TERREMOTOS EN EL LABORATORIO: EL AGUA QUE CAMBIA DE BANDO

Un terremoto se produce cuando el esfuerzo sobre una falla supera su resistencia: los dos bloques se deslizan de golpe. En las fallas empapadas de agua, la presión del agua en los poros de la roca desempeña un papel central. Cuanto más alta es, menos se aprietan los bloques entre sí, y más fácilmente se desliza la falla.

Durante un deslizamiento compiten dos mecanismos:

1. Presurización térmica. La fricción calienta la falla. El agua se dilata mucho más que la roca, así que su presión sube, «levanta» la falla y la debilita. Se cree ampliamente que impulsa los grandes terremotos, pero rara vez se ha observado directamente en el laboratorio.
2. Endurecimiento dilatante. Al cizallarse y agrietarse, la roca crea espacio vacío. La presión del agua baja, los bloques se aprietan con más fuerza y la falla se refuerza, lo que podría frenar la ruptura.

Sobre el terreno, el nivel del agua bajó rápidamente en pozos cercanos a la falla tras el terremoto de Hualien de 2018 en Taiwán (magnitud 6,3) y el de Kumamoto de 2016 en Japón (magnitud 7,0). Entonces, ¿qué efecto gana, y cuándo?

Terremotos en miniatura

El equipo de Caiyuan Fan, Harsha Bhat y Alexandre Schubnel, del Laboratorio de Geología de la École normale supérieure de París, usó cilindros de granito Westerly de 85 mm de largo y 40 mm de ancho. La roca se calentó a 450 °C para fisurarla y luego se serró a 30° para crear una falla, cuyas caras se pulieron con pasta de diamante.

• Seis sensores de presión de agua: cuatro justo al borde de la falla (a menos de medio milímetro) y dos más alejados, dentro de la roca.
• Una prensa de alta presión comprimió las muestras a presiones de confinamiento efectivas de 30, 45 y 60 megapascales, con agua a 25 o 45 MPa.
• La carga fue muy lenta (0,3 micrómetros por segundo). La falla acumula esfuerzo y luego se desliza de una vez: un terremoto de laboratorio. Un solo experimento produjo más de 100.

Lo que vieron

Primero, la presurización térmica, observada directamente.

• En los primeros terremotos, la presión del agua subió durante el deslizamiento, en el mismo momento en que caía el esfuerzo.
• En el primer evento: una caída de esfuerzo de unos 2,2 MPa, una subida de presión de unos 7 MPa, un deslizamiento de unos 0,05 mm y una velocidad de aumento de la presión de hasta 180 MPa por segundo.
• El modelo teórico de la presurización térmica reproduce bien estas subidas.
• Un precursor: la presión del agua empezó a subir más de 50 segundos antes de la ruptura, mientras el esfuerzo apenas cambiaba.

Después, el cambio a la dilatancia.

• Terremoto tras terremoto, la presión empezó a bajar en lugar de subir: hasta unos 15 MPa, a un ritmo de hasta 380 MPa por segundo. En un experimento llegó casi a cero.
• También aquí hubo un precursor: la presión empezó a caer 10 segundos antes de la ruptura.
• El cambio se observó en los cuatro experimentos.

Rápido, lento, rápido. Entre las dos fases aparecieron terremotos lentos, entre uno y tres órdenes de magnitud más lentos que los rápidos. No se dieron en la muestra más permeable.

Por qué cambió la falla

La zona de cizalla se hizo unas diez veces más gruesa, de unos 0,05 mm a unos 0,4 mm. El calor se repartió en más roca y el calentamiento estimado bajó de unos 10 grados a 0,2 grados. Al microscopio electrónico, la falla mostraba zonas de roca triturada, hilos de roca fundida por la fricción y una zona dañada de unos 60 micrómetros de profundidad media.

Una sorpresa: en la fase tardía la dilatancia era más fuerte y, sin embargo, las rupturas eran más rápidas. La dilatancia por sí sola no estabiliza la falla; intervienen otros procesos de debilitamiento.

Límites

Los autores piden prudencia al comparar con fallas naturales: estos experimentos no incluyen la cicatrización de las fallas entre terremotos. Además, promediaron los cuatro sensores, que revelan un campo de presión desigual.

Una ventana al estado de una falla

Según los autores, se trata de la primera demostración experimental de las dos respuestas opuestas de la presión del agua, y de una gama de terremotos rápidos y lentos, en una sola falla que evoluciona. Pone en duda la idea de que la presurización térmica domine siempre los terremotos grandes y rápidos. Y las señales de presión del agua podrían convertirse en una ventana al estado de una falla.