מאגמה

מאגמה (מיוונית: Μάγμα – בצק או משחה) היא סלע מותך וחם, בטמפרטורות שבין C° 600–1,300 ולעיתים אף בין C° 1,600–1,800, הנוצר בעומק כדור הארץ בתהליכי התכה שונים. כשמאגמה נפלטת אל פני השטח באמצעות התפרצות געשית, היא נקראת לבה. במאה ה-18 ניתן שם זה לנוזל הגעשי ששימש לרקיחת תמיסות שונות, ובכימיה להכנת משחות. בפטרולוגיה נקראה המאגמה באותה עת "לבה תת-קרקעית".

הרי געש ומאגמה נמצאים גם בכוכבי לכת ובירחים נוספים במערכת השמש. המאגמה עשויה להכיל בתוכה גבישי מינרלים ובועות גז, והיא נוטה להצטבר בתאי מאגמה לפני שהיא פורצת לפני השטח. התפרצות מאגמה מהרי געש נעשית דרך צינורות הזנה או דרך סדקים בקרום כדור הארץ. לאחר התפרצותה היא יוצרת סלעי יסוד געשיים, נקרשת בעומק לסלעים פלוטוניים, או חודרת לתוך סדקים בשכבות הקרום כמחדרים פלוטוניים דוגמת דייק וסיל.

המאגמה אינה אחידה בהרכבה ובהתנהגותה: לרוב מדובר בתערובות סיליקטיות בריכוזים שונים. סוגי מאגמה אחדים עשירים בגז מומס ובאדי מים, הגורמים להתפרצויות געשיות עזות וליצירת סלעים נקבוביים. סוגים אחרים, הדלים במומסים, זורמים מתוך הרי געש או מתוך סדקים בקרום ויוצרים סלעים חסרי-נקבוביות וסלעים אמורפיים. בהתקרשותה מתחת לפני השטח יוצרת המאגמה מגוון של סלעים ומחדרים פלוטוניים.

אזורי ההיווצרות של המאגמה מגוונים וכוללים אזורי הפחתה, בקעים יבשתיים, רכסים מרכז אוקייניים ונקודות חמות המצויות מעל תימרות מעטפת. על אף היווצרותה במגוון רחב של אזורים, ההתכה אינה של חומר מוצק לחלוטין: מרבית הקרום והמעטפת אינם מוצקים לחלוטין אלא ראידים – "מוצקים זורמים" – מוצקים כביכול בעלי מרקם צמיגי.

בשל הקושי לחקור את המאגמה ישירות, רבים מן הנתונים המגדירים את היווצרותה, תכונותיה ואת התהליכים המתקיימים בה, לקוחים ממחקרים וולקנולוגיים של הרכב הלבה, ומבדיקות פטרולוגיות של הסלעים הנחשפים על-פני השטח. עם זאת, בשלושה מקרים נצפתה מאגמה אין סיטו (במקומה המקורי) במהלך קידוחים: פעמיים בהוואי ופעם נוספת באיסלנד.

סוגי מאגמה

סוגי המאגמה נבדלים זה מזה באופן ובמקום היווצרם, בהרכבם הכימי, בצמיגותם ובטמפרטורות הפליטה שלהם. הבדל נוסף בין המאגמות הוא תכולת המומסים שנכלאו בהן בעת היווצרן: מים, פחמן דו-חמצני, מימן גופרתי, חומצה גופרתית ותחמוצות נוספות.
צמיגותן של המאגמות נובעת מכמות הסיליקה שבהן:
מאגמה בזלתית – כ-45% סיליקה – צמיגותה דומה לזו של שמן זית
מאגמה אנדזיטית – כ-55% סיליקה – צמיגותה דומה לזו של סירופ מייפל
מאגמה גרניטית – כ-75%–80% סיליקה – צמיגותה דומה לזו של דבשה קרה.

הימלטות המומסים מתוך המאגמה מושפעת מצמיגותה: ככל שהמאגמה צמיגה יותר, כך קשה יותר לגזים ולאדים ליצור בועות, להתרומם מתוך הנוזל ולהיפלט ממנו. על-מנת שהמומסים יוכלו ליצור בועות בתוך המאגמה ולהתרומם, נדרשת תזוזה של חלק מן הנוזל המאגמטי הצידה. מאגמה בצפיפות נמוכה מאפשרת היווצרות בועות והימלטות של מומסים. לעומתה, במאגמה בצפיפות גבוהה מתאפשרת תנועה מועטה בלבד, כך שהגזים והאדים נותרים כלואים בה, ויוצרים לחץ רב כאשר המאגמה נפלטת. מסיבה זו קיים הבדל בין עוצמת ההתפרצות הגעשית שיוצר כל סוג של מאגמה.

שלושת סוגי המאגמה שונים בתכונותיהם והם נפוצים בחלקים שונים של כדור הארץ.

מאגמה בזלתית
מאגמה בזלתית דלה יחסית בסיליקה (45%–55%) ועשירה במגנזיום ובברזל. הרכבה הכימי נע בין מאפי לאולטרה-מאפי, והיא יוצרת סלעי יסוד פלוטוניים וגעשיים דוגמת בזלת תולאיטית – סוג הבזלת הנפוץ ביותר בקרום, בזלת פיקריט, גברו, סקוריה, טוף, קומטיט, בוניניט, טרכיט ופלגוניט.

צמיגותה הנמוכה של המאגמה הבזלתית מאפשרת הימלטות גזים המומסים בה. פליטתה של המאגמה אינה אלימה, והיא מתבטאת בזרימה שקטה של לבה ובהתפרצויות הוואיות, סטרומבוליאניות ווולקניות בעוצמה של 2-0 VEI.

מאגמה בזלתית אופיינית לרכסים מרכז-אוקייניים, לנקודות חמות ימיות ולסביבה של העתקים.

בזלות של קרקעית האוקיינוס

בזלות נפוצות בקרקעית האוקיינוסים, והן בונות קרום אוקייני בשוליים הפעילים של הלוחות הטקטוניים ברכסים מרכז אוקייניים. המאגמה נוצרת כתוצאה מהפרדה בין שני לוחות, המאפשרת לסלעי פרידוטיט מהמעטפת לעלות ולהינתך. פרידוטיט מורכב מאוליבין, אורתופירוקסן, קלינופירוקסן ומינרלים של אלומיניום דוגמת פלגיוקלז, ספינל או גארנט, והתכתו יוצרת מאגמה בזלתית.

