علت اصلی شکسته شدن سنگها در مناطق سردسیر، پدیده هوازدگی فیزیکی ناشی از انجماد و ذوب مکرر آب (یا گوهزدایی یخ) است که به دلیل افزایش حجم ۹ درصدی آب هنگام یخ زدن رخ میدهد.
مناطق کوهستانی و اقلیمهای سردسیر همواره تحت تأثیر فرآیندهای مداوم زمینشناختی قرار دارند که ظاهر صخرهها و ناهمواریها را تغییر میدهند. یکی از ملموسترین پدیدهها در این مناطق، متلاشی شدن و تکهتکه شدن سنگهای بزرگ به قطعات کوچکتر و زاویهدار است. این فرآیند که نوعی هوازدگی مکانیکی محسوب میشود، بدون آنکه ترکیب شیمیایی سنگ را دستخوش تغییر کند، ساختار فیزیکی آن را گامبهگام از هم میپاشد.
سازوکار فیزیکی و مکانیکی گوهزدایی یخ
بیشتر مایعات طبیعت با کاهش دما دچار انقباض و کاهش حجم میشوند، اما آب یک استثنای شگفتانگیز دارد؛ هنگامی که دمای آب از ۴ درجه به سمت صفر و زیر صفر میرسد، ساختار مولکولی آن باز شده و حجمش حدود ۹ درصد افزایش مییابد. این ویژگی فیزیکی منحصربهفرد، عامل اصلی تخریب صخرهها در زمستانهای سخت است.
وقتی باران یا ذوب برف به درون منافذ، شکافها و درزهای طبیعی سنگها نفوذ میکند و با فرارسیدن شبهای سرد منجمد میشود، این افزایش حجم ۹ درصدی فشاری هیدرواستاتیکی و کریستالی عظیمی به دیوارههای داخلی سنگ وارد میآورد. این فشار به مرور زمان پیوندهای کانیایی را سست میکند.
فشار ناشی از رشد بلورهای یخ در فضاهای بسته سنگ در لایههای عمیق کوهستان میتواند به بیش از ۲۰۰ مگاپاسکال برسد؛ این نیرو به شدت فراتر از مقاومت کششی ناچیز سنگهاست و مانند یک گوه فیزیکی، ساختار صخره را از درون متلاشی میکند. هیچ سنگی، هرچند سخت و متراکم، توانایی مقاومت طولانیمدت در برابر این نیروی درونی را ندارد.
نکته مهم: افزایش حجم آب در زمان انجماد یک فرآیند یکباره نیست، بلکه در طول شب با پیشروی جبهه سرما از بخشهای بیرونی شکاف به سمت عمق، فشار محبوسشده به اوج خود میرسد.
مراحل گامبهگام چرخه انجماد و ذوب در کوهستان
تخریب سنگها بر اثر یخبندان یک شبه اتفاق نمیافتد، بلکه حاصل یک فرآیند متناوب و فرسایشی است که میتوان آن را به چهار مرحله کلیدی تقسیم کرد:
مرحله اول با نفوذ رطوبت آغاز میشود؛ آب باران، مه یا برف ذوبشده به آرامی ریزترین منافذ و شکافهای میکروسکوپی سنگ را پر میکند.
مرحله دوم با کاهش دما به زیر صفر رخ میدهد؛ آب از سطح خارجی به سمت عمق شروع به یخ زدن میکند و راه فرار رطوبت داخلی بسته میشود.
مرحله سوم اعمال فشار گوه است؛ بلورهای یخ با رشد خود دیواره ترک را از هم باز کرده و طول و عمق شکاف را کمی افزایش میدهند.
مرحله چهارم ذوب شدن و تکرار سیکل است؛ با گرم شدن هوا در روز، یخ ذوب شده، به عمق جدید ترک نفوذ میکند و در شب بعد، فرآیند را با شدتی بیشتر تکرار میکند تا سنگ کاملاً متلاشی شود.
عوامل مؤثر بر شدت شکستگی سنگها
سرعت و میزان تخریب سنگها در همه مناطق سردسیر یکسان نیست و به متغیرهای متعددی بستگی دارد:
- نوسان دما دور محور صفر درجه: بر خلاف تصور عموم، انجماد دائمی و همیشگی کمتر تخریب میکند، بلکه تکرار مداوم چرخه یخ زدن در شب و ذوب شدن در روز (مانند بهار و پاییز کوهستان) بیشترین نرخ شکستگی را دارد.
