וולקנולוגיה

וולקנולוגיה היא תחום המחקר הגאולוגי החוקר את החומרים והתהליכים המלווים את המאגמה מעת היווצרה, דרך עלייתה ממעטפת כדור הארץ אל הקרום ופליטתה כלבה באמצעות התפרצויות געשיות אל פני השטח. המחקר עוסק בהתפתחות הפיזיקלית והכימית של המאגמה, אגירתה, הובלתה והתפרצותה, וכן את המשקעים הגעשיים שהיא מותירה, לא רק בכדור הארץ אלא גם בכוכבי הלכת והירחים של מערכת השמש. המונח "וולקנולוגיה" מושאל משמו של הר הגעש וולקנו (Vulcano, אחד מהאיים הליפאריים – איים געשיים בים התיכון צפונית לסיציליה), הנגזר מ"ווּלקן", שמו הרומי של הפייסטוס – אל הנפחות והאש במיתולוגיה היוונית.

הר הגעש וולקנו

הרי געש והתפרצויות געשיות מהווים את הקצה הנראה לעין של תהליכים מורכבים המתרחשים עמוק בכדור הארץ. אחד מאמצעי המחקר בוולקנולוגיה הוא שימוש במכשירים המאפשרים הצצה אל מתחת לפני השטח, על-מנת לשפר את ההבנה של תהליכים אלה. לכן, מחקר וולקנולוגי הוא בסופו של דבר רב-תחומי וקשור בגאופיזיקה, פטרולוגיה וגאוכימיה.

המדען העוסק בתחום זה נקרא וולקנולוג. במסגרת מחקריהם מבקרים וולקנולוגים בהרי געש, בעיקר בפעילים בהם, כדי לצפות בהתפרצויות ולאסוף דגימות מחומרי הפליטה של ההר, הכוללים אפר געשי, סלעים געשיים ודגימות לבה. אחד ממוקדי המחקר בוולקנולוגיה הוא ניסיון לשפר את חיזוי התפרצויות הרי הגעש – נושא העשוי לשפר את ההיערכות לקראתן ולמנוע פגיעה בחיי אדם, בדומה לחיזוי רעידות אדמה. על כן, וולקנולוגים חוקרים את אופן היווצרותם של הרי הגעש ואת מצבם הנוכחי, ומעבדים מידע בהתחשב בעברם.

וולקנולוג בפסגת הר הגעש רואפהו בניו זילנד

היסטוריה של המחקר הוולקנולוגי

הר הגעש מהמרו באינדונזיה

לוולקנולוגיה היסטוריה ממושכת. התיעוד המוקדם ביותר הידוע לתופעות געשיות הוא ציור-קיר שנוצר לפני כ-9,000 שנה ונמצא בחפירות ארכאולוגיות באתר הנאוליתי צ'טלהויוק בטורקיה. הציור מראה מפה של האזור, כנראה המפה הקדומה ביותר, ובה מתנשא הר הגעש חסן (Hasan Dağı) כפול-הפסגה המתפרץ מעל בתי העיר.

נראה כי ההתפתחות הרעיונית בדבר תהליכי ההמסה המתרחשים בתוך כדור הארץ תהיה שם נרדף להיסטוריה של המחקר הוולקנולוגי הקלאסי, אולם אין זה כך. עד שנות ה-70 של המאה ה-20 היוותה הוולקנולוגיה כלי מדעי שולי בשל היותו תיאורי בלבד, ואשר הוקדש בעיקר לגאומורפולוגיה של הרי געש ומבנים געשיים, לחלוקה גאוגרפית של כדור הארץ לחבלים געשיים ולתיעוד כרונולוגי של התפרצויות געשיות. יתרה מזאת, ההתפתחות במחקר לא הייתה תמיד ליניארית: בתקופות מסוימות חלה התקדמות במקום אחד ונסיגה באחר, למשל בימי הביניים חלו פריצות דרך משמעותיות בעולם המוסלמי ונסיגה רעיונית בעולם הנוצרי.

עד לסוף המאה ה-20 ידעו וולקנולוגים מעט מאוד על התהליכים הפיזיקליים והכימיים העומדים ביסוד היווצרות המאגמה, הובלתה ותהליכים המתרחשים בדרכה של המאגמה מעומק כדור הארץ דרך קרומו ועד לפני השטח. תהליכי ההמסה היוצרים את המאגמה התגלו על ידי פיזיקאים באמצע המאה ה-19, אולם בשל ההפרדה החדה שנהגה בין תחומי המדע השונים באותה תקופה, ידע זה נותר מעבר להישג ידם של וולקנולוגים שהמשיכו בעבודתם התיאורית בלבד, מבלי שרכשו את הבנת התהליכים היסודיים הללו. ראייה רחבה זו לא התאפשרה עד התפתחותם של תחומי מחקר שאפשרו להבין תהליכים אלה, והפכו את המחקר הוולקנולוגי לרב-תחומי.

געשיות בהיסטוריה האנושית

מאובן של אחד מאבות הקרנף – שהתקיים במיוקן ונכחד בתחילת הפליוקן – משומר בתוך אפר געשי

לידע שיש לנו על קודמינו קשר הדוק לאירועים געשיים, בעיקר בגלל השימור המצוין של מאובנים במשקעים געשיים. כמה מן השרידים הקדומים ביותר של מינים אנושיים קדומים באים מחבלים גאולוגיים באפריקה ובאינדונזיה, והקשר שלהם לפעילות געשית אינו מקרי. ההסבר ההגיוני ביותר לשפע היחסי של המאובנים ולשימורם הטוב בסביבות אלה הוא שהשרידים כוסו במהירות במשקעים הגעשיים. דוגמה לכך ניתן לראות בפומפיי, שם שומרו שרידיהם של תושבי העיר באפר געשי שנפלט בהתפרצות וזוב בשנת 79. בשנת 1976 גילתה הפלאואנתרופולוגית הבריטית מרי ליקי (Mary leakey) עקבות בנות 3.7 מיליון שנה של אוסטרלופיתקוס על גבי משקעי אפר געשי. עקבות אלה, שנמצאו בלייטולי (Laetoli) בטנזניה, ממחישות היטב את יכולת השימור של משקעים געשיים, המשמרים היטב גם מינרלים המסייעים בתיארוך הממצאים. באופן דומה תוארכו שרידים של הומו הביליס בערוץ אולדובאי ל-1.75 מיליון שנה ושרידי אוסטרלופיתקוס אפרנסיס ליד העיירה הדר (Hadar) באתיופיה, בשטח משולש עפר, ל-3.5 מיליון שנה. גם השימוש האנושי בסלעים געשיים מתחיל בעבר הרחוק – לחופו של אגם טורקאנה נמצאו סימנים שהותירו כלי אובסידיאן ותוארכו ל-2.5 מיליון שנה. תוצרים געשיים נוספים שימשו אנשים בתקופות קדומות: לפני כ-3,000 שנה שימש אפר געשי בתערובות שונות שהכילו אבקת פומיס וסיד ליצירת מלט. תוצר געשי נוסף הוא גופרית, ששימשה בימי קדם להלבנת צמר ופרווה. הומרוס הכיר ביכולת החיטוי של הגופרית ושיבח את כושר הדברת המזיקים שלה, והמצרים הקדמונים כתבו מרשמים רפואיים לגופרית עוד במאה ה-16 לפנה"ס.

מיתוסים ושאול

לאורך ההיסטוריה העניקו התפרצויות געשיות השראה דתית והובילו ליצירתם של מיתוסים. ג'יימס האטון – הנחשב על ידי רבים כאבי הגאולוגיה – היה הראשון לנסות ולנפץ מיתוסים הנוגע להתפרצויות אלה. כך כתב ב-1785 ב"תאוריה של הארץ", שפורסמה במלואה ב-1788‏:

הר געש לא נוצר בכוונה להפחיד מי שמאמינים באמונות תפלות ולגרום להתקפי אדיקות ודבקות; גם לא להדהים בהרס ערים; הר געש צריך להיחשב פתח אוויר לכבשן התת-קרקעי, במטרה למנוע התרוממות לא נחוצה של האדמה ותוצאות קטלניות של רעידות אדמה; ואנו יכולים להיות בטוחים שהם, באופן כללי, ישיבו בחוכמה על כוונותיהם, מבלי שיהיו בעצמם הסוף, מאחר שהטבע עצמו יצר כוח מדהים שכזה באמצעי מצוין.

ציור מן המאה ה-19 המראה את עמק מקסיקו ואת שני הרי הגעש הנישאים במזרחו

גאיה מוסרת את בנה התינוק אריכתוניוס לאתנה

האטון התכוון בדבריו לאנשים פרימיטיביים שהאמינו זה מכבר כי הרי געש מאוכלסים על ידי אלים או שדים בעלי מזג סוער, מסוכנים ולא צפויים. במשך אלפי שנים הקריבו אנשים קורבנות כדי לרצות אלים קפריזיים. בני עמים רבים הציעו לאלים קורבנות אדם:

• בניקרגואה האמינו במשך שנים רבות כי הר הגעש המסוכן קוסגינה (Cosequina) יישאר שקט רק אם ישליכו לתוך לועו ילד בכל 25 שנים. מאותה סיבה הושלכו נשים צעירות ללועו של הר הגעש מסאיה (Masaya) כדי לפייס את האש.
• עד לאחרונה הקריבו תושבי ג'אווה קורבנות אדם להר הגעש ברומו (Bromo), ועדיין משליכים תרנגולים חיים לתוך לועו אחת לשנה.
• אנשים הגרים סמוך להרי הגעש ניאמורגירה (Nyamuragira) וניאראגונגו (Nyaragongo) במרכז אפריקה מקריבים בכל שנה 10 מן הלוחמים הטובים ביותר שלהם לניודדגורה (Nyudadagora) – האל האכזר של הרי הגעש. לאלה שהטילו ספק במנהגים אלה, והצביעו על כך שהקרבת הקורבנות הכזיבה בעבר ולא מנעה התפרצויות, ענו המאמינים כי המצב יכול היה להיות גרוע יותר לולא ההקרבה.
• האצטקים קראו להרי הגעש שהקיפו את עמק מקסיקו (valley of Mexico) על שם האלים בהם האמינו. לפופוקטפטל ("הר מעשן", Popocatepetl) ואיצקיהואטל ("אשה ישנה", Iztaccihuatl) – השוכנים ממזרח לעמק – נהגו לסגוד כאלים, וקשרו אותם בסיפור אהבה: כאשר היה פופוקטפטל בדרכו הביתה בתום ממלחמה כדי לתבוע את אהובתו, אויביו שלחו לפניו מסר כי הוא נהרג. מידע זה גרם למותה של הנסיכה איצקיהואטל למות מרוב צער, וכאשר שב פופוקטפטל ונודע לו על מות אהובתו, הוא בנה שני הרים גדולים: על אחד הניח את גופת אהובתו ועל השני הוא עומד עד עצם היום הזה, נושא את לפיד קבורתה.

התפרצויות געשיות כיכבו גם במיתולוגיה היוונית, שקשרה תופעות געשיות והרי געש לאלים כגון האדס – אל העושר והשאול, פרספונה – אשתו של האדס, והפייסטוס – אל הנפחות והאש ומקבילו של וולקן הרומי. עוד בשלבי התפתחותה הראשונים של התרבות היוונית נטווה הקשר המיתי בין התפרצויות געשיות ומלחמותיהם של האלים האולימפיים והטיטאנים. היוונים הקדומים ראו בטיטאנים ענקים דמויי-אדם שנולדו מגאיה (אלת האדמה, מייצגת את ארץ) על-מנת לתקוף את האלים, והם האמינו כי הטיטאנים חיים מתחת לחבלים געשיים וכי הופעתם על האדמה או באוויר מבשרים התפרצויות. על שמם של הטיטאנים נקרא כוכב הלכת טיטאן – ירחו של שבתאי, ושמם של שני טיטאנים ידועים נחרט במדעי כדור הארץ: אוקיינוס וטתיס. טיטאן אחר – טיפון – היה מפלצת שחיה בהר הגעש אטנה ויורקה אש וסלעים על תושבי סיציליה. האדס היווני ומקבילו הרומי פלוטו היו אלי השאול – עולמם של המתים, מקום בו שולטת אש נצחית, מקבילו של הגיהנום ביהדות ובנצרות – שפתחו מצוי בהר אטנה.