התכה מתחת לרכסים האוקייניים מתרחשת בטווח עומקים רחב ותלויה בטמפרטורה של המעטפת. הנתך נקרש ויוצר קרום, או מתפרץ לקרקעית האוקיינוס ויוצר "MORB" (ראשי תיבות באנגלית של Mid Ocean Ridge Basalt, בזלת של רכס מרכז אוקייני) בדגם כרים. סוג זה של בזלת דל בנתרן ומכיל כ-50% סיליקה, ובמגעו בקרום הקר הוא מתקרר ומתקרש.

בזלות של איים געשיים

תהליך שני בחשיבותו להיווצרות מאגמה בזלתית מתקיים מתחת לאיים אוקייניים געשיים דוגמת הוואי, טהיטי, אי הפסחא והאיים האזוריים. הרי געש אלה מרוחקים מרכסים מרכז אוקייניים, ונמצאים באזורים פנים-לוחיים מעל נקודות חמות או בסמוך לשולי לוחות פעילים, שבהם אין התכה של סלעי קרום או ליתוספירה אלא התרוממות של מעטפת חמה.

התהליך מתחיל בנקודה חמה כאשר תימרת מעטפת שולחת "אצבעות" של חום המגיעות לחלק העליון של האסתנוספירה. בגבול בין האסתנוספירה והליתוספירה נוצרת נקודה חמה – מקום שבו מותכים סלעים ונוצרת מאגמה של איים אוקייניים (OIB – Ocean Island Basalts). המאגמה החמה פחות צמיגה מסלעי הקרום, והיא פורצת דרכם אל פני השטח. תימרות מעטפת מתרחשות מתחת לליתוספירה ימית ויבשתית כאחת, והן חלק אינטגרלי מזרימה של מסה וחום במעטפת. מקורן בעומק רב, במקרים רבים סמוך לתחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג, המהווה גבול בין המעטפת לגלעין, ומכיוון שהמעטפת בתוך התימרה העולה חמה יותר מאשר המעטפת הסובבת אותה – היא יכולה להתחיל התכה כתוצאה מירידת לחץ בעומק גדול יותר מאשר מתחת לרכסים המרכז אוקייניים. עם זאת, שלא כמיקומם של רכסים מרכז אוקייניים, חלקו העליון של אזור ההתכה מוגבל בעובי של הלוח או של הליתוספירה שמעליו. לכן בזלות OIB נוצרות בעומק ממוצע גדול יותר מאשר בזלות MORB, וכמות הנתך המיוצרת קטנה יותר. כתוצאה מכך, בזלות של איים נוטות להיות עשירות יותר במתכות אלקליות ובברזל ודלות יותר בסיליקה בהשוואה לבזלות MORB.

על-אף שינוי זה במשטר ההתכה, איים גדולים שנמצאים מעל תימרות מעטפת (למשל הוואי), ואיים מעל תימרות מעטפת המתרוממים בשוליים פעילים של לוחות (למשל איסלנד), שניהם מייצרים בזלות תולאיטיות. לעומתם, איים שנמצאים מעל תימרות קטנות יותר או מעל ליתוספירה אוקיינית עבה וקדומה, מאופיינים במגוון בזלות בעלות תכולת סיליקה נמוכה יותר ותכולה גבוהה יותר של תחמוצות נתרן (Na2O) ואשלגן (K2O) מאשר בזלות תולאיטיות. בזלות כאלה נקראות "בזלות אוליבין אלקליות", או בקיצור "בזלות אלקליות". שני הסוגים נוצרים במקביל באיי הוואי.

הגיוון המינרלוגי של בזלות אלקליות רב, ונובע מהורדת תכולת הסיליקה ומעליית תכולת האלקלים ויסודות קורט אחרים. נטייה זו לעלייה בתכולת האלקלים יוצרת בנוסף הרכבי מאגמה מחוץ לתחום הבזלות האלקליות, הנקראות בדרך-כלל בסניטים (Basanites) ופוידיטים (Foidites). אלה נוטים להיות תוצאה של התכה חלקית מצומצמת יותר מזו האחראית ליצירת בזלות אלקליות, ובמקרים נדירים משקפת את השפעת הפחמן הדו-חמצני על התכת המעטפת בעומק רב. סוגי הסלעים הנוצרים בדרך זו כוללים בסניט, נפליניט, לוסיט ומליליט, המצויים לרוב באיים אוקייניים קטנים או בשלבים הסופיים של פעילות געשית באיים גדולים.

בזלות של קשת איים
מקום אוקייני שלישי שבו נוצרות בזלות הוא אזורי הפחתה, במקום שבו ליתוספירה אוקיינית כבדה וקרה נוחתת לתוך המעטפת מתחת ללוח אחר. כתוצאה מכך, זרימת החום באזורי הפחתה נמוכה במבט ראשון, ונדיר שתתרחש בהם התכה. עם זאת, הלוח הנוחת נושא עמו מים הלכודים בסלעי משקע שנוצרו על-פניו. מים אלה מתחממים כשהם באים במגע עם המעטפת החמה, ונוצרת התכת שטף הנובעת מהורדת נקודת ההתכה של הפרידוטיט במעטפת. הבזלות הנוצרות בסביבה זו נוטות להיות תולאיטיות, והן בונות קשתות איים. במקומות בהם נוחת לוח אוקייני מתחת ללוח יבשתי, המאגמה הבזלתית עשויה להיכלא מתחת לקרום עבה בצפיפות נמוכה. כתוצאה מכך מתפתחת מאגמה בזלתית עם תכולת ברזל נמוכה, הנקראת מאגמה אנדזיטית.

בזלות יבשתיות

בלוחות יבשתיים, כמו בלוחות אוקייניים, נוצרת בזלת תולאיטית ובזלת אלקלית לאורך בקעים גאולוגיים (שקעים צרים ומוארכים הנוצרים לאורך העתקים), דוגמת הבקע הסורי-אפריקני, בהם נפוצות בזלות אלקליות, בסניטיות ונפליניטיות. באזורים אלה הקרום והליתוספירה נמתחים, ונוצרים בהם העתקים ובקעים. התפשטות הקרום והליתוספירה במקומות אלה מועטה, והיווצרות המאגמה מהתכת המעטפת מוגבלת לעומקים הדומים לאלה שמתחת לאיים געשיים, אך התכה זו מתרחשת מתחת לליתוספירה יבשתית עבה יותר מזו האוקיינית. כתוצאה מכך, המאגמה והלבה הבזלתיות באזורים אלה דומות לאלו של איים אוקייניים, הרכבן של הבולטות בהן אלקלי, ונוצרים מהן סלעים דוגמת טרכיט ופונוליט.

