Sismología

introducción

Es ciencia que estudia los terremotos. Implica la observación de las vibraciones naturales del terreno y de las señales sísmicas generadas de forma artificial, con muchas ramificaciones teóricas y prácticas. Como rama de la geofísica, la sismología ha aportado contribuciones esenciales a la comprensión de la tectónica de placas, la estructura del interior de la Tierra, la predicción de terremotos y es una técnica valiosa en la búsqueda de minerales.

La investigación sismológica básica se concentra en la mejor comprensión del origen y propagación de los terremotos y de la estructura interna de la Tierra. Según la teoría elástica del rebote, la tensión acumulada durante muchos años se libera de manera brusca en forma de vibraciones sísmicas intensas por movimientos de las fallas.

 Fenómenos sísmicos

La deformación de los materiales rocosos produce distintos tipos de ondas sísmicas. Un deslizamiento súbito a lo largo de una falla, por ejemplo, produce ondas longitudinales de empuje-tiro (P) y transversales de cizalla (S). Los trenes de ondas P, de compresión, establecidos por un empuje (o tiro) en la dirección de propagación de la onda, causan sacudidas de atrás hacia adelante en las formaciones de superficie. Los desplazamientos bruscos de cizalla se mueven a través de los materiales con una velocidad de onda menor al agitarse los planos de arriba a abajo.

Cuando las ondas P y S encuentran un límite, como la discontinuidad de Mohorodovicic (Moho), que yace entre la corteza y el manto de la Tierra, se reflejan, refractan y transmiten en parte y se dividen en algunos otros tipos de ondas que atraviesan la Tierra. Los intervalos de propagación dependen de los cambios en las velocidades de compresión y de onda S al atravesar materiales con distintas propiedades elásticas. Las rocas graníticas corticales muestran velocidades típicas de onda P de 6 km/s, mientras que las rocas subyacentes máficas y ultramáficas (rocas oscuras con contenidos crecientes de magnesio y hierro) presentan velocidades de 7 y 8 km/s respectivamente.

Además de las ondas P y S —ondas de volumen o cuerpo—, hay dos ondas de superficie, ondas Love, llamadas así por el geofísico británico Augustus E. H. Love, que producen movimientos horizontales del suelo y las ondas Rayleigh, por el físico británico John Rayleigh, que producen movimientos verticales y son conocidas como ondas R. Estas ondas viajan a gran velocidad y su propagación se produce sobre la superficie de la Tierra.

Medios de estudio

Las ondas sísmicas longitudinales, transversales y superficiales provocan vibraciones allí donde alcanzan la superficie terrestre. Los instrumentos sísmicos están diseñados para detectar estos movimientos con métodos electromagnéticos u ópticos. Los instrumentos principales, llamados sismógrafos, se han perfeccionado tras el desarrollo por el alemán Emil Wiechert de un sismógrafo horizontal, a finales del siglo XIX.

Algunos instrumentos, como el sismómetro electromagnético de péndulo, emplean registros electromagnéticos, esto es, la tensión inducida pasa por un amplificador eléctrico a un galvanómetro. Los registradores fotográficos barren a gran velocidad una película dejando marcas del movimiento en función del tiempo. Las ondas de refracción y de reflexión suelen grabarse en cintas magnéticas que permiten su uso en los análisis por ordenador.

Los sismógrafos de tensión emplean medidas electrónicas del cambio de la distancia entre dos columnas de hormigón separadas por unos 30 m. Pueden detectar respuestas de compresión y extensión en el suelo durante las vibraciones sísmicas. El sismógrafo lineal de tensión de Benioff detecta tensiones relacionadas con los procesos tectónicos asociados a la propagación de las ondas sísmicas y a los movimientos periódicos, o de marea, de la Tierra sólida. Invenciones aún más recientes incluyen los sismógrafos de rotación, los inclinómetros, los sismógrafos de banda ancha y periodo largo y los sismógrafos del fondo oceánico.

Hay sismógrafos de características similares desplegados en estaciones de todo el mundo para registrar señales de terremotos y de explosiones nucleares subterráneas. La Red Sismográfica Estándar Mundial engloba unas 125 estaciones.

