Al simular terremotos en un laboratorio, los ingenieros de Caltech han brindado un fuerte apoyo experimental para una forma de propagación de terremotos que ahora se considera responsable del terremoto de magnitud 9.0 que devastó la costa de Japón en 2011.
A lo largo de algunas líneas de falla, que son los límites de las placas tectónicas, se forma una grava de grano fino a medida que las placas chocan entre sí. La influencia de esta grava en los terremotos ha sido durante mucho tiempo objeto de especulación científica. En un nuevo artículo que aparece en la revista Naturaleza el 1 de junio, los investigadores de Caltech muestran que la grava fina, conocida como roca gubia, primero detiene la propagación de los terremotos, pero luego desencadena el renacimiento de los terremotos para generar poderosas rupturas.
«Nuestro novedoso enfoque experimental nos ha permitido observar de cerca el proceso del terremoto y descubrir características clave de la propagación de la ruptura y la evolución de la fricción en la excavación de rocas», dice Vito Rubino, científico investigador y autor principal del estudio. Naturaleza papel. «Uno de los principales hallazgos de nuestro estudio es que las secciones de fallas que antes se pensaba que actuaban como barreras contra la ruptura dinámica pueden, de hecho, albergar terremotos, como resultado de la activación de mecanismos de debilitamiento por fricción cosísmica».
En el artículo, Rubino y sus coautores Nadia Lapusta, Lawrence A. Hanson, Jr., Profesora de Ingeniería Mecánica y Geofísica, y Ares Rosakis, Profesor Theodore von Kármán de Aeronáutica e Ingeniería Mecánica, muestran que los llamados «estables Después de todo, las fallas «progresivas» o «progresivas» no son inmunes a las rupturas importantes, como se sospechaba anteriormente. Tales fallas ocurren cuando las placas tectónicas se deslizan unas sobre otras lentamente, sin generar grandes terremotos (por ejemplo, la sección actualmente progresiva de la falla de San Andrés en el centro de California).
En cambio, la gubia de roca tiene un comportamiento complejo. Primero actúa como una barrera a la ruptura, absorbiendo energía y bloqueando su avance. Pero, cuando las placas se deslizan entre sí con una velocidad lo suficientemente alta, la interfaz de la roca se debilita y reduce drásticamente la fricción entre las dos placas, lo que provoca el resurgimiento del terremoto. Este proceso se conoce como «renucleación».
«Con base en el rico cuerpo anterior de experimentos de fricción de rocas, sabemos que la excavación de rocas puede fortalecerse con el deslizamiento de fallas y actuar como una barrera, o debilitarse y promover la ruptura de un terremoto», dice Lapusta. «Sin embargo, estos comportamientos generalmente se consideran separados en el espacio, con debilitamiento y fortalecimiento en diferentes ubicaciones de fallas. Nuestros experimentos muestran cómo estos comportamientos pueden combinarse en las mismas ubicaciones de fallas durante el mismo evento de deslizamiento, en escalas de tiempo de ruptura dinámica, lo que lleva a un deslizamiento intermitente y potencialmente convierte una barrera de falla en una región propensa a terremotos».
los Naturaleza El estudio explora el papel y la reacción de la gubia de roca, un material granular del tamaño de un micrómetro, a la actividad sísmica. Para simular el efecto de la excavación de rocas en la propagación de un terremoto, el equipo utilizó el llamado túnel de viento sismológico de Caltech, fundado por Rosakis y el exdirector del Laboratorio Sismológico de Caltech, Hiroo Kanamori, John E. y Hazel S. Smits Profesor de Geofísica, Emérito. La instalación, que existe desde 1999, permite a los ingenieros y científicos estudiar grandes terremotos en una escala en miniatura.
Para simular un terremoto, el equipo primero cortó por la mitad un bloque transparente de un metro de un tipo de plástico conocido como Homalite. Las propiedades a granel de Homalite permiten la nucleación de ruptura dinámica dentro de muestras tan pequeñas como decenas de centímetros de diámetro; estudiar estos efectos en la roca requeriría muestras de decenas de metros de tamaño.
Luego, los investigadores colocaron las dos mitades de Homalite juntas bajo alta presión y cizallamiento (una situación en la que las dos mitades quieren deslizarse una contra la otra en direcciones opuestas), simulando la presión tectónica que se acumula lentamente a lo largo de una línea de falla. Entre las piezas, se incrustó polvo de cuarzo de grano fino como sustituto de la gubia de falla. Luego, el equipo colocó un pequeño fusible de alambre entre las dos mitades; su ubicación era el «epicentro» del terremoto que planeaban simular. A medida que avanzaba el terremoto simulado, se utilizó tecnología de imágenes de alta velocidad para registrar su evolución, una millonésima de segundo a la vez.
«A fines de la década de 1990, cuando estábamos diseñando el ‘túnel de viento sismológico’, nunca podríamos haber imaginado su éxito en el descubrimiento de un espectro tan rico de fenómenos físicos relacionados con los procesos de origen de terremotos por fricción y que tales fenómenos podrían escalarse rigurosamente para explicar comportamiento de los terremotos naturales que ocurren en escalas de longitud enormemente diferentes en todo el mundo», dice Rosakis. «Este es un testimonio del tremendo poder de la disciplina de la mecánica».
A continuación, el equipo planea estudiar los efectos de los fluidos, que están presentes de forma natural en la corteza terrestre, sobre el comportamiento de fricción de la excavación de rocas.
los Naturaleza El artículo se titula «Terremotos de laboratorio intermitentes en el debilitamiento dinámico de fallas». Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), el Servicio Geológico de EE. UU., el programa NSF-IUCRC en el Centro de Geomecánica y Mitigación de Riesgos Geológicos (GMG) de Caltech y el Centro de Terremotos del Sur de California (SCEC).
