Simulación de escenarios sísmicos mediante un sistema de información geográfica para la Península Ibérica, las Islas Baleares y las Islas Canarias, considerando el efecto de sitio y las dimensiones y características de la fuente sísmica
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Nuñez, Alberto
2018-A
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RESUMEN
En esta tesis doctoral se presentan los resultados obtenidos en las simulaciones
de escenarios sísmicos en la Península Ibérica, las Islas Baleares y las Islas
Canarias, para terremotos de alta magnitud (> 4,5), en base a dos aproximaciones
diferenciadas a los valores sintéticos realistas de la aceleración sísmica y de
la intensidad sísmica. En el cálculo de estos valores, se han considerando tanto
las características de la fuente sísmica como la amplificación sísmica del
terreno, o efecto de sitio, con diferentes grados de precisión en función del
nivel de aproximación.
La primera aproximación al cálculo del escenario sísmico de un terremoto
considera una fuente sísmica puntual y la capacidad de amplificación sísmica de
los materiales aflorantes, expresada en un mapa de amplificación sísmica del
territorio. Se ha utilizado la metodología de Borcherdt (1994) para generar un
mapa de amplificación de la Península Ibérica y las Islas Baleares y un mapa de
amplificación de las Islas Canarias, a partir de la clasificación de las
unidades geológicas en 6 clases de emplazamiento caracterizadas por un factor de
amplificación para altas frecuencias y un factor de amplificación para bajas
frecuencias. En el contexto de la simulación de escenarios en la Península
Ibérica y las Islas Baleares, se han seleccionado 5 relaciones de atenuación que
permiten calcular la aceleración pico del terreno (Peak Ground Acceleration,
PGA). En las Islas Canarias, se han utilizado las PGA registradas por el
Instituto Geográfico Nacional (IGN) en la isla de El Hierro en tres crisis
sísmicas ocurridas entre 2011 y 2013, como consecuencia del reciente proceso de
reactivación volcánica en la isla, con objeto de comprobar el ajuste
proporcionado por 13 modelos de atenuación en PGA. Como resultado, se han
seleccionado 3 relaciones de atenuación óptimas en función de la magnitud del
terremoto y de la escala de trabajo.
La simulación de escenarios sísmicos en primera aproximación se ha realizado
automáticamente por medio de una herramienta (plugin) de desarrollo del Sistema
de Información Geográfica QGIS, para producir mapas de sacudidas con los valores
sintéticos realistas de la PGA. Los cálculos realizados con cada modelo de
atenuación incorporan el factor de amplificación para altas frecuencias
procedente de los mapas de amplificación y, opcionalmente, las aceleraciones
máximas horizontales (AMH) registradas (cm/s2) en los acelerómetros con registro
para el terremoto en estudio. De acuerdo con la metodología de Wald et al.
(1999b), la herramienta corrige las AMH observadas al terreno de referencia en
el que se expresan las PGA calculadas con la relación de atenuación elegida, y
realiza una interpolación conjunta de los valores de AMH y de PGA sintéticas,
correspondientes al mismo nivel de referencia. Los valores interpolados son
multiplicados por los factores de amplificación del mapa de amplificación,
generándose como resultado el mapa de PGA sintéticas que constituye el mapa de
sacudidas.
Se ha utilizado el plugin para simular los escenarios sísmicos de los terremotos
de 11-05-2011 en Lorca, con Mw 5,1, y de 31-03-2013 al W de El Hierro, con Mw
4,9. Utilizando cada modelo de atenuación, se han producido mapas de sacudidas
que se han utilizado posteriormente para comprobar la bondad de los valores de
la PGA sintética, a partir de su comparación con los registros de AMH
disponibles. En ambos casos se observa que, en general, los valores sintéticos
de PGA se aproximan a las observaciones de AMH conforme el nivel del movimiento
del terreno disminuye hasta valores del orden de 10 cm/s2. En Lorca, se concluye
que los modelos de atenuación con una definición de PGA acorde con la definición
de la AMH consiguen un ajuste a las observaciones que es sensiblemente mejor que
el ajuste proporcionado por el resto de los modelos. En este sentido, para el
citado orden de magnitud del movimiento del terreno, se obtienen diferencias
menores que 4,9 cm/s2.
