וולקנולוגיה
היסטוריה של המחקר הוולקנולוגי > זרמי ערבול ונדידת יבשות

גילוי הרדיואקטיביות עורר התרגשות עזה בקרב מדענים, שמיהרו ליישם אותה בניסיונם להבין את כדור הארץ. בשנת 1903, עת גילה פייר קירי כי חומרים רדיואקטיביים משחררים חום, הצביע הפיזיקאי האירי ג'ון ג'ולי (John Joly‏, 1857–1933) כי תפוצה נרחבת של רדיום ויסודות רדיואקטיביים אחרים עשויים להצביע על מקור החום בכדור הארץ. הגאולוג הבריטי ארתור הולמס (Arthur Holmes‏, 1890–1965) החל בשנת 1910 לחקור את הקרינה הרדיואקטיבית הטבעית בסלעים, ובכך הרים תרומה חשובה להבנת הסעת החום והתכה באמצעות הולכת חום מסלעים מוצקים אל פני השטח. תוצר של עבודתו זו התבטא בחישוב פרופיל החום של כדור הארץ המבוסס על יצירת חום רדיואקטיבית.
השלב הבא היה גילוי המנגנון המוליך את החום מפנים כדור הארץ אל פניה שטח. הולמס סבר כי המנגנון היעיל ביותר יהיה מערבָּל (קונווקציה, Convection) – העברת חום באמצעות תנועה אנכית מאזור קר לאזור חם. רעיון זה הוצע לראשונה בשנת 1881 על ידי הגאולוג והגאופיזיקאי האנגלי אוסמונד פישר (Osmond Fisher‏, 1817–1914), שתיאר מנגנון בו בכוכב לכת הנוזלי עולים זרמי הערבול אל מתחת לאוקיינוסים וליבשות. הולמס חזר עליו בשנת 1928, והוסיף כי החום העודף נפלט מכדור הארץ באמצעות תנועה מחזורית של חומר בשכבות התחתונות המוצקות (או מעטפת כדור הארץ) ויוצרת זרמי ערבול חמים. מערבל – ומאוחר יותר גם נדידת היבשות – נראו כמנגנון שבו פולט כדור הארץ את החום הרב הנוצר על ידי רדיואקטיביות. הולמס הניח כי אותן שכבות מוצקות הן סלע פרידוטיט, שבו קיימת זרימה הדומה לנוזל בקצב מתקבל על הדעת – כ-5 ס"מ בשנה – ביחס למיקומו בעומק כדור הארץ. לשיטתו של הולמס קיימת זרימת חום רבה משכבות הפרידוטיט כלפי מעלה, הפחתת לחץ והתכת סלעים ופליטת החום ב"תפיחוֹת" המרכז אוקייניות, וכן זרימה חוזרת מתחת לגאוסינקלינות – מונח מיושן לתנועה האנכית של קרום היוצרת שקעים אוקייניים באזורי הפחתה באמצעות תהליכים טקטוניים.
רעיונותיו של הולמס מ-1928 תואמים להפליא לתפיסה המודרנית של טקטוניקת הלוחות, אם כי בשלב זה עדיין לא הייתה מקובלת על מדענים בתחום מדעי כדור הארץ של אותה עת. עם זאת, תפיסה זו החלה להתפתח עוד במהלך המאה ה-17, כאשר התברר כי הרי געש ורעידות אדמה התהוו ברצועות ליניאריות על פני כדור הארץ. המפה הראשונה שהציגה את השתרעותם העולמית של הרי געש צוירה ב-1665 על ידי מדען רב-תחומי גרמני אתנסיוס קירכר (Athanasius Kircher‏, 1602–1680), שעסק בין היתר במחקר הרי געש ומאובנים. ב-1665 פרסם קירכר את "Mundus Subterraneus" (העולם התת-קרקעי) – ספר רחב-יריעה בן 800 עמודים עשיר בתחריטים – שנבע ממחקרי שדה שערך החל בשנת 1637 בהרי הגעש של איטליה: אטנה, סטרומבולי ווזוב. רעיונות בדבר הקשר בין פעילות געשית לבין מבנים יבשתיים הועלו גם על ידי אלכסנדר פון הומבולדט בשנת 1822, שהצביע על כך כי הסידור הליניארי של הרי געש על פני כדור הארץ היווה הוכחה לכך שהמנגנון המייצר געשיות מצוי בעומק רב. רוברט מאלט (Robert Mallet‏, 1810–1881) – מהנדס וגאופיזיקאי אירי שערך מחקר מקיף על רעידות אדמה – יצר ב-1858 את המפה הסייסמית העולמית הראשונה ששילבה את השתרעותם של הרי געש ורעידות אדמה כאחד ל"לולאה או רצועה רחבה מסביב לאוקיינוס השקט" והצביעה על הקשר ביניהם על פי תפוצתם הגאוגרפית. מאלט גם הצביע על כך שמרבית פני השטח – בעיקר האזורים הפנימיים בתוך היבשות – לכאורה חפים מרעידות אדמה ופעילות געשית. הוא חילק את כדור הארץ לסדרה של אגנים המופרדים בחגורות של רכסי הרים, המצויים גם בקרקעית האוקיינוסים: "לאורך חגורות רכסים אלה, בין שהן רכסי הרים או לא יותר מתפיחוֹת מתמשכות של המוצק, אשר מפרידות את האגנים מתחת לאוקיינוסים אחד מן השני, שם נמצאים כל הרי הגעש הידועים על פני השטח של כדור הארץ". מאלט ראה ב"רכסים געשיים ליניאריים תת-אוקייניים" "קווי שבר נרחבים של קרום כדור הארץ", ובכך היה כנראה הראשון להכיר את יסודותיה של טקטוניקת הלוחות.
