מעוות (גאולוגיה)

בגאולוגיה, מעוות הוא שינוי צורה וגודל החל על סלעי קרום כדור הארץ וגורם להיווצרותם של מבנים גאולוגיים דוגמת קמטים, גלישונים, העתקים וסדקים.
המעוות נגרם בעומקים שונים של הליתוספירה, ונובע בעיקר מתהליכים גאופיזיים דוגמת מעבר גלים סייסמיים ותנועה טקטונית ומתהליכים וולקנולוגיים דוגמת חדירה פלוטונית והיווצרות איים געשיים.

תכונות המסלע

חוזקו של המסלע והתנהגותו במעוות נובעים מתכונותיו הראולוגיות, הנובעות ממאפייניו.

המאפיינים הפנימיים המשפיעים על המעוות

הגורמים המשפיעים על מאפייני המעוות ועל הכשל של סלעים לעמוד בו נחלקים לשתי קטגוריות: מאפיינים פנימיים ומאפיינים חיצוניים. הקטגוריה הפנימית כוללת את המאפיינים הטבועים בסלע עצמו, בעוד הקטגוריה החיצונית כוללת את הגורמים הסביבתיים הפעילים בנקודה קבועה בזמן. בין הגורמים הפנימיים חשובים ההרכב המינרלוגי והמרקם, אך סדקים בתוך המבנה הסלעי ומידת ההמרה של המינרלים המרכיבים אותו מתגלים לרוב כחשובים יותר. תנאי הטמפרטורה והלחץ בהם מצוי הסלע משפיעים באופן ברור על התנהגותו המכנית, וכך גם תכולת המים בנקבוביות שלו. מרכיבים חשובים נוספים הם משך הזמן בו חל שינוי במאמץ הפועל על הסלע וקצב פעולתו, המשפיעים באופן משמעותי על מאפייני המעוות החל בו.

הרכב ומרקם

ההרכב והמרקם של סלע נקבעים על פי מקורו וההיסטוריה הגאולוגית שלו. סלעים ספורים בלבד מורכבים ממינרל יחיד, וגם בהם משתנים המאפיינים מסלע לסלע. משתנים כאלה בתוך אותו מינרל עשויים להיגרם מפצילות, מהימצאות תכלילים וסדקים וכתוצאה מהמרה, כמו גם מהבדלים מזעריים בהרכב. כל אלה משתקפים בהתנהגותו המכנית של הסלע, וכתוצאה מכך מפגינים מעט מאוד סלעים איזוטרופיות הומוגנית בחומר המרכיב אותם. יחסי הגודל והצורה של גבישי המינרלים והגרגרים המרכיבים את הסלע חשובים גם הם, ובאופן כללי – ככל שהם קטנים יותר, כך גדל חוזקו של הסלע.
אחד המאפיינים החשובים של המרקם בהתנהגות המכנית – בעיקר החוזק – הוא מידת השתלבותם של החלקיקים זה בזה ליצירת המבנה הסלעי. שבירה בין-גרגרית (intergranular fracture) מתרחשת בעיקר לאורך הגבולות בין החלקיקים ושבירה טרנס-גרגרית (transgranular fructure) דרך הגרגרים. לכן, גבולות לא סדירים בין החלקיקים מהווים במידה מסוימת מכשול לשבירה.
הקשר בין החלקיקים בסלעי משקע רבים מסופק באמצעות חומר מלכד או מסת אם, יותר מאשר השתלבות הגרגרים זה בזה. כמות החומר המלכד – ובמידה פחותה גם הסוג – משפיעים לא רק על החוזק והאלסטיות של הסלע, אלא גם על צפיפותו, נקבוביוּתו וחדירוּתו לנוזלים.
סלעים אינם מבנה עקבי ואחיד, אלא הם מכילים פגמים הכוללים סדקים מיקרוסקופיים, גבולות בין חלקיקים, פצילות, גבולות בין גבישים תאומים, רצפים של תכלילים וחלקיקים הזרים להרכב הסלע. פגמים אלה משפיעים על חוזקו הסופי של הסלע ועשויים לפעול כמשטחי חולשה השולטים בכיוון בו יתפתח כשל. נטיית חלקיק או גביש בכיוון מסוים מסייעת להתפתחות הכשל באותו כיוון.
במונחים של זרימה פנימית של חלקיקים בתוך הסלע מתבטאת השפעת ההרכב על התכונות הפנימיות ועל הזרימה הפנימית בתוך המסלע. גם לגודל החלקיקים השפעה: הזרימה הפנימית מתאפשרת יותר כאשר הגבישים קטנים ויש להם שטח פנים גדול יותר לנוע בו.

