Os sinais secretos que as rochas enviam antes de um colapso catastrófico

O excesso de tensão pode provocar fissuras nas rochas, mas antes de atingirem esse ponto, estas "soltam um suspiro" de aviso químico através da libertação de nuclídeos. Este tipo de átomo é definido pelo número de neutrões e protões no núcleo, e os cientistas estudam estas emissões geoquímicas há mais de 50 anos, mas têm tido dificuldade em estabelecer uma ligação entre a libertação de nuclídeos e a fratura das rochas.

Num novo estudo publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, uma equipa internacional de cientistas de universidades da China e dos Estados Unidos resolveu o mistério utilizando modelos para relacionar as flutuações do sinal dos nuclídeos com alterações nas estruturas rochosas, que conduzem à falha crítica.

Quando as rochas se partem ou deformam, provocam avalanches e deslizamentos de terra e agravam os danos causados pela atividade vulcânica e pelos terramotos. As conclusões do estudo poderão ajudar os cientistas a prepararem-se para os riscos geológicos causados por rochas sob tensão.

"Relacionamos explicitamente estas alterações estruturais com características mensuráveis dos sinais de nuclídeos", afirmou Rong Mao, autor do estudo e investigador associado de pós-doutoramento no Centro de Recursos Naturais do Instituto de Tecnologia de Nova Jérsia. "Tanto quanto sabemos, este é o primeiro estudo a estabelecer uma teoria quantitativa para diagnosticar a ruptura de rochas utilizando sinais de nuclídeos que ocorrem naturalmente", afirma.

O que acontece quando as rochas se enfraquecem?

Quando as rochas se enfraquecem, libertam nuclídeos como o hélio, o radão e o torão para os poros e fissuras da rocha. As fissuras alargam-se, espalham-se e interligam-se entre si e, à medida que isso acontece, os nuclídeos são libertados e transmitidos. Os cientistas podem então medir estes sinais geoquímicos.

Estudos anteriores sugeriam que havia uma ligação entre a rutura das rochas e as alterações nos sinais de nuclídeos e, em experiências laboratoriais, outros investigadores "demonstraram consistentemente que a fissuração e a deformação das rochas podem desencadear alterações mensuráveis nas emissões de nuclídeos", afirmou Mao.

Observações na natureza também associaram as alterações ambientais à libertação de nuclídeos, que enfraquecem as rochas. Em 1995, cientistas em Kobe, no Japão, observaram um aumento nas emissões de radão das rochas 9 dias antes de um terramoto de magnitude 7,2.

Os sinais de nuclídeos geralmente têm origem em rochas enterradas, mas podem ser detetados à superfície. Podem fornecer um alerta precoce de riscos geológicos, mas, apesar de décadas de observações, os cientistas não associaram as anomalias de nuclídeos a alterações nas propriedades das rochas, limitando a capacidade de monitorizar as emissões de nuclídeos.

"O nosso trabalho aborda esta lacuna, fornecendo uma base teórica para a interpretação destes sinais, abrindo caminho para a previsão baseada em nuclídeos e para um melhor alerta precoce de riscos geológicos e gestão da engenharia de rochas", afirmou Mao.

A equipa analisou duas observações anteriores de longo prazo sobre a libertação de nuclídeos a partir de rochas submetidas a tensão. Uma delas era um relatório de uma experiência que monitorizou as emissões de radão num cilindro de granito ao longo de um mês, à medida que este se enfraquecia e acabava por se partir. O outro relatório referia-se a uma experiência com a duração de três anos que acompanhou as emissões de radão numa encosta de rocha-mãe perto de um reservatório nos Alpes franceses.

Para o novo estudo, a equipa analisou os dados de observação, construiu um modelo para analisar as alterações nos sinais ao longo do tempo e relacionou-os com as alterações estruturais progressivas nas rochas.

"O nosso modelo mostra como os sinais de nuclídeos evoluem à medida que a ruptura da rocha avança através de quatro fases: início da fissura, abertura da fissura, dilatação da fissura e propagação da fissura", afirmou Mao. "Estas fases correspondem a características distintas dos sinais que podem ser interpretadas quantitativamente."

O modelo pode ser utilizado tanto em laboratório como na natureza

O modelo reproduziu os sinais de radão em todos os estágios rochosos, enfraquecendo-se e interrompendo-se em experiências laboratoriais. Em aplicações no terreno, que envolvem sistemas naturais mais complexos do que as experiências laboratoriais controladas, o modelo explicou os sinais captados pela monitorização do leito rochoso.

O trabalho oferece aplicações para a previsão de riscos geológicos, como sismos, e poderá ajudar os cientistas a monitorizar paisagens próximas de reservatórios, onde os níveis de água podem afetar a estabilidade das rochas.

"Nestes contextos, os sinais de nuclídeos fornecem um indicador sensível e potencialmente em tempo real das alterações estruturais do subsolo, oferecendo informações valiosas para o alerta precoce e a gestão de riscos", afirmou Mao.

No entanto, os resultados de campo também revelaram o impacto de fatores externos que podem afetar os sinais de nuclídeos em ambientes naturais.

"Por exemplo, fluidos profundos, como águas termais ou salmouras, têm frequentemente maior salinidade ou temperatura, o que pode aumentar a libertação e 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 refletir tanto alterações estruturais como processos de mistura de fluidos. Incorporar estes efeitos no modelo será uma direção importante para trabalhos futuros."

Após o aperfeiçoamento do modelo, este poderá melhorar a rapidez com que interpreta as variações nos sinais de nuclídeos para prever quando as rochas estão prestes a ceder.

"Embora o nosso modelo comece a quantificar as escalas temporais da génese e transmissão dos sinais, este aspeto ainda não foi totalmente validado em condições de campo", afirmou Mao. "Colmatar esta lacuna será fundamental para transformar a nossa estrutura em sistemas práticos de alerta precoce de riscos geológicos."

A equipa já instalou estações de observação de radão em três locais na China: o deslizamento de Huangtupo na área do Reservatório das Três Gargantas, o deslizamento na margem do reservatório perto da Central Hidroelétrica de Xiluodu e a encosta da Estrada Po Shan em Hong Kong, afirmou Jia-Qing Zhou, professor associado da Universidade de Wuhan, na China.

"Estas instalações foram implementadas para captar precursores hidrogeoquímicos de potenciais riscos geológicos, a fim de validar e aperfeiçoar ainda mais a nossa teoria", afirmou Zhou. "A nossa jornada de investigação está longe de terminar."

Referência da notícia:

Probing rock rupture with naturally occurring nuclide signals | PNAS. Zhou, J.-Q., Mao, R., Luo, X., Cardenas, M.B., Chen, Y.-F., Gan, F.-S., Zhou, C.-B., Li, C., Tang, H., Hu, R., Yang, Z. and Manga, M. 9^th April 2026.