חיזוי בולענים מהחלל

פברואר 2017, גליון 1, (עמ' 353-346)



-
הדפס PDF שלח לחבר



גדעון בר [1], רן נוף [2] ואלי רז [3]

[1] המכון הגיאולוגי לישראל

[2] המכון הגיאופיסי לישראל

[3] מרכז מדע ים המלח והערבה

                                          

תקציר

מאז תחילת שנות ה-80 של המאה הקודמת התפתחו לאורך חופי ים המלח מעל 6,000 בולענים המלווים בשקיעות קרקע נרחבות. הגורם העיקרי להיווצרותם הוא המסת מלח והיווצרות חללים בתת-הקרקע על-ידי מי תהום תת-רוויים ביחס למלח בעקבות ההאצה בירידת מפלסי ים המלח ומי התהום שבשוליו. בשנים האחרונות נמצא שבמקרים רבים מקדימות שקיעות קרקע מזעריות את קריסת הבולענים. שקיעות אלה, שמתרחשות בקצב של מילימטרים בודדים בשבוע ועל פני שטחים של כמה מאות מ"ר, ניתנות לזיהוי אך ורק באמצעות טכנולוגיה מתקדמת שנקראת מדידת התאבכות (Interferometry) בעזרת מכ"ם שנמצא על לוויינים. השיטה נמצאה יעילה מאוד בכמה מקרים לאורך ים המלח: בכביש 90 מצפון לעין גדי, ליד תעלת ההטיה של מי ים המלח מהאגן הצפוני לאגן הדרומי, בכביש הגישה לחוף מינרל ועוד. זמן ההתרעה (הזמן שעובר בין הזיהוי הראשוני של שקיעת הקרקע לבין קריסת הבולען) משתנה בהתאם להרכב המשקעים שהורבדו מעל שכבת המלח. במשקעים חרסיתיים רכים אין לעתים התרעה כלל, כלומר הבולען קורס ללא שקיעה מקדימה. לעומת זאת, במשקעי סחף הבנויים מחלוקי נחל מלוכדים היטב, זמן ההתרעה עשוי להגיע למספר שנים.

 

מבוא

מפלס ים המלח יורד מאז תחילת שנות ה-60 של המאה הקודמת בקצב ממוצע של כמטר בשנה כתוצאה מהמאזן השלילי בין מי הנחלים שמתנקזים לים המלח והמים שנגרעים ממנו בהתאדות ובשאיבה [6] (ראו גם  בגיליון זה). ירידת מפלס הים, ובעקבותיה גם ירידת מפלס מי התהום הסמוכים לים המלח, גורמת לירידה ולנדידה מזרחה של הפן הביני (קו המגע) בין מי התהום המלוחים הקשורים לים המלח, מתחת, ומי התהום התת-רוויים ביחס למלח, שמקורם בהרי יהודה, מעל [5]. שכבת מלח בת כ-10,000 שנה בעובי של כ-5–20 מטר נמצאת בעומק של כ-5–70 מטר מתחת לפני השטח לאורך רוב חוף ים המלח בין הים וכביש 90. עד תחילת שנות ה-80 של המאה הקודמת הייתה שכבת זו טבולה במי התהום המלוחים שמתחת לפן הביני. עם ירידת המפלס ונדידת הפן הביני מזרחה נוצר מגע בין מי התהום התת-רוויים ביחס למלח ושכבת המלח על-ידי זרימה ישירה ממערב או באמצעות עלייה לאורך העתקים (מישורי אי-רציפות), והחלה המסה של המלח. המסה זו יצרה חללים במלח שהלכו וגדלו, וכאשר תקרת החלל איבדה את יכולתה לשאת את טור המשקעים שמעליו, הם קרסו לתוכו ונוצר בולען. בולעני ים המלח נוצרים בשתי סביבות השקעה עיקריות: א. מישורי בוץ, הבנויים בעיקר מחילופין של משקעים דקי גרגיר (חרסית, סילט) עם ארגוניט וגבס. הבולענים בסביבה זו רחבים (עד עשרות מטרים) ורדודים (בדרך כלל פחות מ-10 מטר); ב. מניפות סחף, הבנויות מחלוקי נחל מלוכדים, לעתים בחילופין עם אופקי חרסית וסילט. הבולענים בסביבה זו צרים (מטרים ספורים) ועשויים להגיע לעומק של יותר מ-25 מטר. מחקרים קודמים מצביעים על קשר מרחבי בין בולענים לבין אזורים שנצפו בהם שקיעות קרקע הדרגתיות, ועל כך שבמקרים רבים מקדימה שקיעת הקרקע את קריסת הבולען [8, 9].