רוח ובעירה פנימית

בעת העתיקה נערכו הניסיונות הראשונים לחיפוש הסברים מדעיים לתופעות טבעיות, ובהן הרי געש והתפרצויות געשיות. אריסטו ראה באש התת-קרקעית תוצאה של חיכוך הרוח באדמה כאשר היא נאלצת לצאת מבעד למעברים צרים. החיכוך שנוצר במעברים אלה בין האוויר הדחוס לבין סלעי הסביבה יצר חום רב וגרם להמסת הסלעים וליצירת המאגמה. לעומתו גרס אפלטון כי כמויות בלתי נדלות של מים חמים וקרים זורמים בנהרות תת-קרקעיים, וכי בעומק כדור הארץ מתפתל לו נהר אדיר של אש – הפיריפלגטון (Pyriphlegethon) – המזין את הרי הגעש בעולם.

עמוד אפר געשי בהתפרצות הר הגעש רדאוט (Redoubt) באלסקה

הפילוסוף אמפדוקלס ראה את העולם כמחולק לארבעה כוחות יסודיים: אדמה, אוויר, אש ומים, ולפי אמפדוקלס, הרי הגעש הם ביטוי ליסוד האש. אנכסגורס התנגד לארבעת היסודות של אמפדוקלס בטענה כי אין זה הגיוני שחומרים כמו זהב או בשר יוכלו להיווצר רק מארבעה יסודות אלה, וגרס שהטבע מורכב מאינסוף יסודות ראשוניים ובלתי משתנים, שכמויותיהם משתנות בעוברם בתוך עצמים כגון זהב או בשר וכך הם יוצרים את כל היש. עם זאת תמך אנכסגורס ברעיון חיכוך הרוח של אריסטו, רעיון שהמשיך להתקיים עד המאה ה-16. הפילוסוף הרומי לוקרטיוס טען כי אטנה היה חלול לחלוטין וכי האש התת-קרקעית הבוקעת ממנו מוזנת מרוחות עזות המנשבות על פני הים. אובידיוס האמין כי הלהבות מוזנות ב"מאכלים שמנים" והתפרצויות הרי געש דועכות כאשר המזון אוזל.

סנקה, שכתב על געשיות בעבודתו מחקרי טבע (Quaestiones Naturales) משנת 63, הסכים באופן חלקי עם הרוח של אריסטו, אולם בחלקה הגדול של עבודתו הוא מציג רעיונות מקוריים משלו ובהם החום המשתחרר מהרי הגעש נובע מבעירה של גופרית וחומרים דליקים אחרים האגורים בחללים בתוך הארץ, וכאשר הרוחות עוברות בחללים אלה – החיכוך יוצר את האש. רעיון זה משמש את סנקה גם כדי להסביר מעיינות חמים. רעיונותיו אלה של סנקה היוו בסיס לפרשנות של הסיבות הגורמות להתפרצויות געשיות, והאריכו ימים עד ימי הביניים ואף עד המאה ה-18.

רעיון רומי אחר הנוגע לגעשיות נמצא דווקא בתחום השירה. הפואמה אטנה (Aetna) – פרי קולמוסו של לוקיליוס הצעיר, מושל סיציליה בתקופתו של נירון – מתייחסת כל-כולה למקורות של התפרצויות געשיות, ובה טוען לוקיליוס כי החום עצום ועז יותר כאשר הוא כלוא בתוך הארץ, וכי הרוחות הנושבות במעברים התת-קרקעיים מעלים אותו אל הרי הגעש. לדעתו, להבות אטנה תודלקו באמצעות חומרים דליקים כגופרית נוזלית, ביטומן שמנוני או אלום – רעיון דומה למדי לזה שהעלה ויטרוביוס כמה עשרות שנים קודם לכן.

תצפיות שערך פליניוס הזקן העלו כי רעידות אדמה קדמו בדרך כלל להתפרצות הר געש. הוא עצמו נהרג במהלך התפרצות וזוב בשנת 79, שתועדה היטב על ידי אחיינו פליניוס הצעיר. תיעוד מפורט זה מגיע בעיקר משני מכתבים שנשלחו להיסטוריון טקיטוס, והביא לכך שוולקנולוגים מודרניים אימצו את התיאורים המופיעים בהם כמאפיינים סוג זה של התפרצות כפליניאנית, על שמו של פלינוס הצעיר, שיש הרואים בו את הוולקנולוג הראשון.

מהשפעות דתיות לתגובות אקסותרמיות

התבססות הנצרות בימי הביניים השפיעה רבות על המחקר המדעי, וגם בלימוד הארץ (Study of the Earth) לא חלה התקדמות ממשית בשל הגישה שהכתיבה הכנסייה כלפי המדעים השונים, במיוחד אלה העומדים בסתירה לכתבי הקודש. בתקופה זו שימשו הרי געש תזכורת לאש הגיהנום המצפה לחוטאים. גישה זו נמשכה הרבה לאחר ימי הביניים: מרבית הפילוסופים של הטבע במאה ה-18 עדיין התייחסו אל האל כמי שברא את העולם על מנת שישמש בית לבני אדם, והאמינו כי עולם זה עבר כמה שלבי התפתחות מאז וכי האל הבורא ישנה ואף יהרוס עולם זה. גישה זו בוטאה בכתביו של ג'ון וסלי (John Wesley,‏ 1703–1791) ממייסדי המתודיזם, שסבר כי לפני שחדר החטא אל העולם, לא התקיימו רעידות אדמה או הרי געש. לדעתו, "עוויתות" אלה של הארץ היו בפשטות "תוצא הקללה שהוטלה על הארץ בעקבות עבירה". למרות זאת פותחו תאוריות אחדות: גאורגיוס אגריקולה טען, בניגוד לדקארט אשר בא אחריו, כי לקרני השמש אין כל קשר לתופעת הרי הגעש. אגריקולה האמין כי תרסיס הנמצא בלחץ רב גורם להתפרצויות של "שמן הרים" ובזלת. יוהאנס קפלר ראה בהרי הגעש נתיב לדמעות ולהפרשות של כדור הארץ, המפריש ביטומן, זפת וגופרית. דקארט, אשר הכריז כי אלוהים ברא את הארץ ברגע אחד, הכריז גם כי עשה זאת בשלוש שכבות, המעמקים הלוהטים, שכבת המים והאוויר. הרי הגעש, להשקפת דקארט, נוצרו כאשר קרני השמש פילחו את הארץ.

במקביל חלה במדינות האסלאם צמיחה משמעותית במחקר המדעי, שהגיעה לשיאה בין המאות ה-9 וה-13 והפכה את השפה הערבית לשפת המדע באותה עת. התפתחות זו נשענה על הקוראן, שעודד את המלומדים ל-تفكير (תפכּיר, בערבית: מחשבה, הסקת מסקנות, הרהור, שכל) או לימוד הטבע. בניגוד למרבית המלומדים האירופים שראו בטבע המחשה של כוונת המוסר האלוהי, ביקשו המשכילים המוסלמים ידע שיעניק להם הבנה ושליטה בו. אחד מן הבולטים בהם היה אבן סינא – פילוסוף, רופא ומדען – שכתב 450 ספרים במגוון נושאים. ספרו החשוב ביותר – الشفاء (אל-שיפא, בערבית: "ספר הריפוי") – הוא למעשה אנציקלופדיה נרחבת לפילוסופיה ולמדע בה מונחים היסודות לתחומים רבים של מדעים, כמו גם מדעי כדור הארץ: מטאורולוגיה, גאולוגיה ופלאונטולוגיה. מלומדים אלה היו בין היתר האלכימאים הראשונים, ואחד מן היסודות הבולטים במחקריהם היה גופרית שכרו בהרי געש. הגילוי כי גופרית משחררת חום בתגובה כימית העלה את הרעיון כי פעילות געשית במעמקי הארץ מתודלקת באמצעותה.

האלכימיה פינתה בהדרגה את מקומה לכימיה, והכימאים הראשונים נאלצו להתמודד בעיות בתאוריית הבעירה הפנימית. אדוארד ג'ורדן דחה את הרעיון שכדור הארץ הוא כבשן חלול הלוהט באש המוזנת על ידי פחם, ביטומן או גופרית, וטען כי קיימת בה בעיה יסודית מאחר כי לבעירה כזו דרושות כמויות עצומות של אוויר, ושפע כזה של אוויר לא יכול להתקיים במעמקי הארץ. כחלופה הציע כי חבלים געשיים הם רדודים ומונחים מעל מצע של חומרים תוססים, וכי תגובות כימיות הן המקור לחום – שני תהליכים המתאפשרים בנוכחות מים המצויים בשפע בתוך קרום כדור הארץ. אולם, בעירה אינה יכולה להתרחש בנוכחות מים. סתירה זו אמורה הייתה לסתום את הגולל על תאוריית הבעירה הפנימית, אולם זו המשיכה להתקיים עד שלהי המאה ה-18.

כימאי חלוץ אחר היה רוברט הוק, שפיתח תאוריה לגבי הקשר בין ברקים לבין התפוצצות אבק שרפה באמצעות בעירה של גופרית ומלחת – המשך לעבודתו של ליברטי פרומונדי (Liberti Fromondi) בה הושווה הכוח המתפוצץ של רעידות אדמה והרי געש לזה של אבק שרפה. הוא טען כי פעילות גאולוגית הולכת ושוככת מאז עברו הסוער של כדור הארץ, וכי הדלק התת-קרקעי מתמעט ודועך. כחיזוק לטענתו הוא מביא הרי געש כבויים שהיו פעילים בעבר. התפיסה של כמות דלק ראשונית סופית התקבלה בהרחבה ונתמכה גם על ידי לורד קלווין ב-1889.

אייזק ניוטון עסק גם הוא בתהליכים געשיים וערך ניסויים כימיים על התפתחות חום בתגובות אקסותרמיות. בספרו אופטיקה הוא מתאר ניסוי כזה: אבקת גופרית, כמות דומה של סיגי ברזל ומעט מים יצרו לאחר 5 או 6 שעות חום גבוה ולהבות, עד כדי כך שלא היה ניתן לגעת בברזל. שם הוא מונה את מסקנותיו על הסיבות לגעשיות: בהתחשב בכמויות הגופרית המצויות בכדור הארץ, קיומם של מעיינות חמים, "הרים בוערים", רעידות אדמה והוריקנים – ניתן ללמוד כי "שפע אדים גופריתיים במעבה האדמה תוססים עם מינרלים ולעיתים מתלקחים בפתאומיות ומתפוצצים, ואם כלואים הם במערות תת-קרקעיות – מתפרצים מהן תוך זעזוע עז של הארץ כמו מזנקים מתוך מכרה".

האמפרי דייווי

להאמפרי דייווי היה עניין רב בגאולוגיה, וב-1807 אף יסד את "האגודה הגאולוגית של לונדון". באותה שנה הצליח לראשונה להפריד מתכות אלקליות באמצעות אלקטרוליזה ושנה מאוחר יותר הציע היפותזה חדשה על געשיות, ובה החום הנפלט מהתחמצנות מתכות אלקליות הוא מקורה. אחד ממתנגדיה הנלהבים היה הכימאי הבווארי גוסטב בישוף (Gustav Bischof), שסבר כי הימצאות הרי געש במגוון של אזורים ביבשות מצביע על מקור עמוק מאוד לפעילות געשית ושולל מקורות שטחיים בתוך הקרום. דייווי ציין כי אוויר עשוי לנוע בחופשיות מבעד ללועות געשיים ובכך להשתתף ביצירת תהליכי חימצון, ולעומתו ניסה הכימאי הצרפתי לואי ז'וזף גה-ליסאק להוכיח באמצעות ההיגיון לבדו כי היה זה בלתי אפשרי לאוויר אטמוספירי לחדור לתוך הרי געש בשל הצפיפות הגבוהה של נוזלים מגמטיים, צפיפות היוצרת לחץ כלפי חוץ. בעקרונות הגאולוגיה שקל צ'ארלס לייל את התפקיד האפשרי של התחמצנות מתכות אלקליות ביצירת מקור חום, כשהוא נצמד לרעיון של דייווי: במקום מקור חום מרכזי ניתן אולי לייחס את החום לשינויים כימיים המתרחשים תדיר בקרום, מאחר שהתוצא הכללי של צירופים כימיים הוא התפתחות חום ומוליכות חשמלית, אשר בתורם הופכים למקור לשינויים כימיים חדשים.

