גאולוגיה

התפתחות המחקר הגאולוגי

גאולוגים אומדים את גילו של כדור הארץ בכ-4.6 מיליארד שנה ופיתחו שיטות להבנת מבנהו, החומרים המרכיבים אותו ותהליכים המתרחשים בו. כך, למשל, הועלתה במאה ה-20 תאוריה הטוענת כי הליתוספירה – המורכבת מקרום כדור הארץ ושכבת מעטפת כדור הארץ העליונה – מתחלקת ללוחות טקטוניים המתרחקים זה מזה, מתקרבים זה לזה ומחליקים זה לצד זה בתהליכים טקטונים. תאוריה זו נשענת על מספר תצפיות, כאשר אחת מהן היא מציאתם של מאובנים דומים ביבשות המרוחקות היום זו מזו מרחק רב. תאוריות אלה ואחרות הן תוצר של מחקר ממושך. בחינת ההיסטוריה של המחקר הגאולוגי מלמדת על האבולוציה בהבנת כדור הארץ והתהליכים המתרחשים בו.

מיתולוגיה ואמונות

הקדמונים למדו לנצל את משאבי הטבע השונים לא רק לצורך הישרדות אלא גם לצורכי מסחר, קישוט ופולחן דתי. דתות קדומות רבות הקצו אל לכל תופעת טבע. התפתחו מיתולוגיות, מסורות ואמונות שונות בניסיון להסביר אותן תופעות. למשל, באירופה נתפסו הרי געש כסדנאות תת-קרקעיות של האל וולקן המכין נשק לגיבורי מלחמה, וכי עבודתו אחראית לרעידות אדמה ולהתפרצויות געשיות. בסמואה רווחה האמונה כי אחד האלים קטע את ידו של אל יריב וכלא אותו בארובה תת-קרקעית. כאשר האל הכלוא מנסה להשתחרר מן הארובה – נוצרות רעידות אדמה, ואילו היו לאל הכלוא שתי ידיים – הרעידות היו כה חזקות עד כי האיים היו נחרבים.
גם התנ"ך מכיל התייחסויות רבות לאירועים שניתן לפרש כתופעות גאולוגיות, כמו למשל המטרת גפרית ואש על סדום ועמורה (ספר בראשית, פרק י"ט, פסוקים כ"ד-כ"ה) או הפסוק: "וַתִּגְעַשׁ וַתִּרְעַשׁ הָאָרֶץ וּמוֹסְדֵי הָרִים יִרְגָּזוּ וַיִּתְגָּעֲשׁוּ כִּי חָרָה לוֹ" (ספר תהילים, פרק י"ח, פסוק ח') – שניתן לפרש כרעידת אדמה. גם סיפורי מקרא אחרים קיבלו פרשנות גאולוגית, כמו למשל קריעת ים סוף בספר שמות, בקיעת הר הזיתים (ספר זכריה, פרק י"ד, פסוק ד') ורבים אחרים.

