משטח בזלת נרחב

משטח בזלת נרחב הוא חבל גאולוגי המתאפיין בנפח גדול מאוד של סלעים געשיים מאפיים – בעיקר בזלת אך גם ריוליט – תוצאה של התפרצויות געשיות נרחבות במשך תקופת זמן קצרה יחסית במונחים גאולוגיים: מאות אלפים עד מיליוני שנים. שטחם הניכר של המשטחים נמדד בקילומטרים רבועים, ואת נפחם מודדים בקילומטרים מעוקבים. משטחים אלה אינם קשורים לגעשיות הנובעת מתהליכים טקטוניים כנביעת לבה ברכסים מרכז אוקייניים או קשתות איים געשיות באזורי הפחתה, אלא כוללים שטפי לבה יבשתיים ואוקייניים נרחבים מתוך סדקי-ענק. המונח האנגלי "Large igneous provinces" המגדיר משטחים אלה הוטבע לראשונה בשנת 1992.

מקור וכמות החומר הנפלט

טומוגרפיה סייסמית גילתה גם כי גושים של ליתוספירה מופחתת יכולים לחדור את כל המרחק עד לבסיס המעטפת, מעט מעל הגבול בין המעטפת התחתונה לגלעין, בעומק של קרוב ל-2,900 ק"מ. אם מניחים כי נפח המעטפת נותר קבוע לאורך הזמן הגאולוגי, הרי שמסת חומרי הקרום שניתכו לתוך המעטפת חייבת להשתוות למסת החומר המותך העולה מן המעטפת אל הקרום. ניתן להניח כי רוב – אם לא כל – הפעילות הגעשית הקשורה לתהליכים טקטוניים של התפשטות קרקעית הים ושל אזורי הפחתה (על בסיס טומוגרפיה גאוכימית וסייסמית) נובעת מן המעטפת העליונה (עד עומק של 660 ק"מ). סביר להניח כי חומר ליתוספירי החודר אל המעטפת התחתונה וממוחזר בסופו של דבר, תורם בחלקו להתהוות משטחי הבזלת על פני השטח בכדור הארץ.

הנחת תימרת המעטפת

משטחי בזלת נרחבים נוצרים במגוון מבנים ומקומות, כרמות אוקייניות, הרים ורכסים תת-ימיים, שולי יבשות, שטפי בזלת יבשתיים ושטפי בזלת באגנים אוקייניים. היווצרות משטחי בזלת נרחבים מיוחסת לרוב לתימרות מעטפת או נקודות חמות והם מייצגים בין 5% ל-10% מפליטת המאגמה העולמית. עם זאת, במונחים של הפקת מאגמה, מדובר באפיזודות קצרות לעומת הרצף היחסי של פעילות געשית ברכסים מרכז אוקייניים. משטחי הבזלת נוצרים מפעילות מאגמטית הקרובה לפני השטח ושכיחים בכוכבי הלכת ובירחים של מערכת השמש. משטחים אלה – והמקבילות העכשוויות קטנות המידה: הרי געש שמעל נקודה חמה – מיוחסים בדרך כלל להתכה בלחץ נמוך של חומרי מעטפת בצפיפות נמוכה, העולים ממעמקי כדור הארץ בתמרות מעטפת, ולכן מספקים חלון לתהליכים המתרחשים במעטפת.
נעשו כמה ניסיונות להבין כיצד נפחים עצומים של מאגמה בזלתית נוצרים ונפלטים בפרק זמן קצר יחסית, בקצב השתפכות העולה בהרבה על זה של פליטת הבזלת ברכסים מרכז-אוקייניים. היווצרות המשטחים נקשרת לרוב לפעילות נקודות חמות הבונות שרשרת רציפה של איים געשיים או הרי געש, מה שמוביל לבניית מודלים המקשרים את מקורותיהם לתימרות מעטפת. בהנחה זו, תימרות המעטפת מורכבות מראש תימרה בולבוסי ומזנב דק המזין את הראש בחומרים חמים מן המעטפת. כאשר ראש התימרה המתרומם פוגש בליתוספירה, הוא מתפשט לצדדים ונמס, ובכך יוצר נפח עצום של מאגמה בזלתית הנפלטת במהלך 1–2 מיליון שנה. הנחה זו משערת כי מקור הפעילות הגעשית בזנב התימרה. תזוזת הליתוספירה על-פני המעטפת כתוצאה מפעילות טקטונית גורמת לגעשיות הנובעת מזנב התימרה ליצור שרשרות איים. השפעת התימרה על בסיס הליתוספירה היבשתית עשויה לגרום לסידוק ושבירת היבשת וליצירת משטחי בזלת צמודים משני צדי האגן האוקייני, לדוגמה: הצמד פרנה-אטנדקה (Parana-Etendeka) באמריקה הדרומית ובדרום אפריקה, בהתאמה.
הנחה זו נתמכת בעובדה שרוב, אם לא כל משטחי הבזלת, קשורים לנקודות חמות, כפי שהחבל הגעשי הצפון אטלנטי קשור לנקודה החמה של איסלנד, מדרגות דקאן לנקודה החמה של ראוניון ורמת קרגלן (Kerguelen) לנקודה החמה של קרגלן.