התאוריה הכימית עמדה בעינה גם בשלהי המאה ה-19, ושרדה – על אף התנגדויות רבות – עד לאמצע המאה ה-20. אחד מחסידיה האחרונים היה הגאולוג האמריקאי ארתור לואיס דיי (Arthur Louis Day) שהציע בשנת 1925 כי תגובה כימית בין גזים משחקת תפקיד חשוב ביצירת חום געשי. לדעתו, גזים שונים ממקורות שונים בתוך כדור הארץ נפגשים בקרום, ותגובתם זה לזה יוצרת התכה מקומית שכתוצאה ממנה נוצרת מאגמה. רעיון זה נשא חן בעיני הרולד ג'פריז (Harold Jeffreys) – מדען אנגלי רב-תחומי שהיה, בין היתר, גאופיזיקאי מוביל בתחילת המאה ה-20 – אשר התייחס לגעשיות כאל "מקומית ומקרית", שאינה "תמידית וכלל-עולמית". בהתייחסותו להתפרצויות מקומיות ומקריות תומך ג'פריז בתאוריה של דיי על יצירת חום והמסה בתוך כדור הארץ.

הכוכב המתקרר

רנה דקארט

לקראת סוף המאה ה-17 אימצו פילוסופים אחדים את התפיסה שגעשיות נגרמת כתוצאה מחום ראשוני המצוי בכדור הארץ. הראשון בהם היה המתמטיקאי הצרפתי רנה דקארט, שלעבודותיו השפעה ניכרת על חקר מקורו של כדור הארץ. דקארט הציע כי מקור מערכת השמש בסדרה של "מערבולות" וכי הארץ הופיעה לראשונה ככוכב ה"שונה מן השמש רק בהיותו קטן יותר", אשר אוסף צפיפות ו"חומר אפל" באמצעות משיכה כבידתית ומאבד אנרגיה כשחומר נופל למקומו באמצעות עיבוי גזים. הוא חילק את הארץ לשלושה חלקים: הליבה המורכבת מחומר מלובן, בדומה לזה של השמש; אזור אמצעי של חומר מוצק ואטום (שהיה בעבר נוזל ועתה התקרר); והחלק החיצוני ביותר של קרום קשה. כל אותן שכבות אורגנו באופן קונצנטרי על פי צפיפותן. בשיטה זו, טען דקארט, נותר מספיק חום ראשוני לכל הר געש. רעיונותיו של דקארט הזינו את המתמטיקאי הגרמני גוטפריד וילהלם לייבניץ, שהציע כי הארץ חייבת הייתה להתקיים במקורה במצב מותך, וכך רכשה את צורתה הכדורית ואת מבנה השכבות הקונצנטרי, כשמתכות צפופות מרוכזות במרכזה. מאחר שלארץ לא היה מקור חום עצמאי, כוכב הלכת התקרר באמצעות הולכה במהלך הזמן הגאולוגי, תוך יצירת קרום סלעי לא אחיד. השערתו של דקארט כי הארץ מכילה מאגר ראשוני נרחב של חום פנימי עמדה ביסודה של התפתחות הגאופיזיקה והוולקנולוגיה.

נפטוניזם מול פלוטוניזם

סוללת הענק

סלעים שמוצאם געשי נחשבו בעיני פילוסופים מימי הביניים לכאלה שנוצרו בסביבה ימית, לכן היה הפילוסוף השווייצרי קונראד גסנר (Konrad Gesner) בן המאה ה-16 משוכנע כי משושי הבזלת הסימטריים להפליא שנמצאו בזרמי לבה רבים הושקעו כגבישי ענק באוקיינוס קדמוני. שתי מאות מאוחר יותר עדיין טען הבישוף והאנתרופולוג האנגלי ריצ'רד פוקוק (Richard Pococke) כי משושי הבזלת של סוללת הענק הושקעו במים. הוויכוח בין הטוענים למוצא ימי של הבזלת לבין הטוענים למוצא געשי עתיד היה להפוך למחלוקת העזה ביותר בהיסטוריה של מדעי כדור הארץ.

לרעיון ההשקעה באוקיינוס גדול היו מקורות תאולוגיים מושרשים בסיפור המבול. דמות מפתח באסכולת המוצא הימי היה אברהם גוטלוב ורנר, ובין תלמידיו היו הגאולוגים והמדענים הידועים ביותר באותה עת, בהם אלכסנדר פון הומבולדט, לאופולד פון בוך, ז'ורז' קיווייה, יוהאן וולפגנג פון גתה, ז'אן פרנסואה ד'אובוסון ורוברט ג'יימיסון. ורנר ייחס חשיבות מועטה בלבד להרי געש, והתייחס אליהם כאל תופעה מקרית ומאוחרת להשקעה הימית. בדומה להוגים של ימי הביניים טען ורנר כי הם חייבים את קיומם לאש הניצתת באמצעות משקעי פחם או חומרים דליקים אחרים, וכדי לתמוך בטיעון זה הציע כי חומרים אלה היו נפוצים בקרבת הרי געש. ורנר גם הציע תאוריה לפיה בתחילת דרכו היה כדור הארץ מכוסה מים, וכך נוצרו שכבות הסלעים שאנחנו מכירים היום. התאוריה של ורנר נקראה נפטוניזם, על שם נפטון – אל הים במיתולוגיה הרומית.

בתקופה זו כבר הצמיחו מדענים גבישים בתמיסות מימיות. מאחר שוורנר וחסידיו הכירו בכך שהבזלת היא סלע גבישי, היה זה אך טבעי שהסיקו מכך כי מקורה אכן בתמיסות מימיות. רק במחצית השנייה של המאה ה-18 החל להתפשט לאטו הרעיון שהתגבשות יכולה להתרחש גם כתוצאה מאיבוד חום לאחר המסה של סיליקטים. ב-1761 התלונן פייר קלמנט גריניו (Pierre Clement Grignon) כי הכימאים נהגו בהדגשה יתרה ככל שהדבר נגע למערכות מימיות. לאחר שהצליח למצות גבישים מסיגי זכוכית והצביע על הדמיון בין תוצרי כבשן הזכוכית לאלה של הרי געש, אימצו גאולוגים רבים את הרעיון שמאגמה הייתה תמיסה שבהתקררותה נוצרו הגבישים.

ב-1785 יצא חוקר הטבע הסקוטי ג'יימס האטון נגד הנפטוניזם של ורנר עם תאוריה משלו שכונתה פלוטוניזם, על שם פלוטו – אל השאול במיתולוגיה הרומית, אותה הציג במאמר "התאוריה של הארץ" (Theory of the Earth) שפרסם במלואו ב-1788. ההנחה שנמצאה ביסוד השקפתו כי התהליכים המעצבים את פני כדור הארץ הם איטיים ואחידים, הובילה אותו לנסח את עקרון האחידות – לפיו הרים נוצרו באיטיות על ידי התכה איטית של חומר במעמקי האדמה, נסחפו והורבדו במעמקי הים כסלעי משקע שהתרוממו והפכו לאדמה יבשה. תהליך זה, לדבריו, נמשך כל העת ואורך זמן רב ביותר. ה"פלוטוניסטים" חסידי האטון האמינו כי הסלעים נוצרים בתהליכים געשיים מהתמצקות של לבה הפורצת מהרי געש, וראו בהיווצרות בזלת וגרניט הוכחה להמסת סלעים בטמפרטורות גבוהות בתוך כדור הארץ. בתחילת המאה ה-19 נחלש הנפטוניזם, במיוחד לאחר שהוכח כי מינרלים סיליקטיים הבונים סלעים כגון בזלת וגרניט אינם מסיסים במים בטמפרטורות נמוכות.

פוי דה דום מתנשא מעל סביבתו

התפרצות וזוב בשנת 1761, איור מתוך ספרו של ויליאם המילטון

מחקרי שדה

מרבית הרעיונות הראשוניים הנוגעים לחום בכדור הארץ בוססו על "גאולוגיית כורסה", כלומר אלה נֶהגּוּ תוך התבססות על מעט מאוד מחקרי שדה, או אף בלעדיהם. במאה ה-18 גדלה הנטייה לחפש את התשובות בתצורות הסלעים החשופים על פני השטח, בקידוחים ובתוך מכרות. קפיצת מדרגה במחקר הוולקנולוגי התרחשה באמצע המאה ה-18, כאשר גאולוגים יכלו לזהות את מקורם הגעשי של סלעים עתיקים הרחק מאזורי פעילות געשית.

ב-1751 יצאו המינרלוג ז'אן-אטיין גוטאר והגאולוג ניקולה דמארה (Nicolas Desmarest) לאוברן, שם הבחינו באבן מיל מסלע שחור ונקבובי, שדמארה סבר כי הוא תוצר לבה. בסמוך הבחינו בשכבות עמוקות של אותו סלע שהיו מכוסות בשכבת סקוריה וסימנים מובהקים נוספים לפעילות געשית, והסיק כי מקור הסלעים בזרם לבה נרחב. בפוי דה דום זיהו השניים את הסלע הבזלתי כנובע מן הלוע של החרוט הגעשי מעליו – אחד מ-80 לועות געשיים באותו שדה געשי. דמארה המשיך לעקוב אחר סלעים במטרה למצוא את מקורם הגעשי, ועל אף תרומתו הייחודית להתפתחות המדע – נתגלעה מחלוקת בין הנפטוניסטים לוולקניסטים, שראו בפעילות געשית ולא ימית את המקור לסלעים, מחלוקת שנמשכה אל תוך המאה ה-19.

חלוץ נוסף במחקרי שדה היה הדיפלומט הסקוטי ויליאם המילטון (1730–1803), שכיהן כשגריר בריטניה בממלכת נאפולי במשך 36 שנים. המילטון נהג לערוך תצפיות על פעילות געשית וסייסמית בוזוב, אותן סיכם בספרו "תצפיות על הר וזוב" (Observations on Mount Vesuvius) משנת 1772. ממצאיו של המילטון חשפו לראשונה את עוצמתה ההרסנית של התפרצות וזוב בשנת 79, שגרמה התפרצות וזוב בשנת 79. בין תצפיותיו הרבות ערך רישומים מדויקים המתארים את השינויים בקווי המתאר של הר הגעש, בהם גם תיאור של התפרצותו בשנת 1761.

ניסויים מדעיים

ג'יימס האטון

הר הגעש אטנה

ג'יימס האטון הפלוטוניסט הדגים את חדירת המאגמה לתוך שכבות סלע, והציע כי מקורו של הסלע המותך בעומקה הלוהט של הארץ. האטון ערך מחקרי שדה רבים בסקוטלנד, באנגליה ובצרפת, וערך בחינה גאולוגית של הסטרטיגרפיה במקומות אלה. האטון – שהיה אדם דתי – טען כי תהליכים שהתקיימו בכדור הארץ נֶהגּוּ בתוכנית אלוהית, ולכן התקיימו הרי געש גם כשסתומי ביטחון לשחרור עודפי חום מתוך כדור הארץ וגם ככוח עולמי, מאחר שהתפשטותם והתרוממותם היו נחוצים להרים את פני השטח על מנת ליצור קרקעות שיאפשרו לצמחייה ולבעלי חיים לשגשג. מסיבות אלה ראה את הגעשיות כאמצעי למימושו של סדר טבעי רם מעלה.

האטון וחסידיו הבחינו כי שכבות הקרום – שדמו לבזלת בתכונותיהן השונות – היו כרוכות בשכבות של סלעי משקע. הם הכירו בכך שסלעים אלה – אותם כינו "אבן מכרות" – לא היו געשיים אלא פלוטוניים במקורם, שנכפתה עליהם חדירה אל בין שכבות סלעי המשקע. יתרה מכך, הם הסיקו כי סלעים אלה נקרשו ממאגמה.

