Sismología (archivo histórico)

Introducción

La Sismología es la ciencia que estudia las causas que producen los terremotos, el mecanismo por el cual se producen y propagan las ondas sísmicas, y la predicción del fenómeno sísmico.

Desde el punto de vista de la Ingeniería, lo más importante es la definición y cálculo de las acciones que el movimiento sísmico aporta a la estructura. Estructura interna de la tierra. La Tierra está formada por tres capas concéntricas: corteza, manto y núcleo, con propiedades físicas distintas. Estas capas han podido ser detectadas y definidas, a partir del estudio de los registros del movimiento de su superficie, y más concretamente por los estudios de los terremotos.

En la Figura 1 se han señalado las principales capas que componen la Tierra, que son:

·         Núcleo, con un radio de 3470 Km., constituido por núcleo interior (1) y núcleo exterior (2), formado por hierro fundido, mezclado con pequeñas cantidades de níquel, sulfuros y silicio.

·         Manto, con un espesor de 2900 Km, y está dividido en manto inferior (3), manto superior (4), y zona de transición (5).

·         Corteza o Litosfera (6), es la capa exterior de la Tierra, es de elevada rigidez (roca) y anisotropía, sabemos que es de espesor variable, que en algunos casos puede ser de 60 Km., en los continentes las formaciones son graníticas, y basálticas en los fondos oceánicos.

Algunos autores consideran que los siguientes 60 Km. también pertenecen a la corteza. La zona que separa la corteza del manto es conocida con el nombre de discontinuidad de Mohorovicic, conocida comúnmente con el nombre de Moho. La corteza terrestre juntamente con la Moho, se ilustran en la figura 2. Tectónica de placas.

Placas tectónicas

Alfred Wegner en el año 1912 planteó que las doce grandes zonas de la corteza terrestre denominadas placas tectónicas, están en continua modificación, y que los continentes se han formado a partir de uno único llamado Pangaea o Pangea.

Los movimientos de deriva son los que han dado lugar a la formación de los actuales Continentes a partir del Pangaea. Los modelos de Interacción entre las placas son cuatro (figura 3):

·         Subducción: ocurre cerca de las islas, donde dos placas de similar espesor entran en contacto entre sí.

·         Deslizamiento: se produce cuando entran en contacto dos placas oceánicas, o bien una continental y una oceánica..

·         Extrusión: este fenómeno ocurre cuando se juntan dos placas tectónicas delgadas que se desplazan en direcciones opuestas, es el caso del contacto de dos placas del fondo del océano.

·         Acrecencia: tiene lugar cuando hay un impacto leve entre una placa oceánica y una continental.

McAlester asocia los movimientos de las placas con la energía calorífica que se concentra bajo la litosfera. Rikitake indica el esquema general de desplazamiento de la figura 4, relacionándolo con los movimientos de convección de las capas inferiores, las cuales están en estado viscoso debido al calor. En las zonas de extrusión aparece "nueva corteza", mientras en las zonas de subducción las placas que penetran por debajo se funden, por efecto del calor desarrollado en la interacción entre placas bajo condiciones de presión elevada, dando lugar al magma. Por ello los volcanes activos se sitúan frecuentemente en estas zonas de subducción.

Deriva de los Continentes

La historia geológica ‘reciente’ de la Tierra es la de la lenta transformación del Pangaea hasta la forma que en la actualidad tienen los continentes y los mares. (En la actualidad se cree que nubieron al menos 2 supercontinentes anteriores a Pangaea: Rodinia y Pannotia.) Según Lomnitz, representa la historia de la interacción dinámica de las placas tectónicas. Hacia el final del periodo Paleozoico la tierra (figura 5) estaba formada por un único continente llamado Pangaea, y un único mar denominado Panthalassa, sin embargo a finales del Paleozoico se fracturó el Pangaea dando lugar a dos nuevos continentes denominados Laurasia y Gondwana (figura 6). Al final del mesozoico, los continentes tenían ya la forma y posición de la figura 7. Habiéndose formado durante el paleozoico las dos cadenas montañosas: La Caledónica y la Hercínica, debido a las deformaciones ocurridas en las zonas del contorno de los supercontinentes durante su movimiento. La transformación posterior tuvo lugar en el periodo Cenozoico, durante el cual, los Continentes cambiaron solamente de posición pero conservaron su forma (figura 8). La configuración actual de las principales placas tectónicas de la Tierra se ilustra en la figura 9, juntamente con su dirección de movimiento, que está indicada con flechas.

