מחקרי הנגב, ים המלח והערבה,)2) 6 33 42 )2014) 33 42 )2), 6 Negev, Dead Sea and Arava Studies Negev, Dead Sea and Arava Studies מחקרי הנגב, ים המלח והערבה Research article מאמר מחקר גורמים המכתיבים את קצב הגידול וההתפתחות של בולעני ים המלח מקרה נחל צאלים ונתונים ממתקן הדמיה 1 כ' איש שלום 1*, ע' ריבלין, 2 ח' גינת 1 מרכז מדע ים המלח והערבה 2 בית ספר מעלה שחרות, יטבתה פרטי התקשרות: ccarmit@gmail.com ת ק צ י ר מילות מפתח: בולענים נחל צאלים ירידת מפלס ים המלח שיטפונות מתקן להדמיית בולענים בולען הוא שקע הנפער באופן פתאומי בקרקע בתהליך טבעי ולעתים בקריסה. הבולענים בים המלח הם בולעני קריסה. הם נוצרים סביב ים המלח, ותהליך היווצרותם הואץ משנות השמונים עקב ירידת מפלס ים המלח. במטרה לבחון גורמים המכתיבים את קצב התפתחות הבולענים לצד ים המלח נבחר נחל צאלים כמייצג מקום התפתחות בולענים באזורים מיובשים בתהליך המתרחש עקב ירידת מפלס הים. נחל צאלים זורם אל ים המלח ממדבר יהודה, ובמניפת הסחף שלו ניתן למצוא בולענים רבים. מטרת מחקר זה הייתה לתרום להבנת השפעתם של גורמים שונים על קצב התפתחות הבולענים. עיקר המחקר כלל מעקב ומדידות GPS בשמונה בולענים שנמצאים במרחקים שונים מערוצי זרימה פעילים בנחל צאלים, בארבע נקודות זמן שונות: לפני עונת גשמים; במהלך עונת הגשמים; לאחר עונת הגשמים; בקיץ. מידות הבולענים נמדדו בכל נקודת זמן, ונערכה השוואה בין התאריכים השונים. נוסף לעבודה בשטח נבנה מתקן להדמיית בולענים, שמטרתו הייתה להעמיק את הבנת מנגנון היווצרות הבולענים ואת הגורמים המשפיעים עליו. במתקן נערכו כמה ניסויים המדמים היווצרות בולענים, ונבדקו פרמטרים שונים, כגון ספיקת המים, סוג התשתית ומיקום הזרמת המים על היווצרות הבולען. תוצאות מחקר זה בנחל צאלים מצביעות על כך שיש שינוי רב בגודל, בעומק ובצורת הבולענים במהלך החורף )נובמבר 2011 מרץ 2012( לעומת תקופת הקיץ )מרץ 2012 אוקטובר 2012(. השינוי ללא ספק ניכר בבולענים בחורף בזכות השיטפונות, המעשירים מאוד את כמות מי התהום הרדודים ויכולים להגדיל את קצב המסת שכבת המלח. מתוך תוצאות מתקן ההדמיה למדנו כי ככל שספיקת המים תהיה גבוהה יותר, כך קריסת הבולען תתרחש מוקדם יותר. כמו כן יש השפעה לסוג הסלע המצוי מתחת לבולען ומעליו.
כ' איש שלום, ע' ריבלין, ח' גינת 34 Factors controlling sinkhole development processes in the Dead Sea region A case of Ze elim catchment and simulating device C. Ish Shalom 1*, A. Rivlin 2, H. Ginat 1 1 Dead Sea and Arava Science Center 2 Maale Shaharot High School Correspondence: ccarmit@gmail.com ABSTRACT Keywords: Sinkholes Simulating device Ze'elim Catchment Dead Sea Flashfloods The Ze'elim fan delta contains numerous sinkholes. A sinkhole is a natural process in which a depression or hole in the ground is caused by some form of collapse of the surface layer. The sinkholes created in the Dead Sea area are near the shoreline and their formation process has accelerated since the '80s due to the dropping sea level. The Ze'elim fan was chosen as a representative area to examine factors that control sinkhole development processes in arid areas. The purpose of this study is to understand the effect of various factors on the rate of sinkhole development. The study involved monitoring and GPS measurements of eight sinkholes at different distances from active stream channels of the Ze'elim throughout the year (before the rainy season, during the rainy season, after the rainy season and during the following summer). The spatial-temporal evolution of the sinkholes is described by comparing sinkholes' dimensions at each time point. In addition to the field work, a device was built to simulate the sinkholes' formation in different conditions and to further understand the mechanisms and conditions of sinkhole