מתנגדי האטון החזיקו בדעה כי המסה של סלעים גסי גביש כגרניט וגברו תפיק בעת ההתגבשות סלעים אמורפיים וזכוכיתיים – כפי שנראה בכבשני ייצור הזכוכית, ולכן תהליכים אלה יכולים ליצור בזלת וסלעים געשיים אחרים. התנגדות זו לדעותיו של האטון נבלמה בעקבות ניסוי שערך הגאולוג והגאופיזיקאי הסקוטי ג'יימס הול (James Hall‏, 1761–1832), ובו התיך לבה ובזלת שהפכו לזכוכית באמצעות צינון הנתך. בשלב הבא התיך הול את הזכוכית והניח לה להתקרר באיטיות, וזו התגבשה לסלעים גבישיים או גבישיים למחצה שדמו לבזלת במרקמם ובמראם.

הדגמת יצירת הגבישים בסלעי בזלת בעת התקררות היוותה אבן דרך חשובה בביסוס התאוריה הגעשית כהסבר למוצא הבזלת, אך כדי לבססה לחלוטין נדרש היה לבדוק אם תהליכים אלה משנים את הרכבה הכימי. בשנת 1805 מסר הול דגימות סלע לכימאי רוברט קנדי (כימאי) (Robert Kennedy) לצורך ניתוח כימי, שהעלה כי הרכבן זהה לזה של סלעי המקור שהותכו – מה שהיווה מכת מחץ לתאוריה הנפטוניסטית. עם זאת, לא היה זה הניסוי הראשון בהמסה וגיבוש מחדש של בזלת. ניסויים דומים נערכו עוד בשנת 1670 על ידי המלומד האיטלקי פרנצ'סקו ד'ארזו (Francesco d’Arezzo), שהשתמש בתוצרי לבה של האטנה והגיע למסקנות דומות.

כדור הארץ המוצק

המבנה הפנימי של כדור הארץ

מרבית הגאולוגים במחצית הראשונה של המאה ה-19 שחקרו פעילות געשית המשיכו לראות בכדור הארץ כוכב לכת בעל קרום מוצק ופנים מותך והושפעו מרעיון החום הראשוני של דקארט, רעיון שנשען על מדידת טמפרטורות במכרות ובקידוחים והוביל לתאוריה כי כדור הארץ החל את דרכו ככדור מותך שהתקרר במהלך הזמן. אולם, אם פנים כדור הארץ היה מותך, חום זה אמור היה לדעוך בעקבות משיכה כבידתית של השמש והירח, ואמורה הייתה להיפסק תנועת האוקיינוסים על פני השטח, כלומר: ללא גאות ושפל. לכן, תנועה זו של גאות ושפל אמורה להיות מבחן לתאוריית הכוכב המתקרר.

בשנת 1833 היה הפיזיקאי הצרפתי אנדרה מרי אמפר הראשון לטעון כי קיום גאות ושפל סותרים את הנחת הפנים הנוזלי. בשנים 1839–1842 ערך המתמטיקאי והגאולוג האנגלי ויליאם הופקינס (William Hopkins‏, 1793–1866) ניתוח של השפעת הירח והשמש על ציר הסיבוב של כדור הארץ. הוא הסיק כי עוביו של הקרום החיצוני המוצק צריך להיות 1,500 ק"מ, וכי "אנו מובלים בהכרח להגיע, על כן, למסקנה שחומר געשי נוזלי קיים בפועל במאגרים תת-קרקעיים מוגבלים, היוצרים אגמים תת-קרקעיים ולא אוקיינוסים תת-קרקעיים". ממשיך דרכו של הופקינס היה תלמידו לורד קלווין, אשר על בסיס המשיכה הכבידתית של השמש והירח הראה כי כדור הארץ ביסודו מוצק, וכי רעיונותיו של הגאולוג האמריקני ג'יימס דווייט דיינה (James Dwight Dana‏, 1813–1895) בדבר "ים אש תת-קרומי" אינם מציאותיים. הגאולוגים בני אותה עת היו שרויים במבוכה: לא נמצאה ראיה לגוף נרחב של מאגמה בתוך כדור הארץ, ועם זאת נדרשה אספקת סלע מותך בנפחים גדולים להרי געש עצומים במהלך ההיסטוריה של כדור הארץ. התהייה, אם כן, הייתה כיצד מופקת מאגמה בתוך כוכב לכת מוצק.

לקראת סוף המאה ה-19 התגבשה ההבנה כי המבנה הפנימי של כדור הארץ מורכב מסדרה של שכבות קונצנטריות מוצקות: סיאל (sial) – חלקו העליון של הקרום – המורכב מסלעי גרניט בצפיפות נמוכה ובעובי שבין 30 ל-40 ק"מ לכל היותר, מתחת לו נמצאת שכבת הסימה (sima) – שכבת סלע שצפיפותה גבוהה בהרכב פרידוטיטי, וכן גלעין פנימי – ניפה (Nife), המורכב מניקל וברזל. מונחים אלה נטבעו על ידי הגאולוג אדוארד סואס. אלה שחיפשו אזור מותך כמקור למאגמה ניצבו כעת בפני תמונה גאופיזית של פנים מוצק ברובו. מקור מאגמה בתוך הגלעין נראה בלתי אפשרי בעומק של יותר מ-2,900 ק"מ מתחת לפני השטח.

התכה בתנאי הפחתת לחץ

הגילוי כי חלקי כדור הארץ שמתחת לקרום מוצקים בעיקרם ביטל את רעיון "ים האש התת-קרומי" של דנה. החוקרים – שעתה נאלצו להתמודד עם המשימה להוכיח כיצד מאגמה חמה עשויה לנבוע מתוך כדור הארץ המוצק – מצאו במדע התרמודינמיקה פתרון חלקי. באותה עת שררה הבנה כי לחץ משפיע על טמפרטורה ועל מצב הצבירה של החומר. מתוך כך, נבעה השפעה אפשרית של לחץ על המסת סלעים בתוך כדור הארץ. הכרה ראשונית באפקט יסודי זה בוטאה על ידי חוקר הטבע הסקוטי ג'ון פלייפייר (John Playfair‏, 1748–1819), שהציע כי כפי שנקודת הרתיחה של מים מושפעת מלחץ, כך עשויה להיות מושפעת גם התכת הסלעים הנלחצים מתחת לשכבות סלע עבות. בשנת 1825 הצביע הגאולוג והמינרלוג האנגלי ג'ורג' סקרופ (George Julius Poulett Scrope‏, 1797–1876) על חשיבות השפעת הלחץ על מערכות געשיות. במהלך עבודתו – שהתמקדה בהרי געש – למד את השפעת הלחץ על מסיסות מים בתוך מאגמה והסיק כי הפחתת הלחץ על מאגמה עשירה במים עשויה להסביר התפרצויות מתפוצצות הנובעות משחרור של מים מומסים מתוך המאגמה. סקרופ טען כי שינוי הלחץ עשוי גם לגרום להמסה או להתגבשות של מאגמה ללא שינוי בטמפרטורה. בשנת 1835 הציע המדען הצרפתי סימאון דני פואסון (Siméon Denis Poisson‏, 1781–1840) כי לחצים גבוהים במיוחד במעמקי כדור הארץ עשויים להוביל להתמצקות החומרים הבונים סלעים בטמפרטורות גבוהות מאוד, יותר מאשר בתנאי לחץ נמוך קרוב לפני השטח.

דיאגרמת פאזות T-P

בעוד פלייפייר וסקרופ נאבקים בגישה כמותית לשאלת השפעת הלחץ על ההתכה, פותחה גישה כזו בגרמניה ובצרפת שציינה את הולדת התרמודינמיקה. מעבודתם של סאדי קרנו, רודולף קלאוזיוס ואמיל קלפרון (Benoît Paul Émile Clapeyron ‏, 1799–1864) נבעה נוסחת קלאוזיוס קלפרון, המכמתת את הקשר בין נפח החומר והטמפרטורה והלחץ בהם הוא שרוי:

${\frac {dP}{dT}}={\frac {L}{T\Delta V}}$

במהלך ניסויי המסה וגיבוש שנערכו במאה ה-19 נראה כי נפחם של סלעי יסוד נמוך מכמות המאגמה היוצרת אותם. גאולוגים רבים שחקרו עמודי בזלת פירשו את מבנה המשושים כראיה להתכווצות המאגמה בעת התקררות והתמצקות הסלע. בתהליך זה התכווץ נפח החומר ויצר חתך רוחב של משושים צמודים. בנוסחת קלאוזיוס קלפרון בא הדבר לידי ביטוי בערכי dP/dT חיוביים, ולכן הנוסחה מנבאת כי לעקומת הלחץ-טמפרטורה בעת ההמסה (dT/dP) של סלע המקור יהיה שיפוע חיובי בתוך כדור הארץ, כלומר: טמפרטורת ההתכה גדלה בעקבות הלחץ. פירוש זה לעמודי בזלת התאים לתוצאות ניסוי שערך הכימאי הגרמני גוסטב בישוף (Gustav Bischof‏, 1792–1870) בשנת 1837, שהיה בין הראשונים לערוך מדידות על שינויי נפח בנפח של סלעים געשיים במהלך התכתם, ניסויים שהוכיחו את התכווצות הנפח בעת התקרשות המאגמה. בישוף הסיק כי נתך גרניט יתכווץ בעת התקרשותו בכ-25%, טרכיט בכ-18% ובזלת בכ-11%.

רוברט בונזן היה בין הראשונים לחקור את היחס בין לחץ ונקודת ההתכה של חומרים. תנאי המעבדה בשנת 1850 איפשרו להשיג לחצים מתונים בלבד, ולכן ערך בונזן את ניסוייו בחומרים בעלי נקודת התכה נמוכה ושיער תוצאות אפשריות הנובעות מלחצים וטמפרטורות גבוהים יותר, כאלה השוררים במעמקי כדור הארץ. מעבודתו נבע כי עליית לחץ של 100 אטמוספירות העלה את נקודת ההתכה של חומרים אלה בכמה מעלות צלזיוס. שנה לאחר מכן ערכו ויליאם הופקינס, ג'יימס ג'ול, לורד קלווין והמהנדס הסקוטי ויליאם פיירבירן (William Fairbairn‏, 1789–1874) ניסויים על השפעת הלחץ על התמצקות בתוך כדור הארץ באמצעות מנוף לחץ גדול שיצר לחץ של עד 5,400 אטמוספירות – לחץ מקביל לזה המצוי בעומק של 15 ק"מ בעומק כדור הארץ. הניסויים הראשונים נערכו על חומרים בעלי נקודת התכה נמוכה כדונג וחלב של ראשתן גדול-ראש, ותוצאותיהם איששו את השערותיו של בונזן.

קלרנס קינג

מפל לבה

כל הניסויים של אותה עת ביססו את ההשערה כי בסלעים בעומק כדור הארץ עשויה להתרחש התכה עם הפחתת לחץ, גם ללא עלייה בטמפרטורה, ובכך מצאו פתרון לשאלת היווצרות מאגמה נוזלית בתוך כדור ארץ מוצק. אולם, פתרון זה הציב בעיה: מה היה המנגנון שיצר הפחתת לחץ? בשאלה זו עסק הגאולוג האמריקני קלרנס קינג (Clarence King‏, 1842–1901), שכיהן כמנהלו של המכון הגאולוגי האמריקני (USGS). בשנת 1878 הניח קינג כי שחרור לחץ עשוי להתרחש כתוצאה מבליה ומהסרת השכבות העליונות של הקרום. אם הנחתו נכונה, הרי ששיעור הבליה צריך להיות גבוה מזה של מוליכות החום מן הסלע החם הנחשף בעקבותיה. אולם עדויות גאולוגיות סתרו את הנחתו משתי סיבות:

• אזורים רבים בהם מתקיימת בליה בשיעור גבוה אינם מראים ראיות לפעילות געשית
• שיעור הפחתת הלחץ בעקבות בליה איטי מכדי לשמר את חום הסלעים הנחשפים

קינג עודד את ניסוייו של הפיזיקאי קארל בארוס (Carl Barus‏, 1856–1935) על סלעים בלחץ גבוה, ואף השאיל לו ציוד מעבדתי. בניסויים אלה קבע בארוס את שינוי הנפח ואת שיעור החום הכמוס של בזלת בעת התכתה. הוא הסיק כי שיעור (dT/dP) בנוסחת קלאוזיוס קלפרון עומד על 0.025 לבזלת, כלומר: נקודת ההתכה עולה בשיעור של C°‏ 2.5 לכל עלייה בלחץ בשיעור 100 אטמוספירות. בארוס קבע בשנת 1893 את עקומת ההתכה של בזלת כפונקציה של לחץ, קביעה שאיפשרה לקינג להציע את המפל הגאותרמי – שינוי הטמפרטורה ככל שחודרים עמוק יותר לתוך כדור הארץ: עלייה של החל מ-C°‏ 30 לכל קילומטר עומק בקרום ועד C°‏ 0.1 בגלעין. בארוס קיבל בשנת 1900 את פרס רמפורד (Rumford Prize) מן האקדמיה האמריקאית לאמנויות ולמדעים על עבודתו בתחום החום.