 

Terremotos y zonas sísmicas

Los terremotos pueden definirse como movimientos caóticos de la corteza terrestre, caracterizados por una dependencia en el tiempo de amplitudes y frecuencias. Un terremoto se produce debido a un choque producido a una cierta profundidad bajo la superficie terrestre en un determinado punto llamado foco o hipocentro (figura 10). A la proyección del foco sobre la superficie terrestre se le denomina epicentro. En la figura 10 se señalan algunas distancias relacionadas con el fenómeno sísmico, tales como la distancia epicentral D1 o D2, la distancia focal R y la profundidad focal H.

Las principales zonas sísmicas del mundo coinciden con los contornos de las placas tectónicas y con la posición de los volcanes activos de la Tierra, tal como puede verse en la figura 11. Esto se debe al hecho de que la causa de los terremotos y de las erupciones volcánicas está fuertemente relacionada con el proceso tectónico del Planeta. Los tres principales cinturones sísmicos del Mundo son: el cinturón Circunpacífico, el cinturón Transasiático (Himalaya, Irán, Turquía, Mar Mediterráneo, Sur de España) y el cinturón situado en el centro del Océano Atlántico.

 

Al hablar de regiones sísmicas, hay que clarificar dos conceptos importantes. La intensidad sísmica es una medida de los efectos de los terremotos en el entorno, y en particular sobre las estructuras. La sismicidad se define como la frecuencia de ocurrencia de fenómenos sísmicos por unidad de área incluyendo, al mismo tiempo, cierta información de la energía sísmica liberada. Scheidegger distingue las siguientes clases de terremotos:

·         Terremotos de colapso. Son terremotos de baja intensidad originados en cavidades subterráneas, y debidos al colapso de las mismas.

·         Terremotos de origen volcánico. Las erupciones volcánicas y los terremotos tienen el mismo origen, pero además la explosión de gases en las erupciones volcánicas pueden originar terremotos que en general son de baja intensidad y que afectan a pequeñas superficies.

·         Terremotos tectónicos. Son los de mayor intensidad y frecuencia, están originados por la rotura violenta de las masas rocosas a lo largo de las fallas o superficies de fractura.

·         Terremotos causados por explosiones. El hombre produce explosiones que a veces se pueden detectar a distancias considerables (pruebas nucleares), originando sacudidas sísmicas que pueden afectar a las estructuras de algunos edificios.

De todos los terremotos relacionados anteriormente, los más importantes son los tectónicos, cuando en adelante hablemos de terremotos nos referiremos a estos.

En los últimos trescientos años se ha registrado gran cantidad de información sobre los efectos de los terremotos en los edificios, lo cual ha permitido elaborar métodos constructivos de edificios sismorresistentes, y se comenzaron a estudiar las primeras normas para su construcción.

Se pueden citar ciertos terremotos por la importancia que tuvieron en la elaboración de una metodología Sismorresistente: Hokkaido (Japón) 1730. Lisboa (Portugal) 1775, Nobi o Mino-Owari (Japón) 1891, San Francisco (California) 1906, Tokyo (Japón) 1923, etc. La moderna sismología nace con la creación de la Sociedad Sismológica Japonesa, después del terremoto de Yokohama ocurrido en 1880. Sigue habiendo nuevos terremotos que tendrán gran importancia para el desarrollo de la Sismología y la Ingeniería Sísmica, como él del 11 de marzo del 2011 que dio lugar al desastre nuclear Fukushima Daiichi.

Tipos de fallas

Los tipos más importantes de fallas son los que se relacionan en la figura 13, y son las siguientes:

·         Falla normal, que corresponde a las zonas donde la corteza terrestre está en extensión, uno de los dos bloques de la falla se desliza hacia abajo, tal como se observa en la figura 13 (a).