formation. Several experiments were conducted in the simulating device varying parameters such as water flow rate, type of sediment and location of the water influx pipe. The results from the Ze elim stream indicate that there is considerable change in the size, depth and shape of the sinkholes during the winter (November 2011 March 2012) compared to the summer period (March 2012 December 2012). Undoubtedly, the sinkholes changed during the winter due to flash floods that increase the amount of shallow groundwater and thus increase the rate at which the subsurface salt layer dissolves. From the results of the sinkhole simulator we learned that higher water flow rates cause sinkholes to collapse sooner. The sediment type under the sinkhole and above it also affects its shape and collapse rate. 1. הקדמה 1.1. בולענים בולען הוא שקע הנפער באופן פתאומי בקרקע בתהליך טבעי ולעיתים בקריסה. בספרות מוכרת היווצרות בולענים כתוצאה של המסה בתת- הקרקע, כלומר בתהליך כימי. בולענים אלו מכונים בולעני קרסט. תהליכי קרסט מוכרים באזורים רבים בעולם, והם חלק מתהליך טבעי של אינטראקציה בין מים ומסלע. בתהליך זה יש המסה כימית של החומר בתת-הקרקע, וההמסה יוצרת חללים. תהליך ההמסה מתבצע גם על ידי מים שחודרים מפני השטח. מערכת קרסט נפוצה בסלעי משקע קרבונטיים, ובהם התהליך אטי יחסית. ההמסה מתבצעת על ידי תמיסה לא רוויה במינרל הסלע )שובאל, 2006(. כאשר הסלע הוא אבפוריטי, היווצרות הבולענים מתרחשת בתהליך דומה, וההמסה של שכבת המסלע בתת-הקרקע נעשית על ידי תמיסה לא רוויה במינרלים של הסלע. ההמסה יוצרת חלל בתת-הקרקע. לאחר מכן פני הקרקע קורסים, ונוצר בולען. באזורים רבים התגלה כי גורם מזרז לתהליך הוא ירידת מפלס מי התהום ושינוי במיקום הפן הביני )אבלסון וחוב',.)Abelson et al, 2006 ;2004 1.2. הבולענים בים המלח תופעת הבולענים סביב ים המלח מוכרת עוד משנות השבעים של המאה ה- 20, ובשנים האחרונות נצפית עלייה משמעותית בקצב יצירתם. לאורך חופי ים המלח נוצרו אלפי בולענים בשני צדדיו, בעיקר בצד המערבי של ים המלח, כלומר במדינת ישראל. הרום המרבי שמצויים בו בולענים בצד המערבי הוא 382 מטרים מתחת לפני הים. בולענים אלה הם בולעני קריסה, והם נוצרים סביב ים המלח במניפות הסחף של הנחלים הזורמים אל ים המלח ובמישורי הבוץ אשר נחשפו עקב ירידת מפלס הים )איור 1(. הבולענים במניפות הסחף ובמישורי הבוץ דומים במנגנון היווצרותם, אך יש הבדל בגודל המרבי שאליו מגיעים הבולענים באזורים השונים. במניפות הסחף עומקם המרבי של הבולענים הוא עד 20 מטרים וקוטרם כ- 25 מטרים. לעומת זאת במישורי הבוץ עומקם של הבולענים לא עולה על עשרה מטרים. הבדל זה נוצר כתוצאה מן השוני בסוג הסחף המצוי מעל לשכבת המלח. כאשר הבולען נוצר באזור של אלוביום גס, החלוקים מתלכדים על ידי חומר קרבונטי או חלקיקים דקים. כך נוצרת שכבה מגובשת יחסית
35 גורמים המכתיבים את קצב הגידול וההתפתחות של בולעני ים המלח - מקרה נחל צאלים ונתונים ממתקן הדמיה בחלק העליון של השכבה. החלל שהחל להיווצר בשכבת המלח מתפתח לכיוון השכבה המגובשת, שמכיוון שהיא מגובשת דיה החלל מתחיל להתפתח לצדדים, וכך נוצר חלל גדול יחסית. לאחר זמן-מה קורסת גם השכבה העליונה, ונפער בולען. במקרה כזה תהליך היווצרות הבולען יהיה בפעימות. לעומת זאת כאשר החומר האלוביאלי דק, רמת הקוהזיה של החרסיות נמוכה מזו של החלוקים, ולכן הבולענים שנפערים לא יכולים להיות עמוקים ורחבים כמו אלה הנוצרים באלוביום הגס. נוסף על כך ההתפתחות תהיה מהירה יותר )רז, 2012(. גורם הכרחי נוסף הוא מים תת-רוויים למלח שיאפשרו המסה של שכבת המלח ויצירת חללים בבטן האדמה. ככל הנראה מים אלו מגיעים מתת-אקוויפר המצוי מתחת לשכבת המלח )יחיאלי ואבלסון, 2006(. תת-אקוויפר זה הוא חלק מהאקוויפר האלוביאלי, שהוא אחד משני האקוויפרים העיקריים המצויים באזור ים המלח. מקור המים העיקרי שלו הוא במי גשמים היורדים בהר, זורמים באקוויפר חבורת יהודה ומתנקזים לאקוויפר