El movimiento telúrico que genera un terremoto es solo una fracción de la energía total que libera. Un terremoto también puede generar una llamarada de calor, junto con una fracturación de rocas subterráneas similar a un efecto dominó. Pero medir en campo la cantidad exacta de energía que se destina a cada uno de estos tres procesos es extremadamente difícil, si no imposible.
por Jennifer Chu, Instituto Tecnológico de Massachusetts
AGU Advances (2025). DOI: 10.1029/2025av001683
Ahora, geólogos del MIT han rastreado la energía liberada por los «terremotos de laboratorio»: análogos en miniatura de los terremotos naturales, provocados cuidadosamente en un entorno de laboratorio controlado. Por primera vez, han cuantificado el balance energético completo de estos sismos, en términos de la fracción de energía que se transforma en calor, temblores y fracturas.
Descubrieron que solo alrededor del 10% de la energía de un terremoto de laboratorio causa temblores físicos. Una fracción aún menor —menos del 1%— se destina a fragmentar la roca y crear nuevas superficies. La mayor parte de la energía de un terremoto —en promedio, el 80%— se destina a calentar la región inmediata alrededor del epicentro. De hecho, los investigadores observaron que un terremoto de laboratorio puede producir un pico de temperatura lo suficientemente alto como para fundir el material circundante y convertirlo brevemente en líquido fundido.
Los geólogos también descubrieron que el balance energético de un terremoto depende del historial de deformación de una región: el grado en que las rocas han sido desplazadas y perturbadas por movimientos tectónicos previos. Las fracciones de energía sísmica que producen calor, temblores y fracturas de rocas pueden variar según lo que haya experimentado la región en el pasado.
«El historial de deformación —esencialmente, lo que la roca recuerda— influye realmente en cuán destructivo podría ser un terremoto», afirma Daniel Ortega-Arroyo, estudiante de posgrado del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. «Este historial afecta en gran medida las propiedades materiales de la roca y, en cierta medida, determina cómo se deslizará».
Los sismos de laboratorio del equipo son una analogía simplificada de lo que ocurre durante un terremoto natural. En el futuro, sus resultados podrían ayudar a los sismólogos a predecir la probabilidad de terremotos en regiones propensas a eventos sísmicos. Por ejemplo, si los científicos tienen una idea de la intensidad de la vibración generada por un terremoto en el pasado, podrían estimar el grado en que la energía del terremoto también afectó a las rocas subterráneas, fundiéndolas o fragmentándolas. Esto, a su vez, podría revelar la vulnerabilidad de la región a futuros terremotos.
«Nunca podríamos reproducir la complejidad de la Tierra, así que debemos aislar la física de lo que ocurre en estos terremotos de laboratorio», afirma Matěj Peč, profesor asociado de geofísica del MIT. «Esperamos comprender estos procesos e intentar extrapolarlos a la naturaleza».
Peč (pronunciado «Peck») y Ortega-Arroyo publicaron sus resultados el 28 de agosto en la revista AGU Advances . Sus coautores del MIT son Hoagy O’Ghaffari y Camilla Cattania, junto con Zheng Gong y Roger Fu de la Universidad de Harvard, y Markus Ohl y Oliver Plümper de la Universidad de Utrecht (Países Bajos).
Bajo la superficie
Los terremotos son impulsados por la energía almacenada en las rocas durante millones de años. A medida que las placas tectónicas rozan lentamente entre sí, la tensión se acumula en la corteza. Cuando las rocas son empujadas más allá de su resistencia material, pueden deslizarse repentinamente a lo largo de una zona estrecha, creando una falla geológica. Al deslizarse a ambos lados de la falla, las rocas producen ondas sísmicas que se propagan hacia afuera y hacia arriba.
Percibimos la energía de un terremoto principalmente en forma de movimiento del suelo, que puede medirse mediante sismómetros y otros instrumentos terrestres. Sin embargo, las otras dos formas principales de energía sísmica —el calor y la fracturación subterránea— son prácticamente inaccesibles con las tecnologías actuales.
«A diferencia del clima, donde podemos observar patrones diarios y medir diversas variables pertinentes, es muy difícil hacerlo en las profundidades de la Tierra», afirma Ortega-Arroyo. «Desconocemos qué les sucede a las rocas, y las escalas temporales en las que se repiten los terremotos dentro de una zona de falla abarcan desde siglos hasta milenios, lo que dificulta cualquier pronóstico viable».