בניגוד להן, שפכי בזלת יבשתיים (CFB – continental flood basalt) יוצרים משטחי בזלת נרחבים, המכילים בזלת תולאיטית בנפח גדול (>106 ק"מ מעוקב), והם היו עשויים להתפרץ במשך תקופת זמן קצרה יחסית במונחים גאולוגיים: 2-1 מיליון שנים. שפכי בזלת אלה מייצגים אירועים קטסטרופיים, ובמקרים אחדים נחשדו כקשורים לאירועי הכחדה המונית – כפי שהוצע קשר בין הכחדת קרטיקון-שלישון לפני כ-65 מיליון שנים לבין התפרצות מדרגות דקאן (Deccan Traps) בהודו. שפכי בזלת אלה עשויים להיות קשורים להתפרקות של יבשות-על ולהתפתחות אגנים אוקייניים חדשים. רבים מהם מתרחשים על קרקעית אוקיינוס סמוך, בסופו של רצף הנובע מנקודה חמה – מיקום המצביע על קשר לתימרת מעטפת. באופן כללי, לנפח העצום נחוצה טמפרטורת מעטפת גבוהה במיוחד, ולכן מתבקש קשר בין היווצרות שפכי בזלת לבין תימרות מעטפת.

הבדלים בנפח, בהרכב ובמשך ההתפרצות של שפכי בזלת שונים עשויים להצביע על כך שמקורות המאגמה והסיבות להתכה החלקית שונים מאחד לשני, וכי מקור ההתכה והמאגמה בחלק המעטפת של הליתוספירה היבשתית. המעטפת הליתוספרית, המצויה מתחת לקרום ומשתרעת לעומק שבין 100–200 ק"מ, היא החלק הקר והקשה יחסית של המעטפת. כמו הליתוספירה האוקיינית, גם המעטפת מתחת לקרום היבשתי נחשבת לשריד של התכה חלקית, ולכן אינה מסוגלת לייצר מאגמה נוספת. עם זאת, אם היא מכילה כמות קטנה של מים הכלואה בפאזה נוזלית של מינרלים דוגמת אמפיבול או נציץ, יש בכך להוריד את נקודת המוצקות של המעטפת, כך שיכולה לחול בה התכה במקרה שהליתוספירה מתחממת. תימרת מעטפת הנושקת לבסיס הליתוספירה עשויה לספק את החום הדרוש באמצעות הסעת חום, כאשר שחרור של חומרים נדיפים – בעיקר מים – מבטיח את היווצרותה של מאגמה תולאיטית באמצעות התכת שטף. לכן, שפכי בזלת עשויים להיווצר גם בתהליך של הסעת חום בשלבים מוקדמים של מתיחה והיפרדות יבשת, באמצעות התכה בתהליך אדיאבטי המתרחש ללא מעבר חום בתוך תימרות המעטפת באזורי ההשקה בינן לבין אזורי המתיחה המידקקים של הליתוספירה, או באמצעות התכה של אזורי חום חריג במעטפת, הקשורים להתפתחות תימרת המעטפת.

מאגמה אנדזיטית

מאגמה אנדזיטית – הנקראת על-שם הרי האנדים, שם נחקרה לראשונה – אופיינית לקשתות געשיות מעל אזורי הפחתה. מאגמה זו מצויה בצמיגות בינונית המאפשרת הימלטות חלקית בלבד של גזים, כך שנותרים בה מספיק גזים ליצור התפרצויות מתפוצצות וולקניות, פלאניות ופליניאניות, בעוצמה של 7-2 VEI דוגמת אלה שהתרחשו בהר סנט הלנס, בפינטובו, בסופרייר הילס ובטמבורה. כמות הגזים המעורבים קובעת את עוצמת ההתפרצות.

מאגמה אנדזיטית נחשבת מבחינת הרכבה הכימי כ"בינונית" – בין פלסית לבין מאפית. תכולת הסיליקה במאגמה 55%–65%, תכולת החמרן נמוכה מאוד ולרוב היא עשירה במגנזיום ובברזל. במאגמה זו ניתן למצוא פנוקריסטים קטנים – גבישים נראים לעין, לרוב אמפיבול ופירוקסן, שהתגבשותם החלה בתוכה. מאגמה בהרכב זה יוצרת סלעי אנדזיט ודקיט.
במקומות בהם מופחת לוח אוקייני מתחת ללוח יבשתי, עשויה המאגמה הבזלתית להיכלא מתחת לקרום עבה שצפיפותו נמוכה. מאחר שהמאגמה הבזלתית צפופה מהקרום היבשתי ואינה יכולה להתרומם מעליו, נוצר מפגש בין גבולות בעלי צפיפות שונה – כמו תחום אי הרציפות מוהורוביצ'יץ' בין המעטפת לקרום או גבולות בתוך הקרום. בנוסף, המאגמה עשירה במים הספוגים בסלעי משקע ימיים בליתוספירה המופחתת, יותר מאשר בזלות OIB או MORB. להבדלים אלה בהרכב ולתהליכי ההתגבשות ההדרגתית המתרחשים בה השפעה עמוקה על הרכב המינרלים המתגבשים בתוכה, וכתוצאה מכך נוצרת מאגמה בזלתית שיורית בעלת תכולה נמוכה של ברזל.

תהליכים נוספים שבהם נוצרת מאגמה אנדזיטית הם עירוב מאגמות בזלתיות וגרניטיות, התגבשות הדרגתית של מינרלים עשירים בברזל ומערכת תגובות בין מעברי פאזה במהלך ההתגבשות לבין הנוזל המגמטי. שלבים מאוחרים יותר של התגבשות הדרגתית במאגמה אנדזיטית – לעיתים בשילוב של חומרים שהותכו מן הקרום – מובילים ליצירת הרכבים עתירי-סיליקה כמאגמה דקיטית וריוליטית. בהמשך ההתגבשות ההדרגתית עולה ריכוז המים במאגמה, מאחר שהמינרלים שהתגבשו אינם מכילים מים. התוצר הסופי של מאגמה עתירת-סיליקה ומים ושחרורם האלים של אדי המים כאשר המאגמה מגיעה אל פני השטח, הוא התפרצויות מתפוצצות.

