Overview
מקור: המעבדה של אלן לסטר - אוניברסיטת קולורדו בולדר
סלעים מציתים הם תוצרים של קירור והתגבשות של סלע נוזלי בטמפרטורה גבוהה, הנקרא מאגמה. טמפרטורות מגמטיות בדרך כלל נע בין כ 800 °C (50 °F) עד 1,200 °C (50 °F). סלע מותך הוא, אולי למזלם של בני האדם, אנומליה על פני כדור הארץ. אם היה נוצר חור מקדחה אקראי ודמיוני בכדור הארץ, סביר להניח שהוא לא היה מגיע לאזור של חומר מותך באמת ועד הליבה החיצונית, בכמעט 2,900 ק"מ מתחת לפני השטח (רדיוס כדור הארץ הוא 6,370 ק"מ). אפילו שם, החומר המותך הזה היה מורכב בעיקר מברזל נוזלי, לא סלע סיליקט אמיתי, ולא יהיה מסוגל להגיע אי פעם לפני השטח של כדור הארץ.
התפרצויות געשיות וסלעים מציתים אכן מתרחשות, והם עדות לכך שאכן יש אזורים מבודדים של ייצור נמס ומגמה בתוך כדור הארץ.
Principles
ישנם שלושה מנגנונים עיקריים להמסת סלעים בתוך כדור הארץ:
1) תוספת חום
התכה יכולה להתרחש כאשר סלעים במעטפת כדור הארץ או בקרום חווים עלייה בטמפרטורת הסביבה. זוהי תוצאה של מאגמה בטמפרטורה גבוהה שבאה במגע עם סלעים שיש להם טמפרטורת התכה נמוכה יותר.
2) תוספת של נדיפים
התכה מתרחשת במעטפת כדור הארץ כאשר רכיבים נדיפים (בדרך כלל H2O, אך רכיבים אחרים, כגון CO2, אפשריים) מפוזרים לאזור של סלעים הקרובים אך לא ממש בטמפרטורת ההיתוך שלהם. זה נקרא נמס שטף והוא מקביל לרתך באמצעות שטף כדי להוריד את טמפרטורת ההיתוך עבור המתכות שהם עובדים איתם. זהו המנגנון העיקרי להמסה מעל לוח יורד באזור הפחתה, שבו נדיפים בורחים מן lithosphere האוקיינוס subducing להיכנס המעטפת overlying ולהביא להמסת שטף. מעל אזורי הפחתה, אנו רואים לעתים קרובות שרשרת של הרי געש, למשל הרי המפל וההרי האנדים.
3) הפחתת לחץ
ההיתוך מתרחש במעטפת כדור הארץ כאשר המעטפת הפלסטיקית והאנתנוספירית הניידת עולה ועוברת הפחתת לחץ. גלימה זו חווה אובדן חום מינימלי יחסית (שכן סלעים הם מוליכים ירודים של חום), ומכיוון שההמסה תלויה בלחץ, אובדן הלחץ עלול לגרום למעטפת האתנוספירית העולה להינמס.
קירור והתגבשות של מאגמה
קירור וגבשה מאגמטיים יכולים להתרחש במגוון סביבות. עם זאת, אנו מבחינים בין שתי הנסיבות העיקריות של קירור פני השטח (המהיר) לבין קירור פנים כדור הארץ (איטי). אלה מייצרים סלעים עם גודל, צורה וסידור שונים - שילוב של גורמים שגיאולוגים מכנים מרקם. קירור פני השטח (המהיר) יוצר סלעים הנקראים באופן קולקטיבי מוחץ. סלעים בולטים מאופיינים בגבישים קטנים מאוד (בלתי נראים לעין בלתי מזוינת), סוג של מרקם המכונה אפאניטי.
