GEMPA DI LABORATORIUM: AIR YANG BERBALIK PERAN

Gempa terjadi ketika tegangan pada sesar melampaui kekuatannya: kedua blok tiba-tiba tergelincir. Pada sesar yang jenuh air, tekanan air di pori-pori batuan memegang peran utama. Semakin tinggi tekanannya, semakin lemah kedua blok saling menekan — dan semakin mudah sesar bergeser.

Dua mekanisme bersaing selama pergeseran:

1. Pemampatan termal (thermal pressurisation). Gesekan memanaskan sesar. Air memuai jauh lebih banyak daripada batuan, sehingga tekanannya naik, “mengangkat” sesar dan melemahkannya. Mekanisme ini banyak diyakini menggerakkan gempa besar — tetapi jarang diamati langsung di laboratorium.
2. Penguatan dilatan (dilatant strengthening). Saat batuan tergeser dan retak, terbentuk ruang kosong. Tekanan air turun, kedua blok saling menekan lebih kuat, dan sesar menguat — mungkin mengerem patahan.

Di lapangan, permukaan air di sumur-sumur dekat sesar turun dengan cepat setelah gempa Hualien 2018 di Taiwan (magnitudo 6,3) dan gempa Kumamoto 2016 di Jepang (magnitudo 7,0). Jadi efek mana yang menang, dan kapan?

Gempa mini

Tim Caiyuan Fan, Harsha Bhat, dan Alexandre Schubnel di Laboratorium Geologi École normale supérieure di Paris menggunakan silinder granit Westerly sepanjang 85 mm dan selebar 40 mm. Batuan dipanaskan hingga 450 °C agar retak, lalu digergaji dengan sudut 30° untuk membuat sesar, yang permukaannya dipoles dengan pasta intan.

• Enam sensor tekanan air: empat tepat di tepi sesar (dalam jarak setengah milimeter), dua lagi lebih jauh di dalam batuan.
• Sebuah mesin tekan bertekanan tinggi memampatkan sampel pada tekanan pengekang efektif 30, 45, dan 60 megapascal, dengan tekanan air 25 atau 45 MPa.
• Pembebanan berlangsung sangat lambat (0,3 mikrometer per detik). Sesar menimbun tegangan, lalu tergelincir sekaligus — sebuah gempa laboratorium. Satu eksperimen menghasilkan lebih dari 100 gempa.

Apa yang mereka lihat

Pertama, pemampatan termal — teramati secara langsung.

• Pada gempa-gempa awal, tekanan air naik selama pergeseran, bersamaan dengan turunnya tegangan.
• Pada peristiwa pertama: penurunan tegangan sekitar 2,2 MPa, kenaikan tekanan sekitar 7 MPa, pergeseran sekitar 0,05 mm, dan laju kenaikan tekanan hingga 180 MPa per detik.
• Model teoretis pemampatan termal mereproduksi kenaikan ini dengan baik.
• Prekursor: tekanan air mulai naik lebih dari 50 detik sebelum patahan, sementara tegangan nyaris tidak berubah.

Kemudian, pembalikan menuju dilatansi.

• Gempa demi gempa, tekanan mulai turun alih-alih naik — hingga sekitar 15 MPa, dengan laju hingga 380 MPa per detik. Dalam satu eksperimen, tekanannya mendekati nol.
• Di sini pun ada prekursor: tekanan mulai turun 10 detik sebelum patahan.
• Pembalikan ini terlihat di keempat eksperimen.

Cepat, lambat, cepat. Di antara kedua fase muncul gempa lambat, satu hingga tiga orde besaran lebih lambat daripada gempa cepat. Gempa lambat ini tidak muncul pada sampel yang paling permeabel.

Mengapa sesar berubah

Zona geser menjadi sekitar sepuluh kali lebih tebal, dari sekitar 0,05 mm menjadi sekitar 0,4 mm. Panas tersebar ke lebih banyak batuan, dan perkiraan pemanasan turun dari sekitar 10 derajat menjadi 0,2 derajat. Di bawah mikroskop elektron, sesar menunjukkan bercak-bercak batuan hancur, benang-benang batuan yang meleleh akibat gesekan, dan zona rusak dengan kedalaman rata-rata sekitar 60 mikrometer.

Sebuah kejutan: pada fase akhir, dilatansi lebih kuat, namun patahannya lebih cepat. Dilatansi saja tidak menstabilkan sesar; ada proses pelemahan lain yang bekerja.

Keterbatasan

Para penulis mengingatkan agar berhati-hati saat membandingkan dengan sesar alami: eksperimen ini tidak mencakup “penyembuhan” sesar di antara gempa. Mereka juga merata-ratakan keempat sensor, yang sebenarnya menunjukkan medan tekanan yang tidak merata.

Jendela untuk melihat keadaan sesar

Menurut para penulis, ini adalah demonstrasi eksperimental pertama atas kedua respons tekanan air yang berlawanan, serta beragam gempa cepat dan lambat, pada satu sesar yang terus berubah. Temuan ini menantang anggapan bahwa pemampatan termal selalu mendominasi gempa besar yang cepat. Dan sinyal tekanan air bisa menjadi jendela untuk melihat keadaan sebuah sesar.