- بافت و جنس سنگ: سنگهای رسوبی حاوی لایهبندی ظریف، شیلها و آهکهای درزهدار به دلیل تخلخل بالا بسیار سریعتر از سنگهای آذرین متراکم مانند گرانیت بدون ترک متلاشی میشوند.
- جهت جغرافیایی دامنه و زاویه شیب: دامنههای آفتابگیر در فصول سرد چرخههای ذوب و انجماد روزانه بیشتری را نسبت به دامنههای همیشه سایهگیر تجربه میکنند و گرانش در شیبهای تند با ریزش قطعات جدا شده، سطح سنگ تازه را در معرض هوا قرار میدهد.
اصطلاح اقلیمی: مناطقی که در طول شبانهروز بارها نوسان دمایی مثبت و منفی صفر درجه سانتیگراد را تجربه میکنند، فعالترین کانونهای هوازدگی مکانیکی در جهان هستند.
پیامدهای زمینریختشناسی و زیستمحیطی
محصول مستقیم هوازدگی انجمادی در ارتفاعات، سقوط قطعات سنگ متمایز، تیز و زاویهدار است که به دلیل عدم فرسایش با آب، لبههای گرد ندارند. این فرآیند شکل زمین را در نواحی کوهستانی دستخوش تغییرات جدی میکند.
تجمع این سنگریزههای تیز در پای دامنههای کوهستانی باعث شکلگیری مخروطهای واریزهای یا تالوس (Talus/Scree) میشود که از چشماندازهای بارز نواحی پیرایخچالی ایران است. این مخروطها نشاندهنده حجم عظیم تخریب صخرههای بالادست هستند.
این فرآیند طبیعی به مرور زمان سبب عقبنشینی خطالرأسها و دیوارههای سنگی کوهستان شده و صخرههای عمودی یا مسیرهای ریزشی خطرناکی را در جادههای کوهستانی ایجاد میکند که نیازمند پایش مداوم است.
تفاوت هوازدگی انجمادی با تنش حرارتی و رشد بلور نمک
برای درک دقیقتر، باید پدیده گوهزدایی یخ را از سایر مکانیزمهای فیزیکی مشابه تفکیک کرد:
راهکارهای مهندسی عمران برای مقابله با تخریب یخی سنگها
از آنجا که این پدیده طبیعی میتواند به زیرساختها، جادهها و سازهها آسیبهای جدی وارد کند، مهندسان روشهای متعددی را برای مهار و کنترل آثار آن ابداع کردهاند:
در مهندسی راهسازی در مناطق کوهستانی سردسیر (مانند محورهای البرز و زاگرس)، پایدارسازی دامنهها با تزریق دوغاب بتن به درون درزها جهت جلوگیری از ورود آب انجام میشود. وقتی فضایی برای ورود آب نباشد، چرخههای انجماد بیاثر میشوند.
استفاده از توریهای سیمی (مشبندی) و شاتکریت در دیواره جادهها مانع سقوط قطعات سنگی حاصل از گسیختگی یخی به مسیر تردد خودروها میگردد. همچنین حفر گالریهای ریزشگیر در مقاطع بحرانی از دیگر راهکارهاست.
در صنایع ساختمانی نیز برای نمای بناها در شهرهای سردسیر، از سنگهای با تخلخل بسیار کم استفاده شده یا سطح سنگها را با فناوری نانوکاور و رزینکاری کاملاً عایقبندی میکنند تا از نفوذ رطوبت و ترکخوردگی بعدی جلوگیری شود.
جمعبندی فرآیند
جواب پیشنهادی: شکسته شدن سنگها در مناطق سردسیر یک پدیده کاملاً مادی و هیدرومکانیکی است. آب با ورود به منافذ صخرهها و منجمد شدن در دمای زیر صفر، به دلیل تغییر آرایش مولکولی یخ، منبسط شده و نیرویی معادل صدها مگاپاسکال به سنگ وارد میکند که تکرار مداوم این چرخه ذوب و انجماد، سرانجام سرسختترین کوهها را به سنگریزه تبدیل خواهد کرد.
نظرات