Un nuevo modelo de laboratorio vincula el área real de contacto entre fallas con la dinámica de los terremotos, abriendo nuevas posibilidades para su predicción y sistemas de alerta temprana.
Por Will Kwong
Un equipo de investigadores desarrolló un modelo experimental que conecta el área real de contacto entre las superficies de una falla con la posibilidad de que ocurra un sismo. Publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, este avance muestra cómo la fricción microscópica se relaciona directamente con la mecánica de los terremotos, abriendo nuevas perspectivas para su comprensión y posible predicción.
“Hemos abierto una ventana al corazón mismo de la mecánica sísmica”, afirmó Sylvain Barbot, profesor asociado de ciencias de la Tierra en el Colegio Dornsife de Letras, Artes y Ciencias de The University of Southern California responsable del estudio. “Al observar cómo evoluciona el área real de contacto entre las superficies de falla durante el ciclo sísmico, ahora podemos explicar tanto la acumulación lenta de tensión como la ruptura repentina que ocurre después. A futuro, esto podría traducirse en nuevas formas de monitorear y predecir sismos desde sus etapas más tempranas”.
Durante décadas, los científicos se han basado en leyes de fricción empíricas conocidas como «rate-and-state» para modelar terremotos. Aunque efectivas, estas leyes no explicaban los mecanismos físicos detrás del fenómeno. “Nuestro modelo revela lo que realmente sucede en la interfaz de la falla durante un ciclo sísmico”, explicó Barbot.
La clave del hallazgo es, en palabras del investigador, sorprendentemente sencilla: “Cuando dos superficies rugosas se deslizan una sobre otra, solo hacen contacto en puntos muy pequeños y aislados, que cubren apenas una fracción de la superficie total”. Esa “área real de contacto”, invisible al ojo humano pero medible con técnicas ópticas, resulta ser la variable clave que determina el comportamiento de un sismo.
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Terremotos de laboratorio: iluminando rupturas en tiempo real
Para el experimento, se utilizaron materiales acrílicos transparentes que permitieron a los investigadores observar cómo se producen las rupturas sísmicas en tiempo real. Mediante cámaras de alta velocidad y mediciones ópticas, el equipo rastreó cómo la luz LED cambiaba a medida que se formaban, crecían y destruían los puntos de contacto durante los “terremotos de laboratorio”.
“Podemos ver literalmente cómo evoluciona el área de contacto a medida que avanza la ruptura”, explicó Barbot. “Durante rupturas rápidas, observamos que desaparece aproximadamente el 30 % del área de contacto en cuestión de milisegundos —una pérdida repentina de resistencia que impulsa el sismo”.
El experimento reveló una relación antes desconocida: la “variable de estado” usada por décadas en los modelos sísmicos tradicionales corresponde, en realidad, al área real de contacto entre las superficies de falla. Es la primera vez que se logra una interpretación física concreta de ese concepto matemático fundamental en la ciencia de los terremotos desde la década de 1970.
De la simulación a la predicción
El equipo analizó 26 escenarios sísmicos simulados y encontró que la relación entre la velocidad de ruptura y la energía de fractura coincide con las predicciones de la mecánica de fractura elástica lineal. Las simulaciones por computadora lograron reproducir tanto rupturas lentas como rápidas, no solo en velocidad y caída de tensión, sino también en la cantidad de luz transmitida durante la ruptura.
A medida que el área de contacto cambia a lo largo del ciclo sísmico, también lo hacen otras propiedades físicas medibles, como la conductividad eléctrica, la permeabilidad hidráulica y la transmisión de ondas sísmicas. Esto sugiere que monitorear estas variables de manera continua podría brindar nueva información sobre el comportamiento de las fallas geológicas.
Más allá del ámbito académico, el hallazgo podría tener aplicaciones prácticas. La investigación sugiere que vigilar el estado físico de los puntos de contacto en las fallas naturales podría servir como herramienta para sistemas de alerta temprana, e incluso como base para predicciones sísmicas más confiables, usando la conductividad eléctrica como indicador.
“Si logramos monitorear estas propiedades de forma continua en fallas reales, podríamos detectar las etapas iniciales de nucleación de un sismo”, dijo Barbot. “Esto abriría la puerta a nuevos métodos para anticiparnos a un evento sísmico, incluso antes de que se emitan las primeras ondas”.
Lo que viene
El siguiente paso es escalar estos hallazgos fuera del entorno controlado de laboratorio. Según Barbot, el modelo desarrollado proporciona una base física para entender cómo evolucionan las propiedades de una falla durante su ciclo sísmico.
“Imagina un futuro en el que podamos detectar cambios sutiles en una falla antes de que ocurra un terremoto”, concluyó. “Ese es el potencial de largo plazo de esta investigación”.
Sobre el estudio:Además de Barbot, participó Baoning Wu, anteriormente en la USC y actualmente en la Universidad de California, San Diego. La investigación fue financiada por la National Science Foundation (beca EAR-1848192) y por el Statewide California Earthquake Center (propuesta 22105).
