کانی ها و سنگ های تبخیری و محیط تشکیل آن ها

کانی ها و سنگ های تبخیری، دسته‌ای از مواد معدنی رسوبی هستند که از تبخیر محلول‌های آبی، افزایش غلظت محلول و سپس ته نشینی و تبلور نمک‌های موجود در محلول‌ شکل می‌گیرند. بنابراین، پایه و اساس تشکیل دهندۀ آن‌ها، نمک‌ها هستند. تبخیری ها می‌توانند در محیط های دریایی و غیردریایی (مثل دریاچه‌ها) تشکیل شوند. شرط لازم و اساسی برای شکل گیری تبخیری‌ها، بیشتر بودن میزان تبخیر نسبت به سیال ورودی به حوضه است. تکتونیک و اقلیم در توزیع این سنگها و کانیها در کرۀ زمین نقش دارند. بهترین کانی ها و سنگ های تبخیری، در دریاچه‌ها شکل می‌گیرند. نمک طعام (هالیت)، سیلویت، آهک، میرابیلیت و ژیپس از مهمترین کانی‌های تبخیری هستند. سنگ‌های کربناتی (مثل تراورتن) و سولفات‌ها (مثل سنگ گچ) نیز نمونه‌هایی از سنگ های تبخیری محسوب می‌شوند. تبخیری ‌ها کاربردهای زیادی در صنعت و زندگی روزمره ما دارند؛ از جمله استفاده در صنعت متالوژی، ساختمان سازی، صنایع غذایی و پتروشیمی.

منظور از کانی و سنگ های تبخیری چیست؟

بر اثر تبخیر محلول های آبی حاوی عناصر و مواد معدنی، رسوباتی ته نشین می‌شود. این رسوبات با گذر زمان روی هم انباشته شده و بر اثر فشار، فشرده و سفت شده و کم کم به سنگ تبدیل می‌شوند. چنین سنگ هایی، سنگ تبخیری (Evaporite rock) نامیده می‌شوند. چنانچه رسوبات حاصل از ته نشینی، خالص بوده و همگی از یک جنس باشند، بجای سنگ تبخیری، کانی تبخیری (Evaporite mineral) ایجاد می‌شود. شرط لازم و اساسی برای شکل گیری تبخیری ها، درجه حرارت بالا (برای ایجاد شرایط تبخیر شدید) و عدم ورود سیال آبی به محلول یا محلول‌های موجود در حوضه است. کانی ها و سنگ های تبخیری در گروه کانی ها و سنگ های رسوبی طبقه بندی می‌شوند.

تبخیری ها و سنگ‌های وابسته، از تبلور نمک‌ها از محلول‌های آبی غلیظ تشکیل می‌گردند. مجموعه کانی‌های سنگ های تبخیری، بافت و ساخت این سنگ ها توسط چند عامل تعیین می‌شود که عبارتند از:

1. اقیلم (شرایط آب و هوایی و جغرافیایی).
2. شرایط هیدروگرافی (چینه بندی جریان‌ها و چگالی شوراب‌ها و آب‌ها).
3. شیمی محلول های موجود در محل.
4. شکل هندسی حوضه.

کانی ها و سنگ های تبخیری کدامند؟

سنگ های زیر، جزء سنگ های تبخیری هستند:

• سنگ های کربناتی مثل سنگ آهک، تراورتن، مرمریت.
• سولفات ها مثل سنگ گچ.
• کلریدها.

کانی‌ های تبخیری عبارتند از:

• سیلویت و کارنالیت (نمک های غنی از پتاسیم).
• کلسیت، دولومیت، منیزیت و آراگونیت (کانی های اصلی سنگ های کربناتی).
• انیدریت، ژیپس و اپسومیت (کانی های اصلی موجود در سولفات ها).
• هالیت، پلی هالیت و کارنالیت (کانی های موجود در کلریدها).
• انواع بورات ها، سیلیکات ها، نیترات ها و سولفورها.

