עקרון הסופרפוזיציה (גאולוגיה)

שכבות המורבדות זו על-גבי זו

עקרון הסופרפוזיציה הוא אחד מעקרונות היסוד בגאולוגיה המשמשים לקבוע את גילן היחסי של שכבות סלע ואת זמן ואופן היווצרותן. ניסוח "חוק הסופרפוזיציה" המיוחס לניקולאוס סטנו גורס כי ברצף בלתי-מופרע של שכבות סלעי משקע, השכבה העליונה תהיה צעירה משכבת הסלע הנמצאת מתחתיה.

התפתחות

היווצרות הרים

שכבות סלע נטויות

בין הראשונים לחקור שכבות סלע היה אבן סינא (980–1073) – רופא, פילוסוף ומדען פרסי – שהיה מחברם של 450 ספרים במגוון רחב של נושאים. בחיבור האנציקלופדי "כיתאב אל שיפאא'" (ספר הריפוי) הניב אבן סינא תרומה משמעותית למדעי הטבע. בספרו זה, במאמר על מינרלוגיה ומטאורולוגיה, מופיעים הסברים על היווצרותם של הרים:

בזמן הזה, מרבית ההרים נמצאים בשלב של רקבון והתפוררות, מאחר שהם צמחו ונוצרו רק במהלך חשיפה הדרגתית למים. עתה, עם זאת, הם נתונים לאחיזה של התפוררות, לבד מאלה שרצון האל יעצים באמצעות התאבנות של מים עליהם, או באמצעות שטפונות שיביאו אליהם כמות גדולה של חרסית שתתאבן עליהם. ... גם ייתכן והים עשוי היה לזרום טיפין טיפין על האדמה המכילה גם מישור וגם הר, ולאחר-מכן נסוג ממנה. ... ייתכן ובכל פעם שהאדמה נחשפה באמצעות נסיגת הים נותרה שכבה, מאחר שאנו רואים שכמה הרים נראים כאילו נערמו שכבה אחר שכבה, ולכן סביר כי החרסית ממנה נוצרה הייתה בעצמה מסודרת בעת כלשהי בשכבות. שכבה אחת נוצרה ראשונה, ואז, בתקופה שונה, נוצרה אחרת ונערמה (מעל הראשונה, וכן הלאה). מעל כל שכבה נפרש תוכן מחומר שונה, אשר יצר מחיצה בינה לבין השכבה הבאה; אך כאשר חלה הסתלעות התרחש דבר-מה למחיצה שגרם לה להישבר ולהתפורר מבין השכבות (ייתכן והכוונה לאי-התאמה). ... באשר לראשית הים, החרסית שבו היא או שכבתית או בראשיתית, כאשר האחרונה אינה משקעית. סביר להניח כי החרסית המשקעית נוצרה מהתפוררות שכבות של הרים. כזו היא היווצרות הרים.

חוק הסופרפוזיציה

עורקים בשכבות סלע של תצורת אורה

הדרך הנפוצה ביותר בה משתמשים גאולוגים למדוד זמן גאולוגי היא באמצעות רצף של סלעים ומבנים גאולוגיים. אמצעי זה אינו קובע את גילם של הסלעים והמבנים, אלא רק את גילם היחסי. העיקרון עליו הם נשענים במחקרם הוצג על ידי ניקולאוס סטנו, מלומד דני בן המאה ה-17, שחקר את תכונותיהם של סלעים ושכבות סלעים. מחקרו – שפורסם ב-1669 בשם " De solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodromus" – הביא לייחוס כמה מעקרונות היסוד בגאולוגיה הנוגעים לסטרטיגרפיה.

בהניחו כי כל הסלעים והמינרלים היו פעם נוזלים הסיק סטנו כי שכבות סלע נוצרו כאשר חלקיקים – בנוזל כגון מים – שקעו. תהליך זה הותיר שכבות אופקיות, מה שהוביל את סטנו ליסודות עקרון האופקיות המקורית.

לגבי סדר היווצרות השכבות ניסח סטנו את "חוק הסופרפוזיציה" וקבע:

אם גוף מוצק מוכל מכל צדדיו על ידי גוף מוצק אחר, משני הגופים שאחד מהם התקשה ראשון, הוא, במגע ההדדי, מבטא על-פני שטחו את תכונותיו של פני-השטח האחר.

ובמילים פשוטות: גוף מוצק יגרום לכל מוצק שייווצר סביבו בעתיד להתאים לצורתו-הוא.

