قوة قص

فان الإجهاد الناتج يكون له ثلاثة أنواع.

1) إجهاد طولي     Tensile stress

و في هذه الحالة يحدث تغير في طول الجسم لأن القوة المؤثرة تعمل على طول الجسم.

2) إجهاد ضاغط     Compressive stress

و في هذه الحالة يحدث انكماش للجسم، كوضع جسم تحت قوتين متضادتين.

3) إجهاد قصي    Shear stress

هذا النوع من الإجهاد يؤدى إلى تغير شكل الجسم، مثل التأثير بقوة مماسية على جسم من المطاط على شكل مكعب مثبت من قاعدته.

الانفعال

طالما هناك قوة مؤثرة على الجسم فان هناك إجهاد و طالما يوجد الإجهاد فان هناك تغير في الجسم و هو ما يسمى بالانفعال.

فعند تأثير إجهاد على الجسم فان مقدار التغير في أبعاد الجسم إلى البعد الأصلي أو التغير في شكل الجسم إلى الشكل الأصلي هو الانفعال.

و لذلك يكون للانفعال ثلاث أنواع:

1)     الانفعال الطولي

و هو مقدار التغير في طول الجسم إلى الطول الأصلي

2)     الانفعال الحجمي

و هو مقدار التغير في حجم الجسم إلى الحجم الأصلي

3)     الانفعال القصي

و هو مقدار التغير في شكل الجسم إلى الشكل الأصلي ( دائما عبارة عن زاوية).

من الأنواع السابقة للانفعال نستنتج بأنه ليس له وحدة، حيث أنه دائما نسبة بين كميتين من نفس النوع.

العلاقة بين الإجهاد الطولي و الانفعال الطولي

نفرض لدينا قضيب طوله L  و مساحة مقطعه A  مثبت راسيا من أحد طرفيه و معلق في طرفه الأخر ثقل ذو قوة شد  F  كما هو موضح بالرسم.

و نتيجة لتأثير هذه القوة سوف تحدث استطالة للقضيب و ليكن بالمقدار ΔL. و بذلك يكون الإجهاد المؤثر هو(F/A ) و يكون الانفعال الناتج هو (ΔL/L ). 

فإذا استبدلنا الثقل بأثقال أخرى تزداد تدريجيا و فى كل مرة نعين الانفعال الحادث، فانه يمكننا دراسة العلاقة بين الإجهاد و الانفعال، و التى تشبه العلاقة الموضحة بالرسم التالى.

يسمى المنحنى الذي يربط بين الانفعال و الإجهاد بمنحنى المرونة. ويشتمل منحنى المرونة على المناطق التالية:

1- الخط المستقيم  OA   و الذي يوضح أن الإجهاد يتناسب تناسب طردي مع الانفعال و إذا أذيل الإجهاد المؤثر على هذا الجسم خلال تلك المنطقة، فان الجسم يستعيد وضعه الأصلي. و يكون الجسم في هذه المنطقة تام المرونة، كما تسمى النقطة  A  حد المرونة.

2- المنطقة   AB   و توضح هذه المنطقة أن الانفعال لم يعد يتناسب مع الإجهاد و يكون سلوك الجسم فى هذه المنطقة سلوك عشوائى أو فى حالة من عدم الاستقرار. كما تسمى النقطة B    نقطة الإذعان.

3- إذا تخطت المادة النقطة B  فان أي زيادة صغيرة في قيمة الإجهاد تسبب زيادة كبيرة في قيمة الانفعال الحادث حتى تصل المادة إلى النقطة C  و هي تمثل أقصى قيمة للإجهاد المطبق على الجسم.

4- بعد النقطة  C  نلاحظ استمرار انفعال الجسم دون حدوث أي زيادة في الإجهاد حتى تصل حالة الجسم إلى النقطة D التي يحدث عندها الاختناق و يؤدى ذلك إلى انفصال الجسم. وتسم النقطة  D  نقطة الكسر.

قانون هوك       Hook’s low

ينص قانون هوك على أن الإجهاد يتناسب تناسبا طرديا مع الانفعال إذا كان مدى التأثير لا يتعدى منطقة المرونة.