ימי הביניים והרנסאנס

מדענים כהיסטוריון הרפואה פילדינג ה' גאריסון בן סוף המאה ה-19, מחזיקים בדעה שמקורה של הגאולוגיה המודרנית בעולם האסלאם. ב"מבוא להיסטוריה של הרפואה" (An Introduction to the History of Medicine) משנת 1913 כתב גאריסון: "הסרצנים ("פראים") עצמם היו מחוללים לא רק של האלגברה, הכימיה והגאולוגיה, אלא של הרבה שיפורים ושיכלולים לכאורה של הציוויליזציה, כמו תאורת הרחוב, שמשת החלון, זיקוקים, כלי מיתר, פירות מתורבתים, בשמים, תבלינים ועוד".
אבו א-ריחאן אל-בירוני, שהיה אחד מראשוני הגאולוגים המוסלמיים, כתב על הגאולוגיה של הודו: "אבל אם אתה רואה את אדמת הודו במו עיניך ומהרהר על טבעה, אם אתה שוקל את האבנים המעוגלות הנמצאות בארץ בכל עומק שתחפור, אבנים שהן ענקיות ליד ההרים במקום שהנהרות זורמים בפראות; אבנים שהן קטנות במרחק גדול מן ההרים ובמקום שהזרם איטי יותר; אבנים הנראות כתושות לחול במקום שהזרימה מתחילה לדעוך ליד שפכם או ליד הים – אם אתה שוקל את כל אלה אתה יכול בקושי רב שלא לחשוב כי הודו הייתה פעם ים אשר התמלא בהדרגה על ידי סחף הנחלים".
אבן סינא הניב תרומה משמעותית למדעי הטבע בחיבור האנציקלופדי "כיתאב אל שיפאא'" (ספר הריפוי), ובו – במאמר על מינרלוגיה ומטאורולוגיה מופיעים הסברים על היווצרותם של הרים, תרומתם של הרים ביצירת עננים, מקורותיהם של המים ושל רעידות אדמה, היווצרותם של מינרלים ורבגוניות פני הקרקע של כדור הארץ. תפישות אלה כלולות גם ב"תאוריה של הארץ" של ג'יימס האטון. הבריטים – הפילוסוף סטיבן טולמין והסופרת ג'ון גודפילד – העירו בשנת 1965 על תרומתו של אבן סינא: "כבר בשנת 1,000 לספירה הציע אבן סינא היפותזה על מקורם של רכסי הרים, שהעולם הנוצרי החשיב לקיצונית שמונה מאות שנים מאוחר יותר".
אחד מן המדענים המעניינים בסין של ימי הביניים היה שן קואו, מלומד ואיש אשכולות שעסק בתחומי מדע רבים בני זמנו. בתחום הגאולוגיה היה שן קואו אחד מן המדענים הראשונים שניסח תאוריה בגאומורפולוגיה המבוססת על תצפיותיו בהתרוממות משקעים, סחיפת קרקעות, הרבדה של טין ומאובנים ימיים שנמצאו בהרי טאיחאנג, מאות קילומטרים מן האוקיינוס השקט. בנוסף הוא ניסח תאוריה של שינוי אקלים הדרגתי לאחר שצפה בבמבוק מאובן עתיק שנמצא במעבה האדמה ליד העיר ינ'אן במצב שימור טוב בשל תנאי האקלים היבש של מחוז שאאנשי.
לאונרדו דה וינצ'י התעניין בתחומי מדע רבים ועסק לא מעט בגאולוגיה, במבנה הקרקע ובחקר מאובנים, והבחין שהמאובנים הנמצאים בסלע היו פעם יצורים חיים. לתובנה דומה הגיע מעט אחריו גם ניקולאוס סטנו.
גאורגיוס אגריקולה היה רופא גרמני שטיפל בכורים באחד מאזורי המכרות בגרמניה. שמו המקורי היה גאורג באוור ו"אגריקולה" הוא כינוי שניתן לו שפירושו בלטינית: איכר. אגריקולה התעניין בסלעים ובמינרלים, מתוך כוונה למצוא חומרים שיוכלו לשמשו למטרות רפואיות. הוא פרסם ספרים אחדים על סלעים ומינרלים, שאחד מהם שימש מקור מידע עיקרי לחוקרים, לכורים ולמעבדי מתכות במשך כמאתיים שנה. בשל גישתו המדעית נחשב אגריקולה לאבי התורה של חקר המינרלים – המינרלוגיה.
ג'ורג' אוון הוולשי למד טופוגרפיה, ובמהלך לימודיו ערך תצפיות שיטתיות על הגאולוגיה של ויילס ובעיקר על שכבות אבן גיר ופחם. אף שלא יסד תאוריה גאולוגית על היווצרותן של השכבות וכתביו לא התפרסמו עד 1796, הוא זכה למוניטין רב ונחשב לאבי המחקר הגאולוגי הבריטי.

