מחדר שכבתי

מחדר שכבתי הוא מחדר פלוטוני, סלע הצטברות הערוך בשכבות. שכבות אלה ערוכות על-פי רוב בשולי המחדר, במקביל או במבנה קונצנטרי מן הדפנות פנימה. השכבות נוצרות בשלבים שונים במהלך ההתגבשות ההדרגתית של המאגמה בתוך תא המאגמה או בתוך סדק בקרום כדור הארץ, וגם לאחר תום ההתגבשות. דוגמה למחדר שכבתי נרחב ניתן לראות במתחם בושוולד – אגן גאולוגי עשיר במחצבים המצוי בדרום אפריקה. היערכות בשכבות נפוצה במחדרים פלוטוניים ומאפיינת אותם, בעיקר מחדרים של גברו וסיאניט אך גם של סלעי יסוד אחרים. שכבות יחידות או רצפים שכבתיים עשויים להיות שונים במאפיינים כגון עובי, אורך, אופי השוליים, שינויי סגנון אנכיים ואופקיים בתוך השכבות וביחסים בין שכבה לשכנתה, וכן בגודל הגרגירים, בהרכב המינרלי השכבתי ובהרכב המחדר כולו, ביחסי הגודל בין השכבות, במרקמן ובהבדלים בין המחדרים לסלעי הסביבה אליהם חדרו. בהינתן מגוון גדול של מאפיינים, קשה להחיל את אופן היווצרותה של שכבה אחת על כל סוגי המאפיינים השכבתיים. הדרכים העיקריות להיווצרות שכבות במחדרים הם: סלע הצטברות – סלע פלוטוני הנוצר מהתגבשות מינרלים בשולי המאגר והתגבשותו עשויה לחול בשלבים היוצרים מבנה שכבתי פסי זרימה – בשולי המחדר עשויים להתפתח פסי זרימה הערוכים בשכבות קונצנטריות מן הדפנות פנימה, הנוצרים בשלבים במהלך התגבשות הדרגתית ונובעים מתנועת המאגמה בתוך המאגר שולי לכידה – תנועתה של המאגמה לאורך דפנות המאגר וצמיגותה גורמות לפנוקריסטים ולקסנוליתים המצויים בה להאט את תנועתם ולהילכד בשולי הזרם דרכים אלה מהוות הפשטה למגוון רחב של מנגנוני היווצרות בשלבים שונים של בניית השכבות, התורמים או גורמים ישירות להתגבשותה של המאגמה. כמה מנגנונים כאלה מתקיימים בתחילת חדירת הנוזל המגמטי למאגר: היצמדות גבישים לדפנות המאגר בעת חדירת המאגמה הפרדת זרם המאגמה במהלך הובלתה – תנועתה של מאגמה עשירה בפנוקריסטים ובקסנוליתים גורמת לזרימה מסביב לגופים המוצקים ולריכוז גבישים בחלקים מסוימים של הזרם המגמטי חידוש מלאי של המאגמה כתוצאה מחדירות נוספות של נוזל מגמטי מחדש את אספקת החומרים מהם נבנים הגבישים ומשנות את הרכבה של המאגמה במאגר עירוב מאגמות – חדירה של מאגמה בהרכב אחר מזה שהיה בתא קודם-לכן משנה גם הוא את הרכב המאגמה במאגר מנגנונים נוספים פועלים בתגובה לאופיה של הסעת חום. דפוסים שונים של הסעת חום עשויים להביא למעבר פאזה בגבישים בהיותם בנקודות שונות בעקומת המוּצקות והנוזליוּת במהלך תהליכי ההתכה התגבשות המחדר: הסעת חום רציפה – על-אף דיון המתקיים בחשיבותה של הסעת חום בתאי המאגמה, ברור כי במרבית תאי המאגמה הרדודים מתקיים אובדן חום מבעד לגג המאגר, בעוד שמרבית ההצטברות מתרחשת בקרקעיתו. בתאי מאגמה גדולים, ובעיקר בעמוקים, הסעת החום מהקרקעית אל התקרה גורמת להתגבשות על הקרקעית ולהתכת סלעי סביבה בתקרת המאגר, אך בגופים קטנים יותר נוצרים רצפים עבים על הקרקעית במקביל לרצפים דקים על התקרה, המוכיחים מעבר