מאגמה גרניטית

מאגמה גרניטית עשירה בסיליקה (יותר מ-65%), בקוורץ (יותר מ-10%) ובגזים, והיא נוטה להיפלט בטמפרטורה של כ-C° 950. צמיגותה הגבוהה נובעת ממרכיביה: סיליקה, חמרן, אשלגן, נתרן וסידן, היוצרים פולימר נוזלי סמיך ועשיר בפצלת השדה ובקוורץ.

המאגמה הגרניטית נוצרת מהתכה של קרום גרניטי המתרחשת במקרים נדירים בהם מתחת לסלעי הגרניט עולה מאגמה בזלתית חמה מאוד. המאגמה הבזלתית מתיכה את חלקו התחתון של הקרום ומדקקת אותו. בקרום הדק נוצרים סדקים עגולים, דרכם פורצת המאגמה הגרניטית.

צפיפותה הרבה של המאגמה הגרניטית מותירה את הגזים לכודים בתוכה, ומים וחומרים נדיפים אחרים משתחררים לאט יותר. לחצם בתוך המאגמה גורם להתפרצויות פליניאניות מתפוצצות בעוצמה גבוהה של 7–8 VEI, דוגמת התפרצות-העל שיצרה את שלוש הקלדרות רחבות-הממדים של ילוסטון. התפרצויות אלה מלוות בזרמים פירוקלסטיים כבדים, בכמות רבה של טפרה, ובזרמי לבה סמיכים ועבים הזורמים למרחק של קילומטרים ספורים.

מאגמה גרניטית אופיינית לנקודות חמות יבשתיות דוגמת הרמה האתיופית, ויוצרת שכבות עבות של סלעי איגנימבריט (טוף מולחם), פומיס וריוליט.

סיכום

הנפח היחסי של היווצרות מאגמה ויחס הסלעים הפלוטוניים והגעשיים הנובעים ממנה משתנה באזורים המגמטיים השונים:
ברכסים מרכז-אוקייניים נוצרים 62% מהמאגמה, מנפח זה 86% הם סלעים פלוטוניים ו-14% סלעים געשיים.
בקשתות איים וקשתות געשיות נוצרים 26% מהמאגמה, מנפח זה 93% הם סלעים פלוטוניים ו-7% סלעים געשיים.
בנקודות חמות נוצרים 12% מהמאגמה, מנפח זה 88% הם סלעים פלוטוניים ו-12% סלעים געשיים.

מקור המאגמה – תהליכים מגמטיים

כל התופעות הקשורות בסלע מותך או מותך-חלקית בעומק כדור הארץ נובע ממאגמה, או לבה כאשר היא נפלטת אל פני השטח – לרוב באמצעות התפרצות געשית מהר געש. תהליכים מגמטיים – הנקראים גם תהליכי יסוד – מתרחשים בשלושה שלבים:
היווצרות מאגמה מסלעים מוצקים באמצעות התכה
הובלת והסעת המאגמה ממקום למקום
התקררות המאגמה עד להתמצקותה ויצירת סלעי יסוד.

התהליכים המגמטיים הם חלק חיוני במחזור הסלעים: הם מובילים להיווצרות מגוון רחב של סלעים ומהווים תהליך בסיסי שבו כדור הארץ וכוכבי הלכת מבדלים את מרכיביהם לקרום ומעטפת.

פעילות מגמטית אזורית
פני השטח של כדור הארץ משקפים חומרים ותהליכים הקיימים בעומק רב, בהובלת החומר אל פני השטח וחשיפתו על-פני הקרום באמצעות שחיקה, בליה וסחיפה. תהליכים אלה מספקים לגאולוגים וגאוכימאים מידע חיוני ממנו ניתן להסיק את התכונות הכימיות, המינרלוגיות והתרמיות של פנים כדור הארץ. על-פני השטח קשורים תהליכים אלה באופן הדוק בטקטוניקת הלוחות, מאחר שתהליכים מגמטיים מתרכזים בשולי הלוחות בגבולות פתיחה – דוגמת רכסים מרכז אוקייניים, וגבולות סגירה – דוגמת אזורי הפחתה, אם כי ידועים גם תהליכים מגמטיים פנים-לוחיים – דוגמת נקודות חמות כזו הנמצאת מתחת להוואי. תהליכי יסוד וסלעי יסוד הנוצרים בעקבותיהם אופייניים לאזורים הטקטוניים השונים, לכן משמשים סלעי יסוד עתיקים – ביחד עם מרכיבים מבניים, מותמרים ומשקעיים – לזיהוי סביבה טקטונית עתיקה בהשוואה לדגמים מודרניים.

התוצר האחרון של התהליכים המגמטיים הם סלעי היסוד. יצירת סלעים כבזלת, גברו וקומטיט נובעת מהתכה חלקית של מעטפת מאפית ואולטרה-מאפית בהרכבה. בכדור הארץ ניתן לצפות בתהליך זה ברכסים מרכז-אוקייניים, במשטחי בזלת נרחבים, בגב קשת איים, בבקעים גאולוגיים, בנקודות חמות פנים-לוחיות ובאזורי הפחתה. היווצרות סלעים בינוניים ופלסייים כאנדזיט, דיוריט, ריוליט, אובסידיאן וגרניט מוגבלת לקרום יבשתי מעל אזורי הפחתה. מרבצי עפרות רבים בעלי חשיבות כלכלית קשורים לפעילות של מאגמה פלסית עתירת סיליקה ומכונים "עפרות מגמטיות".