הגאולוג והפטרולוג האנגלי אלפרד הרקר (Alfred Harker‏, 1859–1939) עסק גם הוא בהיווצרות מאגמה. בשנת 1909 כתב ב"The natural history of igneous rocks":

עלינו לחפש את הסיבה המיידית לפעילות געשית, לא ביצירת החום אלא בעיקר בשחרור לחץ בחלקים עמוקים מסוימים של הקרום שם מצויים סלעים מוצקים ומותכים בשיווי משקל תרמי. לכן, עלינו מונחים על ידי קו הגיון עצמאי לעקרון שכבר הובע, הקושר פעילות געשית ראשונית עם לחצי קרום ומשנית עם תנועתו... בעומק רב דיו, תנאים כאלה של טמפרטורה מתגברים כך שסלעים מוצקים ומותכים נמצאים בשיווי משקל תרמי מקורב. כל שחרור לחץ מקומי בתוך האזור, הקשור בחלוקה מחדש של הלחץ בקרום, חייב להביא לידי התכה.

הצהרות אלה של הרקר היוו ביטוי ברור לעקרון היסודי של ההתכה, שעדיין חסר את המנגנון מפחית הלחץ. לא כל הגאולוגים היו מוכנים לאמץ זאת כפתרון למקור המאגמה, מאחר שלא היה ידוע תהליך גאולוגי שביכולתו להפחית לחצים. הגאולוג הקנדי רג'ינלד דיילי (Reginald Aldworth Daly,‏ 1871–1957) טען בשנת 1933 כי הפחתה מקומית של לחץ אינה מספקת ואין צורך לדון בה יותר. באופן דומה התבטא בשנת 1949 הפטרולוג הסקוטי סמואל ג'יימס שאנד (Samuel James Shand‏, 1882–1957), וטען כי אפקט הלחץ על התכת סיליקטים היה "בקושי גדול מספיק כדי להוות השלכה פטרולוגית חשובה". שאנד קיבל ב-1950 את מדליית לייל (על שמו של צ'ארלס לייל) מאת החברה הגאולוגית של לונדון ועל שמו נקרא המינרל שאנדיט (Shandite).‏

ההתקדמות בהבנת ההתכה והמבנה הפנימי של כדור הארץ בתחילת המאה ה-20 הייתה משמעותית, אולם יצרה סתירה: כל העדויות הצביעו על פנים מוצק או על קרום עבה במיוחד, ועדיין צריך היה להתחשב במאגמה שנפלטה מהרי געש. גאולוגים וגאופיזיקאים גילו תהליך המאפשר התכה באמצעות הפחתת לחץ בלבד, אך טרם הצליחו למצוא מנגנון מתקבל על הדעת של הפחתת הלחץ הגורמת להתכה.

זרמי ערבול ונדידת יבשות

גילוי הרדיואקטיביות עורר התרגשות עזה בקרב מדענים, שמיהרו ליישם אותה בניסיונם להבין את כדור הארץ. בשנת 1903, עת גילה פייר קירי כי חומרים רדיואקטיביים משחררים חום, הצביע הפיזיקאי האירי ג'ון ג'ולי (John Joly‏, 1857–1933) כי תפוצה נרחבת של רדיום ויסודות רדיואקטיביים אחרים עשויים להצביע על מקור החום בכדור הארץ. הגאולוג הבריטי ארתור הולמס (Arthur Holmes‏, 1890–1965) החל בשנת 1910 לחקור את הקרינה הרדיואקטיבית הטבעית בסלעים, ובכך הרים תרומה חשובה להבנת הסעת החום והתכה באמצעות הולכת חום מסלעים מוצקים אל פני השטח. תוצר של עבודתו זו התבטא בחישוב פרופיל החום של כדור הארץ המבוסס על יצירת חום רדיואקטיבית.

השלב הבא היה גילוי המנגנון המוליך את החום מפנים כדור הארץ אל פניה שטח. הולמס סבר כי המנגנון היעיל ביותר יהיה מערבָּל (קונווקציה, Convection) – העברת חום באמצעות תנועה אנכית מאזור קר לאזור חם. רעיון זה הוצע לראשונה בשנת 1881 על ידי הגאולוג והגאופיזיקאי האנגלי אוסמונד פישר (Osmond Fisher‏, 1817–1914), שתיאר מנגנון בו בכוכב לכת הנוזלי עולים זרמי הערבול אל מתחת לאוקיינוסים וליבשות. הולמס חזר עליו בשנת 1928, והוסיף כי החום העודף נפלט מכדור הארץ באמצעות תנועה מחזורית של חומר בשכבות התחתונות המוצקות (או מעטפת כדור הארץ) ויוצרת זרמי ערבול חמים. מערבל – ומאוחר יותר גם נדידת היבשות – נראו כמנגנון שבו פולט כדור הארץ את החום הרב הנוצר על ידי רדיואקטיביות. הולמס הניח כי אותן שכבות מוצקות הן סלע פרידוטיט, שבו קיימת זרימה הדומה לנוזל בקצב מתקבל על הדעת – כ-5 ס"מ בשנה – ביחס למיקומו בעומק כדור הארץ. לשיטתו של הולמס קיימת זרימת חום רבה משכבות הפרידוטיט כלפי מעלה, הפחתת לחץ והתכת סלעים ופליטת החום ב"תפיחוֹת" המרכז אוקייניות, וכן זרימה חוזרת מתחת לגאוסינקלינות – מונח מיושן לתנועה האנכית של קרום היוצרת שקעים אוקייניים באזורי הפחתה באמצעות תהליכים טקטוניים.

המודל של אתנסיוס קירכר ל"אש הפנימית" של כדור הארץ, תחריט מתוך "Mundus Subterraneus"

רעיונותיו של הולמס מ-1928 תואמים להפליא לתפיסה המודרנית של טקטוניקת הלוחות, אם כי בשלב זה עדיין לא הייתה מקובלת על מדענים בתחום מדעי כדור הארץ של אותה עת. עם זאת, תפיסה זו החלה להתפתח עוד במהלך המאה ה-17, כאשר התברר כי הרי געש ורעידות אדמה התהוו ברצועות ליניאריות על פני כדור הארץ. המפה הראשונה שהציגה את השתרעותם העולמית של הרי געש צוירה ב-1665 על ידי מדען רב-תחומי גרמני אתנסיוס קירכר (Athanasius Kircher‏, 1602–1680), שעסק בין היתר במחקר הרי געש ומאובנים. ב-1665 פרסם קירכר את "Mundus Subterraneus" (העולם התת-קרקעי) – ספר רחב-יריעה בן 800 עמודים עשיר בתחריטים – שנבע ממחקרי שדה שערך החל בשנת 1637 בהרי הגעש של איטליה: אטנה, סטרומבולי ווזוב. רעיונות בדבר הקשר בין פעילות געשית לבין מבנים יבשתיים הועלו גם על ידי אלכסנדר פון הומבולדט בשנת 1822, שהצביע על כך כי הסידור הליניארי של הרי געש על פני כדור הארץ היווה הוכחה לכך שהמנגנון המייצר געשיות מצוי בעומק רב. רוברט מאלט (Robert Mallet‏, 1810–1881) – מהנדס וגאופיזיקאי אירי שערך מחקר מקיף על רעידות אדמה – יצר ב-1858 את המפה הסייסמית העולמית הראשונה ששילבה את השתרעותם של הרי געש ורעידות אדמה כאחד ל"לולאה או רצועה רחבה מסביב לאוקיינוס השקט" והצביעה על הקשר ביניהם על פי תפוצתם הגאוגרפית. מאלט גם הצביע על כך שמרבית פני השטח – בעיקר האזורים הפנימיים בתוך היבשות – לכאורה חפים מרעידות אדמה ופעילות געשית. הוא חילק את כדור הארץ לסדרה של אגנים המופרדים בחגורות של רכסי הרים, המצויים גם בקרקעית האוקיינוסים: "לאורך חגורות רכסים אלה, בין שהן רכסי הרים או לא יותר מתפיחוֹת מתמשכות של המוצק, אשר מפרידות את האגנים מתחת לאוקיינוסים אחד מן השני, שם נמצאים כל הרי הגעש הידועים על פני השטח של כדור הארץ". מאלט ראה ב"רכסים געשיים ליניאריים תת-אוקייניים" "קווי שבר נרחבים של קרום כדור הארץ", ובכך היה כנראה הראשון להכיר את יסודותיה של טקטוניקת הלוחות.

רכס מרכז אוקייני

הכרה זו עלתה בקנה אחד עם הבנת התנועתיות בכדור הארץ לקראת סוף המאה ה-19, הבנה שהתבססה על הסקת מסקנות גאופיזית ועל עדויות גאולוגיות. אוסמונד פישר טען ב-1881 כי התקררות הארץ לא יכולה הייתה להתרחש רק באמצעות הולכת חום – כפי שטען לורד קלווין – אלא באמצעות זרמי ערבול בתוך שכבה פלסטית נמוכה. בעיני פישר, זרמי ערבול אלה הובילו לתנועה צדדית של שכבות הקרום ולמבנים המאפיינים אותו, כולל סידור ליניארי של הרי געש, רעידות אדמה ורכסי הרים. רעיון "הארץ הנעה" גובשו בשנת 1912 לתאוריית נדידת היבשות על ידי אלפרד וגנר, ואחד מן המצדדים בה היה ארתור הולמס, שהוסיף לה, כאמור, בשנת 1928 את זרימת החום. במנגנון של הולמס קיימת זרימה או תפיחה של המעטפת, שסיפקה תהליך באמצעותו יכולה להתרחש הפחתת לחץ שהובילה להתכה ולגעשיות. נדידת היבשות הייתה תוצאה בלתי נמנעת של המחזוריות שהציע, אולם היקף התהליך היה רחב יותר וכלל תנועה צדדית של הקרום. ב-1931 גיבש הולמס תאוריה שלמה לנדידת היבשות, התפשטות קרקעית הים והפחתה, המבוססת על מנגנון זה, בה הבדיל בין הקרום הגרניטי היבשתי לבין הקרום הימי הבזלתי. הוא הגיע למסקנה כי המעטפת מתחת לקרום האוקייני מורכבת מפרידוטיט, וטען כי על אף היותה מורכבת מגבישים ונוקשה למדי, עדיין היו לה תכונות של נוזל בקנה מידה רחב. הולמס הציע כי לתאי מערבל (convection cells) מידות כשל המעטפת בעומק של כ-2,900 ק"מ, וכי יוצאות מהם שלוחות כלפי מעלה היוצרות את ה"תפיחות" – הרכסים המרכז אוקייניים. לזרימה העולה מתווספים הפחתת לחץ והתכה של פרידוטיט, שתוצריה מאגמה בזלתית וגעשיות. הזרמים החוזרים נובעים משקיעתו של קרום בעל צפיפות גבוהה. התהליך שתיאר דומה להנחה המודרנית של הפחתה: התכנסות הלוחות מובילה לחדירה של לוח אחד מתחת ללוח אחר ואל תוך המעטפת. הולמס העריך כי מהירות זרמי הערבול הוא כ-5 ס"מ בשנה, וכפי שהתגלה בשנות ה-60 של המאה ה-20 – תואם להפליא למהירות התפשטות קרקעית הים. התאוריה של הולמס התקבלה בהרחבה בבריטניה אולם נדחתה במקומות אחרים. גם כאשר התקבל רעיון התפשטות קרקעית הים בשנות ה-60 של המאה ה-20 – ברוב המקרים התעלמו לחלוטין מתרומתו.

גילוי הלוחות הטקטוניים סיפק את המנגנון של הפחתת הלחץ במעטפת – התהליך החשוב ביותר המאפשר התכה ויצירת מאגמה ברכסים המרכז אוקייניים והאחראי לפעילות הגעשית על פני כדור הארץ.

