الخصائص الميكانيكية والضرر المجهري للصخور الرمليّة تحت غمر بمياه الذَّائبات لفترات طويلة

لماذا تسرب مياه المناجم أمر مهم

في أنحاء العالم، تخزن شركات التعدين كميات هائلة من نفايات الصخور المطحونة ناعماً، والمعروفة باسم الذَّائبات، خلف سدود ترابية. تبدو هذه البرك هادئة على السطح، لكن المياه التي تحتويها مليئة بالمواد الكيميائية المتبقية والمعادن المذابة. عندما تتسرب تلك المياه إلى الصخور المجاورة، يمكن أن تضعف ببطء أساسات السدود والمنحدرات المحيطة بها، مما يزيد من خطر الانهيار. يطرح هذا البحث سؤالاً بسيطاً لكنه بالغ الأهمية: ماذا يحدث لصخرة شائعة مثل الحجر الرملي عندما تبقى منقوعة في مياه الذَّائبات لشهور متتالية؟

كيف اُختبرت الصخرة

جمع الباحثون مياه الذَّائبات من منشأة تخزين في آنشان، الصين. كانت المياه قلويّة ضعيفة وغنية بأيونات مذابة مثل البوتاسيوم والصوديوم والكالسيوم والألمنيوم — مكوّنات معروفة بتفاعلها مع معادن الصخور. ثم أعدّوا أسطوانات معيارية من الحجر الرملي وغمروا مجموعات من العينات في هذه المياه لمدة تصل إلى ستة أشهر، بينما أبقوا عينات أخرى جافة للمقارنة. عند فواصل زمنية منتظمة، قاس الفريق سرعة مر مرور موجات الصوت عبر الصخر، ومدى قابليته للتشوه والكسر تحت الضغط، وكيفية تطور مسامه والشقوق الدقيقة داخله باستخدام الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، وهي طريقة يمكنها «رؤية» الفراغات المملوءة بالماء داخل المواد الصلبة.

من صخر متماسك إلى حجر إسفنجي

كشفت فحوصات NMR أن مياه الذَّائبات تعيد تشكيل البنية الداخلية للحجر الرملي تدريجياً. في البداية، يهيمن على الصخر مسام دقيقة جداً. مع زيادة زمن الغمر، تتوسع هذه المسام الدقيقة إلى مسام متوسطة ثم أكبر، وتبدأ الفراغات المعزولة سابقاً في الاتصال ببعضها. بعد ستة أشهر، ارتفعت المساميّة الإجمالية بشكل ملحوظ، وانتشر الضرر من السطح الخارجي نحو النواة متبعاً نمط "نمو سريع ثم تباطؤ ثم استقرار". عوضاً عن فتح شقوق كبيرة مرئية، تقوم المياه بهدوء بتحويل الصخر إلى شبكة أكثر مسامية واتصالاً من الفراغات الدقيقة، ملوِّنةً الروابط بين الحبيبات ومجعلة الحجر أقل صلابة وأكثر قابلية للتشوه.

شروخ هادئة وقوة أكثر طراوة

أظهرت الاختبارات الميكانيكية أن هذا إعادة التشكيل الداخلي لها عواقب خطيرة على القوة. مع ازدياد زمن الغمر، تصبح منحنيات الإجهاد–الانفعال للحجر الرملي أكثر تسطحاً، مما يدل على مادة أكثر طراوة مع مرحلة سحق أطول قبل الفشل النهائي. تنخفض كل من صلابة الصخر (معامل المرونة) وحملته القصوى (قوة الضغط) بحوالي ثُلث بعد ستة أشهر، مع حدوث أسرع انخفاض خلال الأشهر من واحد إلى ثلاثة. في الوقت نفسه، سجَّلت حساسات الانبعاث الصوتي — وهي في الأساس ميكروفونات للشقوق الداخلية الدقيقة — إشارات أقل وعدداً أضعف بكثير في العينات المنقوعة طويلاً. الصخور الجافة تنهار فجأة وبصخب، مطلقة دفعات من الطاقة بينما تقفز الشقوق الهشة خلالها. الصخور المضعفة بالماء تفشل بهدوء أكثر، حيث تنزلق الحبيبات وتتقص في حركة أكثر بلاستيكية وأقل انفجاراً.

ربط الكيمياء، الشقوق والنماذج الحاسوبية

يعزو المؤلفون هذا السلوك إلى تفاعلات كيميائية بين مياه الذَّائبات القلوية ومعادن الفلسبار في الحجر الرملي. مع مرور الوقت، تذوب حبيبات الفلسبار وتتحول إلى منتجات تشبه الطين، بينما تهجر الأيونات المذابة وقد تعيد الترسب كطبقات جديدة على أسطح الحبيبات. تضعف هذه التغيرات الـ"صمغ" الذي يربط الحبيبات وتعيد توجيه مسارات انتقال الإجهاد عبر الصخر. باستخدام نموذج حاسوبي قائم على الجسيمات، أعاد الفريق إنتاج هذه التأثيرات: سلاسل القوى — المسارات غير المرئية التي تحمل الأحمال — تصبح أكثر تركيزاً وعدم انتظام في الحجر الرملي المنقوع، ويزداد عدد الشقوق المجهرية، خصوصاً الشقوق القصّية. أظهر نموذج تلف مبني على الانبعاث الصوتي أيضاً أن الضرر ينمو بسرعة في المراحل المبكرة ثم يتسطح، معكوساً تباطؤ التفاعلات الكيميائية مع اقتراب النظام من حالة التوازن.

ماذا يعني هذا لسدود الذَّائبات

بالنسبة لقارئ عام، الخلاصة هي أن مياه الذَّائبات تعمل كعامل تآكل بطيء وصامت على الحجر الرملي. تحول صخراً قوياً وهشاً إلى مادة أكثر طراوة ومشققة، تقطع قوته بأكثر من ثُلث خلال نصف سنة وتغير طريقة تكسره. وبما أن هذا الضعف يتقدم بسرعة في البداية ثم يستقر، قد تكون السنوات الأولى من التعرض حاسمة بشكل خاص لسلامة السد. من خلال ربط نمو المسام، والتفاعلات الكيميائية، وأصوات الشقوق والمحاكاة الحاسوبية، يزود البحث المهندسين بأدوات لتقدير مدى سرعة تدهور الصخور حول برك الذَّائبات — ولإدراج ذلك الفقدان المتغير زمنياً في التصميم والمراقبة وتقييم المخاطر الطويل الأمد للسدود والمنحدرات المجاورة.

الاستشهاد: Li, M., Yang, B., Hu, J. et al. Mechanical properties and microscopic damage of sandstone under prolonged tailings water immersion. Sci Rep 16, 5789 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36413-5

الكلمات المفتاحية: سدود المخلفات, ضعف الحجر الرملي, تفاعل الماء–الصخر, نفايات المناجم, ثبات الصخور