Τα εδάφη Loess Καθορίζουν τη συχνότητα κατολισθήσεων στο Loess Plateau, Κίνα
Το Loess είναι ένα ίζημα που διοχετεύεται από τον άνεμο και αποτελείται από κόκκους χαλαζία, άστριο και μαρμαρυγία μεγέθους μικρού μεγέθους, ανθρακικά άλατα ασβεστίου και μαγνησίου και έως και 30% αργίλου. Ως αποτέλεσμα της γένεσής του, έχει υψηλό πορώδες και κάθετους αρμούς που διευκολύνουν τη διείσδυση του νερού και την υποεπιφανειακή κυκλοφορία. Τα παχιά κοιτάσματα loess θεωρούνται «προβληματικά εδάφη» επειδή μπορούν να καταρρεύσουν ξαφνικά και σε μεγάλους όγκους, με αποτέλεσμα καταστροφικές κατολισθήσεις.
Το Loess είναι ευρέως διαδεδομένο σε όλο τον κόσμο, αλλά τα μεγαλύτερα και παχύτερα κοιτάσματα βρίσκονται στην Κίνα, όπου καλύπτουν περισσότερα από 630.000 km2. Μεταξύ αυτών, το οροπέδιο Loess της βορειοδυτικής Κίνας είναι το μεγαλύτερο. Λόγω του ξηρού κλίματος, οι άνθρωποι που ζουν σε αυτήν την περιοχή βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στο νερό άρδευσης που αντλείται από τον Κίτρινο Ποταμό για καλλιέργεια. Χρησιμοποιούν τη «μέθοδο πλημμύρας» αρκετές φορές το χρόνο, λόγω της οποίας μεγάλοι όγκοι νερού μπορούν να διεισδύσουν σε βάθη δεκάδων μέτρων.
Τι είναι το Loess;
Το Loess δεν είναι βράχος, είναι ένα έδαφος που δεν είναι καλά τσιμεντωμένο από ανθρακικούς κρυστάλλους, ενώ ένα μεγάλο μέρος της αντοχής του προέρχεται από τις δυνάμεις τριχοειδούς ικανότητας που ασκούνται από την υγρασία μέσα στους πόρους του εδάφους όταν το έδαφος είναι ακόρεστο (που είναι οι φυσικές συνθήκες στο αυτές τις άνυδρες περιοχές). Το συστατικό της αργίλου, λόγω των υγροσκοπικών ιδιοτήτων του (είναι ικανό να συγκρατεί το νερό) παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη τέτοιων δυνάμεων, χάρη στις οποίες το λόες μπορεί να παρουσιάσει όμορφες μορφές εδάφους [1], [2], [3] και έχει χρησιμοποιηθεί για αιώνες από τους ντόπιους για το σκάψιμο σπηλαίων κατοικιών[4],[5].
Αρκετές μελέτες έδειξαν ότι η έντονη άρδευση στο οροπέδιο του Loess συσχετίζεται με τον αυξανόμενο αριθμό κατολισθήσεων που συμβαίνουν κάθε χρόνο, πιθανώς λόγω της αύξησης της υγρασίας στα βαθιά στρώματα του εδάφους και της επακόλουθης μείωσης των τριχοειδών δυνάμεων και της αργής διάλυσης του ανθρακικό τσιμέντο[6].
Αλλά υπάρχουν περισσότερα. Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε το 2012 στο Engineering Geology [7] έδειξε ότι στη βάση του οροπεδίου Loess στην περιοχή μελέτης μας (η ταράτσα Heifangtai, στην επαρχία Gansu) μπορούν να βρεθούν πολλές πηγές μεταλλοποιημένου νερού και άλατος. Οι πηγές είναι πρακτικά το νερό άρδευσης που εκρέει από το λόες αφού διεισδύσει, ταξιδέψει υπόγεια και εμπλουτιστεί με τα μέταλλα (κυρίως NaCl – επιτραπέζιο αλάτι! – και λίγο ανθρακικό και θειικό ασβέστιο και μαγνήσιο) που περιέχει φυσικά η λόες.
Ασταθή εδάφη Loess επιρρεπή σε μαζικές βλάβες
Οι άργιλοι είναι πολύ ευαίσθητοι στην παρουσία αλατιού στους πόρους. Μπορούν να διογκωθούν ή να συρρικνωθούν και η δύναμη και η ακαμψία τους μπορεί να αλλάξουν πραγματικά πολύ εάν έρθουν σε επαφή με γλυκό νερό (ασθενέστερη συμπεριφορά) ή με αλμυρό νερό (πιο δυνατό). Το αποτέλεσμα μπορεί να είναι τόσο μεγάλο ώστε η προσθήκη αλατιού σε έναν πολτό από «γρήγορο άργιλο» (ένας τύπος ιλιτικής αργίλου που συνηθίζεται στις Σκανδιναβικές χώρες και στον Καναδά) θα μετατρέψει τον πολτό σε στερεό (υπάρχει μια όμορφη σκηνή σε ένα εκπαιδευτικό βίντεο από τον Νορβηγικό Γεωτεχνικό Ινστιτούτο στο YouTube [8]), και οι στήλες αλατιού δοκιμάζονται ως οικολογική εναλλακτική λύση για τη σταθεροποίηση των αποθέσεων αργίλου και των κατολισθήσεων αργίλου (βλ. το έργο του NTNU στη Νορβηγία [9], [10], [11] και του τα Unibas [12], [13], [14], [15]στην Ιταλία.
