O tremor de terra gerado por um terremoto é apenas uma fração da energia total liberada por um terremoto. Um terremoto também pode gerar uma onda de calor, juntamente com uma fratura de rochas subterrâneas semelhante a um efeito dominó. Mas mensurar exatamente quanta energia é necessária para cada um desses três processos é extremamente difícil, senão impossível, de ser medido em campo.

Agora, geólogos do MIT rastrearam a energia liberada por "terremotos de laboratório" — análogos em miniatura de terremotos naturais, cuidadosamente desencadeados em um ambiente controlado de laboratório. Pela primeira vez, eles quantificaram o balanço energético completo desses terremotos, em termos da fração de energia que se transforma em calor, tremores e fraturas.

Eles descobriram que apenas cerca de 10% da energia de um terremoto de laboratório causa tremores físicos. Uma fração ainda menor — menos de 1% — é usada para fragmentar rochas e criar novas superfícies. A maior parte da energia de um terremoto — em média 80% — é usada para aquecer a região ao redor do epicentro. De fato, os pesquisadores observaram que um terremoto de laboratório pode produzir um pico de temperatura suficientemente quente para derreter o material circundante e transformá-lo brevemente em líquido derretido.

Os geólogos também descobriram que o balanço energético de um terremoto depende do histórico de deformação da região — o grau em que as rochas foram deslocadas e perturbadas por movimentos tectônicos anteriores. As frações de energia do terremoto que produzem calor, tremores e fraturas nas rochas podem mudar dependendo do que a região experimentou no passado.

“O histórico de deformação — essencialmente o que a rocha lembra — realmente influencia o quão destrutivo um terremoto pode ser”, diz Daniel Ortega-Arroyo, aluno de pós-graduação do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “Esse histórico afeta muitas das propriedades do material na rocha e determina, até certo ponto, como ela vai se mover.”

Os terremotos de laboratório da equipe são uma analogia simplificada do que ocorre durante um terremoto natural. No futuro, seus resultados poderão ajudar sismólogos a prever a probabilidade de terremotos em regiões propensas a eventos sísmicos. Por exemplo, se os cientistas tiverem uma ideia da intensidade da vibração gerada por um terremoto no passado, poderão estimar o grau em que a energia do terremoto também afetou rochas subterrâneas profundas, derretendo-as ou fragmentando-as. Isso, por sua vez, poderá revelar o quanto a região é mais ou menos vulnerável a terremotos futuros.

“Nunca conseguiríamos reproduzir a complexidade da Terra, então precisamos isolar a física do que está acontecendo nesses terremotos de laboratório”, diz Matej Pec, professor associado de geofísica no MIT. “Esperamos entender esses processos e tentar extrapolá-los para a natureza.”

Pec (pronuncia-se "Peck") e Ortega-Arroyo divulgaram seus resultados em 28 de agosto na revista AGU Advances . Os coautores do MIT são Hoagy O'Ghaffari e Camilla Cattania, juntamente com Zheng Gong e Roger Fu, da Universidade Harvard, e Markus Ohl e Oliver Plümper, da Universidade de Utrecht, na Holanda.

Terremotos são causados pela energia armazenada nas rochas ao longo de milhões de anos. À medida que as placas tectônicas se chocam lentamente, a tensão se acumula na crosta. Quando as rochas são forçadas além de sua resistência material, elas podem deslizar repentinamente por uma zona estreita, criando uma falha geológica. À medida que as rochas deslizam em ambos os lados da falha, elas produzem ondas sísmicas que se propagam para fora e para cima.

Percebemos a energia de um terremoto principalmente na forma de tremores no solo, que podem ser medidos com sismômetros e outros instrumentos terrestres. Mas as outras duas principais formas de energia de um terremoto — calor e fraturamento subterrâneo — são amplamente inacessíveis com as tecnologias atuais.

