دراسة حول طاقة الصخور والفشل المجهري تحت حالات إجهاد مختلفة

لماذا تهم الصخور العميقة لسلامة الأنفاق

مع حفر المدن أعمق فأعمق للمترو والخزانات وتخزين الطاقة، يجب أن تتحمل الصخور المحيطة بهذه الفراغات تحت الأرض قوى هائلة بأمان. عندما تفشل تلك الصخور بشكل غير متوقع، قد ينتج عن ذلك انفجارات صخرية وانهيارات وتأخيرات مكلفة. تبحث هذه الدراسة داخل نوع صخري شائع—الرخام—لتفحص كيف يخزن الطاقة ويستخدمها ويطلقها فجأة تحت ظروف ضغط مختلفة، من الضغوط الخفيفة إلى الإجهاد ثلاثي الأبعاد الشديد الموجود على عمق كيلومترات تحت السطح.

كيف يُضغط الرخام في العالم الواقعي

تحت الأرض على أعماق كبيرة، تُضغط الصخور من كافة الجهات، لا من الأعلى فقط. لمحاكاة ذلك، أجرت الباحثون نوعين من الاختبارات المخبرية على مكعبات رخاميّة مُحضرة بعناية. في اختبارات ثلاثية المحاور «التقليدية» تم زيادة الضغط في اتجاه واحد بينما أبقي الضغط الجانبي متساوياً. في الاختبارات الثلاثية الحقيقية، تمت السيطرة على الضغوط في الثلاثة اتجاهات بشكل مستقل، ما يعكس بشكل أفضل أنماط الإجهاد غير المتكافئة حول الأنفاق والكهوف الحقيقية. إلى جانب هذه التجارب، بنى الفريق نماذج حاسوبية مفصّلة مثّل فيها الرخام على شكل جسيمات صغيرة جداً مترابطة، مما أتاح لهم متابعة كيفية ظهور وتوسع الشقوق الميكروسكوبية داخل الصخر.

من المسامات الصغيرة إلى الانهيار المفاجئ

أظهرت الاختبارات أن الرخام تحت الضغط يمر بتسلسل واضح من المراحل. في البداية تُغلق المسامات والعيوب الصغيرة، ويتشوه الصخر بشكل مرن—يعود إلى شكله إذا أُزيل الحمل. مع زيادة الحمل تظهر تشوهات دائمة، وأخيراً يصل الصخر إلى قوة قمة ثم ينكسر. تحت ضغط محيطي منخفض، يكون الفشل مفاجئاً وهشاً، تهيمن عليه شقوق انفتاحية ناجمة عن الشد، مما يقسم العينة على طولها. مع زيادة الضغط المحيط، ترتفع كل من القوة والليونة: يمكن للصخر أن يحمل حملاً أكبر ويمتد أكثر قبل الانهيار، ويصبح الانخفاض بعد الذروة أكثر سلاسة. إعادة إنتاج الحاسوب لهذه السلوكيات أكدت أن المعاملات الميكروسكوبية المختارة التقطت استجابة الرخام الحقيقية.

الطاقة الداخلة، والطاقة المخزنة، والطاقة المُطلقة

لفهم سبب تغير نمط الفشل، تتبع المؤلفون كيف يتحول الشغل الميكانيكي على الصخر إلى أشكال طاقة مختلفة. أثناء التحميل المبكر، تُخزن معظم الطاقة الداخلة كإجهاد مرن وفي الروابط الصغيرة بين الجسيمات. قرب الفشل، تتحول الطاقة المخزنة بسرعة إلى إنشاء أسطح شقوق جديدة، وتسخين احتكاكي، وتخميد أثناء انزلاق الجسيمات وانفصالها. عند انخفاض الحبس يكون هذا الإطلاق حاداً ومفاجئاً، متطابقاً مع الانقسام الهش. يزيد الحبس الأعلى بشكل كبير من كمية الطاقة التي يمكن للرّخام تخزينها ويحوّل جزءاً أكبر منها إلى قنوات احتكاك وتخميد مع تشكيل مناطق قص محلية. النتيجة انتقال من شقوق مهيمنة بالشد إلى نمط مختلط وفي النهاية إلى فشل أشبه بالبلاستيك مدفوع بالقص يمتص الطاقة على مدى فترة أطول.

الدور الخفي للضغط الجانبي

تركيز رئيسي في الدراسة هو «الإجهاد المتوسط»—الضغط الجانبي الذي ليس الأكبر ولا الأصغر. كشفت اختبارات ثلاثية المحاور الحقيقية والمحاكاة أن لهذا الإجهاد تأثيراً غير خطي وذو حدين. زيادة معتدلة تجعّل الرخام أقوى: تقوّي الصخر، تؤخر النقطة التي يبلغ فيها تبديد الطاقة ذروته، وتشجع تكوّن أحزمة قص محلية بدلاً من تحطّم هش شامل. لكن إذا أصبح هذا الإجهاد المتوسط عالياً جداً مقارنةً بالإجهاد الأدنى، تصبح المنظومة غير مستقرة من جديد. يصبح إطلاق الطاقة أكثر حدة، تظهر مناطق شد جديدة، ويتحول السلوك الكلي من هش إلى مهيمن عليه القص ثم إلى نمط فشل أكثر هشاشة مرة أخرى.

ما الذي يعنيه هذا لسلامة المنشآت تحت الأرض

من منظور الطاقة، تُظهر الدراسة أن طريقة فشل الرخام لا تحكمها فقط شدة الضغط، بل تُمليها أيضاً التوازنات بين ثلاثة اتجاهات إجهاد ومسارات تخزين وتبديد الطاقة المتاحة. في التكوينات الرخامية العميقة، يمكن أن يكون الضغط المحيط الأعلى مستقرّاً، مما يسمح للصخور بامتصاص طاقة أكبر قبل الفشل—لكن ذلك يصل إلى حد. بعد هذا الحد، قد تحفّز تركيبات إجهاد معينة حدوث تشققات عنيفة ومفاجئة. توفر هذه الرؤى للمهندسين أساساً فيزيائياً أقوى لتقييم متى تقترب الأنفاق والكهوف العميقة في الرخام من ظروف خطرة، وتشير إلى أدوات رصد مستقبلية تتابع تغيّرات الطاقة، وليس الضغوط فقط، لتوقع عدم الاستقرار.

الاستشهاد: Xie, L., Li, B., Sun, J. et al. Study on rock energy and microscopic failure under different stress states. Sci Rep 16, 12286 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41844-1

الكلمات المفتاحية: ميكانيكا الصخور, الحفريات تحت الأرض, رخام, تبديد الطاقة, إجهاد ثلاثي المحاور