Subsurface fault geometries in inland Hokkaido from geometric clustering of dense hypocenter distributions

पृथ्वी की सतह के नीचे, ज़मीन एक ठोस, अखंड खोल नहीं है। इसके बजाय, यह विशाल दरारों द्वारा खंडित है जिन्हें 'फॉल्ट्स' (faults) कहा जाता है, जहाँ टेक्टोनिक प्लेटें एक-दूसरे से रगड़ खाती हैं। जब इन दरारों के साथ तनाव बढ़ता है और अंततः मुक्त होता है, तो इसका परिणाम भूकंप के रूप में सामने आता है। उन वैज्ञानिकों के लिए जो यह भविष्यवाणी करने की कोशिश कर रहे हैं कि ज़मीन कहाँ और कितनी तीव्रता से हिल सकती है, इन छिपी हुई दरारों के सटीक आकार और दिशा को जानना आवश्यक है। हालाँकि, जबकि भूविज्ञानी उन फॉल्ट्स का मानचित्रण कर सकते हैं जो सतह पर टूटते हैं, अधिकांश खतरनाक भूकंप "ब्लाइंड फॉल्ट्स" (blind faults) पर होते हैं जो कभी ऊपर तक नहीं पहुँचते। ये अदृश्य संरचनाएँ ज़मीन के बहुत नीचे स्थित होती हैं, जिससे उन्हें उपग्रह चित्रों या सतह के सर्वेक्षणों जैसे पारंपरिक उपकरणों से देखना लगभग असंभव हो जाता है। इन छिपी हुई ज्यामितिओं की स्पष्ट तस्वीर के बिना, यह समझना कठिन है कि क्रस्ट (पपड़ी) के माध्यम से तनाव कैसे चलता है या भविष्य की आपदाओं के जोखिम का सटीक आकलन कैसे किया जाए।

उत्तरी जापानी द्वीप होक्काइडो में, यह चुनौती विशेष रूप से गंभीर है। यह क्षेत्र एक जटिल जंक्शन पर स्थित है जहाँ कई विशाल टेक्टोनिक प्लेटें आपस में टकराती हैं और एक-दूसरे के बगल से फिसलती हैं। यह टेक्टोनिक गतिविधि बार-बार भूकंप उत्पन्न करती है, फिर भी उनके लिए जिम्मेदार कई फॉल्ट्स अज्ञात रहते हैं क्योंकि वे मिट्टी के नीचे गहराई में दबे हुए हैं या बर्फ और वनस्पतियों की मोटी परतों के नीचे छिपे हुए हैं। इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने भूकंपों की ओर ही रुख किया। पिछले दो दशकों में हुए हजारों छोटे झटकों के सटीक स्थानों का विश्लेषण करके, वे उन फॉल्ट्स के त्रि-आयामी (three-dimensional) आकारों को पुनर्गठित करने में सक्षम हुए जिन्होंने उन्हें उत्पन्न किया था। उनका कार्य होक्काइडो के संपूर्ण आंतरिक क्षेत्र में इन छिपी हुई संरचनाओं का पहला व्यापक मानचित्र प्रदान करता है, जो गहरे, तीव्र ढाल वाले दरारों के परिदृश्य को प्रकट करता है जो सतह के मानचित्रों द्वारा सुझाए गए विवरणों से काफी भिन्न हैं।

शोधकर्ताओं ने पृथ्वी को सुनने के लिए एक अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील कान का उपयोग किया। उन्होंने होक्काइडो में फैले सिस्मोमीटर (seismometers) के एक सघन नेटवर्क से निरंतर रिकॉर्डिंग एकत्र की, जिसने 2004 से 2024 तक की प्रत्येक कंपन को कैद किया। भूकंप के सूक्ष्म संकेतों को पहचानने के लिए प्रशिक्षित उन्नत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करते हुए, उन्होंने सैकड़ों हजारों ऐसी भूकंपीय घटनाओं की पहचान की जिन्हें पारंपरिक तरीकों ने छोड़ दिया था। इनमें से कई बहुत मामूली झटके थे, जिन्हें मनुष्य महसूस भी नहीं कर सकते थे, लेकिन मिलकर उन्होंने एक विस्तृत बिंदुओं का बादल बनाया जो उन स्थानों को चिह्नित करता था जहाँ ज़मीन टूटी थी। टीम ने फिर प्रत्येक घटना के स्थान को अत्यधिक सटीकता के साथ परिष्कृत किया, इस तथ्य को सुधारते हुए कि भूकंपीय तरंगें विभिन्न प्रकार की चट्टानों के माध्यम से अलग-अलग गति से चलती हैं। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप भूकंप कहाँ हुए, इसका एक अत्यधिक सटीक मानचित्र प्राप्त हुआ, जिसने प्रभावी रूप से भूकंपीयता को अदृश्य फॉल्ट लाइनों की एक चमकती रूपरेखा में बदल दिया।

