גאולוגיה

גֵּאוֹלוֹגְיָה (מיוונית: גֵ (γη) פירושו קרקע ולוגיה (λογία) פירושו תורה) היא אחד ממדעי הטבע, ענף בתחום מדעי כדור הארץ. הגאולוגיה חוקרת את הגאוספירה – כדור הארץ המוצק: את תכונותיה, את מרכיביה השונים, את התהליכים הדינמיים המתרחשים בה (כגון רעידות אדמה, נדידת היבשות וצורות נוף) ואת אוצרות הטבע הטמונים בה. הגאולוגיה עוסקת גם בחקר המאפיינים המוצקים של גרמי שמים כגון כוכבי לכת, אסטרואידים, מטאוריטים, כוכבי שביט וכו'.

גאולוגיה חוקרת באמצעות מינרלים, סלעים, קרקעות ומאובנים את התפתחות כדור הארץ, את השינויים המתרחשים בו, והשפעתם על יצירת הנוף המגוון שאנו רואים. גאולוגיה מורכבת מתחומי מחקר רבים ומגוונים המפרקים את כדור הארץ ותכונותיו למרכיבים השונים, מספקים הסברים אפשריים לתופעות ותצפיות, ושבים ומאחדים את המידע לתמונה שלמה.

הגאולוג, ציור של קארל שפיצווג משנת 1860

התפתחות המחקר הגאולוגי

גאולוגים ניסו לחקור את כדור הארץ לפי ממצאיהם ופיתחו שיטות להבנת מבנהו, החומרים המרכיבים אותו ותהליכים המתרחשים בו. כך, למשל, הועלתה במאה ה-20 תאוריה הטוענת כי הליתוספירה – המורכבת מקרום כדור הארץ ושכבת מעטפת כדור הארץ העליונה – מתחלקת ללוחות טקטוניים המתרחקים זה מזה, מתקרבים זה לזה ומחליקים זה לצד זה בתהליכים טקטונים. תאוריה זו נשענת על מספר תצפיות, כאשר אחת מהן היא מציאתם של מאובנים דומים ביבשות המרוחקות היום זו מזו מרחק רב. תאוריות אלה ואחרות הן תוצר של מחקר ממושך. בחינת ההיסטוריה של המחקר הגאולוגי מלמדת על ההתקדמות בהבנת כדור הארץ והתהליכים המתרחשים בו. האדם למד לנצל את משאבי הטבע השונים לא רק לצורך הישרדות אלא גם לצורכי מסחר וקישוט.

הגאולוגיה בעולם העתיק

היסודות המדעיים של הגאולוגיה טמונים ביוון העתיקה, ושם גם נמצאו החל מהמאה השישית לפנה"ס העדויות הראשונות לניסיון מעמיק למצוא ולתעד הסברים על תופעות הטבע הנצפות הקשורות בכדור הארץ: פיתגורס ראה אניות מתקרבות והבחין כי את תורניהן ניתן לראות לפני הגוף, ומכך הסיק כי כדור הארץ כדורי – זאת בתקופה בה האמינו כי הארץ שטוחה. קסנופנס תיעד מאובנים שמצא בהרים וכמוהו גם הפילוסוף הנודע הרודוטוס, ואמפדוקלס השאיר תיאור מפורט ראשון של התפרצות הר הגעש אטנה. אחת השאלות העיקריות שהעסיקו את הפילוסופיה בזמנו של אמפדוקלס הייתה "ממה מורכב העולם?", ותשובתו הייתה כי כל המצוי בעולם מורכב מתערובות של ארבעת היסודות הראשוניים, כפי שהאמינו בתקופתו: אש, אוויר, אדמה ומים. אמפדוקלס טען כי יסודות אלה – שהם כשלעצמם נצחיים ובלתי משתנים – התקיימו מעולם ויתקיימו לנצח, וכי כל השינויים הנראים בעולמנו הם שינויים כמותיים ולא איכותיים.

בהתבססו על ארבעת היסודות של אמפדוקלס פיתח אריסטו מודל שלפיו שולטות בעולם ארבע תכונות: חום וקור, יובש ולחות, שצירופיהן יוצרים את ארבעת היסודות:

• חום ויובש יוצרים את האש
• חום ולחות יוצרים את האוויר
• קור ויובש יוצרים את האדמה
• קור ולחות יוצרים את המים

ההבדלים בין חומרים הוסברו על ידי שוני ביחסים הכמותיים שבין התכונות. תאוריה זו הסבירה, למשל, כיצד חימום הופך מים לאדים (אוויר) ומשאיר כלי ריק (אדמה). בתאוריה זו מופיעים הניצנים הראשונים למדעי הטבע: חיפוש גורם משותף למספר רב של תופעות והתבססות על תצפיות.

אריסטו גם גרס כי הבנת העולם ניתנת להשגה רק באמצעות חשיבה לוגית המבוססת על מידע שנרכש באמצעות החושים, כל כמה שידע זה עשוי להיות פגום. הוא היה, ככל הנראה, הראשון לבסס תאוריה מדעית על בסיס תצפיות. למשל, לאחר שהבחין בסימנים של סחף והרבדה באדמה, הסיק שכדור הארץ משתנה ובקצב מאד איטי, כל כך איטי שאינו ניתן להבחנה במהלך חייו של אדם אחד.

בעבודתו "על אבנים" תיאר תאופרסטוס, תלמידו של אריסטו, עפרות ומינרלים רבים ממכרות מקומיים. הוא דן בסוגים שונים של שיש וחומרי בנייה אחרים, למשל אבן גיר, ועשה ניסיון ראשוני לסווג את התכונות השונות של המינרלים, כגון קשיות.

חברי האטומיסטים – לוקיפוס ותלמידו דמוקריטוס – טענו כי כל החומרים מורכבים מגופיפים, חלקי יסוד שאי-אפשר לחלקם – אטומים (ביוונית: אטומוס). לטענתם, כל החומרים מורכבים מצירוף של אטומים שונים ביחסים משתנים, ויוצרים את תכונות החומר: קור, חום, צבע וקשיות.

ארטוסתנס, הספרן המפורסם מאלכסנדריה, הצליח בדיוק מפתיע לחשב את קוטר כדור הארץ על ידי שימוש בצל ובחוקי הגאומטריה.