חום רציף מבסיס המאגר לראשו. הסעת חום מקוטעת – מנגנון שבו כל יחידה מחזורית של התגבשות מתחיל בשלב קצר של היפוך הסעה שלאחריו שלב ארוך יותר של חוסר פעילות יחסית. מנגנון כזה הוצע כהסבר להיווצרות המחזורית של שכבות במתחם סטילווטר במונטנה ובאזור המרכזי של מחדר סקארגארד בגרינלנד, המתאפיינים בשולים חדים בין השכבות, בעוביים שונים ובשלבי היווצרות קטועים ומתחדשים. זרימה כפולה – הסעת חום בזרימה כפולה היא תופעה טבעית מוכרת באוקיינוסים ובימות מלוחות, בהם הטמפרטורה וריכוז המלחים גבוה על-פני השטח ויורד ככל שמעמיקים. מאחר שחום מפעפע מהר יותר ממלח, פעפוע החום כלפי מטה מעלה את הצפיפות בשכבה העליונה – מה שגורם לה לשקוע לכיוון הקרקעית, בעוד שכבות צפופות פחות צפות כלפי מעלה. תופעה זו מתרחשת גם במאגמה, בה מתקיים פעפוע חום דומה ואת ריכוז המלחים מחליפים הרכבים כימיים שונים. הוצע כי מבנה שכבות יחידניות במחדר סטילווטר – שעוביין כמה מטרים והרכבן המינרלי שונה – התגבשו בו-זמנית משכבות מאגמה שונות מן השוליים פנימה, כאשר חזית ההתגבשות שלהן משופעת ומתפשטת לרוחב. השתכבות עשויה להיווצר כתוצאה מתהליכים מכניים: שקיעה כבידתית המשקיעה חלקיקים כבדים בתחתית המאגר מיון גבישי באמצעות תנועת המאגמה היוצרת זרמים הסוחפים איתם חלק מן הגבישים הקלים עיוות שכבות הנובע מדחיסה, ממעבר גלים סייסמיים וממעוותים טקטוניים – שני האחרונים "מנערים" את המאגמה ויוצרים התמיינות של הגבישים על-פי גודלם מנגנונים נוספים נובעים מווריאציות של משתנים קינטיים: תנודות היוצרות הפרעה להתהוות מרכזי גיבוש ולצמיחת הגבישים תנודות בזמינוּת חמצן – נוכחות חמצן אחראית להיווצרות סיליקה ושינויים בתכולתו גורמים להבדלים כימיים ולשינויים בצמיגות המאגמה שינויים בלחץ משפיעים על ההתגבשות מאחר שלחץ גבוה כופה על צורונים להסתדר במבנה מאורגן ואילו ירידת לחץ גורמת להתכת הגבישים בשחרור לחץ השלב בגיבוש המפריט בו מצויה המאגמה משפיע על צמיגותה ועל הרכבה הכימי של המאגמה השיורית במהלך השלבים האחרונים של ההתקררות וההתגבשות עשויה להתקיים השתכבות בתגובה לזרימה בנקבוביות של נוזל מגמטי שיורי: גבישים נלכדים בשולי לכידה מטאסומטיזם – המרה (alteration) כימית של סלע בנוכחות נוזלים חמים התכה מחדש של שכבת-מגע מגובשת בעת מעבר מאגמה חדשה, נוזלית וחמה התכווצות בעת ההתמצקות מפנה מקום לחדירת נוזל חדש הבשלת אוסטוולד – מצב של מעבר פאזה הגורם למרכזי ההתגבשות לגדול מאחר שהחלקיקים הבונים את הגביש מעדיפים להיקשר לקבוצה גדולה של חלקיקים מאשר לקבוצה קטנה התמרת מגע היוצרת רצועות של התכה חלקית בשולי המאגר השכבות במחדרים אינן נוצרות בקצב אחיד, אלא בשלושה סגנונות ריתמיים עיקריים הנעים בין מערכת תנאים אחת לשנייה: השתנות הדרגתית – מערכת התנאים היוצרת את השכבת משתנה באופן הדרגתי בין שני מערכים השונים זה מזה באופן קיצוני. הפרעה פתאומית וחזרה – מערכת התנאים היוצרת את השכבות משתנה באופן פתאומי למצב קיצוני