תַקצִיר
מִחְזוּר אינו מיועד רק לפלסטיק. האם ידעתם שכדור הארץ ממחזר? מִחְזוּר מתרחש כיוון שהחלק החיצוני של כוכב הַלֶּכֶת שלנו עשוי חתיכות סלעים גדולות שזזות. כמה מהחתיכות הללו, הנקראות 'לוחות טֶקְטוֹנִיים', שוקעות אל עומק כדור הארץ. ככל שהן שוקעות עמוק יותר, כך מופעלים על הלוחות יותר לחץ ויותר חום. תהליך זה גורם לתגובות כימיות, לרבּוֹת הַתָּכָה של המינרלים המרכיבים את הסלעים. יסודות ומים הלכודים בתוך המינרלים המותכים משתחררים ומתפרצים מתוך הרי געש, וכך חוזרים אל פני השטח. הנה כך כדור הארץ מִחְזֵר! במאמר זה, נציג מחקר חדש על מינרל בשֵׁם לוֹסוֹנִיט. מינרל זה נוצר רק בלוחות השוקעים לעומק כדור הארץ. הַלּוֹסוֹנִיט חזר אל פני כדור הארץ במקומות ספורים, שבהם אנו יכולים לאסוף ולבדוק אותו. הרכֵּב היסודות שנמצאים בתוך מינרל הלוסוניט עוזר לנו להבין את החלק העמוק של מערכת המִּחזור של כדור הארץ.
איך כדור הארץ ממחזר יסודות?
ייתכן שהסלעים המרכיבים את כדור הארץ שלנו נראים עתיקים ובלתי-ניתנים להשמדה. עם זה בהינתן מספיק זמן, הם יכולים להשתנות ולהתפרק. סלעים הם כמו עוגיות שוקולד צ'יפס. עוגיות (וסלעים) עשויים מכל מיני מרכיבים. עוגייה מכילה שבבי שוקולד, סוכר, קמח ומלח. אפשר להשוות את המרכיבים הללו למינרלים שמרכיבים את הסלעים. המינרלים עשויים מיסודות. חִשבו על זה כך: יסודות (כמו חמצן, פחמן, נתרן), מרכיבים מינרלים (קמח, סוכר, מלח, שבבי שוקולד), אשר מרכיבים סלעים (עוגיות שוקולד צ'יפס). המינרלים הנמצאים בסלעים משתנים כשמחממים אותם, כפי שבצק העוגייה משתנה כאשר אופים אותו. שינויים אחרים מתרחשים כאשר נוצרת תגובה בין מינרלים לבין מים חמים, או כשהמינרלים נמצאים בתנאים של לחץ גבוה. בטבע, השינוי הזה נקרא מֶטָמוֹרְפִיזְם (הַתְמָרָה). אם הייתם יכולים להסתכל על מינרל במשך מיליוני או מיליארדי שנים, הייתם רואים את השינויים הללו. אולם, תזדקקו ליותר מאשר זמן. קשה לראות את מערכת המִחזור של כדור הארץ, כיוון שתהליך זה מתרחש עמוק מתחת לפני האדמה. כדי לִצפות בו, תצטרכו להיות מסוגלים להתבונן מתחת לאוקיינוסים, אל תוך האדמה, כיוון שרבים מהשינויים הללו מתרחשים בפְנים כדור הארץ.
המִּחזור מתרחש משום שכוכב הלכת שלנו נמצא בתנועה. כדור הארץ מכוסה בחתיכות גדולות שזזות, המכונות לוחות טֶקְטוֹנִיים (לפעמים הם נקראים פשוט 'לוחות'). הקרום שעליו נמצאים היבשות והאוקיינוסים הוא החלק העליון של הלוחות הללו. הלוחות יכולים לזוז זה לכיוון זה, או להתרחק זה מזה. שני סוגי התזוזה הללו מניעים את מערכת המִּחזור של כדור הארץ. איך זה קורה? כאשר הלוחות מתרחקים, המִּרווח, שנקרא בֶּקַע, מתמלא בסלעים חמים ובלַּבָּה שעולים מלמטה. כאשר שני לוחות זזים זה כלפי זה, הלוח הישן והדחוס יותר ישקע תחת הלוח האחר. תופעה זו נקראת הַפְחָתָה. מַחזור היווצרות הלוחות (בבקעים) וההֶרֶס שלהם (בהפחתה) מחדֵּש את היצע המינרלים, המים והחומרים החיוניים האחרים של כדור הארץ. אלו תהליכים שמתרחשים לאורך מיליוני שנים, לכן בני אדם אף פעם אינם יכולים לראות את תהליך המִחזור מתחילתו ועד סופו.
