מעטפת כדור הארץ

מעטפת כדור הארץ היא השכבה האמצעית בגאוספירה של כדור הארץ. מעל המעטפת משתרע הקרום, כשביניהם מפריד תחום אי הרציפות מוהורוביצ'יץ' (בקיצור: תחום אי הרציפות מוהו). מתחת למעטפת נמצא הגלעין שבמרכז כדור הארץ, כשביניהם מפריד תחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג.

למעטפת כדור הארץ תפקיד חשוב במגוון של תהליכים גאולוגיים שטרם הובררו דיים, והיא מספקת לחוקרים תובנות חשובות הנוגעות להתפתחות כדור הארץ.

היווצרות

היווצרות כדור הארץ

היווצרות כדור הארץ קשורה לקריסה כבידתית של גז וחלקיקי אבק שנותרו מענן מולקולרי בין כוכבי שיצר את מערכת השמש. מסביב לשמש ובמרחקים שונים ממנה יצרו חלקיקים אלה כוכבי לכת עובריים, בהם כדור הארץ, שהלכו וגדלו ככל שמשכו אליהם חלקיקים נוספים. לחלקיקים אלה הצטרפו בשלב מאוחר יותר מטאוריטים, שהגדילו את המסה של כדור הארץ והעשירו את הרכבו. לצמיחה נוספת ולהיווצרותו של הירח תרמה "המכה הגדולה" – התנגשות תאורטית של תיאה, כוכב לכת בגודלו של מאדים, בכדור הארץ, תאוריה שהתפתחה בין היתר על יסוד רעיון שהוצג בשנת 1946 על ידי הגאולוג האמריקאי רג'ינלד דיילי (Reginald Aldworth Daly, 1871–1957).

מודל ההיווצרות של כדור הארץ הראשוני מהצטברות של חלקיקים קטנים מוסכם על מדענים, כמו גם מבנהו הפנימי של כדור הארץ המודרני המורכב משכבות: גלעין, קרום וביניהם המעטפת המורכבת בעיקר מסלע מוצק ומכילה 84 אחוזים מנפחו.

הענן המולקולרי הראשוני היה הומוגני ביסודו, ולכן מצביע הרכבם הכימי המגוון של כוכבי הלכת הפנימיים של מערכת השמש על התבדלות שהתרחשה במהלך ההצטברות או מיד לאחריה.

היווצרות המעטפת

אף שקיימת הסכמה על טבעו השכבתי של כדור הארץ, זו נעדרת כאשר מדובר בסיבות ובתהליכים שיצרו את השכבות:
השערה אחת גורסת כי כדור הארץ במבנה השכבתי החל את דרכו מגלעין מתכתי, שסביבו הצטברו חלקיקים סלעיים ליצירת המעטפת.
השערה חלופית גורסת כי החומר הסלעי והחומר המתכתי הצטברו סימולטנית ויצרו כוכב לכת הומוגני ולא משוכב, וכי החום הרב – שנבע מהתנגשות החלקיקים זה בזה ומדעיכה רדיואקטיבית – התיכה אותו וגרמה לשקיעת יסודות כבדים דוגמת ברזל וניקל בהרכב ניפה לגלעין, וציפה של יסודות קלים דוגמת חמצן, צורן, מגנזיום ואלומיניום למעטפת.
בשתי ההשערות קיימת הסכמה כי היווצרותו של הקרום בהרכב סיאל וסימה מאוחרת להיווצרות הגלעין והמעטפת, ונובעת ברובה מגעשיות.

מחקרים שנערכו במטאוריטים מודרניים ובסלעים מן הירח תומכים בהשערה השנייה, וגורסים כי הגלעין נוצר לפחות 62 מיליון שנים לאחר התמזגות החלקיקים לכדי כוכב לכת. עם זאת, אירועים אלה התרחשו לפני זמן רב ולא הותירו עדויות רבות, ולכן עשויים מחקרים עתידיים לשפוך עליהם אור נוסף.

חקר המעטפת
לא ניתן לדגום את המעטפת ישירות, אך באמצעים עקיפים ניתן לקבל מידע חלקי המותיר אי-ודאות באשר להרכב המדויק שלה.

סייסמולוגיה

גלים סייסמיים הנוצרים ברעידות אדמה וגלים דומים הנוצרים באמצעות פיצוץ מלאכותי מספקים את מרבית העדויות על מבנה והרכב המעטפת. מהירותם של הגלים תלויה במאפיינים הפיזיקליים של החומרים דרכם הם עוברים. ניסויים מעבדתיים מגדירים את התנהגותם של הגלים בעוברם דרך טווח של חומרים מוצקים שמאפייניהם ידועים, וניתן להשוות מהירויות המתקבלות במעבדה לאלה המתקבלות בשטח. עם זאת, להשוואה זו יש מגבלות מפני שלתמיסות אין מאפיינים ייחודיים. בנוסף, קיים קושי לשכפל באמצעים מעבדתיים את הלחץ הרב המתקיים במעטפת, כך ששיטות אלה אינן מספקות מידע מדויק על התנאים בעומק הולך וגדל בתוך המעטפת.

