התנזלות קרקע

התנזלות קרקע היא תופעה גאולוגית בה קרקע לא מלוכדת הרוויה במים מתנהגת כנוזל צמיג בשל עומס יתר או תנודות עזות, והיא אחת הסיבות העיקריות לנזקים כבדים הנגרמים למבנים בעת רעידת אדמה. התהליך מתרחש כאשר לתוך החלל שבין הגרגרים מחלחלים מים, המפרידים בין הגרגרים וגורמים להחלשת אחיזתם זה בזה, מה שגורם לקרקע להתנהג כנוזל. תופעה זו החלה להיחקר בשנת 1964 לאחר רעידת האדמה ניאיגטה ביפן ורעידת האדמה של יום שישי הטוב באלסקה, בהן נצפו נזקי התנזלות כנטיית בניינים ושקיעתם, וכן ציפה של צנרת ביוב ומתקנים תת-קרקעיים קלים אחרים. עם זאת, אירועים דומים תוארו עוד קודם לכן.

במהלך ההתנזלות מתרחשות בקרקע תופעות, שחלקן נראות על-פני השטח. אחת התופעות המסוכנות ביותר היא גלישה של שכבת קרקע עליונה מעל שכבה שהתנזלה, העשויה להתרחש גם במדרונות מתונים ביותר. גלישה כזו עלולה להתרחש אף במישור שאינו משופע, ואז תתרחש במרחקים קצרים ובתנודות דו-כיווניות ומחזוריות, כאשר משך התנודות משפיע על יכולתם של הקרקע והמבנים שעליה לשוב ולהתייצב. תנודות מסוג זה סודקות את הקרקע ויוצרות בה שברים. התנזלות של שכבת קרקע גורמת לדחיסת הגרגרים, לשקיעתה של השכבה ולפליטה של חול ומים מתוכה, ואף ליצירת "מזרקות" בוץ לאורך סדקים הבונות מבנים חוליים חרוטיים המכונים "הרי געש של חול" או מזרקות חול.

הגורמים להתנזלות
נתוני הקרקע
שמאל|ממוזער|250px|גרגרי חול
הגרגרים המרכיבים את הקרקע הם שברי סלעים שנוצרו כתוצאה מבליה, ומרקמם מאפשר אחיזה זה בזה. סוג הגרגרים וגודלם משפיע על רמת האחיזה: קרקע חולית מכילה חלקיקים גסים – מ-50 מיקרומטר עד 2 מילימטר, קרקע טין מכילה חלקיקים בינוניים – 2-50 מיקרומטר, וקרקע חרסיתית מכילה חלקיקים קטנים – פחות מ-2 מיקרומטר. התמיינות הגרגרים משפיעה על הרווח הבין-גרגרי: התמיינות טובה בה גודל הגרגרים אחיד או קרוב תיצור רווח בין-גרגרי גדול יותר מאשר קרקע שאינה ממויינת, בה גרגרים קטנים ממלאים את החלל ומקטינים אותו. הצפיפות בין גרגרי הקרקע משפיעה גם היא: ככל שהגרגרים צפופים יותר, כך יקטן הסיכוי להתנזלות. הבדל נוסף נעוץ בסוג הגרגרים: קרקע חולית וקרקע טין מורכבות מגרגרי קוורץ. המים יחלחלו אל החלל הבין-גרגרי, ידחקו את האוויר הכלוא בו וימלאו אותו. לעומת זאת, קרקע חרסיתית סופחת חלק מן המים, מלכדת את הגרגרים ונאטמת, ומהווה מחסום לחלחול מים נוספים. אולם, אם קיימת שכבה חרסיתית אטומה למים מעל שכבת החול, יש בכך תרומה לתהליך ההתנזלות מאחר שהשכבה האטומה מונעת בריחה של המים מתוך החלל הבין-גרגרי ומגבירה את ההתנזלות. גם גיל הקרקע משפיע על יכולת ההתנזלות: ככל שהקרקע ותיקה יותר היא דחוסה יותר, אחיזת הגרגרים בה טובה יותר והחלל הבין-גרגרי קטן יותר.

התנזלות מתרחשת כאשר יש עלייה מהירה בלחץ הנקבוביות, מה שגורם לירידה גדולה במאמץ האפקטיבי. כתוצאה מכך, הקרקע מאבדת את רוב עמידות הגזירה שלה ומתנהגת כנוזל. במהלך רעידות אדמה, חול רווי רופף מנסה להפוך צפוף יותר על ידי ארגון מחדש של החלקיקים בצורה הדוקה יותר, אך במהלך מעבר מהיר זה, אין מספיק זמן למים לצאת החוצה. זה גורם להצטברות לחץ מים בתוך נקבוביות הקרקע' וכך מתרחשת התנזלות. זה מה שקרה במהלך רעידת האדמה ההיסטורית בניאיגטה בשנת 1964.