הבולענים הם סכנה ממשית לתשתיות ולחיי אדם לאורך ים המלח. בעבר אירעו מספר מקרים של נפילות אדם אל תוך בולענים שהסתיימו בפציעות, לעתים קשות מאוד. אתרי תיירות פעילים (חניון עין גדי וחוף מינרל) ננטשו (איור 1), וכביש 90 באזור נחל ערוגות נחסם בעקבות בולענים שהתגלו מתחתיו, ובמקומו נסלל כביש עוקף. תכניות למיקום תשתיות של מפעלי ים המלח מושפעות אף הן מנוכחות או מסכנה עתידית של בולענים באזור. בעקבות ההאצה בקצב ירידת מפלס ים המלח עם השנים [6] הואץ גם קצב יצירת הבולענים. בשנת 2015 התגלו למעלה מ-500 בולענים חדשים (ידע אישי, בסיס הנתונים של המכון הגיאולוגי לישראל), והולכת וגדלה הסכנה לפגיעה ולנזק בעקבותיהם. המכון הגיאולוגי מבצע מעקב שוטף אחר התפתחות הבולענים, ומוציא דו"חות תקופתיים המתעדים את השינויים לאורך חוף ים המלח, ומפות היתכנות לבולענים שמציינות את מיקום הבולענים הקיימים ואת האזורים שקיימת בהם היתכנות גבוהה או נמוכה להיווצרותם בעתיד [1, 2, 3]. קביעת רמת ההיתכנות מתבססת על תצפיות ישירות בבולענים קיימים, על זיהוי שכבת מלח בתת-הקרקע באמצעות קידוחים וסקרים גאופיזיים ועל ירידת מפלס מי ים המלח (באגן הצפוני המפלס יורד, בעוד שבאגן הדרומי הוא עולה בעקבות שאיבת המים אליו, ולכן רמת ההיתכנות בשני האגנים שונה). ואכן, בעשור האחרון נוצרו בולענים רק באזורים שסומנו במפות ההיתכנות כאזורי בולענים קיימים או כאזורים בעלי היתכנות גבוהה. מכיוון שגם באזורים אלה מתנהלת פעילות אדם יום-יומית, יש צורך לזהות סימנים מקדימים לקריסה עתידית של בולענים כדי לתכנן נכון או להתרחק מהם. במאמר נסקור שיטה חדשה לזיהוי מוקדם של בולענים, נראה תוצאות מכמה אזורים לאורך ים המלח, ונסיים במודל הקושר את הסימנים המקדימים למיקום הבולען ולקריסתו.

 

שיטות: מדידת התאבכות של גלי מכ"ם מלוויינים

מדידת התאבכות של גלי מכ"ם (InSAR) מלוויינים היא טכניקה שנעשתה יישומית באמצע שנות ה-90 של המאה הקודמת, ומקובלת מאז כאחת מהשיטות הגאודטיות העיקריות לזיהוי ולמיפוי של תנועות זעירות בקרום כדור הארץ. המדידות מתבצעות באמצעות לוויינים שמקיפים את כדור הארץ בגובה של 600–800 ק"מ, במסלולים קבועים, בזמני מחזור של כמה ימים (תלוי בלוויין). הלוויינים משדרים גלי מכ"ם שמוחזרים אליהם מפני הקרקע לאורך מסלולם. אותות אלה מושווים לאחר מכן לאותות המוחזרים בהקפות הבאות. כאשר מתרחשת תזוזה בפני הקרקע בפרק הזמן שבין שתי הקפות של הלוויין, נוצר הפרש בין פאזת הגל (המיקום המדויק על גבי מחזור הגל) המוחזרת בהקפה הראשונה לפאזת הגל המוחזרת מאותה נקודה בהקפה השנייה (איור 2). את הפרש הפאזה הזה ניתן לתרגם באמצעות אורך הגל לשינוי במרחק בין הקרקע ללוויין, כלומר לתזוזה של הנקודה על פני הקרקע. מפת הפרשי הפאזה (שהיא למעשה תמונת התאבכות) בין שתי תמונות מתאריכים שונים נקראת מפת התאבכות (Interferogram). דיוק השיטה תלוי באורך הגל של הלוויין וביכולת לנקות רעשי רקע. החל בשנת 2012 מקבל המכון הגיאולוגי נתונים ממערך לוויינים של סוכנות החלל האיטלקית (COSMO SkyMed) שמשדרים באורך גל קצר (3 ס"מ), חוזרים על אותו מסלול בפרקי זמן של 1, 3, 4, ו-8 ימים, ומאפשרים זיהוי תזוזות קרקע של מילימטרים בודדים. שינויים במאפייני הקרקע (כמו למשל גידול צמחייה, גלים בגופי מים, או חריש של הקרקע) בין שני מעברי הלוויין גורמים לכך שהפרש הפאזה בין החזרות המכ"ם בשתי התמונות שונה משמעותית באלמנטים הבסיסיים הסמוכים של התמונה (פיקסלים). במצב כזה נראית מפת ההתאבכות כענן של נקודות בעלות צבעים שונים (למשל, מים זורמים בתעלה באיור 3 או מי ים המלח ואזורי צמחייה באיור 4), ולא ניתן למדוד תזוזות באזורים אלה.