En un segundo nivel de aproximación, la simulación de escenarios sísmicos se
ha realizado por medio de la simulación estocástica de acelerogramas
sintéticos, bajo la consideración de una fuente sísmica extensa. Esta
simulación, que se ha realizado por medio del algoritmo EXSIM (Motazedian y
Atkinson, 2005), requiere un conocimiento más preciso de las características de
la atenuación del medio de propagación de las ondas sísmicas y de la
amplificación sísmica de las capas más superficiales.
La reactivación volcánica ocurrida en la isla de El Hierro ha proporcionado
un gran número de registros acelerométricos que permiten la calibración
del algoritmo de simulación estocástica. Con objeto de preparar las
variables de entrada del mismo, se ha estimado la amplificación sísmica local
en 25 emplazamientos distribuidos en la isla, a partir de modelos de velocidad
de onda de corte (Vs) en los primeros 30 m de profundidad, obtenidos en cada
punto por medio del procesado de medidas de ruido sísmico ambiental por medio
del método Refraction Microtremor (ReMi). Además, se ha estimado la atenuación
anelástica de la litosfera regional en las Islas Canarias a partir del análisis
de las ondas de coda registradas por la red sísmica del IGN, incluyendo los
datos digitales proporcionados por las nuevas estaciones de banda ancha
desplegadas en las últimas décadas. Como resultado, se ha obtenido la
regionalización de los parámetros Q0 y v que expresan la dependencia
frecuencial del factor de calidad Q.
Por medio del algoritmo EXSIM, se han simulado los acelerogramas sintéticos del
terremoto de 31-03-2013 en las dos estaciones acelerométricas de El Hierro
que obtuvieron registro para este terremoto. El ajuste de los espectros
de respuesta en pseudoaceleración simulados a los espectros observados en las
estaciones ha permitido obtener una función empírica de la amplificación de la
corteza para la isla. Esta función se ha implementado en el algoritmo con el
fin de calcular el movimiento fuerte en términos de la velocidad máxima del
terreno, PGV, en las poblaciones en las que el terremoto ha sido sentido con
intensidad EMS-98 superior a II. Por medio de la correlación de Atkinson y
Kaka (2007), se han obtenido las intensidades sintéticas en la escala EMS
-98 a partir de los valores de PGV. La semejanza encontrada entre estas
intensidades y las correspondientes intensidades observadas permite
plantear la validez de esta simulación en el cálculo de escenarios sísmicos en
El Hierro.
This PhD thesis presents the results obtained after carrying out several
simulations for seismic scenarios for Mw > 4.5 earthquakes occurred in the
Iberian Peninsula, the Balearic Islands and the Canary Islands, following two
different levels of approximation to realistic synthetic values of both the
seismic acceleration and the seismic intensity. Seismic source characteristics,
as well as the site amplification (site effect), have been considered with
different degrees of precision depending on the approximation level sought.
First approximation to the computation of a single earthquake seismic scenario
considers a seismic point source and the seismic amplification capacity of
outcropping materials, which is given by a site amplification map for the area.
The methodology of Borcherdt (1994) has been used to produce a site
amplification map of the Iberian Peninsula and the Balearic Islands and a site
amplification map of the Canary Islands. The production of these maps have
implied the classification of geological units into six site classes
characterized by both high-frequency and low-frequency amplification factors. In
the context of the seismic scenario simulations in the Iberian Peninsula and the
Balearic Islands, 5 attenuation relationships, suitable to compute the Peak
Ground Acceleration (PGA) for a particular earthquake, have been selected. A set
of PGA recorded by the Geographical Institute of Spain (IGN) in El Hierro Island
(Canary Islands), during three seismic crisis occurred between 2011 and 2013 due
to the recent volcanic reactivation process on the island, has been used to
analize 13 PGA attenuation models, testing the data fit provided by the
synthetics from each model. As a result, 3 attenuation relationships have been
selected for use in the archipelago, depending on the earthquake magnitude and
working scale.
Seismic scenario simulation under first approximation has been automatically
carried out by means of a developing tool (plugin) of the QGIS Geographical
Information System, with the aim of producing maps of realistic synthetic values
of the Peak Ground Acceleration. Acceleration calculations for each attenuation
model consider the high-frequency site amplification factor, given by the site
amplification maps, and, optionally, the peak horizontal acceleration values (in
cm/s2) which have been yet recorded at ground motion stations detecting the
study earthquake. According to the methodology of Wald et al. (1999b), the
plugin corrects the recorded accelerations to the reference site characterizing
the PGA calculated by the attenuation relationship selected. Afterwards, it
interpolates the corrected data jointly with the synthetic accelerations, both
corresponding to the same reference level. These interpolated accelerations are
subsequently multiplied by the suitable site amplification factors, in order to
generate the final synthetic Peak Ground Acceleration map.