המאה ה-17

ניקולאוס סטנו מדנמרק תרם רבות לפלאונטולוגיה והניח את היסודות למדעי הסטרטיגרפיה והקריסטלוגרפיה. לזכותו נזקפים ניסוחם של עקרונות יסוד בסטרטיגרפיה כעקרון הסופרפוזיציה ועקרון האופקיות המקורית המפורטים בהמשך. סטנו ניסח עקרון נוסף הידוע בפשטות כ"חוק סטנו", או "חוק הזוויות הקבועות של סטנו": כשהוא מסתמך על מחקר גבישי הקוורץ קבע סטנו שהזוויות בין פאות מקבילות בגבישים מאותו חומר זהות בכל הדגימות של המינרל או החומר. עקרון זה היווה פריצת דרך מהותית והוא מונח בבסיס המחקרים שנעשו אחר כך על מבנה הגביש.
במאה ה-17 הבחינו אנשי דת שבכל תרגומי התנ"ך והברית החדשה רק הפרטים הגאולוגים והגאוגרפים היו זהים בכל הגרסאות. בעקבות כך התעוררה התעניינות כללית בגאולוגיה, שמטרתה הייתה ליצור תאוריה גאולוגית העולה בקנה אחד עם הסיפור התנ"כי, בפרט על המבול. על פי התאוריה, הסטרטות השונות תואמות את המאורעות התנכ"יים. ואכן, התאוריה הרווחת נשענה על ספרו של ויליאם ויסטון "תאוריה חדשה של הארץ" (A New Theory Of The Earth) שהתפרסם ב-1696,‏ ובו ויסטון טוען בזכות התרחשותו של מבול על פי הראיות שמספקות הסטרטות של כדור הארץ.

