إعادة بناء الصفيحة

تُستخلص بيانات المغناطيسية القديمة بأخذ عينات موجهة من الصخور وقياس مغنطتها المتبقية في المختبر. ويمكن الحصول على بيانات عالية الجودة من أنواع مختلفة من الصخور . في الصخور النارية ، تتبلور المعادن المغناطيسية من الصهارة، وعندما تُبرد الصخرة إلى ما دون درجة حرارة كوري ، فإنها تكتسب مغنطة حرارية متبقية ( TRM ) في اتجاه المجال المغناطيسي للأرض. أما في الصخور الرسوبية ، فتصطف الحبيبات المغناطيسية مع اتجاه المجال المغناطيسي أثناء الترسيب أو بعده مباشرة، مما ينتج عنه مغنطة متبقية فتاتية أو ما بعد الفتاتية ( DRM ). ومن الصعوبات الشائعة في استخدام الرواسب الفتاتية لتحديد اتجاهات المجال المغناطيسي في الماضي، أن اتجاه المغنطة المتبقية الفتاتية قد يدور نحو مستوى التطبق نتيجةً لانضغاط الرواسب، مما ينتج عنه ميل أقل حدة من ميل المجال أثناء الترسيب. مع ذلك، يمكن تقدير خطأ تسوية الميل وتصحيحه من خلال تجارب إعادة الترسيب، وقياسات التباين المغناطيسي، واستخدام النماذج النظرية لتشتت اتجاهات المغناطيسية القديمة. ^{[ 8 ]} لا تُستخدم الصخور المتحولة عادةً في قياسات المغناطيسية القديمة نظرًا للتعقيدات المتعلقة باكتساب المغناطيسية المتبقية، وعدم اليقين في عمر التمغنط، والتباين المغناطيسي العالي.

تتضمن دراسة المغناطيسية القديمة النموذجية أخذ عينات من عدد كبير من الوحدات الصخرية المستقلة ذات العمر المتقارب في مواقع متقاربة، وجمع عينات متعددة من كل وحدة لتقدير أخطاء القياس وتقييم مدى دقة تمثيل بيانات المغناطيسية القديمة للتغيرات المغناطيسية الأرضية العلمانية. تُستخدم تقنيات إزالة المغناطيسية التدريجية لتحديد مكونات المغنطة الثانوية (مثل التأثيرات المغناطيسية التي قد تكون طرأت على الصخر نتيجة للتغيرات الكيميائية أو إعادة التسخين) ولعزل المغنطة الأولية، التي تسجل اتجاه المجال المغناطيسي وقت تكوّن الصخر. تُجرى عادةً اختبارات مغناطيسية صخرية ومغناطيسية قديمة متنوعة لتحديد الطبيعة الأولية للمغنطة المتبقية المعزولة. تُستخدم اتجاهات المغناطيسية القديمة المستعادة لاستخلاص أقطاب المغناطيسية القديمة، التي توفر قيودًا على الموقع العرضي للكتلة القشرية التي أُخذت منها عينات الصخور، واتجاهها الأصلي بالنسبة لخطوط الطول.

تتوفر بيانات المغناطيسية القديمة ذات الجودة الجيدة من قاعدة البيانات المغناطيسية القديمة العالمية ، والتي يمكن الوصول إليها من مركز البيانات العالمي أ في الولايات المتحدة في بولدر، كولورادو . ^{[ 9 ]}

