Los terremotos pueden ser ráfagas abruptas de desmoronamiento de casas, energía que hace que el suelo se pandee cuando las rebanadas de la corteza del planeta, mantenidas durante mucho tiempo por la fricción, se deslizan y se tambalean repentinamente.

"Normalmente pensamos en las placas a ambos lados de una falla moviéndose, deformando acumulando tensiones y luego:boom, ocurre un terremoto, ", dijo el geofísico de la Universidad de Stanford, Eric Dunham.

Pero más profundo estos bloques de roca pueden deslizarse constantemente unos junto a otros, arrastrándose a lo largo de las grietas de la corteza terrestre aproximadamente a la velocidad con la que crecen las uñas.

Existe un límite entre lo inferior, reptando parte de la falla, y la parte superior que puede permanecer bloqueada durante siglos en un tramo. Por décadas, Los científicos se han preguntado qué controla este límite, sus movimientos y su relación con los grandes terremotos. La principal de las incógnitas es cómo el fluido y la presión migran a lo largo de las fallas, y cómo eso hace que las fallas se deslicen.

Un nuevo simulador de fallas basado en la física desarrollado por Dunham y sus colegas proporciona algunas respuestas. El modelo muestra cómo los fluidos que ascienden a intervalos y comienzan a debilitar gradualmente la falla. En las décadas previas a los grandes terremotos, parecen impulsar el límite, o profundidad de bloqueo, una milla o dos hacia arriba.

Enjambres migratorios

La investigación, publicado el 24 de septiembre en Comunicaciones de la naturaleza , también sugiere que a medida que los pulsos de fluidos a alta presión se acercan a la superficie, pueden desencadenar enjambres de terremotos:cadenas de terremotos agrupados en un área local, generalmente más de una semana. El temblor de estos enjambres sísmicos es a menudo demasiado sutil para que la gente lo note, pero no siempre:un enjambre cerca del extremo sur de la falla de San Andrés en California en agosto de 2020, por ejemplo, produjo un terremoto de magnitud 4,6 lo suficientemente fuerte como para sacudir las ciudades circundantes.

Cada uno de los terremotos en un enjambre tiene su propia secuencia de réplicas, a diferencia de un gran sismo principal seguido de muchas réplicas. "Un enjambre de terremotos a menudo implica la migración de estos eventos a lo largo de una falla en alguna dirección, horizontal o verticalmente, "explicó Dunham, autor principal del artículo y profesor asociado de geofísica en la Escuela de la Tierra de Stanford, Energía y Ciencias Ambientales (Stanford Earth).

El simulador muestra cómo funciona esta migración. Mientras que gran parte del modelado avanzado de terremotos de los últimos 20 años se ha centrado en el papel de la fricción en el desbloqueo de fallas, el nuevo trabajo tiene en cuenta las interacciones entre el fluido y la presión en la zona de falla utilizando un método simplificado, modelo bidimensional de una falla que corta verticalmente a través de toda la corteza terrestre, similar a la falla de San Andrés en California.

"A través del modelado computacional, pudimos descubrir algunas de las causas principales del comportamiento de fallas, "dijo el autor principal Weiqiang Zhu, estudiante de posgrado en geofísica en Stanford. "Descubrimos que el flujo y reflujo de la presión alrededor de una falla puede desempeñar un papel aún más importante que la fricción a la hora de determinar su fuerza".

Válvulas subterráneas

Las fallas en la corteza terrestre siempre están saturadas de fluidos, principalmente agua, pero agua en un estado que difumina las distinciones entre líquido y gas. Algunos de estos fluidos se originan en el vientre de la Tierra y migran hacia arriba; algunos vienen de arriba cuando la lluvia se filtra o los desarrolladores de energía inyectan fluidos como parte del petróleo, proyectos de gas o geotermia. "Los aumentos en la presión de ese fluido pueden empujar las paredes de la falla, y facilitar el deslizamiento de la falla, "Dunham dijo." O, si la presión disminuye, que crea una succión que junta las paredes e inhibe el deslizamiento ".

Por décadas, estudios de rocas desenterradas de zonas de fallas han revelado grietas reveladoras, venas llenas de minerales y otros signos de que la presión puede fluctuar enormemente durante y entre grandes terremotos, lo que lleva a los geólogos a teorizar que el agua y otros fluidos juegan un papel importante en desencadenar terremotos e influir en cuándo ocurren los temblores más grandes. "Las rocas mismas nos dicen que este es un proceso importante, "Dijo Dunham.

