Relaciones entre mareas y otros fenómenos geodinámicos: Estudios en la Península Ibérica y California

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Sanz, Luis Miguel

2017-A
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Resumen

Resumen

En el ámbito de la investigación sobre Mareas, existen controversias que han dado lugar a extensos debates científicos y a la publicación de resultados contradictorios. Dos de estas discusiones, ampliamente conocidas, son la interpretación geofísica de los residuos finales de marea gravimétrica y la existencia o no de correlación entre las mareas y la ocurrencia de terremotos. El objetivo fundamental de esta tesis doctoral es realizar aportaciones a ambos aspectos de forma significativa y relevante.

Si a las amplitudes y desfasajes de las componentes armónicas del potencial de mareas obtenidas a partir de datos de observación les restamos la parte correspondiente al modelo teórico de marea sólida y también la parte correspondiente al efecto oceánico, obtenemos un vector residuo final de marea cuya interpretación es un asunto muy debatido en Geodesia. Mientras que algunos autores sugieren que los residuos finales están relacionados con posibles errores instrumentales y de medida o con errores en la evaluación de los cálculos de la carga oceánica, otros proponen ciertas relaciones empíricas entre estos residuos finales de marea gravimétrica y parámetros que implican variaciones estructurales con respecto a un modelo de Tierra elástico homogéneo, como el flujo térmico o la edad tectonotérmica de la litosfera.

Puesto que la componente coseno del vector residuo final de marea es la que refleja esa heterogeneidad que distingue a la Tierra real del modelo considerado, el primer objetivo principal de esta tesis es la realización de un estudio de correlaciones en la Península Ibérica entre la mencionada componente coseno del vector residuo final (calculado para las ondas M2 y O1 del potencial de mareas, por ser las ondas fundamentales y también las que están mejor determinadas para las estaciones de marea gravimétrica de la Península Ibérica) y diferentes parámetros estructurales. Los resultados obtenidos para los distintos modelos de marea oceánica considerados no demuestran la existencia de correlaciones estadísticamente significativas entre los residuos de marea y parámetros estructurales tales como el flujo térmico, la resistencia de la litosfera, la temperatura de Moho y la edad tectonotérmica de la litosfera. De hecho, al rechazar los datos de peor calidad y utilizar los modelos oceánicos más precisos y más ajustados a la Península Ibérica, la correlación desaparece por completo, lo que demuestra que estos residuos finales son fundamentalmente ruido.

El otro de los objetivos principales de esta tesis es intentar encontrar correlaciones estadísticamente significativas entre los esfuerzos de marea y los terremotos. Dado que los esfuerzos de marea se superponen continuamente a los esfuerzos tectónicos de lento incremento, ha habido numerosos estudios sobre posibles relaciones entre la marea y la ocurrencia de terremotos, con resultados a menudo contradictorios entre sí. Las componentes del esfuerzo de marea que más significativamente afectan al movimiento de una falla son el esfuerzo normal al plano de falla y el esfuerzo de cizalla en la dirección del deslizamiento de la falla, por lo que la combinación de ambas componentes llamada Transferencia de Esfuerzo de Coulomb de Marea (en inglés, Tidal Coulomb Failure Stress, TCFS) se ha utilizado como parámetro de estudio en este trabajo, en el que se han utilizado técnicas estadísticas como el test de Schuster o el test binomial. Es muy importante, además, utilizar catálogos de terremotos que realmente estén formados por elementos independientes (es decir, que no contengan réplicas ni premonitores), y que verifiquen ciertos criterios de homogeneidad y calidad de los datos.

La ausencia de un catálogo sísmico que incluya la descripción de los mecanismos de falla en un número significativo de eventos ocurridos en la Península Ibérica planteó la necesidad de desarrollar esta parte de la investigación partiendo de otra fuente, seleccionando finalmente los catálogos sísmicos de California, Estados Unidos. Las correlaciones que se han encontrado entre valores máximos de TCFS y los tiempos de ocurrencia de los terremotos para distintos tipos de falla son estadísticamente significativas y no se habían detectado previamente en California. Estas correlaciones resultan consistentes con análisis de otros investigadores que identificaban los tipos de falla más propensos a ser afectados por el esfuerzo de marea según un estudio global del signo de TCFS.


