גאולוגיה מבנית

ימי הביניים והרנסאנס

תצפיות מדעיות היוו תשתית לחיבור האנציקלופדי "כיתב אל שיפאא" (ספר הריפוי) שכתב אבן סינא בראשית המאה ה-11, בו הופיע התיאור המדעי הראשון להיווצרותם של הרים. מאוחר יותר באותה מאה ניסח שן קואו מסין תאוריה גאומורפולוגית שהתבססה על הימצאות מאובנים, ועסקה בהיווצרות והצטברות משקעים, התרוממותם והעברתם למרחקים בתהליך שנמשך זמן רב במיוחד. למסקנות דומות הגיע גם לאונרדו דה וינצ'י – שהתעניין בתחומי מדע רבים ועסק לא מעט בגאולוגיה.

העת החדשה

לאותן מסקנות הגיע ניקולאוס סטנו – שהיה הראשון לתאר מעוות בסלעים והאחראי לניסוחם של כמה מעקרונות היסוד בגאולוגיה. – באחד מהם, עקרון האופקיות המקורית, ניתן לראות את לידתה של הגאולוגיה המבנית.
העניין במבנים גאולוגיים לא עצר בחוקרי טבע ובמדענים אלא התבטא גם באמנות. דוגמה לכך היא איור "גשר השטן" של יוהאן יאקוב שויכצר (Johann Jakob Scheuchzer) משנת 1712 וציורים מאוחרים דומים של ויליאם טרנר מ-1803 האנגלי וקרל בלכן (Carl Blechen, 1798–1840) הגרמני מ-1833, המציגים לא רק את הגשר התובעני אלא גם את המורכבות הגאולוגית של מעבר סנקט גוטהרד בשווייץ שתבעה הסבר מדעי.
הסברים כאלה החלו להתפרסם במאה ה-18, ויצרו עימות בין שתי תאוריות מנוגדות: הנפטוניזם – תאוריה שפיתח אברהם גוטלוב ורנר לפיה היה כדור הארץ מכוסה בתחילת דרכו במים, בהם נוצרו שכבות הסלע הנראות כיום, והפלוטוניזם – תאוריה שפיתח ג'יימס האטון לפיה התכה איטית של חומר במעמקי האדמה גרמה להיווצרות הרים, שנשחקו והורבדו כסלעי משקע במעמקי הים, התרוממו והפכה לאדמה יבשה. האטון הציג את דעתו ב"תאוריה של הארץ" (Theory of the Earth) וגרס כי התהליכים המעצבים את פני כדור הארץ הם איטיים ואחידים – כפי שמתבטא בעקרון האחידות אותו ניסח.
העימות בין מים ואש פינה את מקומו למחקר סטרטיגרפי, שהתפתח במהלך המאה ה-19 על ידי ז'ורז' קיווייה, אלכסנדר ברוניאר וויליאם סמית. סמית עצמו הביא להתפתחות הסטרטיגרפיה כענף מחקר בהנחת היסוד לבניית לוח הזמנים הגאולוגי ובעריכת מיפוי גאולוגי נרחב וראשון מסוגו של אנגליה, ויילס וחלקים מסקוטלנד.
באמצעות המחקר הסטרטיגרפי, המיפוי ועקרונות היסוד ניתן היה להגדיר את הגאומטריה של רכסי הרים, לגלות בהדרגה אילו תהליכים מעורבים בהיווצרות סלעים ולשער את מקורם של המבנים. במקביל התפתח מחקר וולקנולוגיים שכלל ניסויים מדעיים בהתכת סלעים געשיים שערך הגאולוג והגאופיזיקאי הסקוטי ג'יימס הול (Sir James Hall‏, 1761-1832). בניסויים אלה הוכיח כי צינון איטי של הנתך גורם להתגבשותו לסלעים גבישיים או גבישיים למחצה, שדמו לחומרי המקור במרקמם ובמראם. מדען אמריקאי הנושא שם זהה – הפלאונתולוג והגאולוג ג'יימס הול (James Hall,‏ 1811–1898) – היה שותף בתגלית חשובה נוספת: היותן של שכבות פלאוזואיות בהרי האפלצ'ים עבות בהרבה מהמשכן בחלקים אחרים של אמריקה הצפונית. תגלית זו הובילה לפיתוח תאוריית הגאוסינקלינה (geosyncline) – מודל לו היה שותף ג'יימס דווייט דיינה, שאף העניק לו את שמו – לפיו קיימים אגנים מבניים ארוכים וצרים בהם מורבדים משקעים המתפתחים לרכסי הרים. מודל זה היה מקובל עד שנות ה-60 של המאה ה-20, עת התגבשה תאוריית טקטוניקת הלוחות וגילויים של שקעים אוקייניים באזורי הפחתה.