Más recientemente, Los científicos han documentado que la inyección de fluidos relacionada con las operaciones energéticas puede provocar enjambres de terremotos. Los sismólogos han vinculado pozos de eliminación de aguas residuales de petróleo y gas, por ejemplo, a un aumento dramático de terremotos en partes de Oklahoma a partir de 2009. Y han descubierto que los enjambres de terremotos migran a lo largo de fallas más rápido o más lento en diferentes entornos, ya sea debajo de un volcán, alrededor de una operación geotérmica o dentro de depósitos de petróleo y gas, posiblemente debido a la amplia variación en las tasas de producción de fluidos, Dunham explicó. Pero el modelado aún tenía que desenredar la red de mecanismos físicos detrás de los patrones observados.

El trabajo de Dunham y Zhu se basa en un concepto de fallas como válvulas, que los geólogos presentaron por primera vez en la década de 1990. "La idea es que los fluidos asciendan a lo largo de las fallas de forma intermitente, incluso si esos fluidos se liberan o se inyectan de manera constante, tasa constante, ", Explicó Dunham. En las décadas o miles de años transcurridos entre grandes terremotos, la deposición de minerales y otros procesos químicos sellan la zona de falla.

Con la válvula de falla cerrada, el líquido se acumula y la presión aumenta, debilitando la falla y obligándola a deslizarse. A veces, este movimiento es demasiado leve para generar temblores en el suelo, pero es suficiente para fracturar la roca y abrir la válvula, permitiendo que los fluidos reanuden su ascenso.

El nuevo modelo muestra por primera vez que a medida que estos pulsos viajan hacia arriba a lo largo de la falla, pueden crear enjambres de terremotos. "El concepto de válvula de falla, y liberación intermitente de fluidos, es una vieja idea, ", Dijo Dunham." Pero la ocurrencia de enjambres de terremotos en nuestras simulaciones de válvulas de falla fue completamente inesperada ".

Predicciones y sus limites

El modelo hace predicciones cuantitativas sobre la rapidez con la que un pulso de fluidos a alta presión migra a lo largo de la falla. abre los poros, hace que la falla se deslice y desencadena ciertos fenómenos:cambios en la profundidad de bloqueo, en algunos casos, y movimientos de fallas imperceptiblemente lentos o grupos de pequeños terremotos en otros. A continuación, esas predicciones se pueden comparar con la sismicidad real a lo largo de una falla; en otras palabras, cuándo y dónde acaban ocurriendo terremotos pequeños o en cámara lenta.

Por ejemplo, un conjunto de simulaciones, en el que la falla se estableció para sellar y detener la migración de fluidos en tres o cuatro meses, predijo un poco más de una pulgada de deslizamiento a lo largo de la falla justo alrededor de la profundidad de bloqueo en el transcurso de un año, con el ciclo que se repite cada pocos años. Esta simulación en particular coincide estrechamente con los patrones de los llamados eventos de deslizamiento lento observados en Nueva Zelanda y Japón, una señal de que los procesos subyacentes y las relaciones matemáticas integradas en el algoritmo están en el objetivo. Mientras tanto, Las simulaciones con el sellado prolongado durante años hicieron que la profundidad de bloqueo aumentara a medida que los pulsos de presión aumentaban.

Los cambios en la profundidad de bloqueo se pueden estimar a partir de las mediciones de GPS de la deformación de la superficie de la Tierra. Sin embargo, la tecnología no es un predictor de terremotos, Dijo Dunham. Eso requeriría un conocimiento más completo de los procesos que influyen en el deslizamiento de fallas, así como información sobre la geometría de la falla en particular, estrés, composición de la roca y presión del fluido, él explicó, "a un nivel de detalle que es simplemente imposible, dado que la mayor parte de la acción ocurre a muchas millas bajo tierra ".

Bastante, el modelo ofrece una forma de comprender los procesos:cómo los cambios en la presión del fluido hacen que las fallas se deslicen; cómo el deslizamiento y deslizamiento de una falla rompe la roca y la hace más permeable; y cómo esa mayor porosidad permite que los fluidos fluyan más fácilmente.

En el futuro, este conocimiento podría ayudar a informar las evaluaciones de los riesgos relacionados con la inyección de fluidos en la Tierra. Según Dunham, "Las lecciones que aprendemos sobre cómo el flujo de fluidos se acopla con el deslizamiento por fricción son aplicables a los terremotos que ocurren naturalmente, así como a los terremotos inducidos que están sucediendo en los reservorios de petróleo y gas".