Perforan un kilómetro bajo tierra a 7 kilómetros de profundidad del agua
Un equipo internacional de investigación marina guiado por la experiencia de la Universidad de Cornell ha completado con éxito un ambicioso proyecto de perforación para investigar la falla del límite de placas que se rompió durante el terremoto de Tohoku que devastó Japón en 2011.
A una profundidad extrema de agua de 7 kilómetros, el equipo utilizó el buque de perforación japonés Chikyu para perforar una serie de pozos profundos, incluido un observatorio de pozos subterráneos que intersecta la falla a casi 1 kilómetro debajo del fondo marino.
También realizaron registros geofísicos y extrajeron núcleos, y reinstalaron sensores de temperatura en un pozo de observatorio anterior al otro lado de la falla, una hazaña que nunca antes se había intentado a tales profundidades.
Las pruebas geológicas e hidrológicas del equipo aumentarán la comprensión de las zonas de subducción y conducirán a una mejor preparación para grandes terremotos y tsunamis, según Patrick Fulton, becario David Croll Sesquicentennial y profesor adjunto de ciencias de la tierra y la atmósfera en Cornell Engineering, quien se desempeñó como codirector científico y líder científico del proyecto para los observatorios.
"El principal desafío técnico de este proyecto es que nos encontramos a siete kilómetros de profundidad y luego nos adentramos otro kilómetro bajo tierra, por lo que se trata de aguas ultraprofundas. No hay muchos barcos que puedan operar en aguas tan profundas", dijo Fulton. "Es como una misión de la NASA".
Fulton también se desempeñó como co-investigador principal en el Observatorio de Pozos de la Universidad de Cornell (CUBO), una plataforma para estudiar directamente la temperatura, la permeabilidad y otras características de la roca en las profundidades del campus de Ítaca para explorar la viabilidad de calentar el campus con Earth Source Heat.
La expedición de perforación, conocida oficialmente como el proyecto de Seguimiento del Deslizamiento Tsunamigénico a través de la Fosa de Japón (JTRACK) del Programa Internacional de Descubrimiento de los Océanos (IOPD), siguió a un esfuerzo similar en 2012, cuando Fulton y el IODP se aventuraron por primera vez a la Fosa de Japón para estudiar cómo y dónde se originó el terremoto de magnitud 9,1, uno de los más grandes jamás registrado.
Imagen: Patrick Fulton, becario David Croll Sesquicentennial y profesor adjunto de ciencias de la Tierra y la atmósfera en Cornell Engineering, y Huiyun Guo, investigadora postdoctoral en CalTech, preparan sensores para un observatorio de pozos. Crédito: JAMSTEC/IODP
En esa ruptura, la parte más superficial de la falla se deslizó entre 50 y 60 metros, y "el propio fondo marino saltó medio campo de fútbol hacia el este en el transcurso de un minuto o dos", lo que desencadenó un tsunami catastrófico que fue mucho más grande de lo que nadie había esperado, según Fulton.
Al estudiar las propiedades y condiciones de la falla poco después del terremoto, los investigadores intentaron determinar qué causó una ruptura tan significativa y por qué había sido tan difícil de predecir. Pero el equipo tuvo que hacer grandes esfuerzos (y llegar a grandes profundidades) para obtener respuestas.
"Antes de que hiciéramos esto en 2012, nadie había intentado realmente perforar un kilómetro bajo tierra en una profundidad de agua tan extrema, y mucho menos construir un observatorio o colocar herramientas geofísicas para tratar de caracterizar lo que hay allí", dijo Fulton.
El observatorio permitió al equipo observar de cerca las condiciones dentro de la falla y reveló una anómala señal de calor causada por el calentamiento por fricción en la falla durante el terremoto. Los datos únicos indicaron que la falla era muy débil. El observatorio también reveló cómo durante los temblores se abrieron fallas y fracturas, por las que se movieron manantiales de agua que finalmente cambiaron las condiciones de estrés dentro del sistema.
"Ahora, 12 años después, si nos remontamos a la época en que la placa se desplazaba hacia abajo, la placa se sigue moviendo a un ritmo de unos 10 centímetros por año. ¿Se ha quedado atascada en ciertos puntos? ¿La falla ha empezado a acumular suficiente tensión como para que tal vez la parte menos profunda pueda sufrir otro gran terremoto? Queremos ver cómo han evolucionado esos procesos", dijo Fulton.
"Hace 12 años, podíamos hacer solo algunas cosas (perforación, registro y grabaciones en el observatorio); ahora queremos hacer una caracterización mucho más profunda de todas las fallas y fracturas, y también observar la placa entrante antes de que se subduzca".
En septiembre, un equipo de unas 150 personas, desde científicos e ingenieros hasta perforadores y trabajadores, subió a bordo del Chikyu y regresó a la fosa. Si bien ya habían construido un observatorio de pozos en el lugar, perforar en una falla no es nada fácil, incluso con un equipo experimentado.
Imagen derecha: Patrick Fulton se desempeñó como codirector científico y líder científico del proyecto para los observatorios de los pozos.
"El mayor desafío es volver a entrar en el agujero. No hay ningún motor ni nada parecido a un control remoto para que la broca entre en el lugar", dijo Fulton. "En cambio, toda esa tubería de acero es como un espagueti húmedo debajo del barco".
Con la ayuda de un cable de fibra óptica con luces, un sonar y una cámara de televisión submarina bajada hasta el fondo del mar, el barco se movió hacia adelante y hacia atrás, balanceando el tubo de perforación debajo de él, hasta que llegó al lugar correcto.
"Puede llevar horas. Y luego, justo cuando estamos sobre el pozo, decimos: 'ahora, ahora, ahora'. Y los perforadores bajan la tubería", dijo Fulton. "En términos de dimensiones, es como enhebrar una aguja desde lo alto del Empire State Building".
Una vez en posición, perforaron más de 900 metros a través de la falla, luego construyeron e instalaron el observatorio, que es esencialmente un largo tubo de acero que contiene sensores ultrasensibles para medir el fluido que fluye a través de las fracturas y el calor por fricción.
"Gran parte de lo que estamos analizando en este momento es tratar de comprender la hidrología de la zona de falla, la estructura del sistema", dijo Fulton. "Creo que en los últimos 12 años también hemos aprendido mucho sobre cómo la hidrología parece estar relacionada con el hecho de que algunos lugares a lo largo de la falla simplemente se desplacen o se queden atascados y finalmente se rompan en los terremotos".
Para instalar y recuperar los sensores (que estaban recubiertos de titanio para que no implosionaran bajo la presión del océano), el equipo diseñó una especie de embudo invertido que cubría y se fijaba a la boca del pozo. Se bajó un cabrestante con los sensores para moverlos a través de la tubería de perforación.
El equipo también perforó la falla para recopilar datos geofísicos a través de un proceso conocido como logging, que permitirá a los investigadores determinar las actuales condiciones de estrés bajo tierra. Luego tomaron muestras de núcleos a través de la zona de falla y de la placa del Pacífico entrante por debajo de la falla, y en un sitio más alejado de la costa antes de que se hundiera en la fosa. El proyecto concluyó en diciembre con la construcción de un nuevo observatorio de pozo aún más profundo.
Fulton espera que los datos que han recopilado generen numerosos artículos de investigación en los próximos años.
"Es un proyecto de gran envergadura. No tenemos el presupuesto de Europa Clipper, pero creo que es de ese estilo", dijo Fulton. "Muchos de los conocimientos sobre la ciencia y la física de los terremotos provienen de nuestra expedición anterior. Estamos allí y ya estamos aprendiendo mucho".