אפשר לחשוב על תהליך ההפחתה כעל 'מפעל', כיוון שבמסגרתו חומרים לא מעובדים (מינרלים) נכנסים, כדור הארץ 'עובד' עליהם, ואז יוצא משהו אחר (איור 1) [1, 2]. התהליך מתחיל מתחת לאוקיינוסים, שָׁם החומר הלא-מעובד של ה'מפעל' נוצר בבקעים שבלוח. בבקע נוצר סלע חדש שמתווסף אל הלוח. כאשר הלוח הופך לבסוף ישן ודחוס, הוא שוקע בתהליך ההפחתה אל תוך כדור הארץ, למקום שבו המינרלים נקברים ומתחממים (עוברים מטמוֹרפוֹזה), עד שהם מתפרקים. כאשר המינרלים מתפרקים, הם משחררים מים ויסודות אחרים שהיו כלואים בתוכם. חלק מהמינרלים הנמצאים בתוך הסלעים עוברים תהליך של התכה. התוצרים הללו של ה'מפעל' עושים את דרכם חזרה אל פני כדור הארץ כסלע מותך וכגזים.
- איור 1 - מאפייניו של אזור הפחתה.
- לוח טקטוני בעל שכבה עליונה של משקעים ושל קרום ימי, שוקע תחת לוח טקטוני אחר. כשהסלעים השוקעים מתחממים, מתייצבים מינרלים חדשים. אחד מהמינרלים החדשים הללו הוא הלוסוניט העשיר במים. ישנם מינרלים עשירים במים שמתפרקים באזורי הפחתה ומשחררים מים. תהליך זה גורם להתכה במעטפת הסלעים החמה שמעל. הסלע המותך עולה, מתפרץ מתוך הרי געש, ומשחרר גזים אל תוך האטמוספרה. אז, היסודות הנמצאים בחומרים הללו חוזרים אל האוקיינוס ואל הקרום הימי, והמעגל חוזר על עצמו.
- מקרא (חלק ימני): איך מֵי הים מגיעים אל תוך הסלעים?
- Seafloor = קרקעית הים;
- Hot mantle = מעטפת חמה;
- Tectonic plate with oceanic crust = לוח טקטוני עם קרום ימי;
- Hydration at ocean ridge = הִידְרָצְיָה (מִיּוּם – הוספַת מולקולה/ מולקולות מים לתרכובת כימית) ברֶכֶס תת-ימי;
- Ocean = אוקיינוס;
- Sediments = משקעים;
- Upper mantle = מעטפת עליונה;
- Hot mixing mantle = מעטפת חמה מתערבלת;
- Increasing heat = חום גובר.
- מקרא (חלק שמאלי): איך המים יוצאים מהסלעים?
- Fluids = נוזלים;
- Subducting plate = לוח שוקע;
- Volcano = הר געש;
- Tectonic plate with continental crust = לוח טקטוני עם קרום יבשתי;
- Lawsonite blueschists at low to medium depths = צְפָחוֹת כחולות של לוסוניט בעומקים רדודים עד בינוניים;
- Lawsonite eclogites at greater depths = אֶקְלוֹגִיט לוסוניט בעומקים גדולים יותר.
אחת הדרכים לחקור את תהליך המִחזור של כדור הארץ היא לנתח את הַלַּבָּה ואת הגזים המתפרצים מתוך הרי געש. דרך נוספת היא למצוא סלעים ששקעו, ואז עלו חזרה אל פני כדור הארץ. הסלעים הללו 'חמקו' מהתכה ומתהליכי פירוק נוספים. המינרלים הנמצאים בתוכם מכילים רמזים לתהליך המִחזור. אנו יכולים לנתח מינרלים שעדיין מכילים מים ויסודות אחרים. אחד המינרלים שעוזרים לנו לחקור את 'מפעל' ההפחתה הוא לוֹסוֹנִיט. זֶהוּ מינרל עשיר במים הנוצר רק בסלעים שעברו את תהליך ההפחתה.
