התפשטות קרקעית הים

התפשטות קרקעית הים היא תהליך גאולוגי המתרחש ברכסים מרכז אוקייניים, בהם נוצר קרום אוקייני חדש. מקטעי הקרום החדשים נוצרים מהתגבשות מאגמה, ובהדרגה הם מתרחקים מן הרכס - עת נוצרים שני מקטעי לוחות טקטוניים צעירים המתרחקים זה מזה. דוגמה לכך ניתן לראות ברכס המרכז-אטלנטי, שחלקיו הגלויים מצויים לאורך איסלנד.
אף שהתפשטות קרקעית הים מוסיפה סלעים חדשים, נשאר שטח הפנים של כדור הארץ יציב. זאת, משום שבמקביל להיווצרות הקרום האוקייני החדש מוחסרים קטעי קרום אחרים בגבול סגירה – נקודת מגע בין שני לוחות בה חודר לוח אחד מתחת ללוח אחר, או שהם מתנגשים זה בזה ויוצרים רכס הרים בתהליך הנקרא אורוגנזה. קיזוז שטח זה אינו מתרחש דווקא בשולי לוחות המתארכים, אלא בקנה-מידה עולמי: בעוד אוקיינוס אחד מתרחב כתוצאה מהיווצרות קרום חדש, אחר עשוי להצטמצם ואף להיסגר לחלוטין. לדוגמה, הרכס המרכז-אטלנטי גורם להתרחבותו של האוקיינוס האטלנטי, אך לא מתקיימת בשוליו הפחתה משמעותית. הפחתה כזו קיימת בטבעת האש בשולי האוקיינוס השקט ומתבטאת בין היתר בקשתות איים דוגמת יפן ובקשתות געשיות דוגמת האנדים.
גילויו של תהליך זה היווה הסבר אפשרי לתאוריית נדידת היבשות והוביל להתפתחותה של טקטוניקת הלוחות.

מאובנים ויבשות נודדות

הימצאותם של מאובנים זהים בשכבות גאולוגיות משני צדי אוקיינוסים הוסברה בעבר בקיומם של גשרים יבשתיים, עליהם עברו בעלי חיים וצמחייה בין יבשת ליבשת. המדען הגרמני אלפרד וגנר לא קיבל הסבר זה, ובשנת 1912 הציע תאוריה לפיה אותן יבשות – הנראות קבועות במקומן – נודדות זו הרחק מזו. וגנר נשען לא רק על מאובנים אלא גם על עדויות הנוגעות לאקלים ולמבנים גאולוגיים. הוא מצא דמיון בין רכסי הרים באפריקה ובאמריקה הדרומית, ושדות פחם באירופה שתאמו שדות דומים באמריקה הצפונית. בנוסף הסתייע וגנר בזואוגאוגרפיה ובביוגאוגרפיה של אלפרד וולאס.
וגנר הבחין כי מאובני מזוזאורוס וליסטרוזאורוס נמצאו במקומות המופרדים באמצעות אוקיינוסים. בהניחו כי בעלי חיים אלה לא היו מסוגלים לשחות מרחק כה רב, הסיק שהם חיו פעם על יבשת אחת שהתפצלה. בשנת 1915 התפרסם ספרו "מקור היבשות והאוקיינוסים" (Die Entstehung der Kontinente und Ozeane), בו נכלל רעיון קיומה של יבשת-על גדולה, ובמהדורות מאוחרות יותר אף העניק לה שם: פנגיאה. עם השנים התרחבו מהדורות הספר וכללו ראיות נוספות, ובמהדורה האחרונה שפורסמה זמן קצר לפני מותו נטען כי ככל שאוקיינוסים רדודים יותר, כך הם צעירים יותר מבחינה גאולוגית. התאוריה של וגנר הסבירה בין היתר את היווצרותם של הרכסים הגדולים דוגמת ההימלאיה והאלפים, אך לבד מתמיכתו של הגאולוג הדרום אפריקאי אלכסנדר די-טואה (Alexander du Toit‏, 1878–1948), נדרשו עשרות שנים כדי שרעיון תנועתן של היבשות יתקבל בהרחבה בחוגים מדעיים, בעיקר מאחר שלא הציג מנגנון הגורם לתנועה.