Para comprender cómo se distribuye la energía de un terremoto y cómo ese balance energético podría afectar el riesgo sísmico de una región, él y Peč acudieron al laboratorio. Durante los últimos siete años, el grupo de Peč en el MIT ha desarrollado métodos e instrumentación para simular eventos sísmicos a microescala, con el fin de comprender cómo se desarrollan los terremotos a macroescala.
«Nos estamos centrando en lo que ocurre a una escala muy pequeña, donde podemos controlar muchos aspectos del fallo y tratar de comprenderlo antes de poder ampliarlo a la naturaleza», afirma Ortega-Arroyo.
Microbatidos
Para su nuevo estudio, el equipo generó sismos de laboratorio en miniatura que simulan el deslizamiento sísmico de rocas a lo largo de una zona de falla. Trabajaron con pequeñas muestras de granito, representativas de las rocas de la capa sismogénica, la región geológica de la corteza continental donde suelen originarse los terremotos. Molieron el granito hasta obtener un polvo fino y lo mezclaron con un polvo mucho más fino de partículas magnéticas, que utilizaron como una especie de indicador de temperatura interna. (La intensidad del campo magnético de una partícula cambia en respuesta a una fluctuación de temperatura).
Los investigadores colocaron muestras de granito en polvo —cada una de aproximadamente 10 milímetros cuadrados y 1 milímetro de espesor— entre dos pequeños pistones y envolvieron el conjunto con una camisa de oro. Luego aplicaron un campo magnético intenso para orientar las partículas magnéticas del polvo en la misma dirección inicial y con la misma intensidad de campo. Razonaron que cualquier cambio posterior en la orientación y la intensidad de campo de las partículas debería indicar la cantidad de calor que experimentó esa región como resultado de cualquier evento sísmico.
Una vez preparadas las muestras, el equipo las colocó una a una en un aparato a medida que los investigadores ajustaron para aplicar una presión cada vez mayor, similar a la que experimentan las rocas en la capa sismogénica de la Tierra, a unos 10 a 20 kilómetros por debajo de la superficie. Utilizaron sensores piezoeléctricos a medida, desarrollados por el coautor O’Ghaffari, que colocaron en cada extremo de una muestra para medir cualquier vibración que se produjera al aumentar la tensión sobre la muestra.
Observaron que, bajo ciertas tensiones, algunas muestras se deslizaban, produciendo un evento sísmico a microescala similar a un terremoto. Al analizar las partículas magnéticas de las muestras posteriormente, obtuvieron una estimación del calentamiento temporal de cada muestra, un método desarrollado en colaboración con el laboratorio de Roger Fu en la Universidad de Harvard.
También estimaron la intensidad de la vibración experimentada por cada muestra, utilizando mediciones del sensor piezoeléctrico y modelos numéricos. Los investigadores también examinaron cada muestra al microscopio, a diferentes aumentos, para evaluar cómo variaba el tamaño de los granos de granito: por ejemplo, si se rompían en pedazos más pequeños y, en caso afirmativo, cuántos.
A partir de todas estas mediciones, el equipo pudo estimar el balance energético de cada terremoto de laboratorio. En promedio, descubrieron que aproximadamente el 80 % de la energía de un terremoto se convierte en calor, mientras que el 10 % genera temblores y menos del 1 % se destina a la fracturación de rocas , es decir, a la creación de nuevas superficies de partículas más pequeñas.
En algunos casos, observamos que, cerca de la falla, la muestra pasó de temperatura ambiente a 1200 °C en cuestión de microsegundos, y luego se enfrió inmediatamente al detenerse el movimiento, afirma Ortega-Arroyo. En una muestra, vimos que la falla se movía aproximadamente 100 micras, lo que implica velocidades de deslizamiento de aproximadamente 10 metros por segundo. Se mueve muy rápido, aunque no dura mucho.
Los investigadores sospechan que procesos similares ocurren en terremotos reales de escala kilométrica.
«Nuestros experimentos ofrecen un enfoque integrado que proporciona una de las perspectivas más completas hasta la fecha sobre la física de las rupturas sísmicas en rocas», afirma Peč. «Esto aportará pistas para mejorar nuestros modelos sísmicos actuales y la mitigación de riesgos naturales».
Más información: Daniel Ortega-Arroyo et al., «Lab-Quakes»: Cuantificación del presupuesto energético completo de fallas de laboratorio a alta presión, AGU Advances (2025). DOI: 10.1029/2025av001683