מאוחר יותר, בתקופת רומא העתיקה, עסק פליניוס הזקן, ביצירתו "תולדות הטבע", בדיון נרחב על מינרלים ומתכות שהיו בשימוש נפוץ. הוא סיווג נכונה את הענבר כשרף מאובן על פי החרקים שנכלאו בו, והניח את היסוד למדע הקריסטלוגרפיה בזהותו את צורות ההתגבשות של היהלום.

ימי הביניים והרנסאנס

מדענים כהיסטוריון הרפואה פילדינג ה' גאריסון בן סוף המאה ה-19, מחזיקים בדעה שמקורה של הגאולוגיה המודרנית בעולם האסלאם. ב"מבוא להיסטוריה של הרפואה" (An Introduction to the History of Medicine) משנת 1913 כתב גאריסון: "הסרצנים ("פראים") עצמם היו מחוללים לא רק של האלגברה, הכימיה והגאולוגיה, אלא של הרבה שיפורים ושיכלולים לכאורה של הציוויליזציה, כמו תאורת הרחוב, שמשת החלון, זיקוקים, כלי מיתר, פירות מתורבתים, בשמים, תבלינים ועוד".

אבו א-ריחאן אל-בירוני, שהיה אחד מראשוני הגאולוגים המוסלמיים, כתב על הגאולוגיה של הודו: "אבל אם אתה רואה את אדמת הודו במו עיניך ומהרהר על טבעה, אם אתה שוקל את האבנים המעוגלות הנמצאות בארץ בכל עומק שתחפור, אבנים שהן ענקיות ליד ההרים במקום שהנהרות זורמים בפראות; אבנים שהן קטנות במרחק גדול מן ההרים ובמקום שהזרם איטי יותר; אבנים הנראות כתושות לחול במקום שהזרימה מתחילה לדעוך ליד שפכם או ליד הים – אם אתה שוקל את כל אלה אתה יכול בקושי רב שלא לחשוב כי הודו הייתה פעם ים אשר התמלא בהדרגה על ידי סחף הנחלים". בחז"ל להבדיל, מתוארת הצפת מי אוקיינוס על שליש מכדור הארץ בדור אנוש.

אבן סינא הניב תרומה משמעותית למדעי הטבע בחיבור האנציקלופדי "כיתאב אל שיפאא'" (ספר הריפוי), ובו – במאמר על מינרלוגיה ומטאורולוגיה מופיעים הסברים על היווצרותם של הרים, תרומתם של הרים ביצירת עננים, מקורותיהם של המים ושל רעידות אדמה, היווצרותם של מינרלים ורבגוניות פני הקרקע של כדור הארץ. תפישות אלה כלולות גם ב"תאוריה של הארץ" של ג'יימס האטון. הבריטים – הפילוסוף סטיבן טולמין והסופרת ג'ון גודפילד – העירו בשנת תשכ"ה - 1965 על תרומתו של אבן סינא: "כבר בשנת 1,000 לספירה הציע אבן סינא היפותזה על מקורם של רכסי הרים, שהעולם הנוצרי החשיב לקיצונית שמונה מאות שנים מאוחר יותר".

חסילון מאובן

אחד מן המדענים המעניינים בסין של ימי הביניים היה שן קואו, מלומד ואיש אשכולות שעסק בתחומי מדע רבים בני זמנו. בתחום הגאולוגיה היה שן קואו אחד מן המדענים הראשונים שניסח תאוריה בגאומורפולוגיה המבוססת על תצפיותיו בהתרוממות משקעים, סחיפת קרקעות, הרבדה של טין ומאובנים ימיים שנמצאו בהרי טאיחאנג, מאות קילומטרים מן האוקיינוס השקט. בנוסף הוא ניסח תאוריה של שינוי אקלים הדרגתי לאחר שצפה בבמבוק מאובן עתיק שנמצא במעבה האדמה ליד העיר ינ'אן במצב שימור טוב בשל תנאי האקלים היבש של מחוז שאאנשי.

לאונרדו דה וינצ'י התעניין בתחומי מדע רבים ועסק לא מעט בגאולוגיה, במבנה הקרקע ובחקר מאובנים, והבחין שהמאובנים הנמצאים בסלע היו פעם יצורים חיים. לתובנה דומה הגיע מעט אחריו גם ניקולאוס סטנו.

גאורגיוס אגריקולה היה רופא גרמני שטיפל בכורים באחד מאזורי המכרות בגרמניה. שמו המקורי היה גאורג באוור ו"אגריקולה" הוא כינוי שניתן לו שפירושו בלטינית: איכר. אגריקולה התעניין בסלעים ובמינרלים, מתוך כוונה למצוא חומרים שיוכלו לשמשו למטרות רפואיות. הוא פרסם ספרים אחדים על סלעים ומינרלים, שאחד מהם שימש מקור מידע עיקרי לחוקרים, לכורים ולמעבדי מתכות במשך כמאתיים שנה. בשל גישתו המדעית נחשב אגריקולה לאבי התורה של חקר המינרלים – המינרלוגיה.

ג'ורג' אוון הוולשי למד טופוגרפיה, ובמהלך לימודיו ערך תצפיות שיטתיות על הגאולוגיה של ויילס ובעיקר על שכבות אבן גיר ופחם. אף שלא יסד תאוריה גאולוגית על היווצרותן של השכבות וכתביו לא התפרסמו עד ה'תקנ"ו 1796, הוא זכה למוניטין רב ונחשב לאבי המחקר הגאולוגי הבריטי.

המאה ה-17

ניקולאוס סטנו

ניקולאוס סטנו מדנמרק תרם רבות לפלאונטולוגיה והניח את היסודות למדעי הסטרטיגרפיה והקריסטלוגרפיה. לזכותו נזקפים ניסוחם של עקרונות יסוד בסטרטיגרפיה כעקרון הסופרפוזיציה ועקרון האופקיות המקורית המפורטים בהמשך. סטנו ניסח עקרון נוסף הידוע בפשטות כ"חוק סטנו", או "חוק הזוויות הקבועות של סטנו": כשהוא מסתמך על מחקר גבישי הקוורץ קבע סטנו שהזוויות בין פאות מקבילות בגבישים מאותו חומר זהות בכל הדגימות של המינרל או החומר. עקרון זה היווה פריצת דרך מהותית והוא מונח בבסיס המחקרים שנעשו אחר כך על מבנה הגביש.

