סלעים בוערים בישראל - בית חרושת טבעי למלט ולבטון
עמוד הבית > מדעי כדור-הארץ והיקום > גיאולוגיה > גיאולוגיה של ארץ-ישראל
סמוך למעלה אדומים מצויה תצורת סלעים מרהיבה וצבעונית, שעוררה זה כבר סקרנות רבה בקרב גיאולוגים וכונתה "תצורת חתרורים". כיצד נוצרה תצורה זו? התשובה לכך כרוכה בתהליך גיאולוגי נדיר ומרתק – בערת סלעים.
מחברים: ד"ר אבי בורג; פרופ' יהושע קולודני
סמוך למעלה אדומים מצויה תצורת סלעים מרהיבה וצבעונית, שעוררה זה כבר סקרנות רבה בקרב גיאולוגים וכונתה "תצורת חתרורים". כיצד נוצרה תצורה זו? התשובה לכך כרוכה בתהליך גיאולוגי נדיר ומרתק – בערת סלעים
הנוסע בכביש ירושלים-יריחו נתקל בהגיעו לראש מעלה אדומים, בסמוך ל"חאן השומרוני הטוב" בסלעים צבעוניים, ירוקים-אדומים-שחורים לא שגרתיים התופסים את העין. צבעוניות זו (הבולטת במיוחד לאחר ימי גשם) זכתה גם לתשומת לבם של רבים מנוסעי ומטיילי הארץ במהלך שתי המאות הקודמות והם התייחסו אליה בכתובים. אף המעלה עליו נפרשת הדרך זכה עוד בימי המקרא בכינוי של צבע בולט: מעלה אדוּמים (ולא אדוֹמים) – "...פנה אל הגלגל אשר נכח למעלה אדוּמים אשר מנגב לנחל..." (יהושע ט"ו, ז). בשורות הבאות נציג הסבר לאופן היווצרותם של סלעים מגוונים ומיוחדים אלה ואגב כך נטפל בתהליך גיאולוגי נדיר – בערת סלעים.
נמקם את הסלעים המגוונים הללו בחתך הגיאולוגי (ראה: סטרטיגרפיה בהרי יהודה). אלה מונחים מעל ובצמוד לסלעי הצור של תצורת מישאש. את שכבות הצור הבולטות הן בצבען הכהה והן בקמטים המאפיינים אותן נזהה ממערב למעלה אדומים ובירידה מזרחה לכיוון ים המלח. (תרשים 2א').
אם נדרים לצפון הנגב (למשל לבקעת צין) ונבדוק את החתך הגיאולוגי נמצא אותו שונה לחלוטין. כאן, מעל סלעי הצור של תצורת מישאש, מופיעים סלעי פוספוריט (סלעים עשירים בתחמוצת הזרחן שהם חלק מתצורת מישאש ומהם מפיקים את הפוספט בנגב המשמש לייצור דשנים). מעליהם מרובדות שכבות בהירות של קירטון וחוואר של תצורת ע'רב ומעל אלה – חוואר וחרסית ירקרקים של תצורת טקיה (תרשים 2ב'). הן סלעי תצורת ע'רב הן אלה של תצורת טקיה ספוגים במקומות רבים בחומר אורגני (ביטומן) שתכולתו עשויה להגיע ליותר מ-20% משקלי. הסלע העשיר בחומר אורגני ידוע גם בשם "פצלי שמן". בעת משבר האנרגיה העולמי שהתחולל בשנות ה-70 של המאה הקודמת עלתה ההצעה לנצל את פצלי השמן כחומר דלק להפקת אנרגיה. מאז נעשית כריית פצלי שמן במפעל חברת פמ"א (פיתוח משאבי אנרגיה) הממוקם ממערב למפעל רותם אמפרט, סמוך לנחל אפעה שבין דימונה לסדום. המכרה מספק פצלי שמן למתקן שרפה שבו מייצרים קיטור וחשמל. חתך הסלעים הנחשף בנחל צין הוא ה"רגיל" המופיע בכל דרומה של הארץ.
ההופעה במעלה אדומים של סלעים מגוונים במיקום מקביל בחתך הגיאולוגי לחווארים, לקירטונים ולחרסיות של תצורות ע'רב וטקיה היא יוצאת הדופן. במבט מקרוב נבחין מיד שהם שונים מכל מה שמוכר ושכיח בדרום הארץ; אין בהם מבנה של שכבות, הם מצוקיים ובעלי צורה לא מסודרת. מרובים בהם סדקים ועורקים, צבעוניים אף הם: לבנים, צהובים, ירוקים, סגולים. מחשופים של סלעים מגוונים דומים אנו מכירים במקומות נוספים במדבר יהודה, שהגדולים והיפים שבהם הם המצוק של מצודת הורקניה, אזור נבי מוסא, ג'בל חָרמון שמצפון לבקעת הורקניה והגדול מכולם בבקעת חתרורים שמדרום מזרח לערד. מספר מחשופים קטנים מצויים בשפלה – סמוך לכביש ירושלים-ת"א מול כפר שמואל, ליד כפר אוריה וממערב לישוב תרקומיא. שלושה מחשופים ידועים גם בשטח מדינת ירדן. כל המחשופים מסומנים בתרשים 3 ושטחם הכולל מגיע למאות קמ"ר.
לסלעים הצבעוניים שני שמות מקובלים בספרות המקצועית: "האזור המגוון" –The Mottled Zone, שם הקשור להופעה הצבעונית המרשימה, ו"תצורת חתרורים", מונח בו נשתמש מכאן ואילך.