 

תוצאות

החל בתחילת שנת 2012 מתבצע עיבוד שגרתי של דימותֵי המכ"ם לאורך רצועה שרוחבה כ-1 ק"מ מקו החוף של ים המלח ועד מעט מערבית לכביש 90. כל 16 יום יוצרים מפות התאבכות המצביעות על אזורי השקיעה בפרקי הזמן שבין הדימותים. בו-בזמן מתבצעות בדיקות קרקעיות לאיתור בולענים חדשים באזורים שיש בהם עניין למועצות האזוריות ולגורמים נוספים הפועלים באזור (חברת נתיבי ישראל, מפעלי ים המלח ועוד), ובאזורים שדימותֵי המכ"ם מאתרים בהם שקיעות קרקע. עד כה נצפו שקיעות קרקע מקדימות לקריסת בולענים בעשרות מקרים, בחלק מהמקרים בדיעבד – קודם נצפתה קריסת הבולען, ובבדיקה לאחור של מפות התאבכות מוקדמות יותר נמצאו השקיעות המקדימות. נציג כאן שלושה מקרים אופייניים שנצפתה בהם שקיעה מקדימה, ולאחר מכן התגלה (או קרס) הבולען. שני המקרים הראשונים הם ליד תעלת ההטיה של מי ים המלח בדרום מניפת נחל צאלים, והשלישי לאורך כביש 90 מצפון-מזרח לעין גדי.

 

תעלת ההטיה בדרום מניפת צאלים

מי ים המלח נשאבים על-ידי מפעלי ים המלח בתחנת השאיבה P88 שבדרום מניפת צאלים, ומוזרמים בתעלה לברֵכות האידוי שבאגן הדרומי. ב-19.3.2012, כמה חודשים בלבד לאחר שהחל מיפוי שקיעות הקרקע באמצעות מדידות ההתאבכות, נפער בולען לאורך דרך השירות הצמודה לתעלה (איור 3ד). בבדיקת מפות ההתאבכות של התקופה שקדמה לקריסת הבולען נמצא שכשלושה חודשים קודם לכן החלה במקום שקיעת קרקע מזערית (כ-2 מ"מ בשבועיים, איור 3א), שקיעה שהתגברה עם הזמן עד כדי 2 ס"מ בשבועיים שקדמו לקריסה (איורים 3ב ו-3ג). תצפית זו הייתה הראשונה לאשש את הנחת העבודה שלנו, ששקיעות קרקע מקדימות קריסת בולענים. הבולען מולא מיד בחומר סחף על-ידי מפעלי ים המלח, אך השקיעה נמשכה בקצב מהיר יותר, ובשבועות שלאחר מכן נפערו לפחות עוד שלושה בולענים בשולי אזור השקיעה, מולאו בחומר סחף, ונפערו מחדש.

שלוש שנים וחצי מאוחר יותר, בתחילת יוני 2015, החלה שקיעת קרקע דומה מאוד בצורתה ובממדיה כ-100 מטר מזרחית לזו של שנת 2012 (איור 3ה). במשך כחודשיים התגברה השקיעה, והתרעה מידית הועברה למפעלי ים המלח. ב-2.8.2015 נפער בולען בגבול אזור השקיעה, על גבי הסוללה של תעלת ההטיה. גם הבולען הזה כוסה בערֵמה גבוהה של חומר סחף, אך כשלושה שבועות לאחר מכן נפער במקום בולען נוסף, ובהמשך נפערו לפחות עוד שלושה בולענים בשולי אזור השקיעה. זמן ההתרעה (מתחילת השקיעה עד קריסת הבולען הראשון) היה דומה בשני המקרים: כשלושה חודשים ב-2012, וכחודשיים ב-2015.