המאה ה-18

באמצע המאה ה-18 התבססה הגאולוגיה כענף מדעי. מוזיאון הטבע הלאומי הצרפתי היה הראשון לקבוע משרת הוראה לתחום זה כבר ב-1741. היה זה צעד חשוב לקראת התפתחות הגאולוגיה ובהכרת חשיבות הפצתו הרחבה של הידע.
ב-1749 פרסם חוקר הטבע הצרפתי ז'ורז'-לואי לקלר דה בופון את ספריו "Histoire Naturelle", שבהם תקף בגלוי את "תאוריה חדשה על הארץ" של ויליאם ויסטון, ובעקבות ניסויים שערך טען שכדור הארץ אינו בן 6,000 שנה אלא 75,000 שנה. 
לקלר התווה את השם "גאולוגיה" בהקשר למחקר כדור הארץ באותם ימים, אך המונח לא התקבל היטב עד פרסום האנציקלופדיה הגדולה בשנת 1751 בידי דני דידרו. השימוש הראשון במושג "גאולוגיה" בפרסומים מקצועיים נעשה על ידי שני מדענים שווייצריים: הגאולוג והמטאורולוג ז'אן-אנדרה דלוק והוראס-בנדיקט דה סוסיר. שימוש מוקדם במושג "גאולוגיה" נעשה על ידי רישאר אונז'רוויל המוכר גם כ"רישאר דה בירי", על מנת להבדיל בין עקרונות תאולוגיים-רוחניים לעקרונות מדעיים-ארציים.
ב-1755 פרסם הפילוסוף עמנואל קאנט את "היסטוריה אוניברסלית ותאוריה של השמים" (Allgemeine Naturgeschichte und Theories des Himmels) ובו הדעה שהיווצרות כדור הארץ אינה קשורה כלל לדת או לאלוהים. 
במרכז צרפת טיילו המינרלוג ז'אן-אטיין גוטאר והגאולוג ניקולא דמארה ותיעדו את תצפיותיהם במפות גאולוגיות. גוטאר תיעד גם את תצפיותיו על היסודות הגעשיים של אזור זה.
עד שנות ה-70 של המאה ה-18 היה כבר חקר כדור הארץ עיסוק נפוץ, והתערערה התפישה שלפיה הסיפור התנ"כי הוא מקור מהימן לצורך מחקר גאולוגי. עם זאת, מדע הגאולוגיה לא נכלל באנציקלופדיה בריטניקה עד למהדורה הרביעית שיצאה לאור בשנת 1809.
העניין המתגבר בטבעו ובמקורו של כדור הארץ עורר עניין במינרלים ובמרכיבים אחרים של קרום כדור הארץ. יותר מזה, התגברות החשיבות הכלכלית של כרייה באירופה החל מאמצע המאה ה-18 וניצניה של המהפכה התעשייתית הפכה את הידע המדויק על עפרות ותפוצתן לחיונית ביותר. מלומדים החלו ללמוד את הרכב כדור הארץ באופן שיטתי, תוך השוואה מפורטת ותיאור לא רק של האדמה אלא גם על מציאותן של מתכות יקרות למחצה שחשיבותן הלכה ועלתה. ככל שניתן היה למצוא ביעילות רבה יותר אדמת מכרות פורייה ולזהות עפרות המכילות מתכות, ניתן היה להפיק מכך רווח גדול יותר. דחף זה להצלחה כלכלית הזין את הגאולוגיה והציב אותה במרכז ההתעניינות, והפך אותה לנושא נחשק. עם גדילת מספר האנשים שבחרו ללמוד אותה, התרבו התצפיות והתווסף ידע רב יותר על כדור הארץ.
