The Effect of Gas Migration From Deep Geological Formations Into Mine Workings During the Evolution of Mining-Induced Seismicity
यह शोध पत्र कुज़बास जैसे खनन क्षेत्रों में गैस उत्सर्जन की तीव्रता को क्रिटिकली स्ट्रेस्ड क्रस्टल अवस्थाओं के नीचे की ओर प्रवास और उससे जुड़ी भूकंपीयता से जोड़ने वाले एक तंत्र का प्रस्ताव और मॉडल करता है, जो ऐसे फ्रैक्चर बनाता है जो मीथेन को गहरे भूगर्भीय संरचनाओं (5-6 किमी तक) से खदान कार्यक्षेत्रों में प्रवास करने की अनुमति देते हैं।
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पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, जमीन शायद ही कभी स्थिर रहती है। उन स्थानों पर भी जहाँ कोई खुदाई नहीं कर रहा है, ग्रह की पपड़ी (क्रस्ट) अत्यधिक दबाव में होती है, जिसे लाखों वर्षों से संचित हो रहे विवर्तनिक बलों (टेक्टोनिक फोर्सेज) द्वारा दबाया जा रहा है। कई क्षेत्रों में, यह दबाव इतना अधिक है कि चट्टान पहले से ही टूटने की कगार पर है, जिसे वैज्ञानिक "क्रिटिकली स्ट्रेसड" (गंभीर रूप से तनावग्रस्त) अवस्था कहते हैं। यह एक भारी बुकशेल्फ़ की तरह है जो पूरी तरह से संतुलित है लेकिन एक भी किताब जुड़ने पर ढहने के लिए तैयार है। जब मनुष्य कोयला खनन करना शुरू करते हैं, तो वे बड़ी मात्रा में चट्टान हटा देते हैं, जिससे जमीन में बलों का संतुलन बदल जाता है। यह व्यवधान एक नए प्रकार का दबाव पैदा करता है, जो चट्टान को हिलने और टूटने के लिए प्रेरित कर सकता है। जबकि हम जानते हैं कि खनन से कोयले की परतों से गैस निकलती है, एक नई जांच एक चौंकाने वाला सवाल पूछती है: क्या खनन से होने वाली थरथराहट और दरारें इतनी गहरी तक पहुँच सकती हैं कि वे मीलों नीचे से गैस को ऊपर खींच लें, जो किसी भी फावड़े या ड्रिल की पहुँच से बहुत दूर है?
रूस और चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह समझाने के लिए एक तंत्र प्रस्तावित किया है कि क्यों कुछ खदानों में मीथेन गैस का अचानक, भारी उछाल आता है जिसे खनन किए जा रहे कोयले के आधार पर स्पष्ट नहीं किया जा सकता। अपने अध्ययन में, वे सुझाव देते हैं कि जैसे-जैसे खनन कार्य का विस्तार होता है, तनाव और फ्रैक्चरिंग का क्षेत्र गड्ढे के तल पर नहीं रुकता है। इसके बजाय, यह नीचे की ओर धकेलता है, जिससे पृथ्वी की वे गहरी परतें सक्रिय हो जाती हैं जो पहले शांत थीं। उनका तर्क है कि यह प्रक्रिया दरारों का एक नेटवर्क बनाती है जो एक राजमार्ग के रूप में कार्य करती है, जिससे गहरे भूगर्भीय संरचनाओं में फंसी मीथेन ऊपर की ओर माइग्रेट (प्रवास) कर सकती है। शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण कंप्यूटर सिमुलेशन और रूस के कुज़बास क्षेत्र के एक विशाल ओपन-पिट खदान से प्राप्त वास्तविक डेटा का विश्लेषण करके किया, जिसमें उन्होंने पाया कि गहरे गर्भ से ऊपर की ओर जाने वाली गैस की मात्रा स्वयं कोयले की परतों से निकलने वाली गैस के बराबर हो सकती है।
