Formation Mechanism of Loessial Soil Surface Collapse and its Threshold Disaster-Inducing Parameters in Xining City

في المناظر الطبيعية القاحلة في شمال غرب الصين، تتكون الأرض غالباً من رواسب فريدة ناتجة عن الرياح تُعرف باسم "اللویس" (loess). هذه التربة خفيفة، مسامية، وتحافظ على شكلها جيداً عندما تكون جافة، مما يسمح لها بالوقوف في منحدرات شديدة وتشكيل أساس للعديد من المستوطنات القديمة. ومع ذلك، فإن هذه التربة نفسها تحمل سراً خطيراً: فهي حساسة للغاية للمياه. فعندما تبتل تربة اللويس، يمكن أن تفقد هيكلها الداخلي، أو تنهار تحت وزنها، أو تتفكك لتتحول إلى وحل طيني. وبينما درس العلماء لفترة طويلة كيف تسبب المياه هبوط هذه التربة، إلا أن شكلاً آخر من أشكال الفشل الأكثر فجائية وعنفاً قد تم التغاضي عنه غالباً. فخلافاً للهبوط البطيء والزاحف الذي يتسبب في تشقق الأساسات على مدار سنوات، يتضمن هذا الظاهرة الأخرى انهياراً مفاجئاً للأرض، مما يخلق حفرًا عميقة وفجوات واسعة تبتلع الطرق والمركبات. إن فهم كيفية حدوث هذه الانهيارات السريعة بدقة، والظروف المحددة التي تحفزها، أمر حيوي لحماية المدن المبنية على هذه الأرض الهشة.

في مدينة شينينغ، الواقعة في مقاطعة تشينغهاي، أصبح هذا التهديد حقيقة مأساوية في 13 يناير 2020. حيث انفتحت حفرة ضخمة في منتصل شارع مزدحم، مما تسبب في سقوط حافلة مدينة في باطن الأرض. أسفرت الكارثة عن مقتل عشرة أشخاص وإصابة سبعة عشر آخرين. وفي أعقاب ذلك، شرع فريق من الباحثين من مكتب تشينغهاي للاستكشافات الجيولوجية البيئية وعدة جامعات في محاولة لفهم ليس فقط المأساة، بل الآليات الدقيقة وراءها. لقد ركزوا على موقع الانهيار المحدد، وهو موقع تتكون فيه الأرض من تربة لويسية، وهي نوع من الرواسب التي تذروها الرياح والموجودة في جميع أنحاء المنطقة. ومن خلال الجمع بين الحفر العميق، والملاحظة الميدانية الدقيقة، والتجارب المختبرية، أعاد الفريق بناء القصة الخفية لكيفية فشل الأرض، كاشفين عن سلسلة من الأحداث بدأت قبل وقت طويل من تشقق الرصيف.

بدأ التحقيق بالنظر فيما يكمن تحت السطح. قام الباحثون بحفر أربعة ثقوب حول حفرة الانهيار التي بلغ قطرها حوالي ثمانية أمتار ووصل عمقها إلى أكثر من أحد عشر متراً. وما وجدوه كان تاريخاً طبقياً للأرض. الطبقة العليا كانت الطريق نفسه، تليها طبقة سميكة من تربة اللويس القابلة للانضغاط. وفي الأسفل، اكتشفوا تجويفاً اصطناعياً، وهو فراغ من صنع الإنسان بارتفاع مترين تقريباً، يُرجح أنه غرفة صيانة قديمة أو مساحة تركت خلفها أثناء عمليات البناء. والأهم من ذلك، وجدوا أنابيب مياه من الحديد الزهر مكسورة مدفونة على عمق مترين فقط تحت السطح. ولم تكن التربة المحيطة بهذه الأنابيب مبتلة فحسب، بل كانت مشبعة، كما أظهرت الأنابيب نفسها علامات تسرب. وأدرك الفريق أن الأرض لم تنهار ببساطة بسبب المطر؛ بل تم تآكلها ببطء من الداخل إلى الخارج.

تعتمد عملية التآكل الخفية هذه على سلوكين محددين للتربة. أولاً، تربة اللويس قابلة للانضغاط، مما يعني أنها عندما تبتل تحت الضغط، فإنها تنكمش وتستقر. ثانياً، وهو الأهم بالنسبة لهذه الكارثة، أن التربة عرضة للتفكك. يحدث هذا عندما تفقد جزيئات التربة، المرتبطة ببعضها بواسطة معادن طبيعية، تماسكها فجأة عند نقعها في الماء. وجد الباحثون أن التربة في هذه المنطقة تحتوي على كمية كبيرة من معدن يسمى "الإليت" (illite)، الذي ينتفخ عند ملامسته للماء، و"الكالسيت" (calcite)، الذي يذوب. وعندما تسربت المياه من أنبوب مسرب إلى التربة، تفاعلت هذه المعادن، مما أدى إلى تفكك بنية التربة وتحولها إلى طين سائل هائم. ثم جرف هذا الطين بعيداً نحو الأنابيب القريبة والتجويف الاصطناعي الموجود في الأسفل، مما خلق نفقاً مخفياً من المساحة الفارغة.