גבולות פתיחה
המאגמה הנוצרת בגבולות פתיחה היא בזלתית, ומקורה בהתכה חלקית של סלע פרידוטיטי מהמעטפת הליתוספירית, המתרחשת בעומק רב ובטמפרטורה גבוהה. לדוגמה, התכה של סלע גארנט-פרידוטיט, המתרחשת בעומק של כ-90 ק"מ ובלחץ של יותר מ-25 קילובר, יוצרת מאגמה אלקלית כהה. הנוזל המגמטי נאגר בתאי מאגמה בבסיסם של רכסים מרכז-אוקייניים, משם חודרת המאגמה לרווח הנוצר בין שני הלוחות המתרחקים זה מזה, ויוצרת דייקים בזלתיים המתקררים באיטיות יחסית. באזורים אלה נוצרים בעיקר סלעי גברו בעלי גבישים גסים, דיאבז – הדומה לגברו בהרכבו הכימי אך גבישיו בינוניים, וסלעי הצטברות פרידוטיטיים משוכבים.

מתוך המאגר מובלת המאגמה אל פני הקרום. במהלך התפרצות תת-ימית ומפגש עם מי האוקיינוס נוצרת בזלת כרים או "לבת כרים" – מבנה בזלתי הדומה לכרים הבנוי מגבישים זעירים במעטה זכוכיתי. בגבולות פתיחה יבשתיים נפלטת המאגמה מבעד לסדקים ויוצרת שפכי בזלת יבשתיים.

גבולות סגירה
המאגמה הנוצרת בגבולות סגירה נוצרת בהתכה חלקית של סלעי בזלת מקרום אוקייני החודר אל המעטפת מתחת לקרום אחר – אוקייני או יבשתי. המאגמה נוצרת בתהליך של התכת שטף ונאגרת בתאי מאגמה. מתחת לקרום אוקייני תיווצר מאגמה בזלתית ובפליטתה ייווצרו קשתות איים, ומתחת לקרום יבשתי תיווצר מאגמה אנדזיטית ובפליטתה ייווצרו קשתות געשיות. געשיות זו של אזורי הפחתה היא המאפיין הגעשי הבולט בגבולות סגירה, אם כי היא עשויה להיווצר גם במקומות שאינם אזורי הפחתה.

מעטפת
המעטפת מורכבת בעיקרה מסלעים פלוטוניים אולטרה מאפיים כהים, דלים בסיליקה אך עשירים בתחמוצות מגנזיום וברזל. הסלע הנפוץ ביותר במעטפת הוא פרידוטיט, המורכב מאוליבין ופירוקסן. סלעים אחרים הם דוניט וקימברליט. נדיר למצוא סלעי מעטפת על-פני השטח, וקיימות שלוש דרכים עיקריות לצפות בהם:
אופיוליטים – אזור המפגש בין הקרום והמעטפת העליונה הנחשפים על-פני השטח בעקבות פעילות טקטונית
קסנוליתים של פרידוטיט ודוניט שנאספו על ידי המאגמה מדפנות המאגר בדרכה אל מחוץ לקרום ונראים בתוך סלעים געשיים
צינורות קימברליט נושאי יהלומים מתחתית המעטפת המרפדים צינורות הזנה חשופים.

תהליכי התכה

התכה בפיזיקה פירושה תהליך חימומו של חומר מוצק עד לנקודה שבה הוא הופך לנוזל. נקודה זו נקראת נקודת התכה: הטמפרטורה שבה מצבי הצבירה המוצק והנוזל נמצאים בשיווי משקל תרמודינמי. מקובל להציג נקודת התכה כאשר הלחץ החיצון הוא אטמוספירה אחת בטמפרטורת החדר. להתכה נחוץ חום כמוס – כמות האנרגיה בצורה של חום הדרושה לחומר מסוים כדי לשנות מצב צבירה.

היבט חשוב בהבנה של תהליכים מגמטיים הוא היותו של פנים כדור הארץ מוצק בעיקרו – עובדה שהוצגה במאה ה-19 על ידי לורד קלווין, אשר הוכיח זאת על בסיס המשיכה הכבידתית של השמש והירח. לא ניתן היה להוכיח זאת קודם לניתוח גלים סייסמיים, וגאולוגים סברו כי התפרצות לבה מהרי געש נובעת מזרימה כלפי מעלה של חומר המצוי במצב נוזלי תמידי במעמקי כדור הארץ. כיום ידוע כי הלחץ בחלקה העמוק של המעטפת גבוה דיו לשמור על הסלעים במצב מוצק למרות הטמפרטורות הגבוהות השוררות בה. לכן, מובן כי אזורים של פעילות געשית הם אלה שבהם נוצרת מאגמה באמצעות התכת סלעים שהיו מוצקים בעבר.

קיימות שלוש דרכים להתכת סלעים, והאסוציאציה הראשונית העולה בהקשר להתכתם היא עליית טמפרטורה, בדיוק כפי שקרח נמס בתנאים אלה. אולם, אין הדבר כך בהתכת סלעי המעטפת: במרבית המקרים מתרחשת התכת סלעים ללא עלייה בטמפרטורה וללא הסעת חום, אלא כתוצאה מירידת לחץ או משינוי בהרכב הכימי – בעיקר בשל תוספת מים המורידה את נקודת ההתכה. שני מצבים אלה מאפשרים התכה מאחר שהאנרגיה הדרושה לה כבר מצויה בסלעים בתנאים המתאימים. בנוסף, סלעים הם תערובת של מינרלים שונים, שלכל אחד מהם נקודת התכה משלו – עובדה הגורמת להרחבת טווח הטמפרטורות של התכה חלקית, גם בלחץ קבוע. נקודת ההתחלה של התכה – בה הסלע עדיין מוצק – נקראת "נקודת המוּצקוּת" (solidus), ואוסף של נקודות כאלה נקרא "עקומת מוּצקיוּת". נקודת הסיום של ההתכה – בה הסלע על גבישי המינרלים המרכיבים אותו מותך לגמרי – נקראת "נקודת הנוֹזליוּת (liquidus), ואוסף של נקודות כאלה נקרא "עקומת נוֹזליוּת". עקומות אלה מראות את טווח התנאים בהן מתרחשת המסת סלעים במעטפת העליונה ובאזורים טקטוניים וגעשיים שונים.

התכה בעליית טמפרטורה
המולקולות בחומר מוצק ערוכות במבנה מסודר והרווחים ביניהם קטנים. כאשר מחממים חומר הנמצא במצב מוצק, הטמפרטורה הפנימית שלו עולה עד שהיא מגיעה לנקודת ההתכה של חומר זה. בנקודה זו גורמת הטמפרטורה לשבירת הקשרים בין חלקיקי החומר ולהפיכתו לנוזל – מצב שבו נותר רווח קטן בין מולקולות החומר, אך הן איבדו את המבנה המסודר בו היו ערוכות קודם-לכן, כך שהתנועה בין המולקולות רבה יותר. סלעים נוהגים ככל חומר אחר במצב זה, והם יותכו כאשר הטמפרטורה בה הם נתונים תעלה לנקודת ההתכה שלהם.

