מעטפת כדור הארץ

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

מעטפת כדור הארץ היא השכבה האמצעית בגאוספירה של כדור הארץ. מעל המעטפת משתרע הקרום, כשביניהם מפריד תחום אי הרציפות מוהורוביצ'יץ' (בקיצור: תחום אי הרציפות מוהו). מתחת למעטפת נמצא הגלעין שבמרכז כדור הארץ, כשביניהם מפריד תחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג.

אוקיינוס קרום כדור הארץ קרום כדור הארץ מעטפת כדור הארץ גלעין כדור הארץ תחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג תחום אי הרציפות ג'פריס אסתנוספירה ליתוספירה תחום אי הרציפות מוהו
תרשים אינטראקטיבי של מבנה כדור הארץ


למעטפת כדור הארץ תפקיד חשוב במגוון של תהליכים גאולוגיים שטרם הובררו דים,‏[1] והיא מספקת לחוקרים תובנות חשובות הנוגעות להתפתחות כדור הארץ.‏[2]

היווצרות[עריכת קוד מקור | עריכה]

היווצרות כדור הארץ[עריכת קוד מקור | עריכה]

איור: היווצרות כדור הארץ מהצטברות חלקיקים (נאס"א)
התבדלות: מחומר הומוגני לשכבתיות
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – כדור הארץ

היווצרות כדור הארץ קשורה לקריסה כבידתית של גז וחלקיקי אבק שנותרו מענן מולקולרי בין כוכבי שיצר את מערכת השמש.‏[3] מסביב לשמש ובמרחקים שונים ממנה יצרו חלקיקים אלה כוכבי לכת עובריים, בהם כדור הארץ, שהלכו וגדלו ככל שמשכו אליהם חלקיקים נוספים.‏[4] לחלקיקים אלה הצטרפו בשלב מאוחר יותר מטאוריטים, שהגדילו את המסה של כדור הארץ והעשירו את הרכבו. לצמיחה נוספת ולהיווצרותו של הירח תרמה "המכה הגדולה" – התנגשות תאורטית של תיאה, כוכב לכת בגודלו של מאדים, בכדור הארץ,‏[5] תאוריה שהתפתחה בין היתר על יסוד רעיון שהוצג בשנת 1946 על ידי הגאולוג האמריקאי רג'ינלד דיילי (Reginald Aldworth Daly‏, 1871–1957).‏[6]

מודל ההיווצרות של כדור הארץ הראשוני מהצטברות של חלקיקים קטנים מוסכם על מדענים,‏[7] כמו גם מבנהו הפנימי של כדור הארץ המודרני המורכב משכבות: גלעין, קרום וביניהם המעטפת המורכבת בעיקר מסלע מוצק ומכילה 84 אחוזים מנפחו.‏[8]

הענן המולקולרי הראשוני היה הומוגני ביסודו, ולכן מצביע הרכבם הכימי המגוון של כוכבי הלכת הפנימיים של מערכת השמש על התבדלות‏[9] שהתרחשה במהלך ההצטברות או מיד לאחריה.‏[10]

היווצרות המעטפת[עריכת קוד מקור | עריכה]

אף שקיימת הסכמה על טבעו השכבתי של כדור הארץ, זו נעדרת כאשר מדובר בסיבות ובתהליכים שיצרו את השכבות:

  • השערה אחת גורסת כי כדור הארץ במבנה השכבתי החל את דרכו מגלעין מתכתי, שסביבו הצטברו חלקיקים סלעיים ליצירת המעטפת.‏[11]
  • השערה חלופית גורסת כי החומר הסלעי והחומר המתכתי הצטברו סימולטנית ויצרו כוכב לכת הומוגני ולא משוכב, וכי החום הרב – שנבע מהתנגשות החלקיקים זה בזה ומדעיכה רדיואקטיביתהתיכה אותו וגרמה לשקיעת יסודות כבדים דוגמת ברזל וניקל בהרכב ניפה לגלעין,‏[12] וציפה של יסודות קלים דוגמת חמצן, צורן, מגנזיום ואלומיניום למעטפת.

