Un nuevo enfoque de los precursores sísmicos
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Ester Tarela Alonso
2013-A
El objetivo principal de esta tesis es poner a prueba el modelo de la interacción frágil-dúctil (FD) de la litosfera. El modelo utiliza la correlación de dos parámetros, la sismicidad, caracterizando la zona frágil y la atenuación, representando la zona dúctil. Supone acoplamiento de estas dos zonas y, por lo tanto, correlación de las series temporales de los parámetros durante el periodo normal de carga tensional. Poco antes de la ocurrencia de un gran sismo, la zona frágil se satura, de forma que no puede mantener el proceso normal de carga a través de la transición frágil-dúctil, produciéndose un desacoplamiento de las partes y por lo tanto rompiendo la correlación que existía entre las series analizadas.
Se realiza primero un análisis de la sismicidad a nivel mundial y regional, en Colombia, Taiwán y la Península Ibérica. Los datos de sismicidad son del Centennial Catalog, para la sismicidad global y catálogos disponibles para la sismicidad regional. La hipótesis FD se ensaya después en tres estaciones de Colombia y en 5 estaciones de Taiwán; para ello se efectúa una selección de casi 48000 sismogramas de las zonas de estudio, de los que se usan de forma efectiva casi 4000 formas de onda para los análisis del factor de calidad Q de coda. El análisis de sismicidad global y regional permite detectar tendencias de evolución espacio-temporal de no fácil explicación y que se atribuyen a manifestaciones externas de procesos dinámicos internos en el manto. El análisis del detalle de la sismicidad en las 8 estaciones estudiadas permite caracterizar la zona frágil. Las formas de onda en cada estación se usan para determinar series temporales de Q de coda durante un periodo aproximado de 14 años. Por una parte, se estudia su variación espacio-temporal y su dependencia con la profundidad, encontrando cambios significativos que correlacionan con las estructuras geotectónicas locales. Por otra se obtienen series temporales específicas que caracterizan la zona dúctil.
El análisis de correlación y de la variación del coeficiente de correlación central ha permitido evaluar el modelo FD. Se propone una técnica nueva que permite construir series temporales de este coeficiente, lo que permite seguir y detectar de forma continuada la correlación/no-correlación de las series de sismicidad y de Q. Ello permite establecer, de forma robusta, los periodos de calma y de actividad predichos en la teoría FD. La aplicación de la técnica a diferentes ambientes geotectónicos ha permitido analizar casos donde se da un excelente cumplimiento de la teoría y otros en los que su validez no es clara. En las primeras se observan valores altos del coeficiente de correlación central, mayores que 0.6, en periodos de calma; este coeficiente decrece de forma drástica poco tiempo antes de la ocurrencia de un gran terremoto. El las segundas, en general, la correlación es permanentemente baja lo que se atribuye a una zona de interacción frágil-dúctil inexistente o poco desarrollada ya que, en general, estas zonas suelen coincidir con estructuras geotectónicas complejas y con la ocurrencia relativamente frecuente de grandes terremotos.
The main goal of this thesis is to test the brittle-ductile (BD) interaction hypothesis of the lithosphere. The model uses the correlation of two parameters, the seismicity characterizing the brittle part and the attenuation representing the ductile part. It assumes the coupling of both parts and therefore the correlation between the time series of the parameters during the normal part of the stress loading cycle. A few years before the occurrence of a major earthquake, the brittle part of the system suffers a stress overload, so it cannot maintain the normal loading processes through the brittle-ductile transition zone, provoking the decoupling of the parts and breaking the previous correlation between the analyzed time series.
First, a worldwide analysis of seismicity is developed, focusing after in three regions, Colombia, Taiwan and the Iberian Peninsula. The seismicity data for the global analysis are obtained from the Centennial Catalog, while local catalogs are used for the regional study. Then, the BD hypothesis is tested in three seismic stations in Colombia and five in Taiwan; for that purpose, a selection of almost 4000 waveforms are effectively used from a total of almost 48000 of the study areas, for the coda Q quality factor analysis. The global and regional seismicity analysis allows the detection of space-time evolution trends with no easy explanation and that are attributed to external manifestations of the Earth’s interior dynamic processes in the mantle. The detailed seismicity analysis in the 8 studied stations characterizes the brittle part. The waveforms in each station are used to determine the time series of coda Q in a time window of around 14 years. First, its space-time variation and depth dependence are studied, finding significant changes that correlate with local geotectonic structures. Besides, specific time series that characterize the ductile part are obtained.
The correlation analysis and the one of the time variation of the central correlation coefficient have allowed evaluating the BD model. A new technique that allows the construction of time series of this coefficient is proposed, in a way that following and detecting the correlation/uncorrelation of the seismicity and Q time series can be done continuously. Therefore, calm and enhanced activity periods can be firmly established in the BD theory. By applying the technique to different geotectonic locations we find cases in which the behavior obeys the theory, whilst for others the validity is unclear. In the former, high values of the central correlation coefficient, above 0.6, are observed during calm periods; this value decreases drastically some time before the occurrence of a major earthquake. In the latter, the correlation is found to be, in most cases, permanently low, what can be attributed to a inexistent or poorly developed BD interaction zone, since, in most cases, these regions are ruled by complex geotectonic structures and a relatively high frequency of major earthquakes.
Desde siempre el hombre ha tratado de controlar, o por lo menos entender los fenómenos naturales, sobre todo los capaces de provocar grandes desastres con la intención de minimizar los daños que conllevan.
Un claro ejemplo es el caso de la meteorología, en el que hemos sido capaces de desa rrollar técnicas de predicción a corto plazo para fenómenos que, en principio, se consideran de naturaleza caótica e impredecible. Poco a poco se va aumentando el tiempo desde que podemos afirmar con cierto margen de error, que se va a producir un fenómeno meteorológico importante y éste tiene lugar. Además conocemos los ciclos anuales de la climatología, traducidos en las estaciones del año, y otros patrones de mayor periodo, como los fenómenos de El Niño o La Niña.
