Un equipo de investigadores de la Universidad Johns Hopkins ha desarrollado un enfoque innovador de imagen por rayos X que permite visualizar cómo la compresión altera los espacios diminutos y las tensiones dentro de la arenisca. Estos hallazgos podrían ser cruciales para predecir el comportamiento de esta roca, comúnmente utilizada en reservorios de combustible, bajo presión subterránea. Los resultados de esta investigación han sido publicados en el Journal of Geophysical Research: Solid Earth.
Hasta ahora, los geólogos no habían logrado observar en tres dimensiones el movimiento de los granos individuales y la acumulación de tensiones dentro de las rocas. Ryan Hurley, profesor asociado de ingeniería mecánica y miembro investigador del Instituto de Materiales Extremos de Hopkins, enfatiza la importancia de entender cómo se transmiten las fuerzas a través de las rocas y cómo esta transmisión cambia a medida que aumenta la fuerza hasta provocar la ruptura de la roca. Este conocimiento es esencial, ya que estos procesos rigen todo lo que ocurre en la corteza terrestre, desde actividades humanas como la estimulación de reservorios de petróleo hasta eventos naturales como los terremotos.
Avances en la comprensión de la estructura rocosa
En su investigación, el equipo de Hurley utilizó herramientas, muchas de las cuales son empleadas en la imagenología médica, para examinar la arenisca Nugget, que se encuentra generalmente en el oeste estadounidense. Este estudio se centra en su compleja red de poros, granos y vacíos, que determinan cómo se produce una fractura.
Los investigadores aplicaron una serie de técnicas de medición por rayos X: la tomografía por rayos X, que proporciona imágenes tridimensionales de la estructura de la roca; la difracción de rayos X en 3D, que puede detectar tensiones en cada grano dentro de la roca; y la microscopía de difracción de alta energía en campo cercano, que revela las orientaciones de los cristales de cada grano. Aunque estas técnicas han sido utilizadas por científicos de materiales para estudiar metales, Hurley señala que su grupo es uno de los pocos—y el primero—en utilizarlas todas en conjunto específicamente para el estudio de rocas.
Hurley explica que los principales factores que determinan cuánta tensión puede soportar una roca antes de romperse son la textura—la orientación cristalina de los granos—y la estructura—la disposición de los granos y vacíos. A través de su estudio, los investigadores observaron lo que denominaron «evolución del estrés» dentro de la roca, evidenciando vínculos de comportamiento entre las rocas y materiales granulares no cohesivos como la arena y la grava, que reaccionan de manera similar a las tensiones externas. Además, al comprimir la arenisca, sus poros se cerraron en dirección a la fuerza y se abrieron lateralmente, lo que provocó que la muestra se agrietara sin romperse por completo.
Los resultados de este estudio sugieren que las rocas bajo estrés pueden, en ciertas circunstancias, comportarse como colecciones de granos interaccionantes, confirmando una conexión que había sido propuesta durante más de una década pero que hasta ahora no se había verificado.
Hurley concluye que este trabajo representa una prueba de concepto para el uso de esta gama de técnicas en el estudio de la relación entre textura, estructura y mecánica de las rocas con un nivel de detalle sin precedentes. Con los avances en las capacidades de rayos X in situ que se prevén en los próximos años, el equipo planea utilizar estas técnicas para estudiar muestras más grandes en condiciones de estrés relevantes para aplicaciones, como las presentes en reservorios subterráneos o cerca de fallas geológicas. También tiene la intención de desarrollar y validar «gemelos digitales» de sus muestras y estudiar cómo las alteraciones en la estructura o textura cambian la mecánica, para que sus hallazgos puedan aplicarse de la manera más amplia posible.