בשתי ההשערות קיימת הסכמה כי היווצרותו של הקרום בהרכב סיאל וסימה מאוחרת להיווצרות הגלעין והמעטפת,‏[11] ונובעת ברובה מגעשיות.‏[13]

מחקרים שנערכו במטאוריטים מודרניים ובסלעים מן הירח תומכים בהשערה השנייה, וגורסים כי הגלעין נוצר לפחות 62 מיליון שנים לאחר התמזגות החלקיקים לכדי כוכב לכת.‏[14] עם זאת, אירועים אלה התרחשו לפני זמן רב ולא הותירו עדויות רבות, ולכן עשויים מחקרים עתידיים לשפוך עליהם אור נוסף.

שכבות כדור הארץ: קרום כדור הארץ : זהו החלק שעליו אנו חיים, הוא דק יחסית לשאר השכבות. עוביו מ5-70 קילומטר. הוא מתחלק לקרום יבשתי (המרכיב את היבשות) וקרום אוקיינוסי (שעליו האוקיינוסים) שניהם מוצקים. המעטפת : עוטפת את הגלעין,נמצאת מתחת לקרום כדור הארץ עובייה כ2900 קילומטר היא מתחלקת למעטפת פנימית מוצקה ומעטפת חיצונית נוזלית שבה נמצאת המגמה. גלעין : החלק הפנימי של כדור הארץ עוביו כ3400 קילומטר הוא מתחלק לגלעין פנימי מוצק וגלעין חיצוני נוזלי.

חקר המעטפת[עריכת קוד מקור | עריכה]

לא ניתן לדגום את המעטפת ישירות, אך באמצעים עקיפים ניתן לקבל מידע חלקי המותיר אי-ודאות באשר להרכב המדויק שלה.‏[15]

סייסמולוגיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – סייסמולוגיה

גלים סייסמיים הנוצרים ברעידות אדמה וגלים דומים הנוצרים באמצעות פיצוץ מלאכותי מספקים את מרבית העדויות על מבנה והרכב המעטפת. מהירותם של הגלים תלויה במאפיינים הפיזיקליים של החומרים דרכם הם עוברים. ניסויים מעבדתיים מגדירים את התנהגותם של הגלים בעוברם דרך טווח של חומרים מוצקים שמאפייניהם ידועים, וניתן להשוות מהירויות המתקבלות במעבדה לאלה המתקבלות בשטח. עם זאת, להשוואה זו יש מגבלות מפני שלתמיסות אין מאפיינים ייחודיים. בנוסף, קיים קושי לשכפל באמצעים מעבדתיים את הלחץ הרב המתקיים במעטפת, כך ששיטות אלה אינן מספקות מידע מדויק על התנאים בעומק הולך וגדל בתוך המעטפת.‏[15]

מחקרי שיווי משקל כימי[עריכת קוד מקור | עריכה]

תחומי אי רציפות: Aתחום אי הרציפות מוהורוביצ'יץ', Bתחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג, Cתחום אי הרציפות ג'פריס, 1 – קרום יבשתי, 2 – קרום אוקייני, 3 – מעטפת עליונה, 4 – מעטפת תחתונה, 5 – גלעין חיצוני, 6 – גלעין פנימי
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – שיווי משקל כימי

ניסויים הנערכים בתנאי לחץ וטמפרטורה גבוהים משמשים לבחינת תגובות החליפין בין מינרלים שונים ובין מינרלים למאגמה, וכן את שדות היציבות‏[16] של מינרלים בלחצים ובטמפרטורות שונים המייצגים התנאים ברבדים שונים של המעטפת. מניסויים כאלה ניתן להסיק בסבירות גבוהה את ההרכב הכימי והמינרלי של המעטפת, אך לא בוודאות.‏[15]

טומוגרפיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

טומוגרפיה מדמה בשלושה ממדים אזורים של גלים סייסמיים מהירים ואיטיים בתוך כדור הארץ. גלים אלה עשויים לייצג חומר קר שוקע או חומר חם מתרומם, ולחלופין – שינויים בהרכב בשכבות מעטפת ראשוניות, ההופכים מורכבים ומסובכים בגלל המערבָּל‏[17] הקיים במעטפת.