 

כביש 90, צפונית-מזרחית לעין גדי

אתר הבולענים "ערוגות" בנוי מִצברי בולענים, המסודרים לאורך רצועה במרווחים של כמה עשרות מטרים זה מזה. הרצועה חוצה את נחל ערוגות ואת כביש 90 בסמוך לחוף עין גדי (איור 4). הבולענים הופיעו באתר זה לראשונה באמצע שנות ה-90 [1, 4], גרמו נזק רב בחניון עין גדי, והביאו לנטישתו. לנוכח החשש מקריסת בולענים על כביש 90, הודקה תשתית הכביש בשנת 2002 וחוזקה ביריעה גאוטכנית אלסטית. ואכן, במשך למעלה מעשר השנים שלאחר מכן המשיכו להתפתח בולענים רק ממערב וממזרח לכביש, ואילו בנקודת החצייה על הכביש לא נוצר כל בולען. מאז שנת 2002 ידוע על בולען צר ועמוק, ופעיל מעת לעת, כ-20 מטר מערבית לכביש בקצה מטע התמרים. במדידות ההתאבכות שנעשו בתחילת שנת 2012 נצפו שקיעות קרקע סביב כל צִברי הבולענים שלאורך הרצועה מצפון לנחל ערוגות ועד לקו החוף בדרום, אך עד סוף ספטמבר 2012 לא נצפתה כל שקיעה על הכביש (איור 4א). בסוף ספטמבר 2012 החלו שקיעות קרקע על הכביש עצמו ובשוליו (איור 4ב), והועברה התרעה לחברת נתיבי ישראל ולמועצה האזורית. ב-8.12.2012 נפער בולען חדש כ-20 מטר מהכביש וכ-7 מטר מצפון לבולען הוותיק. במשך השנים 2012–2014 המשיכו הכביש ושוליו לשקוע בקצב של כ-2 ס"מ לחודש (איור 4ב), ובו-זמנית נפערו בולענים, כוסו על-ידי חברת נתיבי ישראל, ונפערו מחדש בשוליים המערביים של אזור השקיעה, במרחקים של 5–20 מטר מהכביש. בסוף שנת 2014 התגבר קצב השקיעה לכדי 3–4 ס"מ לחודש (איור 4ג), והחלו להיווצר סדקים ושקעים על הכביש. בעקבות זאת נסגר הכביש לתנועה בינואר 2015, נחפר עד לעומק היריעה הגאוטכנית, ומתחתיה התגלה חלל בקוטר של כ-5 מטר ובעומק של כ-10 מטר. לולא היריעה הייתה תקרת החלל קורסת, ובולען היה נוצר על הכביש. בזכות היריעה עבר זמן של מעל שנתיים בין הזיהוי הראשוני של שקיעת הקרקע לבין גילוי הבולען.

 

זמן ההתרעה תלוי בהרכב המשקע

בולעני תעלת ההטיה וכביש 90 הם דוגמאות למספר הולך וגדל של בולענים שנצפו מראש באמצעות שקיעות קרקע מקדימות מזעריות. אנו מעוניינים לנצל ידע זה לטובת התרעה לגורמים המוסמכים ולציבור, ועל כן המחקר נמשך כדי (א) להבין טוב יותר אם קיים זמן התרעה אופייני או שזמן ההתרעה משתנה עם התנאים הגאולוגיים; (ב) לבנות מערכת התרעה ממוחשבת לבולענים. בבדיקה של כשישה מקרים נוספים נמצא שזמני ההתרעה נבדלו מאוד בהתאם למקום ההיווצרות של הבולענים: מישורי בוץ או מניפות סחף. במישורי הבוץ, שהמשקעים שמעל שכבת המלח בהם חרסיתיים בעיקרם, זמן ההתרעה עומד על 050 ימים (אתרי מזור וצאלים צפון באיור 5). לעומת זאת, באתרים המאופיינים בטור עבה של חלוקי נחל מלוכדים (חניון עין גדי, למשל), עומד זמן ההתרעה על 6–8 חודשים. במקומות שטור המשקעים מכיל חרסיות וחלוקים לסירוגין, זמן ההתרעה עומד על 3–5 חודשים, ועולה עם הגידול במרכיב היחסי של החלוקים המלוכדים בחתך (איור 5). זו תצפית ראשונית בלבד המבוססת על כעשרה מקרים, אבל היא מאפשרת כיול ראשוני של זמן ההתרעה בהינתן חתך המשקעים בנקודה (בעזרת קידוחים, למשל). ככל שיתווספו נתונים, תגדל הבנתנו את התופעה, וגרף הכיול (איור 5) ישתפר.

