تفجيرات بجوار كهف: الهوابط القصيرة كانت الأكثر عرضة للخطر

في كتلة فيركور الجبلية في جنوب شرق فرنسا، يستقبل كهف شورانش (Choranche) نحو 100,000 زائر سنويًا. وكنزه غابة من قشّات الصودا (soda straws): هوابط مجوّفة شفافة تنمو حلقةً بعد حلقة من الكالسيت حول قطرة الماء المتدلية من طرفها. ويصل طولها إلى 3 أمتار بقطر يبلغ نحو 5 مليمترات، وجدار سمكه نصف مليمتر. ولأنها تنمو بمعدل يتراوح بين 0.09 و0.92 مليمتر سنويًا، فربما بدأت أطولها تتشكّل قبل 3,200 إلى 33,000 عام.

ثم جاءت أشغال بناء. فالممر الضيق المعلّق عند أسفل الجرف، الذي يقود الزوار إلى الكهف، كان لا بد من تقريبه من الجدار الصخري على امتداد نحو 100 متر. ولم يكن بوسع الآليات الثقيلة بلوغ الموقع، فتعيّن قطع الصخر بالمتفجرات، على بعد بضع عشرات من الأمتار من القشّات. والضرر الذي يلحق بمثل هذه التكوينات لا يمكن إصلاحه.

قياس نغمة الهابط

بدأ فريق يضم ب. بوتلان (P. Bottelin) وباحثين آخرين من ADRGT وجامعة غرونوبل ألب (Université Grenoble Alpes) وشركة جيوتقنية محلية، بالتعاون مع الشركة التي تدير الكهف والتي موّلت الدراسة، بمعاملة كل قشّة على حقيقتها الميكانيكية: أنبوب رفيع مثبّت من أحد طرفيه. ومثل هذا الأنبوب يهتز عند سلسلة من الترددات الطبيعية، أي «نغماته» الخاصة، التي تتوقف على طوله: فكلما قصر الأنبوب، علت النغمة.

جمع الفريق 15 قشّة مكسورة، معظمها من قاع بحيرة الكهف، وقاس باستخدام مقياس اهتزاز ليزري (laser vibrometer) اهتزازاتِ أربع منها في المختبر، ثم اهتزازاتِ قشّة واحدة لا تزال معلّقة في الكهف، حيث عكست قطرة الماء في طرفها شعاع الليزر. وتطابق القياسات صيغة الكتب المدرسية لعارضة مهتزة، بصلابة (معامل يونغ) قدرها 60 غيغاباسكال. أما القشّة التي في الكهف، والتي لم يكن بوسع أحد الوصول إليها لقياسها، فرنّت عند 1.2 هرتز وعند 13 نغمة أعلى حتى 650 هرتز: وأعطت هذه النغمات طولها، 1.78 متر. والقشّات بالكاد تُخمد اهتزازاتها: فما إن تبدأ بالرنين حتى تواصله.

وأعطت اختبارات الانحناء على 25 عيّنة الإجهادَ الذي تنكسر عنده القشّة: بين 2.5 و16.2 ميغاباسكال. واعتمد الفريق حدًّا حذرًا قدره 1.25 ميغاباسكال، أي نصف أضعف قيمة.

تفجيرات تجريبية

ثم جاءت تفجيرات تجريبية صغيرة، تصل شحنتها إلى 0.2 كيلوغرام، سجّلتها مستشعرات مثبّتة على جدار الكهف. فعلى بعد نحو 55 مترًا من مستشعر الكهف، هزّت شحنة وزنها 0.2 كيلوغرام الصخرَ بسرعة نحو 1 مليمتر في الثانية مدة عُشر ثانية. وامتد اهتزازها من 10 إلى 500 هرتز، مع ذروة حول 175 هرتز.

ثم أعاد نموذج حاسوبي لقشّات يتراوح طولها بين 2.5 سنتيمتر و3 أمتار تشغيلَ الاهتزاز المسجَّل. والنتيجة تخالف الحدس. فأسوأ إجهاد أصاب قشّات طولها نحو 15 سنتيمترًا، تقع نغمتها الأساسية عند 175 هرتز تمامًا: فهي تدخل في رنين (resonance) مع التفجير. وكانت القشّات بين 10 سنتيمترات ومتر واحد الأكثر تعرضًا؛ أما الأطول، فرغم أنها أثقل، فقد عانت أقل. ويمكن للرنين أن يضاعف الحمل حتى خمس مرات.

وتفجيرات البناء تُطلق عدة شحنات تفصل بينها بضع عشرات من الملّي ثانية، كي لا تتراكب الموجات. وفي النموذج، رفعت عشر شحنات تفصل بينها 20 إلى 30 ملّي ثانية ذروةَ الاهتزاز بالكاد، من نحو 1 إلى 1.3 مليمتر في الثانية، لكنها ضاعفت الإجهاد 3.5 مرة: فقطار الموجات أغنى بالترددات العالية، وهي تحديدًا التي تلتقطها القشّات القصيرة.

حدّ سرعة للصخر

وبتكبير الاهتزاز حتى بلغ الإجهاد الحدّ الحذر، تحدّدت عتبة: 2.4 مليمتر في الثانية عند جدار الكهف للتفجيرات المتتابعة بتأخير، و8.6 لشحنة منفردة. ثم حوّل قانونٌ مُلاءَم لكيفية تلاشي الاهتزازات مع المسافة هذه العتبةَ إلى أقصى شحنة مسموح بها عند كل مسافة. ونُفّذت تفجيرات الحفر ضمن هذا الحدّ، ولم تتضرر أي قشّة.

حالة الزلزال

وأجرى الفريق أيضًا محاكاة لزلزال إقليمي، مستخدمًا زلزال بارسلونيت (Barcelonnette) عام 2014، بقوة 5.2، المسجَّل على بعد نحو 10 كيلومترات من مركزه السطحي، بديلًا عن الزلزال المرجعي المحلي لعام 1962، الذي لم يُسجَّل قط. وفي أعماق الأرض، يُتوقَّع أن ينخفض الاهتزاز إلى نحو عُشر قيمته على السطح. والزلزال يهتز ببطء، دون نحو 10 هرتز، لذا فإن القشّات التي يبلغ طولها من 1 إلى 2 متر هي التي تدخل في الرنين هذه المرة. وظل الإجهاد دون الحدّ: فمثل هذا الحدث لن يكسرها على الأرجح.

والدرس يتجاوز شورانش. فالطرق التي تحكم على خطر تعرّض هابط للكسر انطلاقًا من ذروة التسارع وحدها، متجاهلةً الرنين، قد تقلّل كثيرًا من تقدير الخطر، وهذا انحياز يطال الدراسات التي تستقرئ الزلازل الماضية من التكوينات الكهفية المكسورة أو السليمة. والدراسة، التي نُشرت عام 2020 في مجلة Journal of Seismology وأُتيحت الآن على arXiv، لا تشمل إلا القشّات الأنبوبية تمامًا؛ أما الهوابط الأسمك والأعمدة والستائر الكلسية فيحتاج كلٌّ منها إلى نموذجه الخاص.