על תופעת הקרסט במלח (סיכום מעבודת הדוקטורט של פרופסור עמוס פרומקין)
מאת : יואב נגב 11.2015
כללי:
הר סדום הוא דיאפיר (גוף מחדר) העשוי סלעי מלח - תצורת סדום. מימדי ההר הם 11x1.5 ק״מ וגובהו 250 מ׳ מעל ים המלח. עומקו בתת הקרקע כ 3 ק״מ. טמפרטורה שנתית ממוצעת - 25 ו 50 מ״מ גשם בממוצע רב שנתי.
רב נפח ההר עשוי מלח אבל הוא חשוף על פני השטח רק ב 5% משטח ההר בעיקר בפתחי פירים, דולינות ומתלולים. רב שטח ההר מכוסה בסלעי כיסוי שהם פחות מסיסים מהמלח ומקורם בימת הלשון.
רב שטחו של ההר מנוקז אל תת הקרקע דרך מערות קרסטיות. מערות אלה מהוות ערוצי זרימה תת קרקעיים מסועפים. רוב המים מתנקזים דרך מערות שמוצאן פתוח וחלקן אל מערות שאין להן מוצא פתוח (מוצא בחלחול).
איור 1: חתך של הר סדום ממערב למזרח
תולדות המחקר בהר סדום:
1841 - החוקר האמריקני הנודע אדוארד רובינסון מתאר לראשונה מערה בהר סדום בעקבות סיור במערת סדום שנערך ב 1838 - הוא גם שם לב לערוץ זרימה המוליך לעיתים שטפונות.
1934 - עם הקמת מפעל האשלג בסדום התקינו עובדיו שתי מערות (קולונל וקולנוע) כמקומות מנוחה ובילוי ממוזגים.
1949 - גדעון שפטן מחלוצי מפעלי ים המלח וצלם חובב מתאר באופן ציורי שלוש מערות (סדום, קולונל וקולנוע) ואף מזכיר קיומן של עוד מערות שהגישה אליהן קשה יותר.
1950 - גיאולוג בשם עקיבא פרומן מפרסם מאמר על הר סדום בו הוא מדבר לראשונה על תהילכי המסה בהר סדום היוצרים נוף קרסטי הכולל מערות, בולענים וטרשונים.
1958 - נתן שלם - מגדולי חוקרי מדבר יהודה בשנותיה הראשונות של המדינה (על שמו קרוי מצפה שלם, השם הוצע על ידי רחבעם זאבי שהיה מתלמידיו) החל לפני פטירתו לחקור את נושא הקרסט בהר סדום. הוא טען כי סופות גשם בעלות עוצמה גבוהה מילאו תפקיד מרכזי בהתפתחות המערות, שמהוות נחלים תת קרקעיים.
1967 - פרופסור ישראל זק מסיים את עבודת הדוקוטרט שלו על הגיאולוגיה של הר סדום בבקע ים המלח. הוא למעשה הראשון שהניח את היסודות להבנת מנגנון ההיווצרות של גופי המלח באזור ים המלח ואת ההשלכות שיש להם על ההיסטוריה הגיאולוגית של האזור. זק מיפה את הר סדום ובתוך כך מיפה תופעות כגון פירים, שקעי המסה ולראשונה נערך מיפוי של מערת מלח - מערת הקולונל.
1972 - פרופסור רן גרסון אחד מחלוצי חקר המערות בישראל! מגיש את עבודת הדוקטורט שלו על תהליכים גיאומורפיים בהר סדום. גרסון סקר כמה מן התופעות הקרסטיות בהר סדום. הוא הבחין בקשר שבין אגני הניקוז להתפתחות המערות. הוא הבחין בקיומן של מחילות נטושות במפלסים גבוהים והציע שהן מתאימות לתקופה שבה בסיס הניקוז היה גבוה יותר. הוא גם סקר התפחות פירים ומנהרות.
