The enigma of the Dead Sea salts: Scientific questions and practical implications

October 4, 2013

The Dead Sea (DS) is a terminal lake in an arid region of the world. Thus, it is quite expected for it to accumulate salts as solutes that enter the lake have no way of leaving except by mineral (evaporite) precipitation. Most terminal lakes accumulate salts through time because solutes are continuously being delivered and none are removed in natural conditions. As lake deposits in the area go back as many as 30 million years, enough time has passed for significant salt accumulation to have occurred. However, a more detailed look at the nature of the solutes accumulated in the DS waters shows that this is not the entire story, as these solutes do not represent the weathering products of the geological materials present in the drainage basin. The high Mg++, K+ and Br as well as the anomalously low SO= concentrations are difficult to explain, as are some of the isotopic signatures of other components. Moreover, the evaporation of seawater does not lead to the formation of such as mixture either.

Various attempts have been made to explain the anomalous chemical nature of the DS. Most common ones rely on pure exogenic processes, while others employ a mixture of exogenic and endogenic processes. In this presentation, I will explore the various sets of rationales put forward to support each argument, and will also touch on why this is significant for the chemical industries based on the DS waters and how the proposed Red-Dead Canal may change the composition of this water.

General water for the evolution of saline water

Water is a powerful solvent, and so the accumulation of solutes within it should come as no surprise. Generally, as long as inorganic solutes are in supply, they will accumulate until the water becomes supersaturated with respect to an appropriate mineral phase.

It is often viewed that the hydrological cycle starts with rainwater, but by far the largest reservoir of water on the surface of the earth is seawater. Thus, the mineral evaporite precipitate sequence of seawater is well known: calcite (or aragonite); gypsum (or anhydrite), halite, sylvite and carnallite. Consequently, the chemistry of the residual waters reflects both concentration due to progressive removal of water as well as the removal of the solutes that make up the evaporite minerals.

The chemical evolution of seawater through evaporation thus follows a well-known progression which conforms to field observations and theoretical thermodynamic equilibrium calculations. Due to the progressive removal of calcium (in calcite and gypsum) and sulphate (in anhydrite), the residual water becomes a magnesium chloride water which is poor in sulphate and rich in chloride.

Dead Sea water characteristics

The waters of the Dead Sea don’t reflect the composition of evaporated marine water. At the same time, they don’t reflect the composition of evaporated fresh water as would be expected by thermodynamic modelling of river and stream waters feeding into the lake. Deviation between the expected (based on the assumption of marine starting chemistry) and the actual chemistry if Dead Sea water can be summarized as follows:

1-      The Ca/Mg ratio in Dead Sea water is higher than would be expected from evaporating sea water.

2-      The high Ca/Cl ratio

3-      The high Br/Cl ratio

4-      The low Na/Cl ratio

5-      The low SO4/Cl ratio

In addition, other chemical anomalies include

6-      B/Li ratios

7-      B isotope ratios significantly different than seawater.

Thus, an explanation is required to understand how Dead Sea waters evolved to their present state.

Current models

The model advocated by Katz and Starinsky (2009) involved extensive marine water modification. This starts with massive dolomitization of limestones in the area. The effect of this is to remove magnesium from solution and replace it with calcium. The second stage involves the reduction of sulfate in an anaerobic environment. The removal of sulfate through gypsum deposition is not enough to explain the low sulfate and low sulfate to chloride ratio. Numerous episodes of open and closed lagoon episodes acted to concentrate chloride and remove sodium according to this scenario.

An alternative model involves the interaction of non-marine brines with surface water to achieve the current brine chemistry of the DS. Different hypotheses have been advocated for the origin of these brines. Hardie (1990) offers an endogenic model for calcium chloride potash-rich brines, and reviews a number of cases from other areas of the worth where rift basins tend to accumulate such deposits. On the other hand, Rosenthal et al. (2006) view the brines in the DS area as being mostly of exogenic origin and of being compatible with the sedimentary environments that have prevailed in the area.

In trying to reach a conclusion as to the source of the DS salts in view of the various hypotheses that have been presented, Occam’s razor is probably the most useful tool to reach the best result. Occam’s razor stipulates that the hypothesis with the fewest assumptions is probably the closest one to the truth.

The marine water evaporation model of Katz and Starinsky (2009) requires that we start with marine water a priori. There is no empirical basis for this assumption. Moreover, the various dolomitization and sulfate reduction events are difficult to prove. Dolomite is present in the limestones of the region, but there is no evidence that these are related to the evolution of the DS brines. Although gypsum is also present in the area, its thickness and volume is not sufficient to explain the massive removal from sea water that this model proposes. Other geochemical anomalies, such as chlorine isotopes and bromine contents in DS region brines (Yechieli et al., 1996). Do not conform with the marine water source for the salts. Katz and Starinsky ignore this data, as their geochemical acrobatics could not reconcile this problem with their model.

As for the source of the brines that feed into the DS, the question of their source is also problematic. As Katz and Starinsky did, Rosenthal et al. (2006) ignore inconvenient evidence to the contrary of their hypothesis that the brines are of evaporitic concentration of various surface water, some of which might be marine. While some of it may be so, it is distressing to see that this line of research tends to simply ignore evidence that the proponents don’t like.

The endogenic source of the brines is also not straightforward. The chlorine isotope content in the adjacent brines does not support this idea very well either, as it mostly reflects rainwater origin. However, 36Cl is also accumulated in limestone as well due to cosmogenic interactions, although the resulting 36Cl/Cl ratios when weathering or rock/water interaction occurs may differ according to the length of exposure. As previously mentioned, rock/water interaction with limestone is insufficient to explain the chemistry of DS water (Abu-Jaber, 1998). This leaves the question open to the various proponents of each hypothesis.

The Red Sea/Dead Sea canal

There has been much discussion on the implementation of this project as a hydroelectric and desalination project as well as a tool for reestablishing a stable level for the DS. Mixing of these waters will ultimately lead to modification of the DS water. Abu-Jaber (2004) conducted a modeling exercise which showed that rapid increases in chloride and sodium concentrations will stabilize after supersaturation with respect to halite occurs. Slight increases in magnesium contents are also expected.