इन भूकंपीय स्थानों के सघन बादल के साथ, टीम ने फॉल्ट्स का प्रतिनिधित्व करने वाले समतल विमानों (planes) को खोजने के लिए एक नई विधि लागू की। उन्होंने इस बात का विश्लेषण किया कि बिंदु किस तरह से एक साथ क्लस्टर (समूह) बनाते हैं, और भूकंपीय घटनाओं के संग्रह को धूल के एक ऐसे बादल की तरह माना जो स्वाभाविक रूप से उन दरारों के आकार में जम जाता है जिनके सहारे वे फिसले थे। इन समूहों की दिशा का विश्लेषण करके, वे फॉल्ट्स की दिशा और ढलान निर्धारित कर सके। इसका परिणाम आंतरिक होक्काइडो में 184 विशिष्ट आयताकार फॉल्ट खंडों का पुनर्निर्माण था। इन निष्कर्षों ने खुलासा किया कि यह क्षेत्र तीव्र, उच्च-कोण वाले फॉल्ट्स से प्रधान है, जिनमें से अधिकांश 6 और 12 किलोमीटर की गहराई के बीच स्थित हैं। यह गहराई महत्वपूर्ण है क्योंकि यह भूकंपों को ऊपरी क्रस्ट (upper crust) के भीतर रखता है, जो पृथ्वी के आंतरिक भाग की वह भंगुर परत है जहाँ चट्टानें बहने के बजाय टूट जाती हैं।

उनके द्वारा बनाया गया मानचित्र उन टेक्टोनिक बलों की एक स्पष्ट कहानी बताता है जो इस द्वीप को आकार दे रहे हैं। मध्य होक्काइडो में, फॉल्ट्स लंबी, उत्तर-दक्षिण रेखाएं बनाते हैं जो उस सीमा के साथ पूरी तरह से संरेखित हैं जहाँ दो प्रमुख भूवैज्ञानिक क्षेत्र आपस में टकरा रहे हैं। यह टकराव क्षेत्र, जिसे हिदाका टकराव क्षेत्र (Hidка collision zone) के रूप में जाना जाता है, वह स्थान है जहाँ कुरील आर्क (Kuril arc), उत्तर-पूर्व जापान आर्क से टकरा रहा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस क्षेत्र में फॉल्ट्स तीव्र और सुव्यवस्थित हैं, जो यह सुझाव देते हैं कि क्रस्ट को एक बहुत ही विशिष्ट, अनुमानित तरीके से दबाया और तोड़ा जा रहा है। पूर्वी होक्काइडो में, पैटर्न बदल जाता है। यहाँ, फॉल्ट्स उत्तर-पूर्व से दक्षिण-पश्चिम की ओर चलते हैं, जो क्रस्ट के एक टुकड़े की गति को दर्शाते हैं जिसे सबडक्टिंग (subducting) प्रशांत प्लेट द्वारा बगल से धकेला जा रहा है। ये दिशाएँ टेक्टोनिक प्लेटों की व्यापक गति से मेल खाती हैं, जो पुष्टि करती हैं कि छिपे हुए फॉल्ट सीधे उन बलों की प्रतिक्रिया कर रहे हैं जो क्षेत्र के भूविज्ञान को संचालित करते हैं।

सबसे आश्चर्यजनक खोजों में से एक विभिन्न क्षेत्रों में फॉल्ट्स की गहराई थी। जबकि अधिकांश भूकंपीय गतिविधि ऊपरी क्रस्ट में हुई, शोधकर्ताओं ने पाया कि मध्य होक्काइडो के दक्षिणी भाग में 20 किलोमीटर से अधिक गहराई तक फैले हुए गहरे फॉल्ट्स भी मौजूद हैं। यह क्षेत्र क्रस्ट के सबसे मोटे हिस्से के अनुरूप है, जहाँ टेक्टोनिक आर्क के बीच टकराव ने चट्टानों को ढेर कर दिया है। इसके विपरीत, उत्तर और पश्चिम के ज्वालामुखीय क्षेत्रों में बहुत उथले फॉल्ट देखे गए, संभवतः इसलिए क्योंकि मैग्मा और गर्म तरल पदार्थों से निकलने वाली गर्मी चट्टानों को कमजोर कर देती है, जिससे गहरी दरारें बनने से रुक जाती हैं। अध्ययन ने उन क्षेत्रों पर भी प्रकाश डाला जहाँ फॉल्ट पैटर्न जटिल और परिभाषित करने में कठिन हैं, जैसे कि द्वीप का सबसे उत्तरी सिरा, जहाँ क्रस्ट की धीमी, रेंगने वाली गतियाँ (creeping movements) फ्रैक्चर का एक अराजक मिश्रण बना सकती हैं।

