سنگ‌ها (علوم تیزهوشان هشتم)
در مدرسه، خیابان و طبیعت با سنگ سروکار داریم. سنگ مادهٔ جامد طبیعی است که از یک یا چند کانی و گاهی بقایای جانداران یا شیشه ساخته شده است؛ پس کوچک‌ترین واحد سازندهٔ سنگ کانی است. گرانیت از کوارتز، فلدسپار و میکا، سنگ آهک از کلسیت و ماسهسنگ از دانههای کوارتز و سیمان ساخته شدهاند.
چرخهٔ سنگ و منابع
سنگ‌ها ثابت نیستند و در میلیون‌ها سال به هم تبدیل میشوند: ماگما با سرد و جامد شدن سنگ آذرین میشود؛ هر سنگی با هوازدگی، فرسایش، حمل، رسوبگذاری، فشردگی و سیمانی شدن سنگ رسوبی میشود؛ هر سنگی با گرما، فشار و محلول‌های داغ بدون ذوب سنگ دگرگونی میشود؛ و هر سنگی با ذوب دوباره ماگما میشود. سنگ‌ها منبع مصالح ساختمانی (گرانیت، مرمر، آهک)، سیمان، گچ، آجر، نمک، سوخت (زغال‌سنگ)، فلزها و سنگهای زینتی‌اند؛ تخت جمشید با سنگ آهک و مرمر ساخته شده است.
برای بررسی پراکندگی سنگ‌ها در استان، نقشهٔ زمین‌شناسی را از سازمان زمین‌شناسی کشور می‌گیریم، راهنمای نقشه را که هر رنگ را یک واحد سنگی با سن و نوع معین می‌داند می‌خوانیم و جدول نام، نوع، سن، محل و کاربرد سنگ را می‌سازیم. در ایران البرز (دماوند) سنگهای آتشفشانی و آهک، زاگرس سنگ آهک، رسوبات، نفت و گاز و گنبدهای نمکی، همدان (الوند) گرانیت و دگرگونی مجاورتی، ایران مرکزی نمک، ژیپس و رسوبات تبخیری کویر و سواحل خزر رسوبات آبرفتی و ماسه‌ای دارد.
سنگهای آذرین و تشکیل ماگما
سنگ آذرین از سرد و جامد شدن ماگما ساخته میشود. ماگما سنگ مذاب زیر سطح زمین همراه با گازهای محلول است و گدازه ماگمایی است که به سطح رسیده و گازهایش را از دست داده است. دما با عمق زیاد میشود (حدود ۲۵ تا ۳۰ درجه در هر کیلومتر)، اما گوشته جامد است، چون فشار زیاد نقطهٔ ذوب را بالا می‌برد. ماگما از سه راه تشکیل میشود:
- کاهش فشار: گوشتهٔ داغ بالا میآید و با کم شدن فشار ذوب میشود (پشته‌های میان‌اقیانوسی، رخنه‌های قاره‌ای و نقاط داغ).
- افزودن آب: آب نقطهٔ ذوب را کم میکند؛ در مناطق فرورانش ورقهٔ اقیانوسی آب‌دار به زیر ورقهٔ دیگر میرود.
- افزایش دما: گرمای ماگمای تازه سنگهای پوستهٔ قاره‌ای را ذوب میکند.
ماگما چگالی کمتری از سنگ اطراف دارد، پس مثل حباب بالا میرود و از شکافها و دودکش عبور میکند یا در عمق سرد میشود. فشار سنگ در عمق ادامهٔ فرمول را افقی ببین است؛ با چگالی ادامهٔ فرمول را افقی ببین در هر کیلومتر حدود ادامهٔ فرمول را افقی ببین، یعنی ۲۷۰ برابر فشار هوا. با شیب ۳۰ درجه بر کیلومتر و دمای سطح ۱۵ درجه، دما در عمق ۱۰ کیلومتر حدود ۳۱۵ درجه است.
درونی و بیرونی: سنگ آذرین درونی در عمق و آهسته (هزاران تا میلیون‌ها سال) سرد میشود و بافت درشتبلور دارد که بلورهایش با چشم دیده میشوند و شکل بلوری کامل‌تری می‌گیرند (گرانیت، گابرو، دیوریت). سنگ آذرین بیرونی در سطح زمین و سریع سرد میشود؛ دمای ماگما حدود ۱۰۰۰ درجه به‌سرعت پایین میآید و بلورها فرصت رشد ندارند، پس ریزبلور یا شیشهای است (ریولیت، بازالت، آندزیت). بافت یعنی اندازه و شکل بلورها و ارتباط آنها، و نخستین قدم تشخیص درونی یا بیرونی بودن، بررسی درشتبلور یا ریزبلور بودن است. یک ماگما می‌تواند هر دو را بسازد: گرانیت (درونی) و ریولیت (بیرونی) ترکیب مشابه روشن و پرسیلیس دارند و گابرو و بازالت ترکیب مشابه تیره با آهن و منیزیم بیشتر؛ دیوریت و آندزیت میانی‌اند. پس تفاوت اصلی آنها در بافت است، نه ترکیب. اگر ماگما دو مرحله سرد شود، بافت پورفیری با بلورهای درشت در زمینهٔ ریز پدید میآید (سنگهای مس سرچشمه). ابسیدین شیشهٔ آتشفشانی بدون بلور و پومیس (سنگ‌پا) پر از حفرهٔ گاز است و با چگالی کمتر از ۱ روی آب شناور می‌ماند؛ مثلاً ۶۰ گرم پومیس با حجم ۱۲۰ سانتی‌متر مکعب چگالی ۰٫۵ دارد. زمان سرد شدن تقریباً با مربع ضخامت زیاد میشود؛ تودهٔ یک کیلومتری میلیون برابر یک جریان گدازهٔ یک متری زمان می‌خواهد و بلورهایش فرصت رشد دارند.