אי סדירויות טומוגרפיות מיוחסות לכמה מצבים אפשריים:‏[1]

לעומת אפשרויות אלה ניצבת גישת המחזוריות הסגורה במעטפת במסגרת טקטוניקת הלוחות[18] של הגאופיזיקאי האמריקאי וורן המילטון (Warren B. Hamilton‏, נולד ב-1925).‏[19] חסידי גישת המחזוריות הסגורה סבורים כי התמרות אינן יכולות לחדור מבעד לתחום אי רציפות זה בעומק של כ-670 ק"מ,‏[20] וכי תאי הערבול מוגבלים למעטפת העליונה ואינם נובעים מהמעטפת התחתונה – שהתנועה בה זוחלת ביחס לזו שבמעטפת העליונה.

ניתוח של סלעים[עריכת קוד מקור | עריכה]

קירוב לניתוח ישיר של סלעי המעטפת ניתן לקבל באמצעות ניתוח סלעים הנובעים ממנה, שעברו מבעד לקרום אל פני השטח.

פרידוטיט ובזלת אוקיינית[עריכת קוד מקור | עריכה]

החומרים הנפלטים ממרכזי ההתפשטות האוקייניים, דוגמת בזלת ופרידוטיט, נחשבים לבלתי-מזוהמים כמעט מפני שהם מתפרצים מרבדיה השונים של המעטפת במהירות גבוהה. מסלעים אלה ניתן להסיק מידע חשוב, ודגימתם נחשבת שיטה אמינה לקבלת מידע על הרכב המעטפת עד לעומק של 300 ק"מ. פרידוטיט עשוי להתקיים בעומקים גבוהים יותר של המעטפת, ויש אף חוקרים הסבורים כי המעטפת כולה פרידוטיטית בהרכבה.‏[15]

קימברליט[עריכת קוד מקור | עריכה]

קימברליט נושא גבישי יהלום ואוליבין

סלעי קימברליט הם פרידוטיטים המכילים נציץ ומינרלים קרבונטיים,‏[21] ובניגוד לפרידוטיט שמוצאו אוקייני – הם עשירים בחומרים נדיפים דוגמת מים ופחמן דו-חמצני. סלעים אלה מתפרצים במהירות ובהתפרצויות מתפוצצות מבעד לקרום יבשתי באמצעות דיאטרם או צינור הזנה, והם מאפשרים לדגום את הרכב המעטפת בשני אופנים:

  • קסנוליתים וקסנוקריסטים[22] – סלעי קימברליט מכילים קסנוקריסטים וקסנוליתים במגוון גדלים וסוגים, המהווים חלקיקים אקראיים של מינרלים וסלעים הניתקים מסלעי הסביבה ונישאים על ידי הסלע המארח במהלך עלייתו אל פני השטח. יהלומים נישאים באמצעות קימברליט מעומק רב במעטפת וייתכן שאף מתחתיתה, והם מכילים נתך סלעי או תכלילים מינרליים. ניתוח איזוטופי של היהלומים מראה כי גילם עולה על גילו של הקימברליט המארח.
  • עומק – קימברליטים נוצרים בליתוספירה יבשתית מתחת לקרום, ולכן מספקים מידע הנוגע להרכבה של מעטפת תת-יבשתית בלבד.