לעומת זאת, הקירור המתרחש כתוצאה מגופי מאגמה המתמצים בפנים כדור הארץ(כלומר קירור תת-קרקעי) איטי בהרבה, וזה מוביל לסלעים עם גבישים גדולים יחסית, הנראים לעין בלתי, ונקראים יחד סלעים פולשניים. גדלי התבואה העגומים והגדולים יותר יוצרים מרקם המכונה פאנריטי(איור 1).
הרכב מאגמה
בסופו של דבר, כפי שתואר לעיל, סלעים מציתים מסווגים על בסיס שתי תכונות - מרקם (שהוא בדרך כלל תוצאה של סביבת הקירור, כלומר פני השטח או תת הקרקע) והרכבם. מבחינה קומפוזיציונית, סלעים מציתים משתרעים על פני מגוון של felsic לבינוני כדי מאפי. סלעי פליסי עשירים באלומיניום וסיליקה (סיליקון וחמצן), ואילו מאפי מתייחס לסלעים המכילים פחות סיליקה ויותר ברזל ומגנזיום. קומפוזיציות מאגמס יכולות לנוע בין הפלסיה למאפית. אלה שאינם פתיתיים מאוד ולא מאוד מאפיים מכונים ביניים. במובן כמותי, סלעים felsic מכילים כ 60-75% (לפי משקל) SiO2, והם נקראים באופן כללי גרניט. סלעי מאפי מכילים כ 45-60% (לפי משקל) SiO2, והם בזאליים בהרכב רחב. קומפוזיציות ביניים הן בטווח של 55-63% SiO2, והן "ונדסיטיות" בהרכב.
שני ניסויים מבוצעים בדרך כלל המתייחסים לעקרונות היווצרות סלעים מציתים. הניסוי הראשון מדגים עיקרון מרכזי של המסה בכדור הארץ, והשני מתייחס לתהליך ההתגבשות.
1) היבט מרכזי של דור מאגמה (בין אם הוא מתרחש באמצעות תוספת חום, תוספת נדיפה או הפחתת לחץ) הוא שהרכב ההיתוך הראשוני שונה בדרך כלל מהרכב המעטפת או הסלע הקרום העובר נמס. זה נקרא נמס חלקי וזה פשוט אומר שכאשר המסה מתרחשת בכדור הארץ, הנוזל הראשוני (שבר נמס) יהיה עשיר יותר בסיליקה (יותר felsic) לעומת סלע האב כי הוא נמס.
הדגמה של המסה חלקית היא סחיטה של מיץ ענבים קפוא. כאשר סחוטים, הנוזל שנטף החוצה הוא בדרך כלל יותר סגול או בצבע ענבים מאשר החומר הקפוא הנותר. במילים אחרות, יש הבדל בהרכב בין הנוזל (השבר להמיס) לבין חומר האב הקפוא (המוצק) הנותר.
2) היבט מרכזי של התגבשות סלעים, כפי שנדון לעיל, מתייחס לקצב הקירור, ולשליטתו הנלווית לגודל התבואה. למרות סלעים ניתן להמיס במעבדה, זה דורש ציוד מיוחד מאוד וטמפרטורות מעל 800 °C (700 °F). עם זאת, הקשר בין קצב קירור לגודל הגביש ניתן להדגים עם נקודת התכה נמוכה (ולא רעיל) תרכובת אורגנית, טימול (שמן טימין), C10H14O.
איור 1. גרניט הוא סוג נפוץ של סלע פולשני, פליסי, מצית, שהוא גרגירי ופנריטי במרקם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. ניסוי מיץ ענבים
- פתח מיכל של מיץ ענבים מלאכותי שנקנה בחנות.
- רוקנו חלק מהתוכן לידיים ולחסנו.
- שימו לב שהנוזל הוא בצבע סגול עמוק, והסוליד הנותר איבד חלק מהצבע הסגול שלו וכעת הוא דומה יותר לקרח צלול.
2. קצב קירור וגודל קריסטל
- מפזרים שכבה של גבישי טימול בתחתית צלחת פטרי, רק מכסה את החלק התחתון של המנה.