این کانی ها می‌توانند هم به صورت مجزا تشکیل شوند و هم به در سنگ های تبخیری با کانی‌های دیگر وجود داشته باشند.

رسوبات تبخیری هم در محیط های دریایی و هم در محیط های غیردریایی قابل تشکیل هستند. حضور کانی ها و سنگ های تبخیری در یک منطقه، نشان می‌دهد که آب و هوای آن منطقه گرم و خشک است یا زمانی گرم و خشک بوده است.

انواع سنگ های تبخیری به لحاظ شیمیایی

سنگ های رسوبی تبخیری را می‌توان به لحاظ شیمیایی به دو دسته تقسیم کرد:

1. سنگ های تبخیری غنی از MgSO₄
2. سنگ های تبخیری فقیر از MgSO₄

سنگ های تبخیری غنی از MgSO₄

سنگ های تبخیری غنی از MgSO₄ از طریق گروه کانی‌هایی نظیر ژیپس، انیدریت، هالیت و کاینیت مشخص می‌شوند. نهشته هایی از این سنگ ها را می‌توان در شوراب های دریایی یافت. در شرایطی که حوضه های تبخیری توسط آب های دریایی تغذیه می‌شوند، کانی های تبخیری غنی از Mg_SO₄ توسعه می‌یابند.

سنگ های تبخیری فقیر از MgSO4

سنگ های رسوبی تبخیری فقیر از MgSO4 از طریق گروه کانی هایی نظیر هالویت، سیلویت و کارنالیت مشخص می‌شوند. این سنگ ها در شوراب های قاره ای یافت می‌شوند.

شوراب هایی که تبخیری پتاس به دست می‌دهند ظاهراً در جایی تشکیل می‌شوند که سیال های گرمابی حاوی CaCl₂ با آب های دریاچه مخلوط گردد. این فرایند، شورابی را تولید می‌کند که تشکیل توالی کانی های تبخیری فقیر از MgSO₄ را می‌دهند. به همین نحو، سیلان سیالات گرمابی به آب دریا از طریق پشته های میان اقیانوسی ممکن است ترکیب آب دریا را به اندازۀ کافی برای تولید تبخیری های دریایی تغییر دهد. اما فرایندهای دیگر نظیر دولومیتی شدن نیز ممکن است در تولید رسوبات دریایی فقیر از Mg سهیم باشد.

سنگ های تبخیری در کجا شکل می گیرند؟

نمک‌های تبخیری ممکن است در هر نقطه از زمین که تبخیر بیشتر از بارندگی باشد تشکیل شود. حفظ آنها توسط ماهیت آب و هوای پس از رسوبگذاری، ورود آب‌های زیرزمینی و تاریخ دفن بعدی کنترل می‌شود. تبخیری های ساحلی مدرن بین عرض جغرافیایی 15 تا 35 درجه نهشته می‌شوند. اما تبخیری های درون قاره‌ای ممکن است در عرض جغرافیایی بیش از 50 درجه رخ دهند و گاهی اوقات برای چندین ماه از سال منجمد شوند! بنابراین، حضور کانی یا سنگ های تبخیری در یک منطقه، لزوماً به معنای گرمای دائمی در آن منطقه نیست. تشکیل و حفظ نمک‌های محلول به ویژه نمک‌های پتاسیم (مثل سیلویت) نیاز به رطوبت کم اتمسفر (کمتر از 50%) دارد.

با همۀ این‌ها، ایده آل‌ترین مناطق و شرایط برای شکل گیری تبخیری ها، مناطق و شرایط گرم و خشک است؛ جایی که سرعت تبخیر بیش از میزان بارش یا ورود محلول به حوضه باشد.

تبخیری ها ممکن است در مناطق معتدل نیز رخ دهند (Boucot et al., 2013). اما بیشتر در عرض‌های جغرافیایی پایین (~0-30 درجه شمالی و جنوبی) رخ می‌دهند.