Abstract

Abstract

In the sphere of the investigation of Tides, there are some controversies that have given rise to extensive scientific debates and the publishing of contradictory results. Two of these discussions, widely known, are the geophysical interpretation of tidal gravity final residuals, and the existence (or not) of correlation between tides and the occurrence of earthquakes. The ultimate goal of this PhD. thesis is making a contribution to both issues in a relevant and significant way.

If amplitudes and phase-lags of the harmonic components of the tide potential evaluated for the body tide Earth model and the computed oceanic effect are subtracted from amplitudes and phase-lags obtained from observed data, a final residual tidal vector is obtained whose interpretation is an issue of high debate in geodesy. Whereas some authors suggest that final residuals are related to possible instrumental and measurement errors or to errors in the evaluation of the oceanic load computations, others propose certain empirical relationships between these gravity tidal residuals and parameters implying structural variations with respect to a homogeneous elastic Earth model, such as the heat flow or the tectonothermal age of the lithosphere.

As the cosine component of the tidal final residual vector is the one reflecting the heterogeneity that distinguishes the real Earth from the model considered, the first main goal of this thesis is a correlation study set in the Iberian Peninsula between the aforementioned cosine component of the tidal final residual (calculated for the M2 and O1 waves of the tide potential, because these are the fundamental tidal waves and the ones which are better determined for the gravity tide stations in the Peninsula Iberica) and different structural parameters. The results obtained for the different ocean tide models considered do not prove the existence of statistically significant correlations between the tidal residuals and structural parameters such as heat flow, lithospheric strength, Moho temperature and tectonothermal age of the lithosphere. In fact, rejecting worse quality data and using the most precise and best-fitted to the Peninsula Iberica ocean models makes the correlation to disappear completely, which proves that these final residuals are composed mostly of noise.

The other main goal of this thesis is trying to find statistically significant correlations between tidal stress and earthquakes. As tidal stresses are superimposed on the slower incremental tectonic stresses, there has been a good deal of research about possible relationships between tides and the occurrence of earthquakes, showing contradictory results often. Tidal stress components most significantly affecting the movement of a fault are tidal normal stress and tidal shear stress in the fault slip direction, so the combination of both components called Tidal Coulomb Failure Stress (TCFS) has been used as study parameter in this work, in which statistical techniques such as the Schuster test or the binomial test have been used. It is also very important using earthquake catalogs truly composed of independent events (in the sense of not containing aftershocks or foreshocks), and satisfying certain homogeneity and data quality criteria.

The lack of an earthquake catalog provided with the description of fault mechanisms in a significant number of events occurred in the Iberian Peninsula raised the necessity of developing this part of the research starting from another source, ultimately choosing earthquake catalogs from California, U.S.A. The correlations found between the maximum values of TCFS and the occurrence times of the earthquakes for different faulting types are statistically significant and had not been previously detected in California. These correlations are consistent with analysis by other researchers that identified the types of fault more prone to be affected by tidal stress according to a global study of the sign of TCFS.