מקור חום

לאחר שגילה פייר קירי בשנת 1903 כי חומרים רדיואקטיביים משחררים חום, נעשו כמה ניסיונות לקשור את הרדיואקטיביות למקור חום בכדור הארץ. בשנת 1910 החל הגאולוג הבריטי ארתור הולמס (Arthur Holmes‏, 1890-1965) לחקור את הקרינה הטבעית בסלעים, וחיפש את המנגנון המוליך את החום מפנים כדור הארץ אל פני השטח. הוא סבר כי המנגנון היעיל ביותר יהיה מערבָּל (קונווקציה, Convection) – העברת חום באמצעות תנועה אנכית מאזור קר לאזור חם, כפי שהציע הגאולוג והגאופיזיקאי האנגלי אוסמונד פישר (Osmond Fisher‏, 1817-1914) בשנת 1881. פישר תיאר מנגנון בו בכוכב לכת נוזלי עולים זרמי הערבול אל מתחת לאוקיינוסים וליבשות, והולמס חזר עליו בשנת 1928 ואף הוסיף הסברים משלו. הוא טען כי החום העודף נפלט מכדור הארץ באמצעות תנועה מחזורית של חומר בשכבות פנימיות מוצקות, וכי תנועה זו יוצרת זרמי ערבול חמים. הולמס תיאר זרימת חום רבה כלפי מעלה, הפחתת לחץ, התכת סלעים ופליטת החום ב"תפיחוֹת" המרכז אוקייניות, וכן זרימה חוזרת מתחת לגאוסינקלינות.
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. בשנות ה-60 של המאה ה-20 התגלה כי מהירות זרמי הערבול תואמת את מהירות התפשטות קרקעית הים – כ-5 ס"מ בשנה, כפי שהעריך הולמס בשנת 1928. עם זאת, טרם נקבע כיצד ומדוע מתרכז החום באזורים מסוימים ליצירת זרמי הערבול.

חקר קרקעית הים

הארי הס, שכיהן כפרופסור לגאולוגיה באוניברסיטת פרינסטון, התגייס לצי האמריקאי במהלך מלחמת העולם השנייה והחל בשירות פעיל בשנת 1941, לאחר המתקפה על פרל הארבור. בעת שפיקד על נחתת השתמש במכשיר סונאר למדידת עומק קרקעית האוקיינוסים, ששימשה את הס למטרות צבאיות וגאולוגיות כאחת – מיפוי קרקעית הים. במדידותיו גילה הס שקעים אוקייניים שעומקם נמדד בקילומטרים, וגוּיוֹ – הרי געש תת-ימיים שפסגותיהם הסחופות נמצאו מתחת ל-2 קילומטרים של מים.
מחקרים דומים נערכו על ידי האוקיינוגרף והגאופיזיקאי האמריקאי רוברט סינקלר דיץ (Robert S. Dietz‏, 1914–1995), שסקר את קרקעית האוקיינוס השקט ובעיקר את הגאומורפולוגיה שלה בשנות ה-40 וה-50 של המאה ה-20. בין היתר חקר את איי אמפרור – שרשרת איים געשיים הנמתחת מאיי הוואי ומסתיימת בקמצ'טקה, ובה ראה עדות לנדידת היבשות. למנגנון הגורם לתנועה קרא דיץ "התפשטות קרקעית הים", והעיד כי הוא רואה בו כינוי "מגושם".

ראיות מדעיות

בשנות ה-50 של המאה ה-20 החלו להתגלות דפוסים מגנטיים חריגים בקרקעית האוקיינוסים. הקרום האוקייני הבזלתי מכיל מגנטיט ומתעד שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ באמצעות חילוף בין רצועות של קיטוב נורמלי וקיטוב הפוך המקבילות לרכסים המרכז אוקייניים.
מידע נוסף התקבל מקידוחים שנערכו במסגרת חיפושי נפט. ליבות סלע שנקדחו מאזורים שונים באוקיינוסים תוארכו והראו גילים הולכים וגדלים ככל שגדל המרחק מן הרכסים המרכז אוקייניים.
תרומה אחרת התבטאה במחקרם של קיו ודאטי והוגו בניוף על תפוצתן של רעידות אדמה בעולם, שהניבה בין היתר את הגדרתו של אזור ודאטי-בניוף כרצף של מוקדים סייסמיים באזורי הפחתה. מעבודתם של שני החוקרים עולה רצף של מוקדים כאלה, המצייר את קווי המתאר של לוחות טקטוניים גם לאורך "הבקע העולמי הגדול".
בשנת 1953 התגלה "הבקע העולמי הגדול" – שרשרת הרים תת-ימיים באורך כולל של 80,000 ק"מ שבמרכזה בקע, ממנו עולה מאגמה ויוצרת קרום אוקייני חדש.