לחות

ככל שעולה תכולת המים בסלע, מתגברת הזרימה הפנימית. נוכחות של לחות בסלעים פוגמת ביכולתם המכנית בכך שהיא מגבירה את מהירות המעוות ומורידה את החוזק. זווית החיכוך הפנימי אינה מושפעת באופן משמעותי משינויים בתכולת הלחות, בעוד תאחיזת הגרגרים פוחתת משמעותית. לכן, הפחתת החוזק עם עליית תכולת הלחות נובעת בעיקר ממאמץ מתיחה – שהוא פונקציה של חוזק התאחיזה של החומר.

טמפרטורה ולחץ

אף שבכל סוגי הסלעים חלה הפחתה בחוזק עם עליית הטמפרטורה והתגברות של החוזק עם עלייה בלחץ הליתוסטטי, התוצא המשולב של טמפרטורה ולחץ שונה במידה ניכרת בסוגי סלעים שונים. עם עליית הטמפרטורה מתרחשת הפחתה במאמץ ובמעוות. החימום מגביר את גמישות המסלע ואת יכולתו לשנות את צורתו באופן קבוע – בלי שיאבד מהמשכיותו ומשלמותו. דוגמה טובה להתנהגות זו ניתן לראות בשוקולד: טבלת שוקולד קרה תישבר, בעוד לחץ דומה על טבלת שוקולד חמה יגרום לכיפופה.
בסלעים נקבוביים מתבטא המעבר ממעוות פריך למעוות גמיש בשינוי חד מהתרחבות בלחצים נמוכים לדחיסה במהלך מעוות בלחץ גבוה. סוג זה של התנהגות שונה מזה של סלעים דלים בנקבוביוֹת, הממשיכים להתרחב גם במהלך מעוות גמיש. הדחיסה המתרחשת בסלעים נקבוביים במהלך מעוות גמיש בלחץ ליתוסטטי גבוה נובעת מקריסה של חלל הנקבוביות ומסידור מחדש של הגרגרים – המאפשר את המשך הדחיסה. דוגמה טובה לכך ניתן לראות בספוג: לחץ מקטין את נפח חלל הנקבוביות, וכתוצאה מכך – את נפחו הכללי של הספוג.

שלבי המעוות

קיימים שלושה שלבים עיקריים של מעוות, שניים מהם – מעוות אלסטי ומעוות פלסטי – הם מעוותים גמישים המשנים את צורת המסלע תוך שמירה על שלמותו, והשלישי הוא מעוות פריך הגורם לסידוק ושבירה של המסלע. שלבים אלה תלויים באלסטיות, בצמיגות ובקשיחות הסלע, כמו גם בהיסטוריית המאמץ שלו, בטמפרטורה, במשך הזמן בו חל המעוות, בתכולת המים בנקבוביות ובאנאיזוטרופיות שלו.
המעבר ממעוות פריך למעוות גמיש מתרחש באופנים שונים בליתוספירה אוקיינית ובליתוספירה יבשתית, ותלוי במבנה הליתוספירה ובעומק: לליתוספירה ימית קרום דק שחוזקו וגמישותו עולים ככל שמעמיקים. לעומתה, הליתוספירה היבשתית עבה יותר והמבנה השכבתי והראולוגי שלה מורכב יותר. חלקה העליון פריך, ואילו חלקיה העמוקים יותר מושפעים מטמפרטורות גבוהות והופכים גמישים.

מעוות גמיש

במהלך שלבי המעוות הגמיש – אלסטי ופלסטי – משתנה צורת המסלע אך שלמותו אינה נפגמת.

מעוות אלסטי-צמיג

בכל חומר קיימת מגבלה לכמות האנרגיה שהוא יכול לספוג במצב אלסטי, הנקראת "גבול אלסטיות". רק לאחר שחומר עבר את גבול האלסטיות, הוא מגיב במעוות פלסטי או במעוות פריך.
המעבר ביכולת שינוי הצורה של החומר בגבול האלסטי מציין את נקודת הכניעה של החומר למאמץ הפועל עליו. אם המאמץ הפועל על הסלע עובר גבול זה, יחול מעוות קבוע שייגרם מזרימה פלסטית. בתוך תחום הזרימה הפלסטית עשוי להתקיים אזור בו המאמץ האלסטי עדיין מתקיים ומתרחשת בו זרימה אלסטית-צמיגה.