El hecho de que estos dos fenómenos, a pesar de que aparentemente no están relacionados, hayan supuesto un enigma por parecer aleatorios e impredecibles, los hace comparables. Esto es, si existen ciclos climáticos y variaciones del clima a nivel global, por qué no ciclos sísmicos al mismo nivel? De hecho, desde que se conoce la tectónica de placas sabemos que, igual que la atmósfera, el sistema que rige los fenómenos sísmicos es un sistema interconectado en todo el planeta, y la existencia de un manto superior fluido, en el que existen celdas de convección que guían el movimiento de las placas, hace esta hipótesis más que plausible.
En el caso que nos ocupa, el de la sismología, la única previsión fiable y de utilidad es la de la peligrosidad sísmica, que por su carácter probabilista sólo es útil a largo plazo, basándose en periodos de recurrencia de 475 años, es decir, una probabilidad de ocurrencia del 10% en 50 años. De momento, se supone la existencia de ciclos sísmicos y se barajan diferentes teorías a este respecto, aunque se trata solamente de ciclos regionales y de hipótesis no resueltas. Por otro lado, diversos métodos han sido propuestos a lo largo de la historia para prever la actividad sísmica y mitigar así sus efectos, aunque de momento la perspectiva no es muy alentadora.
El interés por la predicción sísmica, por reducir los periodos de retorno con los que se trabaja en la peligrosidad sísmica, la detección de ciclos sísmicos y en definitiva poder predecir con ciertas garantías de éxito la ocurrencia de grandes terremotos ha experimentado un claro resurgir en los últimos años. Con el ánimo de dar un paso más en este sentido, se han abordado en este trabajo varias áreas relacionadas para arrojar un poco de luz a este complejo problema. Un ejemplo de este resurgir es el modelo recientemente propuesto por Aki (2004), la hipótesis de la interacción frágil-dúctil de la litosfera, en el que se ha centrado esta tesis y que, sujeto a ciertas modificaciones, se ha ensayado en zonas de distintas características. Dos variables se ven involucradas en este modelo y por ello se han analizado en profundidad: la sismicidad (caracterizando la parte frágil de la litosfera) y la atenuación (caracterizando la parte dúctil de la listofera).
En primer lugar, con el fin de dotar de un marco histórico y evaluar la situación, se ha realizado un análisis retrospectivo de los estudios relacionados con la predicción sísmica que se han desarrollado hasta la fecha. La documentación es extensa, lo que no es de extrañar debido a los inmensos daños que ha sufrido la humanidad por este tipo de desastres y un instinto de supervivencia y curiosidad innata del ser humano, que ha dado lugar a un gran número de antiguas leyendas, así como a diversos análisis de innumerables precursores de distinta relevancia y fiabilidad. No se resta importancia al impacto y a los efectos sociales que traen consigo las alertas, pues, en ocasiones, una reacción de pánico por parte del público a la posible ocurrencia de grandes amenazas puede ser incluso más perjudicial que el evento en sí. Para ello, se han analizado varios casos, aciertos y fracasos, en predicciones pasadas, comunicadas o no, al gran público. Como decimos, el material disponible es extenso, es un tema de gran interés pero no la meta última de esta tesis, por lo que el análisis se resume en unos pocos ejemplos y una breve discusión de cómo y cuándo han de generarse alertas públicas.
El fin de este trabajo es, como se comenta, arrojar algo de luz y aportar nuestro granito de arena a un problema que en los últimos años, podemos afirmar que se ha convertido en una obligación social de la sismología. Así pues, una vez se ha situado el estudio en su contexto histórico y se ha definido la situación actual, se ha realizado un análisis de la sismicidad y su distribución espacio-temporal a distintos niveles. Ciertos patrones o ciclos se han detectado a nivel regional y local en trabajos previos, pero, dado que la tectónica de placas que rige el fenómeno sísmico es un sistema global, es intuitivo pensar que estos patrones deberían darse a nivel mundial, regional y local. Para ello y con las limitaciones inherentes a los datos disponibles, se analiza la distribución de la actividad y su evolución para la Tierra como un todo. Los resultados, aunque aún difusos creemos que son esperanzadores. No se han detectado patrones claros, pero sí surgen ciertas tendencias destacables. Estas tendencias se hacen más evidentes a nivel regional, al estudiar tres áreas de distintas características: Colombia, Taiwán y la Península Ibérica. Limitando aún más las áreas de estudio, seleccionando puntos de interés en estas regiones, se lleva el estudio a un nivel local. Se generan series temporales de sismicidad que caracterizan la zona frágil en el marco de la hipótesis de la interacción frágil-dúctil de la litosfera y se evalúa la existencia de una magnitud característica local.
Se ha analizado además, en estas regiones de interés, la atenuación, a través del valor de la Q de coda y de su variación temporal. Este parámetro da cuenta de las características de la zona y los efectos de sitio sobre las ondas y su forma al llegar a la superficie. Se ha estudiado su variación espacial y su dependencia con la profundidad, confirmando su correlación con la geotectónica local en concordancia con trabajos previos. La variación temporal de la atenuación es un tema más controvertido. Rechazado por unos y aceptado por otros, supone un tema que aún carece del consenso general de la comunidad científica. Se han obtenido series temporales de atenuación que muestran evidencias de variabilidad temporal, que muchas veces aparece relacionada con alteraciones en la actividad sísmica. Las series obtenidas conforman la caracterización de la zona dúctil en el marco de la hipótesis de la interacción frágil-dúctil.
