جيولوجيا

أصل التسمية

يسمى هذا العلم بـ «علم طبقات الأرض» وذلك كونه علم يدرس بينما يعود أصل كلمة جيولوجيا مشتقة من اللغة اليونانية القديمة، والمصطلح مكون من كلمتين حيث أن γῆ (جيو) تعني «أرض»، وλόγος (لوجيا) تعني «دراسة». و جل الكلمة تعني دراسة الأرض.

المواد الجيولوجية

تأتي غالبية البيانات الجيولوجية من البحوث المتعلقة بالمواد الأرضية الصلبة، والتي تندرج عادة من فئتي الصخور والمواد السائبة.

المواد السائبة

يتدارس الجيولوجيون أيضا المواد الغير متصلبة والتي هي عبارة عن مواد فضفاضة تتراوح أحجامها بين الطين و الرملو الحصى .التي تستطيع المياه الجوفية أن تسير بين حبيباتها لمسافات تختلف مع اختلاف حجم حبيبات التربة، وتُعرف دراسة المواد السائبة بدراسة العصر الرباعي وتشمل تلك الدراسة لعلم الرواسب ومورفولوجيا الأرض وعلم المناخ القديم.

هيكل الأرض

تقدم التطورات في علم الزلازل والنمذجة باستخدام الحاسوب وعلم المعادن وعلم البلورات عند درجات حرارة وضغوط عالية نظرة ثاقبة وقوية على التكوين الداخلي والهيكلي للأرض.
يمكن لعلماء الزلازل استخدام أوقات وصول الموجات الزلزالية في الاتجاه المعاكس لتصوير الجزء الداخلي للأرض، كما وأظهرت التطورات الحديثة في هذا المجال وجود نواة خارجية سائلة ونواة داخلية صلبة كثيفة، وأدت هذه التطورات أيضاً إلى تطوير نموذج لطبقات للأرض مع القشرة والغلاف الصخري في الأعلى والوشاح تحتها والنواة الخارجية والداخلية تحت ذلك. وتمكن علماء الزلازل مؤخراً من إنشاء صور مفصلة لسرعة الموجة داخل الأرض بالطريقة نفسها التي يقوم فيها الطبيب بتصوير الجسم في الأشعة المقطعية، وقد أدت هذه الصور إلى عرض أكثر تفصيلاً للجزء الداخلي من الأرض، واستبدلت نموذج الطبقات المبسط بنموذج أكثر ديناميكية.
لقد تمكن علماء المعادن من استخدام بيانات الضغط ودرجة الحرارة من الدراسات الزلزالية إلى جانب معرفة التكوين الأساسي للأرض من أجل إعادة إنتاج هذه الظروف في البيئات التجريبية وقياس التغيرات في تركيب البلورات، تفسر هذه الدراسات التغيرات الكيميائية المرتبطة بالانفصالات الزلزالية الرئيسية في الوشاح وتُظهر التركيبات البلورية المتوقعة في النواة الداخلية للأرض.

التطورات الجيولوجية التي تحدث في منطقة ما

تتغير الجيولوجيا لمنطقة ما مع مرور الزمن كالجزيئات الصخرية التي منها ما يترسب بمفرده والأخر يترسب فوق صخر ما، كما وتغير عمليات التشوه من شكلها وأماكن تواجدها.
توضع الوحدات الصخرية بداية إما عن طريق الترسيب على سطح ما أو عن طريق استيلاءها على سطح صخر ما وذلك بوجودها في علوية ذلك الصخر. يمكن أن يحدث الترسيب في حال استقرار الرواسب على سطح الأرض وتشكل طبقات عن طريق تصلبها وتحولها من رسوبيات إلى صخور رسوبية صلبة أو في حال مادة بركانية كالرماد البركاني أو الحمم البركانية التي تتدفق في باطن الأرض، تعتبر الرواسب النارية مثل: الباثوليثات أجساماً نارية عميقة ويكون شكلها غير منتظم، وكذلك تعتبر اللاكوليثات أجساماً نارية ضحلة ويكون شكلها منتظماً، أما القواطع (دايكات) والطبقات الافقية (سيلات) تترسب وتتجمع في علوية صخرها وتتبلور كما تطفلت.
بعد السلسلة الأولى من الصخور التي ترسبت، يمكن أن تتشوه الجزيئات الصخرية او تتحول لنوع آخر من الصخور.
يحدث التشوه عادة نتيجة للتقصر الأفقي، أو التمدد الأفقي أو الحركة الانزلاقية بشكل متعاكس، وتتعلق هذه النظم التركيبية بوجه عام بالحركات المتقاربة، والحركات الانفراجية والحركات الانزلاقية التي تقع ما بين الصفائح التكتونية.
يتسبب التمديد في أن تصبح الوحدات الصخرية ككل أطول وأكثر نحافة، يتم إنجاز هذا في المقام الأول من خلال التصدعات العادية ومن خلال التمدد المرن والترقيق. تُسقِط الصدوع العادية وحدات صخرية التي تكون أعلى من تلك الأقل، هذه عادة ما تؤدي إلى وضع الوحدات الأصغر سناً تحت الوحدات القديمة. توسيع الوحدات يمكن أن يؤدي إلى ترققها؛ في الواقع، هناك موقع ضمن ماريا فولد وحزام الدفع، حيث يمكن رؤية السلسلة الرسوبية الكاملة لجراند كانيون على طول أقل من متر. غالباً ما يتم تحويل الصخور أيضاً في العمق الذي يتم تمديده بشكل متناهي الصغر، هذه الصخور الممتدة يمكن أن تصطدم أيضًا بالعدسات، المعروفة باسم "بودان"، بعد الكلمة الفرنسية "السجق"، بسبب تشابهها البصري.

