How pore size distribution affects fracture-enhanced permeability in lava domes
माउंट उन्ज़ेन डेसाइट (Mt Unzen dacite) पर एक्स-रे माइक्रो-टोमोग्राफी और लैटिस बोल्ट्ज़मैन सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जबकि फ्रैक्चर संख्या घनत्व मुख्य रूप से छिद्र कनेक्टिविटी को नियंत्रित करता है, लावा गुंबदों में पारगम्यता (permeability) को प्रभावित करने वाला प्रमुख कारक फ्रैक्चर की चौड़ाई है, जिसमें दोनों मेट्रिक्स प्रारंभिक छिद्र आकार वितरण द्वारा महत्वपूर्ण रूप से संशोधित होते हैं।
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ज्वालामुखी गुंबद (volcanic domes) वे चिकनी, गोल पहाड़ियाँ नहीं हैं जैसी वे अक्सर दूर से दिखाई देती हैं। एक छिद्र (vent) के ऊपर जमा होने वाले गाढ़े, धीमी गति से चलने वाले लावा से बने ये ढांचे निरंतर तनाव में रहते हैं। जैसे-जैसे गर्म चट्टान ठंडी और सिकुड़ती है, या जैसे-जैसे फंसी हुई गैसों से दबाव बढ़ता है, ठोस पपड़ी टूट जाती है। ये दरारें केवल बाहरी दिखावट के लिए नहीं हैं; ये गैसों के निकलने के लिए प्राथमिक राजमार्ग हैं। यदि गैस छिद्रों और विदरों (fractures) के एक जुड़े हुए नेटवर्क के माध्यम से बाहर निकलने का रास्ता नहीं खोज पाती है, तो दबाव तब तक बढ़ता है जब तक कि चट्टान बिखर न जाए, जिससे संभावित रूप से एक विस्फोटक विस्फोट हो सकता है। यह समझना कि ये छिपे हुए मार्ग कैसे बनते और जुड़ते हैं, यह अनुमान लगाने के लिए आवश्यक है कि एक गुंबद शांति से बढ़ेगा या हिंसक रूप से ढहेगा। इसकी कुंजी चट्टान की आंतरिक संरचना में निहित है: इसके नन्हे छिदों का आकार और व्यवस्था, और यह कि फ्रैक्चर (दरारें) उन्हें एक साथ कैसे जोड़ते हैं।
जर्मनी, यूनाइटेड किंगडम और जापान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस छिपी हुई दुनिया का मानचित्रण करने के लिए ज्वालामुखीय चट्टान के एक टुकड़े के भीतर का विस्तृत अध्ययन किया है। उन्होंने जापान के माउंट उन्ज़ेन के 1990 के दशक के विस्फोट से प्राप्त डेसाइट (dacite), जो एक प्रकार की ज्वालामुखीय चट्टान है, के नमूने का अध्ययन किया। यह विशिष्ट चट्टान ब्लॉक और राख के एक निक्षेप (deposit) से आई थी, जो उस घने, क्रिस्टल-युक्त पदार्थ का प्रतिनिधित्व करती है जो अक्सर एक लावा गुंबद के केंद्र में बनता है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन एक्स-रे इमेजिंग का उपयोग करके, वैज्ञानिकों ने चट्टान के आंतरिक भाग का एक त्रि-आयामी डिजिटल मॉडल बनाया, जिससे छिद्रों का एक जटिल परिदृश्य प्रकट हुआ। ये छिद्र सूक्ष्म, सूक्ष्मदर्शी आकार के रिक्त स्थान से लेकर मिलीमीटर आकार के बड़े बुलबुलों तक विस्तृत थे। शोधकर्ताओं ने फिर एक कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया ताकि फ्रैक्चरिंग (दरार पड़ने) की प्रक्रिया की नकल की जा सके। चट्टान को भौतिक रूप से तोड़ने के बजाय, उन्होंने डिजिटल रूप से 3D मॉडल में दरारें डालीं, जिससे वे देख सके कि दरारें कैसे फैलती हैं और मौजूदा छेदों को कैसे जोड़ती हैं। उन्होंने दो अलग-अलग शुरुआती स्थितियों का परीक्षण किया: एक जहाँ चट्टान में छोटे और बड़े दोनों तरह के छिद्र थे, और दूसरा जहाँ केवल बड़े छिद्र ही बचे थे, जिससे सूक्ष्म छिद्रों को प्रभावी रूप से हटाकर यह देखा जा सके कि इससे परिणाम में क्या बदलाव आता है।
