Cómo surgen los enjambres sísmicos

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Los sismos pueden ser ráfagas abruptas de energía que se desmorona en el hogar, cuando las rebanadas de la corteza del planeta, que se mantienen en su lugar por la fricción, de repente se deslizan y se sacuden.

«Típicamente pensamos en las placas a ambos lados de una falla moviéndose, deformándose, acumulando tensiones y luego: Boom, un terremoto ocurre», dijo el geofísico de la Universidad de Stanford Eric Dunham.

Pero en el fondo, estos bloques de roca pueden deslizarse constantemente uno al lado del otro, arrastrándose a lo largo de las grietas de la corteza terrestre a la velocidad en que crecen las uñas.

Existe un límite entre la parte inferior y progresiva de la falla y la parte superior que puede permanecer bloqueada durante siglos. Durante décadas, los científicos se han preguntado qué controla este límite, sus movimientos y su relación con los grandes terremotos. La principal incógnita 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 por ajustes y arranques debilitan gradualmente la falla. En las décadas previas a los grandes terremotos, parecen impulsar el límite, o la profundidad de bloqueo, una o dos millas hacia arriba.

La investigación, publicada el 24 de septiembre en Nature Communications, también sugiere que a medida que los pulsos de fluidos de alta presión se acercan a la superficie, pueden desencadenar enjambres de terremotos – cadenas de terremotos agrupados en un área local, generalmente durante una semana más o menos. Los temblores de estos enjambres sísmicos son a menudo demasiado sutiles para que la gente los 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 hacer temblar las ciudades de los alrededores.

Cada uno de los terremotos de un enjambre tiene su propia secuencia de réplicas, a diferencia de una gran sacudida principal seguida 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 documento y profesor asociado de geofísica en la Escuela de Ciencias Terrestres, Energéticas y Ambientales de Stanford (Stanford Earth).

El simulador traza un mapa de 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 da cuenta de las interacciones entre el fluido y la presión en la zona de la falla usando un modelo bidimensional simplificado de una falla que corta verticalmente a través de toda la corteza terrestre, similar a la Falla de San Andrés en California.

«A través de un modelo computacional, fuimos capaces de descubrir algunas de las causas fundamentales del comportamiento de las fallas», dijo el autor principal Weiqiang Zhu, un estudiante graduado en geofísica en Stanford. «Encontramos que el flujo y reflujo de la presión alrededor de una falla puede jugar un papel aún más importante que la fricción para dictar su fuerza.»

Las fallas en la corteza terrestre siempre están saturadas de fluidos, en su mayoría 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; otros vienen de arriba cuando las lluvias se filtran o los desarrolladores de energía inyectan fluidos como parte de proyectos de petróleo, gas o geotermia. «Los aumentos en la presión de ese fluido pueden empujar hacia fuera las paredes de la falla, y facilitar el deslizamiento de la falla», dijo Dunham. «O, si la presión disminuye, eso crea una succión que junta las paredes e inhibe el deslizamiento».

Durante décadas, los estudios de las rocas desenterradas de las zonas de la falla han revelado grietas reveladoras, venas llenas de minerales y otros signos de que la presión puede fluctuar salvajemente durante y entre los grandes terremotos, llevando a los geólogos a teorizar que el agua y otros fluidos juegan un papel importante en el desencadenamiento de los terremotos e influyen en el momento en que se producen los mayores temblores. «Las propias rocas 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 conducir a los enjambres de terremotos. Los sismólogos han relacionado los pozos de petróleo y gas de aguas residuales, por ejemplo, con un dramático aumento de los terremotos en partes de Oklahoma a partir de 2009. Y han descubierto que los enjambres de terremotos migran a lo largo de las fallas más rápida o lentamente en diferentes ambientes, ya sea debajo de un volcán, alrededor de una operación geotérmica o dentro de los depósitos de petróleo y gas, posiblemente debido a la amplia variación en las tasas de producción de fluidos, explicó Dunham. 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 el concepto de las fallas como válvulas, que los geólogos presentaron por primera vez en la década de 1990. «La idea es que los fluidos ascienden a lo largo de las fallas de manera intermitente, incluso si esos fluidos están siendo liberados o inyectados a una tasa constante y estable», explicó Dunham. En las décadas a miles de años entre los grandes terremotos, la deposición de minerales y otros procesos químicos sellan la zona de la falla.

Con la válvula de la falla cerrada, el fluido se acumula y la presión se acumula, debilitando la falla y forzándola a deslizarse. A veces este movimiento es demasiado leve para generar una sacudida del 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 una válvula de falla, y la liberación intermitente de fluidos, es una vieja idea», dijo Dunham. «Pero la aparición de enjambres de terremotos en nuestras simulaciones de válvulas de falla fue completamente inesperada».

El modelo hace predicciones cuantitativas sobre la rapidez con 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 imperceptiblemente lentos de la falla o grupos de pequeños terremotos en otros. Esas predicciones pueden entonces ser probadas contra la sismicidad real a lo largo de una falla, en otras palabras, cuándo y dónde terminan ocurriendo los terremotos pequeños o en cámara lenta.

Por ejemplo, una serie de simulaciones, en las 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 cierre en el transcurso de un año, repitiéndose el ciclo 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 incorporadas en el algoritmo están en el objetivo. Mientras tanto, las simulaciones con sellado arrastrado durante años causaron que la profundidad de bloqueo se elevara a medida que los pulsos de presión subían.

Los cambios en la profundidad de bloqueo pueden ser estimados a partir de las mediciones del 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 la falla, así como información sobre la geometría de la falla en particular, la tensión, la composición de la roca y la presión de los fluidos, explicó, «a un nivel de detalle que es simplemente imposible, dado que la mayor parte de la acción está ocurriendo a muchos kilómetros bajo tierra».

Más bien, el modelo ofrece una forma de entender los procesos: cómo los cambios en la presión del fluido causan que las fallas se deslicen; cómo el deslizamiento y el deslizamiento de una falla rompen la roca y la hacen más permeable; y cómo ese aumento de la porosidad permite que los fluidos fluyan más fácilmente.

En el futuro, esta comprensión 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 ocurren en los depósitos de petróleo y gas».

                                              FUENTE: ALERTA GEO