The plugin has been utilized in order to simulate the seismic scenarios for the
Mw 5.1 May 11, 2011 Lorca earthquake and the Mw 4.9 March 31, 2013 earthquake,
located offshore the W coast of El Hierro Island. By means of each attenuation
model, PGA maps have been produced and later used to test the goodness of fit of
synthetic values, when compared with the available peak horizontal acceleration
data. In both cases, it is realized that, in general, synthetic PGA values
approach the horizontal data as ground motion level decrease to values of an
order equal to 10 cm/s2. At Lorca, a conclusion has been drawn on the sensibly
better fit to the observations that is reached by the attenuation relationships
which define a PGA coherent with the horizontal peak acceleration. Thus, for the
referred ground motion level, differences minor than 4.9 cm/s2 are obtained.
At a second level of approximation, simulations of seismic scenarios have been
performed by means of a stochastic finite-fault simulation of strong ground
motions. A more precise knowledge of both the attenuation of the propagation
medium of seismic waves and the seismic amplification introduced by the
shallower layers is required, in order to carry out this simulation, which has
been finally done using the EXSIM code (Motazedian y Atkinson, 2005).
The volcanic reactivation on El Hierro Island has supplied with a great number
of accelerometric records which let us test the parameters of the stochastic
simulation code. With the purpose of preparing its input variables, the local
site amplification at 25 points distributed across the island has been estimated
from the shear-wave velocity (Vs) model to a depth of 30 m, which has been
computed by processing ambient noise measures by means of the Refraction
Microtremor (ReMi) method. Additionally, the anelastic attenuation has been
estimated for the regional lithosphere in the Canary Islands by means of the
analysis of the coda waves recorded by the IGN seismic stations, including
digital data from new broad-band stations deployed during the last decades. As a
result, regionalizations have been obtained for parameters Q0 and v, which
describe the frequency-dependent quality factor Q.
Using the EXSIM code, synthetic accelerograms have been calculated for the March
31, 2013 earthquake at two accelerometric stations at El Hierro which recorded
this event. Fitting simulated pseudoacceleration response spectra to the
observed ones at these stations have let us obtained an empirical function for
the crust amplification on the island. This function has been implemented in the
code in order to calculate the ground motion in terms of Peak Ground Velocity,
PGV, at the towns where the shock was felt with greater than EMS-98 II
intensity. By means of the Atkinson y Kaka (2007) relationship, synthetic
intensities at the EMS-98 scale have been computed from the PGV values. The
resemblance found between these intensities and those observed allow us to
propose the validity of this simulation for the seismic scenario calculation on
El Hierro.
CONCLUSIONES FINALES
Las conclusiones de esta tesis doctoral se estructuran de acuerdo con los
diferentes resultados que se han obtenido.
Con respecto al cálculo de la amplificación sísmica (efecto de sitio):
Se ha comprobado que la mayor parte de los valores experimentales de Vs30 que se
han obtenido en El Hierro por medio del método ReMi no se encuentran contenidos
en los intervalos de Vs30 previstos por el mapa de clases de emplazamiento y
Vs30 de las Islas Canarias (Figura 3.10), generado en base a criterios
geotécnicos. En puntos situados en terrenos de clase 1 (rocas duras, Vs30 > 1500
m/s), el mapa sobreestima claramente los valores de Vs30 calculados con ReMi,
mientras que sólo en determinados puntos situados en terrenos de clase 4 (suelos
duros con 180 <= Vs30 <= 360 m/s) el mapa consigue predecir los valores
experimentales.
Se ha comprobado que las curvas de amplificación espectral que se han obtenido
en El Hierro a partir de los modelos de Vs en profundidad proporcionan, en un
rango de frecuencias menores que 10 Hz, valores máximos que son siempre mayores
que los factores de amplificación para altas frecuencias (Fa), procedentes del
mapa de amplificación de las Islas Canarias (Figura 3.12). Se alcanzan
diferencias superiores a 5 puntos que no pueden considerarse aceptables.