מיקרוסקופ פטרוגרפי

שקף של גברו – סלע יסוד הדומה בהרכבו לבזלת

הולדת הפטרולוגיה

אחת מן התרומות החשובות של המחקר הוולקנולוגי היא התפתחות הפטרולוגיה – חקר הסלעים. בין מפתחיה הראשונים היה לאופולד פון בוך, כאשר בשנת 1799 חקר סלעים געשיים באזור רומא. פון בוך הסיק כי גבישי לוסיט נוצרו בלבה בעודה נוזלית, וביטל כל היפותזה לפיה נוצרו בתמיסה מימית ורק מאוחר יותר השתלבו בתוך המאגמה. מאחר שהגבישים בסלעים געשיים כגון בזלת נוצרים בפרק זמן קצר, לרוב קשה לראותם בעין או אף באמצעות זכוכית מגדלת. מחקר הגבישים בסלעים אלה נאלץ להמתין לשנת 1815, עת נערכה בחינה ראשונה שלהם באמצעות מיקרוסקופ על ידי הגאולוג הצרפתי לואי קורדייה (Pierre Louis Cordier‏, 1777–1861). קורדייה כתש סלעים געשיים לאבקה דקה, הפריד ביניהם באמצעות ציפה (Flotation process) ובחן אותם מבעד למיקרוסקופ ובאמצעים כימיים. הוא הסיק כי בזלות עתיקות דומות מאוד לבזלות צעירות במרקמן, בהרכבן המינרלוגי ובתכונות נוספות, והיה בכך צעד חשוב לגישור על פני המחלוקת בין הנפטוניסטים לפלוטוניסטים בכל הנוגע למוצאן של הבזלות.

המלאכה העדינה של הכנת שקפים – פרוסות סלע דקיקות – שימשה בעיקר לבדיקת בעלי חיים או עצים מאובנים אך יושמה בהמשך גם על סלעים. ב-1829 הומצא המיקרוסקופ המקטב על ידי הגאולוג הסקוטי ויליאם ניקול (William Nicol‏, 1770–1851), ואז ניתן היה להתבונן בשקפי הסלעים באמצעות מיקרוסקופ מקטב ולבחון את מרקמם ואת הרכבם הגבישי. הגאולוג האנגלי הנרי סורבי (Henry Clifton Sorby‏, 1826–1908) היה הראשון להכין שקפים מסלעי יסוד פלוטוניים וגעשיים כאחד.

צעד חשוב נוסף בבחינת סלעים געשיים היה פיתוח הכימיה האנליטית, שבאמצעותה ניתן היה לראשונה לבחון את הרכבם הכימי של הסלעים. בשנת 1792 פרסם המדען האיטלקי לאזארו ספלנצאני (Lazzaro Spallanzani;‏ 1729–1799) את עבודתו הגדולה "Viaggi alle due Sicilie ed in alcune parti dell'Appennino" (שני סיורים לסיציליה ולכמה חלקים באפנינים), ובה תוצאות ניתוחם הכימי של סלעים געשיים שאסף ברחבי איטליה 4 שנים קודם לכן. בשישה כרכים נרחבים הציע ספלנצאני תרומה נרחבת להתפתחות הגעשיות, ובה גם פירוש לתהליך ההיווצרות של פומיס. שנתיים לאחר מכן דיווח על הרכב תחמוצות: סיליקה, אלומינה, סיד, מגנסיה ותחמוצת ברזל, במונחים של אחוזים מתוך המשקל הכולל של הסלעים.

תרשים אינטראקטיבי של שורת בואן

כאשר החלו ראשוני הגאולוגים לצבור ידע על סלעים געשיים, הם גילו כי הרכבם הכימי – אף של אלה שנוצרו באותו הר געש – היה מגוון ביותר. בניסיון להסביר שונוּת זו הציע ג'ורג' סקרופ בשנת 1825 כי כל סוגי סלעי היסוד נוצרו ממאגמת-אם אחת, שיצרה מגוון סלעים בהרכבים שונים. היה זה צ'ארלס דרווין שגילה את שקיעת הגבישים במהלך מסעו לאיי גלאפגוס והניח את היסוד להבנת הגיבוש המפריט במאגמה הנוזלית – תהליך בו המינרלים שהתגבשו ראשונים שוקעים לקרקעית המאגר, נפרדים מיתרת המאגמה המותכת ומשנים את הרכבה – תהליך שמציגה שורת בואן אותה פיתח הגאולוג הקנדי נורמן לוי בואן בתחילת המאה ה-20. דרווין הבחין כי גבישי פצלת השדה היו נפוצים יותר בבסיס זרם הלבה מאשר בראשו, והסיק כי "הגבישים שוקעים בשל משקלם". קדם לו לאופולד פון בוך כאשר הבחין בשנת 1818 בריכוז דומה של גבישים בתחתית זרם של לבה אובסידיאנית באי טנריפה, אותו פירש כשקיעה של הגבישים בתוך הלבה בשלבי זרימה שונים. דרווין התייחס לתצפיות אלה כ"משליכות אור על היפרדות סדרות של לבה טרכיטית ובזלתית", והבין כי כאשר נוצרים הגבישים הראשונים ושוקעים, ההרכב הכימי של שארית המאגמה יהיה שונה מזה של המאגמה המקורית.

תרומה חשובה להבנת המגוון הכימי של סלעים געשיים הושגה על ידי רוברט בונזן בעקבות ביקור באיסלנד לאחר התפרצות הר הקלה (Hekla) בשנת 1845, שם חקר את תוצריה של הפעילות הגעשית המקומית: גזי פליטה וגייזרים. בונזן גילה במקום שני סוגי מאגמה בעלי הבדל ניכר בהרכבם הכימי והבחין בתפוצתם של שני סוגי סלעים געשיים: הראשון – ריוליט צהוב או מגוון עתיר סיליקה, והשני – בזלת כהה. סלעים נוספים שמצא היו בהרכב בינוני, ולכן העלה ב-1851 השערה כי הם נוצרו כתוצאה מערבוב של מאגמה סיליקטית ומאגמה בזלתית. השערתו זו של בונזן היוותה תרומה חשובה להסבר המגוון הכימי של סלעים געשיים.

גזי פליטה בלוע הר הקלה, איסלנד

בונזן ביקש להסב את תשומת הלב להנחה המוטעית שרווחה זמן רב, כי מקור פלוטוני לסלעי יסוד כגרניט נשלל מעצם העובדה כי קוורץ שאינו ניתך היה המינרל האחרון להתגבש. הוא טען כי היה אובד עצות בניסיון להבין כיצד מסקנה מוטעית שרדה זמן רב כל-כך. על אף מאמצים קודמים להסביר את מרקם הגרניט, היה בונזן הראשון לציין במפורש כי מאגמה גרניטית הייתה התמיסה המקורית ממנה נוצר הסלע. ב"על היווצרות גרניט" (Uber die Bildung der Granites) – מאמר בן 3 עמודים שפרסם בונזן ב-1861 – הדגיש כי מאגמה היא לא יותר מתמיסה בטמפרטורה גבוהה של סיליקטים שונים:

אף כימאי לא יחשוב להניח כי תמיסה חדלה להיות תמיסה כאשר היא מחוממת ל-200, 300 או 400 מעלות, או כאשר היא מגיעה לטמפרטורה בה היא מתחילה לזהור או להפוך לנוזל מותך.

מאמר זה היווה פריצת-דרך משמעותית במחקר התגבשות סלעים מתוך מאגמה. בונזן הכיר גם בהתגבשות מינרלים מתוך מאגמה בטמפרטורות נמוכות בהרבה מנקודת ההתכה שלהם. מסקנה נוספת שלו הייתה כי אם המאגמות בהרכבים כימיים שונים הן תמיסות אמיתיות, הרי שהן יכולות להתערבב זו בזו – מסקנה ישירה לתצפיותיו באיסלנד.

לתרומה נוספת אחראי שותפו של בונזן למסע – וולפגנג סרטוריוס פון ואלטרסהאוזן (Wolfgang Sartorius von Waltershausen‏, 1809–1876) – שהיה הראשון לדון בקיומם ובתפוצתם של יסודות קורט בסלעים געשיים – מהם מנה 23, כמו גם בהימצאות תחמוצות באותם סלעים.

מקור המאגמה

במחצית הראשונה של המאה ה-20 היו קיימות שתי השערות עיקריות על מקור המאגמה ועל טבעו:

• מאחר שהסוג הנפוץ ביותר של סלעים געשיים היה בזלת, נראה זה הגיוני כי גם המקור הוא בזלתי בהרכבו, ואולי אף סוג בזלת המצוי בלחץ גבוה – אקלוגיט. המאגמה הבזלתית, אם כך, נובעת מהתכה של סלעי המקור.
• הגישה האחרת ראתה במאגמה תוצר התכה חלקית של פרידוטיט בעומק של כמה מאות קילומטרים.

השערות אלה נבעו מנוכחות קסנוליתים של אקלוגיט ופרידוטיט בכמה הרי געש, ומאחר ואלה נמצאו בתוך המאגמה – נראה היה הגיוני כי סלעים אלה הם המקור למאגמה כולה. מדידות גאופיזיות שנערכו בפרידוטיט ובסלעים אולטרה-מאפיים בתנאי לחץ וטמפרטורה גבוהים היטו את הכף לטובת מקור פרידוטיטי, מאחר שהשוואת תוצאות מדידות אלה לתוצאות שהתקבלו ממדידת מהירותם של גלים סייסמיים הנעים בעומק כדור הארץ בעת רעידת אדמה העלתה תכונות דומות. בעקבות כך אומץ הרעיון כי הרכבה של המעטפת פרידוטיטי. בשנת 1928 הציע בואן כי סוג הסלע היחיד היכול להפיק מאגמה בזלתית הוא פרידוטיט, וכי זו נוצרת בעומק שבין 75 ל-100 ק"מ, ותהה אם ההתכה מתרחשת כתוצאה מהפחתת לחץ או כתוצאה מחימום מחדש. באותה שנה פרסם ארתור הולמס את רעיון זרמי הערבול, אולם נראה שבואן לא היה מודע לכך. רק עם התפתחות הגאודינמיקה וקבלת התאוריה של הולמס בדבר זרמי ערבול ניתן היה להראות כי פרידוטיט יכול לעלות לאזורים של לחץ נמוך במעטפת, ובכך לגרום להתכה ללא תוספת של חום.

במחצית הראשונה של המאה ה-20 עדיין נדון רעיון ההתכה החלקית של פרידוטיט, אולם רעיון אחר – הגורס התכה מלאה של שכבה בזלתית עמוקה כמקור למאגמה – היה מקובל על קבוצה אחרת של גאולוגים, רעיון ששרד עד שנות ה-60. בספרו "הרי געש" (Volcanoes) משנת 1936 הציע הוולקנולוג השווייצרי אלפרד ריטמן (Alfred Rittmann‏, 1893–1980) כי כל הסלעים הגעשיים נובעים משכבה גלובלית של מאגמה בזלתית. לספר זה הייתה השפעה רבע על חוקרים. אחד מהם, הפטרולוג הנורווגי טום בארת (Thomas Fredrik Weiby Barth‏, 1899–1971) – שכיהן כראש השירות הגאולוגי הנורווגי. בארת כתב בשנת 1951 כי העובדה שמכל מקום בו נסדק קרום – יהא זה ביבשת או באוקיינוס – נפלטת מאגמה בזלתית זמינה, מהווה הוכחה לקיומה של שכבה בזלתית מותכת תת-קרומית, והיה מודע להתנגדות הגאופיזיקאים לפיה שכבה שכזו לא הייתה יכולה להעביר גלים סייסמיים – בניגוד לתצפיות. אותם גאופיזיקאים הציעו כי מאגמה בזלתית מתנהגת כזכוכית בתנאי הלחץ הגבוה השוררים מתחת לקרום, ולכן יכולה להעביר גלים סייסמיים. לכן, קבע בארת בעבודתו על פטרולוגיה תאורטית משנת 1962, כי חיוני הדבר ששכבת הבזלת התת-קרומית מותכת ולא גבישית בבסיסה התת-קרקעי, אחרת לא תוכל להגיע אל פני השטח בהרכב הומוגני כפי שנראה בתצפיות.