מחקרי שיווי משקל כימי

ניסויים הנערכים בתנאי לחץ וטמפרטורה גבוהים משמשים לבחינת תגובות החליפין בין מינרלים שונים ובין מינרלים למאגמה, וכן את שדות היציבות של מינרלים בלחצים ובטמפרטורות שונים המייצגים התנאים ברבדים שונים של המעטפת. מניסויים כאלה ניתן להסיק בסבירות גבוהה את ההרכב הכימי והמינרלי של המעטפת, אך לא בוודאות.

טומוגרפיה
טומוגרפיה מדמה בשלושה ממדים אזורים של גלים סייסמיים מהירים ואיטיים בתוך כדור הארץ. גלים אלה עשויים לייצג חומר קר שוקע או חומר חם מתרומם, ולחלופין – שינויים בהרכב בשכבות מעטפת ראשוניות, ההופכים מורכבים ומסובכים בגלל המערבָּל הקיים במעטפת.

אי סדירויות טומוגרפיות מיוחסות לכמה מצבים אפשריים:
שקיעת לוחות טקטוניים לתחתית המעטפת
עלייה של תמרות מעטפת מתחום אי הרציפות בגבול בין המעטפת העליונה לתחתונה

לעומת אפשרויות אלה ניצבת גישת המחזוריות הסגורה במעטפת במסגרת טקטוניקת הלוחות של הגאופיזיקאי האמריקאי וורן המילטון (Warren B. Hamilton, נולד ב-1925). חסידי גישת המחזוריות הסגורה סבורים כי התמרות אינן יכולות לחדור מבעד לתחום אי רציפות זה בעומק של כ-670 ק"מ, וכי תאי הערבול מוגבלים למעטפת העליונה ואינם נובעים מהמעטפת התחתונה – שהתנועה בה זוחלת ביחס לזו שבמעטפת העליונה.

ניתוח של סלעים
קירוב לניתוח ישיר של סלעי המעטפת ניתן לקבל באמצעות ניתוח סלעים הנובעים ממנה, שעברו מבעד לקרום אל פני השטח.

פרידוטיט ובזלת אוקיינית
החומרים הנפלטים ממרכזי ההתפשטות האוקייניים, דוגמת בזלת ופרידוטיט, נחשבים לבלתי-מזוהמים כמעט מפני שהם מתפרצים מרבדיה השונים של המעטפת במהירות גבוהה. מסלעים אלה ניתן להסיק מידע חשוב, ודגימתם נחשבת שיטה אמינה לקבלת מידע על הרכב המעטפת עד לעומק של 300 ק"מ. פרידוטיט עשוי להתקיים בעומקים גבוהים יותר של המעטפת, ויש אף חוקרים הסבורים כי המעטפת כולה פרידוטיטית בהרכבה.

קימברליט

סלעי קימברליט הם פרידוטיטים המכילים נציץ ומינרלים קרבונטיים, ובניגוד לפרידוטיט שמוצאו אוקייני – הם עשירים בחומרים נדיפים דוגמת מים ופחמן דו-חמצני. סלעים אלה מתפרצים במהירות ובהתפרצויות מתפוצצות מבעד לקרום יבשתי באמצעות דיאטרם או צינור הזנה, והם מאפשרים לדגום את הרכב המעטפת בשני אופנים:
קסנוליתים וקסנוקריסטים – סלעי קימברליט מכילים קסנוקריסטים וקסנוליתים במגוון גדלים וסוגים, המהווים חלקיקים אקראיים של מינרלים וסלעים הניתקים מסלעי הסביבה ונישאים על ידי הסלע המארח במהלך עלייתו אל פני השטח. יהלומים נישאים באמצעות קימברליט מעומק רב במעטפת וייתכן שאף מתחתיתה, והם מכילים נתך סלעי או תכלילים מינרליים. ניתוח איזוטופי של היהלומים מראה כי גילם עולה על גילו של הקימברליט המארח.
עומק – קימברליטים נוצרים בליתוספירה יבשתית מתחת לקרום, ולכן מספקים מידע הנוגע להרכבה של מעטפת תת-יבשתית בלבד.
נראה שהתכלילים האקראיים הנישאים על ידי הקימברליט דוגמים את המעטפת בעומק של לפחות 150 ק"מ.

