Effects of fluid conditions and particle size on the post-failure mobility of fluid–solid coupled landslides

عندما تنهار الجبال، فإن الكارثة الناتجة نادراً ما تكون مجرد كومة من الصخور المتساقطة على منحدر. ففي العديد من الانهيارات الأرضية الأكثر خطورة، لا سيما تلك التي تحدث في المناطق شديدة الانحدار والممطرة في جنوب غرب الصين، تتحول الكتلة المتحركة إلى مزيج فوضوي من التربة والصخور والمياه. هذا التحول يحول الانزلاق البسيط إلى تدفق مائع، حيث يحدد التفاعل بين الحطام الصلب والمياه السائلة مدى المسافة والسرعة التي تقطعها الكارثة. لقد أدرك العلماء منذ زمن طويل أن المياه تلعب دوراً حاسماً، لكن الميكانيكا الدقيقة لكيفية تأثير كميات المياه المختلفة، وأنواع الطين المختلفة، وحجم الصخور داخل المزيج على الحركة ظلت صعبة التحديد. فالمسألة لا تتعلق فقط بكمية المياه الموجودة، بل بكيفية قيام هذه المياه بدفع وسحب وإبطاء الجزيئات الصلبة أثناء تسابقها نحو أسفل الجبل. إن فهم هذه القوى الخفية أمر ضروري للتنبؤ بالمكان الذي سيتوقف فيه الانهيار الأرضي ومدى الضرر الذي قد يسببه، وهو مسألة حياة أو موت للمجتمعات التي تعيش في الوديان المعرضة للخطر.

ولفك رموز هذا التعقيد، وجه الباحثون اهتمامهم إلى حدث كارثي وقع في 23 يوليو 2019، في مقاطعة شوي تشنغ بمدينة غويتشو. في تلك الليلة، انفصل جزء ضخم من جرف بازلتي، كان قد ضعف بسبب أمطار غزيرة استمرت لأسابيع، واندفع بقوة نحو أسفل المنحدر الجبلي. حصدت الكارسة 43 روحاً وتسببت في خسائر اقتصادية بلغت قرابة 200 مليون يوان، مخلفةً وراءها أثراً من الدمار امتد لأكثر من كيلومتر واحد. الكتلة المنزلقة، التي كانت في البداية كتلة صخرية صلبة، تفككت واختلطت بالمياه، لتصبح تدفقاً ثنائي الطور عالي السرعة جرف المناظر الطبيعية قبل أن يستقر أخيراً. ولدراسة الفيزياء الكامنة وراء هذا الحدث تحديداً دون خطر انتظار كارثة حقيقية أخرى، استخدم فريق من العلماء منصة حاسوبية متطورة لإعادة إنشاء الانهيار الأرضي في بيئة افتراضية. لم يكتفوا بمراقبة سقوط الصخور فحسب؛ بل قاموا بمحاكاة القوى غير المرئية المؤثرة، من خلال تشغيل ثلاثة عشر سيناريو مختلفاً لمعرفة كيف يمكن لتغيير محتوى المياه، وسماكة السائل، وحجم شظايا الصخور أن يغير النتيجة.

بدأ الباحثون باختبار كيفية تأثير حجم المياه الصرف على سلوك الانهيار الأرضي. فقد قاموا بمحاكاة الانزلاق بدون مياه، ثم مع كميات صغيرة، وأخيراً مع محتوى مائي مرتفع جداً. وكشفت النتائج عن حقيقة منافية للحدس حول كيفية تحرك هذه الكوارث. فالأمر لا يتعلق ببساطة بامتلاك أكبر قدر من المياه لإحداث أكبر رشقة أو أقوى دفعة أولية. بدلاً من ذلك، يكمكن سر انتقال الانهزام الأرضي لمسافة طويلة في كيفية قدرة المياه على الاستمرار في دفع الصخور للأمام لأطول فترة ممكنة. ففي السيناريوهات ذات المحتوى المائي المنخفض، قد تخلق المياه دفعة قوية ومكثفة لفترة وجيزة، لكن هذا الدعم يتلاشى بسرعة، مما يؤدي إلى تباطؤ الصخور وتراكمها. ومع ذلك، عندما يكون حجم المياه مرتفعاً، يخلق السائل نظام دعم واسع النطاق ومستدام. هذا الدفع المستمر يسمح للصخور بالبقاء معلقة ومتحركة لفترة أطول بكثير، حتى لو لم تكن الدفعة الأولية هي الأعلى سرعة. تعمل المياه هنا ليس كدفعة واحدة، بل كحزام ناقل مستمر، يحافظ على الزخم حياً بينما تشق الكتلة طريقها عبر التضاريس.

