מחזור המגנזיום באוקיאנוסים והקשר בינו ובין סלע נפוץ ומוכר

מאזן המגנזיום באוקיאנוסים הוא בעל חשיבות גדולה. ההשלכות משינויים בו עשויות להשפיע גם על מחזורים אחרים חשובים ביותר בהם כגון מחזור הפחמן. עד כה, לפחות ב 20 מיליון השנה האחרונות הוא די יציב. מתברר כי הוא גם משפיע בצורה משמעותית על היווצרות סלע הדולומיט המוכר לנו.

מגנזיום, בצורתו כקטיון Mg +2 (קטיון = אטום שנגרע ממנו אלקטרון או אלקטרונים, בעל מטען חיובי) הינו האלמנט השלישי הנפוץ ביותר
באוקיאנוסים (כ 1.3 גרם לכל ק"ג מי ים או ריכוז של 52.8 mmol/kg). הריכוז שלו לכל ק"ג מי ים והמאזן שלו בהם כלומר התוספת כנגד
גריעתו בפרקי זמן (בדרך כלל לכל 1000 שנים) קשורים ישירות לאספקטים נוספים חשובים ביותר כמו מחזור הפחמן (ויון הקרבונט) במי
האוקיאנוס, מאזן האלקליניות (היכולת של מי הים לנטרל חומצה ולכן גם זיהום ממקור אנושי) שלהם, המושפעים מתהליכים גלובליים כמו
בלייה של מינרלים סיליקטיים (שהרכבם מכיל את המולקולות מסוג SIO4), התפרצויות געשיות, התרחבות קרקעית האוקיאנוסים ושינוי
גובה מפלס הים. לכן, הבנת מאזן המגנזיום במי הים היא קריטית להבנת שינויי אקלים ארוכי טווח והקשרם לשינויים כימיים במי הים
בעבר. מאזן המגנזיום הינו כאמור התוצאה של התוספת ביסוד זה המסופקת לים מהמקור העיקרי (ובאופן מעשי גם היחיד) - הנהרות
השונים בעולם הזורמים אליו כנגד הגריעה בכמות הנגרמת בעיקר על ידי שקיעתו במינרלים הנוצרים בים (שקיעתו הכוונה שילובו כחלק
מתרכובת היוצרת מינרל או סלע). בעוד שהתוספת המגיעה ממקורותיו ידועה וניתנת להערכה כמותית שנתית, הכמות הנגרעת
מהאוקיאנוסים בפרק זמן אינה ברורה לחלוטין ולמעשה נמצאת במחלוקת בין החוקרים. כיום, הולכת ומתחזקת הסברה כי אחד הגורמים
המשמעותיים לגריעה בכמות המגנזיום במי הים הינו שקיעתו (הפיכתו לחלק ) בסלע מוכר וידוע לנו - הדולומיט. סלע זה נפוץ ביותר
במקומות שונים בעולם וגם בארצנו הוא מצוי בשפע באזורים רבים כגון הכרמל, הגליל, מדבר יהודה, הרי ירושלים ועוד. הנה תמונה
טיפוסית לסלע זה מהכרמל:




עד לשנים האחרונות רווחה הסברה כי הדולומיט נוצר בעבר וכיום כבר לא, למעט במספר מצומצם של אזורים קטנים יחסית בעיקר
בלגונות - אזורי מים רדודים המאופיינים באקלים חם יחסית בהם כמות אידוי המים גדולה יותר מכמות המים הנכנסת אליהם מנהרות
וגשמים וכן יחס מספרי בין היסודות מגנזיום וסידן העובר סף מסוים. ים המלח הוא דוגמה לאזור כזה ובו אכן נוצרו סלעי דולומיט.
מחקרים מהשנים האחרונות מצביעים על היווצרות דולומיט גם כיום, במי העומק של האוקיאנוסים גם ללא קיום יחס הסף בין ריכוזי
המגנזיום והסידן. בעבר, לפני למעלה מ 100 מיליון שנים ובמשך תקופות נרחבות עד לפני כ 35 מיליון שנים היה אזורנו בשולי ים
תטיס שהציף לסירוגין (התקדם ונסוג) שטחים נרחבים והגיע בשיאו עד ערב הסעודית. בתקופות נרחבות היו שוליים אלה רדודים -
במקומות רבים עומקם לא עלה על עשרות מטרים - והאקלים ששרר כאן היה חם ולח - אקלים טרופי (ישראל, המצויה כיום בין קווי
הרוחב 29 - 33 , הייתה אז בין קווי רוחב דרומיים יותר, באזור קווי הרוחב סביב 18 -20 מעלות, המאפיינים אזורים בעלי אקלים
טרופי ודרומה יותר לפני כן). אלה היו תנאים אידאליים להיווצרות סלעי דולומיט ואכן, תפוצתם בארצנו ובכל האזורים ששהו בשולי
ים זה (שהים התיכון של היום הינו שריד שלו) נרחבת.
מאז תחילת המאה הנוכחית נערכו מספר מחקרים שניסו להבין את מחזור המגנזיום באוקיאנוסים ואת המאזן שלו - תוספת מול
גריעה בהם. עד תקופה זו ובעצם כמעט לאורך כל 200 השנים האחרונות הסברה הרווחת בקרב הגיאולוגים הייתה כי תרומת
האוקיאנוסים כיום להיווצרות הדולמיט שנוסחת הרכבו CaMg(CO3)2 היא מזערית וניתנת להזנחה ואם בכלל אז הוא נוצר כאמור
בעיקר באגני שוליים קטנים ורדודים. אפילו במאמר שפורסם בשנת 2000 שכותרתו: The Dolomite Problem Revisited מאת
HD Holland, H Zimmermann ניסו החוקרים להסביר מדוע כמות המשקעים הקרבונטיים יורדת באוקיאנוסים ובכלל זה כמויות
הדולומיט הנוצרות הן בטלות בששים. המחקרים החדשים (ובמיוחד של Higgins and Schrag 2010 , Shalive et. al 2019 )
מראים כי כמות (ריכוז) המגנזיום יורדת עם העומק משום שהוא נהפך לחלק מ 2 סוגים עיקריים של מינרלים: האחד קשור
להיווצרות דולומיט והשני קשור לסדרה של מינרלי חרסית המצויים בקרום האוקיאני הבזלתי שמתחת למשקעים. האיור הבא
הינו תיאור סכמתי של קרקעית הים העמוק:





קרקעית האוקיאנוסים מורכבת מרצף של רכסים ששיאם במרכז האוקיאנוס. האזור המצוי ככל שמתרחקים משיאי הרכס נקרא אגפי
הרכס. בין מי הים לקרקעית האוקיאנוס שהיא הקרום הבזלתי, נאגרים במהלך הזמן משקעים המאפיינים את הים. מבחינה כימית הם
בעיקר נחלקים לכאלה שבהרכבם פחמן וסידן מהווים מרכיבים דומיננטיים (ואלה משקעים קרבונטיים) וכאלה שהסיליקון הוא דומיננטי
בהם. הדולומיט הוא חלק מהמשקעים הקרבונטיים. על פי המחקרים החדשים, שקיעת המגנזיום בים העמוק או הפיכתו לחלק מסלע
דולומיט היא משמעותית מבחינה כמותית ואם כך כמויות הדולומיט הנוצרות בים העמוק גדולות.

מה גרם לפריצת הדרך?
המחקרים מתבססים הן על מדגמים שנאספו מקרקעית האוקיאנוס במקומות שונים והן על מודלים מתמטיים. קיימים קידוחים בכל
האוקיאנוסים שהם חלק מתוכניות מחקר סדורות. שתיים מהמפורסמות בהן : ODP = Ocean Drilling Program ודומה לה
IODP = Integrated Ocean Drilling Program כוללות צבירת דגימות מסדרות קידוחים המאפיינות את כלל האזורים באוקיאנוסים.
בדיקות שבוצעו על המשקעים מאזורים אלה מרמזות על שקיעה של מגנזיום במינרלים בים העמוק אולם זה אינו מספיק על מנת
להסיק על היווצרות דולומיט בכמויות גדולות. מה אם כן מצביע על מגמה זו ?
אחת השיטות המודרניות שממנה ניתן להסיק על ההרכב הכימי של חומרים בכלל ובפרט כאלה המצויים במסתורי הים העמוק היא
שיטת "הפרקציונציה האיזוטופית". אין צורך להיבהל מהמושג הזה (למי שאינו מצוי בנושא) ההסבר שלו, מבלי להיכנס לחישובים
מתמטיים פשוט למדי. איזוטופ של יסוד הוא אטום בעל מספר מסה זהה (מכיל אותו מספר של אלקטרונים ופרוטונים) אך בעל מסה
שונה משום שמספר הניטרונים בו שונה. כך למשל, האיזוטופ הנפוץ של חמצן נקרא O16 משום שמספר הניטרונים והפרוטונים
בגרעין שלו הוא 16 אבל קיימים גם O17 , O18 בהם מספר הניטרונים גדול יותר. גם לפחמן יש איזוטופים שונים: פחמן 12 הוא
הנפוץ ביותר אבל קיימים גם פחמן 13 ופחמן 14. גם למגנזיום יש איזוטופים: הנפוץ והמוכר ביותר הוא Mg24 שמופיע במערכה
המחזורית אבל יש לו גם איזוטופים נוספים: מגנזיום 25 , ומגנזיום 26. מתברר כי האחרון הוא בעל חשיבות מכרעת להבנת נושא
גריעת המגנזיום באוקיאנוסים. פרקציונציה פרושה הפרדה. בתהליכים שונים בטבע, איזוטופים שונים "מעדיפים" להימצא בתנאים
מסוימים והם נפרדים מהאיזוטופ העיקרי ומופיעים בריכוזים שאינם סטנדרטיים בשלבים שונים של התהליך. דוגמה פשוטה היא
האיזוטופ O18 של חמצן. כשמים (המורכבים מחמצן ומימן) מתאדים, "מעדיף" האיזוטופ הכבד הזה של חמצן להישאר במים וכך
אנו מוצאים לאחר מכן במי הגשמים (כאשר האדים התעבו בחזרה) כמויות מופחתות של O18, לעומת O16 הרגיל כלומר בתהליך
מסוים נפרדים איזוטופים של אותו יסוד מהאיזוטופים הנפוצים שלו. לגבי דולומיט, מתברר כי האיזוטופ הכבד של מגנזיום Mg26
"מעדיף" להישאר במי הים והאיזוטופ הרגיל שלו Mg24 הופך לחלק מסלע הדולומיט המתהווה. אותו איזוטופ כבד, "מעדיף"
