גיבוש מפריט

גיבוש מפריט בגאולוגיה 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. הנקודה בה מתרחשת ראשית ההתגבשות בעת שחומרי הבנייה של הגביש מותכים נקראת "נקודת הנוֹזליוּת" (liquidus), ואוסף של נקודות נוזליות נקרא "עקומת נוֹזליוּת". הנקודה בה הגביש מוצק לגמרי ואין חומרי בנייה מותכים נקראת "נקודת המוּצקוּת" (solidus), ואוסף של נקודות מוצקות נקרא "עקומת מוּצקיוּת".

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, התמזגות של חומרים זרים, התחדשות מלאי המאגמה ועירוב מאגמות.

המאגמה

מקור החום בכדור הארץ הוא בתהליכי פירוק רדיואקטיביים המתחוללים בגלעין. עם זאת, סלעי המעטפת מצויים במצב של מוצק ראידי בשל הלחץ הרב השורר בה. המאגמה נוצרת בשלושה תהליכי התכה:
התכה בעליית טמפרטורה – כאשר מחממים סלע הנמצא במצב מוצק, הטמפרטורה הפנימית שלו עולה עד שהיא מגיעה לנקודת ההתכה של סלע זה. בנקודה זו גורמת הטמפרטורה לשבירת הקשרים בין חלקיקי החומר ולהפיכתו לנוזל. התכה מסוג זה אינה נפוצה, ובמרבית המקרים מתרחשת התכת סלעים ללא עלייה בטמפרטורה.
התכה של שחרור לחץ – 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.
התכת שטף – התכה בנוכחות נוזלים, בעיקר מים, המתרחשת באזורי הפחתה ובקשתות איים. באזורים אלה חודר גוש עתיק, קר וכבד של ליתוספירה אוקיינית, הנושא עליו סלעי משקע ספוגים במים, אל המעטפת המצויה מתחת ללוח אחר. נוכחות המים מורידה את נקודת ההתכה של הסלעים וגורמת ליצירת המאגמה.

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 לתהליכי גיבוש מפריט ומייצגים את נקודת המוצא של ההרכב המגמטי. נתכים ראשוניים הנובעים מהמעטפת חשובים במיוחד ונקראים "נתכים פרימיטיביים" או "מאגמה פרימיטיבית".
נתך הורי – הרכב מאגמה ממנו נובע טווח של הרכבים לאחר גיבוש מפריט.
סלע הצטברות – גיבוש מפריט והצטברות הגבישים שנוצרו במהלכו יוצרים סלעי הצטברות, שזיהויים ככאלה חיוני לזיהוי הנתך הראשוני ממנו נוצרו.

חזית התגבשות

היחס המרחבי בין הנוזלים והמוצקים מגדיר את חזית ההתגבשות של כל גוף מגמטי. לאורך חזית זו עוברת המאגמה ממצב נוזלי לחלוטין בחלקה הפנימי למצב מוצק לחלוטין בשוליה. מעטה מוצק זה דק מאוד בתחילת דרכו, והוא מתעבה וחודר במהלך ההתגבשות לחלקו הפנימי של המאגר עד לנקודת ההתגבשות הסופית שלו. בכל חזית התגבשות קיימת חלוקה דינמית וראולוגית שחלקיה העיקריים:
אזור התרחיף – מתחיל בשוליים הנוזליים של חזית ההתגבשות, אזור דליל בעל גבישים קטנים המסוגלים לנוע באופן חופשי יחסית ואף להימלט מן החזית
חזית לכידה – אזור צמיג יותר בו הגבישים המתפתחים יכולים לנוע אך אינם יכולים להימלט ממנו
אזור צמיג – אזור המתאפיין בצמיגות גבוהה ובו מפריעים הגבישים זה לתנועת זה
אזור קשיח – אזור השוליים של המאגר בו עקומת המוצקוּת מגיעה ל-100%

ההכרה בחשיבותה של חזית ההתגבשות איפשרה לראות תמונה ברורה של התבדלות והיפרדות הגבישים מהמאגמה. מתמונה זו עולה כי במהלך המחצית הראשונה של ההתגבשות מתרחש שינוי כימי קטן יחסית בנתך והיפרדות הגבישים נוחה, ואילו השינוי העיקרי מתרחש במחצית השנייה – בו היפרדות הגבישים קשה יותר ואף בלתי-אפשרית.