הכרה זו עלתה בקנה אחד עם הבנת התנועתיות בכדור הארץ לקראת סוף המאה ה-19, הבנה שהתבססה על הסקת מסקנות גאופיזית ועל עדויות גאולוגיות. אוסמונד פישר טען ב-1881 כי התקררות הארץ לא יכולה הייתה להתרחש רק באמצעות הולכת חום – כפי שטען לורד קלווין – אלא באמצעות זרמי ערבול בתוך שכבה פלסטית נמוכה. בעיני פישר, זרמי ערבול אלה הובילו לתנועה צדדית של שכבות הקרום ולמבנים המאפיינים אותו, כולל סידור ליניארי של הרי געש, רעידות אדמה ורכסי הרים. רעיון "הארץ הנעה" גובשו בשנת 1912 לתאוריית נדידת היבשות על ידי אלפרד וגנר, ואחד מן המצדדים בה היה ארתור הולמס, שהוסיף לה, כאמור, בשנת 1928 את זרימת החום. במנגנון של הולמס קיימת זרימה או תפיחה של המעטפת, שסיפקה תהליך באמצעותו יכולה להתרחש הפחתת לחץ שהובילה להתכה ולגעשיות. נדידת היבשות הייתה תוצאה בלתי נמנעת של המחזוריות שהציע, אולם היקף התהליך היה רחב יותר וכלל תנועה צדדית של הקרום. ב-1931 גיבש הולמס תאוריה שלמה לנדידת היבשות, התפשטות קרקעית הים והפחתה, המבוססת על מנגנון זה, בה הבדיל בין הקרום הגרניטי היבשתי לבין הקרום הימי הבזלתי. הוא הגיע למסקנה כי המעטפת מתחת לקרום האוקייני מורכבת מפרידוטיט, וטען כי על אף היותה מורכבת מגבישים ונוקשה למדי, עדיין היו לה תכונות של נוזל בקנה מידה רחב. הולמס הציע כי לתאי מערבל (convection cells) מידות כשל המעטפת בעומק של כ-2,900 ק"מ, וכי יוצאות מהם שלוחות כלפי מעלה היוצרות את ה"תפיחות" – הרכסים המרכז אוקייניים. לזרימה העולה מתווספים הפחתת לחץ והתכה של פרידוטיט, שתוצריה מאגמה בזלתית וגעשיות. הזרמים החוזרים נובעים משקיעתו של קרום בעל צפיפות גבוהה. התהליך שתיאר דומה להנחה המודרנית של הפחתה: התכנסות הלוחות מובילה לחדירה של לוח אחד מתחת ללוח אחר ואל תוך המעטפת. הולמס העריך כי מהירות זרמי הערבול הוא כ-5 ס"מ בשנה, וכפי שהתגלה בשנות ה-60 של המאה ה-20 – תואם להפליא למהירות התפשטות קרקעית הים. התאוריה של הולמס התקבלה בהרחבה בבריטניה אולם נדחתה במקומות אחרים. גם כאשר התקבל רעיון התפשטות קרקעית הים בשנות ה-60 של המאה ה-20 – ברוב המקרים התעלמו לחלוטין מתרומתו.
גילוי הלוחות הטקטוניים סיפק את המנגנון של הפחתת הלחץ במעטפת – התהליך החשוב ביותר המאפשר התכה ויצירת מאגמה ברכסים המרכז אוקייניים והאחראי לפעילות הגעשית על פני כדור הארץ.