यह समझने के लिए कि यह कैसे होता है, सबसे पहले यह देखना होगा कि जमीन खनन के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती है। जब कोई खदान खोदी जाती है, तो खुदाई के ऊपर और आसपास की चट्टान अपने भार से मुक्त हो जाती है, जिसे 'अनलोडिंग' (भार कम होना) कहा जाता है। यह अनलोडिंग एक खंडित चट्टान का क्षेत्र बनाती है, लेकिन पारंपरिक मॉडल बताते हैं कि यह क्षेत्र केवल कुछ सौ मीटर गहरा होता है। हालांकि, शोधकर्ता बताते हैं कि कई खनन क्षेत्रों में, मानव गतिविधि के कारण होने वाले भूकंपों (सीस्मिक गतिविधि) को कई किलोमीटर की गहराई पर देखा जाता है, जो कि किसी भी खनन कार्य के स्थान से बहुत नीचे है। यह गहरी सीस्मिक गतिविधि संकेत देती है कि जमीन के नीचे गहरी चट्टान का द्रव्यमान भी उस महत्वपूर्ण, टूटने वाली अवस्था में धकेला जा रहा है। जैसे-जैसे खदान बड़ी और गहरी होती जाती है, तनाव में परिवर्तन और नीचे तक फैलता है, जिससे गहरी परतें क्रमिक रूप से एक स्थिर अवस्था से बदलकर 'क्रिटिकली स्टressed' अवस्था में आ जाती हैं।
जब चट्टान इस 'क्रिटिकली स्ट्रेसड' अवस्था में पहुँचती है, तो यह एक विशिष्ट प्रकार का विरूपण (डिफॉर्मेशन) करती है। यह केवल एक बार नहीं टूटती और रुक जाती; बल्कि यह जमीन में मौजूद मौजूदा कमजोरियों के साथ टूटने और खिसकने लगती है। यह फ्रैक्चरिंग चट्टान की पारगम्यता (परमीएबिलिटी) को नाटकीय रूप से बढ़ा देती है, जो कि यह मापता है कि तरल पदार्थ और गैसें इसके माध्यम से कितनी आसानी से बह सकती हैं। एक स्पंज की कल्पना करें जिसे कसकर दबाया गया है और उसके अंदर पानी भरा हुआ है; यदि आप इसे तब तक दबाते हैं जब तक कि यह फट न जाए, तो पानी अचानक बाहर निकल सकता है। इसी तरह, जब गहरी चट्टानी परतें टूटती हैं, तो वे उन मीथेन गैसों को छोड़ देती हैं जो युगों से उनके छिद्रों में फंसी हुई थीं। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि यह गहरी फ्रैक्चरिंग गैस के यात्रा करने के लिए एक निरंतर मार्ग बनाती है, जिससे मीथेन कई किलोमीटर की गहराई से सतह तक या खदान के सुरंगों तक पहुँच सकती है।
टीम ने इस अवधारणा का परीक्षण करने के लिए एक कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया जिसने एक खदान के नीचे की पृथ्वी की पपड़ी का अनुकरण (सिमुलेशन) किया। उन्होंने भूमिगत क्षेत्र को परतों में विभाजित किया और मॉडल को खनन गतिविधि में क्रमिक वृद्धि की नकल करने के लिए प्रोग्राम किया। जैसे-जैसे सिमुलेशन आगे बढ़ा, उन्होंने देखा कि एक गहरे मीथेन भंडार के ठीक ऊपर की चट्टान टूटने लगी और अधिक पारगम्य हो गई। शुरुआत में, गैस फंसी रही। लेकिन जैसे ही सिम्युलेटेड खनन तनाव ने गहरी परतों तक पहुँच बनाई, चट्टान की पारगम्यता काफी बढ़ गई, जिससे मीथेन के निकलने के लिए एक चैनल बन गया। सिमुलेशन ने दिखाया कि एक बार जब गैस के स्रोत के ऊपर की चट्टान पर्याप्त रूप से खंडित हो गई, तो मीथेन की बड़ी मात्रा ऊपर की ओर बहने लगी, जो नए बने दरारों के माध्यम से खदान और सतह की ओर बढ़ने लगी।