חוקרים את הלוסוניט כדי ללמוד על תהליך המִחזור של כדור הארץ
סלעים שנוצרו לאחרונה בבקעים בעומק האוקיינוס עוברים תגובה כימית עם מֵי-הים החמים, ויוצרים מינרלים חדשים המכילים מים. מאוחר יותר, כאשר המינרלים הללו שוקעים בתהליך ההפחתה, הם משתתפים בתגובות כימיות נוספות. כך נוצר לוסוניט עשיר במים במהלך ההפחתה (איור 1). לוסוניט הוא חשוב, מפני שהוא מכיל מים רבים ויסודות חשובים אחרים, בכלל זה כמויות מזעריות של אוּרַנְיוּם (מתכת רדיואקטיבית) ושל עוֹפֶרֶת. כל אחד מהיסודות הללו חיוני למִחזור בכדור הארץ, אפילו בכמויות קטנות. הלוסוניט נושא את היסודות הללו בין עשרות למאות קילומטרים אל תוך כדור הארץ. כאשר לוסוניט מגיב כימית למינרלים אחרים ומתחיל להתפרק, הוא משחרר מים ויסודות אחרים. מים הם המרכיב הנדרש להתכַת הסלעים הרותחים, שנמצאים מעל ללוח השוקע. שלב זה מאתחל את השלב הבא בתהליך המִחזור של היסודות, כאשר מַגְמָה (סלע מותך לוהט) מעבירה יסודות ומים מפְּנים כדור הארץ אל פני השטח. כיוון שללוסוניט תרומה חשובה לתהליך המִחזור של כדור הארץ, אנו יכולים לחקור אותו כדי להבין כיצד החלקים העמוקים של 'המפעל' עובדים.
לגיאולוגים עדיין אין יֶדַע רב על אודות לוסוניט, כיוון שהוא נמצא במצב יציב רק בלוחות שוקעים. אין עוד מקום בעולם שבו מתקיים השילוב הנכון בין לחץ לבין טמפרטורה, הנדרש כדי לייצב את הלוסוניט. כמו כן, לוסוניט מתפרק בקלות ויוצר מינרלים אחרים. לכן, למרות שהוא קיים בשפע בלוחות השוקעים במעמקי האדמה, כמעט שאיננו רואים אותו בסלעים על פני כדור הארץ [3, 4]. זה טוב לכדור הארץ, אך לא לגיאולוגים שרוצים לחקור חומר זה! למרבה המזל, לוסוניט אכן נמצא בסלעים מסוימים, לכן ביכולתנו לדגום ולחקור אותו. הוא מצוי בעיקר בסלעים המגיעים מלוחות ששקעו לעומקים רדודים או בינוניים בכדור הארץ. הסלעים הללו נקראים 'צְפָחוֹת כחולות', מפני שהם מכילים מינרל כחול ייחודי (איור 2). לוסוניט יכול להימצא גם בסלעים שנקראים 'אֶקְלוֹגִיט', הנוצרים בעומקים גדולים הרבה יותר (איור 2). ישנם פחות מ-20 מקומות בעולם שבהם ניתן למצוא לוסוניט בסלעים העמוקים [5] בהם טורקיה, קוֹרסיקה (צרפת), קולומביה הבריטית (קנדה), הרפובליקה הדומיניקנית, גוּאטמלה, אוסטרליה והרי הָאַלְפִּים. כמו כן ישנוֹ מקום מעניין באריזוֹנה (ארה''ב), שבו ניתן למצוא פיסות של אבן אקלוגיט עם לוסוניט שמוֹצָאָן מלוח ששקע, אשר התפרצו מהר געש שכיום אינו פעיל עוד.
- איור 2 - חקירת אבנים. כדי לחקור אבנים, גיאולוגים מנסרים דוגמאות סלעים לחתיכות מלבניות הנקראות 'מְטִילִים' (Billet). אנו מדביקים את המטיל לזכוכית נושׂאת, מלטשים אותו ומבריקים אותו עד שפרוסת האבן היא כה דקה (Thin section), שהאור יכול לעבור דרך המינרלים. באיור מוצגות כמה אבנים המכילות לוסוניט, כפי שהן מופיעות במבט במיקרוסקופ.
- (A) צילום של אקלוגיט; (B) איור של אקלוגיט; (C) צילום של צִפְחָה כחולה; (D) איור של צִפְחָה כחולה.
- במקרא תוכלו למצוא רשימה של המינרלים השונים הנמצאים באבנים אלו.
- מקרא: L = לוסוניט, G = גְּרָנָט (נֹפֶךְ), M = נָצִיץ, P = פִּירוֹקְסֶן, A = אָמְפִיבּוֹל כחול.