שלבי התגבשות
מאחר שגוף מגמטי אינו מתקרר בבת-אחת, הוא גם אינו מתגבש בבת-אחת אלא בשלבים:
שלב אורתומגמטי – שלב התגבשות זה הוא העיקרי בשלבי ההתגבשות, ובו חל רוב הגיבוש המפריט. החומרים המתגבשים בשלב זה כוללים סיליקטים ויסודות מתכתיים שנקודת ההתגבשות שלהם גבוהה. בשלב זה ייווצרו גבישים קטנים שגודלם לא יעלה על מילימטרים אחדים. בעקבות התגבשותם קטן נפח הנוזל המגמטי, והגזים האצורים בו יוצרים לחץ גבוה על דפנות המאגר.
שלב פנאומטוליטי (Πνεύμα ביוונית: פנאומה – רוח, נשימה) – שלב שבו לחץ הגזים גבוה במיוחד ועשוי לגרום לסדיקת הקרום ולפליטה של לבה אל פני השטח באמצעות התפרצות געשית.
שלב פגמטיטי – לאחר השלב האורתומגמטי הופכת המאגמה הנותרת לנוזל בצמיגות נמוכה, ולחץ הגזים דוחק אותה אל דפנות המאגר ולתוך סדקים בקרום. מאחר שבשלב זה הנוזל דליל, מתאפשרת תנועה חופשית של יונים הגורמת לצמיחת גבישים גדולים במיוחד – פגמטיטים. 
שלב הידרותרמי – חדירת הנוזל המגמטי לסלעי הסביבה יוצרת מגע בין המאגמה ובין מי תהום, המתחממים בשל מגעם עמה או אף בשל קרבתה. המים נושאים עמם יונים של מתכות וחומרים שונים, אותם המסו מסלעי הקרום. חומרים אלה יושקעו בסופו-של-דבר כעורקים מינרליים או מרבצים הידרותרמיים של עפרות. תהליכים אלה מתרחשים בשלושה טווחי טמפרטורות: שלב היפותרמי – 300-500°C, שלב מֵזוֹתרמי – 120-300°C ושלב אֶפִּיתרמי – 120°C ומטה.

סדר ההתגבשות

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.

התבוננות מיומנת בשקף של סלעי יסוד מאפשרת לראות איזה מן המינרלים היה הראשון להתגבש, וכן את סדר ההתגבשות של המינרלים האחרים. את המינרל הראשון ניתן לזהות באופן בו התגבש: הוא יתגבש בחופשיות, ללא הפרעה, מאחר שגבישים אחרים לא עמדו בדרכו והיה לו מקום להתפתח. המינרל שיתגבש אחריו ייאלץ להתגבש בחללים שבין גבישי המינרל הראשון, וגם הבאים אחריו יתגבשו בחללים ריקים, לפי הסדר.

שורת בואן

סדר התגבשות המינרלים היה נושא מחקרו של הפטרולוג נורמן לוי בואן. בואן עשה זאת בהתיכו אבקות של מינרלים, קירר את הנתך ובחן מבעד למיקרוסקופ את התגבשותם. הוא בדק את הטמפרטורה בה נוצרו הגבישים והשווה אותה לזו שבה נוצרו מינרלים אחרים, וכך מצא סדר התגבשות ברור. בשנת 1911 הציג בואן את שורת בואן הקרויה על שמו – תרשים המתאר את תהליך הגיבוש המפריט של מינרלים במאגמה בטמפרטורות שונות ואת אופן גיבושם של סלעים שונים ממאגמת-אם אחת. התרשים מציג את התגבשות המינרלים במאגמה כתוצאה מירידה הדרגתית של הטמפרטורה. בהתבסס על עבודתו של בואן ועל הרכב המינרלים המצוי בסלע מסוים ניתן לשער מה היו התנאים בהם נוצר הסלע.