Índice

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                                                                                                                      Página
Resumen.                                                                                                                              7
Abstract.                                                                                                                               9
Introducción y Objetivos.                                                                                                     11
CAPÍTULO 1. Marea Terrestre y Marea Oceánica.             19
1.1 Potencial de la marea.                               19
1.2 Marea del geoide.             26
1.3 Análisis de la marea.             29
1.4 Marea terrestre.             37
1.4.1 Modelos SNREI.             37
1.4.2 Números de Love y Shida.             37
1.4.3 Modelo de Wahr.             41
1.4.4 Modelo Wahr-Dehant-Zschau.             41
1.4.5 Modelo Dehant-Defraigne-Wahr.             46
1.5 Marea Oceánica.             50
1.5.1 Análisis armónico.             50
1.5.2 Análisis de respuesta.             51
1.5.3 Efecto oceánico indirecto.             55
1.5.3.1 Cálculo de los números de Love de carga.             56
1.5.3.2 Cálculo de las funciones de Green.             58
1.5.3.3 Cálculo del efecto de carga oceánica de marea.             62
       1.5.4 Modelos de marea oceánica.             63
CAPÍTULO 2. Interpretación del Residuo de Marea Gravimétrica.             65
2.1 Introducción.             65
2.2 Datos.                                                                                                                         71
2.2.1 Parámetros estructurales.             71
2.2.2 Residuo de marea.             76
2.3 Estudio de las componentes señal y ruido presentes en los datos geofísicos.             78
2.4 Resultados.             87
2.5 Discusión y conclusiones.                               89
CAPÍTULO 3. Relación entre Mareas y Terremotos.             95
3.1 Introducción.             95
3.1.1 Sismicidad.             95
3.1.2 Sismicidad y mareas.           100
3.1.3 Esfuerzo y deformación.                             105
3.2 Metodología.           109
3.2.1 Cálculo de esfuerzos.                             109
3.2.2 Datos sísmicos.                             114
3.2.3 Ángulo de fase del esfuerzo de marea.                             119
3.3 Resultados.           123
3.4 Discusión y conclusiones.           142
CONCLUSIONES.                                                                                                          147
Referencias.           153
APÉNDICES.           171
A. Series de Legendre.           173
B. Factores de calidad y calibraciones.                             177
C. Método de Skalský de cálculo de deformaciones lineales de marea.           179
D. Programas de cálculo.                                                                                                   185
E. Catálogo de terremotos de California utilizado en el estudio.                                           237