המאה ה-20

המחקר המבני התקדם באופן משמעותי במחצית הראשונה של המאה ה-20, בעיקר כתוצאה מהגדרתם של מבנים דוגמת העתקים וקמטים, וממחקרים בסלעים מותמרים. מחקר כזה נערך בתחילת שנות ה-30 של המאה ה-20 על ידי ברונו סנדר (Bruno Sander) וולטר שמידט (Walter Schmidt), והוא עסק בתפוצתם המרחבית של סלעים מותמרים, בניתוח המארג המינרלי שלהם ובתנועה שגרמה לשינויים בהם. עבודתם הובילה למחקר בפטרולוגיה מבנית, העוסק בסלעים בהם חל מעוות ובהיסטוריה הטקטונית שלהם. מחקרים נוספים התמקדו באותה עת בלמידת שלבי מעוות שונים וייצוגם התלת-ממדי בסלעים באמצעות סטריאוסקופיה.
ביוני 1965 פורסם מאמרו של ג'ון טוזו וילסון "A New Class of Faults and their Bearing on Continental Drift" בכתב העת המדעי Nature,‏ העוסק בגילויים של העתקי חילוף והקשר שלהם להתפשטות קרקעית הים, לרכסים מרכז אוקייניים ולמבנים אחרים הקשורים למה שהיה מוכר עד אותה עת כנדידת היבשות. שנה לאחר מכן פורסם מאמרו "Did the Atlantic Close and then Re-Open?",‏ בו הוצג לראשונה מחזור וילסון המתאר מחזוריות בהיווצרות והתפרקות של יבשות-על. מאמריו של וילסון הובילו לשינוי משמעותי בהבנת התהליכים היוצרים מבנים גאולוגיים ולהתפתחות תאוריית טקטוניקת הלוחות.

שיטות עבודה

במחקר המבני נעשה שימוש במגוון של שיטות למדידת הגאומטריה של סלעים, לשחזור מבנים לאחר מעוות ולחישוב שדה המאמץ שגרם למעוות. בחינה של תופעות גאולוגיות והתבוננות מעמיקה בסימני מעוות חושפים את סוג המאמץ שפעל על המסלע וגרם להיווצרות המבנה. מעוות עשוי לגלות את הזווית בה הופעל המאמץ וכן את מקורו ועוצמתו. גורם נוסף הנבדק בעבודת שדה הוא הרכב המסלע. איסוף המידע מאיר את היווצרות המבנה ואת השינויים שחלו בו במהלך הזמן ומאפשר לצבור מידע נרחב על התהליכים הגאולוגיים המעורבים ביצירתו.
המידע הראשוני הנאסף בשדה כולל מדידה של מאפיינים דו-ממדיים ותלת-ממדיים של המבנה, דוגמת ארגון שכבתי, לווחיות ופצילות של המסלע, סדקים וצירי קמטים, וכן מדידת היחסים בין מבנים שונים. בשדה נאספות גם דוגמאות יד של סלעים ומינרלים.
המחקר המבני מתרחש לא רק בשדה אלא גם במעבדה, והוא נעזר במכשור מתקדם הכולל מחשבים המשמשים לחישובים מורכבים, בספקטרומטר אופטי המסייע לקביעת הרכבו המינרלי של המסלע ובצילומי אוויר ולוויין המספקים תצוגה נרחבת של האזור הנחקר ומסייעים בהבנת תהליכים המתרחשים בקנה מידה אזורי ועולמי.

גאומטריה וייצוג גרפי

שיטות העבודה המשמשות במחקר המבני רבות ומגוונות. בקנה מידה קטן נבחנים שינויים בסריג הגבישי באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני. המערך הפטרוגרפי של גבישי המינרלים בסלע נבדקים באמצעות שקפים דקיקים הנבחנים באור מקוטב. דוגמאות היד נבחנות במעבדה תוך התחשבות במקום איסופן בשדה ובכיוון הימצאותן ביחס למבנים הקיימים בו.
בניתוח המעוות נעשה שימוש בגופים שצורתם המקורית לפני המעוות ידועה: מאובנים, חלוקים בקונגלומרט, בנקבוביות, בליתופיזות ובחללים סינגנטיים בסלעים, ובגופים מעוגלים דוגמת ספרוליטים ואואואידים שלאחר מעוות הופכים אליפטיים. בדיקה של המעוות בגופים דומים המצויים בחלקים שונים של המבנה מסייעת בהבנת התהליכים והמנגנונים שפעלו עליו.
בקנה מידה גדול יותר מורכבת מפה גאולוגית וטופוגרפית המציגה את תפוצתן של יחידות מבניות, את כיוונם של מבנים דוגמת העתקים, סדקים, מישורי פצילות וקמטים קטנים ביחס לסביבה, ואת יחסיהן התלת-ממדיים של השכבות המרכיבות אותם. הרכבת המפה נובעת מהצורך ללמוד את אגפי המבנה המצויים מתחת לפני השטח, לימוד המתאפשר רק באופן חלקי באמצעות ניתוח חתך גרפי של האגפים הנראים לעין.
דרך נוספת ללימוד תת-הקרקע של המבנה משתמשת בכיוונם של הלווחיות, סימני ההחלקה על מישור ההעתק וסטרייק ודיפ הגלויים לעין בקמטים, ומחילה אותם באמצעות הטלה סטריאוגרפית על חצי ספירה דרומית המייצגת את תת-הקרקע. שילובם של כמה היטלים כאלה יוצר תמונה תלת-ממדית של חלקיו הנסתרים המשוערים של המבנה. מידע נוסף מתקבל מקידוחים תת-קרקעיים, והוא מאפשר ליצור מפה איזופכית המציינת את עובי השכבות ומספקת תיאור תלת-ממדי של המבנה.