Aplicaciones

La investigación sismológica básica se concentra en la mejor comprensión del origen y propagación de los terremotos y de la estructura interna de la Tierra. Según la teoría elástica del rebote, la tensión acumulada durante muchos años se libera de manera brusca en forma de vibraciones sísmicas intensas por movimientos de las fallas.

Los temblores fuertes pueden, en segundos, reducir a escombros las estructuras de los edificios; por esto los geólogos e ingenieros consideran diversos factores relacionados con los sismos en el diseño de las construcciones, porque los diques, las plantas de energía nuclear, los depósitos de almacenamiento de basuras, las carreteras, los silos de misiles, los edificios y otras estructuras construidas en regiones sismogénicas, deben ser capaces de soportar movimientos del terreno con máximos estipulados.

Los métodos sísmicos de prospección utilizan explosivos para generar ondas sísmicas artificiales en puntos determinados; en otros lugares, usando geófonos y otros instrumentos, se determina el momento de llegada de la energía refractada o reflejada por las discontinuidades en las formaciones rocosas. Estas técnicas producen perfiles sísmicos de refracción o de reflexión, según el tipo de fenómeno registrado. En las prospecciones sísmicas de petróleo, las técnicas avanzadas de generación de señal se combinan con sistemas sofisticados de registro digital y de cinta magnética para un mejor análisis de los datos. Algunos de los métodos más avanzados de investigación sísmica se usan en la búsqueda de petróleo.

El perfilado sísmico de reflexión, desarrollado en la década de 1940 para la exploración petrolera, ha sido utilizado en los últimos años en investigación básica. En la actualidad hay programas destinados a descifrar la estructura de la corteza continental oculta que han usado esta técnica para sondear rocas a decenas de kilómetros de profundidad; con ellos se resuelven muchos de los enigmas sobre el origen y la historia de determinados puntos de la corteza terrestre. Entre los grandes descubrimientos obtenidos destaca una falla casi horizontal con más de 200 km de desplazamiento. Esta estructura, situada en el sur de los Apalaches de Georgia y de Carolina del Sur, representa la superficie a lo largo de la cual una capa de roca cristalina se introdujo en rocas sedimentarias como resultado de la colisión gradual entre América del Norte y África durante el pérmico, hace 250 millones de años.

Investigaciones llevadas a cabo en el mar del Norte, al norte de Escocia, han trazado estructuras aún más profundas, algunas se extienden bajo la corteza, dentro del manto terrestre, a casi 110 km de profundidad.

Escalas de intensidad

Los sismólogos han diseñado dos escalas de medida para poder describir de forma cuantitativa los terremotos. Una es la escala de Richter —nombre del sismólogo estadounidense Charles Francis Richter— que mide la energía liberada en el foco de un sismo. Es una escala logarítmica con valores entre 1 y 9; un temblor de magnitud 7 es diez veces más fuerte que uno de magnitud 6, cien veces más que otro de magnitud 5, mil veces más que uno de magnitud 4 y de este modo en casos análogos. Se estima que al año se producen en el mundo unos 800 terremotos con magnitudes entre 5 y 6, unos 50.000 con magnitudes entre 3 y 4, y sólo 1 con magnitud entre 8 y 9. En teoría, la escala de Richter no tiene cota máxima, pero hasta 1979 se creía que el sismo más poderoso posible tendría magnitud 8,5. Sin embargo, desde entonces, los progresos en las técnicas de medidas sísmicas han permitido a los sismólogos redefinir la escala; hoy se considera 9,5 el límite práctico.

La otra escala, introducida al comienzo del siglo XX por el sismólogo italiano Giuseppe Mercalli, mide la intensidad de un temblor con gradaciones entre I y XII. Puesto que los efectos sísmicos de superficie disminuyen con la distancia desde el foco, la medida Mercalli depende de la posición del sismógrafo. Una intensidad I se define como la de un suceso percibido por pocos, mientras que se asigna una intensidad XII a los eventos catastróficos que provocan destrucción total. Los temblores con intensidades entre II y III son casi equivalentes a los de magnitud entre 3 y 4 en la escala de Richter, mientras que los niveles XI y XII en la escala de Mercalli se pueden asociar a las magnitudes 8 y 9 en la escala de Richter.