חוק הסופרפוזיציה של סטנו פשוט, אך מהווה כלי יסודי לצעדים הראשונים בהבנת הגאולוגיה. העיקרון מציין כי שכבה גאולוגית הורבדה מעל שכבה גאולוגית ותיקה ממנה. העיקרון מציין גם כי שכבה שהוטתה או קומטה – טולטלה או הופרעה לאחר ההרבדה. עקרון הסופרפוזיציה של סטנו מתייחס לא רק לשכבות משקע אלא גם לגבישים ולמבנים גאולוגיים אחרים הנוצרים על-פני שטחו של גוף אחר, ותיק מהם. עקרון הסופרפוזיציה הנשען על קביעתו של סטנו גורס כי גביש, שכבת משקע או כל מבנה גאולוגי המקבלים את צורתם מפני השטח של גוף מוצק אחר – צעירים מאותו גוף. באמצעות הגיון זה הצליח סטנו להוכיח כי מאובן או גביש היו חייבים להיות מוצקים בטרם החל הסלע המכיל אותם להתמצק. אותו הגיון הסביר גם את התהוותם של עורקים – סדק בסלע המתמלא בגבישי מינרלים – המקבלים את צורת הסדק בתוך הסלע המוצק. בנוגע לשכבות – שכבות צעירות המורבדות מעל שכבות קיימות – כאשר חלקיקים שוקעים מתוך תרחיף – מתאימות את צורתן לשכבות התחתונות, הוותיקות יותר, ולכן – ככל שהשכבה עמוקה יותר, כך היא עתיקה יותר.

עיקרון זה חל לא רק על סדר ההרבדה של סלעי משקע הנוצרים במים אלא גם על סלעים געשיים הנוצרים מזרמי לבה וסלעים ומחדרים פלוטוניים הנוצרים בשכבות באמצעות פסי זרימה.

עקרונות מורחבים

יחסי חיתוך-חצייה – סדר האירועים:
A – שכבת סלע נחצתה על ידי העתק דחיקה
B – מחדר גדול, חודר גם ל-A
C – אי התאמה סחיפתית-זוויתית, חותכת את A ו-B
D – דייק, חודר ל-A, B ו-C
E – שכבת סלע צעירה, מורבדת מעל C ו-D
F – העתק נורמלי, חוצה את A, B, C ו-E

סטנו הבין כי תהליכים גאולוגיים שונים עשויים ליצור מראית הסותרת את עקרונותיו: היווצרות מערות באמצעות הסרה של שכבות תחתונות, וכן התמוטטות תקרתן המפילה שכבות עליונות אל הקרקעית. הוא הכיר בכך שסלעים עשויים להתרומם באמצעות כוחות תת-קרקעיים – כוחות שגאולוגים מודרניים מזהים כטקטוניים, וכי מאגמה עשויה לחדור, להידחק ולהתגבש בין שכבות סלע. חריגים אלה הביאו לניסוח עקרונות נוספים, המשמשים לקביעת סדר התרחשות התהליכים הגאולוגיים באזור הנחקר:

עקרון ההמשכיות האופקית

עקרון ההמשכיות האופקית קובע כי שכבות סלעי משקע מרובדות ברצף אופקי – לצדדים ולמרחק משתנה – מכמה מטרים למאות קילומטרים, תלוי בתנאי ההשקעה. סטנו הניח כי שכבה לא יכולה להסתיים בפתאומיות בתוך אגן השקעה, אלא חייבת להמשיך ולהשתרע לרוחב האגן, או להסתיים במפגש עם סלעים ותיקים יותר. הוא טען כי "חומר היוצר כל שכבה היה רציף מעל שטח הארץ אלא אם כן גוף מוצק אחר עמד בדרכו".

עקרון הרציפות האופקית קובע כי שכבות של משקעים מרובדות בפרישה אופקית לכל הכיוונים. כתוצאה מכך, סלעים דומים זה לזה – שכעת מופרדים באמצעות עמק או הר – יכולים להיחשב כחלק מאותה הרבדה.

המשכיות אופקית

שכבות סלעי משקע אינן מושקעות עד אין סוף אלא בתחום הנשלט באמצעות כמות וסוג המשקע הזמין וכן סוג וצורת אגן ההשקעה. המשקע יורבד כל עוד המשקע מובל לתוך השטח. עם זאת, ככל שכמות המשקע פוחתת הרחק מן המקור, כך תהיה השכבה דקה יותר. לעיתים קרובות, חומר גס גרגר לא יכול להיות מובל מאחר שאמצעי ההובלה – מים או רוח – חסרים אנרגיה מספקת להובלתו. במקומו יוסעו חלקיקים דקי גרגר וייווצר תחום מעבר בין משקעים גסי גרגר למשקעים דקי גרגר. אם האגן מצוי בתוך מסלע השונה מזה של אותם משקעים – הגבולות האופקיים של השכבה יצוינו בשינוי חד של סביבת ההשקעה.

לעקרון ההמשכיות האופקית שימוש בתיאום שכבות. במקום שההמשכיות האופקית של שכבה חסרה, ניתן להסיק שהתקיימו תהליכי סחיפה או העתקה: "אם גוף או אי התאמה חותכים שכבה, הם חייבים היו לבוא לאחר שכבה זו". קביעה זו – הצופה את עקרון יחסי החיתוך-חצייה – מיוחסת בדרך-כלל לג'יימס האטון, שהדגים מאוחר יותר את השימוש בה.