התכה של שחרור לחץ
כאמור, הלחץ בחלקה העמוק של המעטפת גבוה דיו לשמור על הסלעים במצב מוצק על אף הטמפרטורות הגבוהות השוררות בו, בכך שהוא שומר על המבנה הפנימי הסדור של הסלע. שחרור הלחץ מפריע למבנה הפנימי ובכך הוא מאפשר לחום הרב להתיך סלעים. שחרור הלחץ מוביל להתכה של מאגמה בזלתית ופליטתה ברכסים מרכז-אוקייניים, בנקודות חמות ובגב קשתות איים, ועשוי לתרום במידה מסוימת להמסה גם באזורי הפחתה ובקשתות יבשתיות. התכה בתנאי שחרור לחץ תלויה במבנה הטמפרטורה של כדור הארץ, ביחסי הפאזות של סלעי המעטפת ובקיומם של זרמים אנכיים באסתנוספירה, שביכולתם להסיע חומר במהירות ללא חילופי חום משמעותיים עם הסביבה.

התכה של שחרור לחץ היא תהליך של התכה חלקית, ותמיד נשאר במעטפת תוכן מוצק מהחומר הסלעי המקורי, שאינו נכלל במאגמה. היפרדות המאגמה הנוזלית משארית התוכן המוצק הנותר במעטפת היא תוצאה של הולכת המאגמה ולא של התכה מלאה. נפח או שטף המאגמה הנוצר בהתכה תלוי באותם משתנים המשפיעים על עצם ההתכה: עובי הליתוספירה, הטמפרטורה הפוטנציאלית ונוכחות מים, כמו גם שיעור זרימת סלעי המקור במעטפת מאזור ההתכה.

התכת שטף
התכת שטף (Flux Melting) היא התכה בנוכחות נוזלים, בעיקר מים. העובדה כי באזורי הפחתה ובקשתות איים מתרחשת התכת שטף הועלתה לראשונה בשנת 1972, על אף שהטבע המדויק של התכה מסוג זה עדיין שנוי במחלוקת. באזורים אלה חודר גוש עתיק, קר וכבד של ליתוספירה אוקיינית ("הלוח הנוחת") הנושא עליו סלעי משקע ספוגים במים אל המעטפת המצויה מתחת ללוח אחר ("הלוח הרוכב"). נוכחות המים בלוח הנוחת מורידה את נקודת ההתכה של הסלעים בתחתית הלוח הרוכב וגורמת ליצירת המאגמה.

הלוח הנוחת נותר קר יחסית, ורק סלעי המשקע שהצטברו עליו מותכים ישירות. התכה זו יוצרת נוזל מגמטי הנע כלפי מעלה לחלקה הרדוד של המעטפת מתחת ללוח הרוכב ומשנה את הרכבה. במרכיבים הבבזלתיים המצויים בעומק רב יותר בקרום הנוחת מתרחשת דהידרציה (dehydration) – תגובה הגורמת לפליטת מולקולת מים ממולקולה גדולה יותר – היוצרת נוזל עשיר במים, דבר הגורם למאגמה להיות נפיצה יותר.

נתך סלעים
קיימת הבחנה בין "דוֹרוֹת" של מאגמה, החשובה להבנת מוצאם של הסלעים הנוצרים ממנה:
נתך ראשוני – כאשר סלע ניתך, הוא יוצר נוזל הנקרא "נתך ראשוני". נתכים ראשוניים קודמים לתהליך של גיבוש מפריט, ולכן מייצגים את נקודת המוצא של ההרכב המגמטי. בטבע נדירים נתכים ראשוניים, ודוגמה לנתך ראשוני כזה הוא עורקים ועדשות גרניטיים של מיגמטיטים. נתכים ראשוניים הנובעים מהמעטפת חשובים במיוחד ונקראים "נתכים פרימיטיביים" או "מאגמה פרימיטיבית". בהגדרת ההרכב של מאגמה פרימיטיבית ברצף מגמטי הנוצר בהתכה ניתן לדגום את הרכב הסלעים מהם נוצר הנתך – נתון חשוב המאפשר להכיר באופן עקיף את הרכב המעטפת.
נתך הורי – הרכב מאגמה ממנו נובע טווח של הרכבים לאחר גיבוש מפריט. במקרה שלא ניתן לנתח את הרכב הנתך הראשוני ישירות, ניתן לנסות ולנתח אותו מהרכבים שניוניים. דוגמה: סדרה של זרמי בזלת עשויים לנבוע מנתך הורי אחד, וניתוח הרכבם וההבדלים ביניהם באמצעות מודלים של גיבוש מפריט יוביל להגדרת הנתך ההורי.
סלע הצטברות – גיבוש מפריט והצטברות הגבישים שנוצרו במהלכו יוצרים סלעי הצטברות, שזיהויים ככאלה חיוני לזיהוי הנתך הראשוני ממנו נוצרו. הבחנה חשובה נוספת נוגעת לזיהוי המינרלים המצטברים שנפרדו מהמאגמה, גם במקרה של סלעים שאינם נושאים פנוקריסטים.

גיבוש מפריט

גיבוש מפריט הוא שורת תהליכים הדרגתיים של התבדלוּת והתגבשות מינרלים שונים במאגמה במהלך התכתה, התקררותה, הובלתה והתפרצותה כלבה. לכל מינרל נקודת התכה משלו כאשר הטמפרטורה עולה, שהיא גם נקודת ההתגבשות שלו כאשר הטמפרטורה יורדת.

התגבשות המאגמה לסלעים היא תהליך ממושך ומורכב, המתחיל בהתגבשותם של המינרלים בתוך התמיסה המגמטית. כל מינרל מתגבש כאשר הוא שואב את האטומים הנחוצים לו מתוך הנוזל המגמטי. לאחר התגבשותו ישתנה הרכב הנוזל ויכיל ריכוז נמוך יותר ויותר של האטומים ששימשו לבניית המינרל.