בעיות בהנחת התימרה

העובדה כי משטחי בזלת במגוון גדלים וטקטוניים מתהווים בליתוספירה היבשתית והאוקיינית כאחד, מציעה כי סטיות תרמיות במעטפת גורמות לעליית המאגמה, וכי סוג הליתוספירה שולט בהיווצרותם. למשל, סטיות תרמיות מתחת לליתוספירה האוקיינית אמורות ליצור בה השפעה מאגמטית יתרה, מאחר שהקרום האוקייני דק יותר ומאפשר התכה בלחץ נמוך, יותר מאשר קרום יבשתי.
באופן דומה, סטיות תרמיות דומות במרכז לוח (למשל, הוואי) ולאורך שולי לוח (למשל, איסלנד) אמורות ליצור יותר מאגמטיות מאחר שבנקודות אלה מתגברת ההתכה בלחץ נמוך. עם זאת, טומוגרפיה סייסמית שנערכה בשנים האחרונות על מבנה מהירות המעטפת (mantle-velocity) – קירוב לטמפרטורה (a proxy for temperature) – מתחת לאיסלנד ולהוואי, מצביעה על הבדלים משמעותיים בין השתיים.

הנחות אחרות

על אף שניתן להניח כי מקורם של משטחי הבזלת בתימרת מעטפת הנוצרת על ידי תהליכים של חומרים מוצקים, הוצעו מנגנונים חלופיים:
שיוך שפכי הבזלת על הירח למכתשי פגיעה, כמו גם עדויות מוגבלות בכדור הארץ, מציעים כי התכה מסיבית בלחץ נמוך של המעטפת – או לפחות הידקקות משמעותית של הקרום וסדיקתו, היוצרים מוליכים לחומרי מעטפת אל פני השטח – עשויים להסביר את התהוותם של כמה משטחי בזלת. מנגנון כזה הוצע כחלופה להנחת התימרה באשר למדרגות סיביר, רמת אונטונג-ג'אווה (Ontong Java) ומדרגות דקאן.
תאוריות אחרות לסיבת היווצרות משטחי הבזלת כוללות היפרדות שכבות האקלוגיט בתחתית הקרום, תופעות געשיות בשולי הליתוספירה העבה, וכן פגיעת מטאוריט.
משטחי בזלת אחדים עשויים לנבוע מצירוף של שבירת שולי יבשת וסטיות תרמיות במעטפת. לכן, מנגנונים מרובים עשויים להידרש להסבר כל משטחי הבזלת הנרחבים, גם בכדור הארץ וגם במקומות אחרים במערכת השמש.

