أثر الأنشطة البشرية على المخاطر السيزمية: التنمية الحضرية وتتبعها

التوقيع السيزمي الأنثروبولوجي: كيف أن الأنشطة البشرية تعيد تشكيل مخاطر الزلزال

وبالنسبة لكثير من القرن العشرين، كان ينظر إلى الزلازل على أنها ظواهر طبيعية محركها بطء حركة الصفائح التكتونية، والاكتشافات المسببة للربط بين حقن السوائل في منطقة جبل روكي وسلسلة من الزلازل قرب دنفر، كولورادو، في الستينات، قد تحدت هذه الفرضية بشكل أساسي، وأصبح من الواضح أن بعض الأنشطة البشرية يمكن أن تغير حالة التداعم في عالم الأرض.

والتحدي لا يكمن في فيزياء الميكانيكيين المخطئين فحسب، بل في إدارة مخاطرة، بطبيعتها، غير ثابتة، ويمكن أن تتغير احتمالات حدوث زلزال مدمر في منطقة معينة تغيراً جذرياً على أساس خيارات تنظيم الإنسان، والقوات الاقتصادية، والممارسات الهندسية، وهذه المادة تُعطي غطساً عميقاً في العوامل الرئيسية للزلازل الناجم عن الإنسان، وتدرس دراسات الحالات العالية الحماية، وتُستكشف

The Weight of Cities: Urban Development as a Seismic Driver

وفي حين أن الصلة بين السحابات والزلازل قد لا تكون واضحة على الفور، فإن العملية المادية لبناء مدينة ما تُغير بشكل أساسي التحميل الميكانيكي على القشرة الضحلة، إذ أن التحضر ينطوي على مزيج من التحميل (تزيد من الوزن) والتفريغ (تحفر المواد)، وكلتاهما يمكن أن يقترب من الفشل، وهذا التغير الحاد في الخلفية، عندما يؤدي إلى تحلل في سلالات الكزاز الطبيعية.

التعبئة الثابتة من الهياكل الأساسية والمستودعات

أكثر الآليات التي تؤثر بها المدن على الزلازل هي من خلال الحمولة الثابتة الهائلة من بنيتها التحتية، ومجموعات من المباني ذات الشدائد في مركز المدينة يمكن أن تضغط على عدة ميغاباسكال على الرسوبيات الأساسية و الصخور، و في حين أن الضغوط التي تصيب التكتون هي عادة أكبر بكثير، فإن الوزن الإضافي يمكن أن يكون دافعاً للأخطاء التي سبق أن تم التأكيد عليها بشكل حرج.

التطهير من الظواهر الاهتزائية التي تنتجها الألغام

إن التحضر يتطلب هندسة واسعة النطاق، فالأساسات العميقة للناموسيات، والأنفاق للنافذات والمرافق، وحفر الطوابق السفلية، ووقوف السيارات دون الإقليمية، كلها تزيل الكتلة من تحت سطح الأرض، وتسمح هذه القاذورات المفاجئة بالهدم، وتخلق تركيزات للإجهاد، وفي أعماقها، يكون هذا التأثير بالغاً، ويمكن أن تولد الاضطرابات المتطورة الناجمة عن التعدينية

استخراج المياه الجوفية وتصريفها

وقد يكون أكثر تأثير حضري على مخاطر الزلازل هو استخراج المياه الجوفية، حيث أن المدن تنمو، كثيرا ما يتجاوز الطلب على المياه إعادة تغذية طبقات المياه الجوفية الطبيعية، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في طاولات المياه، ويزيل هذا السحب الدعم الهيدرولي الذي كان يلقي على الأرض في أعقابه، مما يؤدي إلى تضاؤل نظام الضغط القطبي على عمق، ويزيد من الضغط على المستنقعات المحلية زيادة فعالة في المصفوفة الصخرية.

وتتميز الزلازل الذي يسببه المدن عموماً بضعفات سطحية وبضخامات منخفضة نسبياً (M-G3.5 في معظم الحالات)، ولكن القرب من السكان الضعفاء والهياكل الأساسية يضاعف الخطر بدرجة كبيرة، ويمكن أن يتسبب زلزال حجمه 4.0 في أقل من مدينة كبرى في ضرر غير متناسب مقارنة بالحدث نفسه في منطقة نائية بسبب تأثيرات تضخم الموقع في أحواض الرسوبية وارتفاع كثافة البنى التحتية.

