Una investigación de la Universidad de Michigan y el USGS muestra que la densidad del suelo influye en cómo se abre y se distribuye el daño en superficie durante una falla sísmica
Redactor: Javier Morales O.
Editor: Eduardo Schmitz
Los terremotos no solo sacuden edificios, carreteras y laderas. En algunos casos, la ruptura de una falla llega hasta la superficie y abre grietas visibles, permanentes y difíciles de anticipar. Una nueva investigación liderada por University of Michigan Engineering revela que la densidad del suelo puede influir de forma decisiva en cómo y dónde aparecen esas rupturas superficiales.
El trabajo, desarrollado con colaboración del U.S. Geological Survey, USGS, y publicado en el Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, utilizó modelos de partículas para representar el suelo situado sobre una falla. El objetivo fue entender mejor un fenómeno que amenaza comunidades e infraestructuras, pero que todavía resulta complejo de observar y modelar con precisión.
La ruptura superficial de una falla ocurre cuando el desplazamiento producido durante un terremoto alcanza el terreno. Este proceso puede fracturar caminos, viviendas, tuberías, canales, líneas de transporte y otras obras civiles. Su importancia ha quedado más clara en los últimos años, especialmente después de eventos como el terremoto de Myanmar de marzo de 2025, donde la ruptura fue registrada en video en tiempo real, un hecho poco común para la sismología.
Por qué la densidad del suelo cambia el patrón de ruptura
El equipo comparó suelos virtuales con tres condiciones: sueltos, medianamente densos y densos. Todos fueron sometidos a desplazamientos de tipo strike-slip, es decir, movimientos horizontales de bloques tectónicos que se deslizan uno junto al otro. La diferencia principal entre las simulaciones fue la densidad de empaquetamiento del suelo.
Los resultados muestran un contraste clave. En suelos más sueltos, que tienden a contraerse durante el corte, la deformación se concentra en una franja más estrecha y se propaga casi verticalmente sobre la falla de base. En suelos densos, que se expanden durante el corte, la deformación se distribuye en zonas más amplias y puede generar múltiples rupturas separadas que avanzan en distintas direcciones.
Esta diferencia ayuda a explicar por qué el daño en superficie no siempre aparece como una única línea clara sobre una falla. En ciertos contextos, la ruptura puede abrir varias fracturas y crear una zona de deformación más extensa. Ese comportamiento resulta especialmente relevante para la evaluación de riesgo sísmico cerca de fallas, donde los modelos deben considerar no solo la magnitud del terremoto, sino también las propiedades del suelo superficial.
Un modelo que trata el suelo como millones de partículas
Hasta ahora, muchos modelos virtuales de ruptura superficial usaban el método de elementos finitos, que representa el suelo como una malla continua y exige introducir parámetros como resistencia y rigidez. La nueva investigación recurrió al método de elementos discretos, que trata el suelo como una colección de partículas individuales que interactúan entre sí de forma más parecida a los granos reales.
Estéfan Garcia, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Michigan y autor correspondiente del estudio, explicó que la meta es cuantificar y anticipar cómo se desarrolla la ruptura superficial para que las deformaciones del terreno puedan incorporarse al diseño o reforzamiento de infraestructura cuando no sea posible evitar por completo el peligro.
El método permite que propiedades como la resistencia y la rigidez surjan de la interacción entre partículas, a partir de principios físicos básicos como la ley de Hooke y la segunda ley de Newton. Cada partícula virtual fue representada mediante formas simplificadas de tres esferas agrupadas, para evitar que se comportaran como bolas perfectas y pudieran reflejar mejor la naturaleza tridimensional y no esférica de los granos de suelo.
Para ejecutar las simulaciones, el equipo usó la supercomputadora Frontera, del Texas Advanced Computing Center. Los investigadores trabajaron con modelos de 1 millón de elementos, de 8 a 10 millones de elementos y de 70 a 85 millones de elementos, con el fin de evaluar el equilibrio entre detalle y demanda computacional. Las simulaciones con 85 millones de elementos figuran entre las mayores realizadas en geotecnia por cantidad de partículas.
