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| Una vista aérea de gran ángulo mira hacia el sureste sobre la caldera de la cumbre de Kīlauea el 22 de julio de 2021. Grandes acantilados formados durante los colapsos de 2018 son visibles en el lado izquierdo de la foto. Un lago de lava recientemente activo es visible en la parte inferior derecha. Crédito: M. Patrick, USGS |
La repetición de eventos de colapso de calderas limita la fricción de las fallas a escala kilométrica
La física de los terremotos exige comprender cómo varía la resistencia a la fricción en las fallas antes y durante el deslizamiento sísmico. Los experimentos de fricción de rocas en laboratorio han dado lugar a leyes de fricción ampliamente utilizadas que dependen de la velocidad de deslizamiento y del historial de deslizamiento. Sin embargo, estos experimentos se limitan a muestras mucho más pequeñas que las fallas naturales. Los eventos de colapso de la caldera en el volcán Kīlauea, altamente repetibles y excepcionalmente bien instrumentados, pueden ser tratados como experimentos de fricción de rocas a escala kilométrica y validan completamente los experimentos de laboratorio. El colapso de la caldera está causado por el rápido drenaje del magma de un depósito de la corteza poco profundo. El colapso transfiere el peso al depósito de magma subyacente, sosteniendo así la erupción. Nuestros resultados permiten comprender con mayor precisión las condiciones que conducen al colapso de la caldera y a las erupciones basálticas de alta velocidad.
El 30 de abril de 2018, en el flanco oriental del volcán Kīlauea de Hawái, la lava se drenó repentinamente de un cráter que había estado arrojando lava durante más de tres décadas. Entonces el suelo del cráter, llamado Pu'u'ō'ō, se desprendió.
En 48 horas, el lago de lava de la cima del Kīlauea, a 12 millas al noroeste de Pu'u'ō'ō, comenzó a caer a medida que el magma se drenaba en las tuberías del volcán. Pronto se abrieron nuevas grietas a 12 millas al este de Pu'u'ō'ō y la lava fundida brotó, se deslizó por las carreteras, quemó árboles e incendió postes eléctricos.
Durante tres meses, el Kīlauea escupió lava suficiente para llenar 320.000 piscinas olímpicas, destruyó más de 700 casas y desplazó a miles de personas. El propio paisaje de la cumbre se transformó cuando su cráter se derrumbó hasta 1.500 pies a lo largo del verano de una manera que los científicos sólo están empezando a comprender.
"En los 60 años de instrumentación geofísica moderna de los volcanes, sólo hemos tenido media docena de derrumbes de calderas", dijo el geofísico de la Universidad de Stanford Paul Segall, autor principal de un nuevo estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences que ayuda a explicar cómo se desarrollan estos eventos y encuentra pruebas que confirman el paradigma científico vigente sobre el funcionamiento de la fricción en las fallas sísmicas.
Los resultados pueden ayudar a informar sobre futuras evaluaciones de riesgos y esfuerzos de mitigación en torno a las erupciones volcánicas. "Mejorar nuestra comprensión de la física que gobierna los colapsos de caldera nos ayudará a entender mejor las condiciones bajo las cuales los colapsos son posibles y predecir la evolución de una secuencia de colapso una vez que comienza", dijo el coautor Kyle Anderson, Ph.D. '12, un geofísico con el Servicio Geológico de los Estados Unidos que formó parte del equipo que trabajó en el lugar en Kīlauea durante la erupción de 2018.
La naturaleza de la fricción
Un factor clave que controla el colapso de las calderas volcánicas -y la ruptura de fallas sísmicas en todo el mundo- es la fricción. Es omnipresente en la naturaleza y en nuestra vida cotidiana, y entra en juego cada vez que dos superficies se mueven una respecto a la otra. Pero las interacciones entre superficies son tan complejas que, a pesar de siglos de estudio, los científicos aún no comprenden del todo cómo se comporta la fricción en diferentes situaciones. "No es algo que podamos predecir por completo utilizando sólo ecuaciones. También necesitamos datos procedentes de experimentos", afirma Segall.
Los científicos que tratan de entender el papel de la fricción en los terremotos suelen realizar estos experimentos en laboratorios utilizando placas de roca apenas mayores que una puerta y a menudo más cercanas al tamaño de una baraja de cartas. "Uno de los grandes retos de la ciencia de los terremotos ha sido tomar estas leyes de fricción y los valores encontrados en el laboratorio y aplicarlos, por ejemplo, a la Falla de San Andrés, porque es un salto de escala enorme", dijo Segall, profesor Cecil H. e Ida M. Green de Geofísica en la Escuela de Ciencias de la Tierra, Energía y Medio Ambiente de Stanford (Stanford Earth).