כל המחשופים הידועים של תצורת חתרורים, בלא יוצא מן הכלל, מופיעים בתוך קערים גיאולוגיים – סינקלינות (שהם מבנים בהם השכבות נוטות כלפי המרכז; תרשימים 2 ו-8), ובמיקום זהה בחתך הגיאולוגי, קרי מעל סלעי הצור של תצורת מישאש וכמחליפים של תצורת ע'רב ולעיתים אף של תצורת טקיה.
אחד מסוגי הסלעים הנפוצים בתצורת חתרורים בבקעת חתרורים שליד ערד נחצב במשך שנים כאבן בניין דקורטיבית. האבן השחורה-חומה, החרוצה על-ידי גידים ועורקים בהירים, מכונה "שיש ערד" ומשמשת לציפוי בניינים ומטבחים ובעיקר כאבן מרצפות. רבות הן רצפות הבנקים ובנייני הציבור בישראל המרוצפות במרצפות המורכבות משברי "שיש ערד". עוד לפני כן, בשלהי המאה ה-19, גילו הבנאים הערבים של אזור ירושלים את האבן הירוקה היפה במחשופי תצורת חתרורים באזור בית סחור. האבן ששמה בפי החוצבים כצבעה – "מיזי אחדר" (אבן הבניין הירוקה בערבית), שימשה לקישוט בתי יוקרה, כולל אולמות במלון "המלך דוד".
מקור סלעי החתרורים – בערה
הצבעוניות של סלעי החתרורים, המבנה נטול השכבות וריבוי העורקים משכו את עיניהם של רוב חוקרי ארץ ישראל הראשונים במהלך שתי המאות שעברו. חוקרים אלה הציעו הצעות שונות, חלקן משונות, למנגנון יצירת הסלעים. החוקרים, אנשי שדה מנוסים, התרשמו שלפניהם משהו "לא רגיל". הסבריהם לתופעה היו שונים מאוד: זה אומר כי הסלעים הושפעו מהתפרצות וולקנית וזה מציע תנאים "מיוחדים" בים בו הורבדו הסלעים, האחד מציע כי מתחת לסלעים טמונה עפרת ברזל והאחר טוען כי הסלעים נוצרו בשל פגיעת מטאוריט או כוכב שביט בסלעי הסביבה הרגילים.
לכל החוקרים לא היו סלעי החתרורים אלא בגדר "מוזרים" ו"לא רגילים". באמצע שנות השישים חל מפנה במחקרם של סלעים אלה: קבוצת חוקרים מהאוניברסיטה העברית והמכון הגיאולוגי – י.ק. בן-תור, ש. גרוס ול. הלר-קלאי, גילתה כי מה שמייחד את סלעי החתרורים אינו רק צבעם והופעתם אלא תכונה יסודית יותר – הרכבם; מופיעים בהם מינרלים היציבים רק בטמפרטורות גבוהות והידועים בדרך כלל מסלעים מטמורפיים. המינרלים הראשונים שנתגלו: סְפוּריט
(Spurrite - Ca5[C03,(SiO4)]2), בראונמילריט (Brownmillerite – Ca2(Al,Fe)2O5) וגֶהֶלֶניט
(Ghelenite - Ca2Al[(Si,Al)2O7]i) היו ידועים עד אז רק ממקומות בהם סלעי גיר צורניים הותמרו על-ידי מחדרים של סלעים מגמטיים, בעיקר בזלת, בתהליך המכונה התמרת מגע. במקומות אלה השתרעותם של הסלעים המטמורפיים מוגבלת למטרים בודדים סביב המחדר. בנוסף להתמרת מגע ידועים מינרלים אלה, ונוספים שנתגלו בהמשך המחקר, גם בסביבה נוספת, מעשה ידי אדם, והיא מלט פורטלנד. מלט זה הוא מוצר בסיסי בתעשיית הבנייה, וכפי שנראה בהמשך עקרון ייצורו דומה לזה המתרחש בהתמרת מגע: ערבוב קרטון וחרסית וחימומם לטמפרטורה גבוהה (כ-1300 מעלות צלזיוס).
במהלך שנות ה-60 וה-70 של המאה ה-20 הרחיבה ש. גרוס את המחקר על ההרכב המינרלוגי של סלעי תצורת חתרורים. עבודתה התפרסמה בשנת 1977 ובה תוארו תכונותיהם של לא פחות מ-123 מינרלים, רבים מהם נדירים בעולם שלא מוכרים לרוב אנשי המקצוע. חמישה מהם נמצאו לפני כן באתר בודד בעולם ושמונה אחרים היו ידועים רק כתוצרים סינתטיים בתעשיית המלט. ספק אם יש בעולם כולו אזור בעל עושר מינרלוגי דומה, ולכן לא מפתיע שתצורת חתרורים זכתה לפרסום בינלאומי רב בקהילה הגיאולוגית. בהמשך תיארה ש. גרוס שני מינרלים חדשים בעולם: בֶּנתוֹריט – Bentorite (לכבודו של פרופ' בן תור) שהוא מינרל סגול ויֶעֶלימיט (Ye'elimite) שנמצא בנחל יעלים שליד ערד. הגב' גרוס זכתה לכבוד לו היא ראויה כאשר מינרל נוסף שהיא זיהתה לראשונה אולם לא סיימה לתאר כונה לכבודה – גרוֹסיט (Grossite) על-ידי צמד מינרלוגים גרמניים. אנו משערים שבסלעי החתרורים נחבאים מינרלים חדשים נוספים שטרם זוהו ומחכים למינרלוג מודרני שיבוא ויזהה אותם.
לפנינו אפוא פרדוקס של ממש: הופעה של מינרלים היציבים רק בטמפרטורות גבוהות בתוך חתך הבנוי כולו מסלעי משקע ימיים, ללא מקור חום נראה לעין כגון מחדר מגמטי או פעילות געשית. הפרדוקס אף מחריף כשזוכרים שכל מחשופי החתרורים מופיעים במקום קבוע ומוגדר בחתך הגיאולוגי (תרשים 1).