- יש להכין צלחת פטרי על צלחת חמה, באזור מאוורר היטב.
- הגדר את החום של הצלחת על הגדרה נמוכה מאוד, רק מספיק כדי להתחיל להמיס. חום נמוך חשוב, אחרת הגבישים יתנפחו.
- לאחר נמס, לקחת את המנה ולהניח על שולחן כדי לצפות מגניב.
- חזור על השלבים לעיל (2.1-2.3) עם צלחת פטרי שנייה, אבל פעם נמס, לקחת צלחת ולהניח על גבי אמבט מי קרח.
- השווה את גודל הגביש בין צלחת הפטרי שעברה קירור איטי על שולחן לצלחת הפטרי שעברה קירור מהיר על גבי אמבט מי הקרח.
קביעת הרכב הסלעים המעוררים יכולה ליידע מדענים על הפעילות הגעשית בעבר של מיקום.
סלעים מציתים נוצרים על ידי קירור והתגבשות של סלע נוזלי בטמפרטורה גבוהה, המכונה מאגמה. מאגמה היא תופעה נדירה יחסית על פני השטח ועל השכבות העליונות של כדור הארץ. עם זאת, מאגמה יכולה לפעמים להגיע לפני השטח דרך התפרצות געשית או אירוע דומה, ויוצר סלעים בולטים. לחלופין, מאגמה שמתקררת ומתגבשת מתחת לפני השטח של כדור הארץ מכונה סלע פולשני.
וידאו זה ימחיש כיצד נוצרים סלעים פולשניים, וידגים כיצד לדמות את היווצרותם באמצעות שני ניסויים פשוטים.
קירור מאגמה והתגבשות יכולים להתרחש במגוון סביבות, במגוון דרכים. מהירות הקירור, מהירה או איטית, יכולה להיות השפעות גדולות על הסלע שנוצר. שיעורי קירור שונים יוצרים סלעים עם גודל, צורה וסידור שונים, גורמים המגדירים את מרקם הסלע הכולל. פני השטח, או קירור מהיר, מייצר סלעים המאופיינים בגבישים קטנים מאוד, במרקם המכונה אפאניטי.
לעומת זאת, קירור שקורה בתת הקרקע כאשר גופי מאגמה מתגבשים בפנים כדור הארץ מתרחש הרבה יותר לאט. מאגמה עשויה להתקיים בשלב המכונה המסה חלקית. קירור והתמצקות זו מייצרת סלעים עם גבישים גדולים יחסית, הנראים לעין בלתי. סלע מסוג זה מכונה סלע פולשני, וגדלי התבואה הקשים והגדולים יותר יוצרים מרקם המכונה phaneritic.
הן המרקם והן הקומפוזיציה מגדירים את הסוגים הספציפיים של סלעים מציתים. מבחינה קומפוזיציונית, סלעים מציתים משתרעים על פני מגוון של felsic, עד ביניים, כדי mafic. סלעי פליסי עשירים באלומיניום ובסיליקה, ואילו סלעי מאפי מכילים פחות סיליקה, אך יותר ברזל ומגנזיום. קומפוזיציות מאגמה יכולות ליפול בכל מקום על הספקטרום שבין פליסי למאפי.
כמותית, סלעי felsic מכילים כ 60-75% צורן דו חמצני לפי משקל, והם נקראים באופן רחב יותר גרניט. סלעי מאפי מכילים כ-45%-60% צורן דו-חמצני, והם בזאליים בהרכבם. קומפוזיציות ביניים, בערך 55-63% צורן דו חמצני, מכונים andesitic.
באמצעות שתי הדגמות מעבדה, אנו יכולים להמחיש את התהליכים של היווצרות סלעים פולשניים ויצירת גביש בטמפרטורות קירור שונות.
השלב הראשון בהדגמת המסה חלקית הוא בחירת תחליף לבה מתאים. נוזלים צבעוניים כמו מיצי פירות יכולים לעבוד טוב בשביל זה. כדי להתחיל את הניסוי, פתח מיכל של מיץ ענבים קפוא שנקנה בחנות.
