Simulación Metodológica de un Detector de Sismos

2. Antecedentes
3. Planteamiento del problema
4. Justificación
5. Marco Teórico
6. Sismógrafo
7. Sismos
8. Origen. Tipos de sismos
9. Registro de intensidad de sismos
10. Distribucion geográfica
11. Costo del material
12. Metodología
13. Propuesta del sistema
14. Conclusiones
15. Referencias bibliográficas

Introducción.

Los volcanes activos son fuente generadora de una gran variedad de señales sísmicas. En el Popocatepetl (en Puebla, cerca de la ciudad de México, México), por ejemplo, se identifican tres tipos de señales: eventos Vulcano-teutónicos (VT), eventos de periodo largo (LP) y eventos híbridos. Los eventos Vulcano-teutónicos (VT) son señales sísmicas que se asemejan claramente a los eventos de tipo teutónicos regionales, tienen frecuencias típicas de 5 Hertz o mas y las fases de P y S son claramente reconocibles.

Estos eventos VT se producen en la roca sólida originando fracturas o fallas de corte muy similares a los producidos por los eventos teutónicos como los de subducción. Ejemplo de un evento Vulcano-teutónico (VT) registrado en la estación PPX el día 96/12/02. El primer cuadro es el sismo grama en cm/s. El cuadro central es el espectrograma típico de un VT, calculado con una ventana móvil de 1.28 s. El cuadro inferior es el espectro de amplitud de Fourier (figura 1).

Figura 1. Análisis gráfico de un sismo Vulcano-teuctónico.

Los eventos de periodo largo (LP) son eventos con frecuencias características en un rango de 1.0 a 5 Hertz. La fase de la onda P no esta bien definida, es emergente, y no se identifica fase S. Se asocia el origen de los LP a efectos de trayectoria. La generación de estos eventos esta relacionada con la fluctuación de presion causada por la inestabilidad del transporte de masa y las condiciones termodinámicas de los fluidos. Ejemplo de un evento de periodo largo (LP) registrado en la estación PPX el día 95/12/01. El primer cuadro es el sismo grama en cm/s. El cuadro central es el espectrograma calculado con una ventana móvil de 1.28 s. El cuadro inferior es el espectro de amplitud de Fourier (figura 2).

Figura 2. Análisis gráfico de un sismo de Largo Periodo

Los eventos híbridos son eventos con componentes en las altas y bajas frecuencias, por ello se les denominan híbridos. En las altas frecuencias tienen fases impulsivas de P y S. Generalmente presentan amplitudes de P y S menores a las que presentan los eventos Vulcano-teutónicos. Ejemplo de un evento híbrido registrado en la estación de periodo corto PPM el día 95/03/02. El primer cuadro es el sismo grama en cm/s. El cuadro central es el espectrograma calculado con una ventana movil de 1.28 s. El cuadro inferior es el espectro de amplitud de Fourier (figura 3).

Figura 3. Análisis gráfico de un sismo Híbrido.

Otra señal que se identifica en los registros sísmicos del Popocatepetl en México es el tremor. Este tipo de señal se ha identificado varios volcanes activos. Ejemplo de un evento de tremor registrado en la estación PPP el día 95/02/01. El primer cuadro es el sismo grama en cm/s. El cuadro central es el espectrograma calculado con una ventana móvil de 1.28 s. El cuadro inferior es el espectro de amplitud de Fourier (figura 4).

Figura 4. Análisis gráfico de untremor.

Antecedentes.

Los sismos se han presentado en diversas zonas del mundo, ocasionando gran pérdida de vidas humanas, edificaciones domésticas e industriales, construcciones cívicas y de uso por la sociedad (ejemplo, puentes) y un gran daño al medio ambiente. A continuación se presenta un historial de los sismos ocurridos en el mundo (tabla 1).

Tabla 1. Secuencia historial de sismos en el mundo.

Planteamiento del problema.

