ప్రయోగశాలలో భూకంపాలు: తిరగబడే నీరు

భ్రంశంపై ఒత్తిడి దాని బలాన్ని మించినప్పుడు భూకంపం వస్తుంది: రెండు రాతి ఖండాలు అకస్మాత్తుగా జారుతాయి. నీటితో తడిసిన భ్రంశాల్లో, రాయిలోని రంధ్రాల్లో ఉన్న నీటి పీడనం కేంద్ర పాత్ర పోషిస్తుంది. అది ఎంత ఎక్కువైతే, ఖండాలు ఒకదానిపై ఒకటి అంత తక్కువగా నొక్కబడతాయి — భ్రంశం అంత సులభంగా జారుతుంది.

జారుతున్న సమయంలో రెండు యంత్రాంగాలు పోటీ పడతాయి:

ఉష్ణ పీడనీకరణ (thermal pressurisation). ఘర్షణ భ్రంశాన్ని వేడి చేస్తుంది. నీరు రాయి కంటే చాలా ఎక్కువగా వ్యాకోచిస్తుంది, కాబట్టి దాని పీడనం పెరిగి, భ్రంశాన్ని “పైకి లేపి” బలహీనపరుస్తుంది. పెద్ద భూకంపాలను నడిపేది ఇదేనని విస్తృతంగా భావిస్తారు — కానీ ప్రయోగశాలలో దీన్ని నేరుగా గమనించడం అరుదు.
వ్యాకోచ దృఢీకరణ (dilatant strengthening). రాయి కోత పడి పగిలినప్పుడు, ఖాళీ స్థలం ఏర్పడుతుంది. నీటి పీడనం తగ్గుతుంది, ఖండాలు మరింత గట్టిగా నొక్కుకుంటాయి, భ్రంశం బలపడుతుంది — బహుశా చీలికకు బ్రేక్ వేస్తుంది.

క్షేత్రంలో, తైవాన్‌లో 2018 హువాలియన్ భూకంపం (తీవ్రత 6.3), జపాన్‌లో 2016 కుమామోటో భూకంపం (తీవ్రత 7.0) తర్వాత భ్రంశానికి సమీపంలోని బావుల్లో నీటి మట్టాలు వేగంగా పడిపోయాయి. మరి ఏ ప్రభావం గెలుస్తుంది, ఎప్పుడు?

చిన్న భూకంపాలు

పారిస్‌లోని École normale supérieure భూగర్భ శాస్త్ర ప్రయోగశాలకు చెందిన కైయువాన్ ఫాన్ (Caiyuan Fan), హర్ష భట్ (Harsha Bhat), అలెగ్జాండ్ర్ షుబ్నెల్ (Alexandre Schubnel) బృందం 85 mm పొడవు, 40 mm వెడల్పు ఉన్న వెస్టర్లీ గ్రానైట్ స్థూపాలను ఉపయోగించింది. రాయిని పగిలేలా చేయడానికి 450 °C వరకు వేడి చేసి, తర్వాత భ్రంశాన్ని సృష్టించడానికి 30° కోణంలో రంపంతో కోశారు; దాని ముఖాలను వజ్రపు పేస్ట్‌తో మెరుగుపెట్టారు.

ఆరు నీటి పీడన సెన్సర్లు: నాలుగు భ్రంశం అంచునే (అర మిల్లీమీటర్ లోపల), రెండు రాయిలో ఇంకా దూరంగా.
అధిక పీడన ప్రెస్ నమూనాలను 30, 45, 60 మెగాపాస్కల్ ప్రభావవంతమైన పరిబంధ పీడనాల వద్ద నొక్కింది, నీటి పీడనం 25 లేదా 45 MPa.
భారాన్ని చాలా నెమ్మదిగా పెంచారు (సెకనుకు 0.3 మైక్రోమీటర్లు). భ్రంశం ఒత్తిడిని పోగుచేసుకుని, ఒక్కసారిగా జారుతుంది — ఇదే ప్రయోగశాల భూకంపం. ఒక ప్రయోగంలో ఇలాంటివి 100 కంటే ఎక్కువ వచ్చాయి.

వారు చూసింది

మొదట, ఉష్ణ పీడనీకరణ — నేరుగా గమనించారు.

