دراسة حول خصائص الشد الديناميكية وآليات التلف في الجرانيت المعالج حراريًا تحت تبريد حمضي

لماذا يكمن أهمية تكسير الصخور الحارة للطاقة النظيفة

في أعماق الأرض مخزونات هائلة من الحرارة المحتجزة في صخور بلورية صلبة مثل الجرانيت. يمكن أن يوفر استغلال هذه الحرارة طاقة متاحة على مدار الساعة ومنخفضة الكربون، لكن حفر هذه الصخور وتكسيرها أمر صعب ومكلف. تستكشف هذه الدراسة عاملًا مساعدًا مفاجئًا: الحمض. من خلال تسخين الجرانيت إلى درجات الحرارة العالية الموجودة في مكامن الطاقة الحرارية الجوفية ثم تبريده بالماء أو الحمض، يوضح الباحثون كيف يمكن للسوائل المختارة بعناية أن تضعف الصخر، مما يسهل تكسيره ويخفض التكلفة المحتملة لتحويل الحرارة الجوفية إلى طاقة مفيدة.

من المحجر إلى المختبر: إعادة خلق ظروف الأعماق الأرضية

بدأ الفريق بعينات من الجرانيت من منطقة في الصين تشبه الصخر الحار الجاف الموجود على بعد عدة كيلومترات تحت السطح في العديد من مشاريع الطاقة الحرارية الجوفية. قطعوا الحجر إلى أسطوانات صغيرة وموحدة لضمان أن تتصرف كل عينة بشكل متسق تحت الإجهاد. تم تسخين هذه العينات إلى درجات حرارة تتراوح من درجة حرارة الغرفة حتى 600 °م، لتغطي النطاق المتوقع في المكامن الحقيقية. بعد التسخين، تم تبريد كل مجموعة من العينات بإحدى ثلاث طرق: تركها لتبرد طبيعيًا في الهواء، غمرها في ماء بدرجة حرارة الغرفة، أو غمرها في مزيج حمضي قوي مشابه لما يستخدمه المهندسون بالفعل لتنظيف وتحفيز الآبار الحرارية الجوفية.

الاستماع إلى الصخور وتفتيتها

لمعرفة مقدار الضرر الذي سببه التسخين والتبريد، قاس الباحثون أولًا مدى سرعة انتقال الموجات الصوتية عبر الجرانيت. تشير السرعات البطيئة إلى وجود شقوق وفراغات داخلية أكثر. ثم استخدموا جهازًا يطلق نبضة إجهاد سريعة عبر كل عينة على شكل قرص، مما يسحبها ليقطعها في جزء من ميلي ثانية. تحاكي هذه الطريقة، المعروفة باختبار الشد الديناميكي، التحميل السريع الذي تتعرض له الصخور بالقرب من رأس الحفر أو أثناء حقن السوائل. التقطت كاميرات عالية السرعة وتقنيات تصوير رقمية كيفية تشكل الشقوق وانتشارها، محولة كل اختبار إلى فيلم إطار بإطار لفشل الصخر.

الحمض يبرّد ويشقق ويتآكل

رسمت القياسات صورة واضحة: يضعف التسخين الجرانيت بمفرده، لكن طريقة التبريد لها تأثير كبير. مع ارتفاع الحرارة من 100 إلى 600 °م، أظهرت كل العينات بطئًا في سرعة الصوت وانخفاضًا في مقاومة الشد، مما يعني أنها أصبحت أسهل في الكسر. ومع ذلك كانت العينات المبردة بالحمض هي الأكثر تضررًا باستمرار. عند 600 °م انخفضت سرعة الصوت لديها بنحو 71٪، وسقطت مقاومتها لسحبها عن بعضها بأكثر من 60٪ مقارنةً بالصخر عند درجة حرارة الغرفة. بعد الصدمة، تفككت القطع المبردة بالحمض إلى شظايا أصغر من تلك المبردة بالماء أو الهواء. كشفت اختبارات الأشعة السينية لتحليل التركيب المعدني وفحوصات كيمياء السطح السبب: فالحمض الحار لم يكن يبرّد الصخر فحسب بل يذيب معادن رئيسية مثل الكوارتز ويعيد توزيع معادن أخرى، ما يفتح المسام ويوسع الشقوق الدقيقة في جميع أنحاء المادة.

كيف تنمو الشقوق تحت مسارات تبريد مختلفة

أظهرت التصويرات السريعة أن سلوك الفشل تغير أيضًا مع طريقة التبريد. في الجرانيت المبرد طبيعيًا، كانت الشقوق المرئية الأولى تميل إلى التكون قرب مركز القرص ثم تنتشر إلى الخارج. في العينات المبردة بالماء والحمض، ظهرت الشقوق الأولية غالبًا عند الحافة المحملة، حيث كانت الصدمة الحرارية والضرر السابق أكبر، ثم اندفعت نحو المنتصف. مع استمرار التحميل، تفرعت الشقوق الثانوية مكونة أنماطًا على شكل X. عند أعلى الدرجات الحرارية، تحطمت المنطقة القريبة من نقطة التحميل إلى عدة أسافين صغيرة، خاصة في العينات المبردة بالحمض، مما يبرز مقدار الضرر الإضافي الذي يمكن أن يحدث عندما يتضافر الصدمة الحرارية والهجوم الكيميائي.

ما يعنيه ذلك لمستقبل الطاقة الحرارية الجوفية

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن الحرارة مع الحمض يمكن أن تحوّل الجرانيت القاسي إلى مادة أكثر قابيلة للكسر بكثير. من خلال تسخين الصخور في الطبقات الأرضية ثم حقن سائل حمضي بارد، قد يتمكن المهندسون من فتح مزيد من الشقوق بجهد أقل، مما يحسن كفاءة الحفر ويزيد من تدفق الماء الساخن أو البخار من الخزان الحراري الجوفي. يحذر المؤلفون مع ذلك من أن استخدام الحمض تحت الأرض يثير تساؤلات حول السلامة البيئية، واستقرار الصخور على المدى الطويل، وكيف تستجيب أنواع الصخور المختلفة. ومع ذلك، تقدم نتائجهم خارطة طريق لضبط كيمياء السوائل ودرجة الحرارة لفتح الطاقة الحرارية الجوفية النظيفة بشكل أكثر فعالية، مستغلة نقاط الضعف نفسها في الصخر.

الاستشهاد: Yin, T., Song, J., Liu, F. et al. Study on the dynamic tensile properties and damage mechanisms of thermally treated granite under acid cooling. Sci Rep 16, 6112 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37207-5

الكلمات المفتاحية: الطاقة الحرارية الجوفية, الصخر الحار الجاف, الجرانيت, التحفيز الحمضي, الضرر الحراري