במאה ה-17 הבחינו אנשי דת שבכל תרגומי התנ"ך ולהבדיל הברית החדשה רק הפרטים הגאולוגים והגאוגרפים היו זהים בכל הגרסאות. בעקבות כך התעוררה התעניינות כללית בגאולוגיה, שמטרתה הייתה ליצור תאוריה גאולוגית העולה בקנה אחד עם הסיפור התנ"כי, בפרט על המבול. על פי התאוריה, הסטרטות השונות תואמות את המאורעות התנכ"יים. ואכן, התאוריה הרווחת נשענה על ספרו של ויליאם ויסטון "תאוריה חדשה של הארץ" (A New Theory Of The Earth) שהתפרסם ב-תנ"ו - 1696,‏ ובו ויסטון מוכיח את התרחשותו של מבול על פי הראיות שמספקות הסטרטות של כדור הארץ.

המאה ה-18

באמצע המאה ה-18 התבססה הגאולוגיה כענף מדעי. מוזיאון הטבע הלאומי הצרפתי היה הראשון לקבוע משרת הוראה לתחום זה כבר ב-1741. היה זה צעד חשוב לקראת התפתחות הגאולוגיה ובהכרת חשיבות הפצתו הרחבה של הידע.

ז'ורז'-לואי לקלר דה בופון התווה את השם "גאולוגיה" בהקשר למחקר כדור הארץ באותם ימים, אך המונח לא התקבל היטב עד פרסום האנציקלופדיה הגדולה בשנת 1751 בידי דני דידרו. השימוש הראשון במושג "גאולוגיה" בפרסומים מקצועיים נעשה על ידי שני מדענים שווייצריים: הגאולוג והמטאורולוג ז'אן-אנדרה דלוק והוראס-בנדיקט דה סוסיר. שימוש מוקדם במושג "גאולוגיה" נעשה על ידי רישאר אונז'רוויל המוכר גם כ"רישאר דה בירי", על מנת להבדיל בין עקרונות תאולוגיים-רוחניים לעקרונות מדעיים-ארציים.

במרכז צרפת טיילו המינרלוג ז'אן-אטיין גוטאר והגאולוג ניקולא דמארה ותיעדו את תצפיותיהם במפות גאולוגיות. גוטאר תיעד גם את תצפיותיו על היסודות הגעשיים של אזור זה.

עד שנות ה-70 של המאה ה-18 היה כבר חקר כדור הארץ עיסוק נפוץ, עם זאת, מדע הגאולוגיה לא נכלל באנציקלופדיה בריטניקה עד למהדורה הרביעית שיצאה לאור בשנת 1809.

תחריט עץ המתאר כרייה מספרו של גאורגיוס אגריקולה "טבעם של המינרלים" שיצא בבזל בשנת 1556

העניין המתגבר בטבעו ובמקורו של כדור הארץ עורר עניין במינרלים ובמרכיבים אחרים של קרום כדור הארץ. יותר מזה, התגברות החשיבות הכלכלית של כרייה באירופה החל מאמצע המאה ה-18 וניצניה של המהפכה התעשייתית הפכה את הידע המדויק על עפרות ותפוצתן לחיונית ביותר. מלומדים החלו ללמוד את הרכב כדור הארץ באופן שיטתי, תוך השוואה מפורטת ותיאור לא רק של האדמה אלא גם על מציאותן של מתכות יקרות שחשיבותן הלכה ועלתה. ככל שניתן היה למצוא ביעילות רבה יותר אדמת מכרות פורייה ולזהות עפרות המכילות מתכות, ניתן היה להפיק מכך רווח גדול יותר. דחף זה להצלחה כלכלית הזין את הגאולוגיה והציב אותה במרכז ההתעניינות, והפך אותה לנושא נחשק. עם גדילת מספר האנשים שבחרו ללמוד אותה, התרבו התצפיות והתווסף ידע רב יותר על כדור הארץ.

המאה ה-19

איור מאובנים מתוך "זיהוי שכבות סלע בעזרת מאובנים של בעלי חיים" של ויליאם סמית משנת 1816

מניעים כלכליים ביישום מידע גאולוגי הביאו ממשלות לתמוך במחקר הגאולוגי. במהלך המאה ה-19 מימנו ממשלות רבות סקרים גאולוגיים אשר סיפקו מפות גאולוגיות של אזורים נרחבים וסיפקו מידע על מיקומם של מינרלים שימושיים – מידע בעל חשיבות לתעשיית המכרות של אותן מדינות. מחקר גאולוגי במימון ממשלתי איפשר לרבים ללמוד גאולוגיה, להיעזר בטכנולוגיה ובטכניקות מתקדמות ולהרחיב את המחקר הגאולוגי.

בתחילת המאה ה-19 הורכב הטור הסטרטיגרפי המתאר את סדר שכבות הסלעים בכדור הארץ ואשר נשען על מידע שסיפקו הנפטוניסטים והפלוטוניסטים של המאה ה-18. להרכבת הטור תרמו הביולוג ז'ורז' קיווייה והמינרלוג אלכסנדר ברוניאר, שניהם מצרפת, שפירסמו בשנת 1811 את "תיאור הגאולוגיה של סביבות פאריז" (Description Geologiques des Environs de Paris), והמודד האנגלי ויליאם סמית. עבודתם של השלושה הולידה את הסטרטיגרפיה, מיפוי שכבות הסלע בכדור הארץ.