يُعرَّف القطب المغناطيسي القديم بأخذ متوسط ​​اتجاه المغنطة المتبقية الأساسية للصخور المأخوذة منها العينات (معبراً عنه بمتوسط ​​الانحراف والميل )، وحساب موقع القطب المغناطيسي الأرضي لحقل ثنائي قطب مغناطيسي مركزي يُنتج متوسط ​​الاتجاه المرصود في الموقع المأخوذ منه العينات بإحداثياته ​​الجغرافية الحالية. ^{[ 10 ]} وثمة طريقة بديلة لتعريف الأقطاب المغناطيسية القديمة، وهي حساب قطب مغناطيسي أرضي افتراضي (VGP) لكل وحدة صخرية على حدة، ثم تقدير متوسط ​​موقع جميع الأقطاب المغناطيسية الأرضية الافتراضية. ويُستخدم عادةً إحصاء فيشر على الكرة ^{[ 11 ]} للحصول على متوسط ​​اتجاه المغنطة، أو متوسط ​​موقع القطب المغناطيسي الأرضي الافتراضي، ولتقدير هامش الخطأ فيهما. يتم استخدام كلا النهجين في الدراسات المغناطيسية القديمة، ولكن تم الاعتراف بأن حساب متوسط ​​الاتجاهات بدلاً من متجهات التخلف المغناطيسي الكاملة يمكن أن يؤدي إلى تقديرات متحيزة للاتجاه المتوسط ​​للمجال المغناطيسي القديم، ^{[ 12 ]} لذلك فإن حساب الأقطاب المغناطيسية القديمة عن طريق حساب متوسط ​​VGPs هو الأسلوب المفضل حاليًا.

تشير الدراسات المغناطيسية القديمة للحمم البركانية الحديثة جيولوجيًا (من العصر البليوسيني إلى العصر الرباعي، 0-5 ملايين سنة) إلى أنه عند حساب متوسط ​​المجال المغناطيسي الأرضي على مدى زمني يتراوح بين عشرات الآلاف وملايين السنين - أي على مدى فترة زمنية كافية لرصد التغيرات العلمانية للمجال المغناطيسي الأرضي بشكل كامل - يمكن تقريب المجال المتوسط ​​زمنيًا بدقة بواسطة مجال ثنائي قطب محوري مركزي (GAD)، أي ثنائي قطب مغناطيسي موضوع في مركز الأرض ومحاذي لمحور دورانها. ^{[ 14 ] [ 15 ]} وبالتالي، إذا كانت مجموعة بيانات المغناطيسية القديمة قد رصدت فترة زمنية كافية لحساب متوسط ​​التغيرات العلمانية، فيمكن تفسير القطب المغناطيسي القديم المستمد منها على أنه تقدير لموقع القطب الجغرافي بالنسبة لموقع أخذ العينات المحدد في موقعه الجغرافي الحالي.

يعكس الفرق بين القطب المغناطيسي القديم والقطب الجغرافي الحالي الموقع الجغرافي القديم للكتلة القشرية التي تحتوي على المنطقة التي أُخذت منها العينات في وقت تكوّن الصخور المدروسة، بما في ذلك خط عرضها الأصلي (خط العرض القديم) واتجاهها. وبافتراض أن متوسط ​​اتجاه المغناطيسية القديمة يتوافق مع اتجاه مجال GAD، يمكن استنتاج خط العرض القديم لموقع أخذ العينات (λ) من ميل (I) الاتجاه المتوسط ​​باستخدام معادلة بسيطة: ^{[ 16 ]}

${\displaystyle \tan(\lambda )={\frac {1}{2}}\cdot \tan(I)}$

يُحدد متوسط ​​الانحراف المغناطيسي (D) اتجاه ومقدار الدوران حول محور رأسي يمر بمنطقة العينة، وهو ما يجب تطبيقه لاستعادة اتجاهها الأصلي بالنسبة لخطوط الطول. ويمكن حساب خط العرض القديم لأي موقع محدد ينتمي إلى نفس الكتلة القشرية بطرح المسافة الزاوية بين هذا الموقع والقطب المغناطيسي القديم من 90 درجة، ويمكن تقدير دوران المحور الرأسي المحلي بحساب الانحراف المتوقع من موقع القطب. ^{[ 17 ]} وبالتالي، يُحدد القطب المغناطيسي القديم موقع واتجاه خط العرض القديم للكتلة التكتونية بأكملها في وقت محدد في الماضي. ومع ذلك، ولأن مجال الانحراف المغناطيسي العام متناظر سمتيًا حول محور دوران الأرض، فإن القطب لا يفرض أي قيد على خط الطول المطلق. من منظور الاتجاهات المغناطيسية القديمة، فإن مجال GAD له نفس قيم الميل والانحراف على طول خط عرض ثابت عند جميع خطوط الطول، بحيث يكون أي خط طول يمكن تصوره خيارًا قابلاً للتطبيق بنفس القدر لإعادة بناء عنصر تكتوني إذا تم تحديد موقعه الجغرافي القديم بواسطة البيانات المغناطيسية القديمة وحدها.