En el nuevo estudio, publicado el 23 de julio, Segall y Anderson examinan el deslizamiento y la adherencia del bloque de colapso del volcán Kīlauea -un trozo de corteza de ocho kilómetros de circunferencia y media milla de profundidad- para caracterizar la fricción a una escala mucho mayor. "Nos propusimos desarrollar un modelo matemático de ese colapso, muy simplificado, pero utilizando la comprensión moderna de la fricción", dijo Segall.
El colapso del Kīlauea
La caldera del Kīlauea no se derrumbó en un descenso suave, sino como un pistón pegajoso. Aproximadamente cada día y medio, el bloque de colapso descendió casi dos metros en cuestión de segundos, y luego se detuvo. Esto se debe a que el magma de la cámara que se encuentra debajo de la caldera salió hacia las fisuras del flanco oriental inferior del Kīlauea y le quitó el apoyo a la roca superpuesta. "Eventualmente, la presión se vuelve lo suficientemente baja como para que el suelo caiga y comience a colapsar, como un sumidero", dijo Segall.
Cuando terminó la erupción del Kīlauea en 2018, los eventos de colapso del volcán, similares a los de un pistón, se repitieron 62 veces; cada uno de ellos desencadenó un terremoto y cada movimiento fue rastreado al milímetro cada cinco segundos por un conjunto de 20 instrumentos del sistema de posicionamiento global (GPS). Durante las primeras docenas de eventos de colapso, la geometría de las superficies de las rocas cambió, pero se mantuvieron estables durante los 30 descensos finales.
La nueva investigación muestra que, en este tipo de erupción, cuando el respiradero eruptivo se encuentra a menor altura, se produce una mayor caída de la presión por debajo del bloque de la caldera, lo que hace más probable que se inicie un evento de colapso. Una vez que se inicia el colapso, el peso del enorme bloque de la caldera mantiene la presión sobre el magma, forzándolo hacia el lugar de la erupción. "Si no fuera por el colapso, la erupción habría terminado sin duda mucho antes", dijo Segall.
Fricción evolutiva
El análisis de Segall y Anderson del conjunto de datos del colapso de la caldera del Kīlauea confirma que, incluso a la enorme escala de este volcán, las formas en que las diferentes superficies rocosas se deslizan y se pegan unas a otras o se adhieren a diferentes velocidades y presiones a lo largo del tiempo son muy similares a lo que los científicos han encontrado en experimentos de laboratorio a pequeña escala.
En concreto, los nuevos resultados proporcionan un límite superior para un factor importante en la mecánica de los terremotos, conocido como distancia de debilitamiento por deslizamiento, que los geofísicos utilizan para calcular cómo se despegan las fallas. Se trata de la distancia a partir de la cual la fuerza de fricción de una falla se debilita antes de romperse, algo fundamental para modelar con precisión la estabilidad y la acumulación de energía en las fallas sísmicas. Los experimentos de laboratorio han sugerido que esta distancia podría ser tan corta como decenas de micras -equivalente a la anchura de un cabello empalmado en unas pocas docenas de astillas- mientras que las estimaciones de los terremotos reales indican que podría ser de hasta 20 centímetros.
La nueva modelización muestra ahora que esta evolución se produce en no más de 10 milímetros, y posiblemente mucho menos. "Las incertidumbres son mayores que en el laboratorio, pero las propiedades de fricción son completamente coherentes con lo medido en el laboratorio, y eso es muy confirmador", dijo Segall. "Nos dice que estamos bien tomando esas medidas de muestras realmente pequeñas y aplicándolas a grandes fallas tectónicas porque se mantuvieron en el comportamiento que observamos en el colapso de Kīlauea".
El nuevo trabajo también añade una complejidad realista a un modelo matemático de pistón, propuesto hace una década por el vulcanólogo japonés Hiroyuki Kumagai y sus colegas, para explicar el colapso de una gran caldera en la isla de Miyake (Japón). Mientras que el modelo de Kumagai, ampliamente aceptado, suponía que las superficies rocosas del volcán cambiaban como si se accionara un interruptor y pasaban de estar inmóviles entre sí a deslizarse unas sobre otras, el nuevo modelo reconoce que la transición entre la fricción "estática" y la "dinámica" es más compleja y gradual. "Nada en la naturaleza ocurre de forma instantánea", dijo Segall.
Fuentes, creditos y referencias:
Paul Segall et al, Repeating caldera collapse events constrain fault friction at the kilometer scale, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2101469118
Créditos a PhysOrg