לפי בואן, המינרלים אינם מתגבשים בבת-אחת, אלא בסדר קבוע הנובע מטמפרטורת ההתגבשות שלהם: ב-1,800°C תחל התגבשותו של אוליבין עשיר במגנזיום, ובשלב זה פוחת ריכוז המגנזיום בתמיסה. באותה טמפרטורה מתחיל להתגבש גם אנורתיט – פלגיוקלז עתיר-סידן. השלב הבא מתרחש ב-1,500°C, אז מתחיל להתגבש אוליבין עשיר בברזל, שבסופו פוחת ריכוז הברזל בתמיסה ועולה ריכוז הנתרן, האשלגן, האלומיניום והצורן. התגבשותו של פירוקסן תחל ב-1,300°C וזו של אמפיבול, אלביט – פלגיוקלז עתיר-נתרן – וביוטיט תתרחש בין 1,100-1,000°C. ב-800°C תחל התגבשותו של אורתוקלז, והרכבה הכימי של התמיסה ישוב וישתנה עד התעשרותה בסיליקה והתגבשותו של קוורץ ב-600°C.

בעיות בשורת בואן

הרכבים שונים של מאגמה
למעשה, שורת בואן בוחנת מאגמה היפותטית, מאחר שאין סוג מאגמה אחד המכיל את כל המרכיבים לגיבוש מפריט מושלם שכזה. קיימים שלושה סוגים של מאגמה שהרכבם שונה והם נפוצים בחלקים שונים של כדור הארץ:
מאגמה בזלתית – אופיינית לסביבת העתקים ולרכסים מרכז-אוקייניים. מאגמה בצמיגות נמוכה המאפשרת בריחת גזים, ולכן יוצרת התפרצויות שקטות וזרימה חופשית של לבה.
מאגמה אנדזיטית – אופיינית לאזורי הפחתה, לקשתות איים ולקשתות געשיות. מאגמה בצמיגות בינונית המאפשרת הימלטות של חלק מהגזים, כך שנותרים מספיק גזים ליצור התפרצויות מתפוצצות בעוצמות שונות. כמות הגז המעורבת קובעת את עוצמת ההתפרצות.
מאגמה גרניטית – 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 – שצפיפותה הרבה מותירה את הגזים לכודים בתוכה, ולחצם גורם להתפרצויות-על, דוגמת זו שיצרה את שלוש הקלדרות רחבות-הממדים של ילוסטון.
ביטוי מתאים יותר לסוגי המאגמה השונים ולסלעים הנוצרים מהם ניתן לראות בתרשים היווצרות הסלעים.

הרכבים שונים של מינרל

בעיה נוספת בשורת בואן נובעת מהרכבם הכימי של מינרלים. שורת בואן מניחה כי הרכבו של כל מינרל זהה תמיד בכל מאגמה בה הוא מצוי, אולם אין הדבר כך. דוגמה אחת היא הרכבו הכימי של אוליבין: Fe,Mg)2SiO4). הסוגריים מצביעים על אפשרויות שונות של נוכחות ברזל או מגנזיום: אחד מן השניים או נוכחות של שניהם ביחסים מגוונים. כלומר, הרכב האוליבין עשוי להשתנות ולכן גם נקודת ההתכה וההתגבשות שלו. למעשה, אוליבין מתגבש בטווח של נקודות התגבשות.