מה אנו יכולים ללמוד מהרכּב הלוסוניט?
כשהלוסוניט נוצר, הוא 'יוֹרש' את היסודות מהסלע שבו הוא גדֵל. עם זה לוסוניט יכול גם לשנות את הרכּבוֹ בתהליך הגדילה שלו. כתוצאה מכך, חלק אחד של קריסטל הלוסוניט עשוי להכיל כמויות שונות של יסודות מסוימים לעומת החלק האחר. תופעה זו נקראת אִיזוּר. בדומה לטבעות של עץ שגדֵלות על גזעו במהלך חייו, איזוּר של מינרלים מספֵּק תיעוד על אודות תגובות כימיות, נוזלים ויסודות, המעורבים בתהליך המִחזור. לדוגמה, אזורים שנוצרים כתוצאה מכמויות שונות של היסוד כְרוֹם בקריסטל לוסוניט עשויים להצביע על כך שנוזל המכיל כרום מומס נמצא בתגובה כימית עם קריסטל הלוסוניט בזמנים מסוימים, ולא בזמנים אחרים (איור 3). אנו יכולים לנסות להבין היכן נמצאים מקורות אפשריים של כרום בעומק מפעל המִחזור של כדור הארץ, למשל בסלע לוהט ודחוס שנקרא המעטפת, שנמצא ישירות מעל ללוח השקוע.
- איור 3 - גדילת קריסטל של לוסוניט בתהליך ההפחתה.
- בשלב 1, קריסטל גדֵל מהיסודות שסביבו. בשלב 2, היסודות הזמינים להזנַת הקריסטל הגדל השתנו, משום שהסלע נמצא בעומק ובטמפרטורה שונים. נוזלים מסייעים לתנועת היסודות לתוך הסלע או מחוץ לו. בשלב 3, הקריסטל ממשיך לגדול בעומק רב יותר, ומתעד את סביבתו המשתנה. תמונת הצבע הכוזב, שהתקבלה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, מציגה שינויים ביסוד כרום (Cr) בקריסטל של לוסוניט. הצבע האדום מצביע על כמויות גבוהות יותר של כרום, והירוק מצביע על כמויות נמוכות יותר (התמונה עֻבְּדָה מ-[5]).
- מקרא: (ריבוע מֶלֶל שמאלי): סרגל קנה המידה מראֶה לנו מהו הגודל האמיתי של הקריסטל. במקרה זה, התמונה גדולה בהרבה מהקריסטל כפי שהוא באמת. 0.1 מ''מ הוא בערך רוחבה של שַׂעֲרָה אחת! (ריבוע מֶלֶל ימני): Cr הוא סמל היסוד כרום. כמות הכרום משתנה ככל שהקריסטל גדַל. מגמת הגדילה ודפוס השינוי הזה מְספקים לנו מידע על אודות התנאים שבהם הקריסטל גדֵל.
- Ocean = אוקיינוס;
- Oceanic crust = קרום ימי;
- Sediments = משקעים;
- Upper mantle = מעטפת עליונה;
- Convecting mantle = מעטפת מתערבלת;
- Volcano = הר געש;
- Continental crust = קרום יבשתי.
מדוע כמות הכרום השתנתה בזמן שהקריסטל גָּדַל?
גיאו-כימאים עדיין אינם יודעים את התשובה לשאלה זו. רעיון אחד הוא שפעימות של נוזל נעות דרך הסלע כאשר מתרחשת רעידת אדמה במעמקי כדור הארץ. אם זה נכון, הרכּבו של הלוסוניט והאיזוּר שלו מהווים תיעוד לתהליכים כימיים ופיזיקליים דרמטיים שאירעו בכדור הארץ בעבר.
סיכום
החיים על פני כדור הארץ מתאפשרים הודות למִחזור של מים ושל יסודות דרך מערכת הלוחות הטקטוניים. כאשר לוחות שוקעים, יסודות מפני השטח של כדור הארץ נעים לעומקו בתוך מינרלים. כשהמינרלים הללו מתפרקים, היסודות שהשתחררו מהם עושים את דרכם אל פני כדור הארץ באמצעות המַּגְמָה והגזים המתפרצים מתוך הרי געש. חשוב לחקור את הרכּבם של מינרלים, דוגמת לוסוניט, כיוון שאנו יכולים ללמוד עוד על אודות תהליך המִחזור המתרחש במעמקי האדמה, במקומות שבהם איננו יכולים לראותו ישירות.