צורך כלכלי זה הביא את אברהם גוטלוב ורנר לפרסם בשנת 1774 את הספר "על טבעם החיצוני של מינרלים", אשר הביא לו הכרה נרחבת מאחר שהציג פירוט שיטתי לזיהוי מינרלים הנשען על תכונותיהם החיצוניות. ורנר גם הציע תאוריה לפיה היה כדור הארץ בתחילתו מכוסה מים וכך נוצרו שכבות הסלעים שאנחנו מכירים היום. התאוריה נקראה נפטוניזם על שמו של נפטון, אל הים במיתולוגיה הרומית. התאוריה ניסתה ליישב בין הראיות הגאולוגיות לסיפור התנ"כי. תומכי ורנר נטו להיות "קטסטרופיסטים" – שהגנו על התפיסה לפיה שינויים גאולוגיים התרחשו באירועים קטסטרופיים בממדים עצומים כמו המבול, ולא בהשתנות איטית לאורך מיליוני שנים. 
חוקר הטבע הסקוטי ג'יימס האטון יצא בשנת 1785 נגד הנפטוניזם של ורנר עם תאוריה משלו שכונתה פלוטוניזם על שם פלוטו – אל השאול במיתולוגיה הרומית. הוא הציג אותה במאמר "תאוריה של הארץ" (Theory of the Earth), אותו הגיש ל"אגודה המלכותית של אדינבורו" בשנת 1788. ההנחה שנמצאה ביסוד השקפתו כי התהליכים המעצבים את פני כדור הארץ הם איטיים ואחידים (אוניפורמיים) הובילה אותו לנסח את עקרון האחידות. לפי האטון, הרים נוצרו באיטיות על ידי התכה איטית של חומר במעמקי האדמה כתוצאה מהלחץ העצום של מי הים, נשחקו והורבדו כסלעי משקע במעמקי הים וסלעים אלה התרוממו והפכו לאדמה יבשה, שנסחפת לים וחוזר חלילה (תאוריה זו, כמובן, אינה מקובלת היום). תהליך זה, לדבריו, נמשך כל העת ואורך זמן רב ביותר. לכן, כך האמין, כדור הארץ הוא עתיק מאוד, "בלי סימן של ראשית ובלי סימן של אחרית", כלשונו, ובוודאי שאינו בן 6,000 שנה כפי שטוען התנ"ך. תאוריה זו תאמה את השקפתו הדתית הדאיסיטית, לפיה העולם הוא מכונה מושלמת שנוצרה על ידי האל. ההשקפה הדאיסטית הייתה פופולרית בתקופתו ושימשה אלטרנטיבה לפירוש מילולי של כתבי הקודש. 
בהכללה, אם כן, בסוף המאה ה-18 ובתחילת המאה ה-19 היו שתי תפיסות מנוגדות. אחת, המזוהה עם ורנר ואחרים, האמינה שכדור הארץ צעיר, בקטסטרופות, ובמים כמחוללי השינוי העיקרי. תפיסה זו נטתה לפירוש מילולי של התנ"ך. התפיסה השנייה, המזוהה עם האטון ואחרים, האמינה שכדור הארץ עתיק, בשינוי איטי ואחיד, ובחום ובלחץ כמחוללי השינוי העיקריים. תפיסה זו עלתה בקנה אחד עם השקפה דתית דאיסטית. 
בויכוח בין שתי הגישות הייתה ידם של ה"פלוטוניסטים", חסידיו של האטון, על העליונה. הם האמינו כי סלעים נוצרים בתהליכים געשיים מהשקעה של לבה הפורצת מהרי געש, והצליחו להסביר הימצאותם של סלעים מותכים כגון בזלת טוב יותר מה"נפטוניסטים" - חסידיו של ורנר - שהתקשו להסביר כיצד היו יכולים להיווצר סלעים כאלה בכח המים והרוח בלבד. עבודתם של האטון ערערה על התאוריות המקובלות אז על גילו הצעיר של הארץ. ערעור זה סימן נקודת מפנה במחקר כדור הארץ.
חיזוק נוסף נגד הקטסטרופיסטים היה הספר "עקרונות הגאולוגיה" (Principles of Geology) שפרסם הגאולוג הסקוטי צ'ארלס לייל ב-1830 וזכה להצלחה. בספר זה הציג לייל הוכחות משכנעות מרחבי אירופה לתאוריות של האטון, ואת עקרון האחידות סיכם לייל בביטוי: "ההווה הוא המפתח לעבר".