Έτσι, το ερευνητικό μας ερώτημα ήταν:είναι ίσως η περιεκτικότητα του λόες σε αλάτι που ελέγχει, τουλάχιστον εν μέρει, την ισχύ του Λόες και τις δυνατότητές του να δημιουργήσει καταστροφικές κατολισθήσεις; Έτσι, επινοήσαμε ένα πειραματικό πρόγραμμα στο εργαστήριο SKLGP στο Chengdu[16] (παρεμπιπτόντως, έχουμε μια ανοιχτή πρόσκληση για 5 νέα μεταδιδακτορικά[17], και πρόκειται να πραγματοποιήσουμε, τον Οκτώβριο, μια πολύ ωραία διδακτορική σχολή στις μεγάλες κατολισθήσεις![18]).
Δοκιμή δειγμάτων Loess
Μια σειρά δοκιμών ήταν αρκετά απλή:ζυγίσαμε μια ποσότητα ξηρού λόες και προσθέσαμε το νερό άρδευσης που συλλέξαμε από το χωράφι. Ανακατέψαμε, σφραγίσαμε τα δοχεία και αφήσαμε τα εναιωρήματα να ηρεμήσουν για 1 ημέρα, 3 ημέρες… 1 μήνα και περισσότερο. Μετά από 1 ημέρα, 3 ημέρες κ.λπ., αναλύσαμε τη χημική σύνθεση του υδατικού διαλύματος για να δούμε πόσο αλάτι διαλύθηκε και, ξεχωριστά, αναλύσαμε τα σωματίδια loess για να δούμε αν άλλαξαν μέγεθος και σχήμα. Πράγματι, τα αδρανή λόες έσπασαν, το ανθρακικό άλας άρχισε να διαλύεται και τα σωματίδια αργίλου διογκώθηκαν (βγάλαμε ωραίες φωτογραφίες των κόκκων λόες και των νιφάδων αργίλου με ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης). Το μεγαλύτερο μέρος του NaCl είχε διαλυθεί στο νερό άρδευσης πολύ γρήγορα, ενώ το ανθρακικό (όπως περιμέναμε) διαλύθηκε μόνο σε μικρή ποσότητα κατά τη διάρκεια του πειράματός μας, καθώς η αντίδρασή του είναι πολύ πιο αργή και εξαρτάται από το pH του διαλύματος.
Χάρη στις χημικές αναλύσεις, θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε ότι, στη φυσική, ακόρεστη κατάσταση, η μικρή ποσότητα νερού που βοηθά τους κόκκους loess να κολλήσουν μεταξύ τους είναι στην πραγματικότητα πολύ αλμυρή (55 γραμμάρια/λίτρο), πολύ πιο αλμυρή από το θαλασσινό νερό (35 g/L )! Όμως, όταν το νερό άρδευσης διεισδύσει και το λόες γίνει κορεσμένο με νερό, η συγκέντρωση πέφτει σε λιγότερο από 7 g/L και το αλάτι ξεπλένεται μέσω των πόρων και των θραυσμάτων του loess μέχρι να βγει από τις πηγές στη βάση των πλαγιών και φεύγει με το ποτάμι. Με μια τέτοια αλλαγή της αλατότητας, πιστεύαμε, η ισχύς του συστατικού αργίλου μπορεί να αλλάξει πραγματικά πολύ (σε ορισμένους άργιλους, μπορεί να μειωθεί στο μισό ή ακόμα και στο ένα τρίτο της αρχικής αντοχής[19],[20] )
Έτσι, σε μια άλλη σειρά δοκιμών, τις «δοκιμές διάτμησης δακτυλίου» (πρακτικά, συμπιέσαμε και κόψαμε το έδαφος που λήφθηκε για να προσομοιώσουμε, σε μικρή κλίμακα, την έναρξη και την εξέλιξη μιας κατολίσθησης), χρησιμοποιήσαμε δείγματα loess με φυσική περιεκτικότητα σε υγρασία, ή αφού τα εμποτίσαμε σε νερό για αρκετές ημέρες, καθώς και δείγματα λόες που παρασκευάστηκαν με ανάμειξη του εδάφους με σταθερές ποσότητες γλυκού ή αλμυρού νερού. Διαπιστώσαμε, όπως ήταν αναμενόμενο, ότι όταν το loess κορεστεί από νερό, η δύναμή του μειώνεται σημαντικά. Αλλά διαπιστώσαμε επίσης ότι αυτό δεν οφείλεται μόνο στο ίδιο το νερό (δηλαδή στη μείωση των τριχοειδών δυνάμεων) αλλά εξαρτιόταν και από το ποιο νερό χρησιμοποιούσαμε. Η λάσπη που δοκιμάστηκε σε αλμυρό νερό έδειξε ισχύ αρκετά υψηλότερη από αυτή της λάσπης που δοκιμάστηκε σε γλυκό νερό. Και, αφού πλύναμε επανειλημμένα το loess για να αφαιρέσουμε ακόμη και το φυσικό του αλάτι, μετρήσαμε ακόμη χαμηλότερη αντοχή. Εξετάζοντας τα αποτελέσματα των δοκιμών, φαίνεται ότι η απώλεια αντοχής της λάσπης μας μπορεί να αποδοθεί στο 50% στη διαδικασία κορεσμού του νερού και κατά 50% στην αλλαγή της χημείας του νερού.