הדרך שבה כדור הארץ ממחזר משפיעה על הרכּב הסלעים בכדור הארץ, האוויר והאוקיינוס. אם כדור הארץ היה ממחזר מהר או לאט יותר – או כלל לא – הוא היה נראה אחרת לגמרי. מאותה הסיבה, הרכּבם של המינרלים הנמצאים בשכבה המוצקה החיצונית ביותר של כדור הארץ, המכונה 'קְרוּם', היה שונה, כתלות בתהליך המִחזור. מינרלים אלו, בצורתם הלא-מעובדת, משמשים לטכנולוגיה, רפואה, חקלאות ולמגוון יישׂומים אחרים. לדוגמה, משתמשים במינרל כמו נחושת לייצור מטבעות וחוטי חשמל. בדיוק כפי שוויטמינים, סידן וברזל הם חומרי הזנה חשובים עבור הגוף, וגם עבור גדילה של צמחים. לא משנה היכן אתם נמצאים בעת קריאת מאמר זה – אתם משתמשים במינרלים ומוקפים בהם, כתוצאה מתהליך המִחזור הבלתי-פוסק של כדור הארץ.
מילון מונחים
מֶטָמוֹרְפִיזְם (Metamorphism): ↑ שינוי במינרלים של סלע מוצק, במרקמו או בהרכּבו. תהליך זה עשוי להתרחש בשל שינוי לחץ או טמפרטורה, או כניסה של מים או נוזלים אחרים.
לוח טֶקְטוֹנִי (Tectonic Plate): ↑ חתיכה עבה של סלע מוצק שצפה על פני המעטפת של כדור הארץ. עובי הלוחות הטקטוניים המרכיבים את היבשות והאוקיינוסים של כדור הארץ הוא בין 15 ק"מ.
בֶּקַע (Rift): ↑ פער קווי בקרום הימי או היבשתי, בְּמקום שבו הלוחות הטקטוניים מתרחקים.
הַפְחָתָה (Subduction): ↑ התהליך שבו לוח טקטוני אחד שוקע מתחת לאחר.
לוֹסוֹנִיט (Lawsonite): ↑ מינרל מטמורפי שנוצר באזורי הפחתה. הוא מכיל כמויות גבוהות של מים, ושל היסודות סידן, אלומיניום, סיליקון וחמצן, וכמויות קטנות של יסודות אחרים.
אִיזוּר (Zoning): ↑ שינוי בהרכּב הקריסטל של מינרל, הנובע משינויים בתנאים במהלך גדילתו.
מעטפת (Mantle): ↑ נפח גדול של סלע חם ודחוס הנמצא בין קרום כדור הארץ לבין הליבה העשירה בברזל של הכוכב שלנו.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מאמר המקור
↑Whitney, D. L., Fornash, K. F., Kang, P., Ghent, E. D., Martin, L., Okay, A.I., et al. 2020. Lawsonite composition and zoning as tracers of subduction processes: a global review. Lithos 370–1:105636. doi: 10.1016/j.lithos.2020.105636
מקורות
[1] ↑ Hacker, B. R., Abers, G. A., and Peacock, S. M. 2003. Subduction factory-1. Theoretical mineralogy, densities, seismic wave speeds, and H2O contents. J Geophys Res Solid Earth. 108:2029. doi: 10.1029/2001JB001127
[2] ↑ van Keken, P. E., Hacker, B. R., Syracuse, E. M., and Abers, G. A. 2011. Subduction factory-4. Depth-dependent flux of H2O from subducting slabs worldwide. J Geophys Res Solid Earth 115:B01401. doi: 10.1029/2010JB007922
[3] ↑ Zack, T., Rivers, T., Brumm, R., and Kronz, A. 2004. Cold subduction of oceanic crust: implications from a lawsonite eclogite from the dominican Republic. Euro J Mineral. 16:909–16. doi: 10.1127/0935-1221/2004/0016-0909
[4] ↑ Whitney, D. L., and Davis, P. B. 2006. Why is lawsonite eclogite so rare? Metamorphism and preservation of lawsonite eclogite, Sivrihisar, Turkey. Geology. 34:473–6. doi: 10.1130/G22259.1
[5] ↑ Whitney, D. L., Fornash, K. F., Kang, P., Ghent, E. D., Martin, L., Okay, A.I., et al. 2020. Lawsonite composition and zoning as tracers of subduction processes: a global review. Lithos 370–1:105636. doi: 10.1016/j.lithos.2020.105636