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Ingenieros de la Universidad de Duke han ideado un modelo que puede predecir los primeros comportamientos mecánicos y los orígenes de un terremoto en múltiples tipos de rocas.
El modelo, presentado en "Nature Communications" , proporciona nuevas ideas sobre fenómenos no observables que tienen lugar a kilómetros debajo de la superficie de la Tierra bajo presiones y temperaturas increíbles, y podría ayudar a los investigadores a predecir mejor los terremotos, o incluso, al menos teóricamente, intentar evitarlos.
"Los terremotos se originan a lo largo de las fallas subterráneas, donde las condiciones extremas pueden causar reacciones químicas y transiciones de fase que afectan la fricción entre las rocas a medida que se mueven unas contra otras", dijo Hadrien Rattez, científico investigador en ingeniería civil y ambiental de Duke.
"Nuestro modelo es el primero que puede reproducir con precisión cómo disminuye la cantidad de fricción a medida que aumenta la velocidad del deslizamiento de la roca y se desencadenan todos estos fenómenos mecánicos".
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Durante tres décadas, los investigadores han construido máquinas para simular las condiciones de una falla empujando y girando dos discos de roca uno contra el otro. Estos experimentos pueden alcanzar presiones de hasta 1 mil 450 libras por pulgada cuadrada y velocidades de un metro por segundo, que es lo más rápido que pueden viajar las rocas subterráneas. Para un punto de referencia geológico, la placa tectónica del Pacífico se mueve a aproximadamente 0,00000000073 metros por segundo.
"En términos de movimiento de tierra, estas velocidades de un metro por segundo son increíblemente rápidas", dijo Manolis Veveakis, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Duke. "Y la fricción es sinónimo de resistencia. Entonces, si la resistencia cae a cero, el objeto se moverá abruptamente. Esto es un terremoto".
En estos experimentos, la superficie de las rocas comienza a convertirse en una especie de gel o a derretirse, disminuyendo el coeficiente de fricción entre ellas y facilitando su movimiento. Está bien establecido que a medida que la velocidad de estas rocas entre sí aumenta a un metro por segundo, la fricción entre ellas cae como una roca, se podría decir, sin importar el tipo. Pero hasta ahora, nadie había creado un modelo que pudiera reproducir con precisión estos comportamientos.
"Todavía no podemos predecir los terremotos , pero tales estudios son pasos necesarios que debemos tomar para llegar allí", dijo Veveakis. "Y en teoría, si pudiéramos interferir con una falla, podríamos rastrear su composición e intervenir antes de que se vuelva inestable. Eso es lo que hacemos con los deslizamientos de tierra. Pero, por supuesto, las fallas están a 20 millas bajo tierra, y actualmente no tenemos la capacidad de perforación para ir allí ".
En el documento, Rattez y Veveakis describen un modelo computacional que tiene en cuenta el equilibrio de energía de todos los procesos mecánicos complicados que tienen lugar durante el movimiento de la falla. Incorporan mecanismos de debilitamiento causados por el calor que son comunes a todos los tipos de roca, como la descomposición mineral, la lubricación de nanopartículas y la fusión a medida que la roca sufre un cambio de fase.
Después de ejecutar todas sus simulaciones, los investigadores descubrieron que su nuevo modelo predice con precisión la caída de fricción asociada con todo el rango de velocidades de falla de los experimentos en todos los tipos de rocas disponibles, incluyendo halita, silicato y cuarzo.
Debido a que el modelo funciona bien para tantos tipos diferentes de roca, parece ser un modelo general que se puede aplicar a la mayoría de las situaciones, lo que puede revelar nueva información sobre los orígenes de los terremotos. Si bien los investigadores no pueden recrear completamente las condiciones de una falla, modelos como este pueden ayudarlos a extrapolar a presiones y temperaturas más altas para obtener una mejor comprensión de lo qué está sucediendo a medida que una falla se acumula hacia un terremoto.
"El modelo puede dar un significado físico a las observaciones que generalmente no podemos entender", dijo Rattez. "Proporciona mucha información sobre los mecanismos físicos involucrados, como la energía requerida para las diferentes transiciones de fase".
ml
