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. ליצירת מעוות בסלעים חוברים כמה גורמים הנובעים מהכוחות הפועלים עליו ומתכונות החומר: כוח יכול לגרום לשינוי במצבו של גוף – במקרה זה, סלע – עד כדי שינוי צורתו. במסגרת המעוות המתרחש בסלעים נובעים כוחות אלה מתנועתם של מוצקים או גלים לעומת החומר. מאמץ (stress) הוא כל כוח המופעל על המסלע הגורם ישירות להיווצרות המעוות. חוזק של המסלע הוא יכולת ההתנגדות שלו החומר למאמץ וליצירת מעוות. לסלעים שונים חוזק שונה, המתבטא בעוצמת המעוות החלה עליהם. ערך מורחב – מאמץ (הנדסה) קיימים 3 סוגים עיקריים של מאמץ: מתיחה – השאיפה של חלקיקים להתרחק זה מזה, לחיצה – השאיפה של חלקיקים להתקרב זה לזה, וגזירה – שאיפה של חלקיקים להיפרד זה מזה על מישור הניצב לקו המקשר ביניהם. סוגי המאמץ האחרים הם מקרים פרטיים או שילוב שלהם. מאמץ מתיחה (tension) נגרם בעקבות פעולתו של זוג כוחות על ציר אחד בכיוונים הפוכים וכלפי חוץ. כוחות אלה מאריכים את החומר באמצעות משיכה. מאמץ לחיצה (compression) נגרם בעקבות פעולתו של זוג כוחות בכיוונים הפוכים וכלפי פנים. כוחות אלה לוחצים, דוחפים ודוחסים את החומר עד לקיצורו. למאמץ הלחיצה שני אופני פעולה: מאמץ לחיצה לא סיבובי – כאשר הכוחות פועלים בדיוק זה מול זה. במקרה זה הם דוחסים את החומר לאורך ציר מרכזי המצוי ביניהם. מאמץ לחיצה סיבובי – כאשר הכוחות פועלים זה לכיוונו של זה, אך לא בדיוק זה מול זה. במקרה זה הם דוחסים חלקים של החומר לכיוונים מנוגדים על ציר אלכסוני. מאמצים נוספים: מאמץ כפיפה מפעיל על החומר עומסים הגורמים לו להתכופף בהשפעת מומנט כפיפה. חלק אחד שלו יילחץ וחלק אחר יימתח. מאמץ גזירה הוא מקרה פרטי של כפיפה, בו פועל זוג הכוחות בקרבה רבה. מאמץ פיתול נגרם מפעולתו של זוג מומנטים בכיוונים הפוכים סביב ציר אחד. מאמץ קריסה הוא מקרה פרטי של לחיצה המתרחש כאשר החומר צר וארוך. חוזקו של המסלע והתנהגותו במעוות נובעים מתכונותיו הראולוגיות, הנובעות ממאפייניו. 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. 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. 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. 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. המעוות בסלעים מתבטא בשינוי גודלם וצורתם. שינוי הגודל נובע משינוי בסידור הפנימי של החלקיקים: במאמץ מתיחה נוצרים רווחים בין החלקיקים וסדקים, המגדילים את נפחו של הסלע במאמץ לחיצה קטנים הרווחים וחלל הנקבוביות, וכתוצאה מכך קטן גם נפחו של הסלע שינוי הצורה מתבטא בשני אופנים: התארכות – מאמץ מתיחה גורם להתארכות הציר עליו פועל המאמץ התקצרות – מאמץ לחיצה גורם להתקצרות הציר עליו פועל המאמץ דוגמה להתארכות והתקצרות של מסלע ניתן לראות באזורים נרחבים שכוסו על ידי קרחונים: עם התהוות