Un estrés excesivo puede provocar incluso que una roca se agriete. Pero antes de que las rocas alcancen su punto de ruptura, emiten una señal química de alerta liberando nucleidos, un tipo de átomo definido por el número de neutrones y protones en su núcleo. Los científicos han estudiado estas emisiones geoquímicas naturales durante más de medio siglo, pero les resultaba difícil vincular la liberación de nucleidos con el momento de la fractura de la roca. Ahora, un equipo internacional de científicos de universidades de China (liderado por Xin Luo de la Universidad de Hong Kong e Yifeng Chen de la Universidad de Wuhan) y Estados Unidos (liderado por Michael Manga de la Universidad de California, Berkeley) ha resuelto este misterio, creando un modelo que relaciona las fluctuaciones de la señal de los nucleidos con los cambios progresivos en la estructura de la roca que conducen a una falla crítica.
Por Mindy Weisberger, Instituto Tecnológico de Nueva Jersey.
Cuando las rocas se deforman y se rompen, pueden provocar deslizamientos de tierra y avalanchas, e intensificar los daños causados por erupciones volcánicas y terremotos. Los nuevos hallazgos, publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences , podrían ayudar a los expertos a prepararse para los riesgos geológicos provocados por rocas sometidas a tensión.
«Relacionamos explícitamente estos cambios estructurales con características medibles de las señales de nucleidos», afirma Rong Mao, coautor principal del estudio e investigador postdoctoral asociado en el Centro de Recursos Naturales del Instituto Tecnológico de Nueva Jersey. «Hasta donde sabemos, este es el primer estudio que establece una teoría cuantitativa para diagnosticar la ruptura de rocas utilizando señales de nucleidos presentes de forma natural», añade.
Señales anómalas
A medida que las rocas se debilitan, sus minerales liberan nucleidos como el radón, el helio y el torón en sus poros y grietas. Las fisuras en las rocas fracturadas se ensanchan, se extienden y se conectan entre sí; a medida que estos espacios cambian, también lo hacen la liberación y transmisión de nucleidos. Esto genera señales geoquímicas anómalas que los científicos pueden medir.
Investigaciones previas sugerían una conexión entre los cambios en las señales de nucleidos y la ruptura de las rocas. En experimentos de laboratorio, otros investigadores «han demostrado sistemáticamente que el agrietamiento y la deformación de las rocas pueden desencadenar cambios medibles en las emisiones de nucleidos», afirma Mao.
Las observaciones en entornos naturales también han vinculado la liberación de nucleidos con cambios ambientales que debilitan las rocas. En 1995, científicos en Kobe, Japón, observaron un aumento en las emisiones de radón en las rocas unos nueve días antes de un terremoto de magnitud 7,2. Cerca de embalses en los Alpes franceses, los investigadores han detectado picos periódicos de radón, que atribuyeron a fluctuaciones en los niveles de agua que, con el tiempo, modifican la forma de las rocas.
Dado que las señales de nucleidos suelen originarse en rocas enterradas, pero son detectables en la superficie, podrían proporcionar una alerta temprana crucial ante posibles riesgos geológicos inminentes. Sin embargo, a pesar de décadas de observaciones, los científicos no habían relacionado directamente las anomalías de nucleidos con cambios progresivos en las propiedades físicas de las rocas, lo que limitaba las aplicaciones prácticas para el monitoreo de las emisiones de nucleidos.
«Nuestro trabajo aborda esta laguna al proporcionar una base teórica para interpretar estas señales, allanando el camino hacia la predicción basada en nucleidos y una mejor alerta temprana de riesgos geológicos y la gestión de la ingeniería de rocas», explica Mao.
Prueba de estrés
Mao y sus coautores analizaron dos observaciones previas a largo plazo sobre la liberación de nucleidos en rocas sometidas a tensión. Un informe, un experimento de laboratorio descrito en la revista Earth and Planetary Science Letters , monitoreó las emisiones de radón en un cilindro de granito durante un mes mientras se debilitaba y finalmente se rompía.