נתוני שטח
מקור המים החודרים לחלל הבין-גרגרי הוא מי תהום. קרבת מפלס מי התהום אל פני השטח מגדילה את הסיכון לרוויה של שכבת הקרקע העליונה. עומקה של השכבה הרוויה מהווה גורם חשוב בסיכון למבנים הקיימים על-פני השטח: ככל שהשכבה עמוקה יותר, כן נדרשת מגניטודת רעידה גבוהה יותר על-מנת להעלות את לחץ המים בחלל הבין-גרגרי ולגרום להתנזלות בשכבה העליונה. לחץ זה מתרחש בשל דחיסה גבוהה יותר של הגרגרים וצמצום נפח הקרקע, הדוחקים את המים לשכבות גבוהות יותר, שם הם חודרים שוב בין גרגרים ומחלישים את אחיזתם.

נתונים סייסמיים
במצב יציב הגרגרים לוחצים זה על זה ומופעל עליהם לחצם של המים שחדרו לחלל הבין-גרגרי. בעת רעידת אדמה מתווספים ללחצים אלה גם לחצים אופקיים, הגורמים לגרגרים להצטופף ולהקטין את נפח הקרקע. כתוצאה מכך, קטן נפח החללים ולכן יכולת הניקוז של החול קטנה וגדל הלחץ המופעל על המים בחלל הבין-גרגרי. הגורם המשוער ללחץ האופקי הוא גלי גזירה העוברים דרך הקרקע, יוצרים תנודה מחזורית ומשנים את סידור הגרגרים בה, אם כי יש חוקרים הטוענים כי מהלך זה אינו מסביר התנזלות חוזרת באותו מקום כתוצאה מגלי לחץ. במהלך הרעידה מתרחשות תנודות עזות של הקרקע, ולכן יש חשיבות רבה לעוצמת הרעידה, למשכה ולמרחק ממוקדה בחישוב הסיכון להתנזלות.

תופעות התנזלות
שמאל|ממוזער|250px|נזקים מהתנזלות קרקע

התנזלות בעת רעידת אדמה
התנזלות כתוצאה מרעידות אדמה היא אחד מגורמי הסיכון הבולטים ביותר באזורים עירוניים. התנודות מגבירות את לחץ המים בחלל בין הגרגרים ומחלישות את עמידותה של הקרקע מפני מאמצי גזירה. שרידי התנזלות מתקופות גאולוגיות קדומות עשויים לשפוך אור על מהלכן של רעידות אדמה פרהיסטוריות. כמו כן נערך ניתוח של טקסטים מקראיים ואחרים לניתוח תופעות המתוארות בסיפורים מיתיים עתיקים כמו המבול של נח וגילגמש, והשוואתם לאירועים עכשוויים כמו רעידות האדמה בהעתק ניו מדריד.

חול טובעני

חול טובעני נוצר כאשר מים מרווים קרקע לא מלוכדת בצפיפות נמוכה שחלות בה תנודות. כאשר למים אין מקום להתנקז אליו, נוצר חול טובעני שאינו יכול לשאת משקל מעליו. תופעה זו עשויה להיווצר על ידי רעידת אדמה או בעקבות עליית מים ממאגר תת-קרקעי הגורמת לציפה של גרגרי החול. ניתן למצוא חולות טובעניים בחופי נהרות וימים, ועומקם לרוב אינו עולה על מטר אחד.

חרסית רוויה
חרסית רוויה היא סוג רגיש במיוחד של חרסית הנוטה לעבור ממצב מוצק לנוזלי כאשר היא מופרעת, וכאשר אינה מופרעת היא נראית כג'ל. כאשר גוש של חרסית עובר זעזוע, הוא הופך לחומר מבעבע. הסיבה לכך היא, שעל אף היותה מוצקה היא מכילה כמות רבה מאוד של מים – כ-80%. לאחר רגיעה החרסית שבה למצב מוצק על אף תכולת המים שבה, מאחר שמתח הפנים של המים יוצר אחיזה טובה של הגרגרים הרטובים. חרסית רוויה נמצאת בצפון כדור הארץ: ברוסיה, קנדה, אלסקה, נורווגיה, שוודיה ופינלנד – אזורים שהיו מכוסים בקרחונים בתקופת הפליסטוקן בעת השקעתה. חרסית רוויה היא הסיבה העיקרית למפולות קשות באזורים אלה, ובקנדה לבדה נקשרה ליותר מ-250 מפולות, חלק מהן קדומות וכפי הנראה נגרמו בשל רעידות אדמה.