Combinando estos parámetros se ha puesto a prueba el llamado creep model o la hipótesis de la interacción frágil-dúctil de la litosfera propuesto recientemente por Aki (2004). La hipótesis, que se describe con detalle en esta tesis, supone un sistema formado por una parte frágil en la que la acumulación de deformaciones y roturas se produce por la variación de tensiones en la parte dúctil. No es posible tener medidas directas del nivel de tensiones en la litosfera. El núcleo del modelo de fluencia o deformación lenta (creep model) resuelve esta imposibilidad con la hipótesis de que el comportamiento de la parte dúctil se puede caracterizar mediante la atenuación de las ondas de coda, mientras que el comportamiento de la parte frágil se caracteriza mediante el porcentaje de terremotos de magnitud característica que tienen lugar. Además, este modelo propone que, en un estado normal de carga, las tensiones en ambas partes evolucionan de forma similar y por lo tanto las series de atenuación y sismicidad muestran una correlación simultánea, alta y positiva. Cuando se alcanza un estado crítico en la parte frágil, estado que suele preceder a un gran terremoto, ésta no puede seguir la acumulación de tensiones que ocurre a través de la transición dúctil-frágil ya que las propiedades mecánicas del sistema han cambiado. En este punto, la acumulación de tensiones en las dos partes no tiene lugar de forma simultánea rompiéndose la correlación de las series temporales poco tiempo, normalmente uno o dos años, antes de que tenga lugar un gran evento. Esta hipótesis se ha puesto a prueba en estaciones de las redes sísmicas de Colombia y de Taiwán. Más concretamente, se han estudiado ocho estaciones, tres de ellas en Colombia y cinco en Taiwán. Se ha formulado y aplicado una técnica nueva que permite no sólo analizar valores puntuales de la correlación sino que, además, permite seguir su evolución temporal. Se ha demostrado que la técnica es robusta y fiable y muestra una gran sensibilidad a las variaciones de la correlación cruzada entre las series temporales de atenuación y de sismicidad. A continuación se presenta un breve resumen de los principales resultados y de las conclusiones más relevantes obtenidas a lo largo de esta tesis. Para ello se procede analizando los aspectos más relevantes de los diferentes capítulos en los que se ha estructurado esta memoria, excluyendo los metodológicos; es decir: a) aspectos generales sobre la predicción sísmica, b) estudio de la sismicidad, c) atenuación de coda y d) análisis de correlación predictiva.
La predicción sísmica: mito del pasado o reto del futuro
Como punto de partida, se han presentado algunos de los métodos que han sido usados a lo largo de la historia para predecir grandes terremotos y varios ejemplos del resultado de su aplicación, tanto en casos de acierto como de fallo. En principio, y como muchos defienden, la falta de éxitos puede mostrar un escenario ciertamente desalentador. Pero, varios factores mitigan este desánimo provocando un renovado interés por el tema de la predicción sísmica en buena parte de la comunidad científica. La evolución de la solidez de las propuestas, exponencial desde aquellas antiguas leyendas hasta multitud de precursores con sólidas bases científicas, es innegable y apunta a un futuro prometedor.
Además, hay que considerar la relativa juventud de la tectónica de placas, que se acepta hace solo unos 50 años, poco a poco se tiene un mayor conocimiento del proceso de ruptura y de la sismogénesis, que da lugar a un mejor entendimiento del funcionamiento de los sistemas de fallas activos. Si bien es cierto que la naturaleza caótica de la deformación y rotura frágil puede dificultar la tarea, los avances en el conocimiento del proceso son cada vez mayores y más rápidos despertando el optimismo. Los modelos que describen los efectos de las tensiones sísmicas y la interacción estática y dinámica entre las fallas mejoran día a día ajustándose cada vez más a la física del fenómeno.
Por otro lado, los avances tecnológicos permiten una significativa mejora en la cantidad, calidad y disponibilidad de los datos geodésicos y sismológicos, así como el aumento en la capacidad de computación. Así, los catálogos sísmicos incorporan cada vez más información y más detallada a partir de redes de alta tecnología cada vez más densas y sensibles. Se detectan nuevos tipos de señales que dan lugar a mejoras en los modelos existentes y que podrían llegar a usarse como precursores de grandes sismos. Gracias a estas mejoras y al aporte de más y mejores datos, se avanza en el estudio de precursores ya propuestos, mejorando la comprensión de sus causas así como del fundamento físico que los relaciona con el fenómeno sísmico como, por ejemplo, los últimos avances en la detección de pulsos magnéticos, cambios en la conductividad del aire y señales de infrarrojo.
Motivos no faltan para ser optimistas en cuanto a la posibilidad de alcanzar una predicción sísmica fiable en el futuro. Las evidencias experimentales y teóricas apuntan a que, al menos en ciertos casos, algunos grandes terremotos podrán predecirse con altos niveles de probabilidad a corto y a medio plazo. Por todo ello y a pesar de que, hoy por hoy, la mejor forma de mitigar los efectos causados por este tipo de catástrofes sigue siendo la reducción de la vulnerabilidad sísmica, no debemos cejar en el empeño, pues con cada precursor descartado, con cada fallo en la predicción, con cada modelo que no resulte efectivo, estamos más cerca de una meta que recompensará con creces todos los esfuerzos dedicados y frustraciones sufridas.
Análisis de la sismicidad
Trabajos previos evidencian la existencia de ciclos de actividad a nivel regional y local. Sistemas de fallas que presentan picos de actividad de recurrencia periódica y grandes roturas a lo largo de las que se desplazan los máximos de sismicidad por acumulación de tensiones. Pero, desde que se presenta la tectónica de placas como un sistema interconectado en todo el planeta en los 60, parece razonable que ciclos y patrones tengan lugar también a nivel global. La presunción de existencia de ciclos sísmicos a nivel global y regional no parece infundada, ya que otros estudios muestran tendencias cíclicas para diversos parámetros como la duración del día, la componente Chandler de la rotación terrestre o la gravedad entre otros (Chapanov et al., 2005). Además el ciclo de carga y descarga de tensiones en la litosfera terrestre daría lugar a ciclos sísmicos a nivel regional que podrían superponerse a los anteriores. Dado que los catálogos con los que trabajamos son fiables para las últimas décadas, somos conscientes de que establecer estos ciclos es, a día de hoy, como poco, improbable. Aun así, se ha usado el Centennial Catalog, para escudriñar la distribución espacio-temporal de la actividad sísmica para todo el globo. Después, reduciendo el tamaño de las ventanas espacial y temporal se ha realizado un análisis similar a nivel regional en tres áreas: Colombia, Taiwán y la Península Ibérica. Finalmente, la sismicidad local en el entorno de una estación sísmica se ha usado para caracterizar el comportamiento de la zona frágil dentro del marco de la hipótesis de la interacción frágil-dúctil de la litosfera (Aki, 2004)
En primer lugar, cabe destacar, la importancia del estudio previo al análisis tanto de los datos como de la región. Se le presta especial atención a la calidad y completitud de los catálogos sísmicos, poniendo a prueba la fiabilidad de varios procedimientos para calcular la magnitud mínima para la cual cada catálogo es completo. Además, se proponen dos métodos de regionalización, de forma que las mallas estén compuestas por celdas de igual área y sin solapes que formen un recubrimiento de la región de estudio, sea cual sea su tamaño. Se han diseñado e implementado dos técnicas específicamente para esta tesis. En los casos de estudios a nivel regional, una descripción detallada de la geotectónica de la zona ayuda a contextualizar el análisis de la actividad sísmica y su evolución. Finalmente, a través de figuras de distribución espacial de la sismicidad y, en algún caso, del valor del parámetro b de la relación frecuencia-magnitud de Gutenberg-Richter, se ha intentado identificar patrones espaciotemporales en la actividad sísmica a nivel global y regional.