סמית עצמו אחראי למהפכה גאולוגית חשובה – קביעת גילן המשוער של שכבות סלע ויצירת היסוד לבניית לוח הזמנים הגאולוגי. כאספן מאובנים מושבע הוא הבחין בשיטתיות בהימצאותם במקומות שונים, ומצא קשר אפשרי בין שכבות סלע שונות למאובנים שמצא בהן. סמית ערך חתך דרך שכבות סלע וגילה בהן סדר הופעה סדרתי של מאובנים, באמצעותם קבע גיל יחסי אפשרי לשכבות הסלע. על פי גודלם וסוגם של המאובנים, הגדיר סמית 3 עידנים גאולוגיים חשובים:

• עידן הפלאוזואיקון – עידן בעלי החיים הקדומים
• עידן המזוזואיקון – עידן בעלי החיים התיכוניים
• עידן הקנוזואיקון – עידן בעלי החיים החדשים

ב-1815 פרסם סמית מפה של אנגליה ובה סימן את השכבות לפי המאובנים שבהן וב-1816 את "זיהוי שכבות סלע בעזרת מאובנים של בעלי חיים" (Strata Identified by Organized Fossils).

המאה ה-20

בידיעת סדר השכבות הנכון טמונה תועלת כלכלית. אחד הראשונים שגילה זאת היה האנס מרנסקי, גאולוג דרום אפריקאי. למרנסקי – שעסק בגילוי מחצבים – נודע על מחשוף המכיל פלטינה בריכוז בעל ערך כלכלי. הוא חישב מחשופים ידועים של אותה יחידה סטרטיגרפית, בחר את הרחוק בהם – 40 ק"מ מן הראשונה – וגילה גם בו בצר פלטינה. כך חישב את השכבה כולה, אשר במשך עשורים רבים שימשה מכרה עצום ממדים לעפרות פלטינה.

פיזור מאובנים ביבשות השונות

אלפרד וגנר, מדען גרמני רב תחומי, הבחין כי קווי החוף של אפריקה ושל שתי האמריקות דומים, ושיער כי כל היבשות נקרעו מיבשת על קדומה – פנגיאה – ולאחר מכן נסחפו כרפסודות על קרקעית האוקיינוס והגיעו בסופו של דבר למקומן הנוכחי. ב-1912 הציג וגנר את תאוריית נדידת היבשות שנשענה על עדויות מאובנים, אשר בעזרתה ניתן היה להבין גם את תהליכי היווצרות רכסי ההרים הגדולים (אורוגנזה). בשנת 1915 התפרסם ספרו מקור היבשות והאוקיינוסים, אך עברו כמעט 50 שנה עד שרעיונותיו של וגנר התקבלו בעולם המדע.

ב-1960 נמצאו ההוכחות שתמכו בתאוריית נדידת היבשות והיא התחלפה בתפישת הלוחות הטקטוניים שנשענה על מידע מוצק. עד לסופו של אותו עשור כבר נתמכה תאוריה זו על ידי מרבית הגאולוגים. עדויות אלה הציגו תנועה צידית של יבשות והוכיחה כי הקרום האוקייני צעיר מן הקרום היבשתי. עדויות אלה גם תמכו בתאוריית התפשטות קרקעית הים שהוצעה על ידי האוקיינוגרף והגאופיזיקאי רוברט סינקלר דיץ ועמיתו הגאולוג הארי האמונד הס. התאוריה שלהם גרסה כי קרקעית הים מתפשטת מרכסים מרכז אוקייניים הפולטים לבה ובונים קרום ימי בזלתי הנדחק לצדדים כאשר נוצר קרום חדש. התרחשות כזו ניתן לראות ברכס המרכז-אטלנטי, שבאחת מן הפסגות הבולטות שלו נמצא האי האיסלנדי.

תאוריה נוספת שנתמכה באותן עדויות היא הפלאומגנטיזם, שהוצעה על ידי הגאופיזיקאי הבריטי סטנלי קית רנקורן והצביעה על שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ, שינויים אשר השאירו את חותמם על מינרלים וסלעים מגנטיים.

כדי לאמת תאוריות אלה נעשה על ידי נאס"א והמכון הגאולוגי הלאומי של ארצות הברית (USGS) שימוש בלוויינים החל מתחילת שנות ה-70, בתוכנית לאנדסאט ו(Landsat program). משימות אלה הציגו תמונות של כדור הארץ שעזרו רבות להבנת תהליכים גאולוגיים אפשריים שהתרחשו בו.

גאולוגיה מודרנית

הגאולוגיה המודרנית עדיין חוקרת את כדור הארץ על כל רבדיו, אך אינה מסתפקת בכך. בשנת 1969, עם נחיתתו של האדם הראשון על הירח, נולד תחום גאולוגי חדש: גאולוגיה פלנטרית. חקר הגאולוגיה של הירח היה משימתו הראשונה של תחום זה, ומדענים כיוג'ין שומייקר נטלו אותו בלילה אחד מידיהם של האסטרונאוטים. התפתחות זו שינתה גם את התפישה הגאולוגית הוותיקה שראתה בכדור הארץ יחידה עצמאית ובלתי תלויה.

עקרונות יסוד בגאולוגיה

מפה גאולוגית המראה את גילאי המסלע השונים על פני השטח של כדור הארץ

במהלך התפתחות הגאולוגיה כמדע המתאר את כדור הארץ על החומרים המרכיבים אותו והתהליכים המתרחשים בו, נוסחו כמה עקרונות על פיהן נקבעו גילן היחסי של שכבות סלע ואת אופן היווצרותן.

• עקרון האחידות – הנחה כי כל תהליך גאולוגי מתרחש כיום בצורה דומה עד זהה לצורה שבה התרחש לאורך כל התקופות הגאולוגיות. עיקרון זה נוסח במאה ה-18 על ידי ג'יימס האטון וסוכם על ידי צ'ארלס לייל בביטוי הקובע כי "ההווה הוא המפתח לעבר".
• עקרון האופקיות המקורית – עיקרון זה מיוחס לניקולאוס סטנו והוא קובע כי ההרבדה המקורית של שכבות משקע היא אופקית. כיום מקובל כי זהו קירוב בלבד למצב בפועל אך נכון מספיק, להוציא שיכוב צולב בעל מאפיינים משופעים.
• עקרון הסופרפוזיציה – עיקרון זה מיוחס גם הוא לניקולאוס סטנו, והוא משמש לגילוי רצף של אירועים גאולוגיים. העיקרון מניח כי ברצף שכבות של סלעי משקע שנוצר באופן טבעי וללא הפרעה, תהיה השכבה העליונה צעירה משכבת הסלע הנמצאת מתחתיה. קיימת טענה כי עיקרון זה צריך להיות מופרד לשני עקרונות משנה המרחיבים את משמעותו:

• עקרון ההמשכיות האופקית – עקרון המניח כי שכבות סלעי משקע מורבדות ברצף אופקי – לצדדים ולמרחק משתנה – מכמה מטרים למאות קילומטרים, תלוי בתנאי ההשקעה. כתוצאה מכך, סלעים דומים זה לזה – שכעת מופרדים באמצעות עמק או הר – יכולים להיחשב כחלק מאותה הרבדה.
• יחסי חיתוך-חצייה – עיקרון זה דן בהיווצרות של העתקים ומניח שהם צעירים יותר מהסלעים שאותם הם חוצים. כך, למשל, אם העתק חוצה שכבות סלע תחתונות ואינו מופיע בשכבות עליונות, ניתן להסיק מכך כי השכבות התחתונות קדמו להעתק ואילו השכבות העליונות מאוחרות לו. באופן זה ניתן גם להבדיל בין סוגי העתקים שונים.
• עקרון היחסים ההופכיים – עיקרון זה עוסק בגופי חדירה: כל יחידה או תופעה גאולוגית החודרת ליחידה או תופעה גאולוגית אחרת היא מאוחרת יותר, לדוגמה: דייק יהיה צעיר יותר מהסלעים שאותם הוא חוצה.

• עקרון רצף הפאונה – עיקרון זה דן במאובנים המופיעים בסלעי משקע ומניח כי יצורים שונים התקיימו באותה עת על פני כל כדור הארץ, ונוכחותם או היעדרם מצביעים על תקופת היווצרותו של הסלע שבו נמצאו. עיקרון זה נשען על ממצאיו של ויליאם סמית והתפתח בנפרד מתורת האבולוציה. השימוש בעיקרון זה הופך למורכב כשמדובר ברצועות זמן צרות, מכיוון שחלק מהיצורים שהתאבנו חיו במשך זמן רב והם עשויים, לפיכך, להימצא במספר שכבות, או להיעדר כליל מאזורים שבהם התרחשו שינויים בסביבת המחיה שגרמו להכחדתם באותו אזור.
• עקרון התכלילים והמרכיבים – עיקרון זה דן בסלעי משקע קלאסטיים וגורס כי המרכיבים של סלעים קלאסטיים קדומים מהסלעים עצמם. עיקרון זה חל גם על קסנוליתים שמוקדמים מהסלעים המכילים אותם.

תחומים בגאולוגיה

התפרצות הר הגעש סנט הלנס

גאולוגיה אינה מדע תאורטי בלבד אלא יש לה ישומים רבים כחיפוש ופיתוח מקורות מים, חיפושי נפט ומינרלים והיא מסייעת גם בתכנון מבנים וערים.

גאולוגיה פועלת בשלושה מישורים:

• מישור הזמן – על מישור זה נמצאים התקופות הגאולוגיות השונות, חקר המאובנים המאפיינים אותן ותקופת היווצרותם של סלעים
• מישור החומר – על מישור זה נמצאים מבנה כדור הארץ והחומרים המצויים בו: מינרלים, סלעים וקרקעות
• מישור השינוי – על מישור זה נמצאים תהליכים החלים בכל חלקי כדור הארץ והמשפיעים על צורתם והרכבם

כל תחומי הגאולוגיה עוסקים בשילובם של מישורים אלה.

תחומים עיקריים

• גאולוגיה ימית – תחום זה עוסק בקרקעית האוקיינוס – חלק קרום כדור הארץ הנמצא מתחת לאוקיינוס, בתהליכים המתרחשים בו – כגון תנועת לוחות טקטוניים ורעידות אדמה, וכן במשקעים ובסלעים המרכיבים אותו. גאולוגיה ימית משלבת גאופיזיקה, גאוכימיה ופלאונטולוגיה על מנת לקבל תמונה שלמה של הקרקעית.

• גאודזיה – מדע העוסק במדידה של פני כדור הארץ, מיפוי והתוויה. מקורה של המילה יווני ומשמעותה המילולית היא: אני מחלק את האדמה. הגאודזיה מציגה כמותית את צורתו ומידותיו של כדור הארץ, עוקבת אחרי תנועותיו ופותרת בעיות הנדסיות. הגאודזיה מספקת תיאור של כדור הארץ, מהירות תנועותיו ונתוני כוח המשיכה על גבי הארץ ומחוצה לה.

הגאודזיה נחלקת לשני תחומי משנה:

• גאודזיה נמוכה – עוסקת במיפוי פרטני של שטח קטן או בהתוויה של נקודות בשטח לצורך בנייה
• גאודזיה גבוהה – עוסקת במיפוי של שטחים גדולים בעזרת שיטות מתקדמות, כגון פוטוגרמטריה וחישה מרחוק, וכוללת גם את הגאודזיה הלווינית

• גאוכימיה – תחום המשותף לגאולוגיה ולכימיה העוסק במחקר ההרכב הכימי של כדור הארץ ושל גופים אחרים במערכת השמש, תגובות ותהליכים כימיים המשפיעים על הרכבם של סלעים וקרקעות וגלגולי אנרגיה וחומר.