בניסיון ליישב פרדוקס זה יש להשיב על שלוש השאלות המרכזיות שלהלן:
1. מהו מקור החום שגרם להתמרה וליצירת המינרלים הללו?
2. מדוע המינרלים שנתגלו ואשר מופיעים בעולם בשטח מוגבל מאוד סביב מחדרים מגמתיים, מופיעים בישראל במחשופים ששטחם מגיע לעשרות קמ"ר?
3. מהי הסיבה שסלעי החתרורים מופיעים תמיד באותו מיקום בחתך הגיאולוגי, כלומר כ"מחליפי" תצורות ע'רב וטקיה, ותמיד בקערים גיאולוגיים?
הפתרון שהוצג על-ידי בן-תור וצוותו לסוגיות אלה הלך בעקבותיהם של שני מומחי נפט בריטיים – וילי (Wyllie) וליס (Lees). בשנות ה-20 של המאה הקודמת התרשמו גם שני אלה מ"מוזרותם" של הסלעים. באינטואיציה גיאולוגית מפליאה טענו כי שריפת הביטומן שהיה ספוג בסלעי תצורות ע'רב וטקיה הוא המקור לחום ולהתמרה ("התמרת בערה"). בן תור וחבריו, כיוון שידעו כבר כי ה"מוזרות" אינה אלא הופעת מינרלים של טמפרטורות גבוהות, חזרו לפתרון זה. מסתבר אם כן שהטבע ערך אי שם בהיסטוריה הגיאולוגית ניסוי טבעי של שרפת חומר אורגני כאמצעי להפקת אנרגיה וזאת הרבה לפני שיעילות התהליך התגלתה על-ידי האדם. יתר על כן, בנוסף להיותה אנלוג טבעי להפקת אנרגיה מפצלי שמן, תצורת חתרורים היא גם מעין בית חרושת טבעי בו נוצלה אנרגיית חום לייצור מלט.
המנגנון המוצע של "התמרת בערה" (Combustion metamorphism) הוא מבחינה מסוימת "משבר אנרגיה במהופך". עיקרו של משבר האנרגיה בכך שהאנושות אשר בכל תולדותיה התרגלה להפיק אנרגיה על-ידי שרפת חומר אורגני (עץ, פחם, נפט) ניצבה לפני הכורח לבדוק מקורות חליפיים: אנרגיה גרעינית, גיאותרמית, רוח. האנרגיות הגיאותרמית, הגרעינית ואף זו של מים זורמים ורוח נחשבו תמיד כמחוללי התהליכים הגיאולוגיים הטבעיים, כגון יצירת הרים, התכת מגמות והסעת חלוקים וסחף. בתהליך ההתמרה של סלעי החתרורים אנו מציעים כי שרפת חומר אורגני, מקור האנרגיה המסורתי של האנושות, היא המקור לחימום.
עדות בלתי תלויה בהרכב המינרלוגי להיותם של סלעי החתרורים תוצר חימום היא בהופעת עמודונים פריזמטיים. העמודונים שכיחים בסלעי החתרורים באזורי מגע עם סלעי הסביבה והם דומים מאוד בצורתם וכנראה גם במנגנון יצירתם לעמודוני קירור הנוצרים בעת התקררות גופים חמים (משושי הבזלת ב"בריכת המשושים" בגולן, פריזמות אבן החול ב"נגריה" במכתש רמון).
המנגנון המוצע של "התמרת בערה" מציע תשובות לשלש השאלות שהוצגו לעיל:
1. מקור החום להתמרה הוא בשרפת החומר האורגני שהיה ספוג בסלעי המקור (פצלי השמן).
2. השתרעות סלעי החתרורים בשטח נרחב, בניגוד להופעה המצומצמת של סלעים מטמורפיים דומים סביב מחדרים מגמטיים, נובעת מכך שמקור האנרגיה לבערה ולהתמרה בסלעי החתרורים הוא פנימי חומר אורגני ספוג), בעוד שסביב גופים מגמתיים הוא מובל מהעומק דרך המחדר ומקרין לסביבתו הקרובה.
3. הסיבה להופעת הסלעים המטמורפיים במיקום קבוע בחתך הגיאולוגי הוא בהופעת פצלי השמן המכילים את חומר הדלק לבערה – הביטומן, בתצורות ע'רב וטקיה.
נוכחות חומר הדלק בתצורות ע'רב וטקיה שגילם 60–70 מיליון שנה לפני זמננו (תרשים 1), קבעה שאילו יהיו הסלעים שיידלקו ביום מן הימים. עיתוי התרחשות הבערה נקבע על ידי זמינותו של הגורם השני ההכרחי לבערה – החמצן. כל זמן שהסלעים הביטומניים קבורים מתחת לסלעי משקע אחרים אין הם יכולים לבעור בהיעדר חמצן. מרבץ פצלי השמן בנחל אפעה, בו ממוקם המכרה של חברת פמ"א, אכן השתמר היטב בשל היותו קבור. משנחשפו לאוויר (ולחמצן) הפך מועד ההצתה והבערה של סלעי הביטומן לשאלה של זמן בלבד (לא ארוך גיאולוגית).
מבחן ראשון להסבר המוצע היה בניסיון לקבוע את גיל אירוע הבערה וההתמרה. קיימות שיטות תיארוך שונות היכולות לקבוע את גילו של אירוע חימום ללא קשר לגיל הסלע שחומם (במקרה שלפנינו גיל הסלע הוא גיל שקיעתם של סלעי תצורות ע'רב וטקיה בקרקעית הים). בתחילת שנות השבעים הצליח אחד מאתנו (י.ק.) לקבוע בשיטת "עקבות ביקוע" של אורניום שההתמרה של סלעי החתרורים באזור בית סחור שליד ירושלים התרחשה לפני כ-16 מיליון שנה, כלומר כ-50 מיליון שנה לאחר הרבדתם של סלעי הביטומן.