Se ha comprobado que los intervalos de máxima amplificación espectral que se han
obtenido a partir de los modelos de Vs determinados por medio de las medidas
ReMi realizadas en El Hierro son comparables con los intervalos de amplificación
espectral obtenidos también a partir de ReMi por Odum et al. (2013) en Puerto
Rico, un territorio volcánico con características relativamente similares.
Se concluye que la metodología de Borcherdt (1994) empleada para elaborar las
cartografías de Vs30 y de amplificación sísmica no es adecuada en una región
volcánica como el archipiélago canario, en vista de las importantes limitaciones
que estos mapas presentan para cuantificar con precisión el efecto de sitio en
la isla de El Hierro, especialmente en terrenos de roca dura. Por tanto, en el
resto de las Islas Canarias se recomienda utilizar otras metodologías de
microzonación que, a partir de medidas de campo, permitan determinar con mayor
exactitud la Vs30 y la amplificación.
Con respecto a la determinación experimental del periodo fundamental del suelo:
Ha sido posible certificar la validez del periodo fundamental proporcionado por
la curva de amplificación espectral, que se ha generado a partir del modelo de
Vs obtenido con ReMi. Utilizando el método H/V para determinar experimentalmente
el periodo fundamental a partir de registros de ruido en El Hierro, en el
emplazamiento de medida 17 se ha obtenido un valor del máximo ratio H/V que no
se encuentra focalizado en direcciones particulares, y que además se corresponde
con un valor del periodo fundamental coincidente con el periodo que se deriva de
la curva de amplificación espectral.
Con respecto a la estimación de la atenuación anelástica de la litosfera:
La regionalización de los parámetros que expresan la dependencia frecuencial de
Q (Q0 y v) y que se ha llevado a cabo en las Islas Canarias proporciona valores
coherentes con los esperables en una región volcánica activa.
Se ha relacionado la fractura documentada por Mezcua et al. (1992) entre las
islas de Gran Canaria y Tenerife con valores altos de Q0, y se ha propuesto que
la actividad sísmica y volcánica registrada en El Hierro en 2011 ha producido
los valores bajos de Q0 que se encuentran en el sur de la isla.
Los valores de Q0 para profundidades > 15 km que han sido calculados y
regionalizados en esta tesis se encuentran subestimados ligeramente con respecto
a los valores de Q0 calculados por Canas et al. (1995, 1998) en Canarias. El
empleo de 4000 observaciones de Q para obtener los valores de Q0 ha permitido
aumentar la exactitud en la determinación de este parámetro, en comparación con
el escaso número de sismogramas (140) que han utilizado Canas et al. (1995). No
obstante, la regionalización de Q0 para profundidades > 15 km presenta
coincidencias notables con la regionalización de Q0 de Canas et al. (1995) en
áreas de alta concentración de observaciones de Q, lo que sugiere la
conveniencia de restringir las comparaciones a estas áreas.
Los valores mínimos de Q0 calculados en El Hierro son superiores a los
encontrados en zonas de subducción como la cordillera de las Cascadas en
Washington (Havskov et al., 1989) o el noroeste de Colombia (Vargas et al.,
2004). Una posible explicación para estas diferencias puede ser que el
volcanismo de punto caliente que caracteriza las Islas Canarias puede tener
valores más bajos de atenuación que los encontrados en zonas de subducción.
Las variaciones temporales de Q0 y v en la estación CTIG en El Hierro durante la
crisis sísmica de julio-octubre de 2011 y la erupción volcánica de octubre de
2011-marzo de 2012 se encuentran relacionadas con los cambios registrados en la
evolución de la sismicidad y la deformación medidas por el IGN (López et al.,
2012) durante el mismo periodo de tiempo. Adicionalmente, se concluye que puede
existir una correspondencia entre los cambios de tendencia experimentados por
ambos parámetros a partir del comienzo del tremor volcánico y la ocurrencia de
terremotos de magnitud ML superior a 3,9.
Con respecto a la simulación de escenarios sísmicos con relaciones empíricas de
atenuación:
En el contexto de la simulación del escenario sísmico del terremoto de 11-05
– 2011 ocurrido en Lorca, con Mw 5,1, se ha comprobado que las relaciones de
atenuación en términos de aceleración máxima sintética (PGA) de Mezcua et al.
(2008), García Blanco (2009) e Instituto Geográfico Nacional (2013) simulan
valores de PGA con un comportamiento similar en función de la distancia. Se
establece una correspondencia clara entre estos resultados y la similitud que
existe entre los conjuntos de datos acelerométricos empleados en la construcción
de estas tres leyes, y que corresponden a terremotos registrados en España y con
magnitudes similares.
