Sinais de nuclídeos e radão como aviso precoce da ruptura de rochas

As rochas parecem compactas e imóveis, como se nada as pudesse alterar. No entanto, no seu interior, respondem ao esforço de formas que só agora começamos a decifrar.

Antes de uma rocha se partir de vez, ela liberta sinais químicos minúsculos - 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 acabam por libertar pequenas quantidades de gases, como o radão e o hélio.

Os cientistas conhecem este fenómeno há décadas. O grande desafio sempre foi o mesmo: em que momento é que estes sinais significam, de facto, que a rocha está prestes a falhar?

Sinais de aviso em rochas a partir

Durante anos, investigadores observaram descargas invulgares destes gases antes de sismos ou deslizamentos de terras. Ainda assim, não conseguiam ligar com clareza essas descargas ao instante exacto em que as rochas fissuram. Essa lacuna dificultava o uso destes sinais como alertas práticos.

Um novo estudo deu um passo importante nesse sentido, ao relacionar variações nos sinais químicos com o processo físico de fragmentação das rochas.

O trabalho foi desenvolvido por uma equipa liderada por cientistas da Hong Kong University, da Wuhan University e da University of California, Berkeley.

“Ligamos explicitamente estas alterações estruturais a características mensuráveis dos sinais de nuclídeos. Até onde sabemos, este é o primeiro estudo a estabelecer uma teoria quantitativa para diagnosticar a ruptura de rochas usando sinais de nuclídeos de ocorrência natural”, afirmou Rong Mao, co-primeiro autor do estudo no New Jersey Institute of Technology.

O que acontece dentro de uma rocha sob tensão

Quando o esforço se acumula, as rochas não colapsam de uma só vez. O processo decorre por etapas: primeiro surgem microfissuras; depois essas fissuras abrem, alargam e começam a ligar-se entre si; por fim, a estrutura perde integridade e cede.

Ao longo desse percurso, gases retidos no interior dos minerais escapam para pequenos poros e fracturas. À medida que as fissuras se expandem, aumenta a capacidade de o gás circular pela rocha e chegar à superfície. É isso que gera padrões anómalos nos sinais que os cientistas conseguem medir.

Experiências laboratoriais anteriores já tinham mostrado esta dinâmica de forma clara: à medida que as rochas fissuravam, a libertação de gases mudava de maneira mensurável.

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

Nos Alpes Franceses, foram detectadas descargas de radão junto de albufeiras, onde as oscilações do nível da água estavam continuamente a alterar as tensões nas rochas em redor.

Transformar sinais das rochas numa ferramenta útil

No novo estudo, os autores reuniram dados tanto de experiências controladas como de contextos reais.

Uma das experiências acompanhou, durante um mês, um cilindro de granito que foi enfraquecendo lentamente até se fracturar. Outra monitorização registou emissões de radão ao longo de três anos numa encosta próxima de uma albufeira.

Com base nesse conjunto de dados, a equipa construiu 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 ruptura da rocha progride por quatro etapas: início de fissuras, abertura de fissuras, dilatação de fissuras e propagação de fissuras”, disse Mao.

“Estas etapas correspondem a características de sinal distintas que podem ser interpretadas quantitativamente.”

O modelo reproduziu o que foi observado em laboratório e também funcionou em ambientes naturais, onde as condições são muito mais complexas.

Isto é relevante porque as paisagens reais são pouco ‘limpas’: as rochas interagem com água, variações de temperatura e outras forças que podem alterar os sinais.

Alerta precoce e gestão de risco

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

Os sinais de nuclídeos são uma via promissora para esse fim. Podem propagar-se desde profundidade até à superfície, onde instrumentos os conseguem detectar. Isso torna-os úteis mesmo quando a origem do esforço está oculta.

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

As complicações por baixo da superfície

A natureza raramente é simples. O estudo concluiu que existem outros factores capazes de influenciar estes sinais. Fluidos em profundidade - como águas quentes 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 aumentar a libertação e a transmissão de nuclídeos, levando a sinais amplificados”, explicou Mao.

“Quando a ruptura da rocha se liga a estas vias de fluidos profundos, os sinais observados podem reflectir tanto alterações estruturais como processos de mistura de fluidos. Integrar estes efeitos no modelo será uma direcção importante para trabalho futuro.”

Estas camadas adicionais significam que os cientistas ainda precisam de aperfeiçoar os modelos, separando aquilo que resulta da fissuração do que é condicionado por fluidos e por outras variáveis ambientais.

A investigação vai continuar

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

“Estas infra-estruturas foram instaladas 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 Wuhan University.

Há ainda trabalho por fazer, sobretudo para perceber com que rapidez os sinais se deslocam e com quanta antecedência podem ser detectados antes de uma falha.

“Embora o nosso modelo comece a quantificar as escalas temporais da génese e transmissão do sinal, este aspecto ainda não foi totalmente validado em condições de campo”, afirmou Mao.

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

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

O estudo completo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.