האלוביאלי. מקור נוסף הוא מי השיטפונות המחלחלים הישר אל האקוויפר. השיטפונות אינם גורם התחלתי להתפתחות בולענים, אך הם יכולים לשמש זרז להתפתחות וגורם משפיע על השתנות הבולענים. כאשר מתרחש שיטפון מעל אזור שבו יש חלל שעוד לא קרס, הוא בדרך כלל יגרום לקריסת פני השטח. לאחר שהבולען נפער, שיטפון יכול לגרום להרחבתו, לסתימתו, לחיבורו עם בולען אחר או למילויו. נוסף לכך שיטפונות מזינים את הבולענים במים מתוקים שמחלחלים לתת-הקרקע, וגם הם יכולים להמיס את שכבת המלח. בדרך כלל באזורים שבהם מניפת הסחף פעילה, ניתן להבחין לאחר שיטפון בשינוי דרסטי לעומת אזורים שבהם אין שיטפונות. הבולענים מופיעים בדרך כלל בקבוצות המסודרות לרוב לאורך, ובמקביל למבנים הטקטוניים של הבקע. זאת מכיוון שמתחת לשכבת המלח קיימת במקומות רבים שכבה של סילט-חרסית, שאטימותה למים גבוהה יחסית )יחיאלי ואבלסון, 2006(. לעומת זאת באזורי השבירה שכבה זו סדוקה, ומי התהום מסוגלים לחלחל דרכה )רז, 2000(. איור 1: בולען קריסה בנחל צאלים תהליך היווצרות הבולענים בים המלח החל בשנות השמונים. יש הסבורים שהתהליך מתרחש בשל הירידה המואצת של מפלס ים המלח )ארקין ומיכאלי, ;1995 וקס וחוב', ;2000 2006 al.,.)yechieli et ירידה זו גרמה לשינוי ולירידה של מיקום הפן הביני, הוא אזור המגע בין המים המלוחים של ים המלח לבין מי התהום המתוקים. מי התהום הלא-רוויים בתת-הקרקע ממיסים את שכבת המלח הנמצאת 20 50 מ' מתחת לפני הקרקע. המסה זו יוצרת חללים בשכבת המלח, וקריסה של החומר האלוביאלי שמעל החלל. בעבר היה מפלס מי ים המלח גבוה, ושכבת המלח הייתה מתחת לפן הביני בתוך מים רוויים במלח. אך כעת, כשמפלס המים המלוחים יורד, מיקום הפן הביני הוסט מזרחה, ומי התהום המתוקים ממיסים את שכבת המלח בתת-הקרקע. כך נוצרים חללים בבטן האדמה, הגורמים לשכבה הלא מלוכדת שמעל החללים לקרוס. מכאן ניתן לקבוע כי שכבת המלח היא גורם הכרחי במנגנון היווצרות הבולענים, וכי באזור שאין בו שכבת מלח לא ייתכנו בולענים. גילה של שכבת המלח הוא כ- 10,000 שנים )בחלק התחתון של תצורת צאלים(, ועובייה בדרך כלל כ- 20 מטרים, ובמקומות מסוימים הוא יורד למטרים בודדים. במניפות הסחף שכבת המלח עמוקה יותר, כיוון שמעליה שקע אלוביום שגרם לשקיעתה. היווצרות הבולען תלויה ברמת המסיביות של שכבת המלח. אם השכבה תהיה פחות מסיבית ויותר גרגרית, ימסו אותה המים בקלות יתר. כמו כן אם קיימים סדקים בשכבה, המים יחדרו וימסו אותה. 1.3. ים המלח ים המלח הוא ימה מלוחה וסגורה הנמצאת בגבול בין ישראל וירדן בתוך בקע ים המלח, שהוא הגבול בין לוח ערב לבין תת-הלוח ישראל- סיני. חופיו הם המקום היבשתי הנמוך בעולם, גובה של 427 מטרים מתחת לפני הים )נכון לפברואר 2013(. מפלס הים השתנה עם השנים. המפלס המרבי לפני כ- 25,000 שנים היה גבוה בכ- 245 מטרים מזה של ים המלח הנוכחי, והים השתרע מאזור חצבה ועד לכינרת. ים המלח של ימינו התפתח החל מלפני כ- 10,000 שנים )2010 al.,.)stein et הירדן שימש מאז ומתמיד מקור המים העיקרי שלו, מקור ליונים שבהם תלויה היווצרות הגבס והארגוניט, ומקור חשוב לסחף. ים המלח הוא מקווה המים השלישי במליחותו בעולם. ריכוז המלח בו הוא 33.7%. ים המלח מחולק לשלוש יחידות: האגן הצפוני העמוק; האגן הדרומי הרדוד, שכיום אינו מתקיים בצורה טבעית אלא בצורה של בריכות תעשייתיות; וחצי האי ומצר לינץ' ביניהם. מאז שנות השישים של המאה ה- 20 החלה ירידה במפלס מי ים המלח בעיקר עקב פעילות אדם. ירידת מפלס הים השנתית הממוצעת בעשר השנים האחרונות היא 1.05 מ' בשנה )רז, 2012(. קצב הירידה הואץ בשנים האחרונות עקב שימוש במי אגן הניקוז שתורם מים לים המלח. בעוד שבעבר הכמות הממוצעת השנתית של המים שהגיעו לים המלח הייתה 1,700 מיליוני קוב, הרי שבשנים האחרונות נכנסים לאגם כ- 20 אחוזים בלבד מכמות זו. הירידה ההדרגתית והעקיבה במפלס ים המלח היא הגורם העיקרי המשפיע על ההיווצרות המהירה של הבולענים לחופי הים )אבלסון וחוב', 2004; al., Abelson et 2006(. במאמר זה נעקוב אחר התפתחות בולענים, ונבחן כיצד גורמים הידרולוגיים משפיעים על התפתחות הבולענים בנחל צאלים.
