קארסט

מתוך אנציקלופדיה, המכון למדעי כדור הארץ, האוניברסיטה העברית

קפיצה אל: ניווט, חיפוש

קארסט זו תופעה גיאולוגית המורכבת מבולענים, מערות, סדקים ומערכות ניקוז תת קרקעיות. איור 1 מראה את סוגי הקארסט השונים. התופעה נוצרת מהמסה של סלעים ע"י מים והיא נפוצה ביותר בסלעים גירניים, אך מתחרשת גם בדולומיט, גבס ומלח. למערכות קארסטיות חלק מרכזי ביצירה של אקוויפרים ומערכות מי תהום (1).

איור 1: מאפיינים במערכת קארסטית (1)
איור 1: מאפיינים במערכת קארסטית (1)

תוכן עניינים

תהליך היווצרות הקארסט

התהליך מתחיל כאשר שכבה גירנית נחשפת אל פני הקרקע או אל מערכת מי תהום קיימת, דבר המאפשר חלחול של מים חומציים מעט (#כימיית המים ותהליך ההמסה) דרך הסדקים שבשכבה. טקטוניקה משחקת תפקיד חיוני בתהליך מפני שבתהליכים טקטוניים יווצרו הסדקים והבקעים אשר יאפשרו למים לחלחל. בין הסדקים שבשכבה הגירנית נוצר גרדיאנט הידראולי עקב הפרש בעומד ההידראולי של מים שנמצאים בחלקה העליון של השכבה ובין המים שנמצאים בחלקה התחתון. זרימת מים בתגובה לגרדיאנט מסוגלת להסיע את הסלע המומס ואף לשבור חלקים מהסלע כאשר החללים גדולים והזרימה חזקה וטורבולנטית. העובי הראשוני של החללים קטן, כך שחלק קטן של המים בא במגע עם סלע. המים ממיסים את הסלע, ובכך מגדילים את עובי החללים - ככל שהחללים יומסו, כך יגדל שטחם ושטח המגע שלהם עם המים, קירות החללים יהיו מועדים יותר להמסה וייווצר משוב חיובי שיגביר את ההמסה. לאחר זמן רב והמסה רבה יכולים להיווצר מבנים בקוטר של מטרים ספורים עד מאות מטרים כמו מערות ובולענים (#צורות מורפולוגיות בקארסט) (1,2).

כימיית המים ותהליך ההמסה

באזור עשיר בצמחייה מצטבר חומר אורגני על גבי הקרקע. חומר אורגני זה מתפרק על ידי מיקרואורגניזמים אשר מזינים את הקרקע ב CO2. בנוסף, נשימה תאית של שורשי עצים יכולה להוביל להעשרת הקרקע ב CO2. התגובה הכללית לתהליך מתוארת במשוואה 1:

משוואה 1:
CaCO3 (s) + CO2 (aq) + H2O(aq) <--> Ca2+(aq) + 2HCO3-aq

מים שיבואו במגע עם הקרקע יגיבו עם הCO2 ליצירת חומצה קרבונית.

משוואה 2:
CO2 (aq) + H2O(aq) <--> H2CO3 aq

החומצה הקרבונית בתורה מתפרקת לבי-קרבונט ויון מימן. הבי-קרבונט מתפרק ליון מימן נוסף וקרבונט.

משוואה 3:
H2CO3 (aq) <--> H+(aq) + HCO3-(aq) <--> H+(aq) + CO32-aq

שחרור יוני מימן למים מעלה את ריכוזם וגורם להורדת הpH של המים.

משוואה 4:
שגיאה ביצירת תמונה ממוזערת: Image type not supported


pH = -log[H+]

עם ירידת הpH של המים, תתאפשר המסת גיר ע"י החומצה הקרבונית, ליצירת יוני קלציום ויוני בי-קרבונט.

משוואה 5:
CaCO3 (s) + H2CO3 <--> Ca2+ + 2HCO3-aq

תהליך ההמסה בדולומיט דומה לתהליך ההמסה בגיר חוץ מיון מגנזיום שנוסף למים לאחר המסת הדולומיט (3,6).