بسیاری از تبخیرها در سبخاها و از جایگزینی سنگ‌های از پیش موجود، عمدتاً کربنات‌ها، با شوراب‌های در گردش تشکیل می‌شوند. سبخا (sabkha) در زبان عربی به معنی مرداب نمکی است. سبخا به مناطقی گفته می‌شود که در معرض سیل و تبخیر دوره‌ای هستند. این شرایط، منجر به تجمع رس‌های بادی، تبخیری‌ها و نمک‌های موجود در منطقه می‌شود. چنین مناطقی در در شمال آفریقا و عربستان وجود دارد.

سنگ های تبخیری در مناطق خشک نظیر پلایاهای (نمکزار) حوضه‌های بیابانی، در سبخاها در امتداد مناطق ساحلی گرم، و در حوضه‌های دریایی فوق العاده محدود تا جدا شده (نمکزارهای دریایی) در امتداد خطوط ساحلی خشک تشکیل می‌شوند. نمونه‌هایی از چنین محیط‌های تشکیل تبخیری‌‌ها عبارتند از درۀ مرگ در کالیفرنیا، دریاچۀ بزرگ نمک در یوتا و سبخاهای خلیج فارس. سنگ های تبخیری کربناته در چنین محیط‌ هایی رخ می‌دهند و سنگ های کربناتی که به این ترتیب تشکیل می‌گردند، تبخیری‌های واقعی هستند. ژیپس و هالیت مهمترین و رایج ترین تبخیری هایی هستند که در سبخاها شکل می‌گیرند. در تصویر زیر، تشکیل تبخیری ها در سبخا نشان داده شده است. در این تصویر ارتباط آب دریا با منطقه ساحلی خشک و در نهایت سبخا به خوبی نشان داده شده است.

عوامل اصلی تشکیل و توزیع تبخیری ها در کره زمین

دو عامل اصلی توزیع کنندۀ کانی ها و سنگ های تبخیری در سراسر جهان، آب و هوا و تکتونیک است. این دو عامل، کنترل اصلی را بر توزیع بیشتر تبخیری های غیردریایی دارند (Warren, 2010). شرایط خشک تا نیمه خشک که برای تبخیر ضروری است. رسوبات تبخیری عمدتاً در مناطقی با بارندگی محدود و تبخیر بالا تشکیل و حفظ می‌شوند. امروزه، آنها عمدتاً در دو کمربند پرفشار نیمه گرمسیری “خشک” بین عرض جغرافیایی 15 تا 35 درجه از خط استوا متمرکز شده‌اند (Borchert and Muir, 1964; Lotze, 1938).

دمای سالانه و بارندگی سالانه تأثیر عمده ای بر میزان تبخیر در یک منطقه دارد. بیشترین تبخیری های سراسر جهان، طیّ دوران زمین شناسی زیر شکل گرفته اند:

• دوران کامبرین (از 570 تا 505 میلیون سال پیش).
• پرمین (از 286 تا 245 میلیون سال پیش).
• تریاس (از 245 تا 208 میلیون سال پیش).

سنگ های تبخیری در توالی های رسوبی کامبرین نادر هستند.

سنگ های تبخیری در چه محیط هایی تشکیل می شوند؟

تبخیری ها و سنگ های وابسته، می توانند در محیط های زیر تشکیل شوند:

1. در دریاها.
2. حاشیه آب های کم عمق.
3. حاشیه آب های عمیق.
4. محیط های غیر دریایی.

کانی ها و سنگ های تبخیری به واسطۀ تبلور نمک‌ها از محلول‌های غلیظ آبی (شوراب ها) تشکیل می‌گردند. همانطور که قبلاً هم گفته شد، شرط اصلی برای تشکیل تبخیری ها این است که از دست دادن آب به واسطۀ تبخیر، بیشتر از ورود آب به حوضه باشد. چنین وضعیتی به شرایط توپوگرافی و جغرافیایی منطقه بستگی دارد. بهتر است منطقه به لحاظ جغرافیایی گرم و خشک باشد. توپوگرافی نیز بهتر است به صورت فلات باشد. در حوضه‌های بسته قاره‌ای و خشک، تبخیر مداوم و طولانی مدت همراه با پدیدۀ رسوب گذاری، باعث افزایش شوری و چگالی آب موجود در حوضه رسوبی می‌گردد. با افزایش شوری و چگالی این آب‌ها، کانی های تبخیری شروع به رسوبگذاری می‌نمایند. در حوضه های بسته، تبخیری ها پس از شکل گیری، تا حدودی فرو می‌روند و به این ترتیب، از خروج آن‌ها از حوضه جلوگیری می‌شود.

در مناطقی که حوضه رسوبگذاری به صورت سبخا است و بسته می‌باشد، یعنی هیچ ورودی از آب دریا وجود ندارد. در نتیجه، شوری و غلظت نمک های موجود در آب بیشتر است. زیرا فقط تبخیر را داریم و هیچ ورودی از دریا به حوضه وجود ندارد. در چنین شرایطی، تبخیر و رسوبگذاری در خط ساحلی حوضه و همچنین در خاک‌های اطراف منطقه رخ می‌دهد. در این مناطق، تبخیری های گرهکی در منطقه بین کشندی و لامینه‌ای تشکیل می‌شوند.

در حوضه‌های قاره‌ای، تبخیر در فاصله‌ای از دهانه رودخانه‌ها که آب شور کمتری به حوضه وارد می‌شود رخ می‌دهد. بخش عمده‌ای از تبخیرهای امروزی دریاچه های پلایا (playa lakes) رخ می‌دهد. دریاچه‌های پلایا به حوضه های بسته قاره‌ای اتلاق می‌شود. این حوضه‌های بسته ممکن است منشأهای مختلفی داشته باشند. منشأهایی مثل کانال‌های رودخانه‌ای متروکه، پهنه‌های گلی شور (با ترکیبی از فرآیندهای رودخانه‌ای، دریاچه‌ای و بادی) (اسموت و لوونشتاین، 1991).

تشکیل تبخیری ها در آب دریا

شوری آب دریا معمولی 3.5 درصد (یا 35000 قسمت در میلیون) است و مهمترین ترکیبات محلول آن سدیم و کلر است. هنگامی که تبخیر به حدی برسد که حجم آب دریا به یک پنجم آب اولیه کاهش یابد، رسوبگذاری آغاز می‌شود. در این فرایند، ابتدا اجزای نامحلول تر (گچ و انیدریت) رسوب می‌کنند وتشکیل می‌شوند. زمانی که تبخیر ادامه یابد و شدت آن بیشتر شود تا اینکه حجم آب دریا (محلول) به یک دهم حجم اولیه برسد، مواد معدنی محلول بیشتری مانند سیلویت (KCl) و هالیت (نمک طعام) تشکیل می‌شوند.

تشکیل تبخیری ها در محیط های دریایی کم عمق

به محیط های کم عمق دریایی باستانی سالینا (salina) می‌گویند. ته نشینی تبخیری‌ها در محیط های کم عمق دریایی در مناطق ساحلی بیابانی، به ویژه در امتداد حاشیه آب‌های نیمه محدود (مانند دریای سرخ، خلیج فارس و خلیج کالیفرنیا) رخ می‌دهد. به طور کلی، یکی از الزامات حیاتی برای رسوب تبخیری ها، محدودیت است. زیرا اختلاط آزاد و نامحدودِ حوضه با دریای آزاد، باعث می شود تا به راحتی بر میزان تبخیر بالای غلبه شود و این آب‌ها را تا شوری نزدیک به نرمال رقیق کنند. البته انحصار نصفه و نیمه نیز نمی‌تواند از رقیق  شدن آب حوضه جلوگیری کند. فیزیوگرافی (جغرافیای طبیعی) ساحلی هم عامل اصلی در تولید شوراب (brine) است. تبخیر آبهای کم عمق، منحصراً گچ، انیدریت و هالیت، معمولاً با سنگ آهک و دولومیت تولید می‌کند. در شکل زیر، surface inflow به معنی جریان سطحی، Precipitation به معنی بارش، seepage influx به معنی هجوم نشت و run-off به معنی آب زه کشی (زه آب) است.

