La física inesperada detrás de los devastadores terremotos de 2023 en Turquía

Un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto Scripps de Oceanografía de UC San Diego utiliza un enfoque multidisciplinario para desentrañar las complejidades de los dos terremotos mortales de fuerza casi igual que azotaron Turquía y Siria el 6 de febrero de 2023.

La investigación, publicada hoy en la revista Science, encuentra que cada uno de los dos terremotos, medidos con magnitud 7,8 y 7,7, respectivamente, tenía elementos inesperados que se sumaron para hacer que el temblor fuera aún más destructivo.

"Los terremotos ocurrieron en fallas conocidas y, en este sentido, eran de esperar", dijo el geofísico de Scripps Yuri Fialko, coautor del artículo. “Lo inesperado fue su tamaño: fueron mucho más grandes que cualquier terremoto conocido en el pasado en las mismas fallas. Esto sucedió porque estos terremotos provocaron muchas cosas inesperadas que se suponía que no debían hacer”.

El primero de los dos terremotos aumentó en fuerza debido a una improbable "cascada" de rupturas que atravesó varias curvas de falla y uniones que normalmente se espera que actúen como barreras para la propagación de la ruptura. El segundo temblor también tuvo un impacto adicional debido a un fenómeno inesperado llamado ruptura de supercortante, en el que la falla se rompe más rápido de lo que las ondas sísmicas de corte pueden viajar a través de la corteza terrestre, creando un efecto similar a un boom sónico que amplifica el poder destructivo del terremoto.

Fialko también dijo que al enumerar los aspectos extraños y poco comunes de estos terremotos, los hallazgos enfatizan la necesidad de incluir la posibilidad de eventos igualmente raros o extremos en los planes de preparación para terremotos en todo el mundo. En particular, dijo que incorporar escenarios raros pero posibles sería un ejercicio valioso en áreas cercanas a la falla de San Andrés en California, que según él es un sistema de fallas estructuralmente similar al sistema de fallas de Anatolia Oriental que produjo estos dos terremotos.

Al igual que California, Turquía es un país sísmico. Se encuentra en medio de una compleja serie de fallas de rumbo donde se encuentran las placas tectónicas de Eurasia, Arabia y Anatolia. La placa arábiga se está moviendo hacia el norte, hacia la placa euroasiática, y toda Turquía y su placa de Anatolia quedan apretujadas entre las dos.

"La analogía más simple es con las semillas de sandía", dijo Fialko. “Son resbaladizos y si aprietas uno entre los dedos quiere salir disparado en una dirección. Hay compresión en ambos lados de la placa de Anatolia y está tratando de salir disparada en dirección occidental como una semilla de sandía entre dos dedos”.

A lo largo de estos límites tectónicos, la tensión puede acumularse en las capas rocosas superiores de la corteza terrestre a lo largo de la falla si los dos lados quedan atascados debido a la fricción y la presión de sujeción mientras las placas subyacentes continúan deslizándose a unos 20 km (12 millas) de profundidad bajo tierra. Los terremotos ocurren cuando la tensión acumulada finalmente supera la fricción y las presiones de sujeción que actúan sobre la corteza superior y los dos lados de la falla se deslizan repentina y violentamente para alcanzar el movimiento tectónico que ocurre en las profundidades.

Todo esto significa que la región que rodea Turquía tiene una larga historia de grandes y mortales terremotos, desde el que destruyó la ciudad siria de Alepo en 1138 hasta el terremoto de 1999 que azotó la ciudad turca de İzmit.

Los investigadores de Scripps comenzaron a estudiar los terremotos de 2023 casi inmediatamente después de que ocurrieran con la esperanza de comprender mejor los procesos que dieron lugar a estos devastadores eventos sísmicos que cobraron la vida de más de 50.000 personas en Turquía y Siria. La Fundación Nacional de Ciencias, la NASA, el Servicio Geológico de EE. UU., la Fundación Cecil e Ida Green y el Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea contribuyeron a la financiación del estudio.

La característica más obviamente poco común de los terremotos fue su magnitud prácticamente idéntica, que no requirió mucho análisis para reconocerlos. El segundo temblor, que ocurrió unas nueve horas después del primero, no fue técnicamente una réplica sino más bien el segundo acto de lo que los sismólogos conocen como un doblete: dos terremotos de magnitud similar que ocurren en un período de tiempo relativamente corto.

Para obtener más información, el equipo combinó tres disciplinas: observaciones geodésicas recopiladas a través de satélites, registros sísmicos en tierra y dos tipos de simulaciones modeladas por computadora para recrear los terremotos.

El componente de geodesia del estudio utilizó satélites para medir cambios en la superficie de la Tierra que podrían cuantificar el deslizamiento, permitiendo a los investigadores hacer inferencias sobre los cambios geológicos que ocurrieron debajo de la superficie durante el terremoto. Las mediciones sísmicas provinieron de cientos de instrumentos sísmicos ubicados en las inmediaciones de los terremotos y en todo el mundo que registraron las ondas sísmicas que recorrieron la Tierra. El aspecto sísmico del estudio mostró no sólo la fuerza de los terremotos sino también cómo progresaron a través del tiempo.

Finalmente, el equipo combinó estas observaciones con dos tipos de modelos informáticos para intentar desentrañar cómo ocurrieron los dos terremotos y qué los causó. El primer tipo de modelo fue el llamado modelo cinemático. Básicamente, los investigadores agregaron sus datos de observación al modelo cinemático para mapear cómo se movían las rupturas a lo largo de las fallas con el objetivo de crear una imagen lo más detallada posible de lo que sucedió debajo de la superficie de la Tierra.