La generación de sismos ha provocado grandes pérdidas humanas, económicas y un gran deterioro en el medio ambiente. Esto ha motivado a investigadores a diseñar y fabricar dispositivos de detección en zonas donde se considera es el epicentro del sismo, para poder obtener alguna señal que indique la menor sensación de un movimiento y con ello dar aviso a autoridades y a la población. Existe una gran diversidad de sistemas electrónicos de detección de sismos, que ayudan a la prevención de desastres, por lo que es necesario tomarlos en cuenta para evitar principalmente pérdidas humanas y económicas que influyen en las economías de los países afectados por este tipo de fenómenos naturales.

Debido a la preocupación pro ser al ciudad de Mexicali y principalmente en el Valle donde se realizan actividades agrícolas, como una zona con influencia de movimientos sísmicos; existe la propuesta de la realización de una metodología para el desarrollo de un sensor que pueda detectar mínimos movimientos en algunas zonas más propensas de esta zona de la República Mexicana.

La metodología consiste en el análisis y diseño de suelos en la región, zonas más propensas a al generación de sismos y la propuesta del diseño y desarrollo del sistema electrónico. Es por eso, la pregunta, si se requiere de prevenir en Mexicali, de la generación de un sismo?.

Justificación.

La zona de la República Mexicana donde se encuentra localizada la ciudad y el valle de Mexicali, es un área donde se generan sismos a diversas escalas, donde los últimos cinco años, se han registrado a pequeña escala, algunos investigadores mencionan que puede ocurrir uno de gran escala con posibles desgracias de pérdidas humanas y económicas. Las autoridades de gobierno han estado elaborando planes de contingencia ambiental, informando a la población de lo que es necesario realizar antes, en el transcurso y después de un sismo.

La prevención de este tipo de fenómenos naturales, es parte fundamental para evitar desgracias que puedan afectar la economía de la región. La preocupación por pensar en que ocurra una desgracia muy grave, nos levó a realizar una propuesta metodológica del diseño y fabricación de un sistema de detección anti-sísmico para poder detectar pequeños movimientos en algunas áreas de al región, ya sea bajo superficies de casas-habitación, instituciones de gobierno, educativas, salud o alguna otra y de empresas, que se tienen alrededor de 150 en la ciudad de Mexicali y su valle.

El costo del sistema electrónico propuesto no es muy costoso, por lo cual justifica su desarrollo y con ello que se puede lograr una vinculación muy establecida entre autoridades de Conalep Mexicali I y autoridades de diversas dependencias de gobierno.

Marco Teórico.

La corteza terrestre experimenta casi continuamente pequeños e imperceptibles movimientos de trepidación, sólo registrables por aparatos especiales de extraordinaria sensibilidad. Pero a veces, estos movimientos de trepidación, conmoción u oscilación, son más intensos y se manifiestan como sacudidas bruscas, ordinariamente repetidas, que el hombre percibe directamente o por los efectos que producen.

Con el nombre general de sismos o seísmos se designa a todos estos movimientos convulsivos de la corteza terrestre, que se clasifican en micro sismos, cuando son imperceptibles; macro sismos, cuando son notados por el hombre y causan daños en enseres y casas, y mega sismos, cuando son tan violentos que pueden producir la destrucción de edificios, la ruina de ciudades enteras y gran número de víctimas. Los macro sismos y mega sismos son los conocidos con el nombre de terremotos o temblores de tierra.

El estudio de los fenómenos sísmicos es el objeto de la Sismología. El origen del 90 % de los terremotos es tectónico, relacionado con zonas fracturadas o fallas, que dejan sentir sus efectos en zonas extensas. Otro tipo están originados por erupciones volcánicas y existe un tercer grupo de movimientos sísmicos, los llamados locales, que afectan a una región muy pequeña. Éstos se deben a hundimientos de cavernas, cavidades subterráneas o galerías de minas; trastornos causados por disoluciones de estratos de yeso, sal u otras sustancias, o a deslizamientos de terrenos que reposan sobre capas arcillosas.