• גאוכרונולוגיה – תחום העוסק בגילן המשוער של שכבות הסלעים שעל פני כדור הארץ. גאוכרונולוגיה משתמשת בלוח הזמנים הגאולוגי על מנת לשער את תקופת היווצרותם של סלעים תוך שימוש בשיטות תיארוך שונות:

• שיטת המאובנים – מחקר השוואתי של מאובנים של בעלי חיים וצמחים שהשתמרו בסלע מאפשר לשער את גילו היחסי – למשל, הסלע שיכיל מאובנים פרימיטיביים יהיה קדום לסלע שיכיל מאובנים של בעלי חיים וצמחים מתקדמים. כאן עושים שימוש בעקרונות הסטרטיגרפיה ומשתמשים במאובנים מנחים.
• תיארוך רדיומטרי – מבוסס על קיומם של איזוטופים בלתי יציבים המתפרקים בצורה ספונטנית ליסודות אחרים (תוך שחרור אנרגיה).
• תיארוך באמצעות טבעות עצים – גזעי עצים גדלים מן המרכז והחוצה, בטבעות. עובי הטבעת משתנה בהתאם לתנאי האקלים. ספירת הטבעות מאפשרת לשער את גילו של העץ.
• קביעת גיל הסלע בעזרת פלאומגנטיזם – כלומר בעזרת התכונות המגנטיות ש"התאבנו" בסלע. בסלעים מסוימים ישנם מינרלים ברזליים שמצביעים לכיוון צפון בדומה למצפן. מסתבר שהיו תקופות בהם הצפון היה דווקא בדרום כלומר תקופות בהם המצפן היה מצביע דרומה. בסלעים מסוימים אכן המינרלים מצביעים דרומה וזה עוזר בתארוך הסלע לאותן התקופות.
• קביעת גיל הסלע בעזרת משקעים אגמיים (ורוות) – בתחתית כל אגם מצטברים משקעים: בעונה גשומה יהיה צבעם כהה בגלל סחף ובעונה יבשה יהיה צבע המשקעים בהיר. כשהאגם נעלם נשארות רק אותן שכבות דקות של משקעים אותן ניתן לספור: שכבה בהירה + שכבה כהה = שנה אחת. גאולוגים ישראלים השתמשו בשיטה זו כדי לחשב את גילה של ימת הלשון – אגם קדום שהשתרע על פי המשוער בין הכנרת לבין חצבה שבערבה וים המלח הוא שריד שלו.

• גאוארכאולוגיה – תחום משותף לגאולוגיה ולארכאולוגיה אשר חוקר אתרים ארכאולוגיים בשיטות גאולוגיות. מטרות המחקר הן להגדיר את גילם של אתרים ארכאולוגיים בעזרת קביעת גילן של תצורות, סלעים וקרקעות באותם אתרים, כמו גם לקבוע איזה תהליכים גאולוגיים התרחשו באתר בעבר, כגון יצירת קרקע ושינוי האדמה והמסלע עקב פעילות האדם (למשל, על ידי בעירה). לעיתים ניתן להתחקות אחר רעידות אדמה או התפרצויות געשיות באתר הארכאולוגי בשיטות אלה.

• גאולוגיה היסטורית – תחום זה עוסק בהיסטוריה של כדור הארץ. המחקר ההיסטורי של כדור הארץ עושה שימוש בתחומים גאולוגיים שונים, בעיקר: סטרטיגרפיה, גאוכרונולוגיה, טקטוניקה ופלאונטולוגיה על מנת לבנות רצף של אירועים בעברו של כדור הארץ.

• גאולוגיה הנדסית – יישום של הגאולוגיה המסייע לקבוע את תכונותיו הגאולוגיות של אזור שבו מתוכננות להתבצע עבודות הנדסיות לצורך בנייה, למשל של סכרים וגשרים, ולתת מענה לבעיות המתעוררות במהלך העבודה.

• גאולוגיה כלכלית – העולם המודרני צורך כמויות גדולות של אנרגיה המופקת בעיקר מנפט ופחם. אלה – יחד עם חומרים מסחריים אחרים – נכרים או נשאבים מקרום כדור הארץ. תפקידם של הגאולוגים בענף זה הוא לאתר את מרבצי החומרים, לאמוד את כמותם ולסייע בתכנון של שאיבה וכרייה שלהם.

• גאולוגיה כללית – ענף יסוד בגאולוגיה הנעזר בתחומי המחקר הגאולוגיים האחרים לצורך חיפוש מי תהום ומחצבים שונים והפקתם. בתחום זה נעשה שימוש בסקרים גאולוגיים המפרטים את מבנה קרום כדור הארץ באזורים הנחקרים.

• גאולוגיה מבנית – תחום העוסק ביחסי המבנה הגאומטריים בין סלעים ותצורות גאולוגיות בקנה מידה רחב – מפגמים מיקרוסקופיים בגבישים ועד רכסי הרים וגבול בין לוחות טקטוניים, כמו למשל סדקים בסלעים והעתקים בין לוחות.

• גאולוגיה פלנטרית – עוסקת בגאולוגיה של גופים במערכת השמש: כוכבי לכת, ירחים ואף גופים קטנים יותר כאסטרואידים, מחקר התורם להבנה של התפתחות כדור הארץ בתוך מערכת השמש.

• גאולוגיה קרחונית – עוסקת בשני תחומים עיקריים:

• תכונותיהם של קרחונים והקשר ההדדי בינם לבין תופעות אקלימיות, תוך יצירת מרחב מחקר משותף לגאולוגיה ולקלימטולוגיה – שני תחומים מרכזיים במדעי כדור הארץ
• השפעתם של קרחונים על עיצוב הסביבה בתהליכים של בליה והובלת משקעים

תחום זה הוא אמנם ענף בגאומורפולוגיה, אך הוא מקיף ורחב מספיק כדי להוות שטח מחקר עצמאי.

• גאומורפולוגיה – עוסקת בתהליכים המעצבים את נוף כדור הארץ, כמו למשל בליה, סחיפה, סחף, קארסט ושחיקה. דוגמאות לתוצרים של תהליכים אלה הם הרים, עמקים, מכתשים, לגונות, נהרות ודלתות.

• גאומכניקה – תחום זה עוסק בתכונות המכניות של קרקעות וסלעים כגון: חוזק, גמישות ויכולת ספיגת מים.

• גאופיזיקה – עוסקת בתכונות הפיזיקליות של כדור הארץ:

• מבנה כדור הארץ – באמצעות גלים סייסמיים ניתן ללמוד על מבנה כדור הארץ, על חלקיו השונים וצפיפותם ועל תחומי אי רציפות ביניהם
• תכונות פיזיקליות – כמו למשל הכבידה וחקר השדה המגנטי של כדור הארץ והיפוך קטביו
• תהליכים – דוגמת זרמי הערבול, טקטוניקה ורעידות אדמה

• וולקנולוגיה – מחקר של תופעות געשיות כגייזרים ומעיינות חמים וחקר הרי געש הכולל איסוף דגימות של חומרים פירוקלסטיים וניסיונות לחיזוי התפרצויות געשיות

• טקטוניקה – תחום זה עוסק בגופים בקנה מידה גדול: יבשות ולוחות טקטוניים, ובתופעות הנובעות מתזוזתם כרכסים מרכז אוקייניים והעתקים

גבישים של המינרל פלואוריט

• מינרלוגיה – עוסקת בזיהוי וסיווג מינרלים על פי הרכבם הכימי, המבנה הגבישי שלהם ומאפיינים פיזיקליים ואופטיים.