A nivel global, para tener la certeza de que el catálogo es completo y no caer en errores por la falta de calidad en los datos, el estudio del Centennial Catalog se ve limitado a magnitudes superiores a 5.5. Las zonas de sismicidad entre moderada y baja quedan mal representadas en este catálogo debido a que presentan un escaso número de grandes eventos, con lo que únicamente parecen observarse patrones de variación espacio-temporal en regiones con una actividad muy elevada. El cinturón de Fuego, bordeando el océano Pacífico, es la zona donde se intuyen mejor este tipo de patrones. En efecto, a lo largo del cinturón se aprecia un desplazamiento anti-horario de los picos de actividad presente durante todo el periodo de análisis (1964-2002), destacando aún más en la costa asiática. Esta tendencia persiste en casi toda la costa del Pacífico, salvo en la costa americana, en la que la actividad se ve dominada por brotes y picos aparentemente aleatorios. En el resto de zonas, las limitaciones de magnitud dificultan en gran medida el análisis. Puntos calientes, la dorsal atlántica, la actividad entre las placas de Eurasia y la africana y Eurasia y la placa de la India son otras zonas que destacan en estos mapas de evolución. Al observar los patrones encontrados con más perspectiva, buscando tendencias más globales, encajan en su mayor parte con un patrón de giro de la actividad sísmica de este a oeste en el hemisferio norte. En el hemisferio sur, la actividad es menor y se complica la visualización aunque, de forma más leve se aprecia la tendencia opuesta, es decir, de oeste a este, ambas compatibles con el sentido anti-horario.
Reduciendo el tamaño de la región a analizar y recurriendo a agencias locales es posible incluir terremotos menores en el estudio. Considerando magnitudes mínimas de 2.5 (Taiwán), 3 (Colombia) y 3.5 (Península Ibérica), se aprecian tendencias en todos los casos que, aun sin una gran precisión, suponen un comienzo para este tipo de análisis. Como antes, además de destacar los principales sistemas de fallas y algunos brotes coherentes con la geotectónica regional, patrones regionales con periodos de en torno a 4 años aparecen en las tres regiones, con mayor o menor fuerza según el nivel de actividad y la ventana de magnitud útil. Coincidiendo con las observaciones realizadas a nivel mundial, se repite una tendencia migratoria este-oeste en las tres regiones, sitas en el hemisferio norte, acentuándose en la península Ibérica, la más septentrional. En Taiwán y Colombia esta tendencia se ve suavizada adoptando una forma diagonal, noreste-suroeste en ambos casos. En las tres regiones se analizan con detalle las tendencias de la actividad dentro de estos patrones generales.
Como se ha puesto de manifiesto, las carencias en los datos y por lo tanto la falta de catálogos completos que cubran grandes ventanas de tiempo y magnitud supone una dificultad añadida hoy en día a la hora de localizar patrones a gran escala. Aun así, las observaciones puestas de manifiesto en esta tesis son compatibles con la existencia de ciclos sísmicos a nivel global y regional. Ya es posible apreciar ciertas tendencias que con seguridad se reafirmarán en un futuro, cuando se disponga de datos de la precisión requerida. Las tendencias mostradas a nivel cualitativo suponen una base para desarrollar futuros análisis de la evolución espacio-temporal de la actividad sísmica.
Finalmente, como primer paso para el estudio de la hipótesis de la interacción frágil-dúctil, se han construido las series temporales de evolución del número relativo de terremotos usando diferentes magnitudes características para tres estaciones en Colombia y cinco estaciones de Taiwán. Es decir se han construido las series temporales de la evolución del porcentaje de eventos de franjas de media unidad de magnitud. De esta forma ha sido posible observar la variación de la sismicidad usando diferentes magnitudes de referencia y establecer, para cada estación, la correspondiente magnitud característica, que ha resultado ser ML=4. Así, La correspondiente serie temporal se ha utilizado para caracterizar el comportamiento de la zona frágil dentro del marco de la hipótesis de la interacción frágil-dúctil de la litosfera.
Análisis de la atenuación
La influencia del medio de propagación y los efectos de sitio sobe las ondas y su forma al llegar a la superficie se analiza a través de la atenuación de las ondas de coda. A su vez, en el marco de la hipótesis de la interacción frágil-dúctil, se supone que este parámetro describe el estado de las tensiones en la parte dúctil de la litosfera. El valor de la a una frecuencia de 1 Hz, mediante el cual se estudia la atenuación, depende en gran medida de la geotectónica local, las heterogeneidades laterales y el número de dispersores presentes en los que sufren dispersiones las ondas sísmicas que llegan al receptor.
La variación espacial y temporal de se ha analizado en las ocho estaciones citadas más arriba. Para ello se ha recopilado una extensa base de datos de formas de onda correspondientes al periodo 1993-2007 para las tres estaciones de Colombia y 1994-2008 para las cinco estaciones de Taiwán. En Colombia se preseleccionaros más de 24000 formas de onda y en Taiwán más de 30000, que correspondían a las zonas y al periodo de estudio. Tras los análisis de calidad y procesado de datos, en los que también se rechazaban registros que no cumplían estrictas condiciones de control se han usado 5702 formas de onda, 1916 en Colombia y 3786 en Taiwán. Las estaciones con menos y con más registros son respectivamente TWS1 con 258 formas de onda TWE con 1184, ambas en Taiwán. En promedio se han usado más de 700 formas de onda por estación.