Las aguas de los mares son agitadas por los movimientos sísmicos cuando éstos se producen en su fondo o en las costas. A veces sólo se percibe una sacudida, que es notada en las embarcaciones; pero con frecuencia se forma por esta causa una ola gigantesca que se propaga por la superficie con la misma velocidad que la onda de la marea y que al estrellarse en las costas pueden ocasionar grandes desastres.

Estas grandes olas sísmicas se llaman de translación y también tsunamis, nombre con que se las designa en Japón o maremotos. Un terremoto se origina debido a la energía liberada por el movimiento rápido de dos bloques de la corteza terrestre, uno con respecto al otro. Este movimiento origina ondas teóricamente esféricas ondas sísmicas, que se propagan en todas las direcciones a partir del punto de máximo movimiento, denominado hipocentro o foco, y del punto de la superficie terrestre situado en la vertical del hipocentro a donde llegan las ondas por primera vez, el epicentro.

Desde el hipocentro se generan dos tipos de ondas:

-Ondas primarias, ondas P (por ser las primeras en producirse) o longitudinales, que consisten en vibraciones de oscilación de las partículas sólidas en la dirección de propagación de las ondas. Por producir cambios de volumen en los materiales se les llama también de compresión; son las de mayor velocidad y se propagan en todos los medios.

-Ondas secundarias, ondas S (por ser las segundas en llegar) o transversales, son las que producen una vibración de las partículas en dirección perpendicular a la propagación del movimiento. Pueden vibrar en un plano horizontal o vertical, no alteran el volumen, son más lentas que las ondas P y no se propagan a través de los fluidos. Se conocen con el nombre de ondas de cizalla o distorsión.

    La interferencia de estos frentes de ondas con la superficie terrestre origina un tercer tipo de ondas, denominadas superficiales u ondas L. Son más lentas y al viajar por la periferia de la corteza tienen una gran amplitud, siendo las causantes de los mayores desastres.

Se distinguen dos tipos: ondas Love, con movimiento perpendicular a la dirección de propagación, llamadas también de torsión, y ondas Rayleigh cuyo movimiento es elíptico con respecto a la dirección de las ondas.

Sismógrafo.

Las vibraciones se detectan mediante unos instrumentos llamados sismógrafos. Unos son péndulos verticales de gran peso, que inscriben el movimiento por medio de una aguja o estilete, sobre un papel ahumado. Otros son horizontales y al oscilar por la sacudida sísmica trazan un gráfico con una aguja sobre un papel ahumado arrollado a un tambor o cilindro que gira uniformemente.

El gráfico puede ser también señalado mediante un rayo de luz que incide sobre un papel fotográfico, en el cual van marcados los intervalos de tiempo por horas, minutos y segundos. Otros son péndulos invertidos llamados astáticos, constituidos por una gran masa, que permanece inmóvil, apoyada sobre un vástago.

En la actualidad los sismógrafos son electromagnéticos, recogiéndose el registro de los movimientos en cintas magnéticas que se pueden procesar y digitalizar por medio de computadoras. Mediante diversas observaciones y la comparación de datos de diferentes observatorios, se pueden trazar sobre un mapa las líneas isosistas, que unen los puntos en que se ha registrado el fenómeno con la misma intensidad y las homosistas, que unen todos los puntos en que la vibración se aprecia a la misma hora.

En cada observatorio debe haber diferentes tipos de sismógrafos: dos horizontales, orientados según el meridiano y el paralelo del lugar y uno vertical; para que sea posible apreciar todas las particularidades de cualquier movimiento sísmico. Los sismogramas son las gráficas marcadas por el estilete del sismógrafo, o el rayo luminoso, sobre el papel del tambor giratorio. En un sismograma se pueden diferenciar varias partes según la proximidad o lejanía del epicentro respecto al observatorio.

Sismos.

Se denomina sismo, seísmo o terremoto a las sacudidas o movimientos bruscos del terreno generalmente producidos por disturbios tectónicos o volcánicos. En algunas regiones de América se utiliza la palabra temblor para indicar movimientos sísmicos menores y terremoto para los de mayor intensidad. En ocasiones se utiliza maremoto para denominar los sismos que ocurren en el mar. La ciencia que se encarga del estudio de los sismos, sus fuentes y de cómo se propagan las ondas sísmicas a través de la Tierra recibe el nombre de sismología.