משמע: אירוע ההתמרה איננו בו זמני להרבדת הסלעים.
בבקעת חתרורים שליד ערד נמצא טווח גדול של גילי התמרה וזאת בעזרת שיטה המבוססת על דעיכת האיזוטופ הרדיואקטיבי של אשלגן ליסוד ארגון (Ar); מיעוטם של הסלעים הותמרו לפני כ-16 מיליון שנה ומרביתם לפני פחות מ-3 מיליון שנה. מאחר שהבערה תלויה באספקת חמצן סדירה (כלומר מחייבת חשיפת הסלעים הביטומניים לפני השטח על-ידי תהליכי בלייה המסירים את הסלעים שמעל) אין זה מפתיע שהיא התרחשה בכל מחשוף בתקופה שונה ולעיתים אף במספר שלבים בתוך אותו מחשוף עצמו. יתר על כן, הסלעים הביטומניים אשר היום קבורים מתחת לפני השטח עשויים להידלק בעתיד משייחשפו.
הגיל הצעיר של אירוע ההתמרה בבקעת חתרורים אושר גם בממצאי שדה: על גבי הסלעים המטמורפיים נמצאו גופי סחף קטנים המורכבים בעיקר מחלוקים וחול. גופים אלה הם חלק ממערכת ניקוז צעירה מאוד במונחים גיאולוגיים שזרמה לעבר ים המלח. משנבדק הרכבם של סלעים אלה, התברר כי עברו התמרה. ההתמרה היתה "פסיבית"; גופי הסחף לא הכילו חומר דלק והם "טוגנו" על גבי הסלעים הבוערים שתחתם כחביתה במחבת.
זמינות החמצן והחשיפה לאוויר הם כאמור הגורמים המגבילים את מועד הצתת הסלעים. זמינות החמצן היא גם הגורם המגביל את עוצמת הבערה ואת עומק חדירתה מתחת לפני השטח. אכן הסלעים המטמורפיים מהווים רק ציפוי דק יחסית (עשרות מטרים) מעל סלעים לא מותמרים (תרשים 8). בקידוח בבקעת חתרורים נמצאו סלעים ביטומניים לא פגועים מתחת ל-60 מטר של סלעים מטמורפיים.
‏‏פרוש השם חתרורים
להופעה המיוחדת של סלעי "האזור המגוון" השפעה על שמות המקומות הסמוכים להם. שמות אתרים לאורך כביש ירושלים-יריחו קשורים לצבע האדום השכיח בסלעים: מעלה אדומים כפי שנזכר בתנ"ך, ובשינוי הצלבני של השם העברי הקדום – Maldouin או גם .Chastel Rouge השמות הערביים באזור זה משתנים מן הפרוזאי-תיאורי: חאן-אל אחמר (החאן האדום) שמדרום לכביש ירושלים-יריחו, לדרמטי-אגדי: טלאת-א-דם וקלעת-א-דם (מעלה הדם ומבצר הדם).
את השם "חתרורים" לסלעים המגוונים נתנו י.ק בן-תור ושותפו למחקר הנגב ע. פרומן. הם עיברתו את השם הערבי "אל חתרורה" המופיע בשני מקומות בארץ. מקום אחד, אותו מיפה בן תור ב-1949, הוא האזור שממזרח לערד, בין הנחלים יעלים וגורר ואשר סומן בשם זה גם במפות המנדטוריות (וכיום מסומן במפות כבקעת חתרורים), השני – אכסניית "השומרוני הטוב" שבראש מעלה אדומים הידועה בשם חאן-אל חתרור או חאן חתרורה. בשני המקומות מופיעים הסלעים הצבעוניים – סלעי תצורת חתרורים. כל ניסיונותינו למצוא מקור ערבי פשוט לשם לא צלחו. ספי בן יוסף ב"מדריך ישראל" מפרש את חאן אל חתרורה כ"אכסניית הרעבים". לא מצאנו סימוכין לפרוש זה אצל כל יודעי הערבית (ספרותית ובדווית).
הופעת השם "אל חתרורה" בשני אתרים שונים שהמשותף להם הוא רק המסלע הצבעוני, המוזר והלא שגרתי, העלה את חשדנו כי מקור השם קשור בדרך כלשהי לנוף, לצבע, או לאופי הסלעים. מספר השערות הועלו בהקשר זה (חלקם בעזרתם של פרופ' ס. הופקינס וד"ר י. אליצור). תרגומים אנגליים וצרפתיים מהמאה ה-19 קושרים את השרש הערבי חתר (htr) בתיאורים כגון "תרכיזי אדמה" או "גבשושיות". שמא אלו רמיזות לאופי הנוף או כיסוי הסלע. היה מי שהציע כי ב"חתר" התחלף העיצור "ת" ב"ד", והשורש הוא "חדרורה" כמו "חדר" – ירוק או ירוקת. אכן הגוונים הירוקים שכיחים בסלעי החתרורים. ט. כנען, חוקר הפולקלור הפלשתינאי, מציין במאמרו מ-1932 על הארכיטקטורה של הבית הפלשתינאי כי "חתרור" הוא סוג הסלע הרך ביותר המשמש לבנייה בא"י (מקבוצת סלעי ה"נארי").
שאלת מקור השם חתרורים נשארת אפוא ללא הסבר משביע רצון.
מה בוער וכיצד בוער?
