Terremotos podem ser explosões abruptas de desmoronamento de casas, energia de confundir o solo quando fatias da crosta do planeta há muito mantidas no lugar pela fricção escorregam e balançam de repente.

"Normalmente pensamos nas placas de cada lado de uma falha em movimento, deformando, acumulando tensões e então:Boom, um terremoto acontece, "disse o geofísico da Universidade de Stanford Eric Dunham.

Mas no fundo, esses blocos de rocha podem deslizar continuamente uns sobre os outros, rastejando ao longo de rachaduras na crosta terrestre mais ou menos na mesma velocidade que suas unhas crescem.

Existe um limite entre o inferior, parte rasteira da falha, e a parte superior que pode permanecer bloqueada por séculos em um trecho. Por décadas, os cientistas ficaram intrigados sobre o que controla essa fronteira, seus movimentos e sua relação com grandes terremotos. O principal entre as incógnitas é como o fluido e a pressão migram ao longo das falhas, e como isso faz com que as falhas escorreguem.

Um novo simulador de falhas baseado em física desenvolvido por Dunham e colegas fornece algumas respostas. O modelo mostra como os fluidos que sobem por ataques e começam gradualmente enfraquecem a falha. Nas décadas que antecederam os grandes terremotos, eles parecem impulsionar o limite, ou profundidade de bloqueio, uma ou duas milhas para cima.

Migrando enxames

A pesquisa, publicado em 24 de setembro em Nature Communications , também sugere que, à medida que os pulsos de fluidos de alta pressão se aproximam da superfície, eles podem desencadear enxames de terremotos - sequências de terremotos agrupadas em uma área local, geralmente ao longo de uma semana ou mais. Tremer com esses enxames sísmicos muitas vezes é muito sutil para as pessoas perceberem, mas nem sempre:um enxame próximo ao extremo sul da falha de San Andreas, na Califórnia, em agosto de 2020, por exemplo, produziu um terremoto de magnitude 4,6 forte o suficiente para sacudir as cidades vizinhas.

Cada um dos terremotos em um enxame tem sua própria sequência de abalos secundários, em oposição a um grande choque principal seguido por muitos tremores secundários. "Um enxame de terremotos muitas vezes envolve a migração desses eventos ao longo de uma falha em alguma direção, horizontalmente ou verticalmente, "explicou Dunham, autor sênior do artigo e professor associado de geofísica na Escola da Terra de Stanford, Energia e Ciências Ambientais (Stanford Earth).

O simulador mapeia como essa migração funciona. Considerando que grande parte da modelagem avançada de terremotos dos últimos 20 anos se concentrou no papel do atrito no desbloqueio de falhas, o novo trabalho considera as interações entre fluido e pressão na zona de falha usando um simplificado, modelo bidimensional de uma falha que corta verticalmente toda a crosta terrestre, semelhante à falha de San Andreas na Califórnia.

"Por meio de modelagem computacional, fomos capazes de descobrir algumas das causas raízes do comportamento de falha, "disse o autor principal Weiqiang Zhu, um estudante de graduação em geofísica em Stanford. "Descobrimos que a vazante e o fluxo da pressão em torno de uma falha podem desempenhar um papel ainda maior do que o atrito em ditar sua força."

Válvulas subterrâneas

As falhas na crosta terrestre estão sempre saturadas de fluidos - principalmente água, mas a água em um estado que confunde as distinções entre líquido e gás. Alguns desses fluidos se originam na barriga da Terra e migram para cima; alguns vêm de cima quando a chuva se infiltra ou os desenvolvedores de energia injetam fluidos como parte do petróleo, projetos de gás ou geotérmicos. "Aumentos na pressão desse fluido podem empurrar as paredes da falha, e torna mais fácil para a falha deslizar, "Dunham disse." Ou, se a pressão diminuir, que cria uma sucção que une as paredes e inibe o deslizamento. "

Por décadas, estudos de rochas descobertas em zonas de falha revelaram rachaduras reveladoras, veias cheias de minerais e outros sinais de que a pressão pode oscilar descontroladamente durante e entre grandes terremotos, levando geólogos a teorizar que a água e outros fluidos desempenham um papel importante no desencadeamento de terremotos e influenciando quando os maiores tremores acontecem. "As próprias rochas estão nos dizendo que este é um processo importante, "Dunham disse.