మొదటి భూకంపాల్లో, జారే సమయంలో నీటి పీడనం పెరిగింది, సరిగ్గా ఒత్తిడి తగ్గుతున్న క్షణంలోనే.
మొదటి సంఘటనలో: సుమారు 2.2 MPa ఒత్తిడి తగ్గుదల, సుమారు 7 MPa పీడన పెరుగుదల, సుమారు 0.05 mm జారుడు, సెకనుకు 180 MPa వరకు పీడన పెరుగుదల రేటు.
ఉష్ణ పీడనీకరణ సైద్ధాంతిక నమూనా ఈ పెరుగుదలలను బాగా పునరుత్పత్తి చేస్తుంది.
ముందస్తు సంకేతం: నీటి పీడనం చీలికకు 50 సెకన్ల కంటే ఎక్కువ ముందే పెరగడం మొదలైంది, అప్పుడు ఒత్తిడి దాదాపు మారలేదు.

తర్వాత, వ్యాకోచం వైపు తిరగబడటం.

భూకంపం తర్వాత భూకంపం, పీడనం పెరగడానికి బదులు తగ్గడం మొదలైంది — సుమారు 15 MPa వరకు, సెకనుకు 380 MPa వరకు వేగంతో. ఒక ప్రయోగంలో అది దాదాపు సున్నాకు చేరింది.
ఇక్కడ కూడా ముందస్తు సంకేతం: పీడనం చీలికకు 10 సెకన్ల ముందు తగ్గడం మొదలైంది.
ఈ తిరగబడటం నాలుగు ప్రయోగాల్లోనూ కనిపించింది.

వేగం, నెమ్మది, వేగం. రెండు దశల మధ్య నెమ్మది భూకంపాలు వచ్చాయి, వేగవంతమైన వాటి కంటే ఒకటి నుంచి మూడు పరిమాణ క్రమాల (orders of magnitude) మేర నెమ్మదిగా. అత్యంత పారగమ్య నమూనాలో అవి కనిపించలేదు.

భ్రంశం ఎందుకు మారింది

కోత మండలం సుమారు పది రెట్లు మందంగా పెరిగింది, సుమారు 0.05 mm నుంచి సుమారు 0.4 mm కు. వేడి ఎక్కువ రాయిలోకి విస్తరించింది, అంచనా వేసిన ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదల సుమారు 10 డిగ్రీల నుంచి 0.2 డిగ్రీలకు తగ్గింది. ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని కింద, భ్రంశంలో నలిగిన రాయి మచ్చలు, ఘర్షణతో కరిగిన రాతి దారాలు, సగటున సుమారు 60 మైక్రోమీటర్ల లోతున్న దెబ్బతిన్న మండలం కనిపించాయి.

ఒక ఆశ్చర్యం: తర్వాతి దశలో వ్యాకోచం మరింత బలంగా ఉంది, అయినా చీలికలు మరింత వేగంగా జరిగాయి. వ్యాకోచం ఒక్కటే భ్రంశాన్ని స్థిరపరచదు; ఇతర బలహీనపరిచే ప్రక్రియలు కూడా పనిచేస్తున్నాయి.

పరిమితులు

సహజ భ్రంశాలతో పోల్చేటప్పుడు జాగ్రత్తగా ఉండాలని రచయితలు సూచిస్తున్నారు: ఈ ప్రయోగాల్లో భూకంపాల మధ్య భ్రంశాలు తిరిగి అతుక్కునే ప్రక్రియ లేదు. వారు నాలుగు సెన్సర్ల సగటును కూడా తీసుకున్నారు, అవి అసమాన పీడన క్షేత్రాన్ని చూపుతాయి.

భ్రంశ స్థితిని చూపే కిటికీ

రచయితల ప్రకారం, ఇది మారుతూ ఉండే ఒకే భ్రంశంపై రెండు వ్యతిరేక నీటి పీడన ప్రతిస్పందనలనూ, వేగవంతమైన నుంచి నెమ్మది భూకంపాల శ్రేణినీ చూపిన మొదటి ప్రయోగాత్మక నిరూపణ. పెద్ద, వేగవంతమైన భూకంపాలపై ఉష్ణ పీడనీకరణదే ఎప్పుడూ ఆధిపత్యం అనే ఆలోచనను ఇది సవాలు చేస్తుంది. నీటి పీడన సంకేతాలు భ్రంశ స్థితిని చూపే కిటికీ కాగలవు.