গবেষণাগারে ভূমিকম্প: যে পানি পক্ষ বদলায়
কোনো চ্যুতির (ফল্ট) ওপর চাপ যখন তার শক্তিকে ছাড়িয়ে যায়, তখন ভূমিকম্প হয়: দুটি শিলাখণ্ড হঠাৎ পিছলে যায়। পানিতে ভেজা চ্যুতিতে শিলার রন্ধ্রে থাকা পানির চাপ কেন্দ্রীয় ভূমিকা পালন করে। এটি যত বেশি, খণ্ড দুটি একে অপরকে তত কম চেপে ধরে — আর চ্যুতি তত সহজে পিছলায়।
পিছলানোর সময় দুটি প্রক্রিয়া প্রতিযোগিতা করে:
- তাপীয় চাপবৃদ্ধি (thermal pressurisation)। ঘর্ষণ চ্যুতিকে গরম করে। পানি শিলার চেয়ে অনেক বেশি প্রসারিত হয়, তাই এর চাপ বাড়ে, চ্যুতিকে “তুলে ধরে” এবং দুর্বল করে। ব্যাপকভাবে মনে করা হয় এটিই বড় ভূমিকম্পের চালিকাশক্তি — কিন্তু গবেষণাগারে একে সরাসরি খুব কমই দেখা গেছে।
- প্রসারণজনিত দৃঢ়তা (dilatant strengthening)। শিলা কর্তিত হয়ে ফাটার সময় ফাঁকা জায়গা তৈরি হয়। পানির চাপ কমে, খণ্ডগুলো আরও জোরে চেপে বসে, আর চ্যুতি শক্ত হয় — যা হয়তো ফাটলকে থামিয়ে দেয়।
বাস্তবে, ২০১৮ সালে তাইওয়ানের হুয়ালিয়েন ভূমিকম্প (মাত্রা ৬.৩) এবং ২০১৬ সালে জাপানের কুমামোতো ভূমিকম্পের (মাত্রা ৭.০) পর চ্যুতির কাছের কূপগুলোতে পানির স্তর দ্রুত নেমে গিয়েছিল। তাহলে কোন প্রভাব জেতে, আর কখন?
ক্ষুদ্র ভূমিকম্প
প্যারিসের École normale supérieure-এর ভূতত্ত্ব গবেষণাগারে কাইয়ুয়ান ফান, হর্ষ ভাট ও আলেকসান্দ্র শুবনেলের দল ৮৫ মিমি লম্বা ও ৪০ মিমি চওড়া ওয়েস্টার্লি গ্রানাইটের সিলিন্ডার ব্যবহার করেছে। ফাটল ধরাতে শিলাটিকে ৪৫০ °সে পর্যন্ত গরম করা হয়, তারপর চ্যুতি তৈরির জন্য ৩০° কোণে করাত দিয়ে কাটা হয়, আর এর তলগুলো হীরার পেস্ট দিয়ে মসৃণ করা হয়।
- পানির চাপের ছয়টি সেন্সর: চারটি চ্যুতির একেবারে কিনারায় (আধা মিলিমিটারের মধ্যে), দুটি শিলার আরও ভেতরে দূরে।
- একটি উচ্চচাপ যন্ত্র নমুনাগুলোকে ৩০, ৪৫ ও ৬০ মেগাপাসকাল কার্যকর আবদ্ধ চাপে চেপে ধরেছে, পানি ছিল ২৫ বা ৪৫ MPa-তে।
- ভার দেওয়া হয়েছে খুব ধীরে (সেকেন্ডে ০.৩ মাইক্রোমিটার)। চ্যুতি চাপ জমায়, তারপর একবারে পিছলে যায় — এটিই গবেষণাগারের ভূমিকম্প। একটি পরীক্ষায় এমন ১০০টিরও বেশি ভূমিকম্প হয়েছে।
তাঁরা কী দেখলেন
প্রথমে, তাপীয় চাপবৃদ্ধি — সরাসরি দেখা গেল।
- প্রথম দিকের ভূমিকম্পগুলোতে পিছলানোর সময় পানির চাপ বেড়েছে, ঠিক যে মুহূর্তে চাপ (স্ট্রেস) কমেছে।