במינרלוגיה שני תחומי משנה עיקריים:

• קריסטלוגרפיה – תחום העוסק בקביעת סידור האטומים במוצקים, אשר על פי ההגדרה הקודמת שלו עסק במחקר המדעי של גבישים
• גמולוגיה – מחקר אבני חן שברובן הגדול הן מינרלים אך יש בהן גם חומרים אורגניים וסינתטיים

• סדימנטולוגיה – חקר סלעי משקע מסביבות היווצרות שונות:

• סביבה יבשתית – ביצות, נחלים ואגמים
• סביבה חופית – לאורך חופי הים
• סביבה ימית – אזורים שונים של קרקעית ים או אוקיינוס
• סביבה אוופוריטית – סביבה של התאדות-יתר המתקיימת בלגונות ימיות ובאגמים יבשתיים

• סטרטיגרפיה – עוסקת בתיאור רציפותן של שכבות סלע ומועד היווצרותן לפי לוח הזמנים הגאולוגי. בסטרטיגרפיה מתקיימת הבחנה במיון השכבות לפי אמות מידה שונות:

• מיון ליתוסטרטיגרפי (lithostratigraphy) – מיון לפי סוגי הסלעים המרכיבים את השכבה, במטרה למיין את הסלעים לפי קבוצות בעלות משמעות כחבורות ותצורות
• מיון ביוסטרטיגרפי (biostratigraphy) – מיון לפי המאובנים שנמצאו בשכבות, במטרה למצוא את לוח הזמנים של השכבות, כאשר המאובנים שנמצאו בשכבה משמשים כמנחים להגדרת השכבות

• סייסמולוגיה – חקר רעידות אדמה, השלכותיהן על גלי צונמי ומקורותיהן, כמו למשל גורמים געשיים, טקטוניים, אוקייניים, אטמוספיריים ומעשי ידי אדם

• ספלאולוגיה – חקר מערות ותופעות קארסטיות ובחינת היבטים שונים שלהן מהבחינה הגאולוגית, הכימית, הביולוגית וההיסטורית

• פדולוגיה – חקר קרקעות בסביבתן הטבעית, הבנת תהליכי היווצרותן והבנת הקשר בינן ובין גורמים אחרים, כמו הסלעים עליהן נוצרו והאקלים השורר באזור הימצאותן

• פטרולוגיה – תחום העוסק בהיווצרות ובסיווג סלעים, מבנם, הרכבם, מרקמם, תפוצתם, מיונם והתהליכים הכימיים והגאולוגים שהביאו להיווצרותם. קיימים שלושה ענפים של פטרולוגיה בהתאם לשלושת סוגי הסלעים: סלעי יסוד, סלעי משקע וסלעים מותמרים. תחום משנה של פטרולוגיה נקרא פֶּטרוֹגרַפיָה, והוא עוסק במיון שיטתי והגדרה מדויקת של סלעים באמצעות בדיקה מיקרוסקופית באור מקוטב של פרוסת סלע בעובי של כ-0.03 מ"מ הקרויה שקף. השקף מתקבל מניסור הסלע, ליטושו והדבקת הפרוסה על גבי זכוכית.

• פלאונטולוגיה – ענף החוקר שרידים או עקבות של בעלי חיים, צמחים וחומרים אורגניים שהשתמרו כמאובנים (בדרך כלל עצמות, שיניים, קרניים וטביעה של רקמות בעלי חיים וצמחים בסלעים). חשיבותם של המאובנים רבה והם משמשים לתיארוך יחסי ולקביעת תנאי הסביבה הקדומה של השכבה בה נמצאו.

גאולוגיה של ישראל

ערך מורחב – גאולוגיה של ישראל

בישראל מתקיים מגוון רב של תופעות גאולוגיות ייחודיות וההיסטוריה שלה עשירה בפעילות טקטונית וגעשית.

1. מחזורים של עלית וירידת גובה פני הים היחסי השקיעו בישראל סלעי משקע רבים בליווי בליה וסחיפה של חלקם.
2. כאשר בקע ים המלח החל לפעול הקמטים המזרחיים החלו לנוע צפונה וכך נוצרה הקשת הסורית שכיום מאופיינת את האנטיקלינות והסינקלינות בנגב (על חלקן התפתחו מכתשים אירוזיביים), את הרי יהודה ואת הר החרמון. בנוסף עם בקע ים המלח נוצרו גם אגם החולה, ים הכנרת, נהר הירדן, בקעת הירדן, ים המלח ומפרץ אילת

בקע ים המלח

ערך מורחב – בקע ים המלח

ישראל נמצאת באזור פעיל מבחינה גאולוגית, בעיקר בשל הימצאותה באזור מפגש של שלושה לוחות טקטוניים – הלוח האירואסייתי, הלוח הערבי והלוח האפריקאי. למעשה נמצאת ישראל בחלק של הלוח האפריקאי – הלוח הלבנטיני, שבינו ובין הלוח הערבי נוצר בקע ים המלח. בתחומו של בקע זה נמצאים בקעת הירדן, הערבה ובקעת תמנע, העשירה במרבצי נחושת ירוקים ומהווה "חלון גאולוגי" שבו נחשף מגוון של סלעים מתקופות גאולוגיות שונות. הבקעה נמצאת בקצה הצפוני של השילד הערבו-נובי, מצפון להרי אילת.

תוואי גאולוגי מיוחד נוסף הוא מצוק ההעתקים, שחלקו המערבי נמצא בשטח מדינת ישראל וחלקו המזרחי בשטח ירדן, ואשר נוצר מתנועה טקטונית במסגרת בקע הירדן. פעילויות טקטוניות כאלה גרמו לרעידות אדמה רבות, שהקשות שבהן היו רעש שביעית שאירע באמצע המאה השמינית לספירה, ורעידת האדמה בצפת בשנת 1837 שהחריבה את צפת וסביבותיה והותירה אלפי הרוגים.