عندما تنزلق الوحدات الصخرية بعضها البعض، تتطور صدوع الانزلاق الصخري في المناطق الضحلة، وتصبح مناطق القص عند أعماق أكثر عمقاً حيث تتشوه الصخور بشكل مرن.
إضافة وحدات صخرية جديدة، سواء ترسيبيه أو تدخليه، غالباً ما تحدث أثناء التشوه. ينتج عن التصدع وغيره من العمليات التشوهية خلق تدرجات طوبوغرافية، مما يؤدي إلى تلف المواد على الوحدة الصخرية التي تتزايد في الارتفاع لتتلاشى بواسطة التلال والقنوات،  تترسب هذه الرواسب على الوحدة الصخرية التي تنخفض. تحافظ الحركة المستمرة على طول الصدع على الانحدار الطبوغرافي على الرغم من حركة الرواسب، وتستمر في توفير مساحة للسكن للمواد التي تترسب. غالبًا ما ترتبط الأحداث التشوهية أيضًا بالبراكين والنشاط الناري، يتراكم الرماد البركاني والحمم البركانية على السطح، وتدخل اندساسات صخرية نارية من الأسفل، تدخل على طول الشقوق، وبالتالي تتشكل في كثير من الأحيان بأعداد كبيرة في المناطق التي يتم تشويهها بفعالية. وهذا يمكن أن يؤدي إلى وضع أسراب السد، مثل تلك التي يمكن ملاحظتها عبر الدرع الكندي، أو حلقات من السدود حول أنبوب الحمم البركانية.
كل هذه العمليات لا تحدث بالضرورة في بيئة واحدة، ولا تحدث بالضرورة في أمر واحد، فعلي سبيل المثال جزر هاواي تتكون تقريبا بشكل كامل من تدفقات حمم بازلتية الطبقات. تحتوي السلاسل الرسوبية لوسط الولايات المتحدة القارية و جراند كانيون في جنوب غرب الولايات المتحدة على أكوام غير مكتملة تقريبا من الصخور الرسوبية التي ظلت قائمة منذ العصر الكمبري. المناطق الأخرى أكثر تعقيدًا من الناحية الجيولوجية، في جنوب غرب الولايات المتحدة، كانت الصخور الرسوبية والبركانية والتدخلية متحوّلة ومشوهة. حتى الصخور القديمة، مثل صخر صوان أكاستا من كراتون الرقيق في شمال غرب كندا، تم تحويل أقدم الصخور المعروفة في العالم إلى النقطة التي لا يمكن التعرف على أصلها بدون تحليل مختبري. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تحدث هذه العمليات في مراحل. في العديد من الأماكن، كان "جراند كانيون" في جنوب غرب الولايات المتحدة مثالًا واضحًا للغاية، فقد تحوّلت الوحدات الصخرية السفلية وتم تشويهها، ثم انتهى التشوه ووُضعت الوحدات العلوية غير المُصحَّحة. على الرغم من أنه يمكن أن يحدث أي قدر من تشوه الصخور، ويمكن أن تحدث عدد من المرات، فهذه المفاهيم توفر دليلاً لفهم التاريخ الجيولوجي للمنطقة.