ביסוס התאוריה

לאור הגילוי בחן הס את מדידותיו משנים קודמות. בשנת 1960 הציג את התפשטות קרקעית האוקיינוסים כנוצרת באמצעות התפרצות געשית ברכסים המרכז אוקייניים. במאמר "היסטוריה של אגנים אוקייניים" (History of Ocean Basins)‏ שפרסם הס בשנת 1962 פירט את התאוריות והתגליות עליהן התבסס והציג את המנגנון המלא המניע את היבשות: זרמי הערבול במעטפת.
בשנת 1960 פורסם במגזין Nature מאמרו של דיץ "Continental and Ocean Basin Evolution by Spreading of the Sea Floor", בו תיאר מנגנון היוצר קרום אוקייני חדש ברכסים מרכז אוקייניים. למאמר זה הייתה השפעה רבה על הגאולוג הקנדי ג'ון טוזו וילסון – שקודם לכן כתב כי נדידת יבשות אינה אפשרית. וילסון החל לחקור את מקורם של איי הוואי, ובשנת 1963 הסביר את היווצרותם באמצעות זרמי הערבול והתפשטות קרקעית הים.
עבודתם של הס ודיץ התנהלה במקביל ללא שידעו זה על מחקרו של זה, אולם הסבירה את התצפיות השונות והיוותה בסיס לתאוריית טקטוניקת הלוחות.

תהליך ההתפשטות

קיימת הסכמה בין מדענים כי הגורם המניע את התפשטות קרקעית הים ואת תזוזת הלוחות הוא תנועת החום במעטפת כדור הארץ.
התפשטות קרקעית הים מתחילה בדרך-כלל בהתחממות של בסיס הקרום היבשתי, הגורמת לו להיות פלסטי, לאבד מצפיפותו ולהתרומם ככיפה. חלקו העליון של הקרום הקמור נמתח ונסדק, והסדקים גדלים בהדרגה והופכים לבקעים. מתיחתו וסדיקתו של הקרום יוצרים מרכז התפשטות – הגבול בין שני לוחות טקטוניים מתרחקים בעדו חודרת מאגמה. המאגמה נקרשת בשולי הבקע לסלעים געשיים על פני השטח ולסלעים פלוטוניים בתת-הקרקע. התמשכות הביקוע לשולי היבשת מאפשרת את חדירתם של מי ים לתוך הבקע, המתפתח כאוקיינוס צעיר ובו רכס מרכז אוקייני. הקרום האוקייני החדש הנוצר במרכזי ההתפשטות חם יותר וצפוף פחות מקרום אוקייני ותיק ממנו, ולכן יוצר על קרקעית האוקיינוס תבליט מאורך בדמות רכס מרכז אוקייני.
מערכת הביקוע האופיינית הנוצרת במקרה כזה היא צומת משולש – מפגש של שלושה בקעים שהזווית הממוצעת ביניהם 120 מעלות. במערכת כזו מתמזגים שניים מהבקעים לעמק ביקוע ובשלישי נוצר בקע כושל שאינו מתפתח לאוקיינוס.
דוגמה עכשווית לתהליך כזה ניתן לראות במשולש עפר בשבר הסורי-אפריקאי. צומת משולש זה מורכב מים סוף ומפרץ עדן שהתחברו לעמק ביקוע המתפתח לאוקיינוס צעיר, ומבקע כושל המשתרע במזרח אפריקה, דרומית למשולש. גאולוגים מעריכים כי בבקע הכושל יתפתח מרכז התפשטות נוסף, אליו יחדרו מי האוקיינוס ההודי ויהפכו את קרן אפריקה לאי המופרד מאפריקה באמצעות אוקיינוס עתידי.
המשך התפשטות קרקעית הים דוחקת את הקרום הצעיר לצדדים באמצעות קרום צעיר יותר הנוצר ברכס המרכז אוקייני. הגבול בין הקרום היבשתי לקרום האוקייני משני צדי הבקע הופך לשולי יבשה סבילים, ועל הקרום האוקייני מצטברים סלעי משקע ימיים.

מיחזור קרקעית הים

הסלעים הנוצרים במרכזי ההתפשטות מתקררים עם הזמן וצפיפותם הולכת וגדלה. עם היווצרותם של סלעים חדשים נדחקים הסלעים הוותיקים ממרכזי ההתפשטות אל שולי האוקיינוס, ההופכים לשולי יבשה פעילים במפגשם של שני לוחות טקטוניים. בשוליים פעילים כאלה מתרחשים הפחתה, רעידות אדמה, געשיות ואורוגנזה ונוצרים קשתות איים, קשתות געשיות, שקעים אוקייניים ורכסי הרים.