·         Falla invertida, que corresponden a las zonas en compresión, existen dos casos:

o   Deslizamiento hacia abajo: una de las dos porciones de corteza que están en contacto penetra bajo la otra que, en general, es una placa continental, figura 13 (b1).

o   Deslizamiento hacia arriba: una de las placas se desliza hacia arriba, figura 13 (b2).

·         Falla de deslizamiento, que implica deslizamientos horizontales entre los dos bordes de la falla, figura 13 (c).

Teoría de Reid

Es la teoría más aceptada referente al mecanismo de los terremotos tectónicos, está basada en los estudios realizados por Reid en la falla de San Andrés, este mecanismo podemos verlo en la figura 14. En el estado no deformado figura 14 (a), nos imaginamos unas líneas perpendiculares sobre la falla (3) que se deforman debido a la traslación relativa del terreno a lo largo de la misma, siendo (1) la línea de falla, (2) la dirección del movimiento, (4) camino perpendicular sobre la falla que se construye tal como se observa en la figura 14 (b). Si la deformación continúa se alcanza un estado tensional que produce la rotura de la falla a partir de un punto crítico (figura 14 (c)). El foco del terremoto lo podemos definir como el punto en el cual empieza a producirse la rotura. Un ejemplo más concreto del mecanismo de un terremoto se expresa en la figura 15, se puede observar que la rotura se origina en el foco y se propaga por el plano de la falla, se ilustra también el epicentro y la traza de la falla en la superficie terrestre.

 

Ondas sísmicas y su registro. Sismógrafos.

Las ondas sísmicas pueden ser registradas mediante los aparatos denominados sismógrafos que pueden ser diseñados para registrar aceleraciones, velocidades o desplazamientos. En Ingeniería sísmica los más utilizados son los que registran aceleraciones, que son los llamados acelerómetros.

A finales del siglo XIX fueron diseñados los primeros sismógrafos, cuyo esquema podemos ver en la figura 16. La masa del Péndulo permanece estacionaria cuando se mueve el terreno, y de esta manera puede registrarse mediante una plumilla el movimiento del terreno en un papel.

Ondas sísmicas

Los terremotos se producen por la liberación brusca de energía de deformación acumulada en las placas tectónicas por la iteración entre ellas. Los sismos producen ondas de varios tipos que se propagan a partir del foco en todas las direcciones.

Un registro de ondas sísmicas refleja el efecto combinado del mecanismo de rotura en el foco, de la trayectoria de propagación, de las características del instrumento registrador y de las condiciones de ruido ambiental en el lugar de registro. En la figura 17 podemos observar los tres tipos de ondas sísmicas que existen:

·         Ondas de superficie, que se propagan únicamente en la corteza terrestre.

·         Ondas másicas, que se propagan a través de la masa de la Tierra

·         Oscilaciones libres, que se producen únicamente mediante terremotos muy fuertes y pueden definirse como vibraciones de la Tierra en su totalidad.

Las ondas másicas pueden ser divididas en Ondas primarias (P) y Ondas Secundarias (S), figura 18. Las ondas P son de dilatación contracción, su propagación implica cambios de volumen en el medio, y se propagan tanto a través de sólidos como de fluidos. Las ondas S son de cortante y solamente se propagan a través de sólidos sin variaciones de volumen.

Las ondas de superficie (L) son así mismo de dos tipos: las ondas LR iguales a las P y las ondas LQ  iguales a las ondas S.

Acelerogramas

Un movimiento sísmico es una combinación de ondas P y S, el intervalo de llegada de ambas ondas puede observarse de forma práctica en algunos acelerogramas este es el caso del acelerograma del terremoto de Kermadec representado en la figura 19 donde se ha señalado el momento de la llegada de cada tipo de onda.

Escalas sísmicas, intensidad y magnitud. Intensidad.