علم الصخور

ويبدأ وصف الصخور بالملاحظات الميدانية في منكشف الصخر، ويتضمن وصفًا بالعين المجردة لعينات يدوية. ومع ذلك، فإن أهم أداة يستخدمها جيولوجي الصخور هي مجهر البتروجرافيك.
ويعد التحليل المفصل للمعادن باستخدام علم المعادن البصري في مقطع رقيق والنسيج المجهري والتركيب مهمًا للغاية لفهم أصل الصخر، ويستخدم تحليل المسبار الإلكتروني مع البلورات الفردية، بالإضافة إلى التحليل الكيميائي للصخور الكاملة بواسطة الأشعة السينية في معامل وصف الصخور الحديثة، علاوةً على ذلك، يمكن تحليل الحبيبات المعدنية الفردية من عينة الصخور بواسطة حيود الأشعة السينية عندما لا تكون الوسائل البصرية كافية، ويقدم تحليل المتضمنات السائلة المجهرية داخل الحبيبات المعدنية مع مرحلة تسخين على مجهر البتروجرافيك مؤشرات على درجة الحرارة وظروف الضغط التي كانت موجودة أثناء تشكل المعدن.

الجيولوجيا التركيبية

يتم تحليل التراكيب الجيولوجية عن طريق إسقاط المعالم الجيولوجية على خريطة خاصة (الستيريونت)؛ يتم فيها تحويل المجسمات إلى مستويات، والمستويات إلى خطوط والأخيرة إلى نقاط. وبهذا يمكن دراسة الصدوع والطيات وتحديد محاورها. ومن أكثر التجارب أهمية هي تلك التي تعنى بتكون الجبال، حيث تنشأ عن اصطدام صفيحتين تكتونيتين مما يؤدي إلى انثناء حواف الصفائح، وتتم دراسة هذا الموضوع من خلال نموذجين أحدهما تحليلي والآخر تناظري وكلاهما متطور ويقدم نمطاً واقعياً لتشكل الصدوع والقمم والقيعان في السلاسل الجبلية بفعل العوامل الجوية،  كما تقدم معلومات بشأن عمليات التحول التي تحدث تبعا لعدة عوامل أهمها الضغط والحرارة.

علم وصف طبقات الأرض

يحلل خبراء طبقات الأرض في المختبر العينات من الأجزاء الطبقية التي يمكن أخذها من الموقع، مثل تلك المأخوذة من لباب الحفر (جوفه)، كما يحلل أخصائيو علم الطبقات أيضاً البيانات من المسوحات الجيوفيزيائية التي تعرض الوحدات الطبقية في الجزء تحت السطحي، كما ويمكن الجمع بين البيانات الجيوفيزيائية وقياسات الآبار لإنتاج رؤية أفضل للطبقات تحت السطحية، ويستخدم المختصون برامج الحاسوب للقيام بذلك بشكل ثلاثي الأبعاد، كما ويستطيع خبراء طبقات الأرض استخدام البيانات السابقة في إعادة بناء العمليات القديمة التي تحدث على سطح الأرض، وتحليل البيئات القديمة، وتحديد موقع الماء، والفحم، واستخراج الفحم المائي (الهيدروكربون).
في المختبر، يحلل مختصو طبقات الأرض الحيويون عينات الصخور المأخوذة من المنكشفات الصخرية (البروز الصخري)، وجوف الحفر للكشف عن المستحثات (الأحافير) الموجودة فيها، حيث تساعد هذه المستحثات العلماء على جمع البيانات الأساسية، وفهم البيئة الترسيبية التي تشكلت فيها الوحدات الصخرية. يؤرّخ الخبراء في علم التقويم الجيولوجي علم الصخور بدقة من خلال المقطع الطبقي المأخوذ من أجل تزويدهم بالحد المطلق الأفضل في التوقيت، ومعدلات الترسب، كما ويتفحص مختصو طبقات الأرض المغناطيسيون الإشارات المغناطيسية المنعكسة في الصخور النارية أثناء الحفر الجوفي، ويقدم علماء آخرون دراسات النظائر المستقرة على الصخور من أجل الحصول على معلومات عن المناخ القديم.

جيولوجيا الكواكب

مع ظهور وتطور الاكتشافات في القرن العشرين، بدأ الجيولوجيون بالاهتمام بهيئات الكواكب الأخرى بنفس الطريقة التي تم تطويرها لدراسة الأرض. يُسمى هذا المجال الجديد من الدراسة بجيولوجيا الكواكب، ويعتمد على المبادئ الجيولوجية الأساسية لدراسة الهيئات الأخرى في النظام الشمسي. رغم أن اللغة اليونانية الأصلية تعيد كلمة "جيو" إلى معنى الأرض، إلّا أنَّ مصطلح "جيولوجيا" مرتبط مع أسماء هيئات كوكبية أخرى عند وصف تركيبها وعملياتها الداخلية، مثال ذلك: "جيولوجيا المريخ"، و"الجيولوجيا القمرية"، وتستخدم مصطلحات متخصصة مثل علم الدراسة الجغرافية للقمر (بالإنجليزية: Selenology)، وعلم المريخيّات "اللاهوت" (بالإنجليزية: Areology).
على الرغم من اهتمام علماء الجيولوجيا الكوكبية بدراسة جميع جوانب الكواكب الأخرى، إلّا أن التركيز الأكبر تَمثّل بالبحث عن أدلة من الماضي أو الحاضر عن إمكانية وجود حياة على كواكب أخرى. وقد أدّى ذلك إلى العديد من المهام التي يتمثل هدفها الأساسي في تدارس الهيئات الكوكبية للحصول على أدلة على الحياة، إحدى هذه المهام تمثلت في هبوط المسبار الفضائي المسمى فينيكس (بالإنجليزية: Phoenix) الذي يحلل التراب القطبي المريخي من أجل الماء، والكيميائيات، والمكونات المعدنية المتعلقة بالعمليات الحيوية.