Stress = constant x Strain                    (*)

و يسمى ثابت التناسب بين الإجهاد و الانفعال بثابت المرونة أو معامل المرونة و له نفس وحدة الإجهاد. و لهذا الثابت ثلاث أنواع حسب كيفية الإجهاد المؤثر و هي:

1-     معامل المرونة الطولي (معامل ينج)

إذا أثرت قوة شد F  على سلك مساحة مقطعه A  و طوله  L  ، فإنها سوف تحدث استطالة مقدارها ΔL. و تأخذ العلاقة  (*) الشكل

                                    (1)

و يسمى الثابت في هذه الحالة معامل ينج ( Y ). حيث أن

                                                 (2)

2-     معامل المرونة الحجمى

إذا أثرت قوة ضغط P (إجهاد) على حجم  V  من جسم، فان هذا الضغط سوف يعمل على تغير حجم الجسم ( حدوث انكماش) بالمقدار ΔV  و يكون معامل المرونة الحجمى هو B .

                                                    (3)

و الإشارة السالبة تعنى حدوث انكماش في الجسم ( نقص في الحجم). و يسمى مقلوب معامل المرونة الحجمى بالقابلية الانضغاطية و يرمز له بالرمز K . حيث أن:

                K  =                              (4)

3-     معامل المرونة القصي (معامل المتانة)

هو النسبة بين القوة المماسية F  المؤثرة على وحدة المساحات A  و زاوية القصي  Φ. فإذا أثرت قوة مماسية على السطح العلوي لمكعب بحيث تسبب إزاحة صغيرة له دون أن تأثر على القاعدة ( مثبت من القاعدة). و بذلك فان معامل المتانة يأخذ الصورة:

                                                       (5)

حيث S  هو معامل المرونة القصي.

حالات المادة

  المادة إما أن تكون في الحالة الصلبة أو الحالة السائلة أو الحالة الغازية وفقا لنوع القوى التي تربط بين جزيئات المادة. فعندما تكون قوى الترابط قوية فان المادة تتواجد في حالتها الصلبة و عندما تكون قوة الترابط متوسطة فان المادة تتواجد في حالتها السائلة وعندما تكون هذه القوة ضعيفة جدا يكون ذلك مميزا للحالة الغازية للمادة.

هذا و توجد حالة رابعة للمادة يطلق عليها حالة البلازما. و تتكون البلازما من خليط من الأيونات السالبة و الموجبة مع الذرات المتعادلة في درجات حرارة عالية جدا. و تعد الشمس و النجوم مثالا لحالة البلازما.

و تعتمد كل حالة من حالات المادة على الضغط و درجة الحرارة. و يمكن أن تتحول المادة من إحدى صورها إلى صورة أخرى تحت تأثير هاذين العاملين. فمثلا لو انخفضت درجة حرارة الماء (حالة سائلة) لتحول إلى جليد (حالة صلبة) و هذا التحول له تأثير كبير على تركيب المادة و بالتالي على خصائصها.  حيث أن تحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة يكون مصاحبا بزيادة في الحجم و بذلك يحدث ما يسمى بالانزلاق الأرضي و غيرة من المخاطر.

المعادن

المعادن عبارة عن مواد صلبة غير عضوية تتكون بفعل عوامل طبيعية ولها تركيب كيميائي محدد. و لكل معدن تركيب داخلي معين وهذا التركيب الداخلي يعتبر الأساس الذي تتوقف عليه جميع خواص المعدن سواء كانت طبيعية، كهربية، مغناطيسية أو ميكانيكية. و قد يبدو من الشكل الخارجي للمعدن أنه غير منتظم، و لكن في الواقع له تركيب داخلي منتظم، و مثال ذلك معدن ملح الطعام (كلوريد الصوديوم)   NaCl  الذي يكون له تركيب بلوري كما بالشكل الأتي.

خواص المعدن

للمعادن الكثير من الخصائص المختلفة والى عن طريقها يمكننا التميز بين معدن و آخر، وهى:

1-     خواص الطبيعية

و نعنى بالخواص الطبيعية  التركيب البلوري. حيث أن كل معدن له تركيب بلوري معين من حيث شكل و حجم البلورات و كذلك ترتيب أو رص البلورات في الشبكة البلورية للمعدن.

2-     خواص ضوئية

الخواص الضوئية للمعدن تشمل اللون وقابلية الخدش و البريق و الشفافية و انكسار و انعكاس الضوء من خلال هذا المعدن.

3-     خواص ميكانيكية

مثل صلابة المعدن، التشقق، التفلق، قابلية السحب و الطرق.

4-     خواص كهربية

و نعنى بالخصائص الكهربية للمعدن هو قدرة المعدن على التوصيل الكهربي. و هل هذا المعدن جيد أو رديء أو عازل للكهربية.

5-     خواص كيميائية

مثل قابليته للتفاعل مع العناصر المختلفة، ثقله النوعي.

6- خواص خاصة

حيث أن كل معدن له عدة خواص تميزه عن غيره من المعادن مثل الطعم، الملمس، الرائحة، قابليته للانصهار.