מצב דומה מתקיים במינרלים נוספים במאגמה:
פירוקסן – קבוצה של מינרלים סיליקטיים שנוסחתם הכימית בנויה כווריאציות של  XY(Si,Al)2O6, כאשר X הוא לרוב מגנזיום או ברזל בפירוקסנים האורתורומבים וסידן, נתרן, ברזל או מגנזיום במונוקלינים. מנגן, אבץ או ליתיום נפוצים בכמויות קטנות אך לעיתים הם היונים העיקריים. Y מייצג את היונים בעלי הרדיוס הקטן יותר, בדרך כלל מגנזיום או ברזל אך לעיתים כרום, אלומיניום, מנגן, סקנדיום, טיטניום וונדיום.
אמפיבול – קבוצה של מינרלים אינוסיליקטים שהרכבם מגוון.
ביוטיט – מינרל מקבוצת הנציצים שהרכבו הכימי מכיל משתנים רבים.
מצב זה שונה בקוורץ – שנוסחתו הכימית SiO2 פשוטה וקבועה. אולם, גם קוורץ אינו מתגבש בנקודה אחת בלבד אלא בטווח של נקודות התגבשות, אם כי הסיבה לכך אינה ידועה.

בנוסף, ניתן לראות בתרשים טווחי ההתגבשות כי כמה מינרלים עשויים להתגבש באותה טמפרטורה – נתון שלא בא לידי ביטוי בשורת בואן.

תהליכי התבדלות

גיבוש מינרלים במאגמה נובע מהתקררות הנוזל המגמטי. קצב התקררותה של המאגמה בפנים כדור הארץ איטי בדרך-כלל – מעלה צלזיוס אחת בערך במיליון שנים, והסיבה לכך היא הידלדלות החומרים הרדיואקטיביים. גורמים נוספות להתקררות הם זרמי הערבול – באמצעות העברת חום מן הליתוספירה אל האוקיינוסים והאטמוספירה, ולחצם של לוחות טקטוניים הדוחק את המאגמה אל סלעי הקרום הקרים.

בתוך הנוזל המגמטי נוצרים גבישים, אך אלה אינם נותרים במקום היווצרותם: הפרדה כבידתית משקיעה את הגבישים הכבדים אל תחתית המאגר ומציפה את הקלים אל חלקו העליון, כאשר שקיעה וציפה של גבישים תלויה בגודלם, ביחסי הצפיפות בין הגבישים והמאגמה ובצמיגות הנוזל. עם זאת, חלק מהגבישים ניתך וחומרי הבנייה שלהם שבים אל המאגמה, בעוד גבישים אחרים עשויים לרחף בנוזל – כך שהפרדת הגבישים מהנוזל אינה מלאה.

מכלול מנגנוני ההתבדלות נקרא "תהליכי FARM", ראשי תיבות של Fracional crystallization, Assimilation, Replenishment and Magma mixing – התגבשות חלקית, מיזוג, חידוש מלאי ועירוב מאגמות.

התגבשות הדרגתית
התהליך העיקרי הנוגע לסלעי יסוד באזור מסוים הוא התגבשות הדרגתית. בתהליך זה, המתרחש במהלך התקררות המאגמה, צומחים גבישים מתוך הנוזל ונבדלים כימית ופיזיקלית מהנוזל המשתנה. הצטברות של גבישים אלה יוצרת סלעי הצטברות. בדיקה של שארית הנוזל מתאפשרת באמצעות ניתוח הרכבם של הסלעים שנוצרו בשלבים מאוחרים יותר. דוגמה לכך היא רצף בזלתי שנקדח באזור מצומצם ברכס המרכז-אטלנטי המראה התבדלות ראשונה של אוליבין, בעקבותיה התבדלות של אוליבין ופלגיוקלז ולבסוף התבדלות של אוליבין, פלגיוקלז ואוגיט. תחתית הקרום והמעטפת העליונה ברכסים מרכז-אוקייניים מכילים את הסלעים שנוצרו כתוצאה מהתבדלות אותם מינרלים: דוניט, טרוקטוליט (troctolite) וגברו, בהתאמה. לכן יש בהתגבשות הדרגתית הסבר להבדלים המינרלוגיים בין סלעים פלוטוניים והגעשיים הנוצרים כתוצאה מהשתנות המאגמה: מאותו נוזל ראשוני מתפתח מגוון של סלעים.