تبخیری های حوضه های عمیق

به نظر می‌رسد که بیشتر رسوبات تبخیری ضخیم، جانبی گسترده در حوضه های عمیق و جدا شده ای که در طول دوره های خشکی زایی جهانی ایجاد شده اند، تولید شده اند. مهمترین و اصلی‌ترین نیاز برای تولید سنگ ها و کانی های تبخیری، اقلیم خشک است. آب باید با سرعت زیادی تبخیر شود تا اینکه بتوان آن را با بارش و جریان دوباره پر کرد. علاوه بر این، لازم است حوضه تبخیری به نحوی از اقیانوس باز جدا باشد؛ یا حداقل تا حدی جدا شود تا آب شور تولید شده از طریق تبخیر از بازگشت به آنجا جلوگیری شود. محدود کردن شوراب‌ها به چنین حوضه های منفرد (جدا شده) در طول یک دوره زمانی، آنها را قادر می سازد تا جایی که رسوب مواد معدنی تبخیری رخ می دهد متمرکز شوند.

تشکیل سنگ های تبخیری در محیط های غیر دریایی

در محیط های غیر دریایی، ته نشینی تبخیری ها در محیط غیردریایی در دریاچه های بسته – یعنی دریاچه های بدون خروجی – در مناطق خشک و نیمه خشک رخ می دهد. چنین دریاچه هایی در حوضه های داخلی بسته یا فرورفتگی های کم عمق در خشکی که زهکشی داخلی دارند و رواناب ها به دریا نمی‌رسد تشکیل می‌شوند. یک مثال معروف در این مورد، دریاچه نمک قم است.

جریان آب ورودی به دریاچه های بسته عمدتاً از طریق بارندگی و رواناب های سطحی تأمین می‌شود که هر دو از نظر مقدار کم و در مناطق خشک متغیر هستند.

 جریان آب زیرزمینی و تخلیه از چشمه ها ممکن است ورودی آب اضافی را فراهم کند، اما نرخ تبخیر همیشه بیش از میزان بارش و رواناب سطحی است. طوفان های پراکنده یا فصلی ممکن است باعث افزایش ناگهانی جریان آب شوند. در دریاچه های بسته هیچ خروجی وجود ندارد. از این رو، این دریاچه‌ها تنها با تعمیق و گسترش می‌توانند به چنین شرایطی پاسخ دهند. تبخیرهای بعدی حجم آب موجود را به مقدار پیش از طوفان یا مقدار عادی کاهش می‌دهد. بنابراین، نوسان سطح دریاچه بسته، محیط را مشخص می‌کند. تغییر در سطح آب دریاچه و حجم آب، منجر به نوسان درجۀ شوری می‌گردد.

 تغییرات شوری بر روابط تعادلی بین نمک های حاصل تأثیر می‌گذارد. این امر منجر به ایجاد تنوع و تجدید رسوب تبخیری ها در محیط غیردریایی می‌شود. در نتیجه این پیچیدگی‌ها و همچنین ماهیت متمایز اجزای محلول در محیط‌های بسته دریاچه، نهشته‌های تبخیری غیردریایی حاوی بسیاری از مواد معدنی هستند که در تبخیرهای دریایی غیرمعمول هستند. مواد معدنی مانند بوراکس، اپسومیت، ترونا و میرابیلیت.