תכונות

סלעי משטחי הבזלת שונים בהרכבם מן הסלעים הנוצרים ברכסים מרכז-אוקייניים ובאיים געשיים מבחינה פטרולוגית, גאוכימית, גאוכרונולוגית וגאופיזית.
סלעי המשטחים מוגדרים על-פי המאפיינים המאפיים הדומיננטיים של סלעי הפרץ: עושר בברזל ובמגנזיום וכן בזלת אלקלית ותולאיטית. עם אלה מופיעים גם סלעים עתירי סיליקה, אך אלה מקושרים לשלבים הראשונים של התהוות המשטחים ולסיומה בלבד. מאחר שהשכבה הזמינה ביותר למחקר היא הקרום העליון של המשטחים, מרבית הידע עליהם נובע מהלבה היוצרת אותו. שכבה זו עשויה להגיע לעובי של 10 ק"מ. בחינה גאופיזית וסייסמית ומידע המשווה בין המשטחים לבין קרום אוקייני מצביעים על כך שמתחת לקרום העבה של המשטחים קיימת שכבת מחדר מאגמטית, שביסודה היא שכבת עיבוי – מאגמה שנלכדה בתחתית הקרום ונקרשה במקום. מדידות סייסמיות מצביעות על כך ששכבה זו מכילה סלעי גברו (סלע פלוטוני מאפי) ומתחתם סלעים אולטרה-מאפיים.
עוביו של קרום ימי בו מצוי משטח בזלת – ביחד עם שכבות סלעי הפרץ והמחדר – עשוי להגיע ל-35 ק"מ, כפי שעולה ממדידות סייסמיות וכבידתיות ברמת אונטונג-ג'אווה. ברמה ימית זו, וכן מתחת למדרגות דקאן ופרנה היבשתיות, נצפו אזורים של מהירות מעטפת נמוכה. אזורים אלה, הנחשבים לשורשים הליתוספריים של המשטחים, עשויים לחדור עד לעומק של 500–600 ק"מ במעטפת. בניגוד לאזורים של מהירות גבוהה (מתחת למרבית הקרומים היבשתיים ובחלק מן הקרומים האוקייניים), אזורי מהירות נמוכה מתחת למשטחי הבזלת הנרחבים משקפים שרידים כימיים ותרמיים ראשוניים של פעילות תימרת מעטפת. כושר הציפה הגבוה של שורשים אלה רומז על תפקידם המשמעותי של משטחי הבזלת בהתרחבות שטח היבשות באמצעות צמיחת שוליהן.

תפוצה, מיקום וסוגים

משטחי בזלת נרחבים נוצרים באזורים יבשתיים ואוקייניים כאחד, פנים-לוחיים ובשולי לוחות, ופריסתם עולמית. המשותף לכל משטחי הבזלת הנרחבים הוא תקופת פעילות קצרה באירועים מאגמטיים אפיזודיים וארעיים, המגבירים באופן משמעותי את שיעורי פליטת המאגמה העולמית לתקופה קצרה. אם נוצר משטח נרחב בשולי לוח, הוא ירכיב את כל המקטע הקרומי באותו מקום. לעומת זאת, אם המשטח ייווצר בתוך לוח, הרי שהקרום הראשוני יופרע באזור החדירה ויתעבה משני צדדיו ככריך – שכבת בזלת תיווצר מעליו ושכבת מחדר בתחתיתו.

שולי יבשת

שולי יבשת סבילים (passive margins) הם נקודת המעבר בין קרום יבשתי לקרום אוקייני השייכים ללוח אחד, ואינם שולי יבשת פעילים. שוליים אלה מכילים סלעי משקע המורבדים מעל בקע עתיק ויוצרים אגנים אוקייניים חדשים. כתוצאה מהידקקות הקרום לאורך הבקע, עשויה להתפתח בשוליים אלה געשיות (שוליים געשיים סבילים) שתוביל להיווצרות משטחי בזלת ואף לפתיחת רכס מרכז אוקייני. דוגמה למשטח בזלת בשולי יבשת היא החבל הגעשי המרכז-אטלנטי שנוצר בעת התפרקות פנגיאה ופתיחת האוקיינוס האטלנטי. חבל זה כולל את החופים המזרחיים של אמריקה הצפונית וצפון אמריקה הדרומית, ואת החופים הצפון מערביים של אפריקה. לצפונו שוכנים שרידי רמת תוליאן מן הפלאוגן. הרמה השתרעה ככל הנראה על שטח של 1.8 מיליון קמ"ר בצפון האוקיינוס האטלנטי של ימינו, ומניחים כי התפרקה ברובה כשנוצר האוקיינוס האטלנטי. שרידיה מצויים בצפון אירלנד, צפון-מערב סקוטלנד, איי פארו, צפון-מערב איסלנד, מזרח גרינלנד ומערב נורווגיה.