בהתגבשותם מתוך המאגמה במאגר כלשהו – תא מאגמה או סדק בקרום – יוצרים המינרלים סלעי יסוד פלוטוניים וגעשיים. הגיוון בהרכב סלעי היסוד נובע מהתפתחות מאגמות שונות בהרכבן, שהובלו ממקום היווצרן המקורי לעומק רדוד בו החלו להתגבש או אל פני השטח. מערכת התהליכים הראשונית המתרחשת במאגמה לאחר הובלתה כוללת:
התגבשות חלקית – תהליך המתרחש במהלך התקררות המאגמה ובו צומחים גבישים מתוך הנוזל ונבדלים כימית ופיזיקלית מהנוזל המשתנה.
התמזגות של חומרים זרים – מנגנון המעלה את תכולת הסיליקה במאגמה ומתרחש כאשר מאגמה בסיסית חמה חודרת אל סלעי קרום פלסיים קרים, מתיכה אותם וסופגת מהם מרכיבים המשנים את הרכבה המקורי.
התחדשות מלאי המאגמה –הזרקת מאגמה חדשה, חמה ולא מובדלת גורמת להפרעות בהתגבשות המינרלים באמצעות תוספת חום, שינוי הרכב כימי ושינוי בנקודה האוטקטית בה מתקיימת השפעת גומלין בין שני מינרלים, המורידה את נקודת ההתכה וההתגבשות שלהם בהתאם לנוכחותם היחסית בתמיסה.
עירוב מאגמות – תהליך המעיד על מפגש בין שני סוגים של מאגמה, בו נוצר הרכב כימי משותף לשניהם, באמצעות התכת סלעי סביבה וחדירת מאגמה זרה, שונה בהרכבה מהמאגמה המקורית, למאגר.

הובלת המאגמה
זרימת לבה או התפרצויות מתפוצצות הן הביטוי האלים לפעילות המתרחשת עמוק בתוך כדור הארץ. תהליכי ההתכה החלקית יוצרים תערובת נוזלית הנפרדת מהמאגר ומובלת לעומקים רדודים. הובלתה זו של המאגמה מאזורי ההתכה לאזורי הפליטה וההתפרצות הוא תהליך מגמטי יסודי.

קיימים כמה מנגנוני הובלה של מאגמה, והגורם העיקרי המניע אותם הוא כוח עילוי, המושפע מהבדלי הצפיפות בין המאגמה לסלעי הסביבה.

זרימה בנקבוביות

השלב הראשוני של היפרדות הנתך מן הסלע הוא זרימה בנקבוביות הנוצרות בסלע עם תחילת ההתכה. מרקם סלעים בהרכב מעטפת מראה כי בשלבים ראשוניים של ההתכה חלקית בטמפרטורות השוררות במעטפת, הנתך מאורגן ברשת של צינוריות לאורך גבולות הגבישים היוצרים את המשקע המוצק. הנתך יוצר אם כן רשת דרכה הוא יכול לזרום ביחס לגבישים המוצקים, זרימה המונעת על ידי מפל לחצים הנובע בעיקר מכבידה אך גם בשל חדירוּת הסלע וכוחות גזירה הפועלים במהלך עיוותו. אף-על-פי שהקשר המדויק אינו ידוע, חדירות היא פונקציה גדלה והולכת של כמות הנתך הקיים, כך שיותר נתך יכול לזרום באזור בו קיים יותר נתך. זרימה בנקבוביות היא תהליך איטי למדי של הובלת נתך, והיא נחשבת כמאפשרת איזון כימי מתמשך בין הנוזלים והמוצקים בתנאי מעטפת. במקרים מסוימים, איזון כימי כזה יכול לגרום להתכת-יתר ולהגדלת נפח הנתך. מאחר שהגדלת נפח זו מגבירה כאמור את החדירות, זרימה מוגברת עשויה להוביל להתכת-יתר נוספת ולהתפתחות חוסר יציבות המגדילה את הנקבוביות של מסת האם הסלעית. תהליך זה חשוב להפרדה של מאגמה בזלתית מן המעטפת, לקביעת המאפיינים הכימיים של בזלת ברכסים מרכז אוקייניים ולהסבר סוגי הסלעים השונים ותפוצתם במחשופים שהיו בעבר חלק מהמעטפת האוקיינית. דוגמה לכך ניתן לראות ברצועות הדוניט וההרצבורגיט באופיוליט הנחשף בעומאן.

דיאפיריות

בנוסף לזרימה היחסית בין נתך נוזלי לבין מוצקים בהתכה חלקית, צבר גדול של נתך כזה עשוי לנדוד מן הסביבה בה נוצר. כאשר מסה של צבר כזה זורמת כלפי מעלה באמצעות כוח הציפה, הוא נקרא דיאפיר, וזרימה כלפי מעלה של חומרי מעטפת באמצעות תימרת מעטפת נקראת "דיאפיר מעטפת". הדיאפיר מגיב כחומר פלסטי כאשר מופעל עליו מאמץ בעומק רב, והוא חודר לסלעי הסביבה, נקרש ויוצר בהם מעין פקק.

ניתוח של ראיות גאולוגיות ומודלים נומריים במסיב קונדיור (Kondyor Massif) – מחדר עגול שקוטרו כ-8 ק"מ במזרח רוסיה – מראים כי דיאפיר מעטפת טרנס-ליתוספרי (חוצה ליתוספירה) אינו זקוק לפעילות טקטונית אזורית כדי להתקיים אלא נובע מהפרעה ראולוגית המאפשרת זרימת מאגמה. מסקנת המחקר היא כי תהליך זה נפוץ ועשוי להסביר תוואים דמויי-מכתש בכדור הארץ העתיק ובכוכבי לכת ארציים אחרים. התהליך במסיב קונדיור מוסבר בכך שסלעי המעטפת הליתוספרית הגיבו בחריפות לנתכים הנובעים ממקורות עמוקים, וחוסר היציבות שנבע מהצטברות של נתך עשיר במומסים דחק סלעי דוניט אל הקרום כדיאפיר. תוצאות המחקר מראות כי דיאפיריות טרנס-ליתוספרית היא מנגנון שריר להעתקת נתך, ועשוי להיות מנגנון נפוץ לתחילת ביקוע יבשות שתוצאתו שבירת הליתוספירה מעל תימרות מעטפת. מסקנה נוספת של המחקר היא כי דיאפיר מעטפת טרנס-ליתוספרי הוא דרך חשובה להעברת מסה בכדור הארץ. מחקר נוסף, הנשען על ראיות שהתקבלו מלוויין למיפוי כבידה, גורס כי רעידות אדמה בעוצמות גבוהות נגרמות על ידי דיאפיריות ראולוגית של חומרי קרום-מעטפת.