יחסי חיתוך-חצייה

שכבות מעוותות בנחל פרצים

עיקרון זה דן בהיווצרות של העתקים ומגדיר אותם כצעירים מן הסלעים שהם חוצים. כך, למשל, אם נראה שהעתק חוצה רק שכבות סלע תחתונות ולא עליונות, ניתן להסיק מכך כי השכבות התחתונות קדמו להעתק, ואילו העליונות – מאוחרות לו. באופן זה ניתן גם להבדיל בין סוגי העתקים שונים.

באופן דומה, כל מעוות שהתרחש בשכבות – מאוחר להיווצרותן. ניתן לראות זאת בעיוותן של חלק מהוורוות של תצורת הלשון בנחל פרצים, כשבחלק התחתון – שכבות בלתי-מופרעות, במרכז – שכבות מעוותות, ולמעלה – שכבות צעירות, גם הן בלתי-מופרעות.

דוגמאות ליחסי חיתוך-חצייה:

• שינוי מבני – העתק חוצה שכבות סלע ותיקות ממנו
• שינוי סטרטיגרפי – סחיפה של פני השטח או מישור אי התאמה חוצים שכבות ומבנים קדומים
• פעילות בעלי חיים – חפירת מחילות על ידי בעלי חיים המסירה שכבות סלע ומעבירה אותן למיקום חדש
• צמחייה – התחפרות של שורשים היוצרת סדקים בשכבות סלע
• שינוי גאומורפולוגי – חירוץ שכבות סלע בגלל זרימת נחלים
• שינוי סדימנטולוגי – מילוי ערוצי נחלים במשקעים חדשים

עקרון היחסים ההופכיים

עיקרון זה מהווה הרחבה ליחסי חיתוך-חצייה, והוא עוסק במחדרים פלוטוניים. העיקרון גורס כי כל מחדר החודר למסלע או מבנה אחר – למשל שכבת סלע או העתק – מאוחר לו. באופן זה, דייק החודר לסלעי סביבה צעיר מן הסלעים שהוא חודר אליהם. בדומה, דייק החוצה מחדר אחר – למשל, סיל – מאוחר לו.

תוואי בהעתק מוין העובר בנוקאן קראג

שימושים

לסטנו לא הייתה התנגדות לייחס את היווצרותם של מרבית סלעי המשקע למבול המקראי. עם זאת, הוא הבחין כי מבין שתי שכבות סלע בהרי האפנינים סמוך לפירנצה – השכבות התחתונות לא הכילו מאובנים, בעוד השכבות העליונות היו עשירות בהם. הוא הציע כי השכבות העליונות נוצרו במבול, לאחר בריאת החיים, וכי התחתונות נוצרו לפני שהתקיימו חיים בעולם. היה זה השימוש הגאולוגי הראשון בעקרון הסופרפוזיציה, בו הבחין סטנו בין שתי תקופות היווצרות שונות באותו רצף גאולוגי – גישה שעתידה הייתה להתפתח בעבודתם של חוקרים נוספים.

סטנו ובני-זמנו לא הכירו העתקי דחיקה, אולם עקרונותיו שימשו לפתרון מחלוקת מדעית. בסוף המאה ה-19 התנהל ויכוח סוער על מבנהו וטבעו של נוקאן קראג (Knockan Crag) – צוק בצפון סקוטלנד – בין החוקרים: רודריק מרצ'ינסון וארצ'יבלד גיקי מצד אחד, ומהצד השני: ג'יימס ניקול וצ'ארלס לאופורת. הוויכוח הוכרע ב-1907, עם פרסום עבודתם של בן פיץ' וג'ון הורן על העתק מוין (Moine Thrust Belt) העובר בשטח נוקאן קראג, הקובע כי רצף השכבות נקטע בשל שבירה.

לעקרונותיו של סטנו שימוש נרחב, לא רק בשכבות סלעי משקע אלא גם במקרה של סלעים געשיים:

• עקרון הסופרפוזיציה יכול לקבוע את הגיל היחסי של זרמי לבה ואפר געשי במקומות בהם נערמו זה על זה.
• עקרון ההמשכיות האופקית מוכל למרחק אליו יכולה הלבה לזרום לפני שהיא פוגשת סלע אחר – וזה למעשה קוטרו של הר הגעש. אפר יכול להתפשט למרחק גדול ככל שהרוח יכולה לשאת אותו.

ראו גם

• גאולוגיה - מונחים

לקריאה נוספת

• עמנואל מזור, גיאולוגיה בפטיש ישראלי, האוניברסיטה הפתוחה, 1994, מסת"ב 965-06-0276-3
• עקיבא פלכסר, גיאולוגיה, יסודות ותהליכים, אקדמון, 1992, מסת"ב 965-350-026-0

קישורים חיצוניים

• שלמה שובאל, צפונות כדור הארץ, האוניברסיטה הפתוחה (דורש הרשמה לאתר) ובגוגל ספרים
• עקרון הסופרפוזיציה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)