המשתנים החשובים בהתגבשות הדרגתית הם הלחץ בו היא נתונה, נוכחות מים וחימצון של תא המאגמה ובעיקר הרכבה הראשוני של המאגמה – פלסית או מאפית: באזורי הפחתה, למשל, מתחיל הגיבוש המפריט במאגמות עשירות בסיליקה.

מיזוג חומרים זרים

מיזוג הוא מנגנון אחד להפיכתן של מאגמות ראשוניות מאפיות ואולטרה-מאפיות למאגמות פלסיות במעברן דרך הקרום. המיזוג מתרחש כאשר מאגמה בסיסית חמה חודרת אל סלעי קרום פלסיים קרים, מתיכה אותם וסופגת מהם מרכיבים המשנים את הרכבה המקורי. מיזוג כזה מעלה את תכולת הסיליקה במאגמה.

חידוש מלאי
מערכות מגמטיות הן מערכות בשלבים, ועשויות להיות מופרעות על ידי הזרקת מאגמה חדשה, חמה ולא מובדלת. תוספת המאגמה גורמת להפרעות בהתגבשות המינרלים בשלוש דרכים:
תוספת חום – חימום מחדש מוסיף אנרגיה רבה המאפשרת זרימה עזה בתוך הנתך. זרימה זו מאפשרת ספיגה חוזרת של גבישים שנוצרו בשלבים קודמים בחזרה אל תוך הנתך, ועשויה לגרום למינרלים שכבר התגבשו להינתך שנית.
שינוי הרכב – תוספת המאגמה – גם אם היא זהה להרכב המאגמה הראשונית – תשנה את ההרכב הכימי של התמיסה בכך שהיא מוסיפה לה מרכיבים שכבר יצאו ממנה בשלבי גיבוש קודמים.
שינוי בנקודה אוטקטית (טקטוס ביוונית: ניתך בקלות) – הנקודה האוטקטית היא מצב בו מתקיימת השפעת גומלין בין שני מינרלים, המורידה את נקודת ההתכה וההתגבשות שלהם בהתאם לנוכחותם היחסית בתמיסה. חדירה של מאגמה טרייה למאגר מפרה שיווי משקל זה. השינוי בהרכב ובטמפרטורה עשוי לגרום לשינויים מהירים בהתגבשות המינרלים.

עירוב מאגמות
עירוב או הטמעה של מאגמות הוא תהליך המעיד על מפגש בין שני סוגים של מאגמה, היוצר הרכב כימי משותף לשניהם. תהליך זה מתרחש בשני אופנים:
התכת סלעי סביבה – גושים של סלע בדפנות המאגר ניתקים ונופלים אל תוך המאגמה, ניתכים ונטמעים בה. להבדיל ממיזוג, בתהליך זה נוספים למאגר כל החומרים המרכיבים את הסלע הזר, ולא רק חלק מהם. התכה חלקית של סלעי הדופן תותיר במאגמה קסנוליתים מוצקים.
חדירה זרה – מאגמה זרה – השונה בהרכבה מהמאגמה המקורית – חודרת למאגר מבעד לסדקים בדפנות.
בדומה למיזוג, גם כאן לרוב מדובר במאגמה מקורית מאפית או אולטרה-מאפית – למשל מאגמה בזלתית – שחודרים אלה חומרים פלסיים – למשל גרניטיים או ריוליטיים, וגם כאן תעלה תכולת הסיליקה במאגמה.