Mais recentemente, os cientistas documentaram que a injeção de fluido relacionada às operações de energia pode levar a enxames de terremotos. Os sismólogos ligaram poços de eliminação de águas residuais de petróleo e gás, por exemplo, a um aumento dramático nos terremotos em partes de Oklahoma começando por volta de 2009. E eles descobriram que os enxames de terremotos migram ao longo das falhas mais rápido ou mais devagar em diferentes ambientes, seja debaixo de um vulcão, em torno de uma operação geotérmica ou dentro de reservatórios de petróleo e gás, possivelmente devido à grande variação nas taxas de produção de fluido, Dunham explicou. Mas a modelagem ainda não tinha desemaranhado a teia de mecanismos físicos por trás dos padrões observados.

O trabalho de Dunham e Zhu baseia-se em um conceito de falhas como válvulas, que os geólogos apresentaram pela primeira vez na década de 1990. "A ideia é que os fluidos sobem ao longo das falhas de forma intermitente, mesmo se esses fluidos estiverem sendo liberados ou injetados de forma constante, taxa constante, "Dunham explicou. Nas décadas a milhares de anos entre os grandes terremotos, deposição mineral e outros processos químicos selam a zona de falha.

Com a válvula de falha fechada, fluido se acumula e a pressão aumenta, enfraquecendo a falha e forçando-a a escorregar. Às vezes, esse movimento é muito leve para gerar tremores no solo, mas é o suficiente para fraturar a rocha e abrir a válvula, permitindo que os fluidos retomem sua ascensão.

A nova modelagem mostra pela primeira vez que, à medida que esses pulsos viajam para cima ao longo da falha, eles podem criar enxames de terremotos. "O conceito de uma válvula de falha, e liberação intermitente de fluidos, é uma ideia antiga, "Dunham disse." Mas a ocorrência de enxames de terremotos em nossas simulações de válvulas de falha foi completamente inesperada. "

Previsões, e seus limites

O modelo faz previsões quantitativas sobre a rapidez com que um pulso de fluidos de alta pressão migra ao longo da falha, abre os poros, faz com que a falha escorregue e desencadeia certos fenômenos:mudanças na profundidade de bloqueio, em alguns casos, e movimentos de falha imperceptivelmente lentos ou aglomerados de pequenos terremotos em outros. Essas previsões podem então ser testadas contra a sismicidade real ao longo de uma falha - em outras palavras, quando e onde terremotos pequenos ou em câmera lenta acabam ocorrendo.

Por exemplo, um conjunto de simulações, em que a falha foi definida para selar e interromper a migração de fluido dentro de três ou quatro meses, previu um pouco mais de uma polegada de deslizamento ao longo da falha ao redor da profundidade de bloqueio ao longo de um ano, com o ciclo se repetindo a cada poucos anos. Esta simulação particular corresponde de perto aos padrões dos chamados eventos de deslizamento lento observados na Nova Zelândia e no Japão - um sinal de que os processos subjacentes e as relações matemáticas construídas no algoritmo estão no alvo. Enquanto isso, simulações com vedação arrastadas ao longo dos anos fizeram com que a profundidade de travamento aumentasse à medida que os pulsos de pressão aumentavam.

Mudanças na profundidade de travamento podem ser estimadas a partir de medições GPS da deformação da superfície da Terra. No entanto, a tecnologia não é um preditor de terremotos, Dunham disse. Isso exigiria um conhecimento mais completo dos processos que influenciam o deslizamento de falha, bem como informações sobre a geometria da falha particular, estresse, composição da rocha e pressão do fluido, ele explicou, "em um nível de detalhe que é simplesmente impossível, dado que a maior parte da ação está acontecendo a muitos quilômetros de profundidade. "

Em vez, o modelo oferece uma maneira de entender os processos:como as mudanças na pressão do fluido causam o escorregamento das falhas; como o deslizamento e o deslizamento de uma falha quebram a rocha e a tornam mais permeável; e como essa porosidade aumentada permite que os fluidos fluam mais facilmente.

No futuro, esse entendimento pode ajudar a informar avaliações de risco relacionadas à injeção de fluidos na Terra. De acordo com Dunham, "As lições que aprendemos sobre como o fluxo de fluido se acopla com o deslizamento friccional são aplicáveis ​​a terremotos que ocorrem naturalmente, bem como terremotos induzidos que estão acontecendo em reservatórios de petróleo e gás."