Practical implications

The obvious practical implications of these issues involves the chemical industries of the Dead Sea. In particular, if there is a reservoir of solutes such as potassium or bromine which differs from the DS may be of great significance, as these waters may be easier to treat and extract than the DS water, which is rapidly declining. This decline will ultimately raise the cost of production as pumping costs rise. Moreover, if the DS water stops becoming feedwater for the DS industries, this may slow down the decline of the DS level, which is accelerated by the current extraction processes there.


ما بعد مشروع الديسي

July 31, 2013

أما ان تم إفتتاح مشروع جر مياه حوض الديسي الى عمّان أخيراً، فقد تنفس المسؤولون والمواطنون الصعداء. فها هو المشروع الذي طالما إنتظروه وقد أنجز. لقد حُلت مشكلة المياه وجاء الفرج.   سيتم ضخ 100 مليون متر مكعب سنوياً الى العاصمة التي كانت تستهلك حتى هذه اللحظة 125 مليون متر. وإذا علمنا بأن المياه الجوفية في المدينة تزودها بحوالي 35 مليون متر مكعب، ويتم ضخ حوالي 42 مليون متر مكعب من وادي الأردن، فيمكن الإستغناء جزئياً أو كلياً عن المصادر الأخرى مثل مياه حوض الأزرق ومحافظات الكرك ومأدبا والتمتع بوفرة لم نعهدها من قبل.

ولكن الوفرة غالباً ما تؤدي الى التراخي والتساهل والتبذير. كما أننا نعلم بأن مياه الديسي ليست متجددة، وبالتالي ليس مصدر مستدام. كما أن الأنظمة الإقتصادية والإجتماعية والبنى التحتية التي تقوم على الوفرة يصعب إعادة أقلمتها على القلة (العكس ليس صحيحاً بالطبع). لذا، فيجدر بنا التساؤل حول ما ستؤول اليه الأمور بعد 40 أو 50 سنة من الآن عندما عندما نقترب من مرحلة إستنزاف الحوض.

قد يقول قائل بأننا في حِل من التفكير بهذا الأمر لبعده زمنياً. ولكن جوهر التخطيط هو إستشراف وصياغة المستقبل، لا إنتظار ما سيحصل ومن ثم التندم حيث لا ينفع ذلك. في المدارس درسنا عن الشيخ الذي زرع شجرة زيتون، لا ليستفيد منها هو ولكن ليستفيد منها من يأتي من بعده. ما أبعدنا عن هذه الحكمة الآن.

ثم أن المشاريع الكبرى تأخذ زمناً طويلاً للإنجاز. فيكفي أن نتذكر بأن مشروع الديسي نفسه إستغرق إنجازه منذ بدء التفكير به أكثر من عشرين عاماً. لذا يجب علينا التفكير بالفترة القادمة كفترة لإلتقاط الأنفاس والتفكير العقلاني بعيد المدى، لا كفترة خمول وإستمتاع بما نحن فيه الآن.

فهل هنالك من بدائل؟ لقد تم التعويل كثيراً على مشروع قناة البحرين والذي لم تُسلم تفارير دراسات الجدوى الإقتصادية والأثر البيئي النهائية له لغاية الآن. مسودة تقرير الجدوى والموجود على موقع البنك الدولي (ممول الدراسة) يشير الى ارتفاع كلفة المياه المنتجة من المشروع بالقول “ومن الواضح أنه إذا تم استغلال التكلفة الإجمالية لرأس مال المشروع في دفع رسوم المياه المحلاة والطاقة المائية، فإن تكلفة وحدة المياه ستكون مرتفعة للغاية، وربما الا يمكن تحملھا ناھيك عن احتمالية عدم الموافقة عليھا من الناحية السياسية.” وينتهي بإقتراح تحميل أجزاء من الكلفة على الفوائد غير مدرة للدخل وهي الحفاظ على منسوب البحر الميت من دون إقتراح من سيقوم بالدفع. فمن الواضح ان الجدوى الإقتصادية للمشروع مشكوك بها ومن المهم عدم التعويل بشكل كلي عليه.

إذا ما البدائل الأخرى؟ أعتقد بأن الحلول الممثلة بالمشاريع الكبرى غير متوفرة (بإستثناء ربما الطاقة النووية، ولكن ذلك حديث آخر). ولكن يجب علينا إعادة النظر الى مجمل منظومة إستهلاكنا للمياه والطاقة والحيّز لنصل الى حالة شمولية من الإستدامة النسبية. إذ ان إدارتنا لهذه الموارد بالنهج الحالي سيؤدي الى هدرها ورفع كلفة الخدمات المرتبطة بها من غذاء وكهرباء ونقل وبنية تحتية وغيرها الكثير، مما سيسبب بانخفاض في مستويات الحياة.

بتقديري فإن الوصول الى حالة من الإستدامة الجزئية يجب أن تستند الى تغيير في آليات التفكير والتخطيط والعمل، حيث ان الآليات التي نستخمها الآن لا يمكنها ان تصلنا الى الغاية المنشودة. تالياً بعض الأمثلة على ذلك:

1-      إدارة المياه الجوفية: إن إستدخدام هذا المورد بشكل مستدام بالضرورة يتطلب ان تكون كميات المياه المستخرجة من الخزانات الجوفية مساوية لكميات الشحن لهذه الخزانات. ولكن من الملاحظ ان مناسيب المياه الجوفية في إنخفاض مستمر في معظم أحواض المملكة، مما يعني عدم وجود الإتزان المطلوب. يمكن إعادة الإتزان إما من خلال خفض الإستهلاك او من خلال زيادة التغذية. وبسبب حاجات السكان المتزايدة، فإن الخيار الأول غير متاح عملياً. ولكن معرفة المسؤولين والخبراء لطبيعة آلية شحن المياه الجوفية وخصائصها وأماكنها وكيفية تعزيزها ضعيفة، والأبحاث التي اجريت عن هذا الموضوع قليلة ولم تأخذ نتائجها اي شكل من الإهتمام من قبل المسؤولين الذين يرتكز إهتمامهم على إدارة المشاكل اليومية ولا يتوفر لديهم رفاهية الوقت للتخطط الإستراتيجي.