Predicción de terremotos

Los intentos de predecir cuándo y dónde se producirán los terremotos han tenido cierto éxito en los últimos años. En la actualidad, China, Japón, la antigua Unión Soviética y Estados Unidos son los países que apoyan más estas investigaciones. En 1975, sismólogos chinos predijeron el sismo de magnitud 7,3 de Haicheng, y lograron evacuar a 90.000 residentes sólo dos días antes de que destruyera el 90% de los edificios de la ciudad. Una de las pistas que llevaron a esta predicción fue una serie de temblores de baja intensidad, llamados sacudidas precursoras, que empezaron a notarse cinco años antes. Otras pistas potenciales son la inclinación o el pandeo de las superficies de tierra y los cambios en el campo magnético terrestre, en los niveles de agua de los pozos e incluso en el comportamiento de los animales. También hay un nuevo método en estudio basado en la medida del cambio de las tensiones sobre la corteza terrestre. Basándose en estos métodos, es posible pronosticar muchos terremotos, aunque estas predicciones no sean siempre acertadas.

ESTUDIOS SISMOLOGICOS EN CHILE

Predictibilidad Estacional De Anomalias Pluviometricas Y Termicas De Las Regiones Norte Y Central De Chile, Duración: 1996 – 1997

Resultados de diversos estudios de diagnóstico climático han demostrado la existencia de un significativo impacto de perturbaciones climáticas de escala global, específicamente el fenómeno El Niño/Oscilación del Sur (ENOS), en la variabilidad interanual de la precipitación y de la temperatura del aire en los sectores norte y central de Chile. Por otra parte, como resultado del intenso esfuerzo de investigación durante las décadas recientes para avanzar en el conocimiento de los mecanismos que determinan la variabilidad interanual del sistema océano-atmósfera en el Pacífico ecuatorial central, se ha demostrado que éste tiene una predictabilidad significativa en escalas de tiempo de meses y hasta de un año. En base a estos antecedentes, y a partir de la experiencia acumulada en trabajos previos, se plantea como objetivo general de esta investigación evaluar las características espaciales y temporales de predictabilidad estacional de la precipitación y de las temperaturas extremas en las regiones antes mencionadas. Para esto se utilizan diversos modelos estadísticos de pronóstico estacional, basados en el uso de técnicas de análisis multivariado, cuyo objetivo es anticipar en forma probabilística las anomalías pluviométricas y térmicas definidas en forma de categorías, como condiciones normales, sobre lo normal, o bajo lo normal. La eventual implementación de un modelo climático de esta naturaleza puede tener un significativo impacto en diversas áreas productivas.

Sismicidad Superficial En Chile Central: Origen E Implicancias

Duración: 1995 – 1996

El principal objetivo de esta propuesta es determinar y cuantificar la actividad sísmica superficial que ocurre en la zona cordillerana de Chile central. En la actualidad se conoce muy pobremente el ambiente tectónico que genera esta actividad sísmica y no existe un modelo de stress regional. Proponemos estudiar dicha sismicidad utilizando catálogos mundiales y locales en forma adicional a la adquisición de datos a través de la instalación de redes portátiles. Los resultados se integrarán con antecedentes geológicos y aquellos proporcionados por imágenes satelíticas. Las implicaciones de los resultados de este proyecto no solamente son interesantes desde un punto de vista científico sino que son pertinentes a la estimación del peligro sísmico en la región, que continuamente incrementa su importancia debido a los desarrollos en infraestructura de plantas de energía hidroeléctrica, fuente de abastecimiento de agua potable para Santiago y compañías mineras.