למצב המקורי, ואחר-כך חוזרת אליו בהדרגה. השתנות פתאומית בין מצבים יציבים – מערכת התנאים היוצרת את השכבות משתנה באופן פתאומי למצב קיצוני מהמצב המקורי, ואחר-כך חוזרת אליו – גם הפעם באופן פתאומי. לאור המגוון הרב של תהליכים, אין זה סביר כי מנגנון אחד יסביר את כל סוגי היווצרות השכבות במחדרים. כמה סוגים של השתכבות עשויים להתרחש כתוצאה מכמה מנגנונים הפועלים בשלבים שונים של ההתגבשות. כל אחד מן המנגנונים השונים שהוצעו לעיל אמור להסתיים ברצפים של שכבות בעלי דגמים שונים. המאפיינים החשובים: עובי ורוחב, טבעם של הגבולות, משתנים פנימיים אופקיים או אנכיים, היחסים בין שכבות סמוכות. משתנים נוספים דוגמת פרופורציות (הבדלים מרחביים), גודל גרגיר, הרכב מינרלי, הרכב כלל-סלעי, מרקמים ודגמים בתוך השכבות – כל אלה משקפים את המנגנונים האחראים להיווצרותם. האתגר העומד בפני פטרולוגים הוא לקבוע איזה מאפיינים הם דיאגנוסטיים למנגנון מסוים המשקף את ההשתנות בהרכב או במרקם, ואיזה מהמאפיינים מבדילים בין המנגנונים השונים. התפישה הפשוטה של תא מאגמה העובר גיבוש מפריט כתוצאה מהתבדלות של גבישים במאגמה והצטברותם לשכבות על קרקעית המאגר ננטשה על ידי מרבית הפטרולוגים לטובת מודלים המערבים התגבשות אין סיטו, שבה תאי המאגמה נחשבים כבעלי צורה כללית של מאגמה מרכזית נטולת גבישים המאבדת חום בהדרגה ומתגבשת מכיוון הדפנות פנימה. המעבר ממאגמה נטולת גבישים במרכז התא ועד לסלע מגובש במלואו בחלקו החיצוני של התא נחשב כמתרחש לאורך אזור השוליים של האזור הצמיג. כאשר מאגמה מתגבשת ומתבדלת, מרכיבים המשמשים לבניית הגבישים בשלבים הראשונים של ההתגבשות נחסרים ממנה והיא מתעשרת במרכיבים הנותרים. עם זאת, לא ברור כיצד המרכיבים הנותרים מועברים ביעילות לשארית הנוזל המצוי בצמיגות גבוהה, כך שמתאפשרת התגבשות בשוליים כתוצאה מהתבדלות המאגר כולו. דבר נוסף שאינו ברור הוא אלו תהליכים אחראים להיווצרות השכבות במהלך תהליכי ההתגבשות ההדרגתית. מאחר ששתי הבעיות קשורות זו בזו, הבנה של היווצרות שכבות המחדר עשויה להוביל בסופו-של-דבר להבנה טובה יותר של התהליכים האחראים לגיבוש המפריט עצמו. מרכיבי הזמן והמרחב הנרחבים המעורבים בהתהוותם של מחדרים שכבתיים הוצאו מתצפיות ישירות על נתכים סיליקטיים בטמפרטורות מגמטיות, ולכן יש להסיק את מקורם של מאפיינים אלה מתצפיות בשדה ומחישובים תאורטיים. אם כן, האתגר המצוי בפני פטרולוגים הוא לקבוע איזה מאפיין של השתכבות מחדרית מהווה דיאגנוזה למנגנון מסוים, המשליכה בסופו-של-דבר על שינויים במרקם והמאפשרת להבדיל בין מגוון המנגנונים. מחדרים שכבתיים גדולים מצויים במקומות רבים בעולם, והם תוצאה של תהליכים שהתרחשו לאורך הזמן הגאולוגי. מחדרים אלה מכסים שטחים נרחבים – מ-100 קמ"ר ועד 50,000 קמ"ר, ועומקם נע בין מאות מטרים לקילומטרים אחדים. בכמה מקומות בעולם נחשפו מחדרים שכבתיים בגדלים שונים. רשימה חלקית: בגרינלנד – שני אתרים: מחדר סקארגארד (Skaergaard