2-      آليات اتخاذ القرار بالنسبة للتوسع العمراني: حيث اتت التوسعات العمرانية على الأراضي الزراعية لمدن عمان والسلط وإربد ومأدبا وغيرها. هذا التوسع ادى ليس فقط الى فقدان هذه الأراضي للزراعة، ولكنها ايضأ قللت من شحن المياه الجوفية بسبب وضع الطبقات الكاتمة من الشوارع والمباني التي تمنع تسرب نسبة كبيرة من الأمطار من خلال التربة الى الخزانات الجوفية. ويلاحظ بوضوح عدم إهتمام المخطط الشمولي لمدينة عمان بموضوع شحن المياه الجوفية والمحافظة على مناطق الشحن، بالرغم من التغني بموضوع الإستدامة. يجب أشراك خبراء الزراعة والبيئة والهيدرولوجيا والبنى التحتية في قرارات إستخدامات الأراضي، لا ان تخضع للمصالح والمزاجية المعتادة.

3-      الإستسلام لمنطق التوسع اللانهائي لمدينة عمان وإضمحلال الأرياف والمدن الأخرى. بالطبع هذا المنطق هو الذي أدى الى فكرة مشروع جر مياه الديسي بداية. إن استجلاب المياه والموارد الى مدينة عمان وتشجيع توسعها فكرة مكلفة بالإضافة الى انها غير عادلة بشكل واضح. يجدر بنا التفكر بشكل مختلف وغير تقليدي لتحسين الظروف الإقتصادية والمعيشية لمحافظات المملكة، لا فقط انها مستودعات لموارد مخصصة لمدينة بعينها.

بالطبع يمكن إضافة العديد من الأمثلة الأخرى. نهاية الحديث هو ان قراراتنا اليوم ستحدد مصير مستقبل ابناءنا وأحفادنا، ونحن امام فرصة ذهبية لإلتقاط الأنفاس والتفكير بروية وتعديل ما هو غير ملائم من ممارساتنا. فهل نفعل؟

جريدة الغد 31/7/2013 صفحة 15


الربيع العربي والبيئة الأردنية ووزارتها

December 26, 2012

  تبعث كلمة الربيع رسالة مفادها الأنبعاث والتجدد واستمرارية الحياة، وهذه رسالة بيئية تؤكد قيم الأمل والبقاء. ولا شك بأن نجاح تعبير “الربيع العربي” مرّده شعور الأمل الذي يبثه هذاالتعبير. ولكن أين البيئة من أولويات ومسببات ومآلات الثورات التي تعصف بالعالم العربي والأردن؟

في البداية لا يمكن إنكار دور نقص وعدالة توزيع الموارد كدافع أساسي للثورات والإحتجاحات، بالإضافة لعدم شعور الناس بالسيطرة على مقدّراتهم، سواءاً كانت هذه المقدرات موجودة أم مفترضة. وفي المحصلة فالموضوع متعلق بالموارد والإحباط الناتج عن عدم الحصول على كميات كافية منها. المطلوب من البيئة بإستمرار هو تزويد حاجات المجتمع من الموارد، سواءاً كانت هذه المأكل او الملبس أو المسكن أو الماء أو الطاقة أو غيرها من السلع التي تباع أو تستهلك محلياً. فهل البيئة قادرة على ذلك، وهل إدارتنا الحالية لها كفيلة بتعظيمها وإدامتها، أم بإستنزافها وإندثارها؟

بداية لا بد من الإشارة الى أن الوعي البيئي السائد بشكل عام هو وعي مستورد من حيث أولوياته ومفاهيمه، مما يعطيه نكهة نخبوية، حيث يشعر أغلب الناس بأن القضايا البيئية وتحدياتها ترف لا يجب أن تلتفت اليها الآن، لوجود مشاكل أكثر الحاحاً. بالطبع فإن هذا ليس صحيحاً، ونحن ندفع يومياً ثمن سؤ إدارتنا لمواردنا البيئية، بدءاً بأزمات السير ومروراً بإرتفاع كلف تدفئة المنازل وليس إنتهاءاً بإنقطاع المياه، وسنستمر بالدفع بشكل متسارع إذا استمرينا بتجاهل هذا التحدي. ولسؤ الحظ فإن أجندة البيئة غائبة عن شعارات الجماهير والحكومات لغاية الآن.

بالطبع هذا ليس مستغرباً برأيي. ليس فقط لغياب الوعي البيئي، ولكن لأن تحّمل تبعات موائمة قدرة البيئة على الإعالة مع إحتياجات السكان سيتحملها بالضرورة هؤلاء، وبالتالي فشعارات كهذه ليست جّذابة بالتأكيد. نريد حلول تبعد عن التضحيات الشخصية لأن الهدف هو المحافظة على مستوى المعيشة لا تخفيضها. والإفتراض السائد هو أن غياب الرفاهية المطلوبة سببه الفساد والهدر وسؤ إدارة الموارد، لا عدم كفايتها.

لا شك أن الفساد وسؤ الإدارة عدالة التوزيع قضايا هامة، ليس لأن من شأن حلها رفع مستوى حياة السواد الأعظم من الناس، بل لأن من شأن الشعور بالعدالة والسيطرة الفعلية على الموارد أن يزيد من الشعور بالمسؤولية والإدارة الحصيفة والمستدامة لها. ولا يمكن القول بأن الإدارة التقليدية للبيئة في العالم العربي هو نموذج يمكن ان يعتبر مثالياً. وبالتأكيد فهي إدارة أدت الى الكثير من المآزق المستعصية التي سنعاني منها لفترة طويلة.

فخلال الخمسين سنة الماضية تم إستنزاف الأراضي الزراعية والمراعي والموارد المائية والثروات الطبيعية، بشكل لا يمكن العودة عنها بسهولة أو بكلفة بسيطة. وفي نفس الوقت فقد إزداد أعداد السكان أضعافاً مضاعفة وبشكل متسارع ، مما أوسع الهوة ما بين الموارد والسكان، خاصة بغياب آليات لخلق موارد كافية إضافية كالصناعات بأنواعها. وما يفاقم المشكلة زيادة متطلبات الناس الإستهلاكية بشكل واضح.