גיאולוגיה היא מדע שבסיסו בשדה. גם במקרה של תצורת חתרורים עבודת המיפוי הגיאולוגי שנעשתה על-ידי אחד מהמחברים (א.ב.) בבקעת חתרורים שליד ערד היתה שלב חשוב בהבנת תהליך ההתמרה. למתבונן הלא מנוסה תצורת חתרורים נראית כבליל לא מסודר של סלעים צבעוניים, מצוקים ודרגשים, אולם במבט נוסף ומעמיק מתברר כי אפשר לזהות בסלעים אלה הן את סלעי המקור – הפרותוליטים (protoliths) מהם הם נוצרו (תצורות ע'רב וטקיה) והן את עוצמת ההתמרה או הטמפרטורה בה חוממו, ובמילים אחרות – את הדרגה המטמורפית. זיהוי הדרגות המטמורפיות הוא על פי מינרלים האופייניים לטמפרטורות יצירה שונות. כך מופו בבקעת חתרורים יחידות, החל בסלעים לא מותמרים כלל, עבור לסלעים שהתמרתם חלשה ומכילים מעט מינרלים המציינים טמפרטורות התמרה נמוכות יחסית ועד כאלה המורכבים ממינרלים של טמפרטורה גבוהה בלבד. חלק ניכר מהמינרלים שזוהו על-ידי שולמית גרוס בסלעי תצורת חתרורים שייכים לקבוצה זו. השכיחים שביניהם הם סְפוּריט(Spurrite), לָרְניט (Larnite), וגֶהֶלֶניט (Gehlenite), בְּרָאוּנְמילֶריט (Brownmillerite), דיוֹפְסיד (Diopside), ווֹלָסְטוֹניט (Wollastonite), גָרְנֶטים (Garnets), אָנוֹרְטתיט (Anorthite) ונוספים – מינרלים נדירים בחלקם שלא רק הגיאולוג החובב אינו מכיר אלא גם חלק ניכר מאנשי המקצוע. הסלעים המכילים מינרלים אלה הם לרוב כהים, קשים ומצוקיים ונחשפים באזורים ששטחם עשוי להגיע למאות מטרים רבועים ויותר.
בד בבד, הסלעים המותמרים מחולקים גם לתת-יחידות בהתאם לחלוקה המקורית של סלעי תצורות ע'רב וטקיה ליחידות משנה. יחידות משנה אלו נבדלות זו מזו בעיקר בתכולת החרסית. הבדלים אלה בתכולת החרסית, שלא תמיד קל להבחין ביניהם בשדה בחתך "הנורמלי", מודגשים מאוד בתוצר המטמורפי. כלומר התמרת סלע דל בחרסית יוצרת סלע מטמורפי שהופעתו בשדה שונה לחלוטין מזו שנוצר מהתמרת סלע עשיר בחרסית. משתמע מכך שהתוצר המטמורפי מצליח לשמר חלוקה מקורית ליחידות גיאולוגיות ואף לחדד שונות בהרכבי הסלעים בחתך הגיאולוגי המקורי.
הבערה התרחשה במוקדים אליהם חדר חמצן דרך סדקים, רובם כאלה שנפתחו בשל קריסות הסלע בזמן ההתמרה. קריסות אלה נגרמו הן מצמצום נפח הסלע בעת ההתמרה והן בשל שחרור של גזים שנוצרו בזמן הבערה (CO2 ואדי מים). קריסות הסלע אפשרו פתיחת תעלות חדשות לחמצן והצתת מוקד חדש סמוך וכך גרמו להתמרת מסות סלע גדולות. אפשר לדמות את תהליך הבערה לגחלים לוחשות במדורה, בהן חל אובדן נפח, התמוטטויות תכופות ושחרור רציף של חום וגזים.
מוקדי בערה נמצאו כל כמה מטרים או עשרות מטרים בסלעי הפוספוריט שבגג תצורת מישאש שנפגעו אף הם מהבערה. גוון שחור הנובע מהתפחמות החומר האורגני הספוג בסלעי הפוספוריט, הוא הסימן למוקדים (תופעה בולטת מאוד לאורך כביש ירושלים-יריחו, מזרחה ממעלה אדומים).
תוך כדי התמרה התרחשו תהליכים של ריכוז חומרים, בעיקר גופרית שמקורה בחומר האורגני, ומתכות שמקורן בחומר האורגני ובסלעי הפוספוריט שבגג תצורת מישאש. חומרים אלה רוכזו אל תוך מינרלים חדשים בסדקים ובחללים קטנים. כך לדוגמה, בתוך סלעי "שיש ערד" שכיחים מאוד עורקים ירוקים יפים לעין. הצבע הירוק הוא של המינרל החרסיתי ווֹלקוֹנסְקוֹאיט. מינרל זה מכיל את המתכת כרוֹם והוא נוצר כאשר מים חמים נעו בחתך בזמן ההתמרה, מיצו את הכרום מסלעי הפוספוריט ומהחומר האורגני, ריכזו אותו אל תוך סדקים והשקיעו אותו שם כוולקונסקואיט. מינרל נוסף בו משולב כרום הוא אותו בנתוריט סגול שהזכרנו קודם.