שיטות גאופיזיות

מאחר שלעיתים נדירות ניתן לצפות ישירות בכוחות המעצבים את המבנים, פותחו שיטות לחקר מבנים טקטוניים גדולים. לעיתים נעשה בשטח שימוש בשיטות גאופיזיות החוקרות את התכונות הסייסמיות והמגנטיות של המבנים ואת הכבידה שלהם. בדיקות נוספות נערכות במעבדה על ליבות שהוצאו בקידוחים, המשמשות אמצעי בקנה מידה קטן להבנת התהליכים שחלו על המסלע ממנו הופקו. בבדיקות אלה מפעילים על הליבות סוגים שונים של מאמצים ולחצים בעוצמות משתנות, ומחילים את תוצאותיהן על המבנה כולו.
רבים מהסלעים הם ראידים ועל כן מגיבים במעוות על הפעלת מאמץ. הליבות משמשות לבדיקת מאפייניו הפיזיקליים של המסלע דוגמת טמפרטורה, עמידות ללחץ ותכולת מים – מאפיינים המשפיעים על התכונות הראולוגיות של המסלע, על פריכותו וגמישותו ועל האופן בו הוא מושפע על ידי המעוות.
ניסויים אחרים כוללים שימוש במודלים מוקטנים העשויים מחומרים שונים המורכבים כשכבות זו על גבי זו. מטרתם של ניסויים אלה להדגים בקנה מידה קטן ובמשך זמן קצר את התהליכים המתרחשים בטבע בקנה מידה גדול ובמשך זמן רב.

שימושים וחשיבות

ללימוד מבנים גאולוגיים חשיבות כלכלית, בעיקר ליישומם בחיפוש מינרלים ונפט. מסלע שחלו בו תהליכי קימוט והעתקה עשוי להכיל מלכודות בהן הצטברו ריכוזים של נפט וגז טבעי. מלכודות כאלה עשויות היו להכיל בעבר תמיסות הידרותרמיות, היוצרות ריכוזי עפרות של מתכות יקרות דוגמת זהב, כסף, נחושת, עופרת, אבץ ואחרות. עורקי מינרלים נוצרים בהעתקים ובסדקים באזורים בעלי מבנים מורכבים, המתאפיינים גם במחדרים פלוטוניים.
גאולוגיה מבנית היא מרכיב חשוב בגאולוגיה הנדסית, העוסקת במאפיינים הפיזיקליים והמכניים של מבנים סלעיים. פגמים במבנה דוגמת העתקים, קמטים, סדקים, לווחיות ופצילות מהווים אזורי חולשה העשויים להשפיע על יציבותו ולפגוע במבנים הנדסיים דוגמת סכרים, מחשופים לצד כבישים, מנהרות ומכרות פתוחים וסגורים.
המחקר המבני עוסק בין היתר בהערכת סיכונים גאולוגיים דוגמת רעידות אדמה. בנוסף נחקרים אזורים המתאפיינים בנוף קארסטי הכולל מערות ובולענים ואזורים בהם קיימת סכנה של גלישות מדרון ומפולות סלעים.
גאולוגיה מבנית מספקת להידרולוגים ולגאולוגים סביבתיים מידע מבני הקשור לזרימתם של מי תהום, העשויים להשפיע על אזורים נרחבים באמצעות תגובה עם חומרים רעילים במטמנות וחדירתם לאקוויפרים.
בקנה-מידה גדול עוסקת גאולוגיה מבנית גם בטקטוניקה – תאוריה המתארת את תנועתם של לוחות טקטוניים, היפרדותם והתקרבותם זה לזה. לימוד המבנים מאפשר הבנה טובה יותר של התהליכים המתרחשים בקנה מידה מקומי, אזורי ועולמי, והשלכה מהתרחשויות בעבר להתרחשויות עתידיות.