נראה שהתכלילים האקראיים הנישאים על ידי הקימברליט דוגמים את המעטפת בעומק של לפחות 150 ק"מ.‏[21]

אנלוגיה למטאוריטים[עריכת קוד מקור | עריכה]

בנסיון ללמוד את הרכבה של המעטפת נוצרו מודלים גאוכימיים תוך התבססות אנלוגית על הרכבם של מטאוריטים כונדריטיים, שלא חלו בהם התכה או גיבוש מפריט המשנים את הרכבם ותכונותיהם. התבססות אנלוגית זו נערכה מכמה סיבות:‏[21]

מטאוריט כונדריטי

קבלת מודל ארץ כונדריטי כזה נתקלת בקשיים. הקושי הגדול ביותר נובע מהבדל בתכולת היסודות האלקליים בין המטאוריטים לבין סלעי כדור הארץ. קושי נוסף נובע מהיחס הנמוך בין האיזוטופים 12C:13C במטאוריטים כונדריטיים נפוצים ובבזלות ארציות לבין היחס הגבוה ביניהם בסלעים קרבונטיים ארציים וביהלומים. קושי אחר, הנובע מנדירות נפילתם לכדור הארץ של חומרים כונדריטיים קרבונטיים ביחס לחומרים הכונדריטיים הנפוצים, מוסבר באמצעות שבריריותם הרבה של הכונדריטים הקרבונטיים והתמרה ההופכת אותם לכונדריטים נפוצים.‏[12]

קשיים אלה הובילו להשערה כי המעטפת נובעת מהצטברות של כונדריטים קרבונטיים, ולא מהצטברות של הכונדריטים המרכיבים את המטאוריטים הנפוצים. השערה זו נתמכת בקיומם של מים וחומרים נדיפים אחרים בתוך המעטפת,‏[21] כפי שעולה ממחקריו של הגאולוג האמריקאי ויליאם רובי (William Walden Rubey‏, 1898–1974)‏[23] שנערכו בניסיון להתחקות אחר מקורם של חומרים אלה. במחקר כזה, שעסק במקורם של מי ים וגזי האטמוספירה ופורסם בשנת 1951,‏[24] טען רובי:

Cquote2.svg

רמז למקור זה עולה מהכמויות היחסיות של עודפי נדיפים שונים. אלה דומים לכמויות היחסיות של אותם חומרים בגזים הנפלטים מהרי געש, מפומרולות וממעיינות חמים, ולגזים האגורים בסלעי יסוד.

Cquote3.svg

עם זאת, נותרות שתי שאלות פתוחות:‏[12]

  • האם חומרים כונדריטיים שהצטברו בחגורת האסטרואידים בחלל שבין מאדים לצדק לפני כ-4.5 מיליארד שנים אכן מייצגים את החומר ממנו הצטברה מעטפת כדור הארץ באותה עת?
  • האם הצטברות חומרי המעטפת מהענן המולקולרי הייתה הומוגנית או שכבתית?

מאפיינים[עריכת קוד מקור | עריכה]

המעטפת היא האמצעית משלוש השכבות הקונצנטריות הראשוניות המרכיבות את כדור הארץ, וביחד עם הגלעין מרכיבה יותר מ-99% מנפחו.‏[15] המעטפת משתרעת מתחום אי הרציפות מוהורוביצ'יץ' – המצוי בתחתית הקרום בעומק של 25–35 ק"מ מתחת לקרום יבשתי ו-6–11 ק"מ מתחת לקרום אוקייני, ועד לתחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג בעומק של 2,890 ק"מ – בגבול עם הגלעין החיצוני.

