Multiscale heterogeneity controls ultrasonic wave propagation in tectonically deformed coal: Insights from CT imaging and numerical wavefield modelling

पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, कोयले की परतें काले पत्थर के एक समान ब्लॉक नहीं होती हैं। लाखों वर्षों में, टेक्टोनिक प्लेटों के खिसकने से ये परतें दबती, टूटती और बिखरती हैं, जिससे ये ठोस चट्टान से जटिल, खंडित सामग्रियों में बदल जाती हैं। यह प्रक्रिया वह बनाती है जिसे भूवैज्ञानिक 'टेक्टोनिक रूप से विकृत कोयला' (tectonically deformed coal) कहते हैं, जो सूक्ष्म दरारों, छिद्रों और खनिज कणों से भरा होता है जो नग्न आंखों से अदृश्य होते हैं। इन छिपी हुई संरचनाओं के व्यवहार को समझने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर ध्वनि तरंगों का उपयोग करते हैं। जिस तरह एक डॉक्टर शरीर के अंदर देखने के लिए अल्ट्रासाउंड का उपयोग करता है, इंजीनियर चट्टान के भीतर सुनने के लिए उच्च-आवृत्ति वाले ध्वनि स्पंदों (pulses) को भेजते हैं। ये तरंगें कितनी गति से चलती हैं और उनका आकार कैसे बदलता है, यह सामग्री के स्वास्थ्य और संरचना के बारे में एक कहानी बताता है। यदि चट्टान ठोस और निरंतर है, तो ध्वनि तेजी से और स्पष्ट रूप से चलती है। यदि चट्टान टूटी हुई और छेदों से भरी है, तो ध्वनि धीमी हो जाती है, बिखर जाती है और अपनी ऊर्जा खो देती है। खनन सुरक्षा के लिए और कोयले के भीतर फंसे प्राकृतिक गैस को खोजने के लिए इन अंतरों को समझना महत्वपूर्ण है, क्योंकि आंतरिक संरचना यह निर्धारित करती है कि तरल पदार्थ कैसे चलते हैं और चट्टान दबाव में कैसे विफल हो सकती है।

चीन यूनिवर्सिटी ऑफ माइनिंग एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए प्रयास किया कि कोयले की सूक्ष्म वास्तुकला (microscopic architecture) इन ध्वनि तरंगों को ठीक कैसे नियंत्रित करती है। उन्होंने एक ही खदान में पाए जाने वाले दो अलग-अलग प्रकार के कोयले पर ध्यान केंद्रित किया: प्राथमिक कोयला (primary coal), जो अपनी मूल, अपेक्षाकृत सुरक्षित संरचना को बनाए रखता है, और कैटैक्लास्टिक कोयला (cataclastic coal), जो टेक्टोनिक बलों द्वारा कुचला और बिखेरा गया है। टीम ने दोनों प्रकार के नमूने एकत्र किए और उनका कठोर परीक्षण किया। सबसे पहले, उन्होंने नमूनों के माध्यम से अल्ट्रासोनिक स्पंदों को छोड़ा ताकि यह माप सकें कि तरंगें कितनी तेजी से चलती हैं और उनके वेवफॉर्म (waveforms) कैसे बदलते हैं। फिर, उन्होंने उच्च-रिज़ॉल्यूशन एक्स-रे कंप्यूटेड टोमोग्राफी का उपयोग किया, जो एक मेडिकल सीटी स्कैन के समान है लेकिन बहुत अधिक विवरण के साथ, ताकि कोयले के आंतरिक छिद्रों और खनिजों का त्रि-आयामी डिजिटल मानचित्र बनाया जा सके। अंत में, उन्होंने इन डिजिटल मानचित्रों को एक कंप्यूटर सिमुलेशन में डाला ताकि वे देख सकें कि वर्चुअल चट्टान के माध्यम से ध्वनि तरंगें कैसे चलती हैं, जिससे उन्हें सूक्ष्म खनिज कणों बनाम बड़ी दरारों के विशिष्ट प्रभावों को अलग करने में मदद मिली।

