تأثير بنية المسام على معامل صلابة الحبيبات في كتل الصخور الجوفية تحت ظروف هيدرو-ميكانيكية

الصخور التي تحتضن مستقبلنا تحت الأرض

عندما نبحث عن أماكن آمنة لتخزين النفايات النووية وثاني أكسيد الكربون وحتى الهيدروجين السائل، نتجه بصورة متزايدة إلى التكوينات الصخرية العميقة تحت أقدامنا. لكن هذه الصخور ليست كتلًا صلبة؛ فهي مشبعة بمسام صغيرة أشكالها وترابطها تتحكم بهدوء في كيفية ضغط الصخور وتشققها وحمايتها لما نضعه بداخلها. تطرح هذه الدراسة سؤالاً بسيطًا بالظاهر وله تبعات كبيرة: ما مدى صلابة حبيبات المعادن داخل الصخور الحقيقية، وإلى أي مدى تغيّر البنية الخفية لمسامها هذا الجواب؟

لماذا تهم صلابة الصخور تحت الأرض

يصف المهندسون مدى صعوبة ضغط مادة بكمية تُدعى معامل الصلابة الحجمي. بالنسبة للتخزين الجيولوجي العميق، فإن نسخة خاصة تُسمى معامل صلابة الحبيبات حاسمة: فهي تعبّر عن كيفية تقلص الإطار المعدني نفسه عندما تتغير ضغوط مياه المسام والضغط المحيط بالصخور. هذه القيمة تدخل مباشرة في نماذج الحاسوب التي تتنبأ بكيفية تشوّه الكهوف الجوفية، وكيف تفتح أو تغلق الشقوق، وكيف تتحرك السوائل على مدى عقود أو قرون. إذا بالغنا في تقدير هذه الصلابة، فقد تبدو تصاميم مستودعات النفايات أو مواقع تخزين الطاقة أكثر أمانًا على الورق مما هي عليه بالفعل في الصخور.

اختبار الصخور الحقيقية تحت ضغط متساوٍ

لقياس صلابة الحبيبات مباشرة، استخدم الباحثون اختبارًا متخصصًا "بدون غلاف" على ثلاث صخور مختلفة جدًا: حجر رملي مسامي من نوع بيريا وحجر رملي من أيداهو وصخر جرانيت كوري كثيف (هوانغدونغ). في هذا الاختبار، يُطبّق ضغط سائل مرتفع في آن واحد على سطح أسطوانة الصخر وعلى الماء داخل مسامها، بحيث يصبح الإجهاد الفعّال على إطار الصخر صفراً وتنكب الحبيبات وحدها على الضغط. من خلال تتبع تشوّهات محورية ودائرية طفيفة بواسطة مقاييس استطالة، بنى الفريق منحنيات دقيقة لتغير الحجم مقابل الضغط حتى 50 ميغاباسكال. ومن ميل هذه المنحنيات استخرجوا معاملات صلابة الحبيبات بنحو 29 غيغاباسكال لحجر الرملي بيريا، و33 غيغاباسكال لحجر الرملي أيداهو، و38 غيغاباسكال لجرانيت هوانغدونغ.

مقارنة المعادن بالواقع

هناك طريقة مختصرة شائعة لتقدير صلابة الحبيبات: تحديد المعادن الموجودة في الصخر، والاطلاع على صلابة كل معدن معروفة، ومزجها رياضيًا باستخدام وصفة تُعرف بمتوسط فوِّيغ–رويس–هيل. أجرى الفريق تحليلات حيود أشعة إكس التفصيلية لتحديد خلائط المعادن في عيناتهم—حجر رملي غني بالكوارتز (بيريا)، وحجر رملي غني بالألبيت والفلسبار (أيداهو)، وجرانيت غني بالألبيت والميكروكلين والبيوتيت. كما كان متوقعًا، تنبأت هذه الحسابات بأن الجرانيت يجب أن يكون الأكثر صلابة وبيريا الأقل. لكن الأرقام لم تتطابق: في كل الصخور الثلاثة كانت القيم النظرية أعلى من القيم التجريبية، بنحو 7% لحجر بيريا وأكثر من 30% لحجر أيداهو والجرانيت. من الواضح أن شيئًا ما في بنية الصخور الحقيقية سمح بمزيد من الانضغاط مما تشير إليه وصفة المعادن وحدها.