המאה ה-20

במאה ה-19 אמד עולם המדע את גילו של כדור הארץ במושגים של מיליוני שנים ובתחילת המאה ה-20 הוערך בכ-2 מיליארד שנה, תוך שימוש בכלים רדיולוגים. תיארוך רדיומטרי קבע את גילם של מינרלים וסלעים – מידע הנחוץ לקביעת גיל הארץ, ובמחצית השנייה של המאה ה-20 הצטברו ראיות גאופיזיות רבות שהעמידו את אומדן גיל כדור הארץ על 4.6 מיליארד שנה. גילוי זה, הנשען על מידע מדעי אמין, הביא לדיוק בבניית לוח זמנים גאולוגי ולניפוי תאוריות שלא עלו בקנה אחד עם ראיות מדעיות.
בידיעת סדר השכבות הנכון טמונה תועלת כלכלית. אחד הראשונים שגילה זאת היה האנס מרנסקי, גאולוג דרום אפריקאי. למרנסקי – שעסק בגילוי מחצבים – נודע על מחשוף המכיל פלטינה בריכוז בעל ערך כלכלי. הוא חישב מחשופים ידועים של אותה יחידה סטרטיגרפית, בחר את הרחוק בהם – 40 ק"מ מן הראשונה – וגילה גם בו בצר פלטינה. כך חישב את השכבה כולה, אשר במשך עשורים רבים שימשה מכרה עצום ממדים לעפרות פלטינה.
אלפרד וגנר, מדען גרמני רב תחומי, הבחין כי קווי החוף של אפריקה ושל שתי האמריקות דומים, והניח כי כל היבשות נקרעו מיבשת על קדומה – פנגיאה – ולאחר מכן נסחפו כרפסודות על קרקעית האוקיינוס והגיעו בסופו של דבר למקומן הנוכחי. ב-1912 הציג וגנר את תאוריית נדידת היבשות שנשענה על עדויות מאובנים, אשר בעזרתה ניתן היה להבין גם את תהליכי היווצרות רכסי ההרים הגדולים (אורוגנזה). בשנת 1915 התפרסם ספרו מקור היבשות והאוקיינוסים, אך עברו כמעט 50 שנה עד שרעיונותיו של וגנר התקבלו בעולם המדע.
ב-1960 נמצאו ההוכחות שתמכו בתאוריית נדידת היבשות והיא התחלפה בתפישת הלוחות הטקטוניים שנשענה על מידע מוצק. עד לסופו של אותו עשור כבר נתמכה תאוריה זו על ידי מרבית הגאולוגים. עדויות אלה הציגו תנועה צידית של יבשות והוכיחה כי הקרום האוקייני צעיר מן הקרום היבשתי. עדויות אלה גם תמכו בתאוריית התפשטות קרקעית הים שהוצעה על ידי האוקיינוגרף והגאופיזיקאי רוברט סינקלר דיץ ועמיתו הגאולוג הארי האמונד הס. התאוריה שלהם גרסה כי קרקעית הים מתפשטת מרכסים מרכז אוקייניים הפולטים לבה ובונים קרום ימי בזלתי הנדחק לצדדים כאשר נוצר קרום חדש. התרחשות כזו ניתן לראות ברכס המרכז-אטלנטי, שבאחת מן הפסגות הבולטות שלו נמצא האי האיסלנדי.
תאוריה נוספת שנתמכה באותן עדויות היא הפלאומגנטיזם, שהוצעה על ידי הגאופיזיקאי הבריטי סטנלי קית רנקורן והצביעה על שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ במהלך התפתחותו, שינויים אשר השאירו את חותמם על מינרלים וסלעים מגנטיים.
כדי לאמת תאוריות אלה נעשה על ידי נאס"א והמכון הגאולוגי הלאומי של ארצות הברית (USGS) שימוש בלוויינים החל מתחילת שנות ה-70, בתוכנית לאנדסאט (Landsat program). משימות אלה הציגו תמונות של כדור הארץ שעזרו רבות להבנת תהליכים גאולוגיים שהתרחשו בו.

גאולוגיה מודרנית

הגאולוגיה המודרנית עדיין חוקרת את כדור הארץ על כל רבדיו, אך אינה מסתפקת בכך. בשנת 1969, עם נחיתתו של האדם הראשון על הירח, נולד תחום גאולוגי חדש: גאולוגיה פלנטרית. חקר הגאולוגיה של הירח היה משימתו הראשונה של תחום זה, ומדענים כיוג'ין שומייקר נטלו אותו בלילה אחד מידיהם של האסטרונאוטים. התפתחות זו שינתה גם את התפישה הגאולוגית המסורתית שראתה בכדור הארץ יחידה עצמאית ובלתי תלויה, והביאה למחקרים חדשים על היווצרותו והתפתחותו של כדור הארץ בתוך מערכת השמש.

הכרמל והגליל

פעילות טקטונית וגעשית לא התרחשה רק לאורך בקע ים המלח אלא גם באזורים אחרים. אזור הכרמל היה פעיל מאוד בשני התחומים, ועד היום ניכרים בו סימנים לכך בהרי הגעש הקדומים בכרם מהר"ל, בהר אלון ובשפיה, ובהעתק החוצה את העיר חיפה ועובר סמוך לאזור התעשייה בעמק זבולון. גם בגליל התחתון קיימות עדויות לפעילות טקטונית וגעשית. הגליל התחתון מורכב ממערכת של הורסטים וגראבנים, לדוגמה והר תבור שהוא הורסט – גוש שהורם מעל סביבתו עקב פעילות טקטונית. בגליל קיימות מספר רמות המכוסות בזלת המעידות על פעילות געשית ממערב לבקע הסורי-אפריקאי, כדוגמת רמת כורזים, רמת דלתון, אזור יבנאל, רמת יששכר ועוד. כמו כן ניתן למצוא באזור מספר הרי הגעש כבויים כמו הר דלתון וקרני חיטין.