כ' איש שלום, ע' ריבלין, ח' גינת 36 1.4. אזור המחקר נחל צאלים המחקר בשטח התבצע במניפת נחל צאלים )איור 2(. מניפה זו היא הדרומית ביותר הנשפכת לאגן ים המלח ממערב, והיא הגדולה ביותר 3,200 דונם. היא מנקזת את נחל צאלים האכזב, שגודל אגן הניקוז שלו הוא 253 קמ"ר, והוא אחד הגדולים הזורמים אל ים המלח ממדבר יהודה. בנחל נמצא עין נמר, מעיין מים מתוקים, וכן נמצאת בו בריכת צפירה, המתמלאת בזמן החורף. קו החוף במניפה מפורץ ותלול יחסית. בעקבות ירידת מפלס ים המלח בחמישים השנים האחרונות נחשפו משטחי בוץ בחזית המניפה, והחלו להופיע ערוצים עמוקים ובולענים. הבולענים מפוזרים בשלושה שדות במרכז המניפה )איור 2 ואיור 3(. המניפה מחולקת לחלק מזרחי, המורכב ממשקעי חרסיות סלטיות דקות-גרגר, ולחלק מערבי, שמורכב מסחף אלוביאלי גס. את שני החלקים הללו חוצה שטח ביניים, ובו מופיעים שלושת שדות הבולענים. הבולענים בנחל צאלים דינמיים מאוד. הם משנים את צורתם, את עומקם ואת שטחם בקצב מהיר מאוד במהלך עונת הגשמים. 2. מטרות המחקר במטרה לבחון גורמים המכתיבים את קצב התפתחות הבולענים באזור של מניפות סחף, נבחר נחל צאלים כמייצג תהליך התפתחות בולענים באזור בוצי. המטרה העיקרית הייתה לבדוק כיצד משפיעים גורמים הידרולוגיים על התפתחות הבולענים בנחל צאלים. המטרות האופרטיביות היו אלה: א. לבחון את השפעתם של שיטפונות על קצב הגידול של בולענים. ב. לבחון אם יש הבדל בין קצב גידול הבולענים בחורף לבין קצב גידולם בקיץ. ג. לבדוק את השפעת ספיקת המים על קצב ההתפתחות ועל גודל הבולען במתקן ההדמיה. ד. לבדוק במתקן ההדמיה את השפעת הסדימנט שמעל לבולען או מתחתיו על קצב התפתחותו. במסגרת המחקר נבנה מתקן שתפקידו לדמות היווצרות בולענים בתנאים מסוימים, ובאמצעותו ניתן היה לבחון את מנגנון התפתחות הבולענים, ולהבין מהם הגורמים המשפיעים על התפתחותם. במהלך המחקר נערכו מדידות בשטח וכן עבודת מעבדה עם מתקן ההדמיה. 2.1. שיטות המחקר בשטח בנחל צאלים נבחרו שמונה בולענים מייצגים בנחל צאלים, ונעשו מדידות של שטחם ושל צורתם באמצעות מכשיר.GPS בנחל צאלים נמדדה ההשתנות במשך 13 חודשים בארבעה סיורים: בנובמבר 2011, במרץ 2012, באוקטובר 2012 ובינואר 2013: בתחילת החורף, בתחילת הקיץ, בסוף הקיץ ובחורף. הסיורים נקבעו לפי עונות השנה ועל פי אירועי זרימה בנחל צאלים, כך שהמדידות היו מפוזרות לפני עונת השטפונות ואחריה. בכל סיור נמדדו צורת הבולען, היקפו ושטחו. איור 2: תצלום לווין של אזור מצדה-נחל צאלים, 2005 2.2. שיטות המחקר במתקן ההדמיה הניסוי מדמה התפתחות של בולענים בתנאי ספיקה שונים ועם סוגי סדימנט שונים. הוא התבצע בתוך מכל פלסטיק שקוף שנפחו 0.0525 מ"ק )אורך 50 ס"מ, רוחב 35 ס"מ וגובה 30 ס"מ( )איור 4(. למתקן מוזרמים מים ממכל מים גדול דרך צינורית. הצינורית מחוברת למשאבה פריסלסטית שמזרימה את המים למתקן בקצב אחיד ובאופן קבוע מראש. במכל הפלסטיק פתח ניקוז בתחתית, המאפשר יציאה של המים מהמתקן. בכל ניסוי הנחנו במתקן שכבה של אלוביום, מעליה שכבת מלח ושכבה עליונה של חומר אלוביאלי )חרסית, חול, חלוקים(. שכבת המלח הייתה בנויה משברי לוחות אבן מלח מהר סדום שעוביים 4 7 ס"מ. את החללים הנותרים מילאנו בגרגרי מלח גס. השכבות המשתנות מניסוי לניסוי היו אלה: השכבה התחתונה, השכבה האמצעית )שכבת המלח( והשכבה העליונה. בין שכבת המלח לשכבה העליונה הונחה הצינורית. איור 3: תצלום לווין 2005, מניפת צאלים שדות הבולענים שבהם התבצע המחקר
37 גורמים המכתיבים את קצב הגידול וההתפתחות של בולעני ים המלח - מקרה נחל צאלים ונתונים ממתקן הדמיה שכבה עליונה שכבת המלח שכבה תחתונה משאבה פריסלסטית איור 4: מבנה המתקן להדמיית בולענים 3. תוצאות 3.1. התפתחות בולענים בנחל צאלים הבולענים מתפתחים במניפת הסחף של נחל צאלים ובמישורי הבוץ הצפוניים למניפה. מניפת הסחף של נחל צאלים פעילה ומכוסה בשכבת סחף גס של חלוקים ושל חומר אלוביאלי גס. מישורי הבוץ מורכבים מסחף חרסיתי ומארגוניט. מתחת לשכבות אלו מצויה שכבת מלח בעומק 20 40 מטרים, ועובי שכבת המלח מגיע עד 20 מטרים. של מעל 50 אחוזים משטח הבולען )איור 6(, ולעומת זאת במהלך הקיץ לא חל כל גידול משמעותי בשטח הבולען. בזמן החורף השני של המחקר גדל מעט הבולען אך לא הראה שינוי משמעותי. המחקר בנחל צאלים נעשה בשני שדות בולענים )שדה 1 ושדה 2( הממוקמים במרכז מניפת הסחף. שדה 2 ממוקם כ- 500 מטרים צפון- מזרחה משדה 1 )איור 3(. שדות הבולענים נמצאים באזור האלוביום דק-הגרגר, במקום שבו האפיק חוצה את שדות הבולענים ממערב למזרח. הקרקע היא מתצורת צאלים, בעיקרה חרסיתית ומכילה שכבות דקות של ארגוניט. שדה 1 נמצא באזור שבו יש צמחייה והתחתרות של ערוץ נחל פעיל, ובאזור זה יש סחף נחלי גס. בעונת החורף הנמדדת נצפו כחמישה שיטפונות. ניתן היה לראות שבכל הבולענים חל שינוי כלשהו רובם התרחבו ואף התחברו עם בולענים אחרים, וכן לרוב עומקם פחת בשל הסחף של השיטפונות שמילא אותם. להלן יינתן תיאור השינוי שחל בכל אחד מהבולענים באמצעות מפה, תמונות וגרף המלמד על מידת השינוי בין תקופות המדידה, וכן יובא תיאור מילולי של השינויים שחלו בכל בולען. כדי להראות את השינויים שאירעו במהלך תקופת המחקר נבחרו שלושה בולענים אופיינים: בולען מס' 1 ובולען מס' 8 משדה 1 ובולען מס' 4 משדה 2 )איור 3(. איור 5: תמונות השתנות בולען מספר 1: A בתאריך 28.11.2011, B בתאריך,21.3.2012 C בתאריך 13.10.2012 ו- D בתאריך 20.1.2013 3.1.1. בולען מספר 1 בולען מספר 1 נמצא בשדה 1, והוא הדרומי ביותר ביחס לשאר הבולענים. הוא צמוד לערוץ הפעיל, והתפתחה בו צמחייה )איור 5(. הבולען התאפיין בתשתית חרסיתית. עומקו היה כמטר אחד, ובמרכזו מעין אי של חומר חרסיתי. סדק מרכזי הקיף את הבולען מדרום-מערב, שהתפתח במהלך המחקר ונעשה עמוק יותר. במהלך החורף חל גידול איור 6: מפת השתנות בולען מספר 1 לאורך תקופת המחקר
כ' איש שלום, ע' ריבלין, ח' גינת 38 3.1.2. בולען מספר 4 בולען מספר 4 הוא הדרומי מבין בולעני המחקר בשדה 2. הבולען התאפיין בתשתית של חרסית וארגוניט, ועומקו היה כ- 5.5 מטרים )איור 7(. במהלך החורף חל גידול של כמעט 50 אחוזים בשטח הבולען )גדל ב- 53 מ"ר(, אך עומקו לא השתנה כמעט )פחת ב- 0.5 מטרים(. לעומת זאת במהלך הקיץ שטחו של הבולען אף קטן במקצת )איור 8(, ועומקו פחת עוד יותר והגיע ל- 3.5 מטרים בלבד כתוצאה מקריסות בדופנותיו. בחורף השני גדל הבולען ב- 32 מ"ר. במהלך המחקר הפך הבולען מעגול למוארך ואליפסי )איור 8(, עומקו לא השתנה כמעט )נשאר כשהיה בעומק של כ- 3.5 מטרים(, אך הקרקעית הפכה להיות רחבה יותר. לכל אורך המחקר נצפו סדקים סביב הבולען, שהמשיכו להתפתח במהלך המחקר )איור 7(. 3.1.3. בולען מספר 8 בולען מספר 8 נמצא בשדה 1 באזור הדרומי. הבולען התאפיין בתשתית חרסיתית וארגוניט )איור 9(. עומק הבולען היה בסביבות 5 מטרים. בבולען זה התפתחו סדקים במהלך תקופת המחקר. במהלך חודשי החורף חל גידול של מעל 50 אחוזים משטח הבולען, לעומת זאת בחודשי הקיץ והסתיו הגידול היה קטן. נוסף לכך בזמן החורף השני למחקר הבולען גדל, אך לא בצורה משמעותית )איור 10(. איור 9: תמונות השתנות בולען מספר 8: A בתאריך 28.11.2011, B בתאריך,21.3.2012 C בתאריך 13.10.2012 ו- D בתאריך 20.1.2013 איור 7: תמונות השתנות בולען מספר 4: A בתאריך 28.11.2011, B בתאריך,21.3.2012 C בתאריך 13.10.2012 ו- D בתאריך 20.1.2013 איור 10: מפת השתנות בולען מספר 8 לאורך תקופת המחקר איור 8: מפת השתנות בולען מספר 4 לאורך תקופת המחקר 3.1.4. סיכום התצפיות בשטח בחלק זה של המחקר ניסינו להבין את השינויים המתרחשים בבולענים במשך תקופה של כשנה. הממצאים בנחל צאלים כוללים תמונות השוואה בין הסיורים, וגרפים המציגים את השינויים שחלו בבולען בין סיור לסיור )איור 11(. הממצאים מצביעים על כך שבכל הבולענים היה גידול משמעותי במהלך החורף, ואילו במהלך הקיץ נצפתה התרחבות קטנה הרבה יותר. כל זאת כאשר תקופת החורף במחקר ארכה ארבעה
