חוקרים מהאוניברסיטה העברית ומשווייץ פיתחו שיטה ניסויית חדשה לאפיון נוזלים המצויים במעמקי כדור הארץ

חוקרים את המעמקים, המאמר התפרסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי NATURE

מקובל לחשוב על מים בטבע כעל נוזל קר שניתן לראותו – נחלים, נהרות, ימים. פחות ידועה העובדה שפעילות רבה של 'נוזל חם' מתרחשת הרחק מעינינו בעומק כדור הארץ, ומשפיעה על התהליך שמתרחש בסופו של דבר מעל פני הקרקע, כולל על כמות המשקעים ועל התפתחות מבנה כדור הארץ.

מהם מאפייניו המדויקים של הנוזל החבוי במעמקי כדור הארץ ואילו שינויים הוא עובר במהלך זרימתו במעמקים? תשובות לשאלות אלו ניתן למצוא במאמר שהופיע לאחרונה בכתב העת היוקרתי Nature. את המאמר כתבה ד”ר רונית קסל מהמכון למדעי כדור הארץ באוניברסיטה העברית יחד עם פרופ' מקס שמיד, פרופ' פיטר אולמר וד”ר תומאס פטקה מהמכון השוויצרי הפדרלי לטכנולוגיה בציריך.

במחקר ייחודי זה מאפיינים לראשונה החוקרים את הנוזלים המשתחררים מלוחות שנוחתים לתוך כדור הארץ, בעומקים של 180-120 ק”מ ובטמפרטורות שנעות בין 700 ל-1200 מעלות צלזיוס. כדי לאפיין את הנוזלים שמשתתפים בכל שלב ושלב של מחזור המים בפנים הכדור פיתחו החוקרים שיטה ניסויית-אנליטית חדשה ולפיה הרכב כל שלב שעובר הנוזל יכול להיבחן ישירות בניסויים בלחץ ובטמפרטורה גבוהים.

לדברי ד”ר קסל “למרות שכדור הארץ הוא כוכב מוצק, למים תפקיד מרכזי בהתפתחות המבנה שלו. נוכחות מים משפיעה על העומק, על הטמפרטורה ועל ההרכב של הסלעים המותכים אשר מתרחשים עמוק בתוככי 'המעיים' של כדור הארץ.

“כדור הארץ מורכב מלוחות הנעים אחד ביחס לשני. כאשר שני לוחות מתנגשים זה בזה בעוצמה, אחד מהם עשוי לדחוף את השני למעמקי כדור הארץ כשהוא נושא עמו נוזלים אל עומק המעטפת (האזור שבין קרום כדור הארץ לבין הגרעין) בצורת מינרלים, המכילים מים (מינרלים הידרטיים)”.

כמו ספוג שמשחרר את המים שבו תוך כדי לחיצתו, כך המינרלים ההידרטיים משחררים נוזלים תוך כדי כניסה של הלוח לעומקים שבין 200-50 ק”מ, מאיצים את התכת סלעי המעטפת ויוצרים נתך שנקרא מַגמה אשר מתפרצת בסופו של דבר כלבּה בהרי געש. התפרצויות הרי געש הן אשר יוצרות מחדש את הלִיתוֹסְפֵרָה (קליפת כדור-הארץ). האיים האגאיים בדרום יוון, למשל, הם הרי געש שנוצרו בצורה זו (המפורסם שבהם הוא האי סנטוֹריני שהתפרץ במאה ה-16 לפנה”ס).

בזמן ההתפרצות פולטים הרי הגעש גזים רבים, כגון דו תחמוצת הפחמן, אל האטמוספרה. גזים אלו גורמים לעיבוי עננוּת ולגשמים, וכך בעצם – מַים שנישאים פנימה אל מעמקי כדור הארץ משפיעים על כמות המשקעים מעל פני הכדור. נוסף על כך, הנוזלים בעומק כדור הארץ מכילים חומר מומס רב אותו הם מסיעים ממקום למקום. ניידות המים במעמקים גורמת למעבר של יסודות שונים ממקום למקום ובכללם יסודות בעלי חשיבות כלכלית גבוהה, כגון כרום, ניקל וּוַנָדִיוּם.

עבודתם של החוקרים התמקדה בכמות המים המשתחררת מהלוח הנוחת במעמקים, בכמות החומר המומס שהלוחות מכילים ובתזמון שבו הם משתחררים מהלוח ומועברים לסלעי המעטפת.

תוצאות המחקר מראות כי עד לעומקים של 180 ק”מ קיימים שני סוגי נוזלים שונים. האחד, שנוצר בטמפרטורות נמוכות יחסית, הוא נוזל עשיר במים (70-90%) ובו רק מעט חומר מומס. הנוזל השני הוא מַגמה שעשירה בחומר מומס ורק 10-30% ממנה הם מים. המגמה נוצרת בטמפרטורות גבוהות תוך כדי התכת הלוח הנוחת.

מֵעבר לעומק של 180 ק”מ מצוי רק סוג אחד של מרכיב נוזלי הקרוי נוזל על-קריטי. לנוזל ולמגמה בעומקים של עד 180 ק”מ יש אופי מוגדר. מעבר ל-180 ק”מ, לא ניתן יותר להבדיל בין נוזל למגמה. לנוזל על-קריטי יש אופי משתנה. תופעה זו קיימת גם במים. מעל לחץ וטמפרטורה מסוימים, לא ניתן להבדיל בין נוזל לאדים אלא יש לנו קיטור.

החוקרים מצאו כי ליסודות השונים יש דרגות מסיסות שונות בנוזלים מסוגים שונים. כלומר נוזל, מגמה, ונוזל על-קריטי מסיעים באופן שונה יסודות מהלוח שנוחת לסלעי המעטפת ומשם ללבה שמתפרצת בהרי הגעש.

החוקרים מדגישים שהכרחי להבחין בין מגמה לבין נוזל ונוזל על-קריטי, כדי לאפיין את מחזור המים במעטפת ולהבין טוב יותר את היחסים בין הלוח הנוחת לבין התפרצויות הרי געש וכן כמה חומר מועבר בפנים כדור הארץ.