Origen.

El origen de la gran mayoría de los terremotos se encuentra en una liberación de energía producto de la actividad volcánica o a la tectónica de placas. Los terremotos tectónicos se suelen producir en zonas donde la concentración de fuerzas generadas por los límites de las placas tectónicas dan lugar a movimientos de reajuste en el interior y en la superficie de la Tierra.

Es por esto que los sismos de origen tectónico están íntimamente asociados con la formación de fallas geológicas. Suelen producirse al final de un ciclo denominado ciclo sísmico, que es el periodo de tiempo durante el cual se acumula deformación en el interior de la Tierra que más tarde se liberará repentinamente. Dicha liberación se corresponde con el terremoto, tras el cual, la deformación comienza a acumularse nuevamente.

A pesar de que la tectónica de placas y la actividad volcánica son la principal causa por la que se producen los terremotos, existen otros muchos factores que pueden dar lugar a temblores de tierra: desprendimientos de rocas en las laderas de las montañas, hundimiento de cavernas, variaciones bruscas en la presión atmosférica por ciclones e incluso actividad humana. Estos mecanísmos generan eventos de baja magnitud que generalmente caen en el rango de microsismos, temblores que solo pueden ser detectados por sismógrafos.

El punto interior de la Tierra donde se produce el sismo se denomina foco sísmico o hipocentro, y el punto de la superficie que se halla directamente en la vertical del hipocentro- y que, por tanto, es el primer afectado por la sacudida -recibe el nombre de epicentro.

El movimiento sísmico se propaga mediante ondas elásticas (similares al sonido), a partir del hipocentro. Las ondas sísmicas se presentan en tres tipos principales: dos de ellas son ondas de cuerpo que solo viajan por el interior de la Tierra y el tercer tipo corresponde a ondas superficiales, y son las responsables de la destrucción de obras y pérdida de vidas humanas.

• Ondas longitudinales, primarias o P: Tipo de ondas de cuerpo que se propagan a una velocidad de entre 8 y 13 kilómetros por segundo y en el mismo sentido que la vibración de las partículas. Circulan por el interior de la Tierra, atravesando tanto líquidos como sólidos. Son las primeras que registran los aparatos de medida o sismógrafos, de ahí su nombre "P" o primarias.
• Ondas transversales, secundarias o S: Son ondas de cuerpo más lentas que las anteriores (entre cuatro y ocho kilómetros por segundo) y se propagan perpendicularmente sentido de vibración de las partículas. Atraviesan únicamente los sólidos y se registran en segundo lugar en los aparatos de medida.
• Ondas superficiales: Son las más lentas de todas (3,5 kilómetros por segundo) y son producto de la interacción entre las ondas P y S a lo largo de la superficie de la Tierra. Son las que producen más daños. Se propagan a partir del epicentro y son similares a las ondas que se forman sobre la superficie del mar. Este tipo de ondas son las que se registran en último lugar en los sismógrafos.

Tipos de sismos.

Los principales tipos de sismos se presentan a contnuación:

• Volcánicos: directamente relacionados con las erupciones volcánicas. Son de poca intensidad y dejan de percibirse a cierta distancia del volcán.
• Tectónicos: originados por ajustes en la litosfera. El hipocentro suele encontrarse localizado a 10 ó 25 kilómetros de profundidad, aunque algunos casos se llegan a detectar profundidades de hasta 70 kilómetros.
• Batisismos: su origen no está del todo claro, caracterizándose porque el hipocentro se encuentra localizado a enormes profundidades (300 a 700 kilómetros), fuera ya de los límites de la litosfera.

Registro de intensidad de sismos.