الجيولوجيا الاقتصادية

تعد الجيولوجيا الاقتصادية فرعاً مهماً من فروع الجيولوجيا التي تهتم بدراسة الجوانب المختلفة للمعادن الاقتصادية التي يستخدمها الإنسان لسد حاجاته المختلفة. ويمكن تعريف المعادن الاقتصادية على أنها المعادن التي يتم استخراجها من الأرض بشكل مربح. ويقوم الجيولوجيون المختصون بهذا الفرع بتحديد الموارد الطبيعية للأرض وإدارتها، مثل: البترول والفحم، بالإضافة إلى الموارد الخام المعدنية، مثل: الحديد، والنحاس، واليورانيوم.

جيولوجيا التعدين

تتضمن جيولوجيا التعدين استخراج الموارد المعدنية من الأرض. وتشمل العديد من الموارد ذات الأهمية الاقتصادية، مثل: الأحجار الكريمة، والمعادن الثمينة، مثل: الذهب، والنحاس، والعديد من المعادن، مثل: الأسبستوس (الحرير الصخري)، والبيرلايت، والميكا، والفوسفات، والزيوليت، والطين، والخفاف، والكوارتز، والسيليكا، بالإضافة إلى عناصر: مثل الكبريت، والكلور، والهيليوم.

الجيولوجيا البترولية

يدرس المختصون بجيولوجيا البترول الأماكن الجوفية التي يمكن أن تحتوي على هيدروكربونات قابلة للاستخراج، خاصة البترول والغاز الطبيعي. كما ويتم دراسة الأحواض الرسوبية حيث تعتبر خزانات للهيدروكربونات، فيتم دراسة تشكيل هذه الأحواض بالإضافة إلى تطورها الرسوبي والتكتوني (الحركي) والمواقع الحالية لوحدات الصخور الرسوبية.

الجيولوجيا الهندسية

الجيولوجيا الهندسية هي تطبيق للمبادئ الجيولوجية لتحويلها إلى الممارسة الهندسية لغرض التأكد من أن العوامل الجيولوجية التي تؤثر على الموقع، والتصميم، والبناء، والتشغيل، والصيانة للأعمال الهندسية تتم معالجتها بالشكل الصحيح.
وفي مجال الهندسة المدنية، يتم استخدام المبادئ والتحليلات الجيولوجية من أجل التحقق من المبادئ الميكانيكية للمواد التي بنيت عليها المنشآت. مما يسمح ببناء الأنفاق دون انهيارها، وبناء الجسور وناطحات السحاب وفق أسس متينة، بالإضافة إلى إقامة المباني على تربة ثابتة لتجنب انهيارها وعدم بنائها على تربة طينية مثلا.

الهيدرولوجيا والقضايا البيئية

يمكن تطبيق الجيولوجيا والمبادئ الجيولوجية على المشاكل البيئية المختلفة، مثل: استعادة التيار، واستعادة الحقول البنية (الحقول المصابة بالتلوث)، وفهم العلاقة بين الطبيعة والبيئة الجيولوجية. وتستخدم هيدرولوجيا المياه الجوفية (الهيدروجيولوجيا) لتحديد موقع المياه الجوفية التي يمكن أن توفر في كثير من الأحيان مصدرا للمياه غير الملوثة، وهي ذات أهمية خاصة في المناطق الجافة، ورصد انتشار الملوثات في آبار المياه الجوفية.

ويحصل الجيولوجيون أيضًا على بيانات من خلال طبقات الأرض، والآبار، والعينات الأساسية، ونوى الجليد. وتُستخدم النوى الجليدية ونوى الرسوبيات في إعادة البناء للمناطق القديمة، والتي تُخبر الجيولوجيين عن درجة الحرارة في الماضي والحاضر، وهطول الأمطار، ومستوى سطح البحر في جميع أنحاء العالم. وتمثل مجموعات البيانات هذه مصدرًا أساسيًا للمعلومات الخاصة بتغير المناخ العالمي بخلاف البيانات الأساسية.