- প্রথম ঘটনায়: প্রায় ২.২ MPa স্ট্রেস হ্রাস, প্রায় ৭ MPa চাপবৃদ্ধি, প্রায় ০.০৫ মিমি পিছলানো, এবং সেকেন্ডে ১৮০ MPa পর্যন্ত চাপবৃদ্ধির হার।
- তাপীয় চাপবৃদ্ধির তাত্ত্বিক মডেল এই বৃদ্ধিগুলো ভালোভাবে পুনরুৎপাদন করে।
- একটি পূর্বসংকেত: পানির চাপ ফাটলের ৫০ সেকেন্ডেরও বেশি আগে বাড়তে শুরু করেছিল, যখন স্ট্রেস প্রায় বদলায়নি।
তারপর, প্রসারণের দিকে উল্টে যাওয়া।
- একের পর এক ভূমিকম্পে চাপ বাড়ার বদলে কমতে শুরু করল — প্রায় ১৫ MPa পর্যন্ত, সেকেন্ডে ৩৮০ MPa পর্যন্ত হারে। একটি পরীক্ষায় তা প্রায় শূন্যে পৌঁছেছিল।
- এখানেও একটি পূর্বসংকেত: চাপ ফাটলের ১০ সেকেন্ড আগে কমতে শুরু করেছিল।
- এই উল্টে যাওয়া চারটি পরীক্ষাতেই দেখা গেছে।
দ্রুত, ধীর, দ্রুত। দুই পর্বের মাঝে এসেছে ধীর ভূমিকম্প, যা দ্রুতগুলোর চেয়ে এক থেকে তিন মাত্রাক্রম (orders of magnitude) ধীর। সবচেয়ে বেশি ভেদ্য নমুনায় এগুলো দেখা যায়নি।
চ্যুতি কেন বদলাল
কর্তন অঞ্চল প্রায় দশ গুণ পুরু হয়েছে, প্রায় ০.০৫ মিমি থেকে প্রায় ০.৪ মিমি। তাপ বেশি শিলায় ছড়িয়ে পড়েছে, আর আনুমানিক উষ্ণতাবৃদ্ধি প্রায় ১০ ডিগ্রি থেকে নেমে ০.২ ডিগ্রি হয়েছে। ইলেকট্রন অণুবীক্ষণে চ্যুতিতে দেখা গেছে গুঁড়ো শিলার ছোপ, ঘর্ষণে গলে যাওয়া শিলার সুতো, আর গড়ে প্রায় ৬০ মাইক্রোমিটার গভীর একটি ক্ষতিগ্রস্ত অঞ্চল।
একটি চমক: শেষ পর্বে প্রসারণ ছিল আরও জোরালো, তবু ফাটলগুলো ছিল আরও দ্রুত। প্রসারণ একা চ্যুতিকে স্থিতিশীল করে না; দুর্বল করার অন্য প্রক্রিয়াও কাজ করছে।
সীমাবদ্ধতা
প্রাকৃতিক চ্যুতির সঙ্গে তুলনা করার সময় লেখকেরা সতর্ক থাকতে বলেন: এই পরীক্ষাগুলোতে দুই ভূমিকম্পের মাঝে চ্যুতির জোড়া লাগা (healing) অন্তর্ভুক্ত নেই। তাঁরা চারটি সেন্সরের গড়ও নিয়েছেন, যেগুলো একটি অসম চাপক্ষেত্র দেখায়।
চ্যুতির অবস্থার দিকে একটি জানালা
লেখকদের মতে, এটি একটিমাত্র বিবর্তনশীল চ্যুতিতে পানির চাপের দুটি বিপরীত প্রতিক্রিয়া, এবং দ্রুত ও ধীর ভূমিকম্পের একটি পুরো পরিসরের প্রথম পরীক্ষামূলক প্রদর্শন। এটি এই ধারণাকে চ্যালেঞ্জ করে যে বড়, দ্রুত ভূমিকম্পে তাপীয় চাপবৃদ্ধিই সবসময় প্রাধান্য পায়। আর পানির চাপের সংকেত হয়ে উঠতে পারে চ্যুতির অবস্থার দিকে একটি জানালা।