यह देखने के लिए कि क्या यह सिद्धांत वास्तविक दुनिया में टिकता है, शोधकर्ताओं ने रूस के कुज़बास क्षेत्र में बाचत (Bachat) ओपन-पिट खदान का अध्ययन किया, जो तीव्र खनन-प्रेरित सीस्मिक गतिविधि के लिए जाना जाता है। उन्होंने दशकों से खदान के नीचे दर्ज किए गए भूकंपों के इतिहास की जांच की। डेटा ने एक स्पष्ट पैटर्न प्रकट किया: इन भूकंपीय घटनाओं की गहराई समय के साथ लगातार बढ़ती गई है। 2000 के दशक की शुरुआत में, भूकंप एक से तीन किलोमीटर की गहराई पर होते थे। 2013 तक, चार किलोमीटर की गहराई पर एक महत्वपूर्ण भूकंप दर्ज किया गया था। 2020 तक, सीस्मिक गतिविधि छह किलोमीटर की गहराई तक देखी जा रही थी। यह प्रगति बताती है कि जैसे-जैसे खनन कार्य जारी रहता है, क्रिटिकली स्ट्रेसड चट्टान का क्षेत्र वास्तव में परत-दर-परत और गहरा होता जा रहा है।
इन अवलोकनों का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया कि इन गहरे क्षेत्रों से कितनी गैस प्रवास कर सकती है। उन्होंने चार किलोमीटर की गहराई तक की चट्टानी परतों में उपलब्ध मीथेन की मात्रा की गणना की और उस कारक को लागू किया जो यह बताता है कि फ्रैक्चरिंग के कारण उस गैस का कितना हिस्सा मुक्त हो सकता है। उनकी गणनाओं ने सुझाव दिया कि इन गहरी परतों से प्रवास करने वाली मीथेन की संभावित मात्रा सैकड़ों मिलियन क्यूबिक मीटर तक पहुँच सकती है। यह आंकड़ा उल्लेखनीय है क्योंकि यह वर्तमान में खनन किए जा रहे कोयले की परतों से निकलने वाली कुल गैस की मात्रा के बराबर है। इसका तात्पर्य यह है कि खदान में पाई जाने वाली गैस का एक बड़ा हिस्सा कोयले से नहीं आ रहा है, बल्कि खनन के तनाव से अनलॉक हुई गहरी पृथ्वी से आ रहा है।
अध्ययन इस घटना के व्यापक निहितार्थों पर भी प्रकाश डालता है। यदि गहरी गैस माइग्रेशन हो रही है, तो यह समझाने में मदद करता है कि क्यों कुछ खदानों में गैस के स्तर में अचानक, खतरनाक उछाल आता है जो अचानक प्रकट होता प्रतीत होता है। यह यह भी बताता है कि खनन से जुड़े जोखिम समाप्त नहीं होते हैं जब कोई खदान बंद हो जाती है। दशकों के खनन और संबंधित सीस्मिक गतिविधि द्वारा बनाई गई दरारें वर्षों तक खुली रह सकती हैं, जो खदान छोड़ने के लंबे समय बाद भी गहरी जमीन से गैस को प्रवाहित करने का काम करती रहती हैं। यह पर्यावरण और सार्वजनिक स्वास्थ्य के लिए निरंतर जोखिम पैदा कर सकता है, क्योंकि मीथेन और रेडॉन जैसी गैसें वायुमंडल में रिसना जारी रख सकती हैं।
शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि उनका कार्य एक सिमुलेशन और उपलब्ध डेटा पर आधारित एक सैद्धांतिक ढांचा है, न कि हर विवरण का निश्चित प्रमाण। हालांकि, उनके कंप्यूटर मॉडल, सीस्मिक गतिविधि के बढ़ते गहरे स्तर और खदानों में अनसुलझे गैस विसंगतियों के बीच का तालमेल एक सम्मोहक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है। यह पारंपरिक दृष्टिकोण को चुनौती देता है कि खदान की गैस केवल उत्खनन के निकटतम क्षेत्र से आती है। इसके बजाय, यह एक गतिशील पृथ्वी की तस्वीर पेश करता है जहाँ मानवीय गतिविधियाँ भूमिगत गहराई में एक श्रृंखला अभिक्रिया (चेन रिएक्शन) को ट्रिगर कर सकती हैं, जिससे ग्रह के अपने गहरे भंडारों को गैस के स्रोत में बदल दिया जाता है जो हमारे द्वारा बनाई गई दरारों के माध्यम से ऊपर की ओर बहती है। यह समझ दुनिया के सबसे सक्रिय खनन क्षेत्रों में बेहतर सुरक्षा उपाय विकसित करने और गैस के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।
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