لذا فإن جذور اسباب الإحباط موجودة في سؤ تقدير الموارد والإحتياجات على المديين القصير والطويل. بالطبع فإن الأنظمة الحاكمة مسؤولة ليس فقط عن الفساد والهدر في إدارتها المالية والإقتصادية، ولكن أيضاً عن نظرتها قصيرة الأفق نحو إدارتها للموارد الطبيعية الموجودة.

ولكن توزيع الملامة ليس كفيلاً بحل المشاكل الناشئة عن الجور المستفحل على البيئة، ولا يمكن توقع حل مشاكل المجتمعات العربية من خلال تغيير أنظمتها السياسية، إلا اذا تغيرت المفاهيم الحاكمة نحو الموارد كذلك.

في حالة الأردن تحديداً، فإن إدارة الموارد البيئية موزعة بين العديد من الوزارات والمؤسسات، مما يعني بالضرورة تضارب في الرؤى والمصالح. ومع غياب رؤية متكاملة حول تعظيم الموارد وإدامتها، فنجد أن تنظيم الأراضي مثلاً لا يأخذ بعين الإعتبار قضية النقل العام وتقليل أستهلاك الوقود. ولغياب أهداف مشتركة لوزارات المياه والزراعة والنقل والطاقة بالإضافة الى البلديات فنجد ما نجده من عشوائية في التخطيط وبعدها عن التكاملية. لذلك ابتعدنا عن الإكتفاء الغذائي وسهولة الإنتقال ومعقولية كلفته وحتى عن كفاءة في توزيع مياه الشرب.

وعند التفكير بوزارة البيئة، نعلم بأن دورها في كل هذا محدود ومحدود جداً، نظراً لمحدودية صلاحياتها الإدارية والقانونية بالإضافة الى عدم محاولتها تشكيل رؤية وطنية متكاملة حول التخطيط لموارد الدولة البيئية بالإضافة الى إدارتها. غياب الرؤية هذه ادت الى تشكل شعور بغياب دور وأهمية هذه الوزارة. لا يغيب عن البال رغبة المؤسسات المعنية بالحفاظ على صلاحياتها، وبالتالي محاولة تحجيم وزارة البيئة بالذات.

ولكن الإنصياع لفكرة غياب اهمية دور وزارة البيئة لا يجب ان يؤدي الى الإستنتاج بأن أدارة بيئية موجهه ومتكاملة هي ليست أولوية وطنية. نحن الآن ندرك أكثر من أي وقد سابق قيمة فدرتنا على الإعتماد على انفسنا ومواردنا، تجنباً لرهن حاضرنا ومستقبلنا لاجندات لا نستسيغها أو نرضاها. يجب التأني في التفكير بمن سيقوم بهذا الدور، بعيداً عن حساسيات الهيئات والوزارات المعنية. إذا كان الإصرار على إلغاء وزارة البيئة موجود، فيجب التفكر بجهة تقوم على عاتقها التخطيط البيئي الوطني الاستراتيجي نحو الاكتفاء الذاتي و الإستدامة. لا يمكن تجاهل هذه الحاجة.

ألغد 26/12/2102 صفحة 20.


كارثة التسونامي في اليابان

July 8, 2012

واقفين على أعتاب القرن الواحد والعشرين، نجد أنفسنا قد توصلنا لدرجة عالية من التقدم العلمي والتقني ، وعلى الرغم ذلك و من قدرتنا الآنية على تطويع الطبيعة والسيطرة على مواردها، فإن غرورنا يجعلنا ننسى ضآلة قدرتنا أمام القوة الطاغية التي تستطيع الطبيعة إطلاقها في أية لحظة، ملحقة الموت والدمار بينما نقف كبشر عاجزين إلا على لملمة الحطام والبدء بالبناء من جديد.

وحيث أن الأرض هي الأم، تحتضننا بدفئها وتعاقبنا بغضبها، فإننا نخضع لرغباتها حباً ومهابةً، نتعلم منها و نتأقلم مع أمزجتها و نحاول أن نحافظ على رضاها، فلا بد أن نبدأ بفهم منطقها لنتعامل معها بعقلانية وإستدامة.

ومن هنا، لا بد أن نقف وقفة تأمل على آخر درس من دروس الأرض، نتفهم ما هي سلسلة الأحداث التي خلفت دماراً واسعاً في دولة صناعية كبرى سوف تكلفها مئات المليارات من الدولارات بالإضافة إلى المآسي البشرية والقضاء المحتمل على صناعة كبرى هي صناعة الطاقة النووية في العالم.

ففي اليوم التاسع من آذار من عام 2011 حصل زلزال مدمر قبالة الشاطئ الشرقي لليابان ، وتحديداً على بعد 72 كيلو متر من الشاطئ الشمالي الشرقي من جزيرة هونشو(الشكل 1)، وهذا الزلزال، والذي بلغت شدته 9 على مقياس ريختر، أي أنه خامس أقوى زلزال يتم قياسه لغاية الآن، سبب بأمواج عاتية يسميها اليابانيون في لغتهم التسونامي (وهي تعني حرفياً “موجة المرفأ”)، بسبب الأثر الكبير لهذه الظاهرة في المياه الضحلة مقارنة بالمياه العميقة (الشكل 2). وقد تسبب هذا الزلزال والتسونامي بحوالي أكثر من 14000 قتيل و5000 جريح بالإضافة إلى حوالي 11000 مفقود،  كما وقد تسبب التسونامي بكارثة بيئية نتيجة إتلافه لأنظمة التبريد في مفاعل فوكوشيما النووي القريب من موقع فيضان الشاطئ الذي نجم عن التسونامي.

الشكل 1: مركز الزلزال.

الشكل 2: رسم توضيحي لعلاقة عمق الماء بطبيعة الأمواج المتولدة من الزلزال.

ولكن لماذا حدث هذا كله؟ للإجابة على هذا السؤال يجب توضيح بعض الجوانب الجيولوجية وعلم الزلازل لتفسير لماذا تتعرض شواطئ المحيط الهادي تحديداً لعدد كبير من هذه الأمواج (ولذلك فقد سماه اليابانيون وليس غيرهم بهذا الاسم) ويجب أن نذكر بأن التسوماني ليست حكراً على المحيط الهادي، إذ أنه ضرب المحيط الهندي عام 2004 نتيجة زلزال قبالة شواطىء اندونيسيا وأتى على حياة حوالي ربع مليون إنسان في ذلك الوقت في مناطق وصلت إلى الهند وسريلانكا و تايلاند وغيرها من الدول المشاطئة للمحيط الهندي.