استخراج الطاقة: التعقب، التخلص من المياه المستعملة، والنزعات السيزمية المسببة للإصابة

وقد أدى التوسع السريع في إنتاج النفط والغاز غير التقليدي في أوائل القرن الحادي والعشرين إلى ظهور الاهتزاز المسبب في الأضواء العامة، غير أنه من المهم التمييز بين النوعين الرئيسيين من العمليات الجيدة المرتبطة بهذه الصناعة: الكسور الهيدروليكية نفسها والتخلص من المياه المنتجة عن طريق آبار الحقن العميقة، حيث تنطوي هذه العمليات على أحجام وضغوط ومراحل مختلفة، مما يؤدي إلى مخاطر مغايرة.

:: التفريق بين التحلل الهيدروليكي من تصريف المياه المستعملة

إن الإحراق الهيدروليكي هو عملية قصيرة الأمد، ذات ضغط عال، ترمي إلى إنشاء شبكة من الشقوق في تشكيلات صخرية ضيقة (مثل الشلال) للسماح بالنفاذ النفطي والغازي، وهذه العملية تخلق في جوهرها أحداثاً معتدلة تتعلق بالنزعات الكهرمائية، وهي أدوات قيمة لرسم خريطة لشبكة الكسور، وقد تكون هذه الأحداث دائماً صغيرة جداً (السبب في الزلازل) غير أن هناك ضغوطاً.

وعلى النقيض من ذلك، ينطوي التخلص من المياه المستعملة على حقن طويل الأجل وكبير الحجم من المياه المالحة (المياه المنتجة) التي تُرفع إلى السطح أثناء إنتاج النفط والغاز، وكثيرا ما تُحقن هذه المياه في تشكيلات صخرية عميقة ومهينة، مثل مجموعة أربول في أوكلاهوما، ويُمكن أن يُحدث الحجم التراكمي من السوائل التي تُحقن على مدى أشهر وسنين.

The Mechanics of Injection-Induced Seismicity

إن الفيزياء الأساسية التي تحكم الاضطرابات الناجمة عن الحقن مفهومة تماما من خلال مبدأ الإجهاد الفعال الذي رسمته كارل تيرزاغي، والذي يطبق على الميكانيكيين المسببين لنظرية هنريك مورو - كولومب، وعندما يُحقن السوائل تحت الأرض، فإن ذلك يزيد من الضغط على الاضطرابات، ويواجه الضغط العالي الإجهاد الطبيعي الذي يدفع العقبة إلى الركب معا، ويقلل من الاحتكاك الذي يُضَ في مكانه.

دراسات الحالة العالمية في مجال الإغراء

وكان أحدث مثال على الارتداد المسبب للزلازل هو حالة أوكلاهوما، فقد شهدت الدولة، قبل عام 2009، ما متوسطه 3 أو أكثر من الزلزالين في السنة، وبعد تصاعد حقن المياه المستعملة المرتبطة بازدهار النفط والغاز، ترتفع نسبة الإصابة بالمرض إلى المئات في السنة بحلول عام 2015، بما في ذلك أحداث الخرسانة 5-6 و5.8 التي تسببت في حدوث أضرار هيكلية وخطر عام واسع النطاق.

في غرب كندا، الصلة بين الكسور الهيدروليكي والهزائي أكثر مباشرة، وقد تسبب تشكيلات مونتني ودوفيرني في كولومبيا البريطانية وألبرتا في العديد من الأحداث التي تسببها شركة HF والتي كانت موثقة جيداً، ونفذت شركات التشغيل وأجهزة التنظيم بروتوكولات ضوئية متطورة تستجيب في الوقت الحقيقي للظواهر السيزمية، مما سمح بإجراء تعديلات تشغيلية لمنع وقوع أحداث أكبر.

