En la Universidad del Sur de California, un equipo de investigadores allana el camino para predecir con antelación suficiente si se van a producir terremotos. El sistema de alerta temprana, desarrollado en laboratorio, abre la puerta a nuevos enfoques para monitorear y predecir la nucleación sísmica en etapas tempranas.
Bajo la sombra del temido big one, el estudio experimental que aparece en Proceedings of the National Academy of Sciences detalla un modelo sísmico que vincula el área de contacto real microscópica entre las superficies de falla con la posibilidad de ocurrencia de terremotos.
El modelo físico -señalan estos investigadores- explica la dinámica de rupturas lentas y rápidas en materiales transparentes, así como la cantidad de luz trasmitida a través de la interfaz durante rupturas de laboratorio. El marco constitutivo elucida el origen de las leyes empíricas de fricción y las rupturas simuladas pueden describirse mediante la mecánica de fracturas elásticas lineales.
Asímismo, las mediciones continuas de las variables de estado físico o sus indicadores directos durante los ciclos sísmicos emergen como una herramienta novedosa para el sondeo de fallas naturales y el avance en la comprensión del fenómeno sísmico.
“Básicamente, hemos abierto una ventana al corazón de la mecánica sísmica. Al observar cómo evoluciona el área de contacto real entre las superficies de falla durante el ciclo sísmico, ahora podemos explicar tanto la lenta acumulación de tensión en las fallas como la rápida ruptura que le sigue. En el futuro, esto podría conducir a nuevos enfoques para monitorear y predecir la nucleación sísmica en etapas tempranas”, asegura el profesor Sylvain Barbot, codirector del estudio.
Modelos de terremotos
Durante décadas, los científicos se han basado en leyes empíricas de fricción de velocidad y estado para modelar los terremotos: descripciones matemáticas que funcionan bien, pero que no explican los mecanismos físicos subyacentes. “Nuestro modelo revela lo que realmente sucede en la interfaz de fallas durante un ciclo sísmico”, matiza este investigador para, a renglón seguido, explicar que “cuando dos superficies rugosas se deslizan una contra la otra, solo hacen contacto en uniones minúsculas y aisladas que cubren una fracción de la superficie total. Esta área real de contacto -invisible a simple vista, pero medible mediante técnicas ópticas- resulta ser la variable de estado clave que controla el comportamiento sísmico”.
En este estudio se utilizaron materiales acrílicos transparentes que permitieron a los investigadores observar literalmente el desarrollo de las rupturas sísmicas en tiempo real. Mediante cámaras de alta velocidad y mediciones ópticas, el equipo rastreó cómo cambiaba la transmisión de luz LED a medida que se formaban, crecían y se destruían las uniones de contacto durante los terremotos de laboratorio.
“Podemos observar literalmente la evolución del área de contacto a medida que se propagan las rupturas. Durante las rupturas rápidas, vemos desaparecer aproximadamente el 30% del área de contacto en milisegundos, un debilitamiento drástico que impulsa el terremoto”, añade el profesor Barbot.
Los resultados de laboratorio revelaron una relación previamente oculta: la variable de estado empírica, utilizada durante décadas en los modelos sísmicos estándar, representa el área real de contacto entre las superficies de falla. Este descubrimiento proporciona la primera interpretación física de un concepto matemático fundamental para la sismociencia desde la década de los años setenta del siglo pasado.
Predicción fiable
Los investigadores analizaron un total de 26 escenarios sísmicos simulados diferentes y descubrieron que la relación entre la velocidad de ruptura y la energía de fractura sigue las predicciones de la mecánica de fractura elástica lineal.
Las simulaciones por ordenador del equipo reprodujeron con éxito terremotos de laboratorio tanto lentos como rápidos, igualando no solo las velocidades de ruptura y las caídas de tensión, sino también la cantidad de luz transmitida a través de la interfaz de la falla durante las rupturas.
A medida que las áreas de contacto cambian durante el ciclo sísmico, afectan múltiples propiedades medibles, como la conductividad eléctrica, la permeabilidad hidráulica y la transmisión de ondas sísmicas.
Dado que el área real de contacto afecta múltiples propiedades físicas de las zonas de falla, el monitoreo continuo de estos indicadores durante los ciclos sísmicos podría proporcionar nuevos conocimientos sobre el comportamiento de las fallas, siempre según estos investigadores.
La investigación sugiere que la monitorización del estado físico de los contactos de fallas podría proporcionar nuevas herramientas para sistemas sísmicos de corto plazo y, potencialmente, para una predicción sísmica fiable mediante la conductividad eléctrica de la falla.
En este sentido, el profesor Barbot argumenta que “si podemos monitorear estas propiedades continuamente en fallas naturales, podríamos detectar las primeras etapas de la nucleación sísmica. Esto podría conducir a nuevos enfoques para monitorear la nucleación sísmica en etapas tempranas, mucho antes de que se irradien las ondas sísmicas”.
Los investigadores planean ampliar sus hallazgos fuera de las condiciones controladas de laboratorio. Barbot explica: “El modelo del estudio proporciona la base física para comprender cómo evolucionan las propiedades de las fallas durante los ciclos sísmicos”.
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