تاريخياً فقد ضرب التسونامي شواطىء البحر الأبيض المتوسط الشرقية كذلك، حيث تشير المصادر التاريخية والأثرية إلى حصول تسونامي في منطقة اوجاريت في سوريا سنة 1365 قبل الميلاد، كما ضرب تسونامي مرافق لزلزال 9 تموز 551 ميلادي شواطئ لبنان أدى إلى إنحسار مؤقت للبحر مسافة ميلين ثم ضرب التسونامي مرفأ بيروت وبعض المرافئ اللبنانية الأخرى، كما توجد أدله على ضرب شواطئ البحر الميت من قبل التسونامي المرافق لزلزال 18 كانون ثاني عام 746م كما ضرب التسونامي مدينة إنطاكيا بعد زلزال 10 آب سنة 1114م ، كما ضرب التسونامي الشواطئ السورية واللبنانية بعد زلازل 29 تموز 1170م و13 آب 1822م وغيرها من الحوادث.

بالرغم من حصول التسونامي في البلاد العربية على فترات متباينة، فإن معظم التسونامي تحدث في المناطق المشاطئة للمحيط الهادي، كما ذكرت بسبب الظروف الجيولوجية التي تحكم هذه المناطق. فالناظر إلى قوائم أعنف الزلازل التي تم تسجيلها يجدها تتركز في المناطق الساحلية المشاطئة للمحيط الهادي والتي تدعى أحياناً بحلقة النار (لكثرة البراكين في هذه المناطق كذلك).

بالعادة تحدث الزلازل نتيجة حركة مفاجئة لصفائح القشرة الأرضية (والتي تبلغ سماكاتها من 5 – 10 كم في المحيطات ومن 30 – 50 كم في الصفائح القارية). وهذه الحركة ناشئة عن وجود تيارات حرارية هي باطن الأرض في الجزء المسمى بالوشاح الذي يمتد من أسفل القشرة الأرضية ولغاية عمق 2800 كيلومتر. والحركة المستمرة لهذه الصفائح تكّون أنماطاً مختلفةً من الحركة النسبية مع بعضها البعض، فإنها أما تتباعد أو تتقارب وتصطدم ببعضها البعض أو أنها تتحرك جانبياً بصدوع تسمى صدوع تحويلية  (الشكل 3) ونعرف منها مثلاً صدع وادي الأردن كمثال عن الصدوع التحويلية الممثلة لإحتكاك الصفيحة العربية مع الصفيحة الإفريقية.

الشكل 3: أنواع الحركة على حدود الصفائح.

ومع أن جميع هذه الأنماط من الحركة النسبية تتسبب بحدوث الزلزال فإن أكثر الزلازل قوة هي تلك التي تحدث نتيجة إرتطام الصفائح مع بعضها البعض، ولتأكيد عظم هذه القوى يجب أن ندرك بأن جبال الهملايا العظيمة مثلاً سببها إرتطام الصفيحة الهندية مع الصفيحة الآسيوية.

أن إرتطام الصفائح يؤدي إلى صعود إحداها فوق الأخرى، مما يضاعف من سماكة القشرة في تلك المناطق وهذا بالتالي يضاعف من سماكة الجزء العلوي الهش من الأرض المسمى الغلاف الصخري (Lithosphere)، ويزيد من العمق الجزء الأدنى الموجود على أعماق أكبر والمسمى الغلاف المائع (Asthenosphere) . والغلاف الصخري مكّون من القشرة الأرضية والجزء العلوي من الوشاح وتبلغ سماكته من 50 الى 100 كيلومتر في المحيطات. أما الغلاف المائع فهو مكّون من مواد تتصرف بشكل لدن وتصل أعماقه الى حوالي 180 كيلومتر، ويطفو فوقه ويتحرك الغلاف الصخري.

وبالطبع فإن الحركات العنيفة المفاجئة تحدث في المواد الهشة وليست في المواد اللدنة، وأن الإطار الخارجي للمحيط الهادي أو حلقة النار، بما فيه اليابان، يمتاز بوجود نشاط أكثر لإرتطام بالصفائح، لذا فإن الزلازل العظيمة والتي تتجاوز قوتها 9 على مقياس ريختر تتكرر بمعدل مرة كل عشرة سنوات فيها (محاضرة د. م إردك في إفتتاح إجتماع Earthquake Model for the Middle East Region Mid term assemblyوالذي عقد في عمان يوم 31/3/2011). وبسبب إزدياد تضاعف سماكة الغلاف الصخري نتيجة الإرتطام تزداد أعماق بؤر الزلازل في هذه المناطق.

وزلزال توهوكو، والذي هو اسم زلزال 11/03/2011 هو من أعنف الزلازل التي تم تسجيلها لغاية الآن كما ذكرت، وهي الأعنف التي ضربت اليابان لغاية الآن. وللمقارنة فإن الزلزال العنيف الذي ضرب الأردن يوم 11 تموز 1927 (سنة الهزة) والمسمى بزلزال أريحا تم تقدير قوته بحوالي 6,25 على مقياس ريختر، وهي أقل من قوة زلزال العقبة الذي ضرب بتاريخ 22/11/1995 والذي بلغت قوته 7.1 على مقياس ريختر. وحيث أن مقياس ريختر هو مقياس لوجاريثمي (أي أن كل درجة تمثل 10 أضعاف حركة جهاز قياس الزلازل وحوالي 30 ضعف كمية الطاقة المحررة من الدرجة التي قبلها)، فإن زلزال اليابان يمثل إطلاق حوالي 13000 ضعف كمية الطاقة التي تم تحريرها في زلزال أريحا عام 1927، و700 ضعف قوة زلزال العقبة.  ولا شك بأن تحسن نوعية البناء قد أدى الى تقليل الخسائر الناتجة عن الزلازل، مع أن عوامل أخرى تؤثر في مدى الدمار التي تحدثها مثل المسافة من بؤرة الزلزال والطبيعة الجيولوجية للمنطقة. وكون اليابان واقعة ضمن حلقة النار فإن البناء فيها مصمم لمقاومة الزلازل.