لم يحدث هذا التآكل دفعة واحدة. فقد تتبع الباحثون تسلسلاً واضحاً للأحداث التي أدت إلى الكارثة. بدأ الأمر بتفاعل الماء والتربة في الردم السائب حول الأنابيب والخنادق. ومع تسرب المياه من الأنابيب، أدت المياه إلى تليين التربة، مما تسبب في انهيارها رأسياً وتكوين شقوق صغيرة. ومع مرور الوقت، نمت هذه الشقوق، وبدأت التربة في التفكك، حيث جُرفت بعيداً نحو الفراغات في الأسفل. أدى هذا إلى إنشاء تجويف مخفي، وهو مساحة مجوفة مختبئة تحت الطريق. ومع جرف المزيد من التربة، اتسع التجويف، وأصبح سقف التربة فوقه أرق وأضعف. وكان المحفز النهائي هو وزن المدينة نفسها. فقد كان الطريق فوق التجويف طريقاً رئيسياً، يتحمل باستمرار الوزن الساكن للمركبات المتوقفة والاهتزاز الديناميكي لحركة المرور. وعندما مرت الحافلة فوق السقف الضعيف، لم تعد التربة قادرة على تحمل الحمل، فانهارت الأرض فوراً.

ولتحديد متى تصبح هذه التربة خطيرة، أجرى الفريق سلسلة من التجارب في المختبر. أخذوا عينات من التربة من الموقع واختبروا كيفية تفاعلها مع الماء عند مستويات رطوبة مختلفة. أرادوا إيجاد نقطة تحول محددة، وهي العتبة التي تتوقف عندها التربة عن التماسك وتبدأ في التفكك. قاموا بإعداد عينات بكميات متفاوتة من الماء، تتراوح من الجفاف الشديد إلى الرطوبة العالية، وألقوا بها في الماء لمعرفة مدى سرعة تفككها. كانت النتائج دقيقة؛ فقد وجدوا أنه عندما تكون نسبة رطوبة التربة أقل من مستوى معين، فإنها تتفكك بسرعة عند تعرضها للماء. وتحديداً، أثبتوا أن عتبة الرطوبة لحدوث كوارث انهيار الأرض هي 27%. فعندما تنخفض نسبة الرطوبة عن هذه القيمة العتبية أثناء التعرض لظروف مائية، قد تخضع تربة اللويس لتفكك سريع، مما يخلق فجوات مخفية وما يعقب ذلك من توسع أو فشل كلي. وقد أصبح رقم 27 بالمائة هذا هو علامة التحذير الحرجة لهذا النوع من التربة.

تخلص الدراسة إلى أن الانهيار في شينينغ لم يكن فعلاً عشوائياً من أفعال الطبيعة، بل كان نتيجة لسلسلة متوقعة من الإخفاقات. إن الجمع بين أنبوب مياه مسرب، والتركيبة المعدنية المحددة للويس، ووجود فجوة مخفية، خلق الظروف المثالية للكارثة. ولم تكن اهتزازات ووزن الحافلة سوى الدفعة الأخيرة التي كسرت هيكلاً متضرراً بالفعل. ويؤكد الباحثون أنه بينما كانت المدينة تستجيب غالباً لمثل هذه الانهيارات بمجرد ملء الحفر بالخرسانة، فإن هذا النهج يعالج الأعراض وليس السبب. فبدون فهم التآكل الخفي وعتبة الرطوبة المحددة التي تحفزه، تظل الأرض معرضة للخطر. ومن خلال تحديد حد رطوبة الـ 27 بالمائة وتسلسل التآكل، قدم الفريق طريقة جديدة للمراقبة. فإذا أمكن قياس الرطوبة في التربة بالقرب من الأنابيب والطرق والحفاظ عليها دون هذه العتبة الحرجة، أو إذا أمكن اكتشاف الفجوات المخفية قبل أن تكبر كثيراً، فيمكن منع الانهيارات المستقبلية، وإنقاذ الأرواح والبنية التحتية من الجوع الصامت والمفاجئ للأرض.