הזרקת דייק

זרימה בנקבוביות בתוך הליתוספירה הופכת אמצעי לא יעיל להובלת נתך מאחר שהטמפרטורות הנמוכות ביחד עם הסעת החום גורמות להולכה איטית של המאגמה במעטפת ולכן לקרישתה. תהליך זה הופך על פניו את החדירוּת באסתנוספירה וחוסם את צינוריות ההובלה באמצעותן יוצר הנתך מגע עם הסלעים. כמו כן, החוזק הפלסטי של המינרלים גובר עם ירידת הטמפרטורה לנקודה בה הגבישים המארחים אינם יכולים לנוע על-מנת לאפשר שינויים בנתך. מצד שני, מצב זה מאפשר ללחץ הדיפרנציאלי להתעצם במקום להיחלש. הלחץ הדיפרנציאלי גורם לחולשה בסלע, וכתוצאה ממנה לפריכותו וסדיקתו, ולכן הובלת הנתך בעומקים רדודים נשלטת על ידי היווצרות סדקים דרכם נע הנתך. תהליך זה נקרא "הזרקת דייק", והנתך שהתגבש בסדקים אלה וחוצה את שכבות הסלע שקדמו לחדירתו נקרא דייק.

מטבעה, הזרקת דייק היא תהליך אפיזודי-מקומי, מאחר שדרוש מאמץ רב ליצירת נקודות חולשה וסדקים בסלע ולהובלת צבר גדול של מאגמה מבעד לסדקים אלה. מצד שני, זרימה בנקבוביות היא תהליך מתמשך, והמעבר בינה לבין הזרקת דייק – הקשורה בהובלת המאגמה מהאסתנוספירה לליתוספירה – כרוכה באגירת הנוזל המגמטי במאגרים זמניים, שהם למעשה תאי מאגמה בהם מתרחש הגיבוש המפריט.

התפרצות געשית

השלב האחרון בהובלתה של המאגמה הוא פריצתה אל פני השטח כזרמי לבה או כאפר געשי בהתפרצות געשית. המאגמה הנתונה בלחץ רב במאגר מחפשת מוצא באמצעות סדקים בקרום. סדקים אלה עשויים להיות חסומים ואינם מובילים אל פני השטח אלא כלואים בתוך הקרום, דוגמת מחדרים פלוטוניים דוגמת סיל ודייק. לעומת זאת, סדקים המובילים אל פני השטח נקראים צינורות הזנה, ואלה נפערים באמצעות הלחץ העצום הדוחף את המאגמה כלפי מעלה. צינור הזנה עשוי להיסתם בין התפרצות אחת לשנייה באמצעות פקק געשי או כיפה געשית, ובמהלך ההתפרצות הבאה עשויה המאגמה לפוצץ ולפורר את הפקק או לפרוץ צינור הזנה חדש.

המקום בו התוצרים של התהליכים המגמטיים השונים – בצורה של לבה או אפר געשי – זורמים או מתפוצצים בפני השטח, נקרא הר געש.

תפוצה

כאמור, מאחר שלא ניתן כמעט לראות מאגמה במקום היווצרה, העדויות לקיומה הן הרי געש וסלעי יסוד, גם בכדור הארץ וגם במערכת השמש.

מאגמה בכדור הארץ
אם כי סלעי משקע מכסים את מרבית הקרום, נפחו נשלט על ידי סלעי היסוד – תוצריה של המאגמה. קל לשער קיום מאגמה ותהליכים מגמטיים בשולי לוחות – בגבולות פתיחה וסגירה גם יחד. עם זאת, אזורים געשיים רבים הם פנים-לוחיים, דוגמת איי הוואי, האיים האזוריים, האיים הקנריים ואיי קייפ ורדה – המצויים בתוך לוחות אוקייניים, הגם שחלקם סמוכים לגבול לוח. געשיות פנים-לוחית מצויה גם בלוחות יבשתיים: מישור הנהר סנייק באיידהו, קלדרת ילוסטון במונטנה, קו התלים הישראלי ומרכזים געשיים רבים באפריקה הם רק חלק ממאות ריכוזים געשיים פנים-לוחיים הפעילים בהווה.

מאגמה מחוץ לכדור הארץ

בגופים שונים במערכת השמש קיימים הרי געש – חלקם פעילים וחלקם כבויים. שרידים לפעילות געשית בירח נמצאו בימות, שרבות מהן מהוות משטחי בזלת נרחבים. גם במאדים התקיימה פעילות געשית, שהשתמרה באולימפוס מונס – הר הגעש הגבוה ביותר במערכת השמש. קרוב ל-90% מפני השטח של נוגה נראים כמכילים לבה בזלתית קרושה חדשה יחסית ועל פניו נראים הרי געש נישאים. על איו, ירחו של שבתאי, מתנשא הר הגעש טוושטר (Tvashtar). זוהו הרי געש גם על טריטון – ירחו של נפטון, על אנקלדוס – ירח נוסף של שבתאי, ובגופים אחרים כגון אירופה, טיטאן, גנימד, מירנדה וקווה-וואר בחגורת קויפר.

ראו גם
גאולוגיה - מונחים
וולקנולוגיה
לבה
הר געש
התפרצות געשית
פטרולוגיה
סלע יסוד
סלע הצטברות
סביבת היווצרות

לקריאה נוספת

Encyclopedia of Volcanoes, Academic Press,  ,עמ' 55–245
 Encyclopedia of Geology, Elsevier Academic Press, First edition 2005, , כרך 3, עמ' 209–217
Marjorie Wilson, Igneous Petrogenesis: A Global Tectonic Approach, 1987,  וגם בגוגל ספרים

קישורים חיצוניים

 שלמה שובאל, צפונות כדור הארץ, האוניברסיטה הפתוחה (דורש הרשמה לאתר) ובגוגל ספרים

הערות שוליים

וולקנולוגיה
פטרולוגיה