וולקנולוגיה - היסטוריה של המחקר הוולקנולוגי - התכה בתנאי הפחתת לחץ

הגילוי כי חלקי כדור הארץ שמתחת לקרום מוצקים בעיקרם ביטל את רעיון "ים האש התת-קרומי" של דנה. החוקרים – שעתה נאלצו להתמודד עם המשימה להוכיח כיצד מאגמה חמה עשויה לנבוע מתוך כדור הארץ המוצק – מצאו במדע התרמודינמיקה פתרון חלקי. באותה עת שררה הבנה כי לחץ משפיע על טמפרטורה ועל מצב הצבירה של החומר. מתוך כך, נבעה השפעה אפשרית של לחץ על המסת סלעים בתוך כדור הארץ. הכרה ראשונית באפקט יסודי זה בוטאה על ידי חוקר הטבע הסקוטי ג'ון פלייפייר (John Playfair‏, 1748-1819), שהציע כי כפי שנקודת הרתיחה של מים מושפעת מלחץ, כך עשויה להיות מושפעת גם התכת הסלעים הנלחצים מתחת לשכבות סלע עבות. בשנת 1825 הצביע הגאולוג והמינרלוג האנגלי ג'ורג' סקרופ (George Julius Poulett Scrope‏, 1797-1876) על חשיבות השפעת הלחץ על מערכות געשיות. במהלך עבודתו – שהתמקדה בהרי געש – למד את השפעת הלחץ על מסיסות מים בתוך מאגמה והסיק כי הפחתת הלחץ על מאגמה עשירה במים עשויה להסביר התפרצויות מתפוצצות הנובעות משחרור של מים מומסים מתוך המאגמה. סקרופ טען כי שינוי הלחץ עשוי גם לגרום להמסה או להתגבשות של מאגמה ללא שינוי בטמפרטורה. בשנת 1835 הציע המדען הצרפתי סימאון דני פואסון (Siméon Denis Poisson‏, 1781-1840) כי לחצים גבוהים במיוחד במעמקי כדור הארץ עשויים להוביל להתמצקות החומרים הבונים סלעים בטמפרטורות גבוהות מאוד, יותר מאשר בתנאי לחץ נמוך קרוב לפני השטח.

בעוד פלייפייר וסקרופ נאבקים בגישה כמותית לשאלת השפעת הלחץ על ההתכה, פותחה גישה כזו בגרמניה ובצרפת שציינה את הולדת התרמודינמיקה. מעבודתם של סאדי קרנו, רודולף קלאוזיוס ואמיל קלפרון (Benoît Paul Émile Clapeyron ‏, 1799-1864) נבעה נוסחת קלאוזיוס קלפרון, המכמתת את הקשר בין נפח החומר והטמפרטורה והלחץ בהם הוא שרוי:

 

במהלך ניסויי המסה וגיבוש שנערכו במאה ה-19 נראה כי נפחם של סלעי יסוד נמוך מכמות המאגמה היוצרת אותם. גאולוגים רבים שחקרו עמודי בזלת פירשו את מבנה המשושים כראיה להתכווצות המאגמה בעת התקררות והתמצקות הסלע. בתהליך זה התכווץ נפח החומר ויצר חתך רוחב של משושים צמודים. בנוסחת קלאוזיוס קלפרון בא הדבר לידי ביטוי בערכי dP/dT חיוביים, ולכן הנוסחה מנבאת כי לעקומת הלחץ-טמפרטורה בעת ההמסה (dT/dP) של סלע המקור יהיה שיפוע חיובי בתוך כדור הארץ, כלומר: טמפרטורת ההתכה גדלה בעקבות הלחץ. פירוש זה לעמודי בזלת התאים לתוצאות ניסוי שערך הכימאי הגרמני גוסטב בישוף (Gustav Bischof‏, 1792-1870) בשנת 1837, שהיה בין הראשונים לערוך מדידות על שינויי נפח בנפח של סלעים געשיים במהלך התכתם, ניסויים שהוכיחו את התכווצות הנפח בעת התקרשות המאגמה. בישוף הסיק כי נתך גרניט יתכווץ בעת התקרשותו בכ-25%, טרכיט בכ-18% ובזלת בכ-11%.

 

רוברט בונזן היה בין הראשונים לחקור את היחס בין לחץ ונקודת ההתכה של חומרים. תנאי המעבדה בשנת 1850 איפשרו להשיג לחצים מתונים בלבד, ולכן ערך בונזן את ניסוייו בחומרים בעלי נקודת התכה נמוכה ושיער תוצאות אפשריות הנובעות מלחצים וטמפרטורות גבוהים יותר, כאלה השוררים במעמקי כדור הארץ. מעבודתו נבע כי עליית לחץ של 100 אטמוספירות העלה את נקודת ההתכה של חומרים אלה בכמה מעלות צלזיוס. שנה לאחר מכן ערכו ויליאם הופקינס, ג'יימס ג'ול, לורד קלווין והמהנדס הסקוטי ויליאם פיירבירן (William Fairbairn‏, 1789-1874) ניסויים על השפעת הלחץ על התמצקות בתוך כדור הארץ באמצעות מנוף לחץ גדול שיצר לחץ של עד 5,400 אטמוספירות – לחץ מקביל לזה המצוי בעומק של 15 ק"מ בעומק כדור הארץ. הניסויים הראשונים נערכו על חומרים בעלי נקודת התכה נמוכה כדונג וחלב של ראשתן גדול-ראש, ותוצאותיהם איששו את השערותיו של בונזן.