يقدر معدل حركة صفيحة المحيط الهادي تحت الصفيحة الأسيوية قرب جزيرة هونشو بحوالي 8 – 10 سم سنوياً بإتجاه الغرب. هذه الحركة تراكمية بالمعدل، أي أنها ليست حركة ثابتة، فقد تمر فترة زمنية طويلة بدون أية حركة ثم تحدث حركة كبيرة عند حدوث زلزال. قُدر الإنزلاق الذي حصل في زلزال توهوكو على عمق 32 كم في القشرة الأرضية بحوالي 30-40 متر، على طول الفالق البالغ 300 كيلومتر وعلى إمتداده البالغ 150 كيلومتر، على أثره تحركت جزيرة هونشو حوالي 5 أمتار أثناء الزلزال وحوالي نصف متر إضافي بعد ذلك، وقد تحرك محور الكرة الأرضية نتيجة الزلزال بحوالي 10 سم. إستمر الزلزال حوالي 6 دقائق وقد تم رصده في عمّان حيث إرتفعت المدينة من 2 – 3 سم إثناء الزلزال (محاضرة د. م إردك في إفتتاح إجتماع Earthquake Model for the Middle East Region Mid term assemblyوالذي عقد في عمان يوم 31/3/2011).

 سبق الزلزال الرئيسي عدد من الزلازل الأصغر، قد يكون أهمها زلزال بقوة 7.2  على مقياس ريختر والذي ضرب في منطقة تبعد 40 كيلومتراً من بؤرة الزلزال الرئيس قبلها بيومين (أي يوم 9/3/2011)، بالإضافة إلى ثلاثة زلازل بقوة 6 على مقياس ريختر في ذلك اليوم. أحياناً تحدث عواصف زلزالية قد تشكل تحذيراً على أن زلزالاً ضخماً على وشك الحدوث، وقد لا يعني بالضرورة بأن مثل هذا الزلزال سيحدث فعلاً. ولذلك فإن هذه الزلازل الإستباقية (Foreshocks) لا تسمى كذلك إلا بعد حصول الزلزال  الهامة.

تبع الزلزال عدد كبير آخر (مئات) من الزلازل اللاحقة (Aftershocks) والتي إستمرت لعدة أسابيع. وعادة ما تسبب هذه الزلازل اللاحقة الرعب ولكنها نادراً ما تكون بنفس قوة الزلزال الأصلي، وإن كان بإمكانها إحداث أضراراً إضافية بسبب الإضعاف المسبق للمباني والمنشآت خلال الزلزال الرئيسي.

إن الإزاحة الناتجة عن حركة القشرة الأرضية في البحار تؤدي إلى هبوط مرافق للمياه الموجوده أعلاها، مُحدثة لفراغ يتم ملؤها بالمياه المجاورة  (لاحظ قصة انحسار البحر قبل التسونامي الذي ضرب بيروت سنة 551) . ويمكن تشبيه الظاهرة بما يحدث عند إلقاء حجر في بركة ماء، حيث يُنتج الحجر فراغ على سطح الماء تسبب سلسلة من الأمواج المبتعدة عن موقع الإرتطام. وتبلغ سرعة المياه في الأعماق حوالي 400 كيلومتر في الساعة، وأكثر من 900 كيلومترفي الساعة في المياه العميقة، تنخفض إلى 36 كيلومتر في الساعة في الأعماق البسيطة، أما على السطح فإن الأمواج تكاد لا تظهر، ويزداد إرتفاعها وخطورتها عند وصولها المياه الضحلة قرب الشواطىء (أو المرافىء). أنظر الشكل 2.

 لقد أدت الحركة العنيفة المرافقة لزلزال هونشو في القشرة الأرضية الواقعة تحت سطح البحر إلى حدوث سلسة من أمواج التسونامي والتي وصل ارتفاعها إلى 37 متر وصلت إلى الشاطئ بعد الزلزال بحوالي 20- 60 دقيقة حسب الموقع، وقد غمرت هذه الأمواج مناطق الساحل لمسافة وصلت إلى 10 كيلومترات إلى الداخل. هذا بالرغم من وجود جدران واقية على 40% من طول الشاطىء والتي لم تصمم لأمواج بهذه الإرتفاع أو القوة، وقد إستمرت هذه الأمواج بالتأثير على الشاطىء ليومين متتاليين وإن كانت بإرتفاعات متناقصة. والتسونامي كان السبب الأكبر في أعداد الوفيات والجرحى، حيث أشعرت الجدران السكان بأمان وهمي وحجبت رؤية إنحسار البحر الذي سبق التسونامي. وبالإضافة إلى الخسائر البشرية حدث الدمار المادي هائل والذي قدرته اليابان بما يزيد عن 300 مليار دولار، حيث تم تدمير مرفأ سنداي القريب وهو أقرب ميناء في تلك المنطقة، وتم تدمير أو أضرار لحوالي 125000 مبنى بالإضافة إلى التدمير الذي حصل للبنية التحتية كالطرق وشبكة السكك الحديدية والشبكة الكهربائية والمياه غيرها.

إستأثر بالإهتمام العالمي بذلك الدمار الذي ألم بمفاعلات فوكوشيما النووية. وكان هناك فعلياً ستة مفاعلات في المنشأة بقدرة إجمالية قدرها 4,7 ميجاوات. وكون اليابان بلد فقير بالطاقة فإنها تعتمد بشكل كبير على الطاقة النووية بالرغم من خبراتهم السابقة في هيروشيما وناغاساكي. يجدر بالذكر أن هذه المفاعلات تقوم على مبدأ إنشطار أنوية الوقود الذري والمكونة من اليورانيوم المخصب (أي اليورانيوم  الذي تم زيادة نسبة اليورانيوم 235 على حساب اليورانيوم السائد غير قابل للإنشطار وهو اليورانيوم 238) ، هذا يؤدي إلى إنتاج كمية كبيرة من الحرارة بالإضافة إلى عدد كبير من النظائر المشعة. يكون الوقود النووي في الظروف العادية داخل أنابيب أو أوعية معدنية مصممة خصيصاً لتمرير النيوترونات اللازمة لإدامة عملية الإنشطار ولتحمل الحرارة العالية ولعزل وتخزين النظائر الخطيرة المشعة الناتجة عن الإنشطار.