מנגנונים נוספים

קיימים שני מנגנוני-משנה נוספים באמצעותם מתרחשת התבדלות:

שולי לכידה
הסעת המאגמה במאגר גדול נתונה לתהליכי גומלין של כוחות הנוצרים באמצעות הסעת חום וכן מהתנגדות הנובעת ממפגש עם דפנות המאגר הנוצרת באמצעות צפיפות, תנועה במאגמה וחיכוך. לרוב מצויות בשולי המאגר שכבות קונצנטריות צמיגות וקרות הנמשכות מהדפנות פנימה, הנבדלות בצפיפותן ובטמפרטורה שלהן. שכבות אלה מורכבות מפסי זרימה (Flow banding) הנוצרים בהתגבשות חלקית, כאשר בשולי פס הזרימה נלכדים גבישים הנפרדים מהנתך. החיכוך בין המאגמה לדפנות המאגר וצמיגות המאגמה גורמים לפנוקריסטים וקסנוליתים במאגמה להאט בשולי הזרם, והם נלכדים בשכבה צמיגה. מצב זה יוצר מערך שכבתי, העשוי להיסגר וליצור במאגר חללים נפרדים בהם תמשיך ותתקיים התבדלות. דבר זה עשוי לשנות את הרכב המאגמה בחללים ובמחדרים גדולים.

מיצוי של התכה חלקית
לאחר שהמאגמה נלכדה בחלל נפרד, היא ממשיכה להתקרר ולגבש מינרלים. במצב זה עשויה להימשך יצירת מערכים שכבתיים והשתנות נוספת של הרכב המאגמה בחלל. למעשה, תהליך זה הוא התגבשות חלקית יסודית, אלא שהוא מתקיים במאגמה שהיא דור שלישי – שריד הנוצר לאחר שנתך "בת" מוצה. בחללים אלה המאגמה ממשיכה להתקרר, אך המינרלים שהיא יוצרת והרכבה השיורי לא יתאימו לאלה של הנתך ההורי.

איזור בגיבוש מפריט

אחת מן התופעות המעניינות בגיבוש מפריט, הנובעת מתגובה כימית בין המאגמה לבין המינרלים שהתגבשו מתוכה, היא אִיזוּר (zoning) – היווצרות אזורי צבע מקבילים בגביש הנובעים משינוי בתמיסה המגמטית. דוגמה לכך היא איזור בפלגיוקלז, כאשר בטמפרטורה גבוהה מתגבש אנורתיט – פלגיוקלז עתיר-סידן, ובטמפרטורה נמוכה יותר מתגבש סביבו אלביט – פלגיוקלז עתיר-נתרן. דוגמה נוספת היא גבישי פירוקסן הנעטפים באמפיבול. משטח החיבור בין המינרלים השונים הבונים גבישים אלה נקרא "שולי תגובה". דוגמה נוספת היא קוורץ, אשר נוצר בו איזור בעת חדירת חומרים זרים לתמיסה, במקרים רבים זיהומים ברזליים או השפעה הדדית של ברזל ואלומיניום כמו באחלמה.

ראו גם
גאולוגיה - מונחים
מינרל
וולקנולוגיה
מאגמה
לבה
פטרולוגיה
סלע יסוד
סלע הצטברות

לקריאה נוספת

 Encyclopedia of Geology, Elsevier Academic Press, First edition 2005, , כרך 3, עמ' 215-217
Encyclopedia of Volcanoes,  , Academic Press, עמ' 191-200
Marjorie Wilson, Igneous Petrogenesis: A Global Tectonic Approach, 1987, , עמ' 73-89 וגם ב גוגל ספרים

קישורים חיצוניים
 שלמה שובאל, צפונות כדור הארץ, האוניברסיטה הפתוחה (דורש הרשמה לאתר) וב גוגל ספרים

הערות שוליים

מינרלוגיה
וולקנולוגיה
פטרולוגיה