A partir de este modelo cinemático de la ruptura de la falla, el equipo pudo realizar ingeniería inversa en la configuración de las tensiones iniciales que causaron los terremotos. Con estas tensiones iniciales en la mano, los investigadores recurrieron a lo que se conoce como un modelo 3D dinámico o basado en la física.

Este tipo de modelo informático se parece más a ejecutar una simulación 3D. El equipo ingresa las tensiones iniciales y luego, con la ayuda de supercomputadoras que funcionan durante varios días en algunos casos, el modelo representa el escenario basado en ecuaciones complejas que representan nuestro conocimiento de la física que rige los terremotos.

"De esta manera iterativa podemos generar escenarios de ruptura que sean consistentes con nuestras observaciones, así como mecánicamente consistentes con lo que sabemos sobre la fricción y las tensiones dinámicas", dijo Fialko. "Esto puede ayudarnos a comprender los mecanismos detrás del terremoto y recrear lo que sucedió".

Estas múltiples líneas de análisis revelaron que el terremoto de magnitud inicial de 7,8 comenzó con una magnitud de 6,8 en una filial de la falla de Anatolia Oriental conocida como falla de Nurdağı-Pazarcık y luego se extendió a la falla principal de Anatolia Oriental. Además de atravesar esta unión con la falla de Anatolia Oriental, la ruptura atravesó otros tres puntos de bifurcación y curvatura de la falla, barreras que normalmente se supone que detienen la propagación de rupturas. Romper estas cuatro barreras de falla fue parte de lo que permitió que el terremoto creciera en magnitud de 6,8 a 7,8.

Este primer terremoto desató las rocas sujetas de la Falla de Anatolia Oriental en ambas direcciones para una longitud total de ruptura de aproximadamente 300 kilómetros (186 millas), la ruptura más larga conocida a lo largo de la falla. También fue inesperado que la ruptura se propagara en ambas direcciones cuando llegó a la falla de Anatolia Oriental, ya que mecánicamente sólo una de las direcciones se vio favorecida, dijo Fialko.

Según Zhe Jia, investigador postdoctoral en Scripps y autor principal del estudio, el evento de magnitud 7,8 provocó perturbaciones de tensión estáticas y dinámicas en el sistema de fallas, incluido un deslizamiento de hasta ocho metros (26 pies) en algunos lugares, que puede haber causado el segundo terremoto nueve horas después.

Jia señaló que las fallas en un sistema complejo como este siempre están en conversación entre sí.

"La liberación de tensión en una sección del sistema de fallas impacta las secciones cercanas, potencialmente agregando tensión o reduciendo las presiones de sujeción de maneras que hacen que una ruptura sea más probable", dijo Jia.

Sin embargo, el estudio actual aún no puede explicar completamente por qué el segundo terremoto de magnitud 7,7 tardó nueve horas en comenzar.

El equipo descubrió que el segundo terremoto ocurrió en la falla Savrun-Çardak, con una longitud total de ruptura de sólo unos 150 kilómetros (93 millas) de este a oeste. Aunque la longitud de la ruptura fue solo aproximadamente la mitad que la del primer terremoto, el segundo casi logró igualar la magnitud del primero porque presentó más deslizamiento (hasta 10 metros o 32 pies) y porque presentó una ruptura por supercortante.

En los terremotos de supercortante, la ruptura progresa más rápido de lo que las ondas sísmicas de corte pueden viajar a través de la corteza terrestre.

"El concepto es similar a un boom sónico, en el que un objeto viaja más rápido que la velocidad del sonido", dijo Jia. "Cuando se producen velocidades de ruptura supercortantes, la amplitud de las ondas sísmicas es mayor y mantienen su energía en distancias mayores, lo que puede causar mayores deformaciones del suelo y hacer que los temblores del suelo sean más destructivos".

Las rupturas por supercortante son estadísticamente poco comunes y son aún más infrecuentes en fallas como Savrun-Çardak, que es irregular y se considera geológicamente inmadura porque aún no ha acumulado mucho deslizamiento debido a la actividad sísmica anterior. Generalmente, las fallas inmaduras se rompen más lentamente que las maduras, lo que hace que los eventos de supercortante sean menos probables.

Los resultados resaltan las ventajas de combinar múltiples líneas de observación con modelos informáticos basados ​​en datos y en física cuando se trata de comprender la compleja dinámica que interviene en los grandes terremotos, dijo Fialko.

Dijo que el estudio también destaca la necesidad de planificar escenarios poco comunes a pesar de su posibilidad más remota.

"No podemos confiar exclusivamente en lo que vemos en el registro paleosísmico cuando evaluamos los peligros sísmicos", dijo Fialko. “El pasado es un prólogo, pero sólo hasta cierto punto. Siempre existe la posibilidad de que el próximo terremoto sea mayor que el anterior”.

Esta lección tiene relevancia para California, que según Fialko haría bien en considerar la posibilidad de que la falla de San Andrés se rompa de maneras estadísticamente improbables, especialmente dadas sus similitudes estructurales con el sistema de la falla de Anatolia Oriental.

Los estudiantes de posgrado de Scripps, Zeyu Jin, Xiaoyu Zou y John Rekoske, y los profesores Alice-Agnes Gabriel, Wenyuan Fan y Peter Shearer contribuyeron al estudio. Mathilde Marchandon y Thomas Ulrich de la Universidad Ludwig-Maximilians, así como Fatih Bulut y Asli Garagon de la Universidad Bogazici también fueron coautores.

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