عند عمل المفاعل تضخ المياه بإستمرار إلى اللب من أجل الحفاظ على حرارة مناسبة للأوعية الحاوية على الوقود والنظائر الناتجة عن الإنشطار، ومن أجل نقل الحرارة من أجل عمل البخار اللازم لإدارة المحركات التي تقوم بتوليد الكهرباء. وفي حال حصول إنقطاع في التبريد فإن الأوعية قد تنفجر أو تنصهر محدثة تسرب لمحتوياتها إلى البيئة. وحادثة تشيرنوبيل في اوكرانيا سنة 1986 نتجت عن خلل في أنظمة تبريد لب المفاعل.

 لقد أدى الزلزال والتسونامي مجتمعين إلى تدمير أنظمة تبريد المفاعل الأولية والثانوية للمفاعلات في فوكوشيما. فأنظمة التبريد الرئيسية تعمل بالطاقة الكهربائية، وحيث أن الشبكة الكهربائية في المنطقة إنهارت بسبب الزلزال والتسونامي، فقد تم التعويل على الأنظمة الثانوية التي وضعت تحسباً لأي خلل في الشبكة الكهربائية، وهي عبارة عن مضخات تعمل بالديزل. وقد غمرت مياه البحر المضخات وجرفت الأمواج خزانات الديزل اللازمة لعملها بعيداً.

الزلزال أدى إلى إيقاف المفاعلات العاملة آلياً (بعضها كان متوقفاً لإجراء أعمال صيانة روتينية)، ولكن إيقاف المفاعل لا ينفي الحاجة إلى الإستمرار بتبريدها، ولكن لم يتسنى ذلك لسؤ الحظ.

بغياب أنظمة التبريد الأولية والثانوية فقد إرتفعت حرارة المفاعلات وتكشفت أوعية الوقود، مما زاد الضغط داخل هذه الأوعية وأدى إلى حدوث إنفجار هيدروجين (الهيدروجين الثلاثي المعروف بالتريتيوم هي إحدى نواتج الإنشطار) وتسرب كميات خطيرة من المواد المشعة إلى البيئة المحيطة. وقد تم رصد نشاطات إشعاعية تزيد بملايين المرات عن مستوياتها الطبيعية في البيئة المحيطة.

معظم النظائر الخطرة تمكث فترة قصيرة في البيئة قبل إضمحلالها. فمثلاً من أخطر النظائر الناتجة الإنشطار النووي نظيرة اليود 131، والتي تتركز بشكل كبير في الغدة الدرقية مثل اليود غير المشع. ولكن فترة نصف عمر هذه النظيرة هي ثمانية أيام، مما يعني ان هذه المادة لن يبقى لها أثراً بعد شهور قليلة. وبالطبع هناك نظائر ستبقى طويلاً في البيئة وسيكون لها تأثير كبير في المستقبل مثل نظائر السترونشيوم 90 و السيزيوم 137 واللتان لهما أنصاف أعمار بحدود 30 سنة. وستستمر المراقبة مستقبلاً لحركة ومآلات النظائر التي تسربت من المفاعل والتأثيرات الصحية والبيئية لها لعقود قادمة كما هو الوضع بعد كارثة تشيرنوبيل، ولكن الواضح هو أن هناك إعادة نظر على مستوى العالم فيما يتعلق بمشاريع الطاقة النووية الجديدة بعد ما حصل في مفاعلات فوكوشيما. ويُخشى أن يؤدي هذا الى زيادة الإعتماد على الوقود الأحفوري (أي البترول والغاز الطبيعي) وما يرافق ذلك من آثار بيئية أشد وطأة مثل الإحتباس الحراري والذي سيعمل على رفع مستوى سطح البحر، مما سيزيد من خطورة العواصف والتسونامي على المناطق الساحلية مستقبلاً.

الخلاصة هي أن الآثار الإقتصادية والإجتماعية والبيئية لهذه الكارثة ستستمر لعقود طويلة في المستقبل، مذَكرة بعجز الإنسان على السيطرة على الطبيعة بالرغم من جهوده كلها، والأمل في أن يرسخ شيء من التواضع لهذا الكائن الذي لن يستطيع كبح جماح طموحاته وأطماعة بنفسه أبدا.


لأهمية الوطنية لتدريس علوم الأرض و البيئة

August 18, 2009

مقالة في عمون


لقد قرأت بأسى قرار مجلس التربية و التعليم تخفيض أهمية دراسة منهج علوم الأرض و البيئة، بحيث يتم احتساب النجاح فيه دون إدراجه في المعدل العام لطلبة الفرع العلمي في امتحان التوجيهي. و هذ ا سيؤدي الى عدﻢ ايلاء دراسة المادة الاهتمام اللازم و يبدو أن أعضاء المجلس لم يدرسوا هذا الأمر بشكل متأني، و لم يراعوا حاجة الطلبة لفهم أساسيات علم الجيولوجيا. و يبدو أيضا أنهم لا يدركون الأهمية الإستراتيجية لهذا العلم، بحيث يمنع الطلبة العرب في إسرائيل من دراسة هذا التخصص.

إن المواطن الفاعل بحاجة إلى معرفة جوانب متعددة من علوم الأرض و البيئة. فهذا المواطن يجب أن يتفهم مواضيع مثل أسباب الكوارث الطبيعية ( مثل البراكين و الزلازل و الفيضانات و الانهيارات الأرضية) و مخاطرها و طرق تجنب هذه المخاطر. كما يجب عليه أن يدرك أهمية و طبيعة الموارد المائية و المخاطر التي تهددها.  كما انه بحاجة إلى معرفة شيء عن الموارد الطبيعية و المتوفرة من صخور و معادن صناعية و فلزية و تواجدها و استخدامها.  و بالطبع فان معرفة معلومات عن مصادر الطاقة التقليدية و المتجددة قد تكون ذات فائدة للمواطن المثقف.  عدا عن معلومات حول البيئة الطبيعية وأهميتها و المخاطر التي تهددها و طرق حمايتها. هذا جزء يسير مما يمكن سرده في هذا المجال.

