Sinais de nuclídeos revelam alertas precoces antes da rutura de rochas

As rochas parecem compactas e silenciosas, como se nada as pudesse perturbar. No entanto, no seu interior, respondem ao esforço de formas que ainda estamos a começar a decifrar.

Antes de uma rocha se partir por completo, liberta pequenos sinais químicos - uma espécie de aviso discreto, muito antes de surgir qualquer indício visível.

Esses sinais estão associados a átomos conhecidos como nuclídeos. À medida que a pressão aumenta, as rochas libertam quantidades reduzidas de gases como o radão e o hélio.

Os cientistas sabem disto há décadas. O desafio sempre foi perceber o momento certo: em que ponto é que estes sinais indicam, de facto, que uma rocha está prestes a falhar?

Sinais de alerta em rochas prestes a partir

Ao longo de anos, investigadores detetaram picos invulgares destes gases antes de sismos ou deslizamentos de terras. Mesmo assim, não conseguiam ligar, de forma clara, esses picos ao instante em que a rocha fissura. Essa lacuna dificultava o uso destes sinais como alertas aplicáveis no terreno.

Um novo estudo dá um passo importante nessa direção, ao associar alterações nos sinais químicos ao próprio processo físico de fratura das rochas.

O trabalho foi conduzido por uma equipa liderada por cientistas da Universidade de Hong Kong, da Universidade de Wuhan e da Universidade da Califórnia, em Berkeley.

“Estabelecemos explicitamente a ligação entre estas alterações estruturais e características mensuráveis dos sinais de nuclídeos. Tanto quanto sabemos, este é o primeiro estudo a definir uma teoria quantitativa para diagnosticar a rutura de rochas usando sinais de nuclídeos que ocorrem naturalmente”, afirmou Rong Mao, co-primeiro autor do estudo no Instituto de Tecnologia de Nova Jérsia.

O que se passa dentro de uma rocha sob tensão

Quando a tensão aumenta, as rochas não falham de forma instantânea. O colapso acontece por etapas. Primeiro, surgem microfissuras. Depois, essas fissuras abrem, alargam e começam a interligar-se. Por fim, a estrutura cede.

Ao longo deste processo, gases retidos no interior dos minerais escapam para pequenos poros e fraturas. À medida que as fissuras se expandem, aumenta a capacidade de circulação do gás dentro da rocha e a sua chegada à superfície. O resultado são padrões anómalos nos sinais que os cientistas conseguem medir.

Experiências laboratoriais anteriores mostraram isto com nitidez: à medida que as rochas fissuravam, a libertação de gases alterava-se de forma rastreável.

Observações no terreno apontaram na mesma direção. Em Kobe, no Japão, os níveis de radão aumentaram cerca de nove dias antes de um sismo de magnitude 7.2, em 1995.

Nos Alpes franceses, foram registados surtos de radão junto de albufeiras, onde a variação do nível da água ia alterando o estado de tensão nas rochas envolventes.

Transformar sinais de nuclídeos numa ferramenta útil

Neste novo estudo, a equipa reuniu informação tanto de experiências controladas como de cenários reais.

Uma das experiências acompanhou, durante um mês, um cilindro de granito enquanto este enfraquecia gradualmente até se partir. Outra monitorizou emissões de radão durante três anos numa encosta próxima de uma albufeira.

Com base nesses dados, os investigadores desenvolveram um modelo que descreve como os sinais evoluem à medida que as rochas atravessam diferentes fases de falha.

“O nosso modelo mostra como os sinais de nuclídeos evoluem à medida que a rutura da rocha progride por quatro fases: iniciação de fissuras, abertura de fissuras, dilatação de fissuras e propagação de fissuras”, disse Mao.

“Estas fases correspondem a características distintas do sinal que podem ser interpretadas quantitativamente.”

O modelo reproduziu o que tinha sido observado em laboratório. Além disso, também funcionou em contextos naturais, onde as condições são muito mais complexas.

Isto é relevante porque as paisagens reais são intrincadas: as rochas interagem com a água, com variações de temperatura e com outras forças capazes de influenciar os sinais.

Alerta precoce e gestão do risco

Quando as rochas falham, as consequências podem ser graves. Podem ocorrer deslizamentos de terras, avalanches e até impactos mais fortes associados a sismos e erupções vulcânicas. Conseguir identificar sinais precoces pode salvar vidas e reduzir danos.

Os sinais de nuclídeos surgem como uma via promissora para esse fim. Podem deslocar-se desde grande profundidade até à superfície, onde os instrumentos os conseguem detetar. Isso torna-os úteis mesmo quando a origem da tensão está oculta.

“Em contextos deste tipo, os sinais de nuclídeos oferecem um indicador sensível e potencialmente em tempo real de alterações estruturais no subsolo, disponibilizando informação valiosa para alerta precoce e gestão do risco”, afirmou Mao.

As complicações por baixo da superfície

A natureza raramente é simples. O estudo mostrou que outros fatores também podem interferir nestes sinais. Fluidos em profundidade, como águas termais ou salmouras, podem intensificar a libertação e o transporte dos gases.

“Por exemplo, fluidos profundos, como águas termais ou salmouras, têm frequentemente maior salinidade ou temperatura, o que pode potenciar a libertação e a transmissão de nuclídeos, originando sinais amplificados”, explicou Mao.

“Quando a rutura da rocha se liga a estas vias de circulação de fluidos profundos, os sinais observados podem refletir simultaneamente alterações estruturais e processos de mistura de fluidos. Incorporar estes efeitos no modelo será uma direção importante para trabalhos futuros.”

Estas camadas adicionais significam que os modelos ainda precisam de ser afinados. Será necessário separar os sinais gerados pela fissuração daqueles que são influenciados por fluidos e por outras condições.

A investigação vai continuar

A equipa já está a testar estas ideias no terreno. Foram instaladas estações de monitorização de radão em várias áreas de elevado risco na China, incluindo zonas propensas a deslizamentos de terras junto de grandes albufeiras.

“Estas instalações foram implementadas para captar precursores hidrogeoquímicos de potenciais perigos geológicos, de modo a validar e refinar ainda mais a nossa teoria. A nossa jornada de investigação está longe de terminar”, disse Jia-Qing Zhou, co-primeiro autor e professor associado na Universidade de Wuhan.

Ainda há questões por resolver, sobretudo sobre a rapidez com que os sinais se deslocam e quão cedo podem ser detetados antes de ocorrer a falha.

“Embora o nosso modelo comece a quantificar as escalas temporais de génese e transmissão dos sinais, este aspeto ainda não foi totalmente validado em condições de campo”, disse Mao.

“Colmatar esta lacuna será crucial para traduzir o nosso enquadramento em sistemas práticos de alerta precoce para perigos geológicos.”

As rochas podem parecer caladas, mas não estão mudas. Com as ferramentas certas, os cientistas estão a aprender a escutá-las.

O estudo completo foi publicado na revista Anais da Academia Nacional de Ciências.