Sismos


Parte III


Ciencias del mar y de la Tierra

Hacia una teoría de sismos: organización crítica, redistribución de energía y sincronización de fase

El llamado efecto dominó es un término que entró rápidamente en el lenguaje popular en los últimos años. El fenómeno consiste en la ocurrencia de dos sismos de magnitudes similares que son disparados en secuencia, en dos fallas diferentes próximas entre sí. En la región del sur de California y norte de Baja California este fenómeno se ha observado en repetidas ocasiones. Este es el caso del sismo de magnitud 6.4 ocurrido en la falla de Chupamirtos en la región de Mexicali el 30 de diciembre de 1934 y que fue seguido de un sismo de magnitud 7.1 el 31 de diciembre en la falla de Cerro Prieto.

A pesar de que los sismos se comportan de manera similar a unas fichas de dominó en donde la caída de una ficha dispara la caída de otra, en realidad el proceso que origina los terremotos es mucho más complejo que este sencillo modelo mental. Este comportamiento emerge de tres fenómenos interrelacionados. Para comenzar, la sismicidad es un fenómeno críticamente auto-organizado. Esto significa que las fuerzas involucradas en el sistema gravitan hacia un valor crítico. En el caso de terremotos, este valor crítico es la fuerza de fricción a lo largo de la falla geológica. Si el esfuerzo en una falla se encuentra por debajo del umbral de fricción este se incrementará tratando de llegar a él. Si el esfuerzo en la falla se encuentra por encima del umbral de fricción entonces la falla deslizará sísmica o asísmicamente, reduciendo el esfuerzo sobre ella. Esto también significa que toda falla sismogénica (que produce sismicidad) siempre está en un estado cercano al de disparo, ya sea por encima o por debajo de él.

Otro fenómeno que se presenta en una falla sísmica es que un terremoto no relaja los esfuerzos, sólo los redistribuye. La idea generalizada de que después de un sismo se presenta relajación de esfuerzos es un concepto erróneo. Si esto ocurriera así ¿cómo explicar el fenómeno de las réplicas? Para entender por qué ocurre una redistribución de esfuerzos hay que echar mano de la Ley de Conservación de Energía, que establece que la energía de un sistema no se destruye, sólo se transforma. Así, una cantidad de la energía contenida alrededor de una falla en estado crítico se transforma en calor por fricción durante un sismo, otra parte es radiada en forma de ondas elásticas, que son las que causan la destrucción, y el resto es redistribuida alrededor de la falla en forma de deformación.

Gracias a estos conceptos básicos, en los últimos diez años, sismólogos han desarrollado la teoría del cambio de esfuerzos de Coulomb. Con esta es posible estimar y predecir de manera precisa cómo ocurre la redistribución de esfuerzos después de un sismo. Los esfuerzos de Coulomb son  llamados así en honor Charles-Augustin de Coulomb, que fue quien estableció las bases de la teoría de fracturamiento de materiales frágiles en el siglo XIX.  La teoría predice lo siguiente: después de un sismo, en la parte central de la falla, los esfuerzos de Coulomb decrecen, mientras que en los extremos de las fallas los esfuerzos se concentran. Estos, a su vez, transfieren esfuerzos o “cargan” a fallas geológicas vecinas que se encuentran en un estado crítico, provocando en ellas sismicidad. Esta novedosa teoría predice que sólo se necesita de unos cuantos bares (en comparación, las llantas de un automóvil tienen dos bares de presión) para desestabilizar las fallas vecinas, confirmando el estado endeble de la corteza terrestre propuesto por Omori hace más de cien años.

La teoría del cambio de esfuerzos de Coulomb establece correctamente las bases mecánicas para entender el efecto dominó. Sin embargo, el efecto dominó no es un fenómeno generalizado como puede concluirse de numerosos sismos que nos dispararon evento sísmicos de magnitud similar.

El tercer ingrediente en la formula para entender la ocurrencia de terremotos es la sincronización de fase. Sólo a través de este fenómeno se puede explicar por qué algunos sismos disparan fallas vecinas, mientras que en otros las replicas simplemente se acallan lentamente con el paso de los días sin provocar sismos grandes. Este fenómeno fue descubierto en el siglo XVII por Hans Christiaan Huygens, quién observó que dos relojes mecánicos suspendidos de un mismo brazo sincronizan sus péndulos en oposición de fase. Huygens conjeturó que tal sincronización debía de establecerse para minimizar la deformación en el brazo. Una vez más, en el caso de los sismos, el fenómeno es complejo. Es más bien un juego de sincronización de relojes descompuestos, como en el experimento mental que se describe a continuación.

Este experimento toma lugar en tiempos previos al establecimiento de estándares de tiempo y en él, una serie de relojes de iglesias ficticias que dominaremos Santo Tomás, Trinidad, San Judas y de Nuestra Señora,  tratan de establecer el ritmo del tiempo en una ciudad. Obviamente que los relojes, siendo mecánicos y sin ninguna manera de saber la hora real, derivan con el paso del tiempo perdiendo sincronía. Así cuando el campanero de Santo Tomás escucha las campanas de la Trinidad dar las cinco, este sabe de sus propias estimaciones del tiempo que el reloj de la Trinidad esta adelantado quince minutos y decide esperar antes de llamar a sus feligreses. Pero cuando escucha las campanas de Nuestra Señora, el campanero de Santo Tomás se alista para tocar las propias porque los relojes de ambas iglesias son similares. Sin embargo, si el campanero de Santo Tomás escucha primero las campanas de San Judas dar las cinco, este se pone a dudar de su propia estimación del tiempo ya que en el pasado San Judas tenía un ligero retrazo con respecto sus cálculos  del tiempo, por lo que decide adelantar el reloj de Santo Tomas por dos minutos y así compensar por lo que él piensa que es su propia deriva instrumental. Así, con el paso del tiempo se establece una retroalimentación positiva entre los relojes con períodos similares resultando en la auto-organización de dos grupos de relojes: los de período lento y los  de período rápido. Además esta auto-organización es selectiva puesto que los campaneros de los relojes rápidos ignoran las de los lentos y viceversa.

Con base en los tres fenómenos anteriores y los demás descritos en las entregas precedentes es que nos podemos dar una idea clara del complejo proceso que llamamos sismicidad. Este se presenta en zonas de concentraciones de esfuerzos de la corteza terrestre, típicamente en bordes de placas, en donde además existen numerosas fallas geológicas activas. También es en estas regiones en donde las fallas se encuentran en estado crítico o en un estado cercano a él. Eventualmente las fuerzas tectónicas alcanzan el nivel crítico friccional de las rocas en una pequeña área de una de las fallas, quizá de unos cuantos metros de diámetro. En esa pequeña área se desarrolla una inestabilidad que comienza a crecer con el tiempo hasta que la roca cede, “nucleándose” un sismo y desatando un proceso en cascada en el cual, secciones de la falla ceden de manera abrupta. Una pequeña fracción de la energía acumulada es liberada en forma de calor y ondas elásticas. El resto se redistribuye en la vecindad de la falla, creando una aureola de esfuerzos elevados alrededor de las fallas de unos cuantos bares de magnitud. Si la aureola de esfuerzos elevados se traslapa con fallas vecinas, éstas se desestabilizarán produciendo réplicas. Si hay una falla con un “reloj” similar al de la falla donde se presentó el sismo, entonces el fenómeno de sincronía de fases adelantará el reloj de la otra, disparando un nuevo sismo como si fueran fichas de dominó.

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Palabras clave: sismos, Juan Contreras, sismología

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