رایج ترین تبخیرهای دریاچه ای عبارتند از:

• گچ (CaSO₄.2H₂O)
• هالیت (NaCl)
• انواع سولفات ها، کربنات ها و بی کربنات های سدیم.

اینکه کدام مواد معدنی رسوب می‌کنند، توسط شیمی آب ورودی مشخص می‌شود. رسوب نمک ها مستلزم تبخیر حجم زیادی از آب دریاچه است. از این رو، تشکیل و تجمع آنها در دریاچه هایی که از نظر هیدرولوژیکی بسته هستند (یعنی خروجی ندارند) و در مناطق با آب و هوای خشک یا گرم، اتفاق می‌افتد. در این تنظیمات، تلفات آب در اثر تبخیر می‌تواند از جریان ورودی بیشتر شود.

مکانیسم تشکیل تبخیری ها

بحث بر سر مکانیسم های دقیق برای تولید رسوبات ضخیم تبخیری ادامه دارد. سه مدل ممکن برای محدود کردن حوضه‌های تبخیری توسط دانشمندان بیان شده است. این سه مدل به صورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است. این مدل‌ها در جزئیات متفاوت هستند و هیچ یک از آنها اجماع حمایت را به دست نیاورده است.

1. مدل آبهای کم عمق و حوضه کم عمق برای پر کردن حوضه در سراسر سد یا آستانه، با تجمع آهسته و مداوم تبخیرهای ضخیم که توسط خروج شوراب به سمت دریا امکان پذیر شده است، باعث می شود که غلظت شوراب ثابت حفظ شود.
2. مدل آب کم عمق و حوضه عمیق، با فرونشست مداوم کف حوضه، تبخیرهای ضخیم تولید می‌کند.
3. مدل آب عمیق، حوضه عمیق، سطح شوراب در حوضه زیر سطح دریا را در نتیجه تبخیر نشان می‌دهد. شوراب‌ها با تغذیه آب‌های زیرزمینی نشأت گرفته از اقیانوس های باز پر می‌شوند.

اهمیت مطالعه و بررسی تبخیری ها

• بسترها و طبقاتِ تبخیری تمایل دارند در افق های گسلی راندگی اصلی متمرکز شوند؛ بنابراین حضور آنها برای زمین شناسان ساختاری مورد توجه خاص است.
• تبخیری ها به عنوان منبع انواع نمک ها و کودها اهمیت اقتصادی دارند.
• برخی از کانی های تبخیری مانند بورات‌ها، نیترات‌ها و کانی های کربنات سدیم از اهمیت اقتصادی عمده‌ای برخوردارند.
• سنگ نمک و پتاس منابع حیاتی در صنایع مختلف از جمله بخش های شیمیایی، کشاورزی و فرآوری مواد غذایی هستند.
• آن ها سرپوش مخازن نفت و گاز هستند. ضمن اینکه بررسی آن‌ها می‌تواند در اکتشافات منابع جدید نفت و گاز مفید واقع شود. رسوبات تبخیری می‌توانند بر توزیع و مهاجرت سیالات در زیر سطح زمین تأثیر بگذارند و بر اکتشاف و استخراج نفت و گاز تأثیر بگذارند.
• کانی ها و سنگ های تبخیری شاخص‌های خوبی برای جغرافیای دیرینه هستند. به عنوان مثال، قبل از 1.7 میلیارد سال پیش (Ga)، غیبت آشکاری از تبخیری های سولفات وجود دارد که احتمالاً به دلیل کمبود سولفات در اقیانوس‌های جهان بوده است. وقوع تبخیری ها نشان دهنده دوره های خشکی یا تبخیر قابل توجه در تاریخ زمین است.
• از برخی سنگ های تبخیری به عنوان سنگ نمای ساختمان و همچنین سنگ پله استفاده می‌شود.