תכונות מכניות ונזק מיקרוסקופי בסלע חול תחת השריה ממושכת במי זיהום של שאריות כרייה

מדוע דליפה של מי מכרה חשובה

בכל רחבי העולם חברות כרייה מאחסנות כמויות עצומות של פסולת סלע מעובדת דק — שנקראת שאריות — מאחורי סכרים מעפר. מאגרים אלה נראים שכובים על פני השטח, אך המים שבהם מזוהמים בכימיקלים שאריים ומתכות מומסות. כאשר מים אלה חודרים אל הסלעים הסמוכים, הם עלולים להחליש בהדרגה את יסודות הסכרים ואת המדרונות מסביב, ועל ידי כך להעלות את הסיכון לקריסה. המחקר בוחן שאלה פשוטה אך קריטית: מה קורה לסלע נפוץ כמו אבן חול כאשר הוא מושרה במי שאריות למשך חודשים ארוכים?

כיצד נבדק הסלע

החוקרים אספו מי שאריות ממתקן אחסון באנשאן, סין. המים היו מעט בסיסיים ועשירים ביון מומס כגון אשלגן, נתרן, סידן ואלומיניום — מרכיבים הידועים ככאלה שעלולים להגיב עם מינרלים בסלע. לאחר מכן הכינו צילינדרים סטנדרטיים של אבן חול וטבלו מערכי דגימות במים אלה עד שישה חודשים, בעוד דגימות השוואה נשמרו יבשות. במרווחים סדירים האימה הצוות עד כמה גלים קוליים עוברים דרך הסלע, כמה בקלות הוא מתעוות ונשבר תחת דחיסה, וכיצד הנקבוביות והסדקים הפנימיים שלו מתפתחים באמצעות תהודה מגנטית גרעינית (NMR), שיטה היכולה "לראות" מרחבי מים בתוך גופים מוצקים.

מצב של סלע צפוף לאבן דמוית-ספוג

סריקות NMR הראו שמי השאריות מעצבים בהדרגה את המבנה הפנימי של אבן החול. בתחילה דומינים הנקבים הקטנים מאוד. ככל שזמן ההשריה עולה, מיקרונקבים אלה מתרחבים לנקבים בינוניים ולאחר מכן לגדולים יותר, ומרחבים שהיו מבודדים מתחברים זה לזה. לאחר שישה חודשים הנקבוביות הכוללת עלתה באופן מורגש, והנזק התפשט מהמשטח החיצוני לעבר הליבה לפי דפוס של "צמיחה מהירה, אחריה האטה, ואז התייצבות". במקום לפתוח סדקים גדולים נראים לעין, המים בהדרגה הופכים את הסלע לרשת יותר נקבית ומקושרת של חללים זעירים, מרפדים את נקודות המגע בין גרגרים ומפחיתים את הקשיחות והקשיות של האבנים.

סדקים שקטים ועמידות רכה יותר

בדיקות מכניות הראו שלשינוי זה במבנה הפנימי יש השלכות משמעותיות על החוזק. עם הארכת זמן ההשריה, עקומות מאמץ–עיוות של אבן החול מתעקמות ומתקבל חומר רך יותר עם שלב עיבוי (דחיסה) ממושך יותר לפני כשל סופי. הן הקשיחות של הסלע (מודול אלסטי) והן כושר הנשיאה המקסימלי שלו (חוזק למאמץ לחיצה) נפלו בכש־שליש לאחר שישה חודשים, כאשר הירידה המהירה ביותר התרחשה בחודשיים־הראשונים עד השלישי. במקביל, חיישני פליטת אקוסטיקה — במובן מסוים מיקרופונים לסדקים פנימיים זעירים — רשמו אותות מועטים וחלשים בהרבה בדגימות שרוסו זמן רב. סלעים יבשים נכשלים בפתאומיות וברעש, משחררים התפרצויות אנרגיה כאשר סדקים שבירים עוברים דרכם. סלעים שהופשרו במים כושלים בשקט יותר, כאשר גרגרים מחליקים ומגיבים בחיתוך באופן פלסטי יותר ופחות נפיץ.

קישור בין כימיה, סדקים ומודלים ממוחשבים

המחברים משייכים התנהגות זו לתגובות כימיות בין מי השאריות הבסיסיים למינרלי הפלדספר שבאבן החול. עם הזמן, גרגירי פלדספר מתמוססים וממירים לתוצרים דמויי־חומר חמרי, בעוד יונים מומסים נודדים ואולי גם משקעים מחדש כציפויים חדשים על פני הגרגירים. שינויים אלה מחלישים את ה"דבק" בין הגרגרים ומשנים את מסלולי העברת המאמץ דרך הסלע. באמצעות מודל ממוחשב מבוסס חלקיקים, הצוות שחזר את ההשפעות האלה: שרשראות הכוח — הנתיבים הבלתי נראים שבאמצעותם הובלות העומסים — הופכות ממוקדות ולא אחידות יותר בסלעים מושרים, ומספר הסדקים המיקרוסקופיים, ובייחוד אלה הקשורים לגזירה, גדל. מודל נזק המבוסס על פליטת אקוסטיקה הראה גם שהוא גדל במהירות בתחילה ואז מתייצב, מה שמשקף האטה כימית כאשר המערכת מתקרבת לשווי משקל.

מה משמעות הדבר עבור סכרים של שאריות

לקריאה שאינה מקצועית, המסקנה היא שמי שאריות פועלים כסוכן קורוזיה איטי ושקט על אבן חול. הם הופכים סלע חזק ושביר לחומר רך ומסועף יותר, מקצרים את חוזקו ביותר משליש בחצי שנה ומשנים את דפוס השבירה שלו. מאחר שההיחלשות מתקדמת במהירות בתחילה ואז מתייצבת, השנים הראשונות לחשיפה עשויות להיות קריטיות במיוחד לבטיחות הסכר. על ידי שילוב גדילת נקבוביות, תגובות כימיות, צלילי סדקים וסימולציות ממוחשבות, המחקר מספק למהנדסים כלים להעריך כמה מהר הסלע סביב אגם שאריות עלול להתדרדר — ולכלול את איבוד החוזק התלויית־זמן הזה בתכנון, במעקב ובהערכת סיכון ארוכת הטווח של סכרים ומדרונות סמוכים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: סכרי שאריות כרייה, היחלשות אבן חול, אינטראקציה מים–סלע, פסולת מכרה, יציבות סלעים