39 גורמים המכתיבים את קצב הגידול וההתפתחות של בולעני ים המלח - מקרה נחל צאלים ונתונים ממתקן הדמיה חודשים בלבד, ואילו תקופת הקיץ במחקר ארכה שמונה חודשים )איור 12(. נוסף לכך רוב הבולענים נעשו רדודים יותר לאחר החורף עקב הסחף שהוסע אליהם במהלך השיטפונות. כאשר הבולענים נפערו, קוטרם היה קטן יחסית ועומקם רב, ובעת החורף הם התרחבו. ממוצע הגדילה של בולענים בחורף הוא פי שלושה מממוצע הגדילה שלהם בקיץ. תוצאות המחקר בנחל צאלים מעידות אפוא על כך שלשיטפונות חלק משמעותי בהתפתחות הבולענים ובשינוי גודלם, עומקם וצורתם. 3.2 הניסויים במתקן הבולענים מתקן הבולענים נועד לדמות את סביבת היווצרותם והתפתחותם של הבולענים סביב שולי ים המלח. הניסויים תוכננו כך שיסייעו להבנת הגורמים שמכתיבים את קצב התפתחות הבולען ואת צורתו. המשתנים היו עובי השכבות, סוג המסלע שמעל הבולען, ספיקת מי התהום ומיקום מפלס מי התהום. במהלך הניסוי עקבנו אחר השפעת הזרמת המים על השכבות השונות ובעיקר על שכבת המלח, וכן אחר גודל הבולען וצורתו. איור 11: גרף השתנות שטח בולעני נחל צאלים לאורך תקופת המחקר 3.2.1. תיאור הניסויים ותוצאות במתקן נעשו חמישה ניסויים. בניסוי מספר 1 הוכנסה שכבה של 10 ס"מ של מאסף חלוקים שנשטפו מחול כדי לקבל שכבה מחלחלת. מעל השכבה הזו הונחה שכבת מלח שעובייה 4 7 ס"מ. שכבת המלח הייתה מורכבת משברי אבן מלח מקירות אנכיים של מחצבת המלח בהר סדום ומגרגרי מלח גסים שנועדו למלא את החריצים שנותרו בין אבני המלח. כל זאת נעשה כדי לדמות את שכבת המלח הנמצאת בתת- הקרקע סביב ים המלח. השכבה שתוארה לעיל הורטבה בתמיסת מלח רוויה. כאשר השכבה התייבשה התקבלה שכבה אחידה של מלח. מעל המלח נוספה שכבת חול שמילאה את שאר חלל המכל. על שכבת המלח הונחה צינורית שהעבירה מים ממכל מים בעזרת משאבה. בניסוי זה נקבעה הספיקה על 1.25 סמ"ק בדקה. כעבור יום הייתה שכבת החול העליונה רטובה ומלוחה. 20 יום לאחר תחילת הניסוי התחיל להיווצר בולען: שכבת המלח התחילה להתמוסס ונצפה שקע בשכבת החול, וכן נצפו סדקים. בשכבת החול ניתן היה לראות סימנים של מלח שהגיעו משכבת המלח כתוצאה מעלייה נימית. תופעה זו אינה נצפית בשטח אלא רק בקנה מידה קטן כמו בניסוי זה. הבולען המשיך לקרוס, וביום פירוק המתקן לאחר כחודש נמצא חלל שצורתו עגולה, קוטרו 15 20 ס"מ ועומקו 7 ס"מ כעובי שכבת המלח. בניסוי מס' 1 נוצרו שני חללים בשכבת המלח: אחד מתחת למיקום הצינורית )איור 13( ואחד מעל פתח הניקוז. עם זאת לא התפתחו הבולענים על פני השטח, ולא הייתה קריסה של החול, כנראה מכיוון שהמלח שנמס נדד לשכבת החול וגרם לה להתגבש מעליו ולהתקשות, ושינה את תנאי הניסוי. תהליך זה לא אפשר קריסה, וכנראה הוא אינו מייצג את הנתונים הטבעיים באזורי בולענים. (חורף) 12.11-3.12 (קיץ) 3.12-10.12 איור 12: גרף ממוצע שיעורי הגידול בשטח הבולענים בנחל צאלים במשך החורף לעומת הקיץ השיטפונות אינם הגורם ההתחלתי להתפתחות הבולענים, אך הם משמשים זרז להיפערותם ולהתפתחותם לאחר מכן. חלק ממי השיטפונות מחלחל אל תוך המניפה ונותר כמי תהום רדודים. מים אלו הופכים להיות גורם מכריע בהתפתחות הבולענים, והראיה לכך היא קצב גידול ניכר מאוד בחודשי החורף לעומת הגידול האטי בחודשי הקיץ. הנגר העילי בשיטפונות הוא ספק משמעותי של מי תהום מתוקים, המשפיעים על קצב התפתחות הבולענים. מי השיטפונות מאיצים את תהליך התרחבות הבולען, והביטוי בבולענים לכך הוא קריסת השוליים. בחלק מהבולענים מסיעים השיטפונות חומר אלוביאלי שממלא את הבולען או גורמים לקריסת שולי הבולען לתוכו, ובכך מפחיתים את עומקו. איור 13: בולען שנוצר מתחת למיקום הצינורית
כ' איש שלום, ע' ריבלין, ח' גינת 40 בניסוי מספר 2 התנאים היו זהים, לבד מן העובדה שהשכבה העליונה הייתה מורכבת מחלוקים וחצץ, וספיקת המים עלתה ל- 3.15 סמ"ק בדקה. כשהוסרה שכבת החלוקים התגלה לנו חלל ששטחו כ- 50 סמ"ר )איור 14( שהתפתח בתוך פחות משבוע. לא התרחשה קריסה, כנראה מכיוון שהמלח נמס והקשה את שכבת החלוקים שמעליו, בדומה למה שאירע בניסוי הקודם. איור 16: הבולען שנוצר לאחר יום בניסוי מספר 4 איור 14: בולען שנוצר בניסוי מספר 2 בניסוי מספר 3 שונה גודל החלוקים בשכבה העליונה מחלוקים גסים לחלוקים דקים. ספיקת המים הייתה 1.25 סמ"ק בדקה כמו בניסוי מספר 1. לאחר שלושה ימים נפער בולען עגול וקוטרו כ- 8 ס"מ בשכבת המלח, שגרם לקריסה של שכבת החלוקים )איור 15(. בולען זה הלך וגדל עם המשך הניסוי. בניסוי מספר 5 נעשה נסיון להבין את תפקיד מי