‏‏סלעים, טמפרטורה ולחץ
המינרלים המרכיבים סלע (כגון, קלציט ודולומיט בסלעי גיר ודולומיט, קוורץ בצור, פלדספר, מיקות וקוורץ בגרניט וכו') וכן הרכבם הכימי המדויק, משקפים את תנאי הסביבה בהם הם נוצרו. כך לדוגמה, סלעי משקע נוצרים בתנאים של "פני שטח", כלומר בטמפרטורות של לא יותר מכמה עשרות מעלות צלסיוס ובלחצים קרובים ללחץ אטמוספרי. סלעים מגמטיים-פלוטוניים מתגבשים מנתך בטמפרטורות גבוהות של 600–1000 מעלות צלזיוס ובלחצים של עשרות אלפי אטמוספירות – תנאים השוררים בעומק של עד עשרות ק"מ בתוך קרום כדור הארץ. כאשר בתהליך גיאולוגי סלעים מועתקים לסביבה בה תנאי הטמפרטורה ו/או הלחץ גבוהים באופן ניכר מהתנאים בסביבה בה נוצרו הם יעברו התמרה (מטמורפוזה). התוצר החדש ייקרא סלע מותמר או סלע מטמורפי. כך לדוגמה, קבורה של סלעי משקע בעומק קרום כדור הארץ כתוצאה מתהליכים טקטוניים חושפת אותם לטמפרטורות וללחצים גבוהים. בעקבות כך יחולו שינויים במבנה הסלע ויתגבשו מינרלים חדשים. לדוגמה, פחמן אשר מופיע בסלעי משקע כביטומן, יהפוך למינרל הרך והכהה גרפיט (הידוע לנו כחוד העפרון) כשתעלה הטמפרטורה לכמה מאות מעלות, ולמינרל הקשה והשקוף יהלום כאשר יעלה הלחץ עד קרוב ל-20,000 אטמוספרות. אפשר שסלע משקע יעבור התמרה גם בפני השטח (כלומר בתנאי לחץ אטמוספרי) וזאת כתוצאה ממגע עם גוף חם מאוד, כגון שפך בזלת או דייק מגמטי החודר לתוכו ו"אופה" אותו. תהליך ההתמרה יוגדר במקרה זה כ"התמרת מגע". ברוב המקרים נפח הסלע המותמר סביב הגוף החם יהיה מוגבל מאוד.
הדוגמה הרלוונטית לענייננו היא של חימום בפני השטח של סלעים קרבונטיים (כלומר מכילי מינרלים שבהם שולט היון ה-CO3), בעיקרם קירטון וחוואר. הקירטון מורכב רובו ככולו משלדי יצורים ימיים זעירים (פלנקטון) ששקעו לקרקעית הים והצטברו שם לשכבות. השלדים מורכבים מהמינרל קלצין שהרכבו פחמת הסידן – CaCO3. יחד עם השלדים הקלציטיים שקעו גם מעט שלדים שהרכבם הכימי הוא תחמוצת צורן – SiO2 (סיליקה) וכן חרסיות המורכבות בעיקר מצורן, אלומיניום וחמצן (אלומו-סיליקטים). כאשר מרכיב החרסית בסלע הקרבונטי גבוה יחסית הסלע מכונה חוואר. שלושת המרכיבים – קלציט, חרסית וסיליקה השוקעים בסביבה הימית נשארים יציבים כימית גם כאשר הם הופכים לסלע קשה ונחשפים לפני השטח. אולם בעת חימום הסלע לטמפרטורה של מאות מעלות, מתחילה ריאקציה כימית בין המרכיבים שתוצרה הוא מרכיב חדש. לדוגמה, אם תערובת של קלציט וקוורץ מחוממת לטמפרטורה של כ-350 מעלות נוצר מינרל חדש בשם וולסטוניט – Wollastonite (CaSiO3) וזאת על פי הריאקציה:
↑ CaCO3 + SiO2 → CaSiO3 + CO2
וולסטוניט מצוי גם בסלעי החתרורים. גז דו-תחמוצת הפחמן (CO2) הנוצר בריאקציה זו מסולק לאטמוספירה. בחימום וולסטוניט עם קלציט ביחסים מתאימים עד לטמפרטורה של כ-500 מעלות מתקבל מינרל חדש – ספוריט (Spurrite), שוב תוך כדי סילוק CO2:
↑ 3CaCO3 + 2CaSiO3 → Ca5[CO3,(SiO4)2] + 2CO2
ספוריט שהוא מינרל נדיר בעולם, נפוץ מאוד בסלעי החתרורים והוא המרכיב העיקרי ב"שיש ערד".
נזכיר כאן גם את התרכיזים המגנטיים המופיעים בסלעים המותמרים שהיו במקור סלעי חוואר של תצורת טקיה. סלעי החוואר עשירים בתרכיזי פיריט (Pyrite) שקוטרם עד מספר ס"מ. פיריט הוא מינרל בעל גוון זהוב מתכתי (ולכן מכונה בשם העממי "זהב השוטים") שהרכבו ברזל סולפיד – FeS2. בעת ההתמרה הברזל שבתרכיז עובר שינוי מינרלוגי והופך לתחמוצות ברזל. אחת מהן (מָגְהֶמיט) היא פרומגנטית, כלומר מתנהגת כמגנט ומשפיעה על מחט המצפן. התוצאה מכך – תרכיזים כדוריים שחורים וכבדים, בקוטר שכיח של כמה ס"מ, שכל אחד הוא מגנט בפני עצמו, השקועים בתוך סלעי החוואר המותמרים של תצורת טקיה (אלה מופיעים רק במחשוף החתרורים שבבקעת חתרורים ליד ערד ומתאפיינים בצבע צהוב – ירוק).
האנלוגיה למלט ולבטון
כאמור, תהליך ההתמרה זהה במהותו ליצור מלט. מלט פורטלנד (Portland Cement) שהוא אחד המוצרים הבסיסיים בתעשיית הבנייה, הומצא בשנת 1824 על-ידי המהנדס הבריטי אספדין (J. Aspdin). עקרון ייצורו הוא ערבוב גיר וחרסית וחימומם לטמפרטורה גבוהה (300 מעלות צלזיוס) בתנור ענק דוגמת זה המצוי בבית החרושת למלט ברמלה. הקלייה התעשייתית של הגיר והחרסית דומה לתהליך הטבעי המתרחש בעת חדירת גוף מגמתי אל תוך סלע קירטון או חוואר. תעשיית המלט היא מצרכני האנרגיה הגדולים בעולם.