De los laboratorios a terremotos reales
La investigación no se limitó a un ejercicio computacional. Los resultados se compararon con modelos físicos de laboratorio, similares a cajas de arena o arcilla con bases móviles que permiten visualizar deformaciones tectónicas a escala reducida. Después, el equipo contrastó las simulaciones con rupturas superficiales observadas en dos terremotos reales: el terremoto de Darfield de 2010, en Nueva Zelanda, y el terremoto de Ridgecrest de 2019, en California.
Las simulaciones coincidieron con esos casos. En Nueva Zelanda, donde predominaban suelos de grano más grueso, se observaron zonas de deformación más amplias y múltiples rupturas diferenciadas. En California, con suelos de grano más fino, el daño superficial fue más localizado. Esa comparación refuerza la utilidad del modelo para interpretar patrones de ruptura en distintos contextos geológicos.
El hallazgo se suma a una línea de investigación que busca entender mejor cómo se propaga la energía de los sismos y cómo las propiedades de los materiales condicionan el daño. Estudios previos sobre energía en terremotos y deformación geológica ya habían mostrado que la dinámica de una falla depende de procesos físicos que ocurren tanto en profundidad como cerca de la superficie.
Una señal para la ingeniería y la planificación urbana
Curtis Baden, geofísico investigador del USGS Earthquake Science Center y coautor del estudio, señaló que la ruptura superficial puede amenazar comunidades e infraestructuras, pero la física que controla la formación y evolución de zonas de cizalla superficiales sigue siendo poco comprendida. Las simulaciones ofrecen un entorno controlado y realista para explorar cómo las propiedades del suelo y los sedimentos próximos a una falla influyen en el desarrollo de la ruptura.
Esta información puede tener valor directo para la ingeniería civil. Cuando una falla activa atraviesa zonas urbanas, corredores viales, redes de agua, gas, energía o transporte, conocer si el suelo favorece una deformación estrecha o una zona amplia de ruptura puede cambiar la manera de diseñar, reforzar o ubicar infraestructura. En ese sentido, los modelos dinámicos aplicados a terremotos ya se han convertido en una herramienta relevante para mejorar las evaluaciones de riesgo sísmico.
La investigación también advierte que los patrones complejos de ruptura superficial no necesariamente requieren perfiles geológicos complejos. Garcia indicó que el equipo esperaba que los patrones naturales más complicados fueran resultado de historias geológicas muy elaboradas, pero las simulaciones generaron comportamientos complejos incluso con perfiles homogéneos y condiciones simples de desplazamiento. La contracción y la dilatación del suelo bastaron para producir diferencias notables.
Lo que aún falta incorporar a los modelos
El modelo actual se centra en interacciones de fricción entre partículas. Como siguiente paso, los investigadores quieren añadir mayor complejidad para representar mejor la naturaleza, incluyendo enlaces, cementación y otras condiciones presentes en depósitos rocosos, arcillosos o más antiguos. Esa ampliación permitiría simular escenarios más cercanos a terrenos reales donde las fallas atraviesan materiales con historias geológicas diversas.
La importancia de estudiar estas condiciones se relaciona con regiones donde las fallas activas o antiguas pueden volver a representar peligro. Investigaciones recientes sobre fallas geológicas y peligro sísmico han mostrado que ciertas estructuras pueden conservar capacidad de generar rupturas o deformaciones relevantes, incluso en zonas donde el riesgo no siempre es percibido como inmediato.
La nueva investigación deja una conclusión técnica precisa: los suelos densos pueden dispersar la ruptura superficial en zonas de daño más anchas y con múltiples fracturas, mientras que los suelos más sueltos tienden a concentrar la deformación en áreas más estrechas. Para la planificación territorial y la ingeniería, esa diferencia puede ser decisiva cuando una falla no puede evitarse y el diseño debe adaptarse al movimiento real del terreno.
Referencias
Phys.org. “Dense soils may spread earthquake surface ruptures into wider damage zones, particle models suggest”. Publicado el 15 de mayo de 2026. https://phys.org/news/2026-05-dense-soils-earthquake-surface-ruptures.html