La intensidad sísmica está íntimamente relacionada con los efectos producidos por un terremoto en las reacciones de las personas, el grado de destrozos producidos en las construcciones y las perturbaciones provocadas en el terreno (grietas, deslizamientos, desprendimientos, etc.) describiendo de manera subjetiva el potencial destructivo del mismo. Se han propuesto varias escalas para medir la intensidad, por ejemplo la escala oficial en España es la M.S.K., que está dividida en 12 grados. Los destrozos empiezan a ser importantes a partir del grado VII.

Escala de intensidad M.S.K. (1964)

Efectos que definen los grados de intensidad M.S.K.

·         Los efectos sentidos por las personas y percibidos en su medio ambiente.

·         Los daños producidos en las construcciones según sus diversos tipos.

·         Los cambios advertidos en la naturaleza. Efectos sobre el terreno.

Tipos de construcciones:

·         Tipo A: Con muros de mampostería en seco o con barro, de adobes, o de tapial.

·         Tipo B: Con muros de fábrica de ladrillo, de bloques de mortero, de mampostería con mortero, de sillarejo, entramados de madera.

·         Tipo C: Con estructura metálica o de hormigón armado.

Términos de cantidad: Los términos de cantidad utilizados en la definición de los grados de intensidad corresponden aproximadamente a los siguientes porcentajes:

·         Algunos ................5%

·         Muchos.................50%

·         La mayoría............75%

Clasificación de los daños en las construcciones:

·         Clase 1- Daños ligeros: Fisuras en los revestimientos, caída de pequeños trozos de revestimiento.

·         Clase 2- Daños moderados: Fisuras en los muros, caída de grandes trozos de revestimiento, caída de tejas, caída de pretiles, grietas en las chimeneas e incluso derrumbamientos parciales en las mismas.

·         Clase 3- Daños graves: Grietas en los muros, caída de chimeneas de fábrica o de otros elementos exteriores.

·         Clase 4- Destrucción: Brechas en los muros resistentes, derrumbamiento parcial, pérdida de enlace entre distintas partes de la construcción, destrucción de tabiques y muros de cerramiento.

·         Clase 5- Colapso: Ruina completa de la construcción.

Descripción de los grados de intensidad MSK:

·         Grado I: La sacudida no es percibida por los sentidos humanos, siendo detectada y registrada solamente por los sismógrafos.

·         Grado II: La sacudida es perceptible solamente por algunas personas en reposo, en particular en los pisos superiores de los edificios.

·         Grado III: La sacudida es percibida por algunas personas en el interior de los edificios y solo en circunstancias muy favorables en el exterior de los mismos. La vibración percibida es semejante a la causada por el paso de un camión ligero. Observadores muy atentos pueden notar ligeros balanceos de objetos colgados, más acentuados e los pisos altos de los edificios.

·         Grado IV: El sismo es percibido por personas en el interior de los edificios y por algunas en el exterior. Algunas personas se despiertan, pero nadie se atemoriza. La vibración es comparable a la producida por el paso de un camión pesado con carga. Las ventanas, puertas y vajillas vibran. Los pisos y muros producen chasquidos. El mobiliario comienza a moverse. Los líquidos contenidos en recipientes abiertos se agitan ligeramente.

·         Grado V: El sismo es percibido en el interior de los edificios por la mayoría de las personas y por muchas en el exterior. Muchas personas que duermen se despiertan y algunas huyen. Los animales se ponen nerviosos. Las construcciones se agitan con una vibración general. Los objetos colgados se balancean ampliamente. Los cuadros golpean sobre los muros o son lanzados fuera de su emplazamiento. En algunos casos los relojes de péndulo se paran. Los objetos ligeros se desplazan o vuelcan. Las puertas o ventanas abiertas baten con violencia. Se vierten en pequeña cantidad los líquidos contenidos en recipientes abiertos y llenos. La vibración se siente en la construcción como la producida por un objeto pesado arrastrándose. En las construcciones de tipo A son posibles ligeros daños (clase 1). En ciertos casos modifica el caudal de los manantiales.