1981 - שנה לאחר הקמתו של המרכז לחקר מערות מחליט פרופסור עמוס פרומקין להרים את הכפפה ולבצע סקר מעמיק ומקיף של נושא מערות המלח בהר סדום. לשם כך הוא משתמש בחוג הנוער ומגייס מאות מתנדבים נוספים ובמשך 11 שנים, עד שנת 1992 הוא סוקר וממפה כ 105 מערות שבתוכן המערות הגדולות ביותר של הר סדום. ועל כך הוא גם כותב את עבודת הדוקטורט שלו אותה הוא מסיים בהצטיינות יתרה.
התפתחות מערות קרסטיות:
מערות בסלעי הגיר - זאת תופעה כלל עולמית נפוצה. מים סופחים co2 מהאוויר או מסלעי הגיר כתוצאה מפעילות ביוגנית ויוצרים חומצה פחמתית -2HCO3. חומצה חלשה שיש ביכולתה להמיס גיר בצורה איטית (איור 2). ישנם שני סוגים עיקריים של הווצרות מערות קרסטיות.
הסוג הראשון - הווצרות מערות מתחת למי התהום, בתוך שכבת סלע שמוצפת במי תהום. למערות האלה ישנה מורפולוגיה אופיינית. המים באים במגע עם כל קירות המערה וממיסים אותם באופן שווה. מורפולוגיה כזאת כוללת קירות מוחלקים, כיפות המסה ובעיקר סימטריה של חתך המחילה או האולם שנוצר סביב ציר מרכזי דמיוני.
הסוג השני - מערות הנוצרות בתחום המאוורר (ואדוסי) במקרה כזה המים אינם באים במגע עם כל קירות המערה וכן לכח המשיכה יש השפעה על המורפולוגיה הסופית של המערה. למערות שהתפתחו בתחום הואדוסי אנחנו מכירים שתי מורפלוגיות עיקריות. האחת הקמין הקרסטי - המים בדרכם מטה אל מי התהום מרחיבים סדק ואז זורמים על דפנותיו בזרימה למינרית דקה המכונה זרימת פילם - זרימה כזאת מרחיבה את הקמין ומחליקה את דפנותיו. במקרה של סלעי גיר המים שומרים על אגרסיביות (יכולת להמיס) עד לעומקים גדולים ולכן קמינים יכולים להגיע לעומקים גדולים מאד. השניה היא הקניון הואדוסי שהוא בפשטות ערוץ זרימה תת קרקעי. הזרימה האופיינית במקרה הזה היא טורבולנטית והחתך המאפיין הוא אופקי. הקניון הואדוסי מתחתר ממש כמו נחל עילי ולאורך מסלול זרימתו יכולים להתפתח מיאנדרים (נפתולים). שתי דוגמאות בישראל - הראשונה בקירטון - מערת ניקבות המים ליד קיבוץ בית גברין והשניה בגיר - מערת פיתולים בחרמון.
איור 2 : מירה בר מתיוס ואבנר איילון
התפתחות מערות בסלע מלח:
מערות הר סדום שייכות לסוג השני - מערות ואדוסיות, מערות שנוצרו בתחום המאוורר.
סלע המלח מסיס פי 1000 מסלע הגיר וכן כמות התמס במים גדולה גם היא בכמה סדרי גודל - מכאן שהתפתחות מערכת קרסטית בסלע המלח מהירה בכמה סדרי גודל מהתפתחות מערכת קרסטית בסלעים קרבונטיים.
כללי:
היווצרות המערות בהר סדום תלויה בהיווצרות נגר עילי על ההר המתרחש במהלך סופות גשם. מי הגשמים זורמים ומתנקזים באגני ניקוז עיליים על פני סלע הכיסוי קשה התמס. חלקם מתנקזים בנגר עילי אל מחוץ לתחומי הר סדום וחלקם מגיעים לנקודה שבה הערוץ העילי הופך לתת קרקעי (בולען). מי גשם מתוקים זורמים על פני השטח ובדרך ממיסים וסוחפים איתם מסלעי הכיסוי. כאשר המים באים במגע עם סלע המלח הם ממיסים אותו במהירות עד שהם מגיעים לרוויה מבחינת כמות התמס במים ואז אין הם יכולים להמס עוד סלע מלח ( העניין תלוי גם בטמפרטורת המים ). ככל שהזרימה מהירה יותר ושטח המגע בין המים לסלע המלח קטן יותר כך יכולים המים לשמור על אגרסיביות (יכולת המסה) לעומק רב יותר. ככל שהמים באים במגע זמן ארוך יותר עם סלע המלח כמות התמס עולה עד לנקודת הרוויה ואז מתחילה השקעה של מלח.