משוואה 6:
CaMg(CO3)2(s) + 2CO2(aq) + 2H2O(aq) <--> Ca2+(aq) + Mg2+(aq) + 4HCO3-aq

ישנו מקור נוסף לחומציות המים והוא חומצה גופרתית H2SO4. חומצה גופרתית נוצרת מתגובת מימן גופרתי H2S וחמצן. מימן גופרתי מגיע מפירוק בקטריאלי של חומרים אורגנים בקרקע ע"י חיידקים מסוימים. החומצה הגופרתית שנוצרת (משוואה 7) חומצית ביותר ופועלת כממס חזק (משוואה 8).


משוואה 7:
H2S(aq) + 2O2 (aq) <--> H2SO4 aq


משוואה 8:
H2SO4 (aq) + CaCO3 (s) <--> Ca2+(aq) + SO42-(aq) + CO2(aq) + H2Oaq


כתוצאה מתהליך ההמסה באמצעות H2S, במצבים מסוימים של אידוי, יוני הקלציום והסולפאט יכולים להגיב עם המים ולגרום לשקיעת גבס (6).


משוואה 9:
Ca2+(aq) + SO42-(aq) + H2O(aq) <--> CaSO4H2O(s)


שגיאה ביצירת תמונה ממוזערת: Image type not supported
איור 2: סכימת תהליך ההמסה שלCaCO3  :אזור ה Bulk Solution (אזור שבו היונים של תמיסה יגיבו רק עם יונים מאותה תמיסה) מהווה אזור מעבר שבו נוצרת החומצה הקרבונית שלאחר מכן עוברת ל Boundary Layer ושם מתפרקת לבי-קרבונט ויון מימן שנספג בשכבה המוצקה של הקלציט, שם מתחרשת תגובה של יון מימן ויון קרבונט ליצור יון בי-קרבונט שמשתחרר לBoundary Layer ומשם עובר בדיפוזיה לאזור המעבר. הקלציום עובר תהליך זהה לאחר שהוא מתפרק מיון בי-קרבונט לאחר פירוק הקלציט (2).

שקיעת CaCO3

CaCO3 יכול לשקוע מתמיסה מימית עשירה בקלציום וביקרבונט, שהגיעו למים מהמסה של גיר. כאשר התמיסה מגיעה לחלל של מערה, היא תבוא במגע עם האוויר שבמערה. במצב כזה הCO2 שבתמיסה יגיע לשיווי משקל עם הCaCO3 שבאוויר המערה. הלחץ החלקי של הCO2 במערה נמוך מהלחץ החלקי שלו באוויר שמחוץ למערה, ובגלל שהמים הגיעו מחוץ למערה תהיה בריחה של CO2 מהמים, לפי עיקרון לה שטלייה הכיוון המועדף של התגובה יהיה כיוון המגיבים (#משוואה 1) וישקע CaCO3.

צורות מורפולוגיות בקארסט

השקעת CaCO3 יכולה להוביל לשקיעת יצירי מערה (Speleothems). בתקרת המערה, באזורים שבהם מים מגיעים במגע עם חלל המערה ישקעו נטיפים (Stalactite) וכאשר מים ימשיכו להיכנס לחלל המערה, הם יחליקו לאורך הנטיף, ימשיכו להשקיע קלציט ולהגדיל את הנטיף ותתקבל צורה של חרוט. ישנם מספר גורמים היכולים להשפיע על קצב גידול נטיפים. לחץ אוסמוטי, טמפרטורה ולחות יחסית ישפיעו על קצב האידוי של המים - אם האידוי יהיה חזק יותר, ישקע יותר קלציט. כמו כן, לקצב טפטוף איטי יש סיכוי יותר טוב להשקיע קלציט מאשר לזרימה חזקה. קצב הטפטוף בקצה הנטיף מושפע ממהירות המים בחללים, שמושפעת ישירות מכמות הגשם.תהליך דומה קורה כאשר מים מטפטפים מהנטיף לתחתית המערה, במצב כזה מתחת לנטיף יושקע זקיף (Stalagmite) - צורה אשר נראית כמו נטיף הפוך שגדלה מהקרקע כלפי מעלה. כאשר הזקיף יפגוש את הנטיף שמעליו יווצר עמוד (Column).