كما استكشفت الدراسة ما يحدث عندما يتغير السائل نفسه، حيث قارنت بين الماء النقي والطين الخفيف والطين السميك واللزج. أنتج الماء النقي النتيجة الأكثر دراماتيكية: حيث تسارعت الصخور لتصل إلى أعلى سرعة لها، وهي 36.24 متراً في الثانية، لكن هذه السرعة كانت قصيرة الأمد. فبمجرد أن بدأت المياه والصخور في الانفصال، تباطأت الحركة بسرعة. وفي المقابل، قدم سائل ذو لزوجة منخفضة، يشبه الطين الخفيف، نوعاً آخر من الخطر؛ فهو لم يولد أعلى سرعة قصوى، لكنه وفر دافعاً ثابتاً ومستمراً أبقى الصخور في حالة حركة لفترة أطول. وهذا يشير إلى أن الانهيار الأرضي الذي يتدفق عبر طين خفيف قد يسافر لمسافة أبعد مما يفعل في الماء النقي، حتى لو لم يتحرك بنفس السرعة العالية أبداً. أما الطين الأكثر لزوجة وسمكاً، فقد تصرف بشكل مختلف تماماً؛ إذ عمل بمثابة مكبح ثقيل. فرغم قدرته على تحريك الصخور في البداية، إلا أن مقاومته الداخلية استنزفت طاقتها بسرعة، مما تسبب في استقرارها وتراكمها في منطقة محلية بدلاً من الانتشار على مسافة واسعة.

أخيراً، فحص الباحثون حجم الصخور داخل المزيج، واختبروا كيف ستتصرف الحصى الصغيرة مقابل الصخور الكبيرة في هذه البيئات السائلة. غير حجم الجزيئات من طريقة تفاعلها مع السائل؛ فالحبيبات الأصغر، نظراً لامتلاكها مساحة سطح أكبر بالنسبة لوزنها، كانت أكثر عرضة للقبض عليها ودفعها بواسطة السائل، حيث تعرضت لقوى سحب أقوى لكل وحدة كتلة. ومع ذلك، امتلكت الجزيئات الأكبر ميزة مختلفة: القصور الذاتي. ففي الطين السميك واللزج، كانت الصخور الكبيرة أكثر قدرة على اختراق المقاومة، محافظةً على زخمها في المواضع التي كانت ستتباطأ فيها الجزيئات الصغيرة. وهذا يعني أنه في تدفق الطين السميك، يمكن للصخور الأكبر أن تسافر فعلياً لمسافة أبعد من الصخور الأصغر، مما يتحدى التوقعات بأن الحطام الأصغر يتحرك دائماً بشكل أسرع. وقد أظهرت عمليات المحاكاة أن الجزيئات الأكبر خلقت نمط ترسب أوسع وأكثر تشتتاً، بينما مال النوع الأصغر إلى التمركز في قنوات ضيقة وعالية السرعة.

من خلال تجميع نتائج عمليات المحاكاة هذه، تقدم الدراسة صورة أوضح لصراع الشد والجذب الديناميكي بين سحب السائل والقصور الذاتي للصلب الذي يحدد طبيعة هذه الكوارث. وتشير النتائج إلى أن المسافة التي يقطعها الانهيار الأرضي لا تحددها لحظة واحدة من السرعة القصوى أو قوة ذروة واحدة. بدلاً من ذلك، هي نتيجة تفاعل مستمر ومتطور، حيث يكون توقيت ومدة ونطاق انتشار دفع السائل أكثر أهمية من شدة دفعة واحدة. وسواء كان السائل ماءً أو طيناً، وسواء كان الحطام رملاً ناعماً أو صخوراً ضخمة، فإن النتيجة تعتمد على مدى قدرة السائل على استدامة نقل زخمه إلى الكتلة الصلبة. إن هذه الرؤى، المستمدة من إعادة الإنشاء الافتراضي لانهيار "شوي تشنغ"، توفر مرجعاً حيوياً لفهم الفيزياء المعقدة للانهيارات الأرضية المائعة، مما يساعد العلماء والمهندسين على تقييم المخاطر التي تشكلها أحداث مماثلة في المستقبل بشكل أفضل.