परिणामों से पता चला कि दरारें चट्टान को जोड़ने के लिए किस तरह से काम करती हैं, यह काफी हद तक उन छिद्रों के आकार पर निर्भर करता है जिन्हें वे जोड़ने का प्रयास कर रही हैं। जब चट्टान में बड़े और छोटे दोनों तरह के छिद्र थे, तो दरारों को सब कुछ जोड़ने के लिए अधिक मेहनत करनी पड़ी। छोटे छिद्र अलग-थलग द्वीपों की तरह थे जिन्हें अंतर को पाटने के लिए दरारों के उच्च घनत्व की आवश्यकता थी। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने केवल बड़े छिद्रों वाली चट्टान का सिमुलेशन किया, तो दरारों ने नेटवर्क को बहुत अधिक कुशलता से जोड़ा। इन सिमुलेशन में, छिद्रों को जोड़ने के लिए दरारों की संख्या सबसे महत्वपूर्ण कारक थी। एक बार जब दरारें पर्याप्त संख्या में होकर छिद्रों को जोड़ने में सक्षम हो गईं, तो चट्टान पारगम्य (permeable) हो गई, जिसका अर्थ है कि गैस इसके माध्यम से बह सकती थी। फिर भी, उन दरारों की चौड़ाई इस बात के लिए सबसे महत्वपूर्ण थी कि गैस वास्तव में कितनी तेजी से चल सकती है। दरारों की चौड़ाई में मामूली वृद्धि से पारगम्यता में भारी उछाल आया, जिससे गैस बहुत अधिक तेजी से बाहर निकल सकी।
अध्ययन ने यह भी दिखाया कि फ्रैक्चरिंग शुरू होने के बाद चट्टान की प्रारंभिक कनेक्टिविटी (जुड़ाव) की भूमिका आश्चर्यजनक रूप से मामूली होती है। भले ही चट्टान की शुरुआत बहुत कम जुड़े हुए पथों के साथ हुई हो, दरारों के आने से तेजी से एक अत्यधिक जुड़ा हुआ नेटवर्क बन गया। यह बताता है कि वास्तविक ज्वालामुखी गुंबद में, दरार पड़ने की क्रिया एक सीलबंद, दबाव बनाने वाली चट्टान को एक पारगम्य प्रणाली में तेजी से बदल सकती है जो गैस को बाहर निकालने में सक्षम होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके डिजिटल रूप से दरार युक्त नमूनों की पारगम्यता माउंट उन्ज़ेन की प्राकृतिक चट्टानों में देखे गए दायरे के भीतर थी, हालांकि उनके सिमुलेशन ने कभी-कभी थोड़ा उच्च प्रवाह दर दिखाया। यह अंतर संभवतः डिजिटल दरारों की आदर्श प्रकृति के कारण है, जिनमें वास्तविक दरारों की तरह खुरदरी, ऊबड़-खाबड़ सतहें नहीं होती हैं जो गैस के प्रवाह को धीमा कर सकती हैं। इसके बावजूद, मॉडल ने इस मौलिक व्यवहार को सफलतापूर्वक पकड़ लिया कि कैसे चट्टान की बनावट गैस के निकास को नियंत्रित करती है।
ये निष्कर्ष स्पष्ट चित्र प्रदान करते हैं कि क्यों कुछ लावा गुंबद दूसरों से अलग व्यवहार करते हैं। छिद्रों के आकार और दरारों के घनत्व के बीच का परस्पर संबंध यह निर्धारित करता है कि एक गुंबद गैस को धीरे से छोड़ेगा या इसे विस्फोट होने तक रोक कर रखेगा। यदि कोई गुंबद क्रिस्टल से समृद्ध है और उसमें छिद्रों के आकार का एक विशिष्ट वितरण है, तो उसे पारगम्य होने के लिए दरार पड़ने की एक निश्चित मात्रा की आवश्यकता हो सकती है। एक बार जब वह सीमा पार हो जाती है, तो गैस को बाहर निकलने देने की चट्टान की क्षमता नाटकीय रूप से बदल जाती है। यह समझ वैज्ञानिकों को ज्वालामुखीय गुंबदों की स्थिरता का आकलन करने में मदद करती है। यह जानकर कि चट्टान की आंतरिक बनावट गैस निकास के लिए दरार पड़ने की क्षमता को कैसे प्रभावित करती है, शोधकर्ता बेहतर भविष्यवाणी कर सकते हैं कि किन परिस्थितियों में एक गुंबद विफल हो सकता है, जिससे या तो धीमा पतन होगा या अचानक, खतरनाक विस्फोट होगा। यह कार्य इस बात पर जोर देता है कि एक ज्वालामुखीय संरचना की सुरक्षा केवल उसके अंदर के दबाव के बारे में नहीं है, बल्कि चट्टान की जटिल, सूक्ष्म ज्यामिति के बारे में भी है।
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