קסנולית ירוק של פרידוטיט מן המעטפת בתוך פצצה געשית כהה

הגאולוגים פרנסיס טרנר (Francis John Turner‏, 1904–1985) מניו זילנד וג'ון ורהוגן (John Verhoogen‏, 1912–1993) מבלגיה נפגשו באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. השניים קיבלו בשנת 1951 את העדויות הסייסמיות למוּצקוּת המעטפת, וחישבו כי היא מורכבת מפרידוטיט או מאקלוגיט. מכך נבע כי המאגמה הבזלתית המקורית חייבת הייתה לנבוע ממעטפת מוצקה בעיקרה, שהרכבה היה שונה מזה של הבזלת. הם סברו כי עליית הטמפרטורה בהתאם לעומק והחום הנובע מדעיכה רדיואקטיבית בתוך כדור הארץ יכולים לספק את החום הנדרש להתכה. בספר הלימוד שכתבו ב-1951 על פטרולוגיה של סלעי יסוד וסלעים מותמרים קבעו טרנר וורהוגן:

בעיית מקור המאגמה הבזלתית היא, לכן, לא כל-כך מציאה של מקור חום מספק, כפי שהיא הצורך להסביר כיצד כמויות קטנות יחסית של חום עשויות להפוך לריכוזים מקומיים שביכולתם ליצור כיסי נוזל קטנים יחסית במעטפת, שבאופן רגיל היא גבישית.

במשך זמן קצר שקלו טרנר וורהוגן את ההשערה כי מאגמה בזלתית יכולה להיווצר באמצעות התכה של פרידוטיט במעטפת בתהליך של הפחתת לחץ, אולם במהרה דחו אותה מאחר שלא הצליחו לראות כיצד יכולה הפחתת לחץ להתרחש באופן אפקטיבי בעומקים כאלה. הם הבינו כי התכה עשויה להתרחש אם תתקיים הסעה של חומרי מעטפת לשכבות רדודות יותר – כפי שהציע ארתור הולמס. מנגנון זה אכן נראה אפשרי, כל עוד הטמפרטורה בעומק המעטפת הייתה גבוהה יותר מזו של נקודת ההתכה של המעטפת בעומק פחוּת. ועדיין, השניים לא היו בשלים לקבל את קיומה של הסעה בכדור הארץ המוצק, דבר שהוביל אותם למסקנה כי לא ידוע בוודאות איזו הסעה קיימת במעטפת, וכן לא ידוע אם הסעה שכזו יכולה להיות אפקטיבית בחלקי המעטפת העליונים, במקום בו נוצרת המאגמה. להבנתם, על אף שהסעה עשויה להוביל להתכה – קשה יהיה לראות זאת, והבעיה של היווצרות המאגמה "נותרת חידתית כשהייתה".

הצהרה זו משקפת את היחס לתאוריות על היווצרות המאגמה באמצע המאה ה-20. בשעה שחלה התקדמות רבה בהבנת הכימיה והמינרלוגיה של סלעים געשיים, חוקרי מדעי כדור הארץ היו אובדי עצות בניסיון להסביר את ההתכה. הסיבה העיקרית לכך הייתה התפישה הסטטית של כדור הארץ באותה עת, לפיה במעטפת מוצקה לא יכולה להתקיים הסעה. עם זאת, שנות ה-60 זימנו גילויים חדשים על קרקעית האוקיינוסים והתקדמות רבה בתחום הגאודינמיקה – שבמהרה שינו את ראיית הדברים. על אף שההתכה לא הובנה כראוי באותה תקופה, החל להצטבר ידע על אזורי המקור במעטפת באמצעות חקר קסנוליתים, שרבים מהם פרידוטיטים בהרכבם – דבר שהעניק אמינות רבה יותר לרעיון אזור ההיווצרות של מאגמה בזלתית בתוך המעטפת, המורכבת בעיקר מפרידוטיט.

תפקיד המים

אי-אפשר היה שלא להבחין כי פעילות געשית מלווה בענני אדים הנפלטים מהרי געש או מסביבתם הקרובה, וההנחה הייתה כי מקורם במי תהום או בגופי מים סמוכים. להבנת החוקרים, הימצאותם של הרי געש בסמוך לאוקיינוסים ולימים הייתה עדות לכך כי למים תפקיד מכריע ביצירת התפרצויות מתפוצצות והשפעה על רמת הצמיגות של המאגמה. בשנת 1794 הכיר ספלנצאני בחשיבות הימצאותם של כמה גזים בלבה ובחבלים געשיים, גזים הכוללים גזים מימניים, גזים מימניים מגופרים, גזים חנקנים ופחמן דו-חמצני, וציין כי למי הים חשיבות רבה במיוחד, בהתקשרותם ל"שורשי הרי הגעש": בהגיעם לשריפה תת-קרקעית הם מתאדים, והגז הגמיש מתרחב במהירות וגורם להתפרצות הגעשית. כדי לתמוך בטענתו מציין ספלנצאני תאונות המתרחשות במפעלי ייצור זכוכית, כאשר זכוכית מותכת נמזגת לתבניות שאינן יבשות ויוצרת התפוצצות אדים.

התפרצות פריאטית בהר סנט הלנס, 1980

אדוארד סואס

ב-1825 ייחס ג'ורג' סקרופ את נזילוּת המאגמה לנוכחות מים:

יכול להיות ספק קטן כי המתווך המרכזי... מורכב מהכוח המתפשט של נוזלים גמישים הנאבקים להימלט מתוך פנים מסה תת-קרקעית של לבה, או עפר במצב של התנזלות בחום עז.

לדעת סקרופ, אותם "נוזלים גמישים" הם בעיקר אדים וגזים געשיים, וכי הייתה זו התפשטות הגז בתוך המאגמה שגרמה לעלייתה כלפי הקרום והובילה להתפרצות מתפוצצת ואלימה בהגיעה אל פני השטח. לאחר שחקר לעומק את התפתחות האדים בתוך המאגמה במעמקי כדור הארץ הדגיש סקרופ כי מים המצויים בלחץ רב יתמוססו אל תוך הנתך, וכי עם הפחתת הלחץ או עלייה בטמפרטורה יתאדו המים ויגרמו להתפרצות מתפוצצת. הוא נשען על עדויות מנקודות עמוקות במכרות – שם חלה עלייה בטמפרטורה – והסיק כי בעומק רב שורר חום מתמשך וכי הצטברות קלוריק הוא הגורם לזרימה כלפי מעלה במגמה להשיג שיווי משקל קלורי. הנחתו הייתה כי היווצרות המאגמה נובעת ממעבר קלוריק באמצעות הולכה מעומק כדור הארץ לשכבות העליונות, שם חלה התכה של סלעים. לדבריו, כמות הקלוריק בסלעים מותכים הייתה גדולה בשל נוכחות מים ויש סיבה להאמין כי "נוזל זה אינו אלא אדי מים הקשורים עם המרכיבים המינרליים של הלבה" ומתנדפים באמצעות חום רב בתנאים המאפשרים את התפשטותו.

במחצית השנייה של המאה ה-19 נערכו מחקרים נוספים הקושרים נוכחות מים בפעילות געשית. בשנת 1865 מדד הגאולוג הצרפתי פרדיננד פוק (Ferdinand André Fouqué‏, 1828–1904) את כמות המים בתוצרים הגעשיים של אטנה, וחישב את כמות פליטת האדים מצינור ההזנה. מודלים מתוחכמים יותר פותחו על ידי גאולוגים אחרים, שהציעו כי פליטת האדים בהתפרצויות געשיות נבעה ממקור עמוק ולא ממים הקיימים על פני השטח. אחד מהם היה אוסמונד פישר, שבשנת 1881 ראה במאגמה את מקור הגזים הנפלטים. באותה עת החל להתפתח רעיון המייחס לפליטת מים מהרי געש תפקיד חשוב בהתפתחות האוקיינוסים. אדוארד סואס (Eduard Suess‏, 1831–1914) – הגאולוג האוסטרי שהגה בשנת 1861 את קיומם של ים טתיס ויבשת העל גונדוונה – הציע כי כל המים באוקיינוסים ובאטמוספירה נובעים מפליטת גזים מתוך פנים כדור הארץ. הגאולוג הבריטי ג'ון וסלי ג'אד (John Wesley Judd;‏ 1840–1916) העלה בשנת 1881 את התפיסה לפיה פעילות געשית ממחזרת מים מן האוקיינוסים והאטמוספירה ובחזרה אל פנים כדור הארץ. הוא הצביע על קיומם של הרי געש בסמוך לאוקיינוסים ושיער כי סדקים בקרום עשויים להיות המוליכים של מי הים מן האוקיינוסים אל המאגמה וכי התפרצויות געשיות עשויות להיגרם ממים שמצאו את דרכם למטה, אל שכבות סלע חמות – שם הורידו את טמפרטורת ההתכה וגרמו להמסת הסלעים. ג'אד שיער כי טמפרטורות גבוהות ונוכחות מים וגז הם גורמי המפתח לפעילות געשית, וטען כי מאגמה יכולה לספוג ולהמיס לתוכה כמויות מים גדולות, הנפלטות באלימות במהלך התפרצות מתפוצצת – כפי שהציע ספלנצאני לפניו. לדבריו, המאגמה יכולה לספוג מים וגזים בתהליך ראשוני בעת היווצרות כדור הארץ, או בכל יחידת זמן גאולוגית מאוחרת יותר באמצעות חלחול מים לקרום כדור הארץ.

לאחר שכבר ברור היה כי מים מצויים בתוך המאגמה, היה חשוב לשקול את תפקידם בהתפרצויות מתפוצצות. עם פיתוח מנוע הקיטור בתקופת המהפכה התעשייתית הצביע ג'אד על כך כי "הר געש הוא סוג של מנוע קיטור טבעי עצום". הגאולוג האנגלי תומאס בוני (Thomas George Bonney‏, 1833–1923) השווה ב-1899 הרי געש לדוד חימום, בהדגישו כי האדים במאגמה הוא הכוח הנפיץ העיקרי בעת התפרצות, בציינו כי נפח האדים גדול פי 1,700 מזה של מצבם הנוזלי – כוח התפשטות עצום שיש בו כדי לעורר התפרצות מתפוצצת. לדעתו, מקור המים הגעשיים קשור לקרבת הרי הגעש לאוקיינוס ולחלחול מי גשמים לתוך המאגמה. הוא הדגיש את חשיבות המים בהורדת נקודת ההתכה של סלעים, וחיזק בכך את דעתם של פישר ומדענים אחרים בייחוס התפרצויות לנוכחות המים. אחד מהם היה דאודה דה דולומייה, שקבע כי סלעים רבים שמצא באיטליה ובסיציליה – אשר במבט ראשון נראו כסלעי משקע משוכבים – היו למעשה משקעים של אפר געשי. דולומייה הסיק כי משקעים אלה נוצרו מתוצרים של התפרצויות געשיות הנוצרים בעת היפרדות במאגמה עת שהיא מועפת מתוך הלוע, וכי הסיבה העיקרית להיפרדות זו היא התפשטות מתפוצצת של אדים בתוך המאגמה.