بما أن القطب المغناطيسي القديم يُقارب موقع القطب الجغرافي بالنسبة للقارة أو التضاريس الجيولوجية التي حُدِّد منها، فإنه يُمكن استعادة خط العرض القديم والاتجاه من خلال إيجاد دوران ( قطب أويلر وزاوية الدوران ) يُعيد بناء القطب المغناطيسي القديم ليُطابق القطب الجغرافي، وتطبيق هذا الدوران على القارة أو التضاريس. وبذلك، يُعاد بناء الكتلة القشرية وقطبها المغناطيسي القديم باستخدام دوران أويلر نفسه، بحيث لا يتحركان بالنسبة لبعضهما البعض، ويُوضع القطب المغناطيسي القديم عند القطب الجغرافي، وتُستعاد الكتلة القشرية بشكل صحيح من حيث خط العرض والاتجاه (أي بالنسبة للقطب الجغرافي). مع ملاحظة أن دورانًا إضافيًا حول القطب الجغرافي سيُغير فقط خط طول الكتلة، لكن خط عرضها واتجاهها بالنسبة لخطوط الطول لن يتأثرا، فلا يُمكن تحديد خط الطول القديم المطلق في عمليات إعادة البناء القائمة على المغناطيسية القديمة. ومع ذلك، يمكن تحديد خطوط الطول النسبية للكتل القشرية المختلفة باستخدام أنواع أخرى من البيانات الجيولوجية والجيوفيزيائية التي تقيد الحركات النسبية للصفائح التكتونية، بما في ذلك تاريخ انتشار قاع البحر المسجل بواسطة الشذوذات المغناطيسية البحرية، ومطابقة الحدود القارية والتضاريس الجيولوجية، والبيانات الأحفورية. ^{[ 7 ]}

يمكن استخدام الأقطاب من عصور مختلفة في قارة واحدة، أو صفيحة غلاف صخري، أو أي كتلة تكتونية أخرى، لإنشاء مسار انجراف قطبي ظاهري (APWP). إذا كانت المسارات من أجزاء قشرية متجاورة متطابقة، يُعتبر ذلك مؤشرًا على عدم وجود حركة نسبية بينها خلال الفترة التي يغطيها المسار. يشير تباعد مسارات الانجراف القطبي الظاهري إلى أن المناطق المعنية قد تحركت بشكل مستقل في الماضي، حيث تُمثل نقطة التباعد الوقت الذي التقت فيه. ^{[ 17 ]} يمكن إنشاء مسارات انجراف قطبي ظاهري مُركبة أو اصطناعية عن طريق تدوير الأقطاب المغناطيسية القديمة من صفائح مختلفة إلى إطار مرجعي ثابت على صفيحة واحدة، باستخدام تقديرات لحركات الصفائح النسبية. ^{[ 13 ]} بالنسبة للأوقات التي تلت تجميع بانجيا (320 مليون سنة)، غالبًا ما يتم إنشاء APWPs الاصطناعية في الإطار المرجعي الثابت على الصفيحة الأفريقية ^{[ 13 ]} لأن أفريقيا احتلت موقعًا مركزيًا في تكوين بانجيا وكانت محاطة بشكل أساسي بتلال متباعدة بعد تفكك بانجيا، والذي بدأ في أوائل العصر الجوراسي (حوالي 180 مليون سنة).

بالنسبة لصفيحة غلاف صخري واحدة، يعكس خط عرض الصفائح القطبية (APWP) حركة الصفيحة بالنسبة للقطب الجغرافي (تغيرات خط العرض) وتغيرات اتجاهها بالنسبة لخطوط الطول القديمة. تُعد خطوط الطول في عمليات إعادة بناء الجغرافيا القديمة المستندة إلى خطوط عرض الصفائح القطبية غير مؤكدة، ولكن يُقال إنه يمكن تقليل عدم اليقين عن طريق اختيار صفيحة مرجعية يُتوقع أن تتحرك بأقل قدر في خط الطول، وذلك بناءً على نظرية تكتونية الصفائح، وربط عمليات إعادة بناء الصفائح المتبقية بهذه الصفيحة المرجعية باستخدام تقديرات الحركة النسبية للصفائح. ^{[ 18 ]} على سبيل المثال، تبين أن افتراض عدم وجود حركة طولية كبيرة لأفريقيا منذ زمن تجميع بانجيا يُنتج سيناريو تكتونيًا معقولًا للصفائح، حيث لا تُلاحظ حركات كبيرة ومتماسكة شرقًا وغربًا للغلاف الصخري القاري في عمليات إعادة بناء الجغرافيا القديمة. ^{[ 19 ]}