בים ובאוויר

להיווצרות משטחי בזלת נרחבים השפעה סביבתית מתועדת, גם מקומית וגם מרחבית. ההשפעה העולמית עדיין אינה נהירה דיה, אולם ייתכן ולהיווצרות כמה מן המשטחים הייתה השפעה בקנה-מידה עולמי, בעיקר כאשר כבר הייתה נטייה למפנה. התפרצויות רבות עוצמה של לבה בזלתית היוצרות משטחי הבזלת משחררות חומרים נדיפים כגון פחמן דו-חמצני, גופרית, כלור ופלואור.
גורם חשוב המשפיע על סדרי הגודל של שחרור חומרים נדיפים אלה הוא היות ההתפרצות תת-אווירית או תת-ימית: לחצים הידרוסטטיים מעכבים היווצרות בועות ושחרור גזים של מרכיבים נדיפים (מים, גופרית, כלור ופלואור) במהלך התפרצות תת-ימית עמוקה. עם זאת, מרכיבים מסיסים פחות (פחמן דו-חמצני וגזים אצילים) משתחררים כגזים גם בעומק רב.
גורם חשוב נוסף הוא קו הרוחב שבו מתרחשת ההתפרצות. במרבית ההתפרצויות הבזלתיות, חומרים נדיפים נותרים בטרופוספירה. אולם, בקווי רוחב גבוהים הסמוכים לקטבים, הטרופופאוזה (שכבת האוויר המפרידה בין הטרופוספירה לסטרטוספירה) נמוכה יחסית ומאפשרת לשטף הבזלתי לשחרר גופרית דו-חמצנית לתוך הסטרטוספירה. חלקיקי חומצה גופרתית הנוצרים שם עמידים לאורך זמן ופיזורם נרחב מאשר לו הייתה הגופרית הדו-חמצנית נותרת בטרופוספירה. לכן, ההשפעה על האקלים ועל הכימיה של האטמוספירה רבה יותר באזורים אלה. הנפח הרב של החומרים הנדיפים המשתחררים בהתפרצויות תת-אוויריות בקווי רוחב גבוהים במהלך פרקי זמן גאולוגיים קצרים, תורמים לשינויים סביבתיים עולמיים. התפרצויות בעוצמה גבוהה עשויות לפלוט גופרית דו-חמצנית ופחמן דו-חמצני ישירות לסטרטוספירה, ללא מעבר-ביניים בטרופוספירה.

התחממות, התקררות ומפלס מי הים

במונחי היסטוריה של כדור הארץ, אירועים כאלה הם קטסטרופיים – עובדה שמעלה את השאלה אם להתפרצות משטחי בזלת נרחבים בקנה מידה גדול יש השפעה נרחבת או אף גלובלית מבחינה סביבתית ואבולוציונית. כמה מנגנונים כאלה הוצעו: שחרור כמות גדולה של פחמן דו-חמצני עשויה להעלות באופן ניכר את רמתו באטמוספירה, דבר שיש בו כדי להמריץ את אפקט החממה ותהליכים של התחממות עולמית. לעומת זאת, אם משטחי בזלת נרחבים הם תת-אוויריים, הרי שהפליטה של גופרית דו-חמצנית לאטמוספירה עשויה להוביל להיווצרות תרסיס סטרטוספירי, שיגרום להתקררות עולמית באמצעות חסימה של קרינת השמש. בעוד הדעות חלוקות באשר להשפעת משטחי הבזלת, ניתן לקבוע בוודאות כי התפרצותם על קרקעית האוקיינוס – בעוצמה ובקצב המוכרים עד כה – יגרמו להעתקת כמויות מים רבות ולעליית מפלס פני הים. בהתאם לכך, מעריכים כי היווצרות רמת אונטונג-ג'אווה גרמה לעליית מפלס פני הים בכ-10 מ'.

חקר פלאומגנטיזם

פלאומגנטיזם הוא המדע החוקר את הסטיות וההיפוכים בשדה המגנטי של כדור הארץ לאורך קיומו, ובהיסטוריה הגאולוגית של כדור הארץ ידועים היפוכים מגנטיים רבים. בזלת מכילה את המינרל מגנטיט, תחמוצת ברזל המושפעת משדה זה. משטחי הבזלת הנרחבים – כמו גם הבזלת הנוצרת ברכסים מרכז אוקייניים – מתעדים היטב את השדה המגנטי של כדור הארץ, כפי שהתקיים בעת קרישת סלעיהם. כיוון השדה המגנטי המוטבע בהם מאפשר תיארוך מדויק של זמן היווצרותם.