הקרחונים חלה שקיעה ומתיחה לצדדים של הקרום באמצעות זרימה וזחילה. כאשר נסוגים הקרחונים מתקיימת זרימה וזחילה פנימית איטית מן החוץ פנימה, הגורמת להתעבות ולהתרוממות מחודשת של הקרום. רֵאיד הוא סלע המגיב למאמץ בתהליכים של זרימה (flow) – תנועה של חלקיקים בתוך החומר, וזחילה (creep) – זרימה המגיעה לשיא בו נגרם שינוי צורה של החומר. העמסה מתמשכת של המאמץ עשויה לגרום לזחילה שניונית. סוג זה של זחילה מייצג שלב בשינוי הצורה שבו קצב המעוות קבוע ופרופורציונלי למשך הזמן בו פעל המאמץ. אם נמשכת העמסה ועולה קצב המעוות, יתגבר הכשל ותתרחש שבירה. אף שהיווצרות המבנים והשתנותם במהלך המעוות ניכרת בקנה מידה גדול הנמדד בקילומטרים, מתרחשות הזרימה והזחילה בתהליך סמוי ואיטי מאוד: אטום אחר אטום, מולקולה אחר מולקולה, בקנה מדה הנמדד במילימטרים לשנה. הזחילה מתרחשת בשני תהליכים: זחילת פעפוע (diffusion creep) – הפעלת לחץ או מאמץ בכיוון אחד יגרום לזרימת חלקיקים לכיוונים המנוגדים למאמץ. לדוגמה: לחיצה במרכזו של גוש בצק תגרום לזרימת החלקיקים אל ההיקף. זחילת הזחה (dislocation creep) – הפעלת לחץ או מאמץ בכיוון אחד יגרום להתנתקות של קבוצת חלקיקים ממקומה, והתארגנותה תוך סידור מחדש של החומר. לדוגמה: דחיפה של אבנים לאורך שורה על לוח דמקה תגרום לסידור מחדש של האבנים על הלוח. 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 אלסטי: למעלה – לפני מאמץ, במרכז – במהלך מאמץ, למטה – חזרה למצב המקורי לאחר המאמץ מעוות פלסטי: למעלה – לפני מאמץ, במרכז – במהלך מאמץ, למטה – לאחר המאמץ מעוות פריך: למעלה – לפני מאמץ, במרכז – סידוק במהלך מאמץ, למטה – הישארות הסדק לאחר המאמץ במהלך שלבי המעוות הגמיש – אלסטי ופלסטי – משתנה צורת המסלע אך שלמותו אינה נפגמת. מעוות אלסטי מוגדר ככזה שנעלם כאשר המאמץ שגרם לו חדל מלפעול. סוג זה של מעוות מורכב משינוי צורה כתגובה למאמץ וחזרה למצב קודם כאשר המאמץ אינו פעיל יותר. מעוות אלסטי מתרחש כאשר המאמץ גדול מחוזקו של הסלע ומיכולתו להתנגד לו, ומתרחש בשלושה שלבים: השמת כוח על הסלע באמצעות מאמץ הסלע סופג את האנרגיה ומגיב עליו בשינוי צורה כאשר חדל המאמץ משחרר הסלע את האנרגיה וחוזר לצורתו המקורית האנרגיה נותרת כלואה בתוך הסלע כל עוד מופעל עליו כוח. ברגע שהכוח פוסק מלפעול – הסלע חוזר לצורתו המקורית ומשחרר את האנרגיה הכלואה בו בצורה של עבודה (פיזיקה), בדומה לגומייה או קפיץ. אלסטיות אידיאלית מתקיימת אם שינוי הצורה – גם בהעמסת המאמץ וגם בפריקתו – מתרחש מיידית. עם זאת, אלסטיות אידיאלית אינה מתקיימת בסלעים מאחר שבעת הפריקה מתרחש בהם חֶשֶׁל – עיכוב בתגובה. שינוי הצורה במעוות אלסטי טהור הוא פונקציה ליניארית של המאמץ, כלומר: החומר מציית לחוק הוק, המציג יחס ישר בין מאמץ לבין מעוות המתבטא כ-   E {\displaystyle \ E} במודול האלסטיות. עם זאת, מסלע מתקרב לאלסטיות אידיאלית המתבטאת בחוק הוק רק בקירוב. למעשה, מודול האלסטיות אינו קבוע פשוט אלא הוא קשור לרמת המאמץ החלה על המסלע. הקירוב לאלסטיות אידיאלית של הסלע תלויה בהומוגניות, באיזוטרופיות ובהמשכיות המבנה הסלעי: הומוגניות מכוונת להמשכיות הפיזיקלית של החומר, כלומר: החלקיקים המרכיבים את הסלע מתקיימים בו ברצף, כך שהמאפיינים האלסטיים שלו זהים בכל נקודה. איזוטרופיות מייצגת את המאפיינים הכיווניים של הסלע, כלומר: סלע הוא איזוטרופי אם החלקיקים המרכיבים אותו מצויים במערך שאינו תלוי-כיוון אלא מצויים בכיוונים אקראיים בתוך הסלע. מאחר שמרבית הסלעים מורכבים משני מינרלים או יותר העשויים לפתח נטייה כיוונית, הם בדרך-כלל אנאיזוטרופיים. המשכיות מכוונת להימצאות נקבוביות וסדקים בתוך הסלע. מידת ההמשכיות משפיעה על תאחיזת החלקיקים ועל העברת המאמץ בכל חלקי הסלע. דוגמאות למעוות אלסטי: התרוממות ליתוספירית לאחר הפשרה קרחונית, המתרחשת בקצב איטי מאוד הנובע מקצב הזרימה והזחילה של האטומים והמולקולות במסלע. שקיעה ליתוספירית עם היווצרותם של איים געשיים – אלה מהווים למעשה העברה של חומר מן המעטפת או מתחתית הקרום אל מעל לליתוספירה. זו שוקעת לאטה בתגובה לתוספת הכבידתית המקשה על ציפתה. מעבר גלים סייסמיים – אלה דוחסים את המסלע לפרק זמן קצר במיוחד, והמסלע חוזר לצורתו המקורית כאשר תמה השפעת הגלים – בתנאי שעוצמתם אינה עולה על חוזקו של המסלע. 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. פלסטיות היא תכונתו של חומר לעבור מעוות קבוע בתנאי מאמץ, כלומר: לשנות את צורתו לצמיתות. ניתן להגדיר תכונה זו כתלויית-זמן, כחד-כיוונית (שאינה מאפשרת חזרה למצב קודם), כלא-אלסטית וכמעוות תלוי-מאמץ תחת עומס מתמשך וקבוע. המעוות הפלסטי נובע ממאמצי מתיחה או לחיצה ומתרחש לאחר מעוות אלסטי מתמשך, המגיע לנקודה שבה לחומר כבר אין אפשרות לחזור למצבו המקורי מאחר שהוא אינו קשיח דיו, או כאשר המאמץ גדול או פועל לאורך זמן רב. מעוות פלסטי מתרחש בארבעה שלבים: השמת כוח על הסלע באמצעות מאמץ הסלע סופג את האנרגיה הסלע מתעוות ומשנה את צורתו האנרגיה שנספגה בתוך הסלע מתכלה והוא נותר במצבו הנוכחי במעוותת פלסטי לא נותרת לסלע אנרגיה הדרושה להשיבו למצבו הקודם, ולכן המעוות הפלסטי הוא קבוע. ניתן לעקוב אחר שלבים אלה בעת כיפוף של תיל נחושת: מאמץ קל בקצה יוצר מעוות אלסטי, והחוט יתכופף אך ישוב לצורתו המקורית עם תום פעולת המאמץ. עם זאת, מאמץ גדול יותר יוצר מעוות פלסטי קבוע, וחוט הנחושת יתכופף לצמיתות. מעוות פלסטי נוצר בעת תנועתם של לוחות טקטוניים: התקרבותם זה לזה יוצרת מאמץ לחיצה, ואילו התרחקותם זה מזה יוצרת מאמץ מתיחה. מעוות פלסטי נוצר גם בעקבות היווצרותם של מחדרים פלוטוניים, המפעילים על המסלע מאמצי מתיחה, לחיצה וכפיפה, תוך