התהום ביצירת בולענים. לפיכך שונה מיקום הצינורית, ובמקום שתהיה מעל לשכבת המלח היא מוקמה מתחת לשכבת המלח. ספיקת המים עמדה על 4.2 סמ"ק בדקה, כמו בניסוי מספר 4, וכן שאר התנאים היו זהים לניסוי מספר 4. לאחר כחודש לא נראו סימנים להתפתחות בולען, ובעת פירוק המתקן התגלה חלל המסה )איור 17(. איור 17: חלל שנוצר בשכבת המלח עקב המסה בניסוי מספר 5 איור 15: הבולען שנוצר לאחר שלושה ימים בניסוי מספר 3 בניסוי מספר 4 התנאים היו כמו בניסוי מספר 3, לבד מספיקת המים שעלתה ל- 4.2 סמ"ק בדקה. לאחר יום אחד בלבד נפער בולען שקוטרו 4 ס"מ ועומקו 10 ס"מ )איור 16(. 3.2.2. סיכום הניסויים בטבלה מס' 1 ניתן לראות את סיכום חמשת הניסויים, את השינויים שנעשו בכל הפעלה ואת התוצאות שהתקבלו. המסקנות הראשונות מהניסויים במתקן הבולענים הן אלה: )1( הניסויים מראים שכאשר ספיקת המים גבוהה יותר, יופיע הבולען מהר יותר על פני השטח כי קצב המסת המלח גבוה יותר. )2( קיים קשר בין סוג התשתית שמעל לשכבת המלח לבין תהליך התפתחות הבולענים. בניסויים ניתן לראות שרק בשני הניסויים שבהם השכבה העליונה הייתה מורכבת מחלוקים
41 גורמים המכתיבים את קצב הגידול וההתפתחות של בולעני ים המלח - מקרה נחל צאלים ונתונים ממתקן הדמיה קטנים שקוטרם הממוצע קטן מ- 2 ס"מ, התרחשה קריסה. הסיבה היא ככל הנראה משום שכאשר נוצרים חללים קטנים בתת-הקרקע, חלוקים גדולים מצליחים להחזיק מעמד יותר מאשר חלוקים קטנים, שם נצפתה קריסה מהר יותר. 4. דיון מסכם במטרה לבחון את הגורמים שמכתיבים את קצב התפתחות הבולענים הנמצאים לצד ים המלח נבחר נחל צאלים כמייצג תהליך התפתחות בולענים בקרקע בוצית. כמו כן נבנה מתקן להדמיית היווצרות בולענים ולבחינת התנאים הגורמים להיווצרותם. מתוך הנתונים שהתקבלו במדידות בנחל צאלים ובניסויים במתקן הבולענים ניתן לקבוע את המסקנות האלה: 4.1. השפעת ספיקת המים על קצב התפתחות הבולענים: תוצאות המחקר מצביעות על שינוי רב בגודל הבולענים, בעומקם ובצורתם במשך החורף )נובמבר 2011 מרץ 2012( לעומת הקיץ )מרץ 2012 אוקטובר 2012(. במהלך השנה מצויים מי תהום בתת-הקרקע, המזינים את הבולענים. מי השיטפונות מזינים את מי התהום במניפת הסחף, ובסופו של דבר מגיעים לשכבת המלח וממיסים אותה. לפיכך ניתן לראות בבירור שהבולענים מתפתחים ומשתנים יותר במהלך החורף מאשר במהלך הקיץ )איור 12(. הדבר בלט מאוד בחורף תשע"ב )מסתיו 2012 עד אביב 2013(. המדידה שנעשתה לקראת סוף ינואר 2013 מעידה אף היא על שינוי, אולם עוצמתו נמוכה בהשוואה לחורף הקודם. גם במתקן ההדמיה נמצא כי ספיקת המים משפיעה ביחס ישיר על מהירות הופעתו של הבולען, וביחס הפוך לגודלו ולקוטרו. 4.2. מיקום הבולען ביחס לערוצי זרימה פעילים: בולענים הנמצאים סמוך לערוצים או בתוכם מושפעים בעיקר מהשיטפונות הזורמים בערוץ, והשינוי בגודלם רב מאוד. לעומתם בולענים המרוחקים מערוצים, כמעט שלא גדלו במהלך המחקר. אין ספק שזמינות המים בערוץ ובשוליו גבוהה יותר, ולפיכך רמת ההתפתחות של הבולענים גבוהה יותר. 4.3. אופי התשתית של הבולענים: קשה לקבוע בוודאות על פי תצפיות השדה עד כמה התשתית שבה מתפתחים הבולענים היא גורם משמעותי בהתפתחותם, ואולם אין ספק שהבולענים שהופיעו לאורך ערוץ נחל צאלים הם רדודים ורחבים. בולעני נחל צאלים הם דינמיים: הם משנים את צורתם, את שטחם ואת עומקם לעיתים תכופות. במתקן ההדמיה נמצא כי כאשר השכבה הנמצאת מעל המלח היא דקת-גרגר )גרגרים בקוטר ממוצע קטן מ- 2 ס"מ( התרחשה קריסה. 4.4. סוג המסלע בשכבה שמעל המלח: על פי תוצאות הניסוי במתקן ניתן לקבוע שכאשר השכבה העליונה הייתה חול, המלח גרם להדבקתה כך שאמנם נוצר חלל בשכבת המלח, אך לא נפער בולען. כאשר השכבה העליונה הייתה שכבת חלוקים גסים, הם עברו את אותו תהליך, וגם כאן נוצר חלל בשכבת המלח אך לא נפער בולען. כאשר השכבה העליונה הייתה חלוקים דקים, נפער בולען תוך שלושה ימים. כאשר העלינו את ספיקת המים, נפער בולען תוך יום אחד. תופעה זו של עלייה נימית משפיעה רק בקנה מידה קטן, כמו בניסוי שערכנו, אך ניתן להסיק שכאשר מידת הליכוד בחומר האלוביאלי היא משמעותית והשכבה העליונה חזקה, החלל הנוצר תחתיה יכול להגיע לממדים גדולים בהשוואה לתנאים שבהם השכבה העליונה איננה מלוכדת או שהלכידות שלה נמוכה. 