גם פון ואלטרסהאוזן, שעסק רבות במחקר סלעים פירוקלסטיים, ייחס את היווצרותם להשפעת המים על המאגמה. בשנת 1853 הציע כי מאגמה מתרוממת ומתפרצת בשל לחץ אדי המים הנפלט מתוכה, וכי עליית הנפח של אדי המים הייתה אחראית לתהליך ההיפרדות – תהליך יצירתם ופליטתם של חומרים פירוקלסטיים כאפר געשי ופומיס. הוא גם הכיר בכך שמשקעים געשיים ייחודיים עשויים לנבוע מחדירת לבה מן היבשה אל מי הים או מתהליך של התפרצות תת-ימית. במסעות מוקדמים שערך בסיציליה בשנת 1835 ראה לראשונה טוף חום – סלע הומוגני המורכב בעיקר ממינרל אחד. הוא קרא לסלע פלגוניט – על שם העיירה הסמוכה, פלגוניה (Palagonia). בדיקה כימית של הסלע – שקבעה כי הוא עשיר באופן לא רגיל במים (12%–23%) ובברזל – עוררה את סקרנותו באשר למוצאו. פון ואלטרסהאוזן מצא כי הסלע קשור למשקעים ימיים, וכי הוא יצר שכבות עבות במקווי מים רבים בתצורות געשיות תת-ימיות. מסע נוסף נערך בשנת 1845 לאיסלנד, ביחד עם רוברט בונזן, שם חקרו השניים הרי פלגוניט והבחינו בהשתרעותם הנרחבת על פני האי. הוא הבחין כי בסמיכות לפלגוניט נמצא חומר זכוכיתי נטול מים הדומה לאובסידיאן, לו קרא סידרומלן, והוכיח כי פלגוניט הוא בעצם סידרומלן – או זכוכית געשית שספגה מים – וממיקומה הגאולוגי הסיק כי היא תוצר של התפרצות תת-קרחונית. פון ואלטרסהאוזן צדק בהנחותיו ובמסקנתו כי סלעי איסלנד נוצרו מתחת לשכבת קרח עבה שכיסתה את איסלנד במהלך תקופת הקרח האחרונה, וכי הפלגוניטים מאיטליה ומסיציליה נוצרו בים. בונזן, לעומתו, טען כי טוף פלגוניטי הוא תוצר של סלעים בזלתיים שהותמרו בסביבה עתירת מים ופחמה, ובאמצעות ניתוח כימי הראה כי לאחר שהוצאה מהם תכולת המים – סלעי הטוף היו זהים בהרכבם ללבה בזלתית. מחקרו לא הוגבל לסלעים מאיסלנד; הוא ערך מחקר דומה על דוגמאות פלגוניט מאיי כף ורדה שקיבל מידי צ'ארלס דרווין.

בזלת כרים

סלע געשי אחר בעל הרכב בזלתי הוא בזלת כרים או "לבת כרים" (pillow lava) – סלע עגלגל במבנה הדומה לכרים, המורכב מגבישים זעירים במעטה זכוכיתי. מבנה זה אופייני להתפרצויות תת-ימיות ותת-קרחוניות, ונוצר כאשר הלבה מתקררת במהירות בבואה במגע עם מים קרים, תוך שהיא מתכווצת ומתכדררת. הזרימה הפנימית של הלבה נמשכת ומבקעת את הקרומים החיצוניים של הכרים, ויוצרת כרים חדשים. השפעת המים על היווצרותו של סלע זה אינה בשל נוכחותם בתוך המאגמה, אלא להפך: נוכחות המאגמה בתוך המים היא זו היוצרת את הצורה האופיינית להם ואת הציפוי הזכוכיתי. טמפסט אנדרסון (Tempest Anderson‏, 1846–1913) – אופתלמולוג בהכשרתו – היה וולקנולוג אנגלי חובב וחבר בוועדה של החברה המלכותית שעסקה בחקר תוצאות של התפרצויות געשיות ברחבי העולם. אנדרסון צפה בהתפרצות געשית ובהיווצרות הכרים בעת ביקור בסמואה. בשנות ה-60 של המאה ה-20 הכירו מדענים בסלעים אלה כנפוצים ביותר, לאחר שגילו את היווצרותם ברכסים מרכז אוקייניים ברחבי העולם.

בתחילת המאה ה-20 נערכו ניסויי המסה בתנאי לחץ גבוה, שהוכיחו כי מאגמה המצויה בשכבות עמוקות עשויה להכיל כמויות גדולות מאוד של מים בתמיסה, וכי מים אלה משתחררים כאשר הם מגיעים אל פני השטח. הניסוי הראשון נערך בשנת 1903 על ידי קורנליו דוטלר (Cornelio August Severius Doetler‏, 1850–1930) – מינרלוג ופטרוגרף שכיהן כפרופסור באוניברסיטת וינה. תמיכה בתאוריה זו התקבלה בשנת 1906 מהגאולוג הצרפתי ארמנד גוטייה (Armand Gautier‏, 1837–1920) שפרסם תוצאות ניסויי מעבדה שערך, והוסיף כי המאגמה עולה בקרום כתוצאה מהתפשטות גז, התורמת לנפיצות אלימה של התפרצויות באמצעות שחרור אדי המים הכלואים בתוך המאגמה.

וולקנולוגיה מודרנית

הקלדרה של אגם קרייטר לייק

היווצרות קלדרה

עוד במהלך המאה ה-19 הפכה הוולקנולוגיה לתחום מחקר חשוב בגאופיזיקה. הכלים המדעיים שהתפתחו אז – כגון תצפיות ומחקרי שדה לצד ניסויים מעבדתיים כניתוח כימי של סלעים – משמשים וולקנולוגים גם היום, ולצדם התפתחו כלים נוספים מתחומי מחקר גאולוגיים ואחרים. דוגמה לתוצר של מחקר וולקנולוגי כזה הוא גילוי מנגנון ההיווצרות של קלדרה בידי הגאולוג האמריקאי יליד אנגליה האוול ויליאמס (Howel Williams‏, 1898–1980). גילוי זה הוא תוצר של מחקרים רבים שערך האוול באמריקה הדרומית ובאיי גלאפגוס ומחקר נרחב באגם קרייטר לייק (Crater Lake) במדינת אורגון, ארצות הברית – אגם שנקווה בתוך קלדרה שנוצרה לפני כ-7,700 שנה כתוצאה מהתפרצות של הר מזאמה.

בסוף שנות ה-30 של המאה ה-20 פותח קטלוג הממפה את הרי הגעש של העולם באמצעות מספר הר געש, המנוהל כיום על ידי מוסד סמית'סוניאן במסגרת התוכנית לגעשיות גלובלית (Global Volcanism Program). קטלוג זה עדיין בתהליכי השלמה: עד כה פורסמו 22 כרכים שלו, וכרכים העתידים להתפרס מכילים מידע על הרי הגעש של אלסקה ואיסלנד.

ניטור הרי געש

תחום שהתפתח במיוחד במאה ה-20 הוא ניטור הרי געש – רישום יומנים המתעדים את השינויים המתרחשים בהר הגעש ובסביבתו בעת התפרצויות געשיות וביניהן. אחת התרומות החשובות למחקר זה הייתה הקמת מצפה הרי הגעש בהוואי בשולי הר הגעש קילוואה בשנת 1912 על ידי הגאולוג האמריקאי תומאס ג'אגר (Thomas Jaggar‏, 1871–1953). מאז קמו מצפים נוספים בהרי געש פעילים, והתיעוד בהם כולל:

• ניתוח סטרטיגרפי של שכבות – המאפשר זיהוי התפרצויות היסטוריות ופרה-היסטוריות של הרי געש ושל חבלים נרחבים
• מדידת פליטת גזים, אדים ואפר מן הלוע, איתור פומרולות ומעקב אחר גייזרים ומעיינות חמים – מידע זה (בהתבסס על תיעוד קודם שנערך באותו הר געש) – מספק מידע על הרכב המאגמה ועל אפשרות של התפרצות קרובה
• שינויים חשמליים ומגנטיים, מדידת תזוזת קרקע באמצעות מערכת ניווט לוויינית, התנפחות או שינוי במבנה הר הגעש, היווצרות סדקים במורדותיו ובסביבתו הקרובה ורישום רעידות אדמה – ניתוח של מידע מבדיקות אלה נותן תמונה על גודלו ותכולתו של תא המאגמה ועל זרימת מאגמה במעלה צינור ההזנה לקראת התפרצות
• בדיקה כימית של הלבה והטפרה והערכת סוג ההתפרצות ועוצמתה – בדיקות אלה, הנערכות לאחר התפרצות, מאפשרות להבין שינויים במנגנון ההתפרצות של הר הגעש ובהרכב המאגמה במאגר ולהעריך את הסכנות הצפויות לאוכלוסייה בהתפרצויות הבאות

כלי מחקר

התפיחה בלוע הר סנט הלנס, שלושה שבועות לפני ההתפרצות

ההתקדמות הטכנולוגית בתחומי המדע השונים משמשת וולקנולוגים לניטור הרי געש בניסיון לחזות התפרצויות עתידיות:

• סייסמוגרף – מכשיר למדידת העוצמה ומיקום המוקד של רעידות אדמה. השימוש בסייסמוגרף נובע מהעובדה כי לפני התפרצות געשית מתרחשים שינויים בהר הגעש המתבטאים ברעידות אדמה הרמוניות וממושכות ומעידים על תנועת מאגמה בצינור ההזנה.
• מערכות ניווט לווייניות – באמצעות מערכות אלה ניתן לאתר שינויים ועיוותים במבנה הר הגעש ובסביבתו, המעידים על עלייה של מאגמה כלפי הלוע – דוגמת ה"תפיחה" בהר סנט הלנס לקראת ההתפרצותו ב-1980.
• ספקטרומטר תת-אדום – משמש לבדיקת הגזים הנפלטים מהר הגעש ומאפשר לנתח את הרכבם הכימי. גזים כגופרית דו-חמצנית מהווים איתות להתפרצות קרבה.
• מד טמפרטורה – מדידה תכופה של טמפרטורה בהר הגעש ובסמוך לו, כמו גם באגמי לוע, מאפשרת לנטר שינויים המעידים על שינוי בפעילות הגעשית.
• טכניקות גאופיזיות שונות – מדידה של שינויים במוליכות חשמלית, סטיות בכבידה ובמגנטיות עשויה להצביע על קיומן של תבניות שידוע כי קדמו להתפרצויות קודמות.

שימוש בכלים מתקדמים אלה איפשר לחזות את ההתפרצויות בהר סנט הלנס ב-1980 ובפינטובו ב-1991, ולהיערך בבוא מועד לפינוי אוכלוסייה.

געשיות במערכת השמש

מאאט מונס – הר געש בנוגה

המחקר הוולקנולוגי המודרני אינו מסתפק במחקר געשי בכדור הארץ, אלא גם בפעילות שהתרחשה בעבר ועדיין מתרחשת במערכת השמש באמצעות גאולוגיה פלנטרית. בגופים שונים במערכת השמש קיימים הרי געש – חלקם פעילים וחלקם כבויים. שרידים לפעילות געשית בירח נמצאו בימות – מישורי בזלת רחבים, והובאו לכדור הארץ על ידי אסטרונאוטים שביקרו בירח במסגרת תוכנית אפולו. גם במאדים התקיימה פעילות געשית, שהשתמרה באולימפוס מונס – הר הגעש הגבוה ביותר במערכת השמש. קרוב ל-90% מפני השטח של נוגה נראים כמכילים לבה בזלתית קרושה חדשה יחסית ועל פניו נראים הרי געש נישאים. על איו, ירחו של שבתאי, מתנשא הר הגעש טוושטר (Tvashtar). הרי געש נוספים זוהו גם על טריטון – ירחו של נפטון, על אנקלדוס – ירח נוסף של שבתאי, ובגופים אחרים כגון אירופה, טיטאן, גנימד, מירנדה וקווה-וואר בחגורת קויפר.

דוגמה למחקר עדכני היא גילוי וניטור 9 נקודות חמות על-פני כוכב הלכת נוגה, המתבצע באמצעות ונוס אקספרס – הגשושית הראשונה של סוכנות החלל האירופית. בעורכם מעקב אחר שינויים בהרכב זרמי הלבה בשלוש מן הנקודות החמות – באמצעות הדמיה תרמית של אור נראה ותת-אדום בספקטרומטר אופטי הנקרא VIRTIS‏ (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer) – גילו החוקרים סטיות באמיסיביות של פני השטח. לדעתם, סטיות אלה מייצגות היעדר בליה על-פני השטח. ההערכה היא כי זרמי הלבה צעירים: פחות מ-2.5 מיליון שנה ואף 250,000 שנה או פחות – מה שמצביע על געשיות מתחדשת בכוכב הלכת.

ראו גם

אולימפוס מונס

• גאולוגיה - מונחים
• משטח בזלת נרחב
• התפרצות געשית
• מספר הר געש
• הר געש
• מאגמה
• לבה

לקריאה נוספת

• Robert I. Tilling, ‏Volcanoes – ספר מקוון באתר USGS (באנגלית)
• צ'ארלס דרווין, איים געשיים (אורכב 25.01.2010 בארכיון Wayback Machine), 1844 – ספר מקוון (אנגלית)

קישורים חיצוניים

• החברה הוולקנולוגית האירופאית
• התוכנית לגעשיות גלובלית במוסד סמית'סוניאן
• מעקב מקוון על הרי געש: כאן וכאן
• וולקנולוגיה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)