آتشفشان‌های ایران: دماوند در البرز با ارتفاع حدود ۵۶۰۹ متر بلندترین قلهٔ ایران، خفته و دارای گوگرد و چشمه‌های آب گرم؛ سبلان در اردبیل با دریاچهٔ دهانه و چشمه‌های آب گرم سرعین؛ سهند در آذربایجان شرقی؛ تفتان در سیستان و بلوچستان که هنوز گاز و بخار گوگرد بیرون میدهد؛ و بزمان. آتشفشان خفته ممکن است دوباره فعال شود، اما فعالیت آتشفشان خاموش بسیار بعید است. زمین‌لرزه‌های پیاپی کم‌عمق، افزایش گاز و دمای چشمه‌ها و برآمدگی دامنه نشانهٔ بیداری‌اند. با کاهش حدود ۶٫۵ درجه دما در هر ۱۰۰۰ متر، قلهٔ دماوند حتی وقتی دمای ساحل ۳۰ درجه است زیر صفر است.
سنگهای رسوبی
مراحل تشکیل: هوازدگی (شکستن فیزیکی مثل یخ زدن و تجزیهٔ شیمیایی مثل انحلال)، فرسایش و حمل با آب، باد، یخچال و جاذبه، رسوبگذاری لایه‌لایه در دریا، دریاچه، رود و صحرا و سنگ‌شدگی با فشردگی لایههای بالایی و سیمانی شدن (کلسیت، سیلیس یا آهن دانه‌ها را می‌چسباند). سنگهای رسوبی لایه‌ای و افقی نهشته میشوند و نیروهای زمین‌ساختی در صدها هزار تا میلیون‌ها سال آنها را چین‌خورده و گسل‌خورده میکنند.
انواع: آواری از تکه‌های سنگهای قدیمی (کنگلومرا با دانههای درشت گرد، برش، ماسهسنگ، سیلت‌سنگ و شیل؛ در رود، ساحل و صحرا)، شیمیایی از رسوب مواد حل‌شده با تبخیر یا واکنش (سنگ آهک شیمیایی، تراورتن، گچ، نمک و چرت؛ در دریاچه و دریای گرم و خشک، چشمه‌ها و غارها) و آلی از بقایای جانداران (زغال‌سنگ از گیاهان، آهک صدفی و مرجانی؛ در مرداب و دریای کم‌عمق). اندازهٔ ذرات از درشت به ریز: شن (بیش از ۲ میلی‌متر)، ماسه، سیلت و رس (کمتر از ۰٫۰۰۴ میلی‌متر) که به‌ترتیب کنگلومرا، ماسهسنگ، سیلت‌سنگ و شیل می‌سازند. با رسوبگذاری ۰٫۵ میلی‌متر در سال، لایهٔ ۱۰ متری در ۲۰ هزار سال ساخته میشود و طبق اصل برهم‌نهشت لایههای پایین‌تر قدیمی‌ترند. گلی که ۵۰٪ آب دارد پس از سنگ‌شدگی تقریباً نصف ضخامت پیدا میکند.
اهداف مطالعه: تعیین سن زمین‌شناسی با فسیل‌ها و برهم‌نهشت، شناخت محیط و آب‌وهوای قدیم (نمک و گچ نشان گرم و خشک و زغال نشان گرم و مرطوب)، جهت جریان آب قدیم و منابعی مثل نفت، گاز، زغال‌سنگ، نمک، گچ و آهک. ساخت‌های رسوبی رویدادهای محیط رسوبی را نشان می‌دهند: ریپل‌مارک نامتقارن جهت جریان، لایه‌بندی مورب تل ماسه یا دلتا، لایه‌بندی تدریجی (درشت در پایین و ریز در بالا) کاهش انرژی آب و ترک‌های گل خشک شدن و بیرون آمدن از آب را نشان می‌دهند.