זרמי עכירות
זרמי עכירות הם משקעים רוויים הנעים על פני מדרון היבשה באוקיינוס כזרם של בוץ. הזרמים נוצרים ממשקעים בלתי יציבים ובלתי מגובשים, ובהיותם מוסעים בזרמי העכירות הם מוגנים למדי מבליה כימית ומשחיקה. בעת רעידת אדמה הם גולשים בבת-אחת מכוח הכבידה, חורצים תעלות וקניונים בקרקעית האוקיינוס ומורבדים בסופו של דבר על מדף היבשת כמניפות סחף תת-ימיות או שוקעים למישורי המצולות. המשקעים שהם יוצרים נקראים "טורי עכירות" או "טורים טורבידיטים" (turbidite sequences). מפולת של זרמי עכירות התרחשה בשנת 1929 בעת רעידת אדמה במדף היבשתי של ניופאונדלנד. גלישת הקרקע הייתה מהירה – כ-100 קמ"ש, והקרקע נסחפה למרחק של כ-600 ק"מ, כשהיא קורעת בדרכה את כבל הטלפון הטרנס-אטלנטי ב-28 מקומות. 

מאמץ רב מושקע במיפוי מאפייני ההתנזלות כדי לחקור רעידות אדמה עתיקות. הרעיון הבסיסי הוא למפות אזורים הרגישים לתהליך ולאחר מכן לבחון מקרוב נוכחותם או היעדרם של מאפייני התנזלות קרקע כגון:  סוללות קטנות או דייק(ים) קלסטי(ים) , או סימנים למזרקות חול, שמהווים עדות חזקה לפעילות רעידות אדמה בעבר, או היעדרה.

במהלך רעידת האדמה לומה פרייטה בסן פרנסיסקו בשנת 1989 , רתיחות חול העלו פסולת מרעידת האדמה של 1906. תהליך זה הוא תוצאה של התנזלות קרקע. על ידי מיפוי מיקום רתיחות החול שפרצו ברובע המרינה  במהלך רעידת האדמה לומה פרייטה בשנת 1989, מדענים גילו את אתר הלגונה שהייתה קיימת בשנת 1906. הלגונה, שהתפתחה לאחר בניית חומת הים של היריד, וכדי להכין את התערוכה הבינלאומית של פנמה-פסיפיק בשנת 1915 , מולאה לקראת התערוכה בחומר מילוי.

נזקי התנזלות
התנזלות קרקע עלולה לגרום נזק רב למבנים. הקרקע הרוויה אינה תומכת עוד במבנים מאחר שאיבדה את כושרה לשאת עומס. המבנים המוצבים עליה עשויים לנטות על צדם או לשקוע. כמו כן, מתקנים תת-קרקעיים, כמו למשל צינורות שמשקלם הסגולי נמוך, עשויים להתנתק מהמבנים ולצוף אל פני השטח. בחופים עשוי להיווצר נזק כבד למבנים בנמלים, וגשרים המתוחים על-פני נהרות עשויים להתמוטט. התנזלות קרקע הייתה הסיבה העיקרית לנזקים ברציף הדייגים (פִישֶרְמֶן ווֹרְף) ברעידת האדמה בלומה פריאטה שבסן פרנסיסקו, קליפורניה בשנת 1989 .

אירועי התנזלות בישראל ושכנותיה
מספר אירועי התנזלות שהתרחשו בישראל ובסביבתה תועדו או התגלו בבדיקות מאוחרות. בעת רעידת האדמה שפקדה את סוריה בשנת 749 פרצה קרקע חולית מסדק ארוך בקרקע. בשנת 1068 התרחשה רעידת אדמה בעקבה, שבעקבותיה חלה התנזלות שפגעה במבנים. גם ברעידת אדמה בעוצמה של 6.2 בסולם ריכטר שאירעה בצפון ים המלח בשנת 1927 פרצו זרמי חול, וצילום של זרם מתוך סדק באזור יריחו מוצג במלון אמריקן קולוני בירושלים. התנזלויות נוספות התרחשו ברעידת אדמה בעוצמה 5.9 בקהיר בשנת 1992, בנואיבה בשנת 1995 ובצפון ים המלח בשנת 2004. אירועי התנזלות קדומים יותר ניכרים במעוותים הניכרים בתצורת הלשון ובתצורת צאלים.

התנזלות קרקע, שנבעה לא מרעידת אדמה אלא כתוצאה מחפירה בבסיס המדרון, אירעה ב-1972, עם חפירת תוואי לכביש מכורסי שבמזרח הכנרת אל בני יהודה שבדרום הגולן. במעלה המדרון מצויים כמה מעיינות קטנים, שככל הנראה גרמו לרוויית הקרקע. בעקבות החפירה החלה גלישת קרקע בקצב של כ-5-6 מטרים ליום, שקברה אחד מהטרקטורים. הכביש במקום זה מפותל, מאחר שנסלל על שפך החפירה שנגרף אל המורד.

 ראו גם
 התנזלות חומר גרגירי בהובלה בים

קישורים חיצוניים

 אתר האינטרנט של התנזלות קרקע (של אוניברסיטת וושינגטון - באנגלית)
וידאו – הדגמת התנזלות במעבדה
חול טובעני באתר HowStuffWorks

 ביאורים 

הערות שוליים

קטגוריה:הנדסה אזרחית
קטגוריה:רעידת אדמה
קטגוריה:פדולוגיה