“Ao contrário do clima, onde podemos observar padrões diários e medir uma série de variáveis pertinentes, é muito difícil fazer isso nas profundezas da Terra”, diz Ortega-Arroyo. “Não sabemos o que está acontecendo com as rochas em si, e as escalas de tempo em que os terremotos se repetem dentro de uma zona de falha variam de séculos a milênios, tornando qualquer tipo de previsão factível desafiadora.”

Para ter uma ideia de como a energia de um terremoto é dividida e como esse balanço energético pode afetar o risco sísmico de uma região, ele e Pec foram ao laboratório. Nos últimos sete anos, o grupo de Pec no MIT desenvolveu métodos e instrumentação para simular eventos sísmicos em microescala, em um esforço para entender como terremotos em macroescala podem se desenvolver.

“Estamos nos concentrando no que está acontecendo em uma escala muito pequena, onde podemos controlar muitos aspectos da falha e tentar entendê-la antes de podermos fazer qualquer dimensionamento para a natureza”, diz Ortega-Arroyo.

Para o novo estudo, a equipe gerou terremotos em laboratório em miniatura que simulam o deslizamento sísmico de rochas ao longo de uma zona de falha. Eles trabalharam com pequenas amostras de granito, que são representativas das rochas da camada sismogênica — a região geológica da crosta continental onde os terremotos normalmente se originam. Eles moeram o granito até transformá-lo em um pó fino e misturaram o granito triturado com um pó muito mais fino de partículas magnéticas, que usaram como uma espécie de medidor de temperatura interna. (A intensidade do campo magnético de uma partícula muda em resposta a uma flutuação de temperatura.)

Os pesquisadores colocaram amostras do granito em pó — cada uma com cerca de 10 milímetros quadrados e 1 milímetro de espessura — entre dois pequenos pistões e envolveram o conjunto em uma capa de ouro. Em seguida, aplicaram um forte campo magnético para orientar as partículas magnéticas do pó na mesma direção inicial e com a mesma intensidade de campo. Eles concluíram que qualquer mudança posterior na orientação e na intensidade do campo das partículas deveria ser um sinal da quantidade de calor que aquela região experimentou como resultado de qualquer evento sísmico.

Após o preparo das amostras, a equipe as colocou, uma de cada vez, em um aparelho personalizado, que os pesquisadores ajustaram para aplicar uma pressão crescente e constante, semelhante às pressões que as rochas sofrem na camada sismogênica da Terra, cerca de 10 a 20 quilômetros abaixo da superfície. Utilizaram sensores piezoelétricos personalizados, desenvolvidos pelo coautor O'Ghaffari, que fixaram em cada extremidade da amostra para medir qualquer vibração que ocorresse à medida que a tensão sobre a amostra aumentava.

Eles observaram que, sob certas tensões, algumas amostras deslizaram, produzindo um evento sísmico em microescala semelhante a um terremoto. Ao analisar as partículas magnéticas nas amostras posteriormente, eles obtiveram uma estimativa de quanto cada amostra foi aquecida temporariamente — um método desenvolvido em colaboração com o laboratório de Roger Fu na Universidade Harvard. Eles também estimaram a intensidade da vibração sofrida por cada amostra, usando medições do sensor piezoelétrico e modelos numéricos. Os pesquisadores também examinaram cada amostra ao microscópio, em diferentes ampliações, para avaliar como o tamanho dos grãos de granito mudou — se e quantos grãos se quebraram em pedaços menores, por exemplo.

A partir de todas essas medições, a equipe conseguiu estimar o orçamento energético de cada terremoto de laboratório. Em média, eles descobriram que cerca de 80% da energia de um terremoto é convertida em calor, enquanto 10% gera tremores e menos de 1% é destinado à fratura de rochas ou à criação de novas superfícies de partículas menores. 

Os pesquisadores suspeitam que processos semelhantes ocorrem em terremotos reais, em escala quilométrica.

“Nossos experimentos oferecem uma abordagem integrada que proporciona uma das visões mais completas da física de rupturas sísmicas em rochas até o momento”, afirma Pec. “Isso fornecerá pistas sobre como aprimorar nossos modelos atuais de terremotos e a mitigação de desastres naturais.”

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela National Science Foundation.