בנוסף להתרכב עם מרכיבי הקרום הבזלתי האוקיאני (שם הוא מתרכב עם מינרלי החרסית). מדגמים שהועלו מהקידוחים השונים
באוקיאנוס מכילים בחלקם סלעים שהתגבשו כמו דולומיט ממש אך חלק אחר גם סלעים בהתהוות, שכן היווצרות סלע כזה אורכת
בדרך כלל מאות אלפי עד מיליוני שנים, תלוי בקצב בו שוקעים משקעים ימיים המהווים את הבסיס להם על הקרקעית. לכן, בחלק
מהמדגמים בהם עדיין לא זוהה הדולומיט כסלע ממש, ההנחה היא כי הוא נוצר על סמך ניתוח כימי המתבסס על איזוטופים אלה.
בנוסף, קיימים בעמקי האוקיאנוס, זרמים סיבוביים מחזוריים של מים העוברים דרך המשקעים ודרך הקרום האוקיאני -בזלתי
(ראו בתיאור הסכמתי) הנחלקים לשניים: high-temperature hydrothermal, HTH כלומר זרמים הידרותרמליים של טמפרטורות
גבוהות וכן low-temperature hydrothermal, LTH , זרמים הידרותרמליים של טמפרטורות נמוכות. התברר מהמחקרים כי
שקיעת המגנזיום במינרלים תלויה בטמפרטורה וככל שהיא עולה הם שוקעים פחות ומומסים יותר. הטמפרטורות במערכות
הזרמים ההידורתרמליות בטמפרטורות נמוכות מ 70 מעלות ובאזור שמתחת לממשק (גבול) קרום אוקיאני - משקעים הן גם
מגיעות בחלק מהמקומות ל 2 מעלות בלבד, בתנאי שרחוקים מספיק משיא הרכס שדרכו כידוע עולה מגמה לוהטת. התברר כי
מערכות הזרמים האלה בטמפרטורות נמוכות מובילות מגנזיום בכמויות משמעותיות ותורמות לאספקתו לצורך היווצרות סלע
הדולומיט במעמקי הים.
הערה כללית: ערכו המשקלי / ריכוזו של המגנזיום במי הים ב 20 מיליון השנים האחרונות נראה יציב. עם זאת, האתגרים
האנטרופגניים המשפיעים על כלל הטבע ונראים גם בימים אלה עשויים לשנות גם נתון זה.

ומה הלאה ?

הבנת תהליך מחזור המגנזיום כפי שכתבתי בתחילת המאמר היא קריטית. על מנת להבין אם היסוד הזה נגרע משמעותית ממי
הים ,יש צורך למדוד במדויק את כמות הדולומיט כפי שנאספת במדגמים שונים המכילים גם סוגים אחרים של משקעים ומכאן
אחד הקשיים לבודד את מה שרוצים למדוד בדיוק גבוה. מדידה מדויקת של דולומיט ממעמקי הים מהווה בדיוק את נושא המחקר
בו אני עוסק בימים אלה. המטרה היא למדוד ממדגמים שונים ממרחבי הימים, גם מהים התיכון את הכמות המדויקת של הדולומיט
(מבלי להיכנס למספרים - תוך טעויות מדידה מזעריות) המחקרים שציינתי מרמזים על כיוון ברור של היווצרות סלע הדולומיט בים
העמוק. מתברר כי מדידה מדויקת כמותית שלו מהווה אתגר מורכב. עד כה שיטות המדידה השונות אכן הצביעו על משקעים
קרבונטיים ובכללם דולומיט אך בדיוק לא מספיק גבוה עד כדי כך שהתוצאות העמידו בספק את נכונות הממצאים. המחקר בו אני
שותף משתמש במערכת מדידה חדשנית בה מושג דיוק מדידה בסדרי גודל טובים מהשיטות הקודמות. עם התקדמות מחקר זה,
אני מקווה שנוכל לקבוע האם כמויות הדולומיט הנוצרות במרחבי הים העמוק אכן משמעותיות.

ימים (תרתי משמע) יגידו.



אפשר לכתוב אלי: [email protected]


אהבת? לחץ כאן וקבל עדכונים על תכנים חדשים שלי
+ שמירה על זכויות היוצרים למאמר באחריות הכותב בלבד

תגובות

טוען...

כותבי המדור

הצג הכל