אנלוגיה למטאוריטים
בניסיון ללמוד את הרכבה של המעטפת נוצרו מודלים גאוכימיים תוך התבססות אנלוגית על הרכבם של מטאוריטים כונדריטיים, שלא חלו בהם התכה או גיבוש מפריט המשנים את הרכבם ותכונותיהם. התבססות אנלוגית זו נערכה מכמה סיבות:

מטאוריטים הם הגופים החוץ-ארציים הנפוצים ביותר בכדור הארץ לפי שיעורי נפילתם
המטאוריטים הכונדריטיים דומים במהותם לסלעים ארציים אולטרה-מאפיים (פירוליט) המורכבים מאוליבין ופירוקסן והם בעלי יחס ברזל:מגנזיום דומה
נתוני איזוטופים יציבים עולים בקנה אחד עם מודל כזה

קבלת מודל ארץ כונדריטי כזה נתקלת בקשיים. הקושי הגדול ביותר נובע מהבדל בתכולת היסודות האלקליים בין המטאוריטים לבין סלעי כדור הארץ. קושי נוסף נובע מהיחס הנמוך בין האיזוטופים 12C:13C במטאוריטים כונדריטיים נפוצים ובבזלות ארציות לבין היחס הגבוה ביניהם בסלעים קרבונטיים ארציים וביהלומים. קושי אחר, הנובע מנדירות נפילתם לכדור הארץ של חומרים כונדריטיים קרבונטיים ביחס לחומרים הכונדריטיים הנפוצים, מוסבר באמצעות שבריריותם הרבה של הכונדריטים הקרבונטיים והתמרה ההופכת אותם לכונדריטים נפוצים.

קשיים אלה הובילו להשערה כי המעטפת נובעת מהצטברות של כונדריטים קרבונטיים, ולא מהצטברות של הכונדריטים המרכיבים את המטאוריטים הנפוצים. השערה זו נתמכת בקיומם של מים וחומרים נדיפים אחרים בתוך המעטפת, כפי שעולה ממחקריו של הגאולוג האמריקאי ויליאם רובי (William Walden Rubey, 1898–1974) שנערכו בניסיון להתחקות אחר מקורם של חומרים אלה. במחקר כזה, שעסק במקורם של מי ים וגזי האטמוספירה ופורסם בשנת 1951, טען רובי:

עם זאת, נותרות שתי שאלות פתוחות:
האם חומרים כונדריטיים שהצטברו בחגורת האסטרואידים בחלל שבין מאדים לצדק לפני כ-4.5 מיליארד שנים אכן מייצגים את החומר ממנו הצטברה מעטפת כדור הארץ באותה עת?
האם הצטברות חומרי המעטפת מהענן המולקולרי הייתה הומוגנית או שכבתית?

מאפיינים
המעטפת היא האמצעית משלוש השכבות הקונצנטריות הראשוניות המרכיבות את כדור הארץ, וביחד עם הגלעין מרכיבה יותר מ-99% מנפחו. המעטפת משתרעת מתחום אי הרציפות מוהורוביצ'יץ' – המצוי בתחתית הקרום בעומק של 25–35 ק"מ מתחת לקרום יבשתי ו-6–11 ק"מ מתחת לקרום אוקייני, ועד לתחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג בעומק של 2,890 ק"מ – בגבול עם הגלעין החיצוני.

בעומק שבין 100 ו-350 ק"מ במעטפת שוררת טמפרטורה גבוהה, בעטיה מותכים כ-2 אחוזים מסלעיה ומתאפשרת תנועה איטית מאוד של חומרים. בעומק העולה על 350 ק"מ הטמפרטורה גבוהה יותר ומגיעה עד 4,000 מעלות צלזיוס, אך הלחץ הרב מונע את התכתו של המסלע.

מבנה המעטפת
המעטפת מצויה בתחום שבין שני תחומי אי רציפות: תחום אי הרציפות מוהו בגבולה העליון ותחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג בגבולה התחתון, והיא נחלקת לשתי שכבות עיקריות:

המעטפת העליונה

השכבה העליונה של המעטפת משתרעת מתחום אי הרציפות מוהו ועד לעומק של כ-670 ק"מ. מהירות הגלים הסייסמיים משתנה תוך כדי מעברם במעטפת העליונה, עובדה המעידה על שינויים בצפיפות החומר לפיהם נהוג לחלק את המעטפת העליונה לשתי רצועות:
רצועה עליונה קשיחה שעומקה המרבי כ-100 ק"מ, המרכיבה ביחד עם הקרום את הליתוספירה. נהוג לחשב את עובי הליתוספירה כמשתנה הנע בין עובי מרבי מתחת ליבשות ועד לעובי אפסי ברכסים מרכז אוקייניים – גבול בין-לוחי המהווה מרכז להתפשטות קרקעית הים.
רצועה תחתונה גמישה המרכיבה את חלקה העליון של האסתנוספירה. בבסיסה של רצועה זו מוגדר אזור מעבר המשתרע מעומק של כ-400 ק"מ ועד לעומק של כ-670 ק"מ. המעבר בין אזור מעבר זה לבין המעטפת התחתונה הדרגתי ולא חד.

