Investigadores han desarrollado un modelo sísmico de laboratorio que vincula el área de contacto real microscópica entre las superficies de falla con la posibilidad de ocurrencia de terremotos. Publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias , este avance demuestra la conexión entre la fricción microscópica y los terremotos, ofreciendo nuevos conocimientos sobre la mecánica sísmica y su posible predicción.
por la Universidad del Sur de California
«Básicamente, hemos abierto una ventana al corazón de la mecánica de los terremotos», dijo Sylvain Barbot, profesor asociado de Ciencias de la Tierra en el Colegio de Letras, Artes y Ciencias Dornsife de la USC e investigador principal del estudio.
Al observar cómo evoluciona el área de contacto real entre las superficies de falla durante el ciclo sísmico, podemos explicar tanto la lenta acumulación de tensión en las fallas como la rápida ruptura subsiguiente. En el futuro, esto podría conducir a nuevos enfoques para monitorear y predecir la nucleación sísmica en etapas tempranas.
Durante décadas, los científicos se han basado en leyes empíricas de fricción de «velocidad y estado» para modelar los terremotos: descripciones matemáticas que funcionan bien, pero que no explican los mecanismos físicos subyacentes. «Nuestro modelo revela lo que realmente sucede en la interfaz de fallas durante un ciclo sísmico».
Barbot afirma que el descubrimiento es un concepto engañosamente simple: «Cuando dos superficies rugosas se deslizan una contra la otra, solo entran en contacto en uniones minúsculas y aisladas que cubren una fracción de la superficie total». Esta «área real de contacto» —invisible a simple vista, pero medible mediante técnicas ópticas— resulta ser la variable de estado clave que controla el comportamiento sísmico.
Terremotos de laboratorio: terremotos de iluminación en tiempo real
El estudio utiliza materiales acrílicos transparentes que permitieron a los investigadores observar literalmente el desarrollo de las rupturas sísmicas en tiempo real. Mediante cámaras de alta velocidad y mediciones ópticas, el equipo rastreó cómo cambiaba la transmisión de luz LED a medida que se formaban, crecían y se destruían las uniones de contacto durante los terremotos de laboratorio.
«Podemos observar literalmente la evolución del área de contacto a medida que se propagan las rupturas», dijo Barbot. «Durante las rupturas rápidas, vemos desaparecer aproximadamente el 30 % del área de contacto en milisegundos, un debilitamiento drástico que impulsa el terremoto».
Los resultados de laboratorio revelaron una relación previamente oculta: la «variable de estado» empírica, utilizada durante décadas en los modelos sísmicos estándar, representa el área real de contacto entre las superficies de falla. Este descubrimiento proporciona la primera interpretación física de un concepto matemático fundamental para la sismociencia desde la década de 1970.
De la simulación a la predicción
Los investigadores analizaron 26 escenarios sísmicos simulados diferentes y descubrieron que la relación entre la velocidad de ruptura y la energía de fractura sigue las predicciones de la mecánica de fractura elástica lineal. Las simulaciones por computadora del equipo reprodujeron con éxito terremotos de laboratorio tanto lentos como rápidos, igualando no solo las velocidades de ruptura y las caídas de tensión, sino también la cantidad de luz transmitida a través de la interfaz de la falla durante las rupturas.
A medida que las áreas de contacto cambian durante el ciclo sísmico, afectan múltiples propiedades medibles, como la conductividad eléctrica, la permeabilidad hidráulica y la transmisión de ondas sísmicas. Dado que el área real de contacto afecta múltiples propiedades físicas de las zonas de falla, el monitoreo continuo de estos indicadores durante los ciclos sísmicos podría proporcionar nuevos conocimientos sobre el comportamiento de las fallas.
Las implicaciones van mucho más allá de la comprensión académica y los experimentos de laboratorio. La investigación sugiere que la monitorización del estado físico de los contactos de fallas podría proporcionar nuevas herramientas para sistemas sísmicos de corto plazo y, potencialmente, para una predicción sísmica fiable mediante la conductividad eléctrica de la falla.
«Si podemos monitorear estas propiedades continuamente en fallas naturales, podríamos detectar las primeras etapas de la nucleación sísmica», explicó Barbot. «Esto podría conducir a nuevos enfoques para monitorear la nucleación sísmica en etapas tempranas, mucho antes de que se irradien las ondas sísmicas».
Mirando hacia el futuro
Los investigadores planean ampliar sus hallazgos fuera de las condiciones controladas de laboratorio. Barbot explicó que el modelo del estudio proporciona la base física para comprender cómo evolucionan las propiedades de las fallas durante los ciclos sísmicos.
«Imaginen un futuro donde podamos detectar cambios sutiles en las condiciones de las fallas antes de que se produzca un terremoto «, dijo Barbot. «Ese es el potencial a largo plazo de este trabajo».
Además de Barbot, Baoning Wu, anteriormente en la USC y ahora en la Universidad de California en San Diego, fue autor del estudio.
Más información: Wu, Baoning, Evolución del área real de contacto durante terremotos de laboratorio, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2025). DOI: 10.1073/pnas.2410496122