التخفيف والتنظيم ومستقبل إدارة المخاطر

وقد أدى الاعتراف بأن الأنشطة البشرية يمكن أن تغير بشكل كبير المخاطر السيزمية إلى حفز وضع أطر تنظيمية جديدة، وتكنولوجيات الرصد، والمعايير الهندسية، والهدف من ذلك ليس القضاء على الزلازل المستحثة كليا - وهو أمر مستحيل بالنسبة للعمليات شبه السطحية الواسعة النطاق، بل إدارة المخاطر إلى مستوى مقبول لدى الجمهور والهياكل الأساسية المحيطة، وهذا يتطلب نهجا استباقيا ومكيفا ودافعا عن البيانات.

نظم رصد الزلازل والضوء

إن حجر الزاوية في إدارة السيزمية المستحثة هو نظام الضوء في الوقت الحقيقي لحركة المرور، ويحدد هذا البروتوكول العتبات التشغيلية القائمة على حجم الزلازل المسجلة ومستوى الحركة الأرضية، وفي أثناء العمليات، يكون رصد الكثيف للسيزميات بالنسبة للأحداث، وإذا ما تم اكتشاف الزلازل الصغيرة (جرين)، فإن العمليات تستمر عادة، وإذا سجلت أحداث أكبر (الكشف عن الزئبق)، يجب على المشغل أن يقلل من معدل القذف أو الضغط المباشر.

تقييم المخاطر التساهلية للعمليات غير المأمونة

ويفترض تحليل المخاطر السيزمية الافتراضية التقليدية أن حدوث الزلازل هو عملية ثابتة - الماضي يمثل المستقبل، وينتهك النزعة السيزمية هذه الافتراضية لأن الخطر هو وظيفة من وظائف البارامترات التشغيلية البشرية التي يمكن أن تتغير بسرعة، ويُطلب من نماذج جديدة للتنبؤ بالأخطار في فترة شبه حقيقية، وهذه النماذج التي كثيرا ما تبنى على مبادئ الفيزياء والتعلم الإحصائي، تأخذ كضغوط في الوقت الراهن.

التخطيط الحضري والقدرة على التكيف الهندسي

ونظراً لأن الصلة بين الأنشطة الحضرية والزلازل تتضح، فإنه يجب إدماجها في خطط المدن وقوانين البناء، وبالنسبة للمشاريع الحضرية الواسعة النطاق مثل السدود والطرق الفرعية ومناطق إعادة التنمية، فإن إجراء تقييم محدد لمواقع النزعة السيزمية المسببة ينبغي أن يكون ممارسة عادية، ويشمل ذلك إجراء تحقيق جيوتقني شامل لتحديد الأخطاء التي يتم التشديد عليها بشكل حاسم، والتغيرات المحتملة في الضغط على المناطق الحضرية، مثل أوكلاهما أو ألبرتا.

إن التحول في الطاقة سيطرح تحديات وفرصا جديدة، إذ أن الاستيلاء على الكربون وتخزينه وتطوير الطاقة الحرارية الأرضية على نطاق واسع سيشملان كميات هائلة من الحقن السوائل، ويجب أن تطبق الدروس المستفادة من إدارة السيزمية المتصلة بالنفط والغاز مباشرة على هذه الصناعات الجديدة، ويجب أن يكون تحديد المواقع بدقة، وشفافية TLS، والرقابة التنظيمية الصارمة، ليستا من خارجيات اختيارية، بل هي شروط مسبقة لإمكانية الانتقال الآمن والمقبول من الطاقة.

الخلاصة: شريحة من الكائنات الحية المهددة

إن الأدلة واضحة: فالأنشطة البشرية، بدءا من بناء مدننا إلى استخراج مواردنا من الطاقة، أصبحت عاملا قابلا للقياس وأحيانا مهيمنا في المشهد السيزمي في بعض المناطق، وهذا الإدراك لا يعني كارثة وشيكة، ولكنه يتطلب مستوى أعلى من الممارسة الهندسية والرقابة التنظيمية، وقد نضج علم الظواهر السيزمية المستحثة بسرعة، إذ انتقل من عمل المحقق إلى التنبؤ بالظواهر الزلزالية والتصرفات التنظيمية في الوقت الحقيقي.