ניסוי במודל על שולחן רעידות וניתוח מספרי של מדרונות סלע משכבתיים בעלי נטייה חדה תחת פעולות סיסמיות

מדוע מדרונות הרריים תלולים עלולים להשתחרר בפתאומיות

באזורים הרריים הרגישים לרעידות אדמה, ערים, דרכים ומאגרי מים שכיחים מתחת למדרונות סלע שנראים מוצקים ויציבים. עם זאת, בעת רעידות חזקות חלק מהמדרונות הללו עלולים להישבר במהירות ולהתגלגל למטה כמפולות הרסניות. המחקר בוחן סוג מסוים של מדרון, המורכב משכבות סלע השוכנות בנטייה חדה כלפי ההר, ושואל שאלה מעשית: תחת רעידות אדמה כיצד מדרונות שנראים יציבים אלו מתחילים לסדוק, לאחר מכן לקרוס, ומה קובע האם הנזק יהיה קל או קטסטרופלי?

נקודות תורפה חבויות בתוך הסלע

המדרונות הנבדקים כאן בנויים משכבות סלע ערומות, בדומה לחבילה של קלפים שהוטתה. במדרונות "בעלי נטייה חדה" השכבות נשקעות באופן חזק יותר מפני החיצוני של הגדה, ולכן במצבי שגרה הן עלולות להיראות די יציבות. עם זאת, המגע בין השכבות מהווה מישורי חולשה טבעיים. החוקרים התמקדו בחתיכה קצרה וחזקה יחסית שבקרקעית המדרון, המוכרת כקטע נעילה, שמסייעת להחזיק את מסת הסלע העליונה במקום. כאשר קטע זה נכשל, המדרון כולו עלול לאבד אחיזה בפתאומיות.

רעידה של הר מיניאטורי

כדי לעקוב אחרי תהליך הכשל שלב אחר שלב בנו החוקרים מודל פיזי גדול של מדרון משכבות תלולות, באמצעות חומרים מעורבלים בקפידה שאמינים ביחס לחוזק ולנוקשות של סלע אמיתי. הם הציבו את המודל על שולחן רעידות עוצמתי שיכול להשמיע תנועות של רעידות אדמה. באמצעות שילוב של רישום סיסמי אמיתי מרעידת ונצ’ואן 2008 ושל גלי סינוס מבוקרים, הגבירו בהדרגה את עוצמת הרעידה. בתחילה הופיעו סדקים מתיחה קטנים בקצה העליון של המדרון. עם רעידות חזקות יותר התפשטו הסדקים כלפי מטה לאורך השכבות, נוצר בלוק נעילה בעקב שהחזיק זמנית את המדרון מפני החלקה. כאשר הרעידות החריפו עוד, אותו בלוק נעילה נקרע לפתע, וחיבר את הסדקים לאורך השכבות לשטח החלקה רציף ואיפשר למסת הסלע העליונה להחליק מטה.

הביט פנימה עם סלעים דיגיטליים

מודלים פיזיים לבדם אינם חושפים בקלות את המתחים בכל נקודה במדרון, ולכן החוקרים השתמשו גם בכלי מחשב שנקרא סימולציית זרימת חלקיקים. בשיטה זו מסת הסלע מומרת לאלפי חלקיקים קטנים ומודבקים, שנעים לפי חוקים פיזיקליים פשוטים. באמצעות כוונון מדויק של הקשרים בין החלקיקים עד שהסלע הווירטואלי מתנהג כמו החומר המבחן, שוחזר המדרון שנבדק ו"רעדו" אותו מספרית עם אותו גל רעידת אדמה. המודל הממוחשב שיחזר את אותה רצף בעל ארבעה שלבים: סדיקה ראשונית בקרבת הכתר, גדילת סדקים כלפי מטה ויצירת בלוק נעילה, קריעה פתאומית של הבלוק, ולאחר מכן תזוזת מסת ההחלקה. זה חיזק את בטחון הצוות שהתהליכים המרכזיים נשמרו כראוי.

כיצד גאומטריית המדרון משנה את התוצאה

במודל הדיגיטלי יכל הצוות לשנות בקלות את זווית ועובי השכבות. הם מצאו שכאשר השכבות נשקעות רק מעט יותר חדה מפני המדרון, הסכנה העיקרית היא החלקה קלאסית: קטע הנעילה בבסיס נקרע והמסה כולה החלקה לאורך נתיב משולב של מישורי שכבה ועקב שבור. אבל כאשר השכבות היו תלולות בהרבה, קטע הנעילה נשאר שלם ברובו. במקום זאת, השכבות החיצוניות בקרבת המשטח כופפו ונקרעו במתיחה מן החוץ לפנים, וגרמו לכשל מדרגי בדומה להתהפכות במקום החלקה אחת גדולה. שינוי עובי השכבות השפיע פחות על דפוס הכשל הבסיסי, אך שכבות דקות יותר נטו לחוות החלקה חמורה יותר משום שהן צרות יותר וקל להן להתכופף ולהישבר.

מה משמעות הדבר למגורים בטוחים בהרים

בעיני מהנדסים ומתכננים, המסקנה של המחקר היא שגם מדרונות סלע שנראים יציבים במזג אוויר רגוע עלולים להחביא רצף שבר שברירי בעת רעידת אדמה. הכשל מתחיל לעתים קרובות כסדקים קטנים לאורך מישורי השכבה בקרבת הכתר, ולאחר מכן מתפשט כלפי מטה עד שבלוק המפתח בבסיס או נקרע ומשחרר החלקה מהירה, או שהשכבות החיצוניות מתקלפות בשלבים. מאחר שהנזק הראשוני נוטה להופיע בכתר, חיזוק אזור זה ואת מקטעי הנעילה הקריטיים יכול לשפר משמעותית את הבטיחות. תובנות אלה מספקות תמונה ברורה יותר של מתי וכיצד מדרונות משכבתיים תלולים עלולים להיכשל ברעידות עתידיות, ועוזרות לכוון תכנון, ניטור ותוכניות חירום באזורים הרריים.

ציטוט: Wang, C., Zhang, P., Dong, J. et al. Shaking table model test and numerical analysis of the steeply dipping bedded rock slopes under seismic actions. Sci Rep 16, 10788 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40667-4

מילות מפתח: השתפלויות אדמה כתוצאה מרעידות, יציבות מדרונות סלע, מדרונות סלע משכבתיים, כשל מדרון סיסמי, מידול גאוטכני מספרי