LABORATUVARDA DEPREMLER: TERS DÖNEN SU

Bir deprem, bir faya binen gerilme fayın dayanımını aştığında olur: iki blok aniden kayar. Suya doymuş faylarda kayacın gözeneklerindeki suyun basıncı merkezi bir rol oynar. Bu basınç ne kadar yüksekse, bloklar birbirine o kadar az bastırılır — ve fay o kadar kolay kayar.

Bir kayma sırasında iki mekanizma yarışır:

Termal basınçlanma. Sürtünme fayı ısıtır. Su kayaçtan çok daha fazla genleşir, bu yüzden basıncı yükselir, fayı “kaldırır” ve zayıflatır. Büyük depremleri bunun yönlendirdiği yaygın olarak düşünülür — ama laboratuvarda doğrudan nadiren gözlenmiştir.
Genleşmeli (dilatant) sertleşme. Kayaç makaslandıkça ve çatladıkça boşluk yaratır. Su basıncı düşer, bloklar birbirine daha sıkı bastırılır ve fay güçlenir — bu da kırılmayı frenleyebilir.

Arazide, Tayvan’daki 2018 Hualien depremi (büyüklük 6,3) ve Japonya’daki 2016 Kumamoto depremi (büyüklük 7,0) sonrasında fay yakınındaki kuyularda su seviyeleri hızla düştü. Peki hangi etki kazanır, ve ne zaman?

Minyatür depremler

Paris’teki École normale supérieure Jeoloji Laboratuvarı’ndan Caiyuan Fan, Harsha Bhat ve Alexandre Schubnel’in ekibi, 85 mm uzunluğunda ve 40 mm genişliğinde Westerly graniti silindirleri kullandı. Kayaç çatlatılmak için 450 °C’ye ısıtıldı, ardından bir fay oluşturmak üzere 30° açıyla kesildi; fay yüzeyleri elmas pastasıyla parlatıldı.

Altı su basıncı sensörü: dördü fayın tam kenarında (yarım milimetre içinde), ikisi kayacın daha uzak bir yerinde.
Yüksek basınçlı bir pres, numuneleri 30, 45 ve 60 megapaskal etkin çevre basınçlarında sıkıştırdı; su basıncı 25 ya da 45 MPa idi.
Yükleme çok yavaştı (saniyede 0,3 mikrometre). Fay gerilme biriktirir, sonra bir anda kayar — bir laboratuvar depremi. Deneylerden biri bunlardan 100’den fazla üretti.

Ne gördüler

Önce termal basınçlanma — doğrudan gözlendi.

İlk depremlerde su basıncı, kayma sırasında, gerilmenin düştüğü anda yükseldi.
İlk olayda: yaklaşık 2,2 MPa’lık bir gerilme düşüşü, yaklaşık 7 MPa’lık bir basınç artışı, yaklaşık 0,05 mm’lik bir kayma ve saniyede 180 MPa’ya varan bir basınç artış hızı.
Termal basınçlanmanın kuramsal modeli bu artışları iyi yeniden üretiyor.
Bir öncü: gerilme neredeyse hiç değişmezken su basıncı kırılmadan 50 saniyeden fazla önce yükselmeye başladı.

Sonra, genleşmeye dönüş.

Deprem ardına deprem, basınç yükselmek yerine düşmeye başladı — saniyede 380 MPa’ya varan hızlarla, yaklaşık 15 MPa’ya kadar. Bir deneyde sıfıra yaklaştı.
Burada da bir öncü var: basınç kırılmadan 10 saniye önce düşmeye başladı.
Bu dönüşüm dört deneyin hepsinde görüldü.

Hızlı, yavaş, hızlı. İki evre arasında, hızlılardan bir ila üç büyüklük mertebesi daha yavaş yavaş depremler geldi. En geçirgen numunede bunlar görülmedi.

Fay neden değişti

Makaslanma bölgesi yaklaşık on kat kalınlaştı: yaklaşık 0,05 mm’den yaklaşık 0,4 mm’ye. Isı daha fazla kayaca yayıldı ve tahmini ısınma yaklaşık 10 dereceden 0,2 dereceye düştü. Elektron mikroskobu altında fay; ezilmiş kayaç yamaları, sürtünmeyle erimiş kayaç iplikleri ve ortalama yaklaşık 60 mikrometre derinliğinde hasarlı bir bölge gösterdi.

Bir sürpriz: geç evrede genleşme daha güçlüydü, ama yine de kırılmalar daha hızlıydı. Genleşme tek başına fayı kararlı hâle getirmiyor; başka zayıflatıcı süreçler de devrede.

Sınırlar

Yazarlar doğal faylarla karşılaştırma yaparken temkinli olunması çağrısında bulunuyor: bu deneyler fayların depremler arasında iyileşmesini içermiyor. Ayrıca dört sensörün ortalamasını aldılar; oysa sensörler düzensiz bir basınç alanı ortaya koyuyor.

Bir fayın durumuna açılan pencere

Yazarlara göre bu, iki zıt su basıncı tepkisinin ve bir dizi hızlı ve yavaş depremin, evrilen tek bir fay üzerinde ilk deneysel gösterimi. Termal basınçlanmanın büyük ve hızlı depremlerde her zaman baskın olduğu fikrini sorguluyor. Ve su basıncı sinyalleri bir fayın durumuna açılan bir pencere hâline gelebilir.