Conocimiento a nanoescala de las relaciones entre el agua, la fricción y la química mineral podrían conducir a una mejor comprensión de la dinámica de los terremotos, dijeron los investigadores en un nuevo estudio. Los ingenieros de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign utilizaron mediciones microscópicas de fricción para confirmar que, en las condiciones adecuadas, algunas rocas pueden disolverse y provocar el deslizamiento de las fallas.

El estudio, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , examina de cerca cómo el agua y la calcita, un mineral que es muy común en la corteza terrestre, interactúan a diversas presiones y composiciones del agua subterránea para influir en las fuerzas de fricción a lo largo de las fallas.

"El agua está en todas partes en estos sistemas, "dijo Rosa Espinosa-Marzal, profesor de ingeniería civil y ambiental y coautor del estudio. "Hay agua en la superficie de los minerales y en los espacios porosos entre los granos minerales en las rocas. Esto es especialmente cierto con las rocas que contienen calcita debido a la afinidad del agua con el mineral".

Según los investigadores, otros estudios han correlacionado la presencia de agua con movimientos de fallas y terremotos, pero el mecanismo exacto seguía siendo difícil de alcanzar. Esta observación es particularmente frecuente en áreas donde se están llevando a cabo operaciones de fracturación hidráulica, un proceso que involucra mucha agua.

El estudio se centra en rocas ricas en calcita en presencia de salmuera (agua subterránea salada de origen natural) a lo largo de las superficies de las fallas. Las superficies rocosas que se deslizan unas sobre otras a lo largo de las fallas no son lisas. Los investigadores se acercaron a las pequeñas imperfecciones o irregularidades que ocurren naturalmente en las superficies de las rocas, llamado asperezas, en el que se originan la fricción y el desgaste cuando las dos superficies se deslizan una sobre la otra.

"Las propiedades químicas y físicas de las rocas con fallas y las condiciones mecánicas en estos sistemas son variables y complejas, lo que dificulta tener en cuenta todos los detalles al intentar responder este tipo de preguntas, Espinosa-Marzal dijo. para ayudar a comprender el papel del agua en la dinámica de las fallas, miramos a una escala reducida, modelo simplificado mediante el examen de asperezas individuales en cristales de calcita individuales ".

Para los experimentos, El equipo sumergió los cristales de calcita en soluciones de salmuera a varias concentraciones y los sometió a diferentes presiones para simular una falla natural. Una vez que los cristales estuvieron en equilibrio con la solución, usaron un microscopio de fuerza atómica para arrastrar un brazo diminuto con una punta de silicio — para simular la aspereza — a través del cristal para medir los cambios en la fricción.

En la mayoría de los experimentos, los investigadores encontraron primero lo que esperaban:a medida que aumentaba la presión aplicada sobre los cristales, se hizo más difícil arrastrar la punta por la superficie del cristal. Sin embargo, cuando aumentaron la presión hasta cierto punto y la punta se movió lo suficientemente lento, la punta comenzó a deslizarse más fácilmente por el cristal.

"Esto nos dice que algo le sucedió a esta pequeña aspereza bajo presiones más altas que causó una disminución de la fricción, ", dijo el estudiante de posgrado y coautor Yijue Diao." El microscopio de fuerza atómica también nos permite obtener imágenes de la superficie del cristal, y podemos ver que el surco aumentó de tamaño, confirmando que la calcita se había disuelto bajo presión. El mineral disuelto y el agua actuaron como un buen lubricante, provocando así el debilitamiento observado del contacto de aspereza simple ".

"Esto muestra que estudios como estos merecen una seria consideración en el trabajo futuro, Espinosa-Marzal dijo. Los investigadores reconocen que todavía hay muchas preguntas por abordar relacionadas con esta investigación. Sin embargo, su trabajo demuestra que ciertas interacciones salmuera-calcita, bajo estrés aplicado, inducir la disolución y disminuir la resistencia a la fricción en la escala de aspereza simple.

"Nuestra investigación también sugiere que podría ser posible mitigar el riesgo de terremotos cambiando deliberadamente la composición de la salmuera en áreas que contienen rocas ricas en calcita. Esta consideración podría ser beneficiosa en áreas donde se está llevando a cabo el fracking, pero este concepto requiere una investigación mucho más cuidadosa, "Dijo Espinosa-Marzal.

"Como joven científico que trabaja a nanoescala, Nunca pensé que la dinámica de los terremotos sería el tipo de cosas que estaría investigando, "Dijo Diao." Sin embargo, hemos aprendido tanto sobre cosas a macroescala que los estudios a nanoescala como el nuestro pueden revelar nuevos conocimientos críticos sobre muchos fenómenos naturales a gran escala ".