לאחר מכן, רוקנו רבע מהמכל לידיים עם כפפות. לסחוט את המיץ הקפוא, הקפדה לספק לחץ מתמיד ומוצק. שימו לב שהנוזל שמתנקז מהמיץ הקפוא הוא בצבע סגול עמוק. לעומת זאת, המוצק הנותר איבד חלק מהצבע שלו ונראה חיוור יותר מבעבר.
המסת מיץ ענבים מדגימה את הרעיון של התכה חלקית, כפי שניתן לראות במגמה. המסה ראשונית, אשר יהיה נוזלי, הוא בדרך כלל של הרכב שונה מאשר סלע האב שעובר נמס.
החלק הפיגמנטי של מיץ הענבים נמס הכי מהר, כלומר חלק גדול מהפיגמנט ייתקל במיכל בשלב מוקדם של הניסוי, וישאיר פחות צבע מאחור. זה מדמה התכה חלקית, ומדגיש הבדלים בהרכב מאגמה. הנוזל הראשון שנוצר במהלך המסה חלקית של סלע, מדומה על ידי החלק הצבעוני של מיץ הענבים, מועשר ברכיבים פליסיים. כאשר נוזל זה מוסר מהמערכת, כפי שקורה בדרך כלל, אז הסלע הנותר, המיוצג על ידי הקרח הברור יותר, יהיה של הרכב מאפי יותר.
תימול, תרכובת אורגנית טבעית, משמשת לדמות התגבשות סלעים. מפזרים שכבה של גבישי תימול לתוך צלחת פטרי, מספיק כדי לכסות את התחתית. שמים את צלחת הפטרי על צלחת חמה על תפאורה נמוכה מאוד באזור מאוורר היטב. חום נמוך חשוב כדי למנוע את הגבישים תנודתיים. לאחר הגבישים נמסו, להסיר את צלחת פטרי מן החום. שמים את המנה על שולחן בטמפרטורת החדר ומתבוננים בקירור. חזור על שלבי החימום הנ"ל עם צלחת פטרי שנייה גבישי טימול, אך לאחר שנמס, קח את המנה והנח על גבי אמבט מי קרח כדי להתקרר.
ניסוי גביש התימול מדגים מה קורה לגודל גרגרי סלע מציתים בקצבי קירור שונים. קירור מהיר מייצר גבישים קטנים יותר מאשר קירור איטי, והבדל זה נצפה בקלות בגבישי התימול שנוצרו מחדש. הגבישים המעורבים שנוצרו בתנאי קירור איטיים יותר דומים לאלה שנראו בסלעים פולשניים, אשר נוצרים במהלך תהליך איטי יותר של קירור בתת הקרקע של כדור הארץ. לעומת זאת, הגבישים הקטנים יותר שנוצרו תחת קירור מהיר דומים לסלעים בולטים, הידועים גם כסלעים אפאניטיים, אשר נוצרים לאחר שמגמה פורצת את פני השטח באמצעות התפרצות.
זיהוי והבנה של המאפיינים וההיווצרות של סלעים פולשניים יש יישומים עצומים עבור גיאולוגים ואוכלוסיות אנושיות בכללותן.
סלעים פולשניים יכולים להיות סמנים עבור סוגים מסוימים של פיקדון עפרות. לדוגמה, גופי מאגמה פולשניים פולשניים קשורים לעתים קרובות להיווצרות של נחושת, מוליבדן, זהב או עפרות כסף. לעומת זאת, חדירות מאפי עשויות להיות קשורות לכספי כרום, פלטינה וניקל. היכולת לזהות פיקדונות פוטנציאליים מאפשרת בקלות קידוח ממוקד או כרייה, ויש לה השלכות עלות וסביבתיות על התעשייה.