المسام الخفية والانضغاط الإضافي

لكشف القطعة المفقودة، لجأ الباحثون إلى التصوير المقطعي المحسوب بأشعة إكس، فأنشأوا صورًا ثلاثية الأبعاد لشبكات المسام بدقة ميكرومترية. ثم ميّزوا المسام التي تشكل مسارات متصلة (مسام متصلة) عن تلك المعزولة داخل الإطار الحبيبي (مسام معزولة). اتضح أن حجر أيداهو يحتوي على عدد أكبر بكثير من المسام إجمالًا، لكن معظمها كان متصلًا؛ وكانت المسام المعزولة نادرة. أما حجر بيريا فكان لديه عدد أقل بكثير من المسام الكلي ولكن نسبة أكبر بكثير من المسام المعزولة. تعمل هذه الفراغات المغلقة كبقع ضعيفة: تحت الضغط يتجمع الإجهاد حولها، مسببًا تشوهًا محليًا إضافيًا لا تلتقطه النماذج المبنية على المعادن. والنتيجة هي انخفاض في صلابة الحبيبات الفعّالة، حتى وإن كانت المسامية الكلية متقاربة أو أقل.

من بصيرة المختبر إلى استخدام عملي

إدراكًا لصعوبة وارتفاع تكلفة إجراء اختبارات بدون غلاف لكل نوع صخر، خطى المؤلفون خطوة إضافية. من خلال المقارنة المباشرة بين قياساتهم التجريبية وتقديرات فوِّيغ، رويس، وهيل النظرية، استنبطوا علاقات تصحيح خطية بسيطة. تضبط هذه العلاقات التوقّعات المبنية على المعادن إلى أسفل لتطابق سلوك الصخور الحقيقية بشكل أفضل، مع احتساب ضمني لتأثير المسام المعزولة وميزات صغيرة المقياس الأخرى. ومع أنه اعتمادًا على مجموعة محدودة من الصخور، فإن الإطار يوضح كيفية تحويل البيانات المعدنية إلى قيم صلابة أكثر واقعية عندما لا يكون بإمكاننا إجراء الاختبارات الهيدرو-ميكانيكية الكاملة.

ما الذي يعنيه هذا لتخزين الطاقة والنفايات

بالنسبة للقارئ العام، الخلاصة أن ترتيب المسام داخل الصخور يؤثر بشدة على كيفية تصرف هذه الصخور عند استخدامها لتخزين مواد خطرة أو ثمينة تحت الأرض. ليست كل المسام متساوية: قد يكون الصخر المليء بمسام متصلة جيدًا أكثر صلابة على مستوى الحبيبات من صخر يحتوي مسامات أقل لكنها أكثر عزلاً. تجاهل هذه البنى الدقيقة يؤدي إلى نماذج متفائلة بشكل مفرط بشأن استقرار تحت الأرض. بدمج اختبارات معملية دقيقة، وتحليل معدني، وتصوير ثلاثي الأبعاد، تقدم هذه الدراسة طريقة أكثر دقة لتقدير مقدار انضغاط الصخور، مما يساعد على تحسين سلامة وموثوقية المستودعات العميقة للنفايات المشعة وثاني أكسيد الكربون وأنظمة تخزين الطاقة الجوفية المستقبلية.

الاستشهاد: Kim, MJ., Choi, J., Park, ES. et al. Influence of pore structure on grain bulk modulus of underground rock masses under hydro-mechanical conditions. Sci Rep 16, 11489 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40373-1

الكلمات المفتاحية: بنية المسام, معامل صلابة الحبيبات, اختبار بدون غلاف, المرونة المسامية, التخزين الجيولوجي العميق