Generación y Propagación de Perturbaciones Electromagnéticas Asociadas con Terremotos.

Abstract

Diversos tipos de emisiones electromagnéticas asociadas con terremotos han sido reportados ampliamente en la literatura científica, especialmente durante las últimas dos décadas del siglo XX. Según estos reportes la perturbaciones pueden ir desde variaciones del orden de nT en la magnitud del campo geomagnético, hasta emisiones lumínicas que se extienden varios kilómetros alrededor de la zona del terremoto. Debido a que muchas de estas emisiones se presentan algunas horas o días previos al terremoto, su relevancia como señales precursoras de actividad sísmica ha sido ampliamente debatida en la comunidad científica. Sin embargo, debido a la ausencia de un acuerdo acerca de un único mecanismo físico que permita entender el origen de estas emisiones, el establecimiento de una relación causal (más allá de la correlación temporal) entre las emisiones electromagnéticas y los terremotos es algo que aún no se ha determinado. Con el objetivo de contribuir al entendimiento del origen de estas emisiones, en este trabajo se presenta un estudio teórico-experimental de los mecanismos responsables de la generación de emisiones electromagnéticas durante procesos de fractura y terremotos. Usando como marco teórico la naturaleza crítica del fenómeno de ruptura, se desarrolló un experimento en escala de laboratorio que permitió ver la presencia de emisiones acústicas y electromagnéticas precursoras de la fractura. Las emisiones fueron detectadas durante todo el proceso de carga de muestras de rocas típicas de la corteza terrestre. Los resultados obtenidos permitieron determinar que la electrificación por microfracturamiento es el mecanismo que mejor se ajusta a las características de las emisiones detectadas. El análisis estadístico basado en la entropía de Tsallis y la termodinámica no-extensiva, confirmó la naturaleza crítica del fenómeno y la hipótesis del microfracturamiento como mecanismo fundamental. La extensión a escala geológica se hizo a partir del estudio de la propagación de campos electromagnéticos en medios conductivos. Las microfracturas generadoras de los campos se modelaron como dipolos eléctricos transitorios distribuidos en la región de preparación del sismo. Se usaron dos modelos de distribución: el percolativo clásico y las redes multifractales. Los resultados obtenidos muestran que los valores máximos de las perturbaciones electromagnéticas esperadas se pueden localizar en puntos tan alejados del epicentro como diez veces el tamaño de la falla. Al mismo tiempo se muestra cómo afectan la conductividad del medio y la profundidad de la zona de fractura los valores estimados de la perturbación electromagnética. Finalmente, se combinan la hipótesis de microfracturamiento y el modelo de fibras (Fiber Bundle Model) para estimar el valor de la máxima perturbación electromagnética esperada cuando la falla se acerca a su esfuerzo de ruptura. Se encuentra que, incluso usando un escenario optimista donde algunos parámetros son sobreestimados, la máxima perturbación estimada cae en el rango de los 10^−13 T, valor muy pequeño comparado con los reportados y aún muy por debajo de las capacidades de detección de los magnetómetros usados en el contexto de la geofísica.

A wide variaty of electromagnetic perturbations have been reported in relation with earth- quakes. According with these reports the anomalies can be seen as a small variation in the geomagnetic field (∼nT) or strong light emissions that spread several kilometers around the earthquake zone. Many of these perturbations are detected hours or days before the origin of the earthquake and some researchers have suggested that these signals could be used as early warning for the upcoming earthquake. However, the absence of a universal mechanism capable of explaining these emissions does not allow certainty about whether these phenomena is just some type of spurious correlation or if indeed it obeys to causation. With the central idea of clarifying several aspects of this phenomena, in this thesis we present both experimental and theoretical analyses about the physical mechanisms associated with the generation of electromagnetic emissions (EME) during fracture processes and earthquakes. Using the critical phenomena framework we designed an experimental set-up to detect EME and acoustic emissions (AE) during the compression loading of rock samples typical of the crust. The results show that EME and AE are present from the beginning up to the end of the process. Based on the analysis of the duration time of the emissions, we propose the electrification by microfracturing as the more relevant mechanism to understand the origin of EME and its relation with AE. The non-extensive analysis based on Tsallis entropy confirms that our results correspond to a critical phenomena and that the microfracturing hypothesis fits smoothly in this framework. Scaling to earthquakes was done using the propagation of electromagnetic fields in conductive media. The microfractures sources of EME fields were modeled like transient electric dipoles distributed on the preparation area of the earthquake. Classical percolation and multi-fractal networks were used as models of distribution. The results from the simulations show that the maximum value of the EME disturbances can be located at points far away from the fault, at distances as large as ten times the size of the fault. The effects produced by the electrical conductivity of the media and the depth of the fault are also shown. Finally, we merged the microfracturing hypothesis with the Fiber Bundle Model to estimate the order of magnitude of the expected EME perturbation just before the final rupture. We find that, even on a favorable scenario where the physical parameters of the model are overestimated, the maximum expected perturbation does not reach values above 10^-13 T, which are far below the frequently reported perturbations and cannot be detected by most of the currently available magnetometers in geophysical applications.