שגיאה ביצירת תמונה ממוזערת: Image type not supported
איור 3: תהליך היווצרות יצירי מערה שונים (3)


הצורה המורפולוגית הנפוצה ביותר בקארסט היא Karrens - חריצים אנכיים או אופקיים המופיעים בסלעי גיר כתוצאה מזרימת מים על פני הקרקע, לפני שהם חודרים לתת הקרקע. יכולים להגיע עד 5 מטרים בעומק ועד מטר ברוחב ולרוב יהיה אפשר לראות מספר רב של החוצים זה את זה (2).

צורה מורפולוגית נפוצה נוספת היא בולענים (Dolines, Sinkholes). הבולענים נמצאים על פני השטח ומופיעים כבורות ושקעים היכולים להגיע למימדים של 400 מטר בקוטר ועומק של עשרות מטרים. בולענים יכולים להיווצר כתוצאה מקריסת קירות של מערה או ערוצים קארסטיים אחרים הנמצאים מתחת לפני השטח, כאשר אלו עברו המסה גדולה וכבר לא יכולים לתמוך בקרקע שמעליהם. התהליך נקרא Cover-collapse sinkholes והוא לרוב יקרה כאשר מעל השכבה הגירנית יהיו שכבות חרסיתיות אשר יצרו קשת גדולה מתחת לפני הקרקע שלבסוף תתמוטט. תהליך כזה יכול לקרות בפרקי זמן מאוד קצרים ויכול להביא להשלכות הרסניות (איור 4).

כאשר מעל השכבה הגירנית יהיו שכבות לא מלוכדות ודקות גרגר, השכבה העליונה יכולה לשקוע לשכבה הגירנית דרך החללים הגדולים שנוצרו בעקבות ההמסה, ובכך ליצור שקיעות וגומחות קטנות יחסית (עד מטרים ספורים בקוטר) על פני השטח. סוג זה של בולענים נקרא Cover-subsidence sinkholes.

שגיאה ביצירת תמונה ממוזערת: Image type not supported
איור 4: תהליך היווצרות בולען Cover-Collapse (5)

קארסט בנגב הצפוני

בנגב הצפוני תצורות שבטה ונצר מאופיינות בחללים קארסטיים. בתקופת הטורון העליון התרחשה הרדדה של הים שחשפה אזורים רבים לפעילות קארסטית ולאירוזיה.לאחר מכן הצפה נוספת בטורון העליון גרמה להשקעת אבני חול ומרכיבים קלסטיים אחרים בגג תצורת נצר בנגב. לאחר השקעתם, המרכיבים הקלסטיים חדרו דרך הארובות הקארסטיות לתוך תצורות שבטה ונצר, ויצרו את כיסי החול שכעת נמצאים במחשוף שליד הכביש בהר צבוע (איור 5),(7).

שגיאה ביצירת תמונה ממוזערת: Image type not supported
איור 5: המחשוף ליד הר צבוע, סיור נגב צפוני, נובמבר 2014

מקורות

1) What is Karst, University of Texas at Austin http://www.esi.utexas.edu/outreach/caves/karst.php

2) Petar T. Milanovic, Karst Hydrogeology

3) Wolfgang Dreybrodt, Processes in Karst Systems: Physics, Chemistry and Geology

4) Hicks, Forrest L. (1950). "Formation and mineralogy of stalactites and stalagmites"

5) http://water.usgs.gov/edu/sinkholes.html

6) Karst Hydrogeology and Geomorphology, Derek Ford‏, Paul D. Williams

7) נדבכים בגיאולוגיה של ישראל, נחמה שפרן, עמנואל מזור, האוניברסיטה הפתוחה, 1987

כלים אישיים