שתים מן התרכובות העיקריות במלט פורטלנד – (Ca2(SiO4 ו- (Ca3(SiO5 נמצאו גם בסלעי החתרורים. הראשונה מוכרת כמינרל לָרְניט (Larnite) והיתה ידועה מכבר באזורי מגע בין אבני גיר לבזלות, השנייה לא נמצאה לפני כן בטבע, וזכתה על כן לשם חדש שמקורו בשם התצורה – חתרוריט (Hatrurite).
כידוע ממלט מכינים בטון וזאת בתהליך של ערבוב המלט עם מים ותערובת של חול וחצץ. תוספת המים והמגע עם האוויר החופשי מאפשרים קיומם של שני תהליכים כימיים: הידרטציה, קרי קליטת מים, ורה-קרבוניזציה, קרי ספיגת CO2 מהאוויר והסבתו לקרבונט. בעקבות כך נוצרת קבוצת מינרלים חדשה – מינרלי הבטון, שהרכבם הכללי הוא הידרטים של קלציום-סיליקטים בליווי מינרליים קרבונטים משניים. אלה הם המינרלים המקנים לבטון את חוזקו ועמידותו. תהליך דומה מתרחש גם בסלעי תצורת חתרורים, כאשר הטבע מספק את כל המרכיבים החיוניים ליצירת הבטון הטבעי: המלט, הרי הוא מאסף המינרלים של הטמפרטורות הגבוהות, המים המגיעים מהגשם וה-CO2 מהאטמוספירה. יצירת מינרלי הבטון בסלעי החתרורים מתרחשת באיטיות רבה, בעיקר לאורך סדקים. התהליך החל להתרחש מיד בתום הבערה, והוא ממשיך ברציפות מאן עד היום. את המעבר ממאסף מינרלי המלט למאסף מינרלי הבטון אפשר גם להגדיר כבליה.
חלק גדול מהמינרלים שזוהו על-ידי ש. גרוס בסלעי החתרורים שייכים לקבוצת מינרלי הבטון הטבעי. בעוד המינרלים של הטמפרטורה הגבוהה (מינרלי המלט) מהווים את עיקרם של סלעי תצורת חתרורים וצבעיהם כהים בדרך כלל, המינרלים של מאסף הבטון ממלאים בעיקר את העורקים והסדקים ומצטיינים בגוונים בהירים ומגוונים.
במחשוף החתרורים שליד מָקָרין בצפון ירדן (תרשים 3) חלק ניכר מהסלעים המותמרים עברו במלואם את תהליך הבליה והפכו לגושים גדולים הבנויים ממאסף מינרלי בטון. משרצתה קבוצת מחקר בינלאומית לבחון את עמידותו של בטון לתנאי בליה ממושכים (ממושכים יותר מגיל הבטון התעשייתי העתיק ביותר שיוצר כאמור ב-1824) בחרה באתר מקרין כאזור מחקרה. המניע למחקר הוא הרצון לקבור פסולת רדיואקטיבית ביציקות בטון תת קרקעיות, אלא שקיימת השאלה הקריטית בדבר עמידות הבטון לתהליכי בליה ממושכים בתת הקרקע. מאסף מינרלי הבטון שנוצר בתקופות קדומות בסלעי החתרורים מהווה אנלוג טבעי לבטון מלאכותי ויכול לעזור בחיזוי התנהגותו ועמידותו לאורך זמן.
שאלות נוספות העשויות להשאל בהקשר למודל הבערה
ש: מה היתה טמפרטורת הבערה?
ת: ע"פ מינרלים אופייניים ושדות יציבותם כפי שנקבעו במעבדה, הטמפרטורות ששררו בעת הבערה היו בתחום 400–900 מעלות צלזיוס. במוקדים חמים במיוחד הושגו טמפרטורות של כ-1100 מעלות. אין ספק שהטמפרטורה לא הגיעה ל-1300 מעלות כי אז היינו מזהים סימנים של התכה בחלק מסלעי החתרורים. ראוי להזכיר את הצלחתה של שולמית גרוס בסינתזת רוב המינרלים הבונים את סלעי תצורת חתרורים על-ידי חימום בתנור מעבדה של סלעי תצורות ע'רב וטקיה לטמפרטורות ההתמרה המשוערות (450–900 מעלות).
ש: האם בסלעים היה די חומר דלק לחימומם לטמפרטורות כה גבוהות?
ת: די והותר. שרפת כל החומר האורגני שבסלע הביטומני היתה יכולה להעלות את הטמפרטורה לכמה אלפי (!) מעלות. מסתבר שרוב החום שנוצר בשריפה הובל אל מחוץ למערכת הסלעים על-ידי אדי מים וגזים חמים (CO2 בעיקר) שנפלטו לאוויר החופשי.
הבדווים בירדן מצאו באופן בלתי תלוי כי שרפת החומר האורגני שבסלעים הביטומניים מספיקה לפירוק הגיר שבסלע. כך הם נהגו לייצר סיד לסיוד בקתותיהם. הטמפרטורה הדרושה לפרוק הגיר היא כ-700 מעלות.
ש: מה היה "הגפרור" שהצית את הבערה?