Στην εργασία μας, προσπαθήσαμε να εξετάσουμε το πρόβλημα των κατολισθήσεων loess αυτή τη διαφορετική οπτική γωνία:έχει ένα περίεργο όνομα – χημειομηχανική σύζευξη – αλλά δεν είναι τρομακτικό, απλώς αναφέρεται στη σχέση μεταξύ των ιδιοτήτων του εδάφους και της χημικής ουσίας αλληλεπίδραση μεταξύ εδάφους και νερού. Δεν είναι νέο πεδίο (οι πρώτες χημειομηχανικές μελέτες σε εδάφη χρονολογούνται από τη δεκαετία του '50), αλλά κερδίζει νέα προσοχή μεταξύ γεωλόγων μηχανικών, γεωτεχνικών μηχανικών και υδρολόγων, χάρη στις πρόσφατες εξελίξεις στις εργαστηριακές δοκιμές, τη μοντελοποίηση εδάφους, και τεχνικές παρακολούθησης. Τα τελευταία χρόνια, μάθαμε ότι η παρουσία ορισμένων ουσιών στο νερό (από απλά διαλυμένα άλατα μέχρι οργανικές ενώσεις και νανοπολυμερή) μπορεί να αλλάξει την αντοχή των εδαφών, τη διαπερατότητά τους, ακόμη και την απόκρισή τους στους σεισμούς, μπορεί να σταθεροποιήσει τα κτίρια και τα θεμέλια των δρόμων, μπορούν να μας σώσουν από την ακτινοβολία πυρηνικών αποβλήτων, μπορούν να προκαλέσουν κατολισθήσεις και μπορούν επίσης να τις σταματήσουν αόρατα, χωρίς να χτίσουν τσιμεντένιους τοίχους ή να αναδιαμορφώσουν βουνά.
Χρειάζεται μόνο μια πρέζα αλάτι. Συναρπαστικό, έτσι δεν είναι;
Αυτό το άρθρο συντάχθηκε από τον Xuanmei Fan από το Κρατικό Εργαστήριο Πρόληψης Γεωκινδύνων και Προστασίας Γεωπεριβάλλοντος (SKLGP), Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Τσενγκντού. Ο Xuanmei Fan, ο Dr. Gianvito Scaringi και ο καθηγητής Qiang Xu δημοσίευσαν τη μελέτη, "Μια χημειο-μηχανική εικόνα του μηχανισμού αστοχίας των κατολισθήσεων που εμφανίζονται συχνά στο οροπέδιο Loess, στην επαρχία Gansu, Κίνα" στο Engineering Geology .
Αναφορές
- [1] http://www.china.org.cn/travel/2016-11/10/content_39677296.htm
- [2] http://regenerationinternational.org/2016/01/22/a-continuing-inquiry-into-ecosystem-restoration-examples-from-chinas-loess-plateau-and-locations-worldwide-and- οι-αναδυόμενες-υπολογίσεις τους/
- [3] http://www.ecns.cn/visual/hd/2017/03-28/125373.shtml
- [4] https://chinablog.cc/2009/02/yaodong-cave-dwellings-on-loess-plateau/
- [5] https://clare-research-trip.blogspot.com/2011/04/chairman-mao-and-yaodong-cave-dwellings.html
- [6] π.χ. Οι Zhang et al. (2009), http://dx.doi.org/10.1007/s10346-008-0135-2
- [7] Wen and He (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.engeo.2012.08.005
- [8] https://youtu.be/3q-qfNlEP4A?t=152
- [9] Helle et al. (2016), https://www.nrcresearchpress.com/action/cookieAbsent
- [10] Helle et al. (2017a), http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-56487-6_4
- [11] Helle et al. (2017b), http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001774
- [12] Di Maio et al. (2015), http://dx.doi.org/10.1007/s10346-014-0511-z
- [13] Di Maio and Scaringi (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.enggeo.2015.11.007
- [14] Pontolillo et al. (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.407
- [15] De Rosa et al. (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.443
- [16] http://en.sklgp.com/en/
- [17] http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.25947.46883
- [18] http://irall.sklgp.com/en/school/index.html
- [19] Di Maio (1996), http://dx.doi.org/10.1680/geot.1996.46.4.695
- [20] Di Maio et al. (2016),