अपने नए मानचित्र की विश्वसनीयता का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपने पुनर्गठित फॉल्ट्स की तुलना पिछले दो दशकों में इस क्षेत्र में घटित आठ प्रमुख भूकंपों के ज्ञात विदर पैटर्न (rupture patterns) से की। उन्होंने पाया कि इन छह घटनाओं के लिए, उनके द्वारा पहचाने गए फॉल्ट वास्तविक विदर विमानों (rupture planes) से उल्लेखनीय सटीकता के साथ मेल खाते थे, जो केवल कुछ डिग्री का अंतर रखते थे। इसमें पूर्वी इबुरी में आया विनाशकारी 2018 का भूकंप भी शामिल था, जहाँ उनके मॉडल ने सही ढंग से उस तीव्र, पूर्व की ओर झुकने वाले फॉल्ट की पहचान की जिसने इस आपदा को जन्म दिया था। यह सहमति वैज्ञानिकों को विश्वास दिलाती है कि उनकी विधि बड़े भूकंप के आने से पहले भी फॉल्ट की ज्यामिति को सफलतापूर्वक प्रकट कर सकती है। यह यह भी सुझाव देता है कि जिन छिपे हुए फॉल्ट्स का उन्होंने मानचित्रण किया है, वे ही भविष्य में भूकंप उत्पन्न करने की संभावना रखते हैं।

अध्ययन ने यह भी देखा कि वर्तमान तनाव स्थितियों के तहत इन फॉल्ट्स के दोबारा फिसलने की कितनी संभावना है। प्रत्येक फॉल्ट पर कार्य करने वाले बलों की गणना करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि केंद्रीय टकराव सीमा के साथ स्थित तीव्र फॉल्ट विफल होने के लिए पूरी तरह से संरेखित हैं, जिसका अर्थ है कि वे उच्च तनाव में हैं और टूटने के लिए तैयार हैं। इसके विपरीत, उत्तर-पूर्व और दक्षिण-पश्चिम में ज्वालामुखीय श्रृंखला के साथ चलने वाले फॉल्टों में फिसलने की प्रवृत्ति बहुत कम देखी गई। यह सुझाव देता है कि इन ज्वालामुखीय क्षेत्रों में, स्थानीय स्थितियाँ—जैसे कि भूमिगत तरल पदार्थों से उच्च दबाव या तनाव क्षेत्र में भिन्नता—फॉल्ट्स को विफल होने से रोक रही हैं, या शायद उनके व्यवहार को बदल रही हैं। यह अंतर आपदा मूल्यांकन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह पहचान करने में मदद करता है कि क्षेत्र के कौन से हिस्से तत्काल टूटने के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील हैं।

इस नए मानचित्र की सफलता के बावजूद, शोधकर्ता इसकी सीमाओं को स्वीकार करते हैं। यह विधि पूरी तरह से सघन भूकंपीय गतिविधि की उपस्थिति पर निर्भर करती है; उन क्षेत्रों में जहाँ कम भूकंप आते हैं, जैसे कि इशिकारी लोलैंड (Ishikari lowland) या तोकाची प्लेन (Tokachi plain), फॉल्ट अदृश्य रहते हैं। इसका अर्थ यह है कि हालांकि यह मानचित्र द्वीप के एक विशाल हिस्से को कवर करता है, फिर भी यह अभी तक हर फॉल्ट सिस्टम को नहीं दिखाता है। इसके अतिरिक्त, यह धारणा कि फॉल्ट चपटे, आयताकार विमान हैं, एक सरलीकरण है; वास्तव में, फॉल्ट अक्सर घुमावदार और जटिल होते हैं। हालाँकि, शोधकर्ता तर्क देते हैं कि यह दृष्टिकोण एक ठोस प्रथम-क्रम का अनुमान प्रदान करता है, जो एक ऐसा स्तर का विवरण देता है जिसे प्राप्त करना पहले असंभव था। पृथ्वी की अदृश्य कंपनों को एक स्पष्ट ज्यामितीय चित्र में बदलकर, यह कार्य होक्काइडो में भूकंपीय जोखिमों को समझने के लिए एक नया आधार प्रदान करता है और दुनिया के अन्य टेक्टोनिक रूप से सक्रिय क्षेत्रों में समान छिपी हुई संरचनाओं के मानचित्रण के लिए एक मॉडल पेश करता है।