يمكن تفسير موجات التذبذب القطبي القطبي (APWPs) على أنها سجلات لإشارة مشتركة من مصدرين لحركة الصفائح: (1) حركة صفائح الغلاف الصخري بالنسبة لغلاف الأرض، و(2) حركة الأرض الصلبة بأكملها (الغلاف الصخري والوشاح) بالنسبة لمحور دوران الأرض. يُشار إلى المكون الثاني عادةً باسم الانجراف القطبي الحقيقي (TPW)، وينتج على النطاقات الزمنية الجيولوجية عن إعادة توزيع تدريجية لعدم تجانس الكتلة بسبب حركات الحمل الحراري في غلاف الأرض. ^{[ 20 ]} من خلال مقارنة عمليات إعادة بناء الصفائح بناءً على المغناطيسية القديمة مع عمليات إعادة البناء في إطار مرجعي للغلاف الصخري محدد بواسطة النقاط الساخنة خلال الـ 120 مليون سنة الماضية، يمكن تقدير حركات الانجراف القطبي الحقيقي، مما يسمح بربط عمليات إعادة البناء الجغرافية القديمة بالغلاف الصخري، وبالتالي تحديدها في خطوط الطول القديمة. ^{[ 21 ] [ 13 ]} بالنسبة للفترات المبكرة من حقبتي الحياة الوسطى والحديثة ، يمكن الحصول على تقديرات TPW من خلال تحليل الدوران المتماسك للغلاف الصخري القاري، ^{[ 19 ]} مما يسمح بربط الجغرافيا القديمة المُعاد بناؤها بالبنى واسعة النطاق في الوشاح السفلي، والتي يُشار إليها عادةً باسم مقاطعات سرعة الموجات القصية المنخفضة الكبيرة (LLSVPs). وقد طُرحت فكرة أن مقاطعات سرعة الموجات القصية المنخفضة الكبيرة كانت مستقرة على مدى 300 مليون سنة الماضية على الأقل، وربما لفترة أطول، وأن هوامشها كانت بمثابة مناطق توليد لأعمدة الوشاح المسؤولة عن ثورات المقاطعات النارية الكبيرة (LIPs) والكمبرلايت . ^{[ 22 ] [ 23 ]} إن ربط المواقع المُعاد بناؤها للمقاطعات البركانية الكبيرة (LIPs) والكمبرلايت بهوامش مناطق السرعة المنخفضة جدًا (LLSVPs) باستخدام دورانات TPW المُقدَّرة، يُتيح تطوير نموذج متسق ذاتيًا لحركات الصفائح بالنسبة للوشاح، والانجراف القطبي الحقيقي، والتغيرات المُقابلة في الجغرافيا القديمة المُقيدة بخط الطول طوال حقبة الحياة الظاهرة (Phanerozoic) ، ^{[ 24 ]} على الرغم من أن أصل مناطق السرعة المنخفضة جدًا (LLSVPs) واستقرارها على المدى الطويل لا يزالان موضع نقاش علمي مستمر. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

تُتيح أقطاب أويلر المغناطيسية القديمة، المُستمدة من هندسة مسارات الانجراف القطبي الظاهري (APWPs)، إمكانية تحديد خطوط الطول القديمة انطلاقًا من البيانات المغناطيسية القديمة. ويمكن لهذه الطريقة أن تُوسّع نطاق إعادة بناء حركة الصفائح المطلقة لتشمل فترات زمنية أعمق في التاريخ الجيولوجي، طالما توفرت مسارات انجراف قطبي ظاهري موثوقة. ^{[ 27 ]}