TERREMOTOS DE LABORATÓRIO: A ÁGUA QUE VIRA O JOGO

Um terremoto acontece quando a tensão sobre uma falha supera sua resistência: os dois blocos deslizam de repente. Em falhas encharcadas de água, a pressão da água nos poros da rocha tem papel central. Quanto mais alta ela é, menos os blocos são pressionados um contra o outro — e mais facilmente a falha desliza.

Dois mecanismos competem durante um deslizamento:

1. Pressurização térmica. O atrito aquece a falha. A água se expande muito mais que a rocha, então sua pressão sobe, “levantando” a falha e enfraquecendo-a. Acredita-se amplamente que ela impulsione os grandes terremotos — mas raramente foi observada diretamente em laboratório.
2. Fortalecimento dilatante. À medida que a rocha é cisalhada e racha, cria espaços vazios. A pressão da água cai, os blocos se pressionam com mais força e a falha se fortalece — possivelmente freando a ruptura.

No campo, o nível da água caiu rapidamente em poços perto da falha após o terremoto de Hualien de 2018, em Taiwan (magnitude 6,3), e o terremoto de Kumamoto de 2016, no Japão (magnitude 7,0). Então, qual efeito vence, e quando?

Terremotos em miniatura

A equipe de Caiyuan Fan, Harsha Bhat e Alexandre Schubnel, no Laboratório de Geologia da École normale supérieure, em Paris, usou cilindros de granito Westerly com 85 mm de comprimento e 40 mm de largura. A rocha foi aquecida a 450 °C para fissurá-la e depois serrada a 30° para criar uma falha, cujas faces foram polidas com pasta de diamante.

• Seis sensores de pressão de água: quatro bem na borda da falha (a menos de meio milímetro), dois mais afastados, dentro da rocha.
• Uma prensa de alta pressão comprimiu as amostras a pressões de confinamento efetivas de 30, 45 e 60 megapascals, com água a 25 ou 45 MPa.
• O carregamento foi muito lento (0,3 micrômetro por segundo). A falha acumula tensão e depois desliza de uma vez — um terremoto de laboratório. Um único experimento produziu mais de 100 deles.

O que eles viram

Primeiro, pressurização térmica — observada diretamente.

• Nos primeiros terremotos, a pressão da água subiu durante o deslizamento, no mesmo momento em que a tensão caiu.
• No primeiro evento: uma queda de tensão de cerca de 2,2 MPa, uma alta de pressão de cerca de 7 MPa, um deslizamento de cerca de 0,05 mm e uma taxa de aumento de pressão de até 180 MPa por segundo.
• O modelo teórico da pressurização térmica reproduz bem essas altas.
• Um precursor: a pressão da água começou a subir mais de 50 segundos antes da ruptura, enquanto a tensão quase não mudava.

Depois, a virada para a dilatância.

• Terremoto após terremoto, a pressão passou a cair em vez de subir — até cerca de 15 MPa, a até 380 MPa por segundo. Num experimento, chegou perto de zero.
• Aqui também há um precursor: a pressão começou a cair 10 segundos antes da ruptura.
• A virada foi vista nos quatro experimentos.

Rápido, lento, rápido. Entre as duas fases vieram terremotos lentos, de uma a três ordens de grandeza mais lentos que os rápidos. Eles não apareceram na amostra mais permeável.

Por que a falha mudou

A zona de cisalhamento ficou cerca de dez vezes mais espessa, de cerca de 0,05 mm para cerca de 0,4 mm. O calor se espalhou por mais rocha, e o aquecimento estimado caiu de cerca de 10 graus para 0,2 grau. Ao microscópio eletrônico, a falha mostrava manchas de rocha triturada, fios de rocha derretida pelo atrito e uma zona danificada com cerca de 60 micrômetros de profundidade em média.

Uma surpresa: na fase final, a dilatância era mais forte e, mesmo assim, as rupturas eram mais rápidas. A dilatância sozinha não estabiliza a falha; outros processos de enfraquecimento estão em ação.

Limites

Os autores pedem cautela na comparação com falhas naturais: esses experimentos não incluem a cicatrização das falhas entre terremotos. Eles também fizeram a média dos quatro sensores, que revelam um campo de pressão irregular.

Uma janela para o estado de uma falha

Segundo os autores, esta é a primeira demonstração experimental das duas respostas opostas da pressão da água, e de uma gama de terremotos rápidos e lentos, numa única falha em evolução. Isso desafia a ideia de que a pressurização térmica sempre domina os terremotos grandes e rápidos. E os sinais de pressão da água poderiam se tornar uma janela para o estado de uma falha.