Estudio de la anisotropía sísmica cortical en el sur de la Península Ibérica a partir de la polarización de las ondas S

      La consideración de anisotropía sísmica en la corteza terrestre viene a enriquecer la imagen que de ella disponemos, y a aportar información sobre procesos tectónicos que pueden estar en el origen de esta anisotropía. La distinción entre un medio heterogéneo y un medio anisótropo se establece a partir de la longitud de onda. En un medio heterogéneo la variación de las propiedades elásticas tiene lugar para distancias mayores que la longitud de onda considerada. La hipótesis de anitropía sísmica supone que la onda elástica encuentra diferentes propiedades en el medio dependiendo del camino que toma en su propagación. Estas variaciones en las propiedades elásticas tienen lugar en un rango de distancias menor que la longitud de onda considerada. La sucesión de estas variaciones, en el camino de propagación de la onda, da lugar a un efecto observable en la velocidad y en la forma de la onda que permite detectar la presencia de anisotropía.

      En los últimos años, se ha detectado anisotropía sísmica en diversas zonas de la corteza superior de la Tierra (Bowman y Ando, 1987, Iannaccone y Deschamps, 1989, Zollo y Bernard, 1989, Kaneshima, 1990, Gledhill, 1991, Munson et al., 1993, Vázquez-Contreras et al., 1993, Zhang y Schwartz, 1994, Bouin et al., 1996, Gamar y Bernard, 1997). En muchos de estos casos se ha establecido que el origen de esta anisotropía era tectónico, y estaba de acuerdo con el modelo de anisotropía de fisuración (modelo E.D.A., extensive dilatancy anisotropy) propuesto por Crampin (1978). Según este modelo, el campo de esfuerzo actual controla la orientación de las fisuras en la corteza superior, de forma tal que tienden a alinearse vertical y paralelamente a la dirección-del máximo esfuerzo compresivo horizontal. Una onda S que incide verticalmente en el medio anisótropo, se desdobla en dos ondas S polarizadas perpendicularmente que viajan a diferente velocidad: la primera fase S, la onda S rápida, está polarizada en la dirección de las fisuras y, por tanto, del máximo esfuerzo compresivo horizontal; la segunda fase S, la onda S lenta, que llega al cabo de un cierto retraso temporal, está polarizada perpendicularmente a la anterior.

      Por lo tanto, los dos parámetros que permiten caracterizar la anisotropía de fisuración, y que son observables en nuestros datos, son: la dirección de polarización de la onda S rápida, relacionada con el régimen de esfuerzos, y el retraso temporal entre las dos ondas S, que está directamente ligado a la longitud del camino que recorre la onda S en el medio anisótropo, y a la densidad de fisuración del propio medio.

      La hipótesis E.D.A. es atractiva porque predice que cambios en los esfuerzos producirán cambios detectables en los parámetros de la birrefringencia. Si cambia la dirección de esfuerzos, habrá una reorientación del campo de fisuras que dará lugar a un cambio en la dirección de polarización de la onda S rápida. Análogamente, si cambia la magnitud de los esfuerzos se producirá un cambio en la densidad de fisuración del medio que tendrá un efecto observable sobre el retraso temporal de las dos ondas S desdobladas. Las posibilidades que plantea esta observación considerada como un precursor, con la incidencia que tiene en los estudios de Riesgo Sísmico y Predicción, está siendo ampliamente debatida en la literarura (Peacock et al., 1988, Aster et al., 1990, Crampin et al, 1990, Crampin et al, 1991, Aster, et al., 1991, Gamar y Bernard, 1997).

      El Sur de la Península Ibérica se encuentra en el borde occidental del contacto de las placas africana y euroasiática en una zona sísmicamente activa de gran complejidad e interés sismotectónico. Esta complejidad tiene su reflejo en el patrón de esfuerzos: a nivel regional actúa un esfuerzo compresivo máximo en una dirección aproximada NNW-SSE, pero a nivel local, algunos mecanismos focales calculados para terremotos de magnitud moderada presentan para los esfuerzos compresivos direcciones diferentes al patrón regional. En este marco nos proponemos investigar la presencia de anisotropía.

      Los datos necesarios para medir los parámetros que caracterizan la anisotropía son registros o sismogramas de tres componentes, que proporcionan una imagen clara de la polarización de la onda S, del movimiento de la partícula, en el espacio tridimensional. Para el desarrollo de este trabajo hemos contado con los registros de tres componentes que proporcionan las tres estaciones sísmicas de registro de banda ancha que el Instituto Geográfico Nacional (I.G.N.) tiene instaladas en el Sur de la Península Ibérica (Huelva, Málaga y Granada).