Intrusion) – חלק ממשטח בזלת נרחב בצפון האוקיינוס האטלנטי. המחדר נוצר לפני כ-55 מיליון שנה בתחילת האאוקן, בתחילת פתיחתו של האוקיינוס האטלנטי, כאשר מאגמה תולאיטית התגבשה בחדירה יחידה ומתמשכת לתוך סלעי גנייס מהארכאיקון וסלעי בזלת מתחילת השלישון. המחדר נחשף סמוך לקצה המזרחי של גרינלנד וסלעיו כוללים בעיקר גברו, דיוריט אנורתוזיט ברצפי שכבות מלמטה למעלה ומלמעלה למטה. חבל גרדר (Gardar Province) בדרום גרינלנד – חבל געשי שנוצר בפרוטרוזואיקון, לפני 1,130-1,350 מיליון שנים מהתגבשות מאגמה בזלתית אוליבינית שהפכה טרכיטית ומאוחר יותר פונוליטית. החבל מורכב מתאי מאגמה בקטרים של 3-5 ק"מ ומגופי חדירה שקוטרם 10-30 ק"מ. בנורווגיה – שני אתרים: מחדר בירקריים-סוקנדאל (Bjerkreim-Sokndal Layered Intrusion) בדרום נורווגיה – מחדר החשוף בשטח של כ-230 קמ"ר ועומקו מגיע ל-7 ק"מ, ובו סלעי אנורתוזיט, נוריט ואחרים. המחדר נוצר במשך זמן קצר במהלך המיוקן, לפני כ-10 מיליון שנה. מתחם פונגן-הילינגן (Fongen-Hyllingen) – ממוקם במרכז נורווגיה, 60 ק"מ דרומית-מזרחית לטרונדהיים. המתחם, ששטחו 160 קמ"ר, נוצר מהתגבשות של תא מאגמה בעת האורוגנזה הקלדונית לפני 390-490 מיליון שנים, במחצית הראשונה של הפלאוזואיקון. בארצות הברית – שני אתרים: מתחם דולות (Duluth Complex) במינסוטה – נוצר לפני 1.1 מיליארד שנה בסוף המזופרוטרוזואיקון, בעת היווצרות אזור ההעתקים המרכז-יבשתי (Midcontinent Rift System) של אמריקה הצפונית. שטחו 4,715 קמ"ר והוא מכיל בעיקר סלעי גברו. מתחם סטילווטר (Stillwater Complex) בדרום מונטנה – חשוף לאורך 48 ק"מ, רוחבו 5.5 ק"מ ועומקו 10-15 ק"מ. המתחם נוצר בנאוארכאיקון לפני כ-2.7 מיליארד שנה בחדירת סדנים מונזוניטיים לסלעי גנייס. באפריקה – שני אתרים: מתחם בושוולד (Bushveld Complex) בדרום אפריקה – מתחם המשולב ממקטע מערבי ומקטע מזרחי שנוצרו בגלס בתחילת הרביעון לפני כ-2 מיליון שנה. המתחם בנוי מלופוליתים ששטחם 65,000 קמ"ר ועוביים 7-9 ק"מ. הדייק הענק של זימבבואה – דייק ענק שרוחבו כ-8 ק"מ ואורכו כ-550 ק"מ. הדייק נוצר לפני כ-2.46 מיליארד שנה, בגבול ארכאיקון-פרוטרוזואיקון. הטריטוריות הצפון-מערביות, קנדה – מחדר מוסקוקס (Muskox intrusion) החשוף לאורך 120 ק"מ ולרוחב 6 ק"מ. המחדר נוצר בכמה שלבים, החל מסוף המזופרוטרוזואיקון לפני 1.155 מיליארד שנה ועד הקמבריון לפני 740 מיליון שנה וכוללים מגוון סלעים. מחדרים נוספים צעירים יותר נוצרו לפני 640-718 מיליון שנה והם כוללים סילים של גברו. בצפון האיים הבריטיים – מחדר רוּם (The Rum Layered Suite) שנוצרה בפלאוקן בצפון-מערב סקוטלנד ובצפון-מזרח אירלנד. במערב אוסטרליה – מתחם וינדימורה (Windimurra Complex) המצוי בתוך קראטון ילגרן (Yilgarn Craton). המתחם נוצר במזוארכאיקון לפני 2.85 מיליארד שנה. שטחו 2,300 קמ"ר ועוביו 5-13 ק"מ. גאולוגיה - מונחים פטרולוגיה וולקנולוגיה סלע יסוד מאגמה סביבת היווצרות