परिणामों ने दोनों प्रकार के कोयले के बीच एक स्पष्ट अंतर प्रकट किया। प्राथमिक कोयले के माध्यम से ध्वनि तरंगें काफी तेजी से चलीं, जिसमें संपीड़न तरंगें (compressional waves) औसतन 2,38 मीटर प्रति सेकंड की गति से चलीं। बिखरे हुए कैटैक्लास्टिक कोयले में, वह गति घटकर 1,571 मीटर प्रति सेकंड रह गई, जो लगभग 23 प्रतिशत की कमी है। शियर तरंगें (shear waves), जो सामग्री के माध्यम से अलग तरह से चलती हैं, ने भी इसी तरह की गिरावट दिखाई। जब शोधकर्ताओं ने डिजिटल मानचित्रों को देखा, तो उन्होंने पाया कि दोनों प्रकार के कोयले में खनिज पदार्थ की मात्रा लगभग समान थी, जो कुल आयतन का केवल लगभग 6 से 8 प्रतिशत थी। इसका अर्थ था कि खनिज स्वयं इस मंदी का प्राथमिक कारण नहीं थे। इसके बजाय, अंतर खाली स्थानों में था। कैटैक्लास्टिक कोयला बहुत अधिक छिद्रपूर्ण था, जिसकी सरंध्रता (porosity) प्राथमिक कोयले के मात्र 1 से 2 प्रतिशत की तुलना में 2 से 3 प्रतिशत थी। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि बिखरे हुए कोयले में दरारें न केवल अधिक संख्या में थीं; वे आकार में बड़ी और विविध भी थीं, जिनमें बड़ी संख्या में छिद्र और फ्रैक्चर 150 की चौड़ाई से अधिक थे।

ध्वनि तरंगों के व्यवहार ने पुष्टि की कि ये बड़ी, अधिक जुड़ी हुई दरारें ही ध्वनिक परिवर्तनों के पीछे के असली अपराधी थे। प्राथमिक कोयले में, ध्वनि तरंगें एक स्थिर लय बनाए रखती हैं, उनकी ऊर्जा एक विशिष्ट आवृत्ति सीमा में केंद्रित होती है और सेंसर तक एक सुगठित, अनुमानित विस्फोट के रूप में पहुँचती है। कैटैक्लास्टिक कोयले में, तरंगें अराजक हो गईं। सिग्नल देरी से पहुँचा, बहुत कमजोर था, और लंबे समय तक फैला रहा। आवृत्ति स्पेक्ट्रम (frequency spectrum), जो ध्वनि के उच्च और निम्न स्वरों के मिश्रण को दर्शाता है, अधिक व्यापक और जटिल हो गया, जिसमें निम्न आवृत्तियों की ओर स्पष्ट बदलाव देखा गया। यह इंगित करता था कि ध्वनि तरंगें असंख्य दरारों की दीवारों से टकराकर बार-बार बिखर और परावर्तित (reflect) हो रही थीं, जिससे वे अपनी उच्च-आवृत्ति ऊर्जा खो रही थीं। डिजिटल सिमुलेशन ने पहेली का अंतिम हिस्सा प्रदान किया। जब शोधकर्ताओं ने केवल खनिज कणों वाले कोयले का मॉडल बनाया, तो ध्वनि तरंगें बिना किसी व्यवधान के गुजर गईं। हालांकि, जब उन्होंने दरारों के नेटवर्क को जोड़ा, तो तरंगों को एक टेढ़े-मेढ़े रास्ते से गुजरना पड़ा, जो खाली स्थानों के चारों ओर उछलती और विवर्तित (diffract) होती रहीं। इस प्रकीर्णन प्रभाव (scattering effect) ने पहले ध्वनि स्पंद के आगमन को मापने योग्य मात्रा में विलंबित कर दिया और बिखरी हुई ऊर्जा का एक लंबा प्रतिध्वनि (echo) प्रभाव पैदा किया जो ठोस चट्टान की तुलना में बहुत अधिक समय तक बना रहा।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि कोयले में खनिज मौजूद हैं, लेकिन वे इसमें ध्वनि के संचरण में मामूली भूमिका निभाते हैं। प्रमुख कारक पोर-फ्रैक्चर सिस्टम (pore-fracture system) है—दरारों और छिद्रों का नेटवर्क जो टेक्टोनिक तनाव द्वारा निर्मित होता है। यही वह नेटवर्क है जो तरंगों की गति, खोई हुई ऊर्जा की मात्रा और सिग्नल की जटिलता को निर्धारित करता है। यह समझकर कि इन दरारों का आकार और जुड़ाव ध्वनिक व्यवहार के प्राथमिक चालक हैं, वैज्ञानिक जमीन के नीचे से प्राप्त होने वाले संकेतों की बेहतर व्याख्या कर सकते हैं। यह ज्ञान भूवैज्ञानिक बलों द्वारा कोयले की परतों को किए गए नुकसान का आकलन करने का एक स्पष्ट तरीका प्रदान करता है और उन छिपी हुई संरचनाओं के लक्षण वर्णन की क्षमता में सुधार करता है जो गैस के प्रवाह और चट्टान की स्थिरता को नियंत्रित करती हैं। यह कार्य ध्वनि तरंगों को न केवल एक मापने वाले उपकरण के रूप में, बल्कि पृथ्वी के भीतर के अदृश्य, खंडित विश्व को देखने के एक सटीक तरीके के रूप में उपयोग करने के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है।