4.5. השפעת מיקום הזרמת המים על הופעת בולען: במתקן ההדמיה נפערו בולענים והמלח נמס כאשר המים הוזרמו מעל לשכבת המלח, אך כאשר המים הוזרמו מתחת לשכבת המלח, לא נפער בולען וההמסה הייתה מזערית. בתנאי מתקן זה לא ניתן היה לדמות כראוי את הימצאות מי התהום בתת-הקרקע. גורמים נוספים שקשורים בהתפתחות הבולענים ולא נבדקו במחקר זה הם עובי שכבת המלח ומיקומם של ההעתקים al.,( Abelson et.)2003 טבלה מספר 1: סיכום הניסויים במתקן ההדמיה מספר תיאור השכבות במתקן ההדמיה ניסוי חלוקים בתחתית, מלח וחול בשכבה 1 העליונה מיקום הצינורית מעל שכבת המלח ספיקה ]סמ"ק לדקה[ תוצאות ומסקנות לאחר זמן רב יחסית התפתח חלל בשכבת המלח, אך שכבת החול לא קרסה, כנראה משום שהחול היה מהודק או שהתגבש במהלך הניסוי בגלל המלח. נוצר חלל בשכבת המלח לאחר פחות משבוע. לא הייתה קריסה של שכבת החלוקים הגסים כנראה משום שבמהלך הניסוי ליכד המלח את החלוקים. תוך שלושה ימים נוצר בולען )שכבת החלוקים קרסה ויצרה בולען(. תוך יום אחד נוצר בולען )שכבת החלוקים קרסה ויצרה בולען(. לא הייתה קריסה של פני השטח. בשכבת החרסית התגלה חלל מתחת לטפטוף הצינורית. 1.25 3.15 חלוקים בתחתית, מלח וחלוקים גסים 2 )יותר מ- 2 ס"מ( בשכבה העליונה מעל שכבת המלח 1.25 חלוקים בתחתית, מלח, חול וחלוקים דקים )פחות מ- 2 ס"מ( בשכבה העליונה חלוקים דקים בתחתית, מלח וחול בשכבה העליונה חלוקים וחרסית בתחתית, מלח וחול בשכבה העליונה מעל שכבת המלח מעל שכבת המלח מתחת לשכבת המלח 3 4.2 4 4.2 5
כ' איש שלום, ע' ריבלין, ח' גינת 42 תודות תודה רבה לרחמים שם טוב ממרכז מדע ים המלח והערבה שסייע בעבודת השטח ובעיבוד הגרפי של חומרי הגלם, לינאי שלומי על העזרה הרבה בהפעלת מתקן הבולענים בבית הספר "מעלה שחרות", ולאלי רז על השיחות ועל המשוב לעבודה. מאמר זה נשען על עבודת גמר שהכינה עדי ריבלין, תלמידת בית הספר "מעלה שחרות". ביבליוגרפיה אבלסון, מ', יחיאלי, י', ביין, ע', שטיבלמן, ו', כרובי, א', קלבו, ר', שטיינברג, ג', בר, ג', וקס, ד', 2004. סיווג ומיפוי אזורי היתכנות להיווצרות בולענים )בורות( לאורך חוף ים המלח. המכון הגיאולוגי ירושלים. ארקין, י' ומיכאלי, ל', 1995. בורות במניפת הסחף של נחל ערוגות. דוח המכון הגיאולוגי..RGSI/7/95 וקס וחובריו, 2000. היווצרות בורות לאורך חוף ים המלח סיכום ממצאי השלב הראשון של המחקר. דוח המכון הגיאולוגי.GSI/41/2000 יחיאלי, י', אבלסון, מ', 2006. בולענים בחוף ים המלח. בתוך: נבון, ע' )עורך( מלח הארץ )כרך 2(. מאגנס, האוניברסיטה העברית, ירושלים. עמ' 57 82. צוות הנדסי, 2013. בולעני ים המלח מתווה מוצע להתנהלות הנדסית רישויית דו"ח נילווה מס' 1. בהוצאת משרד התשתיות הלאומיות. רז, א', 2000. מחקר היווצרות הבולענים לאורך חופי ים המלח סיכום סקר פני שטח. דוח המכון הגיאולוגי.GSI/31/2000 רז, א', 2012. כביש חוצה נווה עין גדי, מרכז מדע ים המלח והערבה. שובאל, ש', 2006. צפונות כדור הארץ. רעננה, האוניברסיטה הפתוחה. Abelson, M., Yechieli, Y., Crouvi, O., Baer, G., Wachs., D., Bein, A., Shtivelman, V., 2006. Evolution of the Dead Sea sinkholes. In: Enzel, Y., Agnon, A., Stein, M. )Eds.), New frontiers in Dead Sea paleoenvironmental research. Geological Society of America Special Paper 401, p. 241 253. Abelson, M., Baer, G., Shtivelman, V., Wachs, D., Raz, E., Crouvi, O., Kurzon, I., Yechieli, Y., 2003. Collapse-sinkholes and radar Interferometry reveal neotectonics concealed within the Dead Sea basin. Geophysical Research Letters, 30, v. 10, 1545, 52)1 4). Yechieli, Y., Abelson, M., Bein, A., Crouvi, O., Shtivelman, V., 2006. Sinkhole "swarms" along the Dead Sea coast: Reflection of disturbance of lake and adjacent groundwater systems, Geological Society of America Bulletin, 118, 1075 1087. אסיף הוצאה לאור מרכז כתיבה ועריכה Assif Publication House Writing & Editing Center