אלמנטים מורפולוגיים נפוצים במערות -
בולען - בבולען הופך הנחל העילי לתת קרקעי.
מחילה בסלע כיסוי - מחילה שנוצרה החיפוי קשה התמס, בעיקר חוואר הלשון.
פיר אנכי החוצה את המלח - בנקודה שבה חוצים מים את ראי המלח מתפתח פיר אנכי.
מחילה תת אפקית בסלע המלח - בבסיס הפיר מתפחת מחילה בסלע המלח.
מוצא פתוח אל בסיס הניקוז - לעיתים מוצאת המחילה סדק המוביל אל בסיס הניקוז ומרחיבה אותו.
תיארוך המערות:
פרומקין פיתח שיטה לתיארוך המערות בעזרת בדיקת פחמן 14 של ענפי עצים שנמצאו בתוך מחילות פעילות ונטושות. מקור הענפים בצמחים מעוצים שנסחפו מגב הר סדום לתוך המערות. היחס בין גיל הענף לבין גיל המחילה מושפע משני גורמי אי וודאות. הראשון : זמן קיום המחילה לפני שקיעת הענף. והשני הזמן שעבר מאז צמיחתו ועד שנסחף אל תוך המחילה.
במחקרים מקבילים בנחלי מדבר יהודה נמצא שגיל ענפי עצים שנמצאו בערוצי זרימה לא עלה על 400 שנה. נתון זה נותן אינדיקציה טובה על כך שטווח הטעות אינו עולה על כמה מאות שנים. במערת לשלשלת במחילה נטושה נמצאו ענפי העצים הזקנים ביותר שנתגלו בהר סדום ותוארו לכ 7000 שנה. במחילת שועל נטוש במערת סדום התגלו בכמה נקודות ענפי עצים שגילם 4000 שנה. בנוסף בוצע זיהוי סוג ענפי העצים ע״פ רצף גנטי, דבר שישמש כבסיס להנחות פלאוקלימיות ע״פ סוגי צומח.
תפוצת מערות על פי איזורים בהר סדום.
תצורת סדום חולקה לחמישה פרטים (איור 3) המופיעים ממערב למזרח והם:
1. מלח ופצלי הכרבולת ( בחלק הדרום מערבי של ההר) - מלח עם מחדרים ספורדיים של חרסית, דולומיט, אבני חול ועוד בעובי של 550 מ׳
2. מלח לוט (בחלק הדרום מזרחי של ההר, מרכז ההר וצפונו)- מלח, מעט דולומיט, חרסית ואנהידריט בעובי 700 - 1000 מ׳
3. פצלי בנות לוט (על קו פרשת המים של ההר)- אבני חול, אנהידריט ופצלים בעובי 150 מ׳
4. מלח מערת סדום (בחלק המזרחי של ההר)- מלח ומעט פצלים בעובי 250 מ׳
5. פצלים ומלח החוף - אבני חול, חרסית, מלח ואנהידריט בעובי 90 מ׳
הקרסט בהר סדום מפותח בשלושה מבין הפרטים הללו - מלח ופצלי כרבולת, מלח לוט ומלח מערת סדום. לפצלי בנות לוט יש השפעה על התפחות הקרסט.