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Conclusiones

Conclusiones.
Se ha intentado en esta tesis realizar aportaciones significativas sobre dos temas relacionados con la Teoría de Mareas que han despertado desde hace décadas controversia científica y han dado lugar a multitud de trabajos con disparidad de resultados. El primero es la interpretación geofísica de los residuos finales de marea gravimétrica. El segundo es la existencia o no de correlaciones, estadísticamente significativas, entre la marea y la ocurrencia de terremotos.
Por tanto, son dos los objetivos propuestos:
Objetivo 1:
El primero es el estudio de las correlaciones entre la componente coseno del vector residuo final de marea gravimétrica (evaluado para las ondas M2 y O1 del potencial de mareas) y los parámetros geofísicos de flujo térmico, resistencia de la Litosfera, temperatura de Moho y edad tectonotérmica de la Litosfera, utilizando los datos de 21 estaciones de marea gravimétrica de la Península Ibérica.
Se ha estudiado también el efecto de considerar diferentes correcciones de efecto oceánico indirecto, utilizando tanto modelos oceánicos globales (SCHW80, FES95) como los modelos locales más recientes diseñados para el entorno de la Península Ibérica (Iberia M2, IBER01), encontrando que los coeficientes de correlación son bajos y sin ninguna significación estadística, especialmente cuando se utilizan los modelos oceánicos más precisos y se eliminan del muestreo las estaciones que muestran datos anómalos.
Este estudio no se había realizado previamente para la Península de forma global, siendo por tanto los resultados obtenidos (presentados en Fernández et al., 2008 y en esta Tesis Doctoral) totalmente novedosos, si bien son consistentes con resultados previos de otros autores (Rydelek et al., 1991) que no encuentran ninguna correlación estadísticamente significativa entre los residuos de marea y los parámetros estructurales investigados.
Objetivo 2:
El segundo de los objetivos propuestos, estudiar la correlación entre marea y terremotos, no se ha podido estudiar con datos correspondientes a la Península Ibérica, ya que los catálogos de sismos existentes para la Península carecen en la gran mayoría de los casos de información relativa a los mecanismos de plano de falla de los terremotos, lo que impide el cálculo de los esfuerzos ocasionados por la marea en dichas fallas. Por tanto, para cumplimentar este segundo objetivo, hemos recurrido a los catálogos de la red sísmica de California NCSN (siglas de Northern California Seismic Network: www.ncedc.org).
Puesto que las componentes del esfuerzo de marea que más significativamente afectan al movimiento de una falla son el esfuerzo normal al plano de falla y el esfuerzo de cizalla en la dirección del deslizamiento de la falla (Xu et al., 2011), el parámetro de estudio utilizado para esta parte del trabajo es la Transferencia de Esfuerzo de Coulomb de Marea (al que denotaremos por TCFS, siglas de Tidal Coulomb Failure Stress), que es una combinación de ambas componentes (Fischer et al., 2006).
Partiendo de los datos de sismos de la red NCSN, se ha elaborado un primer catálogo de terremotos que comprende todos los eventos entre el periodo 01/01/2000 – 12/31/2012. Se ha elegido un periodo de tiempo reciente, y relativamente corto, para que de ese modo los datos sean homogéneos y la magnitud de completitud del catálogo (que se define como la magnitud más baja a partir de la cual el 100% de los terremotos son detectados) sea un número bajo.
Este catálogo se ha sometido después a un minucioso proceso de eliminación de eventos precursores y premonitorios empleando el algoritmo de Reasenberg (1985), a fin de conseguir un catálogo compuesto por terremotos independientes entre sí. A cada evento del catálogo se le ha asignado un ángulo de fase de TCFS mediante un código Fortran basado en el método de Skalský (1991). Para solucionar el problema de la indeterminación del plano de falla se han utilizado únicamente terremotos cuyo ángulo de fase y amplitud de semiciclo es similar en los dos planos posibles de la solución del mecanismo focal. Tanto el programa Fortran como el catálogo final de terremotos utilizado son en sí mismos resultados intermedios de interés, por lo que se incluyen en los Apéndices D y E, respectivamente.
Las conclusiones finales obtenidas, por objetivos, en este trabajo se pueden resumir como sigue:
Conclusiones relativas al Objetivo 1:
No hay correlaciones estadísticamente significativas entre la componente coseno del vector residuo final de marea y los fenómenos geodinámicos estudiados en la Península Ibérica: flujo térmico, resistencia de la Litosfera, temperatura en la discontinuidad de Mohorovic, edad tectonotérmica de la Litosfera.
De hecho, al utilizar en los cálculos las observaciones más precisas (eliminando las estaciones de poca calidad e incorporando modelos de marea oceánica más recientes como el FES95 o locales como las cartas Iberia M2 o IBER01) la correlación obtenida con los parámetros estructurales resulta muy pobre, estando compuesta básicamente por ruido incorrelado.