Se ha usado el método de dispersión isótropa simple de Sato (1977) para calcular los valores de , generalización del más ampliamente utilizado modelo de retrodispersión simple (Aki y Chouet, 1975), ya que este último permite el uso de un lapso de tiempo mayor, maximizando el número de sismogramas que satisfacen los requisitos de calidad.
En general, los valores obtenidos de para la en todos los casos muestran un excelente acuerdo con resultados de trabajos anteriores y una buena correlación con la geotectónica local.
En el análisis realizado para las tres estaciones colombianas, se observa una clara dependencia de los valores medios de las series temporales de atenuación con la profundidad. El valor de la atenuación aumenta al disminuir la profundidad, aunque se mantiene la forma de las series, indicando una variabilidad muy similar. Esta similaridad se confirma y cuantifica mediante la correlación cruzada de pares de series. Una excepción esperable se produce en el caso de Barichara. Para la serie correspondiente a la profundidad máxima (150 km), coincidiendo con el nido sísmico de Bucaramanga la atenuación aumenta. Este incremento en los valores de atenuación se atribuye a un mayor nivel de heterogeneidad lateral y a las características del nido. Además, la forma de la correspondiente serie temporal también es muy diferente, y no está correlacionada con las series obtenidas para otras profundidades.
El caso de Taiwán no permite un análisis tan detallado de la dependencia de las series temporales con la profundidad, aunque las cinco estaciones cubriendo homogéneamente la mitad norte de la isla sí que permiten un análisis de los valores de la atenuación y de la forma de las series temporales en función de la tectónica y la sismicidad locales. Se diferencian dos grupos en función de su localización en función de la geotectónica local, TCU, NST y TWS1 en la costa oeste, con menores tasas de actividad sísmica y TWE y TWB1, en la costa este, sobre el sistema de subducción de Ryukyu, con una elevada sismicidad y alta tasa de heterogeneidad lateral debido a este sistema de subducción. Los valores máximos de atenuación se dan en la costa este, lo que se atribuye a que bajo esta zona domina la subducción y la presencia de grandes heterogeneidades laterales con unas mayores tasas de actividad sísmica, mientras que en la costa oeste domina la actividad cortical siendo una zona de menor sismicidad. A pesar de que, como decimos, no es posible reducir tanto los límites de profundidad sí se ha estudiado una pequeña reducción en los valores de atenuación de 150 a 100 km. Con todo, las diferencias en los valores medios no son significativas aunque se detectan dos comportamientos diferenciados. En las estaciones localizadas en la costa oeste, y por lo tanto más alejadas del sistema de subducción, se tienen series de variabilidad temporal similar, que muestran altos valores de correlación cruzada, mientras que en el grupo de estaciones de la costa este las series para distintas profundidades muestran menores valores en la correlación cruzada. La diferencia en la variabilidad temporal no es tan significativa como en el caso del nido sísmico de Bucaramanga en Colombia, lo que se atribuye a que no se trata de un cambio repentino en la geotectónica con la profundidad, si no que la subducción provoca una variación gradual en el nivel de heterogeneidad lateral al variar la profundidad.
Todas estas series representan la caracterización de la zona dúctil en el marco de la hipótesis de la interacción frágil dúctil de la litosfera.
Interacción frágil-dúctil de la litosfera
La hipótesis de la interacción frágil-dúctil de la litosfera fue propuesta originalmente por Jin y Aki (1989, 1993). Esta hipótesis propone un modelo de interacción entre las partes frágil y dúctil de la litosfera para explicar la significativa correlación positiva que se observa entre los cambios temporales de la atenuación de coda y la frecuencia de terremotos que ocurren dentro de un determinado rango de magnitudes. Observaciones detalladas de estas series en el sur y el centro de California aportan evidencias sismológicas que apoyan esta hipótesis. Aki (2004) encontró que una perturbación en esta correlación ocurría pocos años antes de que tuvieran lugar los eventos del condado de Kern (1952) y el de Loma Prieta (1989). Jin et al. (2004) obtienen lo mismo para los casos de Landers (1992) y Hector Mine (1999), todos ellos eventos de magnitud superior a 7 en California central y del sur.
En esta tesis se han introducido algunos cambios en la metodología para probar esta misma hipótesis, con el fin de refinar los resultados y aumentar su resolución. En primer lugar, se utiliza el modelo de dispersión isotrópica de Sato (1977) en lugar del modelo de retrodispersión simple (Aki y Chouet, 1975) utilizado en trabajos previos, lo que aumenta el lapso de tiempo útil para el cálculo de la atenuación que puede, de esta forma, comenzar en el inicio de la coda ya a partir del tiempo de llegada de la onda S. Así, es posible considerar formas de onda más cortas que en otro caso, en el que al requerir iniciar el análisis a partir de dos veces el tiempo de viaje de las ondas S, quedarían descartadas. Por otra parte, la calidad de los datos necesarios para este tipo de análisis, que requiere datos de gran precisión sobre sismicidad y un número importante de formas de onda, ha obligado a limitar el estudio a una ventana temporal de 15 años, que es el periodo para el que se dispone de datos en las 8 estaciones donde se ha aplicado el método
Se han determinado los principales parámetros involucrados en la construcción de las series temporales, como el intervalo y el tipo de interpolación aplicada a las series o el tamaño de las ventanas temporales. Finalmente se ha propuesto un procedimiento que requiere cálculos relativamente sencillos y que permite el análisis sistemático y la visualización, no solo de la correlación cruzada entre estas series temporales sino también observar la evolución a lo largo del periodo estudiado optimizando, de esta forma, la detección de pérdidas de correlación que pueden estar relacionados, en determinados casos, con la ocurrencia de un gran terremoto en el área.