 

דיון וסיכום

התצפיות שהוצגו לעיל מלמדות שפני השטח לאורך חופי ים המלח מגיבים להמסת המלח וליצירת חללים בתוכו בשקיעות מזעריות הדרגתיות, ושהדבר קורה זמן מה לפני שמתפתח במָקום בולען. תצפית חשובה נוספת היא שבמקרים רבים נוצרים הבולענים בהיקף אזורי השקיעה ההדרגתית ולאו דווקא במרכזו, כפי שניתן היה להניח אינטואיטיבית (באיור 3, למשל). שתי התצפיות הללו משתלבות למודל המסביר את הקשר בין שקיעות הקרקע לבולענים [7] (איור 6). בשלב ראשון מתחילה המסה בשכבת המלח, ונוצר חלל ראשוני. עם המשך תהליך ההמסה גדל החלל, והשכבות שמעליו מתחילות לשקוע ולהתכופף אל מרכזו. הכפיפה מֵרבית בהיקף האזור השוקע, ומאמצי המתיחה בו הולכים ומתגברים. עם הגעת החלל לגודל שמכניע את הסלע שמעל שוליו, קורס טור המשקעים שלמעלה אל תוך החלל, ונוצר בולען. כאמור, הזמן שעובר בין תחילת השקיעה והקריסה תלוי בחוזק המשקע וביכולתו לשאת את מאמצי המתיחה באזורי הכפיפה. זהו מנגנון שמוגבל בעיקר לאתרי בולענים באזורי חלוקים מלוכדים, שם קיימת מידה רבה יותר של אלסטיות במשקע. האלסטיות מאפשרת כפיפה רבה יותר עד הכניעה, שמשמעותה זמן התרעה ארוך יותר. במישורי הבוץ המשקע חלש יותר, ואין בו מידה מספקת של אלסטיות, ולכן קריסתו תהיה מהירה יותר ובדרך כלל ישירות למרכז החלל.

 

תודות

נתוני המכ"ם התקבלו מסוכנות החלל האיטלקית (ASI). המחקר ממומן על-ידי פרויקט המכון הגיאולוגי 40391 "אי יציבות התשתית בים המלח" ועל-ידי מענק מס' 958/13 של הקרן הלאומית למדע (ISF).

 

מקורות

[1] אבלסון מ, יחיאלי י, ביין ע, ואחרים. 2004. סיווג ומיפוי אזורי היתכנות להיווצרות בולענים (בורות) לאורך חוף ים המלח. דו"ח המכון הגיאולוגי GSI/13/2004.

[2] אבלסון מ, קלבו ר, גבאי ר ויחיאלי י. 2009. עדכון מפות ההיתכנות להיווצרות בולענים לאורך חוף ים המלח. דו"ח המכון הגיאולוגי GSI/34/2009.

[3] אבלסון מ, בורשבסקי א, ברוך א, ואחרים. 2013. חידושים בהתפתחות בולעני ים המלח ועדכון מפות ההיתכנות – 2012. דו"ח המכון הגיאולוגי GSI/11/2013.

[4] איתמר א ורייזמן י. 2000. בורות בשולי ים המלח – סקר התפתחות לפי תצלומי אויר. דו"ח המכון הגיאולוגי GSI/22/2000.

[5] יחיאלי י ואבלסון מ. 2006. בולענים בחוף ים המלח. מלח הארץ 2: 57–82.

[6] לנסקי נ ודנטה א. 2015. הגורמים לירידה המואצת של מפלס ים המלח בעשרות השנים האחרונות. דו"ח המכון הגיאולוגי GSI/16/2015.

[7] Atzori S, Baer G, Antonioli A, and Salvi S. 2015. InSAR-based modeling and analysis of sinkholes along the Dead Sea coastline. Geophysical Research Letters 42(20): 8383-8390.

[8] Baer G, Schattner U, Wachs D, et al. 2002. The lowest place on Earth is subsiding – An InSAR (Interferometric synthetic aperture radar) perspective. Geological Society of America Bulletin 114(1): 12-23.

[9] Nof RN, Baer G, Ziv A, et al. 2013. Sinkhole precursors along the Dead Sea, Israel, revealed by SAR interferometry. Geology 42: 111-114.





רשות הטבע והגנים החברה להגנת הטבע Israel Nature and Parks Authority Society for the Protection of Nature in Israel