      La anisotropía se manifiesta con más claridad, normalmente, como una alineación preferente del movimiento de la partícula de la onda S rápida, observado en un emplazamiento en registros de terremotos de diferente localización y mecanismo focal (Crampin y McGonigle, 1981, Gledhill, 1991). El objetivo que nos hemos propuesto en este trabajo ha sido el análisis de la polarización de las ondas S de los terremotos registrados por las estaciones de tres componentes del I.G.N. con el fin de investigar, y en su caso caracterizar, la anisotropía sísmica cortical en el Sur de la Península Ibérica.

      El trabajo se ha dividido en seis capítulos. Después de este primer capítulo de introducción, el capítulo 2 aborda los fundamentos teóricos de la propagación de ondas elásticas en medios anisótropos. Se estudia con cierto detalle el caso particular de un medio con anisotropía de fisuración (modelo E.D.A. de Crampin). También se analiza cómo la interacción compleja de la onda S con la superficie libre define un rango de ángulos de incidencia (ventana de las ondas de cizalla), dentro del cual es posible extraer información sobre la onda incidente a partir del movimiento observado del suelo (Nuttli, 1961, Evans, 1984).

      En el capítulo 3 se presentan el marco geológico y sismotectónico en el que se sitúan las tres estaciones de registro sísmico consideradas, dando idea de la complejidad e interés que tiene el sur peninsular, como contexto en el que insertar una eventual anisotropía sísmica cortical.

      El capítulo 4 se presentan las estaciones sísmicas de registro que han proporcionado los registros de tres componentes y se discute la calidad de los datos que vamos a emplear en este trabajo. Así mismo, se detalla la metodología que hemos empleado en este trabajo. Se describen los criterios de selección empleados para reunir un conjunto de registros adecuados, a partir del gran volumen disponible para estas estaciones, para un estudio en términos de anisotropía. Esta selección ha consistido en una inspección visual de todos los sismogramas de tres componentes, con el movimiento de la partícula en el polarigrama, y en un método de análisis matricial, basado en la descomposición de la matriz de covarianza, que nos ha permitido detectar y medir la dirección de polarización de la onda S rápida y corroborar las direcciones observadas en la inspección visual.

      En el capítulo 5 se presentan los resultados obtenidos para la dirección de polarización de la onda S y se interpretan y discuten estas direcciones en términos de la anisotropía sísmica en cada estación.

      Por último, en el capítulo 6 se resumen las conclusiones y resultados más importantes obtenidos en este trabajo.

Capítulo 2 : Planteamiento teórico. La anisotropía de fisuración 4

Capítulo 3 : Marco Geológico y Sismotectónico 19

Capítulo 4 : Datos y Metodología 28

Capítulo 5 : Interpretación y discusión de los resultados 57

Capítulo 6 : Conclusiones 69

Referencias 70

ANEXO.

      1.- Las estaciones de banda ancha del Instituto Geográfico Nacional registran una sismicidad local que resulta apta para la realización de un estudio en términos de anisotropía. La razón de muestreo de estas estaciones (125 muestras/ s.) permite una clara representación de la polarización de la onda S incluso para terremotos muy locales.

      2.- Los criterios de selección de los registros adecuados para un estudio en términos de anisotropía han supuesto una drástica reducción del gran número de registros disponibles en cada estación. La metodología ha permitido medir sin ambigüedad la dirección de polarización de la onda S, a partir de una inspección visual de los registros, mediante el empleo del polarigrama, y un método automatizado, basado en la descomposición de la matriz de covarianza, que permite detectar y cuantificar la dirección de polarización de la onda S de los registros seleccionados.

      3.- Se han observado casos de birrefringencia y una dirección clara de alineamiento de la polarización de la onda S en las estaciones ERIP (Huelva) y EQUE (Quentar), lo que constituye un claro indicio de anisotropía en estas estaciones.

      4.- En el caso de la estación EMAL (Málaga) se han observado casos de birrefringencia, pero no una dirección clara de alineamiento de la dirección de polarización de la onda S. En esta estación, al menos de momento, no es posible hablar de anisotropía.

      5.- La anisotropía observada en la estación ERIP (Huelva) es compatible con el modelo E.D.A. de anisotropía de fisuración. La dirección media de polarización de las ondas S es colineal a la dirección del campo de fisuras y a la dirección de los ejes de máxima compresión horizontal deducida para la región.

      6.- Para explicar la anisotropía observada en la estación EQUE (Granada) hay que contemplar más hipótesis sobre el origen de la anisotropía, además del modelo de fisuración, así como más información de carácter geológico y geofísico.