En el caso de Colombia, se distinguen dos comportamientos marcadamente diferentes. Por un lado, las estaciones de Tolima y Prado, con actividad predominantemente cortical y por otro Barichara, localizada sobre el nido sísmico de Bucaramanga y por lo tanto caracterizada por una actividad muy profunda y elevada durante todo el periodo. En las dos primeras se encuentra una relación significativa entre los mínimos de correlación y la ocurrencia de grandes eventos y se aprecia el efecto que la magnitud y la distancia del evento a la estación tienen sobre el parámetro. En los periodos de calma las dos series temporales, la de sismicidad y la de atenuación, recobran la correlación, indicando el restablecimiento de un periodo normal de carga. En el caso de Bucaramanga, la gran cantidad de terremotos que tienen lugar en el nido sísmico, justo bajo la estación, no permite identificar un patrón que caracterice el periodo normal de carga. Se obtienen correlaciones muy bajas; los valores de la correlación máxima se mantienen entre -0.05 y 0.29. Este hecho, en el marco de la hipótesis de la interacción frágil-dúctil, se atribuye a la inexistencia de periodos de acoplamiento entre las zonas dúctil y frágil, indicando persistencia en una peligrosidad alta de ocurrencia de grandes terremotos en la zona. Con todo, puede también atribuirse a la ausencia de zona de interacción frágil-dúctil, por lo que no regiría esta hipótesis.
En el caso de Taiwán, la hipótesis se ha analizado en 5 estaciones. Los resultados no son tan claros como en el caso de Colombia; lo que se atribuye a la complejidad geotectónica de la isla con importantes zonas de subducción. Posiblemente las zonas de interacción dúctil-frágil en esta región estén poco desarrolladas, incluso puede que no se den en zonas de subducción, lo que inhabilitaría estas regiones para la aplicación de la teoría de la interacción frágil-dúctil. Teniendo en mente esta premisa, no se han observado correlaciones claras entre las series temporales de sismicidad y atenuación. En las estaciones localizadas en la costa oeste, NST, TCU y TWS1, relativamente alejadas de la zona de subducción de Ryukyu, que presenta una sismicidad alta y una importante complejidad geotectónica, ya se tienen serias dificultades en la construcción de las series temporales de sismicidad y atenuación, que resultan altamente heterogéneas con densidad de información muy dispar, lo que las hace difíciles de comparar y dificulta el análisis de correlación. Algunas de estas variaciones de alta frecuencia se han atribuido a la presencia de tendencias y/o patrones evolutivos locales. Por otro lado, las estaciones de la costa este, TWE y TWB1, están situadas justo sobre el sistema de subducción de Ryukyu y la actividad sísmica es muy alta. En estas estaciones, la ocurrencia de sismos de gran magnitud afecta a todo el periodo de análisis y las series temporales de atenuación y sismicidad están mal correlacionadas. Así pues, por una parte, la hipótesis de la interacción frágil-dúctil requiere que las zonas en las que tiene lugar esta interacción entre los procesos de carga/descarga esté bien desarrollada, y por otra, las hipótesis involucradas en la determinación de la atenuación de coda suponen una distribución de dispersores homogénea y dispersión isótropa, condiciones que no se cumplen en zonas caracterizadas por una importante heterogeneidad lateral. Todo ello hace que sea esperable que esta hipótesis, tal y como se ha ensayado en trabajos previos y en esta tesis, presente un mal funcionamiento en este tipo de regiones.
Con todo, una de las conclusiones más relevantes de esta tesis es la validez de la hipótesis de la interacción frágil-dúctil. Los casos de la revisión de las series temporales de Jin et al. (2004) y, globalmente, el estudio de las estaciones colombianas, creemos establecen, sin lugar a dudas, la existencia de una correlación entre las evoluciones temporales de la sismicidad y la atenuación que se rompe antes de la ocurrencia de un gran terremoto. Así pues, la aplicación metódica y sistemática de esta técnica a estaciones sísmicas situadas en zonas cuyas características geológicas y geotectónicas cumplan las hipótesis inherentes a los modelos de dispersión simple de la coda y las propias a la hipótesis de la interacción frágil-dúctil, tiene un poder predictivo que vale la pena no ignorar. Los resultados obtenidos en el marco de esta hipótesis y las observaciones realizadas hasta la fecha aportan evidencias suficientes, más allá de coincidencias por azar. Mejoras en los modelos de atenuación, en los cálculos del factor de calidad de la coda, o separando la atenuación intrínseca y dispersiva, deben enriquecer la construcción y el análisis de las series temporales de atenuación. Mejoras en los modelos de sismicidad han de ayudar también en la definición de las magnitudes características de cada zona y en la construcción de las series de sismicidad. Es decir, somos conscientes de que, aunque nos hallamos ante una potente herramienta que permite monitorizar dos parámetros fundamentales relacionados con la actividad sísmica ‘normal’ y con la ocurrencia de grandes terremotos, ésta se halla aún en una fase embrionaria. Será necesario mucho más trabajo para desarrollar, consolidar y establecer condiciones y procedimientos para la aplicación y uso generalizado de esta prometedora técnica. Se apuntan a continuación algunas líneas de investigación futura orientadas a este fin.
Líneas de trabajo e investigación futuras
A lo largo de esta memoria ya han ido surgiendo propuestas para futuros estudios y trabajos que permitan soslayar o disminuir las tasas de subjetividad en la determinación de los parámetros involucrados en los modelos de atenuación y sismicidad y mejorar los modelos que subyacen en el cálculo y análisis de los mismos. En esta sección se sintetizan las principales sugerencias y se organizan de acuerdo a los principales capítulos que hacen referencia al análisis de sismicidad, atenuación y a la correlación entre las series temporales.