חימומו. דוגמאות לתוצרים של מעוות פלסטי בסלעים: קמטים וגלישונים. מוצקים מוגדרים כפריכים או כגמישים בהתאם לכמות המעוות הפלסטי שהם מסוגלים לעמוד בה. כמות המעוות הפלסטי בחומרים פריכים מוגדר כאפסי או נמוך מאוד, בעוד בחומרים גמישים הוא מוגדר כגבוה. שבירה מתרחשת כאשר המאמץ עובר את גבול החוזק של החומר, ותחילת השבירה מצוינת בעלייה במהירות המאמץ – המונעת היערכות מחודשת של החלקיקים. המעבר למעוות הפריך מייצג את המאמץ המרבי שהסלע יכול לשאת בטרם יאבד את התאחיזה באמצעות שבירה. בשלב מעוות זה המסלע נשבר כאשר מופעל עליו כוח העולה על יכולתו לספוג אנרגיה אלסטית או מעוות פלסטי. שבירה של סלע מאפשרת את הגדלת שטח הפנים שלו, הנחוצה לשחרור האנרגיה העודפת האגורה בו. הסלע יישבר למספר החלקים הנחוץ להגדלת שטח הפנים לצורך שחרור האנרגיה העודפת: אם כמות האנרגיה העודפת מזערית – הסלע לא יישבר אלא רק ייסדק. מעוות פריך מתרחש בעיקר במהלך תנועה טקטונית בגבולות חילוף, בשלושה שלבים: השמת כוח על הסלע באמצעות מאמץ הסלע סופג את האנרגיה עד גבול המעוות הפלסטי הסלע נסדק או נשבר על מנת לשחרר את האנרגיה העודפת דוגמאות למעוות פריך בסלעים: העתקים וסדקים. בנוסף להבדל בכמות האנרגיה העודפת היוצרת העתקים וסדקים, קיים הבדל גם בתנועת המסלע במהלך המעוות: העתקים נוצרים לרוב במעוות פריך שנוצר בעת תנועה של המסלע, לעומת סדקים הנוצרים לרוב במעוות פריך שנוצר ללא שהמסלע היה בתנועה. גאולוגיה - מונחים אלסטיות אורוגנזה מעוות עמנואל מזור, גיאולוגיה בפטיש ישראלי, תל אביב: האוניברסיטה הפתוחה, 1994, מסת"ב 965-06-0276-3 שלמה שובאל, צפונות כדור הארץ, רעננה: האוניברסיטה הפתוחה, 2006, מסת"ב 965-06-0872-9 עקיבא פלכסר, גיאולוגיה, יסודות ותהליכים, ירושלים: אקדמון, 1992, מסת"ב 965-350-026-0 Encyclopedia of Geology, Elsevier Academic Press, First edition 2005, ISBN 0-12-636380-3 William Lowrie, Fundamentals of Geophysics, Campridge University Press, Second Edition 2007, ISBN 0-521-67596-0 הרצאות וידאו (באנגלית): How the Earth Works, הרצאה מס' 13: Folding Bending Blocks, Flowing Rocks, מרצה: Prof. Michael E. Wysession Nature of Earth – An Introduction to Geology, הרצאה מס' 27: Rock Deformation, מרצה: Prof. John. J. Renton יחסי מאמץ-מעוות בבריטניקה המקוונת (באנגלית) שינוי צורה בסלעים (באנגלית) מעוות – הרצאה מלווה בשקפים (באנגלית) המרה (alteration) – שינוי כימי המתרחש בנוכחות נוזלים חמים לחץ ליתוסטטי – לחץ סלעי הסביבה הפועל על מסלע באופן אחיד בכל הכיוונים אנאיזוטרופי – שיש לו גדלים או מאפיינים שונים לאורך צירים שונים, בניגוד לאיזוטרופיות Fundamentals of Geophysics, עמ' 106 Encyclopedia of Geology, עמ' 570 Fundamentals of Geophysics, עמ' 111