Microsismicidad, Estructura De Velocidades Y Tectonica

En El Segmento Norte De La Zona De Ruptura Del Terremoto

De 1877: Arica-Chile año 1996 – 1997

El objetivo de este proyecto es instalar una densa red sísmica temporal en el segmento norte del área de ruptura del terremoto de 1877 durante dos meses, para determinar las características sismotectónicas de la brecha sísmica del Norte de Chile utilizando la actividad microsísmica registrada por redes locales. Los resultados de este proyecto serán analizados en conjunto con aquellos obtenidos en tres proyectos anteriormente realizados en el área (Antofagasta, 1988: Iquique, 1991; Cordillera de Domeyko, 1994) con el objeto de obtener una visión global de los procesos tectónicos y geodinámicos de esta región. La red sísmica propuesta consiste de aproximadamente 60 estaciones analógicas y digitales, permitiendo una excelente oportunidad de registrar eventos sísmicos desde la costa hasta el Altiplano. Con los datos registrados, se realizará una tomografía y una inversión conjunta de hipocentros en la región de Arica, obteniéndo de este modo modelos de velocidades de ondas P y S de la placa de Nazca. Se determinará la distribución de esfuerzos a lo largo de la placa en subducción y se analizarán las características del contacto sismogénico interplaca, además de la zona de transición de la parte donde se desacopla la placa en subducción y los eventos sísmicos más profundos, donde se analizará la posible presencia de una zona sísmica doble bajo el cinturón volcánico Andino.

Características Sismotectonicas De La Brecha Sismica De Pichilemu –

Constitución, Chile Central: Segmento Sur No-Activado De La Zona

De Ruptura Del Gran Terremoto De 1906.

1995 – 1996

La zona de Pichilemu-Constitución (34°-35°S) ha sido identificada como una brecha sísmica con alto potencial para la ocurrencia de un futuro terremoto. Esta región corresponde al segmento sur de la zona de ruptura del gran terremoto de 1906 en Chile central, el cual no ha experimentado grandes eventos desde entonces. Se plantea la instalación de una red temporal de 15 estaciones sismológicas digitales y analógicas en este brecha. La sismicidad registrada será analizada para conocer el régimen sismotectónico de la región. Las características de los segmentos norte y central de la zona de ruptura de 1906, activadas en 1971 y 1985 respectivamente, serán comparadas con aquellas observadas en la brecha sísmica de Pichilemu-Constitución. Se realizará una inversión simultánea de hipocentros y estructura de velocidades de ondas de cuerpo y se analizará la distribución de esfuerzos en toda la zona de la ruptura del terremoto de 1906, con el objeto de caracterizar el contacto sismogénico interplaca en Chile central.

El Ciclo Sísmico En El Sur De Chile: Evolucion Y Monitoreo 1994 – 1996

La región Constitución-Concepción es parte de una brecha sísmica que se extiende por el norte hasta Pichilemu (34.3°-37.0°S) y estudios recientes indican una alta probabilidad de ocurrencia de un sismo mayor alrededor de los inicios del próximo siglo. A pesar de haber sufrido numerosos terremotos en el pasado, poco se conoce sobre el comportamiento de la sismicidad de menor magnitud en esta zona. Nuestro interés es realizar observaciones sismológicas, geodésicas y geológicas con el fin de poder estimar la posible región de ruptura en el próximo evento sísmico que acontezca en el área. Un evento de esta naturaleza producirá importantes daños en toda la zona epicentral y podría generar un tsunami afectando las ciudades del litoral chileno. El estudio se enfocará en tres actividades principales:

1.Sismicidad. Se propone realizar dos campañas de estudios de sismicidad con el objeto de identificar su origen y distribución espacial, y si es posible, determinar los mecanismos de foco de los eventos.

2.Geodesia. Se establecerá una red GPS para determinar la tendencia a largo plazo de las deformaciones de la corteza terrestre. Un estudio similar se realiza actualmente en la brecha sísmica del norte de Chile.

3.Sismotectónica. Se propone utilizar métodos bien establecidos y reconocidos para determinar la paleosismicidad de la brecha sísmica.

Estudio Geofísico Integrado Del Segmento (38°S-42°S)

De Los Andes Centrales 1995 – 1997

El segmento que se investiga 38°S-42°S corresponde a uno de los más activos sísmicamente que se manifiesta cada cierto tiempo mediante terremotos de gran magnitud, causados por el movimiento relativo de la placa Sudamericana y de la placa de Nazca que deriva hacia el Este. Esto produce como consecuencia un cambio importante en las estructuras litosféricas componentes del segmento considerado.

El objetivo principal de este proyecto es estudiar las estructuras litosféricas existentes en el margen continental de Sudamérica y su relación con el campo gravitatorio, el equilibrio isostático y morfología de la región.