سنگهای دگرگونی
دگرگونی تغییر کانی‌ها و بافت سنگ در حالت جامد و بدون ذوب بر اثر گرما، فشار و محلول‌های شیمیایی است؛ شرایط آن میان رسوبگذاری و ذوب است و اگر سنگ ذوب شود، ماگما و سپس آذرین میشود. انواع: مجاورتی با گرمای زیاد و فشار کم در اطراف تودهٔ آذرین (هورنفلس، مرمر از آهک، کوارتزیت از ماسهسنگ)؛ ناحیه‌ای با گرما و فشار زیاد در مناطق وسیع کوه‌زایی و برخورد ورقه‌ها (اسلیت، شیست، گنایس)؛ دینامیکی با فشار و برش اطراف گسل؛ و گرمابی با محلول‌های داغ در شکافها. فشار جهتدار کانی‌ها را موازی میکند و بافت برگوارگی میسازد (اسلیت، فیلیت، شیست، گنایس)، اما سنگهای مجاورتی بافت دانه‌ای بدون برگوارگی دارند (مرمر، کوارتزیت، هورنفلس). با افزایش درجهٔ دگرگونی، شیل به‌ترتیب اسلیت، فیلیت، شیست و گنایس میشود؛ گرانیت به گنایس و زغال‌سنگ به آنتراسیت و گرافیت تبدیل میشود. سنگ آهک در دگرگونی همان ترکیب را با بلورهای درشت و به‌هم‌چسبیده نگه می‌دارد، سخت‌تر و براق‌تر میشود و فسیل‌هایش از بین میرود: مرمر.
نمونهٔ ایران: کوه الوند در همدان تودهٔ آذرین درونی با ترکیب عمدتاً گرانیتی است و سنگهای اطرافش هنگام نفوذ تودهٔ گرانیتی دگرگون شدهاند: دگرگونی مجاورتی که عامل اصلی آن دماست و فشار نقش کمتری دارد. چون سنگ‌ها رسانای خوبی برای گرما نیستند، با دور شدن از توده شدت دگرگونی کم میشود و هالهٔ دگرگونی پدید میآید؛ شیل و ماسهسنگ نزدیک توده به هورنفلس و دورتر به اسلیت و شیست تبدیل شدهاند. اگر دما در دو کیلومتر از ۷۰۰ به ۱۰۰ درجه برسد، در فاصلهٔ ۵۰۰ متری حدود ۵۵۰ و در ۱٫۵ کیلومتری حدود ۲۵۰ درجه است.
عوامل دگرگون‌ساز: دما بلورسازی دوباره و درشتتر شدن بلورها و کانی‌های تازه را باعث میشود؛ فشار سنگ را فشرده و جهتدار و برگواره میکند؛ محلول‌های شیمیایی یون‌ها را جابهجا و کانی‌های تازه می‌سازند؛ و زمان هرچه بیشتر باشد، تغییر کامل‌تر است. بعضی سنگ‌ها در دمای بالا و فشار کم، بعضی در فشار بالا و دمای کم و بعضی در دما و فشار بالا ساخته میشوند.
مقایسه و پرسش‌ها
سنگ رسوبی از رسوب و سنگ‌شدگی، لایه‌لایه، معمولاً فسیلدار، با دانههای تخریبی و سیمان، تخلخل زیاد و معمولاً نرم‌تر است و نفت، گاز و زغال دارد. سنگ آذرین از سرد شدن ماگما با بلورهای درهم‌رفته یا شیشه، بدون فسیل و سخت است. سنگ دگرگونی از تغییر در حالت جامد با برگوارگی یا بلورهای دانه‌ای، معمولاً بدون فسیل و سخت است. کنگلومرا و ماسهسنگ آواری‌اند و در رود، دلتا، ساحل و صحرا تشکیل میشوند؛ گچ و نمک شیمیایی و تبخیری‌اند و در دریاچه و دریای کم‌عمق گرم و خشک؛ زغال‌سنگ آلی است و در مرداب و باتلاق؛ تراورتن شیمیایی است و در چشمه‌های آب گرم آهکی و غارها. نفت و گاز در سنگ آذرین و دگرگونی پدید نمی‌آید، چون از مادهٔ آلی دفن‌شده در سنگهای رسوبی در دمای مناسب و طی میلیون‌ها سال ساخته میشود؛ ماگمای ۷۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه هیچ مادهٔ آلی‌ای را باقی نمی‌گذارد، دما و فشار دگرگونی مواد آلی را از بین می‌برد و این سنگ‌ها تخلخل و نفوذپذیری کمی برای مخزن دارند؛ پس نفت و گاز در حوضه‌های رسوبی مثل زاگرس و خلیج فارس است.
اشتباه‌های رایج
| اشتباه | درست |
|---|---|
| دگرگونی یعنی ذوب شدن. | در حالت جامد رخ میدهد. |
| ماگما و گدازه یکی‌اند. | ماگما زیر زمین و گدازه روی سطح است. |
| سنگ آذرین بیرونی درشتبلور است. | ریزبلور یا شیشهای است. |
| گرانیت و ریولیت ترکیب متفاوت دارند. | ترکیب مشابه و بافت متفاوت دارند. |
| آتشفشان خفته مرده است. | ممکن است دوباره فعال شود. |
| مرمر از ماگماست. | آهک دگرگون‌شده است. |