·         Grado VI: Lo siente la mayoría de las personas, tanto dentro como fuera de los edificios. Muchas personas salen a la calle atemorizadas. Algunas personas llegan a perder el equilibrio. Los animales domésticos huyen de los establos. En algunas ocasiones, la vajilla y la cristalería se rompen, los libros caen de sus estantes, los cuadros se mueven y los objetos inestables vuelcan. Los muebles pesados pueden llegar a moverse. Las campanas pequeñas de torres y campanarios pueden sonar. Se producen daños moderados (clase 2) en algunas construcciones del tipo A. Se producen daños ligeros (clase 1) en algunas construcciones de tipo B y en muchas del tipo A.

·         Grado VII: La mayoría de las personas se aterroriza y corre a la calle. Muchas tienen dificultad para mantenerse en pie. Las vibraciones son sentidas por personas que conducen automóviles. Suenan las campanas grandes. Muchas construcciones del tipo A sufren daños graves (clase 3) y algunas incluso destrucción (clase 4). Muchas construcciones del tipo B sufren daños moderados (clase 2). Algunas construcciones del tipo C experimentan daños ligeros (clase 1). En algunos casos, se producen deslizamientos en las carreteares que transcurren sobre laderas con pendientes acusadas; se producen daños en las juntas de las canalizaciones y aparecen fisuras en muros de piedra. Se aprecia oleaje en las lagunas y el agua se enturbia por remoción del fango. Cambia el nivel de agua de los pozos y el caudal de los manantiales. En algunos casos, vuelven a manar manantiales que estaban secos y se secan otros que manaban. En ciertos caos se producen derrames en taludes de arena o de grava.

·         Grado VIII: Miedo y pánico general, incluso en las personas que conducen automóviles. En algunos casos se desgajan las ramas de los árboles. Los muebles, incluso los pesados, se desplazan o vuelcan. Las lámparas colgadas sufren daños parciales. Muchas construcciones de tipo A sufren destrucción (clase 4) y algunos colapso (clase 5). Muchas construcciones de tipo B sufren daños graves (clase 3) y algunas destrucción (clase 4). Muchas construcciones de tipo C sufren daños moderados (clase 2) y algunas graves (clase 3). En ocasiones, se produce la rotura de algunas juntas de canalizaciones. Las estatuas y monumentos se mueven y giran. Se derrumban muros de piedra.
Pequeños deslizamientos en las laderas de los barrancos y en las trincheras y terraplenes con pendientes pronunciadas. Grietas en el suelo de varios centímetros de ancho. Se enturbia el agua de los lagos. Aparecen nuevos manantiales. Vuelven a tener agua pozos secos y se secan pozos existentes. En muchos casos cambia el caudal y el nivel de agua de los manantiales y pozos.

·         Grado IX: Pánico general. Daños considerables en el mobiliario. Los animales corren confusamente y emiten sus sonidos peculiares. Muchas construcciones del tipo A sufren colapso (clase 5). Muchas construcciones de tipo B sufren destrucción (clase 4) y algunas colapso (clase 5). Muchas construcciones del tipo C sufren daños graves (clase 3) y algunas destrucción (clase 4). Caen monumentos y columnas. Daños considerables en depósitos de líquidos. Se rompen parcialmente las canalizaciones subterráneas. En algunos casos, los carriles del ferrocarril se curvan y las carreteras quedan fuera de servicio. Se observa con frecuencia que se producen extrusiones de agua, arena y fango en los terrenos saturados. Se abren grietas en el terreno de hasta 10 centímetros de ancho y de más de 10 centímetros en las laderas y en las márgenes de los ríos. Aparecen además, numerosas grietas pequeñas en el suelo. Desprendimientos de rocas y aludes. Muchos deslizamientos de tierras. Grandes olas en lagos y embalses. Se renuevan pozos secos y se secan otros existentes.

