प्रयोगशाला में भूकंप: पाला बदलने वाला पानी

भूकंप तब आता है जब किसी फ़ॉल्ट (भ्रंश) पर पड़ने वाला तनाव उसकी मज़बूती से ज़्यादा हो जाता है: दोनों चट्टानी खंड अचानक खिसक जाते हैं। पानी से भरे फ़ॉल्ट में चट्टान के छिद्रों में मौजूद पानी का दबाव केंद्रीय भूमिका निभाता है। यह जितना ज़्यादा होता है, खंड एक-दूसरे पर उतना ही कम दबते हैं — और फ़ॉल्ट उतनी ही आसानी से खिसकता है।

खिसकने के दौरान दो प्रक्रियाएँ आपस में होड़ करती हैं:

तापीय दाबवृद्धि (thermal pressurisation)। घर्षण फ़ॉल्ट को गर्म करता है। पानी चट्टान से कहीं ज़्यादा फैलता है, इसलिए उसका दबाव बढ़ता है, जो फ़ॉल्ट को “उठा” देता है और कमज़ोर करता है। व्यापक रूप से माना जाता है कि यही बड़े भूकंपों को चलाती है — लेकिन प्रयोगशाला में इसे सीधे बहुत कम देखा गया है।
फैलाव से मज़बूती (dilatant strengthening)। चट्टान जब कतरती और टूटती है, तो खाली जगह बनती है। पानी का दबाव गिरता है, खंड ज़्यादा ज़ोर से दबते हैं और फ़ॉल्ट मज़बूत होता है — जो शायद टूटन पर ब्रेक लगा दे।

ज़मीनी स्तर पर, 2018 में ताइवान के ह्वालियन भूकंप (तीव्रता 6.3) और 2016 में जापान के कुमामोतो भूकंप (तीव्रता 7.0) के बाद फ़ॉल्ट के पास के कुओं में पानी का स्तर तेज़ी से गिरा। तो कौन-सा प्रभाव जीतता है, और कब?

छोटे-छोटे भूकंप

पेरिस के École normale supérieure की भूविज्ञान प्रयोगशाला में कैयुआन फ़ान, हर्षा भट और अलेक्ज़ांद्र शुबनेल की टीम ने वेस्टर्ली ग्रेनाइट के 85 मिमी लंबे और 40 मिमी चौड़े सिलेंडर इस्तेमाल किए। चट्टान को दरारें डालने के लिए 450 °C तक गर्म किया गया, फिर फ़ॉल्ट बनाने के लिए 30° पर काटा गया, और उसकी सतहों को हीरे के पेस्ट से चमकाया गया।

पानी के दबाव के छह सेंसर: चार ठीक फ़ॉल्ट के किनारे पर (आधे मिलीमीटर के भीतर), दो चट्टान में और दूर।
एक उच्च-दाब प्रेस ने नमूनों को 30, 45 और 60 मेगापास्कल के प्रभावी परिरोधी दबाव पर दबाया, पानी 25 या 45 MPa पर था।
भार बहुत धीरे डाला गया (0.3 माइक्रोमीटर प्रति सेकंड)। फ़ॉल्ट तनाव जमा करता है, फिर एक झटके में खिसक जाता है — यह है प्रयोगशाला भूकंप। एक प्रयोग में ऐसे 100 से ज़्यादा भूकंप हुए।

उन्होंने क्या देखा

पहले, तापीय दाबवृद्धि — सीधे देखी गई।

शुरुआती भूकंपों में खिसकने के दौरान पानी का दबाव बढ़ा, ठीक उसी पल जब तनाव गिरा।
पहली घटना में: तनाव में लगभग 2.2 MPa की गिरावट, दबाव में लगभग 7 MPa की बढ़ोतरी, लगभग 0.05 मिमी का खिसकाव, और दबाव बढ़ने की दर 180 MPa प्रति सेकंड तक।
तापीय दाबवृद्धि का सैद्धांतिक मॉडल इन बढ़ोतरियों को अच्छी तरह दोहराता है।
एक पूर्व-संकेत: पानी का दबाव टूटन से 50 सेकंड से भी पहले बढ़ने लगा, जबकि तनाव लगभग नहीं बदला था।

फिर, फैलाव की ओर पलटाव।

भूकंप-दर-भूकंप, दबाव बढ़ने के बजाय गिरने लगा — लगभग 15 MPa तक, 380 MPa प्रति सेकंड तक की दर से। एक प्रयोग में यह लगभग शून्य तक पहुँच गया।
यहाँ भी एक पूर्व-संकेत: दबाव टूटन से 10 सेकंड पहले गिरने लगा।
यह पलटाव चारों प्रयोगों में देखा गया।

तेज़, धीमा, तेज़। दोनों चरणों के बीच धीमे भूकंप आए, जो तेज़ भूकंपों से एक से तीन परिमाण-कोटि (orders of magnitude) धीमे थे। सबसे ज़्यादा पारगम्य नमूने में ये नहीं दिखे।

फ़ॉल्ट क्यों बदला

कतरन क्षेत्र लगभग दस गुना मोटा हो गया, लगभग 0.05 मिमी से लगभग 0.4 मिमी। गर्मी ज़्यादा चट्टान में फैल गई, और अनुमानित तापवृद्धि लगभग 10 डिग्री से घटकर 0.2 डिग्री रह गई। इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के नीचे फ़ॉल्ट में पिसी हुई चट्टान के धब्बे, घर्षण से पिघली चट्टान के धागे, और औसतन लगभग 60 माइक्रोमीटर गहरा क्षतिग्रस्त क्षेत्र दिखा।

एक आश्चर्य: बाद के चरण में फैलाव ज़्यादा मज़बूत था, फिर भी टूटन ज़्यादा तेज़ थी। अकेला फैलाव फ़ॉल्ट को स्थिर नहीं करता; कमज़ोर करने वाली दूसरी प्रक्रियाएँ भी काम कर रही हैं।

सीमाएँ

लेखक प्राकृतिक फ़ॉल्ट से तुलना करते समय सावधानी बरतने को कहते हैं: इन प्रयोगों में भूकंपों के बीच फ़ॉल्ट का भरना (healing) शामिल नहीं है। उन्होंने चारों सेंसरों का औसत भी लिया, जबकि वे दबाव का असमान क्षेत्र दिखाते हैं।

फ़ॉल्ट की हालत पर एक खिड़की

लेखकों के अनुसार, यह एक ही बदलते फ़ॉल्ट पर पानी के दबाव की दोनों विपरीत प्रतिक्रियाओं, और तेज़ व धीमे भूकंपों की एक पूरी शृंखला का पहला प्रायोगिक प्रदर्शन है। यह इस धारणा को चुनौती देता है कि बड़े, तेज़ भूकंपों में तापीय दाबवृद्धि हमेशा हावी रहती है। और पानी के दबाव के संकेत फ़ॉल्ट की हालत पर एक खिड़की बन सकते हैं।