كما أن المجلس قد لا يكون مدرك بان المشاريع التنموية الكبرى التي تخطط لها الدولة لها جوانب جيولوجية و بيئية لا يمكن إنكارها.  فمشاريع قناة البحرين و ناقل الديسي و الطاقة الذرية و الصخر الزيتي أمثلة واضحة على ذلك.  كما أن مشاريع التطوير السياحي و مكاب النفايات الصلبة و الخطرة و الحصاد المائي و البنية التحتية و غيرها يجب إشراك الجيولوجيين فيها لإثرائها و إنجاحها.

إن الوعي الجيولوجي و البيئي سوف يشجع الطلبة على الانخراط في دراسة الجيولوجيا في الجامعات و سد الحاجة المتزايدة للمختصين في هذا المجال. كما أن وجود جمهور واعي سوف يساعد على التأسيس لحوارات عقلانية عند طرح مشاريع ذات طابع جيولوجي و بيئي و ما أكثرها.

لذا، أرجو أن يتم إعادة النظر في هذا القرار بشكل يحقق مصلحة الطلبة طويلة الأمد و مصلحة الوطن كذلك


Is no information better than partial information?

March 28, 2009

This is the question that can be raised when reading something like this. It says that the USA is to design and construct a national storage facility for storage of nuclear waste in Amman. It is supposed to last for “five decades”.

Almost everybody knows that nuclear waste is dangerous for a lot more than 50 years. Moreover, what is the waste that is to be stored? There are three classes of nuclear waste, ranging from low, intermediate and high level. What is this facility to be designed for? Why in Amman? What happens after 50 years?

As I read this, I get the distinct feeling that this is not being treated with the seriousness it deserves, whether on the political or on the technical levels. Anybody who is skeptical about the nuclear program in Jordan will not be reassured by this piece of “information”.


Radium in the Disi Aquifer

March 1, 2009

There has been a large response to a research paper published in Environmental Science and Technology by Avner Vengosh at Duke and a group of researchers, including ones in Jordan (Omar Rimawi, Abdallah Zoubi and Emad Akkawi at Al Balqa Applied University). The paper reports a finding of very high concentrations of the natural isotopes of radium in the water of the Disi Aquifer in the south of the country.

From a psychological perspective, the news is very bad, as it combines peoples’ extreme fear of all things radioactive with a concern that the long awaited savior (the Disi conduit) may never be implemented. But, what do the findings mean and what don’t they mean?

The ministry of water and irrigation put out a statement denying that there are abnormal amounts of radiation in the water used for drinking. It is important to note the difference between having high total radiation and having high concentrations of radium. The confusion caused by the name of the isotope should not be used to change the subject. The total radioactivity may be low, but at the same time individual isotopes may be higher than standards set as limits for them by regulators.

Radium falls in the second column of the periodic table, making it an alkali earth, like calcium. As such, it may be absorbed into calcium-bearing tissue in the body (mostly bone), which means that it would pose a danger as an internal radiation source at high enough concentrations. Radium is also worrisome because it emits alpha particles, which cause the most damage when absorbed internally.

But how are “high enough” concentrations determined? There are various ways to determine this. Some claim that there is no such thing as a “safe exposure level”. If this is the case, then everybody is in trouble, because we are all exposed to various types of ionizing radiation all the time. The average human being is exposed to about 300 millirems per year, which varies according to latitude, altitude and geology of where he/she lives. It is impossible to get away from this minimal exposure no matter what a person does.

Researchers use different approaches at determining “safe exposure limits”. In my opinion, the most satisfying is the use of epidemiological data, where a large population living under certain conditions is compared statistically with the general population. Based on such data, US standards for combined 226Ra and 228Ra in drinking water is 5 pCi (picocuries) per liter. This works out to 73 mrem after an exposure of 30 years.

Setting standards is not an exact science, and in the case of radiation, exposure limits are typically set along the ALARA (as low as reasonably achievable) principle. Beyond that, linking the disease with an environmental factor by plotting the amount of exposure and the number of cancer cases on a scatter diagram. If there is a link between exposure and cancer increases, a correlation can be seen between increasing exposure and increasing cancer rates. Typically, the correlation is very distinct at high exposures and less so at low exposures. At some point, when cancer incidence reaches background levels, the relationship between exposure and cancer incidence becomes questionable.

In the case of radium, studies of exposure are extensive and have been summarized in book published by Argone National Laboratories in the US under the title “Radium in Humans: A review of US studies” (available here). This book well illustrates how epidemiological studies work. It describes exposures to dial paint workers, people who drank radium spiked water for “medicinal” purposes as well as people who lived in areas with high radium water supplies. The conclusion (on page 112) is that a threshold can be set at 1000 cGy (equivalent to 10 Grey or 1000 rad). This is echoed in page 2 of the book, which states that “No symptoms from internal radium have been recognized at levels lower than those associated with radium-induced malignancy. Radium levels 1,000 times the natural 226Ra levels found in all individuals apparently do little or no recognizable damage. These statements may suggest that a threshold exists for radium-induced malignancies; at least, they recognize that the available data demonstrate a steep dose response, with the risk dropping very rapidly for lower radium doses”.

Thus, it is no surprise to read cases like the town in Illinois that had to set up an expensive radium removal facility to remedy its high radium waters, only to see the EPA change the drinking water standard by a factor of 10, which would have made the facility pointless. The EPA seems to have kept the old standard, but it is illustrative that a good case could have been made to set the standards at 50 pCi instead of 5 pCi.

So, how does the Disi water stack up? According to the published paper, 226Ra concentrations range from 0.1 to 1.13 Bq/l (2.7 to 30.5 pCi/l), with a median of about 0.9 Bq/l (24.3 pCi). For 228Ra, the concentrations range from 0.12 to 2.14 Bq/l (3.2 to 37.8 pCi/l). The waters thus range from meeting the EPA standards to those reaching 20 times the said standards.

Thus, in dealing with questions related to radium content in the water of the Disi aquifer, three points need to be made. The first is that the science and data used to formulate the standards needs to be critically evaluated, as the standards may be too stringent and the benefits derived from removing the radium from the water may be questionable. The second point is that the water from the various sources of the aquifer will be mixed together and with those from other sources, and so the water reaching the consumer will have lower radium contents, depending on the mixing ratios and the contents of the different sources. The third point is that radium can be removed from the water if epidemiological data justifies the cost of doing so.