אם מאגמות פורצות את פני השטח, מתרחשות התפרצויות געשיות. סלעים פולשניים הנמצאים באזור משמשים כסמן לגיאולוגי שדה כדי לבדוק כל עדות לסלעים געשיים, וקביעת האזור כפעיל וולקני פוטנציאלי, או פעיל בעבר וולקנית. מידע זה יכול לשמש כדי לחזות את הסבירות של אזורים עדיין להיות פעיל וולקני, או שיש פוטנציאל להיות כך בעתיד. זה חשוב לתכנון או ניהול שימוש בקרקע, או להערכת סיכונים פוטנציאליים להתנחלויות או למבנים קיימים.
סלעים פולשניים הם גם סמנים שימושיים לפענוח ההיסטוריה של כדור הארץ. סלעים מציתים קלים יחסית עד כה. זה יכול להיות מושגת על ידי מדידת השפע היחסי של הורה רדיוגני לבת, או "מוצר ריקבון" איזוטופים. מבחינה איכותית, סלעים בעלי יחס גבוה יותר בין בת רדיוגנית לשפע ההורים הם מבוגרים יותר, כי יש כבר יותר זמן לאיזוטופים של הורים להתפורר לאיזוטופים של בת. סוג הסלעים המעוררים הקיימים באזור יכול גם להצביע על אזורים קודמים של המסה בתוך הקרום היבשתי, פעילות אזור הפחתה ואזורי הקרע היבשתי או אמצע האוקיינוס. זה נותן לגיאולוגים את היכולת להסיק איזה סוג של הגדרות טקטוניות היו נוכחים בזמן היווצרות הסלע.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לסלעים פולשניים. כעת עליכם להבין את ההבדלים בין סלע פולשני ופולשני, כיצד נוצרים סלעים פולשניים וכיצד לדמות המסה חלקית ויצירת סלע פולשני במעבדה.
תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
1) ניסוי מיץ הענבים מדגים את הרעיון של התכה חלקית. כאשר נוזל ראשוני (נמס) הוא בדרך כלל של הרכב שונה מאשר סלע האב שעובר נמס.
2) ניסוי התימול מדגים את הרעיון של גודל גרגר סלע מצית כקשור לשיעור הקירור. קירור מהיר מייצר גבישים קטנים יותר מאשר קירור איטי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
סלעים מציתים הם בעלי חשיבות רבה. גיאולוגים מזהים ומפים סלעים פולשניים ממגוון סיבות.
סלעים פולשניים יכולים להיות סמנים של סוגים מסוימים של מרבצי עפרות. לדוגמה, גופי מאגמה פולשניים בהרכב פליסי עד בינוני יכולים לשמש כמקורות החום המניעים מערכות מחזור הידרותרמיות, ומכלעים במקביל בתוך שברים (ורידים) של מינרלים עפרות כולל Cu, Mo, Au, Ag, ואחרים. לעומת זאת, חדירות מאפי לאולטרה-מהפיות קשורות לפיקדונות Cr, Pt ו- Ni.
סלעים פולשניים יכולים להיות גם סמנים לפעילות מגמטית בעבר. אם מאגמות פורצות את פני השטח, אז התפרצויות געשיות מתרחשות. לכן ההכרה בסלעים פולשניים תוביל גיאולוג שדה להעריך אם קיימים סלעים וולקניים קשורים או לא.
סלעים פולשניים הם חלק מפענוח ההיסטוריה של כדור הארץ. הסיבה לכך היא בין היתר משום שסלעים פולשניים הם קלים יחסית עד כה באמצעות טכניקות איזוטופיות, ומכיוון שסוג הסלע ההצתתי יכול להיות סמן של הגדרה טקטונית של לוח עבר. לדוגמה, סלעים פלסיים אופייניים להמסה בתוך הקרום היבשתי (כלומר מגמטיזם תוך פלסטי). סלעי ביניים אופייניים להגדרות אזור הפחתה. סלעי מאפים אופייניים לרכסים באמצע האוקיינוס ולאזורי הקרע היבשתי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