Los aparatos utilizados para el registro gráfico de los movimientos sísmicos reciben el nombre de

sismógrafos, y la gráfica donde va quedando plasmada la amplitud y duración del paso de las ondas, sismograma. La intensidad se mide por los efectos destructivos que ha tenido el seísmo sobre los bienes humanos y para ello se emplean unas escalas cualitativas que expresan en "grados" los anteriores efectos. Las más empleadas son las de Mercalli y Richter:

• Escala de Richter: una escala logarítmica que se usa para medir la energía liberada por un terremoto.
• Escala de Mercalli: es una escala cualitativa usada para medir "intensidad" o los efectos causados por terremotos en edificios, construcciones y personas.

Se denominan curvas isosistas a las que unen los puntos donde el terremoto ha tenido igual intensidad y se sitúan rodeando al epicentro. Las curvas homosistas son las que unen los puntos donde el terremoto se ha sentido a la misma hora.

Distribucion geográfica.

No todas las regiones de la Tierra son igualmente propensas a las sacudidas sísmicas. Estudiando la distribución del hipocentro de los distintos terremotos que han tenido lugar a lo largo de la historia, se ha dividido la superficie terrestre en tres zonas distintas:

• Regiones sísmicas: zonas débiles de la corteza terrestre muy propensas a sufrir grandes movimientos sísmicos. Suelen coincidir con regiones donde se levantan cadenas montañosas de reciente formación.
• Regiones penisísmicas: ondas en las que sólo se registran terremotos débiles y no con mucha frecuencia.
• Regiones asísmicas: zonas muy estables de la corteza terrestre en las que raramente se registran terremotos.

Costo del material.

El material propuesto para el desarrollo del sistema detector de sismos, consiste de lo siguiente:

Metodología.

El método de estudio de la propuesta para el diseño y fabricación de un sistema detector de sismos, consiste en el análisis de lo siguiente:

a). Tipo de suelo en Mexicali. Las características del tipo de suelo es la ciudad de Mexicali y su valle, es arcilloso y arenoso en la mayor cantidad de la región. Con este tipo de suelo, se contemplan los movimientos sísmicos que son más propensos que los de suelo tipo rocoso.

b). Análisis del epicentro. Las zonas donde se han detectado una mayor cantidad y el grado mayor de los movimientos sísmicos, ocurre en el centro de la región del valle de Mexicali.

c). Desarrollar la propuesta del sistem detector de sismos a autoridades de Conalep Mexicali I y de gobierno.

Propuesta del sistema.

El sistema detector de sismos consiste de dispositivos electrónicos, siendo un tema con el cual fuimos asesorados por el M.C. Gustavo López Badilla. A continuación se muestran nuestras propuestas:

PROPUESTA GENERAL DEL SISTEMA DETECTOR DE SISMOS.

PROPUESTA ESPECIFICA DEL SISTEMA DETECTOR DE SISMOS.

Conclusiones.

Los sistemas de detección de sismos son muy importantes para prevenir desastres naturales que puedne ocasionar graves pérdidas humanas y económicas, afectando la economía de las regiones afectadas. Es por eso que éste estudio de investigación se resume en lo siguiente:

•Prevención antisísmica en zonas sísmicas como la ciudad de Mexicali.

•Metodología de detección con un detector con dispositivos electrónicos sencillos.

•El costo del sistema es accesible.

•Propuesta para ser aplicada en actividades de campo.

Referencias bibliográficas.

1. Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED), Antecedentes históricos de sismos, 2004.

2. Martinez, Antonio; Historia de Baja California; 2000.

3. González Arturo y Herrera Jorge; Sistema de detección electrónicosñ 1998.

4. Nuñez Oscar y Beltrán Samuel; Dispositivos de detección remota (Sensores); 1999.

M.C. Gustavo López Badilla1

Jesús Abraham Alcántara de Santiago2,

Cesar Flores García2,

Ivonne Fuentes Galindo2,

Mario Cesar Hurtado López2,

María Verónica Lugo Castorena2,

Heriberto Yañez Guerrero2.

1 Investigador Académico, CONALEP, Mexicali I, Mexicali, Baja California, México.

2 Estudiantes de Productividad, CONALEP, Mexicali I, Mexicali, Baja California, México.