המעטפת התחתונה
השכבה התחתונה של המעטפת עבה יותר ומשתרעת מתחתית המעטפת העליונה ועד לתחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג בעומק 2,900 ק"מ לערך. מעלייה במהירותם של גלים סייסמיים עולה כי חלק זה של המעטפת מתאפיין בעלייה חדה של כ-20% בצפיפות לעומת המעטפת העליונה.

הרכב המעטפת

המעטפת מורכבת מהיסודות הבאים: חמצן, מגנזיום, סילקון, ברזל, אלומיניום וקלציום.

המעטפת מורכבת בעיקר מסלעי סיליקט עשירים במגנזיום וברזל. חום רב גורם לסלעים לעלות אל עבר הקרום שם הם מתקררים ויורדים בחזרה אל הליבה. הסברה היא כי תנועה זו (הדומה לתנועת הנוזלים במנורת לבה) היא הגורמת לתנועת הלוחות הטקטוניים.

מאז קבלתה של פרדיגמת טקטוניקת הלוחות השתנו התפיסות הנוגעות להרכבה של מעטפת כדור הארץ. את האמונה הרווחת באותה עת ואת הקשר בין הרכבה של המעטפת העליונה לזה של מטאוריטים תיארו הגאוכימאי והמינרלוג הניו זילנדי בריאן מייסון (Brian Mason, 1917–2009), שהיה בין חלוצי המחקר המטאוריטי, והגאולוג הבריטי ארתור הולמס (Arthur Holmes, 1890–1965).

בשנת 1965 יצאה מהדורה שנייה לספרו של הולמס "Principles of physical geology" משנת 1944, בה ציין כי:

אף שסלעי אקלוגיט עשויים לייצג את המעטפת הראשונית או קרום אוקייני מופחת, קיימת בעיה בהשערת המעטפת העליונה האקלוגיטית: קסנוליתים של אקלוגיט נדירים בקימברליט, ואילו תפוצתם של קסנוליתים פרידוטיטיים בו גבוהה.

גם מייסון, במהדורה השלישית של ספרו "Principles of Geochemistry" שיצאה בשנת 1966, מתייחס לקשר בין הרכבה המשוער של המעטפת העליונה – פרידוטיט וכמויות קטנות של פלגיוקלז, להרכבם של מטאוריטים כונדריטיים. עם זאת, הוא הצביע על מחלוקת הנוגעת לתחום אי הרציפות מוהורוביצ'יץ': בעוד חלק מהחוקרים ראו בו גבול פיזיקלי הנובע משינוי במהירות מעבר גלים סייסמיים, ראו בו אחרים גבול כימי בדמות הבדל בהרכב הסלעים המתבטא במודל לפיו למעטפת העליונה הרכב אולטרה-מאפי – שלושה רבעים דוניט או פרידוטיט ורבע בזלת תולאיטית.

ראו גם
גאולוגיה - מונחים
גאופיזיקה
גאוספירה

לקריאה נוספת

Ian Jackson (editor), The Earth’s Mantle – Composition, Structure, and Evolution, Cambridge University Press, 1998, 2nd print, 2000, 
Encyclopedia of Geology, Richard C. Selley, Robin Cocks, Ian Plimer (Editors), Elsevier Academic Press, First edition 2005, 
Arthur Holmes, Principles of Physical Geology, Sunbury-on-Thames : Nelson, 2nd edition, 1965, 
Brian Mason, Principles of Geochemistry, John Wiley, 3rd edition, 1966, 
Don L. Anderson, New Theory of the Earth, Cambridge University Press, 2007, 
Graham R. Thompson and Jonathan Turk, Introduction to Physical Geology, Brooks Cole, 2nd edition, 1997, 
Jay D. Bass and John B. Parise, Deep Earth and Recent Developments in Mineral Physics, Elements, v. 4, no. 3, June 2008, pp. 157-163,

קישורים חיצוניים

This Dynamic Earth באתר USGS

הערות שוליים

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
גאופיזיקה
כדור הארץ
מבנה כדור הארץ