 |
| איור 3 |
התפתחות פירים (איור 4):
פיר שחוצה את ראי המלח מופיע ברב המערות בהר סדום והוא אף אחד המאפיינים הבולטים והאטרקטיביים ביותר. הפיר יתחיל בדרך כלל בנקודה בה נפגשת המחילה שנוצרה בסלע החיפוי עם סלע המלח. הפיר החוצה את ראי המלח הינו אנכי לחלוטין ללא שום תלות בנטיית השכבות. התפתחות פירים מושפעת בעיקר משני סוגים של זרימה, האחת, שמאפיינת ספיקות נמוכות נקראת זרימת פילם והיא נפרשת באופן אחיד על דפנות הפיר, המים שהינם מי שטפונות מתוקים ממיסים את דפנות הפיר מרחיבים ומחליקים אותו. השניה, האופיינית לזרימה בספיקה גבוהה, היא נפילה חופשית של מים, אלו נופלים נפילה חופשית על קרקעית הפיר ומעמיקים אותו.
איור 4 פיר בראי המלח צילום: יואב נגב
התפתחות מחילות (ערוצי זרימה אופקיים) בסלע המלח:
רוב הערוצים התת קרקעיים התפתחו לאורך סדקים. המוליכות ההידראולית של הסדקים תלויה ברוחבם ובאורכם. עם הרחבתו של הסדק בהמסה גדלה מוליכותו ההידראולית והסיכוי שתתפתח מחילה אחרת קטן. במידה והסדק ניסגר ואינו מוליך אל בסיס הניקוז נוצרת מחילה בעלת מוצא בחלחול. במידה והסדק מוביל אל בסיס הניקוז או שהמערה הצליחה להתחתר אל בסיס הניקוז נוצרת מערה עם מוצא בבסיס הניקוז, מחילה עם מוצא בבסיס הניקוז תתחתר עד שתגיע לאיזון עם בסיס הניקוז. לערוץ התת קרקעי מורפולוגיה והתפתחות הדומים לערוץ עילי - התפתחות נפתולים, התחתרות עד לאיזון עם בסיס הניקוז וכו׳
מערות שלא פגשו בסדק בעל מוליכות הידראולית מספקת לפתח מחילה ייצרו אולם בקרקעית הפיר.
איור 5 מחילה תת אופקית עם תקרה שטוחה המעידה שמים מילאו את המחילה. צילום: יואב נגב
התפתחות ספלאותמים במלח:
בתחום הוואדוסי (המאוורר) מתפתחים ספלאותמים בצורות שונות ומגוונות המזכירות ספלאותמים קרבונטיים כגון נטיפים וזקיפים (איור 6 ימין למטה) הנוצרים ע״י טפטוף של מים מהתיקרה דרך סדקים. אלמוגים, כדורים, פרחים פטריות (איור 6, שמאל למטה) או שערות נוצרים ע״י אדי מים רוויים במלח או ע״י דיפוזיה איטית של מים מסלע המלח הרווי אל תוך חלל המערה.
בתחום הפראטי נוצרים גבישים קובייתיים של מלח עד גודל של סנטימטרים אחדים(איור 6 שמאל למעלה). באגמים העניין כנראה קשור בהתאדות של מי האגם והשקעת המלח שנוטה להתגבש בצורה קובייתית על פי האוריינטציה המולקולרית שלו. בחללים מלאים במי מלח העניין קשור כנראה בשינויי טמפרטורה המשפיעים על כושר ההמסה והשקעה של המים.
במקומות מסויימים בהר סדום ניתן לראות לאורך סדקים בסלע היווצרות של גבישי ענק - עד כמה עשרות סנטימרים. אלה נוצרו כנראה עוד כשהר סדום היה כולו מתחת לפני מי התהום ומים רוויים במלח מילאו את הסדקים. ניתן אם כך לקבוע שמשקעים אלה קדומים להיווצרות המערות והמערות שהתחתרו בהר חוצות אותם במקומות מסויימים.
איור 6 סוגים שונים של ספלאותמים במלח צילום: יואב נגב
שיחזור אקלימי של איזור ים המלח בהולוקן לפי מערות הר סדום:
תגובת מערות הר סדום לשינויים סביבתיים מאפשרת להשתמש בהם כמחוון פלאואקלימי.