Análisis de sismicidad
La búsqueda de tendencias y patrones espacio-temporales evolutivos de la sismicidad de la Tierra a nivel global, se ha basado en el Centennial Catalog, cuya magnitud de completitud está establecida en MW=5.5. Esta magnitud ha demostrado ser claramente insuficiente para establecer (o descartar) patrones evolutivos concluyentes aunque se intuye una evolución espacio temporal posiblemente compatible con corrientes de los materiales fluidos o elastoplásticos del Manto, que serían comparables a los observados en la atmósfera del planeta. Para dar consistencia científica a esta intuición se necesitan sin duda datos de sismicidad con magnitudes de completitud más pequeñas, digamos del orden de entre 3 y 3.5. Probablemente puede ayudar también en esta tarea el uso de la correlación cruzada aplicada a series temporales de sismicidad en pares de celdas, ya que las tendencias migratorias o patrones de evolución espacio-temporal darían lugar a máximos de correlación para corrimiento temporal no nulo, representativo del tiempo de desplazamiento de la perturbación causante de la actividad sísmica entre los puntos del análisis. Con ello quizás sería posible modelar y cuantificar estas tendencias que sólo hemos podido intuir a partir de imágenes que no permiten, de momento, ir más allá de una interpretación cualitativa.
Por otra parte, se necesitarían también datos e información sobre estos hipotéticos movimientos de grandes masas en el Manto que permitieran correlacionarlos con la ocurrencia de terremotos en la superficie del planeta. Parece obvio que si se dispusiera de sistemas de observación capaces de proporcionar datos e información sobre los principales parámetros físicos del Manto, como por ejemplo presión, temperatura y velocidad, a diferentes profundidades, sería posible elaborar previsiones del “tiempo” en el Manto, de forma análoga a como se procede con las previsiones meteorológicas. En resumen, se trata de aumentar la resolución de la información de la sismicidad a nivel global y de mejorar el conocimiento del Manto de la Tierra.
A nivel regional y local se dispone de catálogos de mayor rango de magnitudes de completitud. Su análisis ha permitido también intuir patrones evolutivos espacio-temporales. Sin embargo, se echa en falta un modelo de evolución espacio-temporal global que permita establecer y separar las tendencias regionales/locales de las globales. También es necesario establecer la influencia de la presencia o ausencia de los premonitores y réplicas de los grandes terremotos es decir, establecer técnicas y procedimientos de depuración de catálogos adecuados a cada objetivo estudio. La monitorización de otros parámetros geofísicos medibles ha de ayudar a establecer correlaciones que permitan corroborar y cuantificar los patrones evolutivos temporales de todos ellos.
Para todo ello puede ser de interés prospectar el uso de las técnicas y métodos usados en la predicción meteorológica y climática del planeta a nivel global, regional y local para la investigación de patrones evolutivos de la sismicidad. Es evidente que en este caso se hace indispensable monitorizar no solo los datos de sismicidad con una muy alta resolución sino también esforzarse en monitorizar otros parámetros que permitan establecer la dinámica del interior de la Tierra en general, y del manto superior en particular.
Análisis de atenuación
Algunos de los aspectos apuntados en el apartado anterior dedicado al análisis de la sismicidad son aplicables en este punto. Contrariamente a la sismicidad, no se dispone de datos continuados de atenuación. Sería bueno promover que los servicios geológicos y las estaciones sísmicas procedieran al cálculo sistemático de determinados parámetros entre los cuales por la sencillez y rapidez de cálculo podrían incluirse el factor de calidad de Q de coda y su dependencia con la frecuencia. El establecimiento de mapas globales, regionales y locales de estos parámetros constituiría un paso importante que abriría nuevas líneas de investigación. Los procedimientos puestos a punto en esta tesis pueden servir de protocolo inicial para definir las zonas de muestreo más convenientes y los rangos de distancia efectiva a utilizar. Sin duda, una mayor densificación de las estaciones sismográficas redundaría en beneficio de la calidad y cantidad de observaciones tanto de sismicidad como de atenuación. Contrariamente a la determinación de hipocentros, no es posible medir la atenuación sísmica a distancia; el establecimiento de redes submarinas en zonas consideradas de especial interés, ayudaría a mejorar la información sobre la evolución espacio temporal de la atenuación a nivel global.
En esta tesis se ha estudiado la evolución de la atenuación a nivel local, entendido como el entorno de estaciones específicas definido por una distancia efectiva y distintas profundidades de muestreo. Para ello se han usado técnicas clásicas basadas en una distribución aleatoria pero homogénea de dispersores y suponiendo dispersión simple e isótropa. El uso de modelos más sofisticados basados en dispersión múltiple u otros métodos que permitan separar las contribuciones intrínseca y dispersiva a la atenuación sísmica total, prometen ampliar el conocimiento y, muy probablemente, mejorar y restringir las condiciones de aplicabilidad de la hipótesis de la interacción frágil-dúctil aplicada a predicción. Para ello, habría que adaptar la selección de los datos cubriendo los rangos de distancias y tiempos que permitan usar los algoritmos necesarios para la separación de los factores de calidad intrínseco y dispersivo.
Otro aspecto relevante es la homogeneidad lateral. Existen algoritmos relativamente recientes (p.e. Carcolé et al., 2006 y Carcolé y Sato, 2010) que permiten localizar y cuantificar la distribución de dispersores responsables de la coda. La aplicación de estas técnicas ayudaría a cuantificar el nivel de heterogeneidad lateral de las zonas muestreadas por la coda.
Análisis de correlación
Los análisis de correlación son cruciales en la hipótesis de la interacción frágil-dúctil. La construcción de las series temporales es un tema extremadamente delicado. Las series de sismicidad y de atenuación se ven seriamente afectadas por los niveles de actividad sísmica de la zona. La forma en que éstas series se han construido se ha tomado de la literatura pero se intuye que el proceso de construcción es mejorable. Una alternativa es tomar intervalos de tiempo predefinidos y efectuar las medidas dentro de estos intervalos asignando la medida al punto medio del intervalo de medida. Para las cinco estaciones usadas en este estudio, se intuye que un intervalo de tres meses es suficiente y satisfactorio. De esta forma las series temporales de sismicidad y de atenuación se convertirían en series homogéneas. El uso de intervalos de tiempo más extensos (digamos de 6 o más meses) con solapes adecuados puede ser una forma de ampliar el número de puntos, evitando los ceros o valores singulares y conservando la homogeneidad de las series.