 

כל הניסויים של אותה עת ביססו את ההשערה כי בסלעים בעומק כדור הארץ עשויה להתרחש התכה עם הפחתת לחץ, גם ללא עלייה בטמפרטורה, ובכך מצאו פתרון לשאלת היווצרות מאגמה נוזלית בתוך כדור ארץ מוצק. אולם, פתרון זה הציב בעיה: מה היה המנגנון שיצר הפחתת לחץ? בשאלה זו עסק הגאולוג האמריקני קלרנס קינג (Clarence King‏, 1842-1901), שכיהן כמנהלו של המכון הגאולוגי האמריקני (USGS). בשנת 1878 הניח קינג כי שחרור לחץ עשוי להתרחש כתוצאה מבליה ומהסרת השכבות העליונות של הקרום. אם הנחתו נכונה, הרי ששיעור הבליה צריך להיות גבוה מזה של מוליכות החום מן הסלע החם הנחשף בעקבותיה. אולם עדויות גאולוגיות סתרו את הנחתו משתי סיבות:

אזורים רבים בהם מתקיימת בליה בשיעור גבוה אינם מראים ראיות לפעילות געשית

שיעור הפחתת הלחץ בעקבות בליה איטי מכדי לשמר את חום הסלעים הנחשפים

 

קינג עודד את ניסוייו של הפיזיקאי קארל בארוס (Carl Barus‏, 1856-1935) על סלעים בלחץ גבוה, ואף השאיל לו ציוד מעבדתי. בניסויים אלה קבע בארוס את שינוי הנפח ואת שיעור החום הכמוס של בזלת בעת התכתה. הוא הסיק כי שיעור (dT/dP) בנוסחת קלאוזיוס קלפרון עומד על 0.025 לבזלת, כלומר: נקודת ההתכה עולה בשיעור של 2.5°C לכל עלייה בלחץ בשיעור 100 אטמוספירות. בארוס קבע בשנת 1893 את עקומת ההתכה של בזלת כפונקציה של לחץ, קביעה שאיפשרה לקינג להציע את המפל הגאותרמי – שינוי הטמפרטורה ככל שחודרים עמוק יותר לתוך כדור הארץ: עלייה של החל מ-30°C לכל קילומטר עומק בקרום ועד 0.1°C בגלעין. בארוס קיבל בשנת 1900 את פרס רמפורד (Rumford Prize) מן האקדמיה האמריקאית לאמנויות ולמדעים על עבודתו בתחום החום.

 

הגאולוג והפטרולוג האנגלי אלפרד הרקר (Alfred Harker‏, 1859-1939) עסק גם הוא בהיווצרות מאגמה. בשנת 1909 כתב ב"The natural history of igneous rocks":

 

”עלינו לחפש את הסיבה המיידית לפעילות געשית, לא ביצירת החום אלא בעיקר בשחרור לחץ בחלקים עמוקים מסוימים של הקרום שם מצויים סלעים מוצקים ומותכים בשיווי משקל תרמי. לכן, עלינו מונחים על ידי קו הגיון עצמאי לעקרון שכבר הובע, הקושר פעילות געשית ראשונית עם לחצי קרום ומשנית עם תנועתו... בעומק רב דיו, תנאים כאלה של טמפרטורה מתגברים כך שסלעים מוצקים ומותכים נמצאים בשיווי משקל תרמי מקורב. כל שחרור לחץ מקומי בתוך האזור, הקשור בחלוקה מחדש של הלחץ בקרום, חייב להביא לידי התכה.“

 

הצהרות אלה של הרקר היוו ביטוי ברור לעקרון היסודי של ההתכה, שעדיין חסר את המנגנון מפחית הלחץ. לא כל הגאולוגים היו מוכנים לאמץ זאת כפתרון למקור המאגמה, מאחר שלא היה ידוע תהליך גאולוגי שביכולתו להפחית לחצים. הגאולוג הקנדי רג'ינלד דיילי (Reginald Aldworth Daly,‏ 1871-1957) טען בשנת 1933 כי הפחתה מקומית של לחץ אינה מספקת ואין צורך לדון בה יותר. באופן דומה התבטא בשנת 1949 הפטרולוג הסקוטי סמואל ג'יימס שאנד (Samuel James Shand‏, 1882-1957), וטען כי אפקט הלחץ על התכת סיליקטים היה "בקושי גדול מספיק כדי להוות השלכה פטרולוגית חשובה". שאנד קיבל ב-1950 את מדליית לייל (על שמו של צ'ארלס לייל) מאת החברה הגאולוגית של לונדון ועל שמו נקרא המינרל שאנדיט (Shandite).

‏

ההתקדמות בהבנת ההתכה והמבנה הפנימי של כדור הארץ בתחילת המאה ה-20 הייתה משמעותית, אולם יצרה סתירה: כל העדויות הצביעו על פנים מוצק או על קרום עבה במיוחד, ועדיין צריך היה להתחשב במאגמה שנפלטה מהרי געש. גאולוגים וגאופיזיקאים גילו תהליך המאפשר התכה באמצעות הפחתת לחץ בלבד, אך טרם הצליחו למצוא מנגנון מתקבל על הדעת של הפחתת הלחץ הגורמת להתכה.