על מנת לנסות לשחזר את שינויי האקלים פרומקין הציע את הנחות היסוד הבאות :
מחילות מלח מתחתרות מהר עד שמפלסן מתאזן.
מערות עם מוצא פתוח מתאזנות עם בסיס הניקוז.
מערות שמתחתרות מתחת לבסיס הניקוז מתקשות לפנות סחף ונסתמות עד חזרה לאיזון.
כאשר המחילה מאוזנת עם בסיס הניקוז היא מתרחבת.
שינויים בסיס הניקוז נובעים משינויים במפלס ים המלח ובהתרוממות ההר.
קיים קשר בין כמות וסוג ענפי העצים שהושקעו במערות לבין כמות וסוג הצומח על ההר באותה תקופה.
גיל המחילה מיוצג בקירוב טוב על ידי גיל ענפי העצים ששקעו בתוכה.
פרומקין הציע לחלק את הרצף האקלימי ל 10 שלבים:
שלב 1: (קדום מ 7000 שנה לפני זמננו) : (אקלים לח יחסית) עד 7100 היה מפלס ים המלח גבוה מראי המלח. לאחר מכן התרחשה ירידה מהירה במפלס ונוצרה המערה הראשונה - מערת לשלשת.
שלב 2: ( 5200-7000 שנה לפני זמננו) : (אקלים יבש) מפלס ים המלח יורד במהירות ומאפשר התפתחות של מערה ראשונה עם מוצא פתוח - מערת מלח״ם.
שלב 3: (3900-5000 שנה לפני זמננו) : (אקלים לח) התרחבות המחילות היא המשמעותית ביותר בהיסטורה של מערות סדום. כמות מדגמי העץ היא הגדולה ביותר. בין ענפי העצים ענפי אלון ! (פרומקין מתקשה להסביר את מקורו).
שלב 4: (3200-3900 שנה לפני זמננו) : (השלב היבש ביותר) חלה ירידה חדה מאד במפלס ים המלח. במחילות כמעט ולא הצטבר סחף.
שלב 5 (3000-3200 שנה לפני זמננו) : (שלב לח יחסית) חלה עליה בפלס ים המלח. פרומקין מביא ציטוט מספר יהושע טו 2-5 ובו משתמע שהאגן הדרומי של ים המלח היה מוצף וכן מהאגן הצפוני של ים המלח יצאה לשון ים לתוך הירדן.
שלב 6 (2000-3000 שנה לפני זמננו): (אקלים יבש יחסית) על פי נתוני המערות ונתונים מחפירות ארכיאולוגיות בסביבת ים המלח. האגן הדרומי בשלב זה היה מוצף, אולם במים רדודים בלבד.
שלב 7 (1600-2000 שנה לפני זמננו): (אקלים לח יחסית) המחילות התרחבו, הושקעו יותר ענפים ומפלס ים המלח עלה.
שלב 8 (1100-1600 שנה לפני זמננו):(אקלים יבש יחסית) איסר וגוברין פרטו שורה של תופעות המעידות על התייבשות ומדבור בא״י מסוף התקופה הבזנטית במעבר לתקופה הערבית הקדומה. ומנתוני המערות עולה שהאגן הדרומי של ים המלח היה מכוסה מים רדודים ואולי אף התייבש.
שלב 9 (700-1100 שנה לפני זמננו): (אקלים לח יחסית) המחילות התרחבו ומופיעים ענפי עצים רבים. מפלס ים המלח עלה. וממצא חווארי בחלק מהמערות יכול להעיד שחלקן אף הוצפו על ידי ים המלח.
שלב 10 (700 שנה לפני זמננו ועד היום): (אקלים יבש יחסית) דומה מאד לאקלים ששרר בשלב 8. בסוף המאה ה 19 הגיע מפלס ים המלח עד לרום של 391-. ממש לפתחה של מערת סדום. אבל מאז ירד מפלס ים המלח בצורה דרסטית בגלל פעילות אדם והוא עומד נכון להיום על 428-.
