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Nuevos cálculos de terremotos predicen su probable destructividad

El modelo de diapositiva de falla de pinball toma técnicas de Avalanche Mathematics




Los temblores repetidos sacudieron el centro de Taiwán durante muchos días y semanas después del terremoto de magnitud 7.7, que ocurrió allí en 1999. El nuevo modelo de terremoto fue capaz de explicar el poder diferente de estos choques.

Cuando una falla se desliza , genera una secuencia completa de diferentes ondas sísmicas. Las ondas largas de baja frecuencia pueden extenderse a lo largo de una gran distancia desde la fuente y balancear edificios altos como los rascacielos. Las ondas de alta frecuencia sacuden perfectamente las casas y los puentes, y a veces los destruyen por completo. Durante la mayor parte de los últimos cincuenta años, los sismólogos han asumido que todo el conjunto de estas ondas genera fricción que ocurre cuando la falla se desliza.

Ahora, un par de geólogos de la Universidad de Brown han dado su propia historia del origen de las olas. Utilizando modelos matemáticos inspirados en el conteo de deslizamientos de tierra y avalanchas, los investigadores argumentan que estas ondas destructivas de alta frecuencia se generan no por el deslizamiento en sí, sino por los procesos geológicos que ocurren dentro de la falla, que recuerda a un juego de pinball .

"Se ponen muy bonitas", dijo Elizabeth Cochran , una sismóloga del Servicio Geológico de Estados Unidos. "Ciertamente no se me habría ocurrido describir la falla como ellos lo hicieron".

El nuevo modelo, publicado el mes pasado en la revista Geophysical Research Letters, aún tendrá que ser probado en futuros terremotos para ver con qué precisión predice sus propiedades. Sin embargo, si se confirma, revertirá nuestra comprensión del potencial destructivo de los terremotos y quizás ayude a salvar vidas.

Pinball geológico


Según los modelos tradicionales de terremotos, cuando un bloque de la corteza terrestre comienza a deslizarse y rozarse contra otro, la fricción entre ellos genera ondas sísmicas. Los sismólogos reconocen la simplicidad de estos modelos en comparación con los procesos reales que ocurren en el área de la línea de falla. Sin embargo, describen con precisión el componente de baja frecuencia de un conjunto de ondas sísmicas, un indicador temprano crítico de la magnitud del terremoto y la información vital.

Sin embargo, los modelos tradicionales no pueden explicar la gran cantidad de ondas de alta frecuencia generadas por el terremoto, dijo Lucille Bruhat., un experto en física de terremotos de la Escuela Superior Normal de París, que no participó en este estudio. Esto se convierte en un problema cuando intenta averiguar por qué ciertas grietas son más dañinas.

Cochran argumenta que los modelos tradicionales asocian estas ondas de alta frecuencia con oscilaciones de fallas: movimientos de grietas impredecibles, que a veces surgen y luego decaen. Sin embargo, dado que la física del craqueo es muy difícil de estudiar, tales suposiciones no son fáciles de confirmar. "No se puede hacer un terremoto en un laboratorio", dijo Robert Graves , geofísico del Servicio Geológico de EE. UU. Que no participó en este estudio.


En los modelos tradicionales, las ondas de alta frecuencia están asociadas con oscilaciones de falla: movimientos de grietas impredecibles, que a veces surgen y luego se amortiguan.
El nuevo modelo de "pinball" habla de la colisión de diferentes piedras entre sí, generando ondas de alta frecuencia. El tamaño de las piedras varía desde unos pocos metros de diámetro hasta el campo de fútbol.
Las ondas largas de baja frecuencia pueden viajar una gran distancia desde la fuente y balancear edificios altos como rascacielos.
Las ondas de alta frecuencia sacuden perfectamente las casas y los puentes, y a veces los destruyen por completo.

Para comprender mejor estas olas, Victor Tsai y Greg Hirth, dos geólogos de la Universidad de Brown, estudiaron las matemáticas de los flujos de escombros, cuando piedras de varios tamaños colisionan periódicamente entre sí. Luego lo aplicaron a las fallas emergentes. No hay mucho espacio libre dentro de la falla, por lo que lo que está sucediendo es una reminiscencia de una "máquina de pinball llena de bolas", dijo Tsai. Las pelotas son piedras de varios tamaños, desde varios metros de diámetro hasta un campo de fútbol.

Cuando Tsai y Hirt agregaron esta multitud a los modelos tradicionales, la combinación resultante describió tanto las ondas de baja frecuencia como sus contrapartes de alta frecuencia.

Hasta cierto punto, el mecanismo de pinball puede considerarse una extensión de las ideas tradicionales de que las protuberancias y los bultos ubicados en las paredes de la falla son responsables de las ondas de alta frecuencia. Sin embargo, Tsai y Hirth desarrollaron esta idea, desarrollaron un mecanismo especial de pinball y estudiaron las matemáticas exactas que la describen. Convirtieron la suposición en algo tangible y verificable. No solo están "tratando de hacer ciencia abstracta", dijo Bruhat. "Realmente están tratando de probar una idea física y ver cómo funciona".

Piedras y superficies duras


Este nuevo modelo podría ayudar a resolver acertijos sismológicos de larga data. Por ejemplo, en 1999, Taiwán sufrió un terremoto mortal de magnitud 7.7. Durante choques repetidos, algunas partes de la falla se agrietaron nuevamente, y cada vez que la tierra se movió en la misma dirección. Sin embargo, la magnitud de estos choques estaba cambiando constantemente por alguna razón.

Los modelos tradicionales no proporcionan explicaciones satisfactorias de este hecho. Pero según el nuevo modelo de "pinball", todos estos choques repetidos están relacionados con el hecho de que las "bolas" del mismo tamaño golpean el mismo punto de falla, haciendo que la tierra se mueva en una dirección. Sin embargo, algunos de los choques repetitivos probablemente ocurrieron como resultado de un mayor número de golpes simultáneos, por lo que su magnitud fue mayor.

El nuevo modelo también puede explicar por qué los terremotos en fallas maduras, las antiguas que se han resbalado muchas veces, generalmente causan menos daño que los terremotos de la misma magnitud en fallas recientes. Los terremotos de la primera categoría con una larga historia de temblores constantemente ponen a tierra sus grandes fragmentos, debido a que ocurren menos colisiones en ellos, y las ondas de alta frecuencia generadas se debilitan.

Graves dice que si se confirma el modelo, los científicos pueden estudiar cuidadosamente las zonas de falla y usar su geometría para predecir las ondas destructivas de alta frecuencia de los futuros terremotos. Esta idea también puede funcionar en la otra dirección: si el modelo proporciona una descripción más precisa del componente de alta frecuencia del terremoto, es probable que los científicos puedan determinar con mayor precisión las propiedades geométricas que son responsables de los choques, dijo Bruhat.

Se necesitarán muchas más cascadas de terremotos que se observaron en Taiwán, así como los choques de fallas tanto maduras como inmaduras, para evaluar las ventajas y desventajas relativas de los modelos antiguos y nuevos. Los sismólogos querrán ver cuál describe mejor las observaciones que recibirán en la superficie.

Sin embargo, el nuevo modelo parece "definitivamente intrigante", dijo Graves. "Creo que es creíble y merece pruebas adicionales".

"Yo mismo admito de inmediato que no hay evidencia de que este modelo sea definitivamente correcto, y el antiguo definitivamente está equivocado", dijo Tsai. Sin embargo, si las nuevas ideas demuestran su superioridad, obligará a los sismólogos a "repensar su comprensión de los terremotos".

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