La geodinámica del segmento considerado en el estudio involucra la cadena de volcanes activos como el Lonquimay, Llaima, Villarrica, Quetrupillan, Choshuenco, Puyehue, Osorno y Calbuco entre otros. También se encuentra inserto en dicho segmento la zona de debilitamiento Liquiñe-Ofqui. Los datos fundamentales que se consideran en el proyecto son los de gravedad que junto con otros datos geofísicos disponibles en la región servirán para modelar tridimensionalmente las estructuras litosféricas. Adicionalmente se estudiará la conducta isostática de la corteza cuyo cálculo podrá dar información de los patrones isostáticos de los Andes en la región.

ENERGÍA

Si bien la escala de magnitud compara cuantitativamente grandes y pequeños terremotos, dice muy poco acerca de las características físicas de sus fuentes. Por lo tanto, para tener una mayor precisión de las características sísmicas, es necesario relacionar la escala de magnitud a un parámetro físico básico como lo es la energía.

La energía liberada en un terremoto, se puede correlacionar con su tamaño, medido por la escala de magnitud sísmica; si bien dicha correspondencia no resulta muy exacta, aún así es de utilidad para estimar la cantidad de energía liberada por los terremotos.

La relación que los sismólogos indican como más adecuada entre magnitud MS y energía liberada E, es la siguiente:

(1)

Se observa que si MS se incrementa en una unidad, la energía E es magnificada por un factor de 101,5, es decir casi 32 veces (Tabla 1). En otras palabras, la energía sísmica de un terremoto de M = 6 es cerca de 32 veces mayor que la de un terremoto de M = 5 y 1.000 veces mayor que la de uno de M = 4.

La cantidad de energía de un terremoto puede ser representada con bastante exactitud por el volumen de una esfera, el cual viene expresado por:

(2)

Donde: R = Radio de la esfera.

Con esta consideración; si a la energía liberada por un terremoto de magnitud M = 2, cuya energía E = 6,3 x 1014 ergios, se la representa por el volumen de una esfera del tamaño de una pelota de golf, que tiene un radio aproximado de 2,5 cm; la energía liberada por el terremoto de Caucete del 23 de noviembre de 1977, que tuvo una magnitud MS = 7,4 (E = 7,9 x 1022 ergios), estará representada, aproximadamente, por una esfera de 12,50 metros de radio.

Momento Sísmico (MO) y Magnitud Momento (MW)

Para grandes terremotos las escalas de magnitud mb (magnitud obtenida a partir de las ondas de cuerpo), como la MS (magnitud a partir de las ondas superficiales) no dan una real y exacta dimensión del tamaño de un terremoto, por tal razón los sismólogos modernos se inclinan al estudio de dos parámetros diferentes para describir los efectos físicos de un terremoto: el Momento Sísmico, que está directamente relacionado con el proceso de ruptura de la falla, y la energía radiada.

Momento Sísmico, MO:

La orientación y la dirección de la falla, y el tamaño del terremoto se pueden describir mediante la geometría de la falla y el momento sísmico:

MO = m .S < d>

Donde m (mu) es la rigidez de la roca, S es el área de la falla y < d> es el promedio del desplazamiento de la falla. El Momento MO es una medida con mayor consistencia para medir el tamaño de un terremoto que la magnitud, y algo muy importante es que el momento no tiene intrínsecamente límite superior. Esto ha permitido el surgimiento de una nueva escala de magnitud basada en el momento sísmico, y es la llamada Magnitud Momento MW

Magnitud Momento, MW:

Resulta más adecuado y consistente medir el tamaño de un terremoto a partir de la Magnitud Momento que a partir de la Magnitud MS.

La ecuación de MW responde a:

MW = 2/3 log10 (MO) –10,7

El Momento Sísmico de los dos mayores sismos reportados durante este siglo son:

• Chile-Valparaíso- (22-5-1960), con MO = 2,5 x 1030 dyn.cm (dyna x centímetros), con MS = 8,5 y MW = 9,5.
• Alaska (27-3-1964), con MS = 8,3 y MW = 9,2, con un valor de MO comprendido entre 1028 y 1029 dyn . cm.

Tabla 1: Magnitud y energía de los terremotos.(K. Kasahara – "Earthquake Mechanics"; Cambridge University Press; Malta -1981).