ת: כאשר חומר דלק (כגון ביטומן) חשוף לחמצן סופו שיידלק ללא כל גורם או "גפרור" חיצוני. ריאקציות החימצון של חומרים אורגניים וכן של סולפידים של ברזל (למשל פיריט) המצויים אף הם בסלעים הביטומניים, הן אקסותרמיות (פולטות חום) ובמידה מספקת כדי לגרום להצתה ספונטנית. במנגנון כזה ניצתות מדי תקופה ערמות פצלי השמן הנכרות במכרה פמ"א שבמישור רותם, סלעי הביטומן במקרין שבירדן, ערמות הפחם בתחנת הכוח שבחדרה, משטחי הכבול שבעמק החולה. הצתה ספונטנית של ערמות פחם שהוצאו ממכרות באנגליה היתה בעיה מוכרת; שטח כבול עצום ברוסיה נדלק ספונטנית ובער במהלך שנת 1972.
ש: כמה זמן נמשכה הבערה?
ת: אפשר לקבוע גבולות עליונים ותחתונים כלליים מאוד להערכת משך הבערה. ברור כי התהליך לא יכול היה להיות ממושך מדי, שכן אז החום היה יוצא מן המערכת מבלי להעלות את הטמפרטורה לערכים הנצפים. מצד שני, אילו התהליך היה קצר מאוד, החום לא היה מספיק להתפשט למרחק כלשהו ממוקד הבעירה ונפחי הסלע המותמרים היו קטנים מאוד. בעזרת הנחות סבירות לגבי הולכת חום של סלעים חישבנו משך של 300–1000 ימים כזמן שבו נמשכה הבערה במוקד בודד. ברור שכדי לקבל נפחי סלעים מותמרים גדולים, כמו אלה המופיעים בחלק ניכר מהמחשופים, יש צורך במספר גדול של מוקדי בערה. סביר להניח שבערת סלעי הביטומן לא התרחשה בו זמנית בכל המוקדים ואיננה אירוע אחד קצר. הבערה התפשטה באופן הדרגתי ממוקד למוקד, תוך כדי קריסות סלע ופתיחת תעלות חדשות לחמצן. זמן הבערה של כלל הסלעים הביטומניים בכל אחד מהמחשופים היה על כן ממושך והגיע לאלפי ואף עשרות אלפי שנים. לאורך זמן זה התרחשו דלקות קיצרות זמן במוקדים שונים וכשאלו כבו החלה בערה במוקדים חדשים.
ש: האם תופעת החתרורים היא ייחודית בעולם?
ת: ישנם בעולם מספר אתרים בהם נשרפו פחם, נפט, או ביטומן והשפיעו על סלעי סביבתם או על הסלעים בהם הם היו ספוגים. ידועים היטב סלעים כאלה בסביבות סנטה-ברברה שבקליפורניה, שם פצלים וחולות חוממו ואף הותכו עד כי התנהגו כלאבות שזרמו על פני השטח. תהליך של בערת חומר אורגני בסלעים מתרחש כיום באתר הנקרא "הגבעות המעשנות" (Smoking Hills) שבצפון קנדה. כבר ב-1826 היה מי שהעיד על בערה באתר זה. מצד שני, אין בעולם אתר עם סלעים בעלי מינרלוגיה כמו זו של תצורת חתרורים, כנראה מפני שלא נשרפו סלעים שהרכבם הראשוני היה כהרכב התערובת המסופקת לתנור מלט פורטלנד.
ש: מנגנון היצירה של סלעי החתרורים הוא פשוט, אם כך מדוע אין סלעים דמויי חתרורים נפוצים יותר בעולם?
ת: דרוש צרוף של מספר נסיבות כדי שימצא מחשוף של סלעים בהרכב דמויי החתרורים:
א. שקיעת סלעי מקור (פרוטוליתים) מתאימים, קרי גירים וקירטונים מכילי חרסית ועשירים בחומר ביטומני (הדלק לבערה).
ב. חשיפה לאוויר של הסלעים העשירים בחומר אורגני כך שיתאפשר מגע ישיר עם החמצן האטמוספרי.
ג. הצתה ובערה. אלה חייבים להתרחש בסמוך לחשיפה לאוויר שאם לא כן עשוי החומר האורגני להתחמצן ולהעלם.
ד. הישרדות. חשיפת הסלעים המטמורפיים שזה עתה נוצרו צריכה להיות לזמן לא ארוך מדי, כך שלא יוסרו על-ידי הבלייה או לחילופין יתבלו ויאבדו את הרכבם המינרלוגי הייחודי (תהליך שעשוי להיות מואץ באזורים גשומים).
ככל הנראה מכפלת ההסתברויות לקיום כל התנאים הללו קטנה דיה כדי שמציאת התוצאה, קרי סלעי החתרורים ודומיהם, תהיה נדירה.
בורג, א., 1990. "הגיאולוגיה של תצורת חתרורים." עבודה לשם קבלת תואר מוסמך, האוניברסיטה העברית, ירושלים (תקציר אנגלי) וכן המכון הגיאולוגי, 1991, דו"ח GSI/18/91, 118 עמ'.
בורג, א., וולין, ס., איל, ע., קולודני, י., 2003. "תופעות גיאולוגיות במישור רותם ובבקעת חתרורים." החברה הגיאולוגית הישראלית, הכנס השנתי, עין בוקק, חוברת סיורים, עמ' 35–46.
Burg, A., Kolodny, Y. and Lyakhovsky, V., 1999. Hatrurim – 2000: The “Mottled Zone” revisited, forty years later. Isr. J. Earth Sci., V. 48, pp. 209-223
כותר: סלעים בוערים בישראל - בית חרושת טבעי למלט ולבטון
מחברים: בורג, אבי (ד"ר) ; קולודני, יהושע (פרופ')
תאריך: ספטמבר 2003 , גליון 61
הערות לפריט זה: 1. אבי בורג הוא דוקטור מהמכון הגיאולוגי בירושלים.
2. יהושע קולודני הוא פרופסור במכון למדעי כדה"א באוניברסיטה העברית בירושלים.