הקשת הסורית

ערך מורחב – הקשת הסורית

מבנה גאולוגי שישראל מהווה חלק ממנו הוא הקשת הסורית (או "קשת הקמטים הסורית" – Syrian arc deformation belt), שהיא מערכת קמטים העוברת ממצרים ומדבר סיני דרך שדרת ההר בישראל עד לאזור תדמור (פלמירה) שבסוריה. למעשה מורכבת הקשת הסורית משתי קשתות מתמשכות והפוכות זו לזו היוצרות צורת S: קשת דרומית ממצרים עד לצפון ישראל, וקשת צפונית מרמת הגולן עד תדמור בסוריה. הקשת היא תוצאת לוואי של סגירת אוקיינוס טתיס הקדום, שלוותה בהתנגשות בין הלוח הקדום אפריקה-ערב מדרום והיבשת הקדומה לאוראסיה מצפון.

בקטע הצפוני של הקשת הסורית נמצא קו התלים הישראלי, שהוא רצף של הרי געש כבויים ברמת הגולן, מהר רם בצפון ועד לתל סאקי בדרום. ממזרח, ובמקביל לקו התלים הישראלי, משתרע רצף דומה של הרי געש, המכונה קו התלים הסורי. קווי התלים נבנו מלבה שפרצה מסדקי-משנה שנוצרו בעקבות הבקע הסורי-אפריקני. ביטוי נוסף של הקשת הוא הקמרים בהם נוצרו המכתשים בנגב כתוצאה מסחיפה.

הכרמל והגליל

פעילות טקטונית וגעשית לא התרחשה רק לאורך בקע ים המלח אלא גם באזורים אחרים. אזור הכרמל היה פעיל מאד בשני התחומים, ועד היום ניכרים בו סימנים לכך בהרי הגעש הקדומים בכרם מהר"ל, בהר אלון ובשפיה, ובהעתק החוצה את העיר חיפה ועובר סמוך לאזור התעשייה בעמק זבולון. גם בגליל התחתון קיימות עדויות לפעילות טקטונית וגעשית. הגליל התחתון מורכב ממערכת של הורסטים וגראבנים, לדוגמה והר תבור שהוא הורסט – גוש שהורם מעל סביבתו עקב פעילות טקטונית. בגליל קיימות מספר רמות המכוסות בזלת המעידות על פעילות געשית ממערב לבקע הסורי-אפריקאי, כדוגמת רמת כורזים, רמת דלתון, אזור יבנאל, רמת יששכר ועוד. כמו כן ניתן למצוא באזור מספר הרי הגעש כבויים כמו הר דלתון וקרני חיטין.

השפעות ימיות

חדירות ימיות יצרו בארץ מגוון תופעות גאולוגיות מיוחדות:

• המכתשים בנגב הם תופעה גאולוגית נדירה של היווצרות מכתשים אירוזיים, שנוצרה בתהליך ממושך של השקעה, קימוט ובליה. בארץ נמצאים חמישה מתוך שבעה מכתשים אירוזיים הקיימים בעולם כולו.

ראו גם

• לוח הזמנים הגאולוגי
• גאולוגיה – מונחים
• נדידת היבשות
• רעידת אדמה
• כדור הארץ
• מינרל
• סלע
• אוקיינוגרפיה

לקריאה נוספת

• יהושע קולודני, 13 שיחות על גיאולוגיה, אוניברסיטה משודרת, 2012.
• עמנואל מזור וג. ה. הרבאו, סולם הזמן הגאולוגי, תל אביב: האוניברסיטה הפתוחה, 1978
• יוסי מרט, זמן עמוק וגאולוגיה דינמית, אוניברסיטה משודרת, 1990,מסת"ב 9650505200
• יעקב בן-תור, לוחות הגדרה למינרלים יוצרי סלעים, ירושלים: מאגנס, 1973
• מ' סברדמיש וא' משיח, אבני חן, מדע אבנים יקרות, 1995
• עמנואל מזור ונחמה שפרן (עורכים), נדבכים בגיאולוגיה של ישראל, האוניברסיטה הפתוחה, 1987
• עמנואל מזור, גיאולוגיה – עולם של תצפיות ומסקנות, אוניברסיטה משודרת – גלי צה"ל, 1980
• עמנואל מזור, טבע ומורשת כבסיס לתכנון הארץ במאה ה-21, אוניברסיטה משודרת – גלי צה"ל, 2002
• עמנואל מזור, מי התהום והאדם, אוניברסיטה משודרת – גלי צה"ל, 1976
• עמנואל מזור, גיאולוגיה בפטיש ישראלי, האוניברסיטה הפתוחה, 1994, מסת"ב 965-06-0276-3
• עקיבא פלכסר וענת ילין-דרור, כדור הארץ – חמרים, מבנה ותהליכים, ירושלים: כתר, 1995
• עקיבא פלכסר, גיאולוגיה, יסודות ותהליכים, ירושלים: אקדמון, 1992, מסת"ב 965-350-026-0
• עקיבא פלכסר, שיחות על הגיאולוגיה של ישראל, אוניברסיטה משודרת, 1989

קישורים חיצוניים

• המכון הגאולוגי, ירושלים
• אתר החברה הגאולוגית הישראלית
• מצגת של מכון ויצמן על הגאולוגיה של ישראל
• מחקרים גאולוגים באוניברסיטה העברית
• האנציקלופדיה למדעי כדור הארץ

ספרים מקוונים

• שלמה שובאל, צפונות כדור הארץ, הוצאת האוניברסיטה הפתוחה, 2007

• Erasmus Darwin, Zoonomia, (1794–1796)
• Charles Lyell, Principles of Geology, Volumes 1-3, 1830
• Charles Darwin, On THE ORIGIN OF SPECIES By Means of Natural Selection, First Edition, 1859
• Charles Darwin The Variation of Animals and Plants Under Domestication, Second Edition, Revised, 1883
• Anonymous, Vestiges of the Natural History of Creation, 1884