בעומק שבין 100 ו-350 ק"מ במעטפת שוררת טמפרטורה גבוהה, בעטיה מותכים כ-2 אחוזים מסלעיה ומתאפשרת תנועה איטית מאוד של חומרים. בעומק העולה על 350 ק"מ הטמפרטורה גבוהה יותר, אך הלחץ הרב מונע את התכתו של המסלע.‏[25]

מבנה המעטפת[עריכת קוד מקור | עריכה]

הטמפרטורות במעטפת מגיעות לעד 4,000 מעלות צלזיוס המעטפת מצויה בתחום שבין שני תחומי אי רציפות: תחום אי הרציפות מוהו בגבולה העליון ותחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג בגבולה התחתון, והיא נחלקת לשתי שכבות עיקריות:

המעטפת העליונה[עריכת קוד מקור | עריכה]

התפשטות גלים סיסמיים בחתך של כדור הארץ

השכבה העליונה של המעטפת משתרעת מתחום אי הרציפות מוהו ועד לעומק של כ-670 ק"מ.‏[15] מהירות הגלים הסיסמיים משתנה תוך כדי מעברם במעטפת העליונה, עובדה המעידה על שינויים בצפיפות החומר לפיהם נהוג לחלק את המעטפת העליונה לשתי רצועות:

המעטפת התחתונה[עריכת קוד מקור | עריכה]

השכבה התחתונה של המעטפת עבה יותר ומשתרעת מתחתית המעטפת העליונה ועד לתחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג בעומק 2,900 ק"מ לערך. מעלייה במהירותם של גלים סייסמיים עולה כי חלק זה של המעטפת מתאפיין בעלייה חדה של כ-20% בצפיפות לעומת המעטפת העליונה.‏[15]

הרכב המעטפת[עריכת קוד מקור | עריכה]

סלעים המשקפים את הרכבה המשוער של המעטפת:
קסנולית של פרידוטיט
אקלוגיט
דוניט

מאז קבלתה של פרדיגמת טקטוניקת הלוחות השתנו התפיסות הנוגעות להרכבה של מעטפת כדור הארץ. את האמונה הרווחת באותה עת ואת הקשר בין הרכבה של המעטפת העליונה לזה של מטאוריטים תיארו הגאוכימאי והמינרלוג הניו זילנדי בריאן מייסון (Brian Mason‏, 1917–2009), שהיה בין חלוצי המחקר המטאוריטי,‏[12] והגאולוג הבריטי ארתור הולמס (Arthur Holmes‏, 1890–1965).

בשנת 1965 יצאה מהדורה שנייה לספרו של הולמס "Principles of physical geology" משנת 1944, בה ציין כי:

Cquote2.svg

כבר מזמן נחשבו מטאוריטים, סלעיים וברזליים, רמזים ישירים לטבעם של המעטפת והגלעין של כדור הארץ. מטאורים סלעיים דומים לפרידוטיטים הארציים שלנו בכמה אופנים, ויותר מכך, לכמה סוגים יש הרכבים שאינם שונים מכמה מן הבזלות שלנו. מסיבות אלה ואחרות, טווח דומה של הרכבים במעטפת, הנשלט על ידי חומרים אולטרה-מאפיים, נראה כניחוש סביר. השינוי הפתאומי של מהירויות סייסמיות במוהו מצביע על שינוי בהרכב (כלומר, מסלע מאפי למעלה לאולטרה-מאפי למטה) או שינוי במצב (למשל מגברו או אמפיבוליט לשינוי בלחץ, אשר, לשם הנוחות, אנו עשויים להתייחס אליו כאל אקלוגיט), ללא שינוי רב בהרכב. סוגי פרידוטיטים עתירי אוליבין ונושאי גארנט, בטמפרטורות ובלחץ המתאימים, מניבים מהירויות סייסמיות המתאימות בערך למרבית חלקי המעטפת העליונה. גם אקלוגיט יתאים במידה שווה, והֶקשֵׁרים של סלעים יתאימו לדרישות הצפיפות והסייסמיוּת. העובדה שסלעי אקלוגיט קיימים במעטפת מוכחת באמצעות קיומם כתכלילים בצינורות יהלומים, וכמה מהם מכילים יהלומים בעצמם. ועוד, מאגמה בזלתית עולה מן המעטפת, ומקור אפשרי מאוד לאספקת בזלת יהיה התכת אקלוגיט. אפשרות אחרת, שתוסיף מגוון לסוגי הבזלת הנוצרת, תהיה התכה חלקית של פרידוטיט נושא גארנט.‏[26]