En el otro artículo, publicado en la revista Nature , los científicos dedicaron tres años a rastrear las emisiones de radón procedentes de una ladera rocosa cercana a un embalse en los Alpes franceses.
Para el nuevo estudio, los investigadores revisaron los datos de estas observaciones y luego construyeron un modelo para analizar los cambios en las señales a lo largo del tiempo y relacionarlos con los cambios estructurales progresivos en las rocas.
«Nuestro modelo muestra cómo evolucionan las señales de nucleidos a medida que la ruptura de la roca progresa a través de cuatro etapas: iniciación de la fisura, apertura de la fisura, dilatación de la fisura y propagación de la fisura», explica Mao. «Estas etapas corresponden a características de señal distintas que pueden interpretarse cuantitativamente».
Según los autores del estudio, el modelo reprodujo con precisión las señales de radón en todas las etapas de debilitamiento y ruptura de la roca en experimentos de laboratorio. Incluso en aplicaciones de campo —que involucran sistemas naturales mucho más complejos que los de los experimentos controlados— el modelo explicó las señales captadas mediante el monitoreo directo del lecho rocoso. Su trabajo ofrece aplicaciones prometedoras para la predicción de riesgos geológicos como terremotos y podría ayudar a los investigadores a monitorear paisajes cercanos a embalses, donde las fluctuaciones en los niveles de agua pueden afectar la estabilidad de la roca y provocar deslizamientos de tierra, según Mao.
«En este tipo de entornos, las señales de nucleidos proporcionan un indicador sensible y potencialmente en tiempo real de los cambios estructurales del subsuelo, ofreciendo información valiosa para la alerta temprana y la gestión de riesgos.»
Sin embargo, los resultados de campo también pusieron de manifiesto el impacto de factores externos en entornos naturales que pueden afectar a las señales de los nucleidos.
«Por ejemplo, los fluidos profundos, como las aguas termales o las salmueras, suelen tener mayor salinidad o temperatura, lo que puede potenciar la liberación y transmisión de nucleidos, generando señales amplificadas», explica Mao. «Cuando la fractura de la roca se conecta con estas vías de fluidos profundos, las señales observadas pueden reflejar tanto cambios estructurales como procesos de mezcla de fluidos. Incorporar estos efectos al modelo será una línea de investigación importante para futuros trabajos».
El perfeccionamiento futuro del modelo tendrá como objetivo mejorar la rapidez con la que puede interpretar las señales de nucleidos cambiantes para identificar cuándo las rocas están a punto de colapsar.
«Si bien nuestro modelo comienza a cuantificar las escalas de tiempo de la génesis y transmisión de señales, este aspecto aún no se ha validado completamente en condiciones de campo», afirma Mao. «Abordar esta deficiencia será fundamental para traducir nuestro marco teórico en sistemas prácticos de alerta temprana ante riesgos geológicos».
El equipo ya ha establecido estaciones de observación de radón en tres lugares de China: el deslizamiento de tierra de Huangtupo en la zona del embalse de las Tres Gargantas, el deslizamiento de tierra en la ribera del embalse cerca de la central hidroeléctrica de Xiluodu y la ladera de Po Shan Road en Hong Kong, según afirma Jia-Qing Zhou, coautor principal y profesor asociado de la Universidad de Wuhan en China.
«Estas instalaciones se utilizan para capturar precursores hidrogeoquímicos de posibles riesgos geológicos, con el fin de validar y perfeccionar nuestra teoría», afirma Zhou. «Nuestro camino de investigación está lejos de haber terminado».
Detalles de la publicación
Jia-Qing Zhou et al., Estudio de la ruptura de rocas mediante señales de nucleidos naturales, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2026). DOI: 10.1073/pnas.2602434123