El modelo de atenuación de Boore y Atkinson (2008) proporciona PGA sintéticas
que sobreestiman todos los valores de aceleración máxima horizontal (AMH) de
orden 10^0 que se han obtenido en los acelerómetros que han registrado el
terremoto. Por este motivo, existen dudas razonables sobre la validez de este
modelo a los efectos de la simulación del escenario sísmico de este evento.
Se ha comprobado que las PGA simuladas por medio de relaciones de atenuación con
definiciones de PGA acordes con la definición de las AMH observadas alcanzan una
calidad en el ajuste a las aceleraciones observadas que es mayor que la calidad
del ajuste conseguido con modelos de atenuación que utilizan otras definiciones
de PGA. Estos modelos de atenuación (Mezcua et al., 2008; García Blanco, 2009)
permiten obtener diferencias en valor absoluto entre las AMH observadas y las
PGA sintéticas menores que 4,9 cm/s2, para las estaciones acelerométricas con
AMH menor que 8,3 cm/s2.
Las diferencias detectadas entre la AMH observada y la PGA sintética en los
acelerómetros pueden ser explicadas en función del efecto de directividad
descrito por Rueda et al. (2014) para este terremoto, y que no ha sido tenido en
cuenta en la simulación de la PGA realizada con los modelos de atenuación, al
considerarse una fuente puntual.
En el contexto de la simulación del escenario sísmico del terremoto de 31-03
– 2013 localizado al W de El Hierro, con Mw 4,9, se ha comprobado que el modelo
de Zhao et al. (2006) proporciona valores de PGA sintética sensiblemente menores
que los obtenidos con el resto de los modelos de atenuación aplicables en la
isla. Por este motivo, y considerando que el modelo se ha construido a partir de
datos acelerométricos de zonas de subducción, se cuestiona su validez en la
simulación del escenario sísmico del terremoto.
Los valores de PGA sintéticas que se han obtenido con la relación de atenuación
de Chiou y Youngs (2008) y los parámetros del plano focal A del terremoto de 08
-10-2011 localizado al SW de El Hierro, con Mw 4,0, se encuentran en un rango de
valores próximo a los niveles intermedios de PGA sintética que se han obtenido
en El Hierro con el resto de los modelos de atenuación. Por este motivo, se
sugiere que este plano focal podría representar la fuente sísmica extensa con
una mayor aproximación que el plano B.
El procesado conjunto de las aceleraciones sintéticas y las aceleraciones
observadas en los dos terremotos que se han estudiado, por medio de la
herramienta plugin, permite obtener un mapa de sacudidas que proporciona valores
realistas de PGA con una resolución mayor que la que se obtendría sin las
observaciones. Esta mejora se debe a la consideración de los valores observados,
y por tanto reales, de aceleración, y también al muestreo más preciso que se
realiza sobre el mapa de amplificación, al obtener los factores de amplificación
de los puntos de la malla de interpolación, que es una densificación de la malla
de cálculo inicial.
Con respecto a la simulación estocástica de acelerogramas sintéticos:
Es posible la simulación estocástica de movimientos fuertes en la isla del
Hierro, y en particular para el terremoto de 31-03-2013.
Se ha considerado un parámetro de esfuerzos de 11 MPa que es compatible con el
tipo de mecanismo que se ha supuesto, aunque este parámetro no se ha considerado
relevante en esta simulación pues sólo es decisivo en las altas frecuencias.
La atenuación geométrica considerada es la correspondiente a una estructura
normal y, por tanto, la precisión del modelo podría aumentar si se mejora el
conocimiento de la atenuación con un mayor número de datos.
La función empírica del efecto de corteza que se ha obtenido en la estación
acelerométrica AROQ ha permitido simular intensidades sintéticas en las
poblaciones con información macrosísmica con una precisión razonable con
respecto a las intensidades observadas y superiores a II (EMS-98). Por este
motivo, se sugiere la representatividad de la función empírica de AROQ en cuanto
a la atenuación cortical en El Hierro.
La semejanza de los valores de intensidad calculados mediante la simulación y
los valores observados plantea la validez del método propuesto para la búsqueda
de escenarios sísmicos en la isla para diferentes situaciones potencialmente
peligrosas.