BİR MAĞARANIN YANI BAŞINDA PATLATMA: EN ÇOK RİSK ALTINDA OLANLAR KISA PİPETLERDİ

Fransa’nın güneydoğusundaki Vercors masifinde yer alan Choranche mağarası yılda yaklaşık 100.000 ziyaretçi ağırlıyor. Hazinesi bir soda pipeti (soda straw) ormanı: ucunda asılı duran su damlasının çevresinde halka halka kalsitle büyüyen, içi boş, yarı saydam sarkıtlar. Yaklaşık 5 milimetrelik bir çapa karşın boyları 3 metreye kadar ulaşıyor; duvarları yarım milimetre kalınlığında. Yılda 0,09 ile 0,92 milimetre arasında büyüdüklerinden, en uzunları 3.200 ila 33.000 yıl önce oluşmaya başlamış olabilir.

Sonra bir inşaat işi çıktı. Ziyaretçileri mağaraya götüren, uçurumun dibinde asılı duran dar patika, yaklaşık 100 metre boyunca kaya duvarına daha yakın bir yere taşınmalıydı. Ağır iş makineleri sahaya ulaşamıyordu; bu yüzden kayanın patlayıcılarla kesilmesi gerekiyordu — pipetlerden birkaç on metre uzakta. Bu tür oluşumlara verilen hasar geri alınamaz.

Bir sarkıtın perdesini ölçmek

ADRGT, Université Grenoble Alpes ve yerel bir jeoteknik firmasından P. Bottelin ve meslektaşları, mağarayı işleten ve çalışmayı finanse eden şirketle birlikte, işe her pipeti mekanik olarak ne ise öyle ele alarak başladı: bir ucundan sabitlenmiş ince bir tüp. Böyle bir tüp, uzunluğuna bağlı bir dizi doğal frekansta — kendi “notalarında” — titreşir: tüp ne kadar kısaysa nota o kadar tizdir.

Ekip, çoğu mağara gölünün dibinden olmak üzere 15 kırık pipet topladı ve bir lazer titreşim ölçerle (laser vibrometer) önce laboratuvarda bunlardan dördünün, ardından mağarada hâlâ asılı duran bir pipetin titreşimlerini ölçtü; orada ucundaki su damlası lazer ışınını yansıtıyordu. Ölçümler, titreşen bir kiriş için ders kitaplarında verilen formülle, 60 gigapaskallık bir sertlik (Young modülü) varsayıldığında örtüşüyor. Kimsenin ölçmek için uzanamadığı mağaradaki pipet 1,2 hertzde ve 650 hertze kadar 13 daha tiz notada tınladı: notalar onun uzunluğunu verdi, 1,78 metre. Pipetler kendi titreşimlerini neredeyse hiç sönümlemez: bir kez tınlamaya başladılar mı, sürüp giderler.

25 örnek üzerinde yapılan bükme deneyleri, bir pipetin kırıldığı gerilmeyi verdi: 2,5 ile 16,2 megapaskal arası. Ekip temkinli bir sınır olarak en zayıf değerin yarısını, 1,25 megapaskalı aldı.

Deneme patlatmaları

Sonra sıra, en fazla 0,2 kilogramlık küçük deneme patlatmalarına geldi; bunlar mağara duvarına sabitlenmiş sensörlerle kaydedildi. Mağaradaki sensörden yaklaşık 55 metre uzakta yapılan 0,2 kilogramlık bir atım, kayayı saniyenin onda biri boyunca saniyede yaklaşık 1 milimetre hızla sarstı. Titreşimi 10 ile 500 hertz arasına yayılıyordu ve 175 hertz civarında bir tepe yapıyordu.

Ardından 2,5 santimetreden 3 metreye kadar uzunluktaki pipetlerin bir bilgisayar modeli, kaydedilen sarsıntıyı yeniden oynattı. Sonuç sezgiye ters düşüyor. En büyük gerilme, temel notası tam 175 hertzde bulunan yaklaşık 15 santimetre uzunluğundaki pipetlere isabet etti: bunlar patlamayla rezonansa giriyor. En çok 10 santimetre ile 1 metre arasındaki pipetler etkilendi; daha uzun olanlar, daha ağır olmalarına karşın daha az zorlandı. Rezonans yükü beş katına kadar çıkarabilir.

İnşaat patlatmalarında, dalgaların üst üste binmesini önlemek için birkaç şarj birkaç on milisaniye arayla ateşlenir. Modelde, 20 ila 30 milisaniye arayla patlatılan on şarj tepe sarsıntıyı ancak biraz artırdı — saniyede yaklaşık 1’den 1,3 milimetreye — ama gerilmeyi 3,5 katına çıkardı: dalga dizisi yüksek frekanslar bakımından daha zengindir, tam da kısa pipetlerin yakaladığı frekanslar bakımından.

Kaya için bir hız sınırı

Sarsıntı, gerilme temkinli sınıra ulaşana dek ölçeklendirildiğinde bir eşik elde edildi: gecikmeli patlatmalar için mağara duvarında saniyede 2,4 milimetre, tek bir atım içinse 8,6. Titreşimlerin uzaklıkla nasıl söndüğüne uydurulan bir yasa, bu eşiği her uzaklıkta izin verilen en büyük şarja dönüştürdü. Kazı patlatmaları bu sınır içinde gerçekleştirildi ve hiçbir pipet zarar görmedi.

Deprem durumu

Ekip ayrıca bölgesel bir depremi de simüle etti; bunun için hiçbir zaman kaydedilmemiş olan 1962 tarihli yerel referans depreminin yerine, merkez üssünden yaklaşık 10 kilometre uzakta kaydedilen 5,2 büyüklüğündeki 2014 Barcelonnette depremini kullandı. Yerin derinliklerinde sarsıntının, yüzeydeki değerinin yaklaşık onda birine düşmesi beklenir. Bir deprem yavaş, yaklaşık 10 hertzin altında titreşir; bu yüzden bu kez 1 ila 2 metre uzunluğundaki pipetler rezonansa girer. Gerilme sınırın altında kaldı: böyle bir olay onları büyük olasılıkla kırmazdı.

Ders Choranche’ın ötesine uzanıyor. Bir sarkıtın riskini rezonansı göz ardı edip yalnızca tepe ivmeye bakarak değerlendiren yöntemler, tehlikeyi ciddi biçimde hafife alabilir — bu da geçmiş depremleri kırık ya da sağlam mağara oluşumlarından okuyan çalışmalar için bir yanlılık kaynağıdır. 2020’de Journal of Seismology’de yayımlanan ve şimdi arXiv’e konan çalışma yalnızca kusursuz biçimde tüp şeklindeki pipetleri kapsıyor; daha kalın sarkıtlar, sütunlar ve perde biçimli oluşumlar için her birinin kendi modeli gerekir.