·         Grado X: La mayoría de las construcciones del tipo A sufren colapso (clase 5). muchas construcciones de tipo B sufren colapso (clase 5). Muchas construcciones de tipo C sufren destrucción (clase 4) y algunos colapso (clase 5). Daños peligrosos en presas; daños serios en puentes. Los carriles de las vías férreas se desvían y a veces se ondulan. Las canalizaciones subterráneas son retorcidas o rotas. El pavimento de las calles y el asfalto forman grandes ondulaciones. Grietas en el suelo de algunos decímetros de ancho que pueden llegar a un metro. Se producen anchas grietas paralelamente a los cursos de los ríos. Deslizamientos de tierras sueltas en las laderas con fuertes pendientes. En los ribazos de los ríos y en las laderas escarpadas se producen considerables deslizamientos. Desplazamientos de arenas y fangos en las zonas litorales. Cambio del nivel de agua en los pozos. El agua de canales y ríos es lanzado fuera de su cauce normal. Se forman nuevos lagos.

·         Grado XI: Daños importantes en construcciones, incluso en las bien realizadas, en puentes, presas y líneas de ferrocarril. Las carreteras importantes quedan fuera de servicio. Las canalizaciones subterráneas quedan destruidas. El terreno queda considerablemente deformado tanto por desplazamientos de terrenos y caídas de rocas. Para determinar la intensidad de las sacudidas sísmicas se precisan investigaciones especiales.

·         Grado XII: Prácticamente se destruyen o quedan gravemente dañadas todas las estructuras, incluso las subterráneas. La topografía cambia. Grandes grietas en el terreno con importantes desplazamientos horizontales y verticales. Caída de rocas y hundimientos en los escarpes de los valles, producidas en vastas extensiones. Se cierran valles y se transforman en lagos. Aparecen cascadas y se desvían los ríos.

Relación entre intensidad y aceleración.

Lomnitz estableció una fórmula empírica que relaciona la intensidad M.S.K. I con la aceleración máxima del terreno a_m:

En donde a_m viene expresada en gals (10-2m/s2).

Magnitud

Es una medida que tiene relación con la cantidad de energía liberada en forma de ondas. Se puede considerar como un tamaño relativo de un temblor y se determina tomando el logaritmo (base 10) de la amplitud máxima de movimiento de algún tipo de onda (P, Superficial) a la cual se le aplica una corrección por distancia epicentral y profundidad focal. En oposición a la intensidad, un sismo posee solamente una medida de magnitud y varias observaciones de intensidad. Los tipos de magnitudes que se utilizan en forma más común son Richter o local (Ml), ondas P (mb), superficial (Ms) y coda (Md).

Escala de Richter

Corresponde a la escala de magnitud de un sismo. Es una escala abierta por ambos lados, sin embargo el terremoto más grande registrado hasta el momento alcanzó una magnitud de 9.5 correspondiendo a una ruptura del orden de 1000 km de longitud, 200 km de ancho con un desplazamiento promedio de 20 m. En el otro extremo de la escala, magnitudes negativas se logran en laboratorios con rupturas milimétricas.

Richter definió la magnitud cero como aquella que proporciona una amplitud máxima de vibración del suelo de una micra a una distancia de 100 Km. así la magnitud local o de Richter, Ml, es la diferencia entre el logaritmo decimal de la amplitud y el logaritmo decimal de la amplitud patrón.

Donde A es la amplitud del movimiento del suelo registrada en un sismógrafo tipo Wood-Anderson a una distancia dada y A₀ corresponde a la curva patrón que fue aportada por Richter y tiene la expresión:

Donde Delta es la distancia epicentral en Km.

Por tratarse de magnitudes logarítmicas, hay que hacer notar que para elevar un punto la magnitud de un terremoto haría falta multiplicar por 33 la energía liberada, y para elevarla dos puntos sería necesario liberar 1000 veces más energía.

Bibliografía

Estructuras sometidas a acciones sísmicas.- Alex H. Barbat y Juan Miguel Canet - Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería.

Monografías de Ingeniería Sísmica.- Editor Alex H. Barbat - Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería. http://its.cimne.com/cdl1

Páginas Web del Instituto Andaluz de Geofísica y Prevención de Desastres Sísmicas http://www.ugr.es/iag/iag.html

Páginas Web de la Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Geofísica http://www.geofisica.unam.mx/sismologia/

 

Notas

Archivo histórico. De utilidad como referencia. Última modificación: 1998.

 

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