Cquote3.svg

אף שסלעי אקלוגיט עשויים לייצג את המעטפת הראשונית או קרום אוקייני מופחת, קיימת בעיה בהשערת המעטפת העליונה האקלוגיטית: קסנוליתים של אקלוגיט נדירים בקימברליט, ואילו תפוצתם של קסנוליתים פרידוטיטיים בו גבוהה.‏[27]

גם מייסון, במהדורה השלישית של ספרו "Principles of Geochemistry" שיצאה בשנת 1966, מתייחס לקשר בין הרכבה המשוער של המעטפת העליונה – פרידוטיט וכמויות קטנות של פלגיוקלז, להרכבם של מטאוריטים כונדריטיים. עם זאת, הוא הצביע על מחלוקת הנוגעת לתחום אי הרציפות מוהורוביצ'יץ': בעוד חלק מהחוקרים ראו בו גבול פיזיקלי הנובע משינוי במהירות מעבר גלים סייסמיים, ראו בו אחרים גבול כימי בדמות הבדל בהרכב הסלעים המתבטא במודל לפיו למעטפת העליונה הרכב אולטרה-מאפי – שלושה רבעים דוניט או פרידוטיט ורבע בזלת תולאיטית.‏[28]

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ 1.0 1.1 Encyclopedia of Geology, כרך 1, עמ' 402
  2. ^ The Earth’s Mantle – Composition, Structure, and Evolution, פתיח
  3. ^ The Earth’s Mantle – Composition, Structure, and Evolution, עמ' 3
  4. ^ The Earth’s Mantle – Composition, Structure, and Evolution, עמ' 4
  5. ^ Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation
  6. ^ Origin of the Moon and its Topography
  7. ^ Introduction to Physical Geology, עמ' 8
  8. ^ The Interior of the Earth
  9. ^ התבדלות (differentiation) – היפרדות של מרכיבים או יסודות
  10. ^ The Earth’s Mantle – Composition, Structure, and Evolution, עמ' 7
  11. ^ 11.0 11.1 Introduction to Physical Geology, עמ' 9
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 12.3 Encyclopedia of Geology, כרך 1, עמ' 399
  13. ^ The Structure of the Earth
  14. ^ Introduction to Physical Geology, עמ' 10
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 Encyclopedia of Geology, כרך 1, עמ' 397
  16. ^ שדה יציבות (stability field) – טווחים של מצב יציב
  17. ^ מערבל (קונווקציה, Convection) – העברת חום באמצעות תנועה אנכית מאזור קר לאזור חם, ר' זרמי הערבול
  18. ^ Hamilton, W.B., The closed upper-mantle circulation of plate tectonics, "Plate Boundary Zones", Seth Stein and Jeffrey T. Freymueller (editors) "Geodynamics Series" 30, Amercan Geophysical Union, 2002, p. 359-409
  19. ^ וורן המילטון באתר בית הספר למכרות בקולורדו
  20. ^ Driving mechanism and 3-D circulation of plate tectonics, שם גורס המילטון תחום אי רציפות כזה בעומק של 660 ק"מ ולא 670 ק"מ, וכך גם Deep Earth and Recent Developments in Mineral Physics, עמ' 161
  21. ^ 21.0 21.1 21.2 21.3 Encyclopedia of Geology, כרך 1, עמ' 398
  22. ^ קסנוקריסטגביש זר שנכלא בתוך סלע
  23. ^ ביוגרפיה של ויליאם רובי
  24. ^ Geological History of Sew Water: An Attempt to State the Problem
  25. ^ Introduction to Physical Geology, עמ' 9
  26. ^ Principles of Physical Geology, עמ' 975–976
  27. ^ Encyclopedia of Geology, כרך 1, עמ' 400
  28. ^ Principles of Geochemistry, עמ' 37