Otro aspecto importante es el análisis de errores. Este análisis es también crucial para establecer la significancia estadística de las variaciones temporales observadas y los intervalos de fiabilidad de los resultados obtenidos. Los trabajos en los que se ha basado la metodología usada en este trabajo, no tienen en cuenta esta cuestión. Una forma de introducir este análisis en las series de sismicidad es, por una parte incorporar los parámetros de dispersión de las medidas del tiempo asignado a cada punto de la serie y, por otra parte, tener en cuenta de alguna forma las ponderaciones por los números totales de sismos usados en la elaboración de los porcentajes. También se puede aumentar la densidad de puntos usando solapes de las ventanas de tiempo constante y usar promedios de, al menos, tres valores consecutivos. Esta forma de proceder daría información también sobre la estabilidad o inestabilidad de las variaciones temporales observadas, y en cierto modo supone un suavizado o filtrado de la serie temporal que, como hemos visto en esta tesis, parece mejorar el análisis de correlación. En las series temporales de atenuación también se pueden incorporar las incertidumbres tanto en los tiempos como en los valores del factor de calidad. En los tiempos incorporando las desviaciones típicas de los valores medios o medianos considerados, en los valores del inverso del factor de calidad incorporando los errores en las determinaciones de los valores individuales de . Sin duda este análisis de errores, así como un análisis de sensibilidad de otros parámetros involucrados como, por ejemplo, la magnitud característica y la distancia efectiva, han de contribuir a dotar a la hipótesis de una mayor robustez, valor y aceptación por la comunidad científica internacional.
También es bueno extender al máximo el periodo cubierto por el análisis. El análisis de correlación global se beneficiaría de la mayor longitud de las series temporales. Extender el periodo hacia atrás en el tiempo se hace difícil o inabordable dada la ausencia de datos instrumentales de formas de onda y a las carencias de calidad de los catálogos de sismicidad histórica. Sin embargo hacia el futuro es conveniente velar por la cantidad y calidad de datos tanto de sismicidad como de atenuación. Es teste sentido sería deseable que los catálogos sísmicos pudieran ser depurados por los mismos observatorios o instituciones responsables de los mismos, casi en tiempo real, para lo cual se haría necesario establecer criterios homogéneos y estandarizados de depurado de catálogos. Análogamente, como ya se ha apuntado más arriba, un depurado de formas de onda de calidad casi en tiempo real puede también ser de enorme ayuda, en particular en este tipo de estudios. En este sentido, ya se han adquirido nuevos datos de las tres estaciones de Colombia para expandir los análisis de las series temporales hasta el año 2011 (incluido) lo que va a permitir extender las series temporales de atenuación entre los años 2007 y 2011. La extensión de las series de sismicidad es más sencilla, a partir de los catálogos disponibles.
En este estudio, de forma coherente con los trabajos previos, se ha analizado el inverso del factor de calidad de ondas de coda a una frecuencia de un HZ. Con todo, el hecho de postular una magnitud característica de zona, que parece depender del tamaño medio de los dispersores o fallas de la zona, nos indica que muy probablemente exista también una frecuencia característica. Se propone como línea de desarrollo futuro incorporar este análisis frecuencial a las series temporales del inverso del factor de calidad de las ondas de coda. Lo que se espera hallar es un aumento de la correlación cuando se sintonice la frecuencia típica del análisis con la magnitud característica de la zona. Tampoco se descarta que aparezcan buenas correlaciones para diferentes magnitudes características y diferentes frecuencias.
Finalmente, hemos observado cómo, en general, las series temporales de atenuación tienen componentes de más alta frecuencia que las de sismicidad. En zonas de subducción este fenómeno parece invertirse siendo más rápidas las variaciones temporales de sismicidad con respecto a las de atenuación. De alguna forma hemos intuido que el suavizado de estas variaciones rápidas de atenuación y de sismicidad, mejoran el análisis de correlación. En este sentido se apunta como línea de trabajo futuro, incorporar análisis en el dominio de la frecuencia y, eventualmente, aplicar a estas series temporales técnicas de análisis y tratamiento de señales, como por ejemplo el filtrado de altas frecuencias. Creemos que este tipo de tratamiento de series temporales puede ayudar a separar las tendencias de variación temporal debidas a fenómenos o procesos regionales o locales de las tendencias correspondientes a fenómenos globales.
Reflexión final
Finalizamos esta tesis con una reflexión. El motor responsable de la sismicidad son los procesos tectónicos del Manto y de la corteza. Se conoce bien que el manto tiene una naturaleza sólida, dado que transmite bien ondas de cizalla, pero sus materiales tienen propiedades viscoplásticas. Así, también está bien establecido que el manto alberga corrientes internas regidas por la conducción y convección térmicas de la energía generada en el núcleo responsable del calentamiento del interior de la Tierra hasta la corteza y superficie responsables de su enfriamiento. Todo ello se manifiesta en la continua deformación de la superficie de la Tierra responsable de la tectónica de placas. Sin embargo, la cuantificación de la naturaleza de las fuerzas que impulsan los movimientos de las placas, no están bien definida.
La autora de esta tesis no es especialista en el Manto ni en geodinámica del interior de la Tierra pero, a partir de la observación de la variación espacio-temporal de la sismicidad mundial recogida en el Centennial Catalog y de las variaciones de sismicidad a nivel regional, ha ido concibiendo la intuición de que la sismicidad mundial global está vinculada a las corrientes del manto superior. La sismicidad global es una manifestación, en la superficie terrestre de la respuesta de la corteza a las corrientes del manto superior. Es decir, la ocurrencia de terremotos a escala mundial, pero también a escala regional y local, parece estar regida, entre otros procesos regionales o locales, fundamentalmente, por estas corrientes en el manto, de la misma manera que la ocurrencia de eventos meteorológicos extremos está regida, entre otros, por fenómenos atmosféricos de alcance global.
En consecuencia, creemos que la evolución espacio-temporal de la sismicidad mundial, regional y local debe ser también estudiada y analizada bajo esta hipótesis siendo un observable más para estudios del modelado del dinamismo del manto superior y para el establecimiento de periodos de peligrosidad incrementada.