Los resultados descritos en Fernández et al. (2008) y en esta Tesis Doctoral coinciden con Rydelek et al. (1991), cuyo trabajo sugiere que las grandes incertidumbres asociadas a las mediciones tanto de las mareas gravimétricas como de los parámetros estructurales enmascaran cualquier posible relación entre las primeras y los últimos, haciendo que cualquier correlación empírica resulte dudosa. Los resultados también coinciden con estudios teóricos (Harrison, 1985; Zürn, 1997) que concluyen que las distorsiones del campo de marea gravimétrica por desviaciones locales, regionales o a gran escala de un modelo homogéneo de Tierra elástica son muy pequeñas y por tanto muy difíciles de detectar.
Conclusiones relativas al Objetivo 2:
En este caso, sí se encuentran correlaciones importantes entre el TCFS y los tiempos origen de los terremotos del catálogo de California procedente de la red sísmica Northern California Seismic Network (NCSN). Las correlaciones encontradas se resumen en los tres puntos siguientes:
i) El conjunto de todos los tipos de falla, y los subconjuntos correspondientes a los tipos de falla de desgarre, normal y normal oblicua, muestran correlaciones estadísticamente significativas entre los tiempos de origen de los terremotos y los valores máximos de TCFS, mientras que los eventos de tipo de falla inversa parecen estar fuertemente correlados con los valores mínimos de TCFS;
ii) Los terremotos ocurridos durante semiciclos de alta amplitud de TCFS muestran una correlación mucho mayor con las mareas que los eventos ocurridos durante semiciclos de baja amplitud;
iii) Al separar los terremotos en función de su pertenencia a semiciclos de TCFS altos o bajos, no encontramos ninguna correlación significativa para los eventos de tipo de falla inversa.
Estas correlaciones, que constituyen un nuevo resultado para California, resultan consistentes con el estudio del signo de TCFS realizado en esta Tesis para el catálogo de California, y también con el estudio global del signo de TCFS realizado por Xu et al. (2011) en el que se identificaban (en función de la latitud) los tipos de falla más propensos a ser afectados por el esfuerzo de marea.
En los resultados para California no hay diferencias significativas entre usar un modelo local de mareas que incluya el efecto de la carga oceánica y usar el modelo de marea sólida WDZ en los cálculos de TCFS, puesto que los resultados son muy similares. Esto puede explicarse por el hecho de que los efectos de la carga oceánica disminuyen tierra adentro (Thomas et al., 2012), lo que implicaría que la mayor parte de los eventos del catálogo empleado aquí no se verían afectados de un modo significativo.
Otros estudios en los que no se ha encontrado correlación entre esfuerzo de marea y terremotos (por ejemplo, Vidale et al., 1998) pueden estar afectados por el hecho de utilizar un catálogo de sismos más antiguo y, por tanto, más influido por errores de observación o de medida. Por no mencionar que un cuidadoso proceso de eliminación de réplicas o premonitores mediante un algoritmo adecuado como el de Reasenberg (1985) es fundamental para poder partir de la base de un catálogo constituido por eventos independientes entre sí.
Al igual que ocurría en otros estudios que mostraban correlaciones entre mareas y terremotos (Wilcock, 2009; Tanaka et al., 2002; Kansowa and Tatnall, 2010), los conjuntos de eventos utilizados en este trabajo están escasamente poblados en comparación con las cifras consideradas a nivel teórico por Beeler y Lockner (2003) como necesarias para encontrar una correlación, lo cual puede implicar que algunos aspectos de la mecánica de los terremotos no han sido adecuadamente considerados en las simulaciones de laboratorio.
Los resultados presentados en este estudio se consideran obtenidos con un enfoque adecuado, puesto que están basados en el cálculo de TCFS, que es una combinación de las componentes del esfuerzo de marea que más críticamente van a afectar al movimiento de la falla: el esfuerzo normal y el esfuerzo en la dirección del deslizamiento de la falla. Utilizar sólo una de estas componentes implica una limitación en el conocimiento del efecto completo del esfuerzo de marea sobre una falla dada.
No hay estudios previos de correlaciones entre TCFS y terremotos en California que muestren los eventos clasificados según el tipo de falla, por lo que los resultados que aquí se presentan, y que permiten una discusión acerca del comportamiento de los distintos mecanismos focales en lo que concierne a dichas correlaciones, todo ello complementado con un estudio del signo de TCFS, son también novedosos en ese aspecto.
Entre las líneas de investigación futura, que pueden seguirse a partir de las investigaciones realizadas en esta tesis, destacarían las siguientes:
– Utilización para otras regiones del mundo de la metodología descrita en el Capítulo 3 para detectar correlaciones entre la marea y la ocurrencia de terremotos, a fin de comprobar si se siguen obteniendo resultados similares y si se siguen verificando a nivel local o regional los patrones latitudinales globales descritos en Xu et al., 2012.
– Perfeccionamiento de dicha técnica, incorporando la posibilidad de calcular los esfuerzos a la profundidad del foco y no en superficie, con el fin de poder obtener resultados cada vez más precisos.
– Estudio del efecto oceánico en otras zonas, tanto para otros estudios de interpretación de residuos finales de marea gravimétrica, como para evaluar los efectos de la marea oceánica en las correlaciones entre marea y terremotos.