Estructura 3D de la cuenca Vasco-Cantábrica. Aplicación de la tomografía de ruido ambiente sobre una red sísmica de alta resolución. Premio Tesis Doctoral en Geofísica

El objetivo principal de esta tesis doctoral es la elaboración de un modelo 3D de velocidad de ondas S que refleje de la forma más precisa posible la compleja estructura cortical de la Zona Vasco-Cantábrica, en la transición entre los Pirineos y la Cordillera Cantábrica. Para ello, se ha utilizado la gran cantidad de registros sísmicos continuos recogidos por dos densas redes de sismógrafos de banda ancha, desplegadas en la zona de estudio entre los años 2014 y 2020 en el marco de los proyectos de investigación SISCAN (Sismicidad natural en la región Cantábrica, ref.: FUO-EM-253-13) y MISTERIOS (Monitorización Integrada del Sistema Tierra en España: Redes de Observación y Monitorización Sísmica, ref.: CGL2013-48601-C2-2-R). Los límites exactos de la zona de estudio están definidos por la geometría de las redes sísmicas SISCAN y MISTERIOS, e incluyen la parte más septentrional de las cuencas cenozoicas del Ebro y Duero y del Sistema Ibérico (sierras de La Demanda y Cameros) al sur, el sector central de la Cordillera Cantábrica al oeste, y los Macizos Vascos al noreste de la Zona Vasco-Cantábrica. Para alcanzar el objetivo propuesto, se han recopilado, analizado de forma individual e invertido de forma conjunta tres tipos de datos: velocidad de fase de las ondas superficiales, elipticidad de las ondas Rayleigh y funciones receptoras telesísmicas.

La principal aportación de este trabajo es un modelo de velocidad de ondas S de la estructura
cortical de la zona de transición entre los Pirineos y la Cordillera Cantábrica, la denominada
Zona Vasco-Cantábrica. Este modelo se ha obtenido mediante una inversión conjunta de tres tipos
de datos: velocidad de fase de ondas Rayleigh y Love, elipticidad de ondas Rayleigh y funciones
receptoras.

El modelo apunta hacia la existencia de una raíz cortical bajo la Zona Vasco-Cantábrica, apoyando
las interpretaciones que consideran la subducción parcial de la corteza ibérica bajo el margen
continental cantábrico.

Para obtener este modelo 3D, se han escrito programas informáticos implementando distintas
técnicas sísmicas y se han realizado importantes innovaciones metodológicas.

Conclusiones relativas al estudio de dispersión de ondas superficiales:

Se ha innovado sobre los métodos existentes para medir la velocidad de fase de las
ondas superficiales, desarrollando un programa informático implementando que permite medir
directamente la velocidad de fase de las ondas Rayleigh y Love a partir de las correlaciones
cruzadas del ruido ambiente, incluyendo el modo fundamental y los modos superiores.

A partir de las medidas realizadas se han obtenido mapas de velocidad de fase de ondas
Rayleigh y Love. Para ello, se ha escrito un programa informático basado en el algoritmo
descrito por Barmin et al. (2001), el cual permite estimar la resolución espacial de los
mapas y realizar checkerboard tests para analizar de forma cualitativa la capacidad de
las redes sísmicas de resolver anomalías de velocidad de distintos tamaños.

A periodos cortos (<10 s) los mapas de velocidad de fase son coherentes con la geología
superficial (ver sección 3.3). A períodos largos (>26 s), los aspectos más relevantes de
los mapas son dos anomalías de alta velocidad, situadas en el norte y el suroccidente de
la cuenca Vasco-Cantábrica. La primera de las anomalías podría estar relacionada con
la presencia, a profundidades de corteza media, de la indentación de la corteza inferior
del margen Cantábrico en la corteza Ibérica (Pedreira et al., 2003, 2007). La segunda
anomalía podría estar asociada a un menor espesor cortical en la parte suroccidental de
la Zona Vasco-Cantábrica, relacionado con la geometría de esta indentación (Pedreira et
al., 2007).

Conclusiones relativas a la elipticidad de las ondas Rayleigh:

Se ha escrito un programa informático que permite calcular, de forma completamente
automática, la elipticidad de las ondas Rayleigh a partir de telesismos y de correlaciones
cruzadas del ruido sísmico. Esto ha permitido disponer de estimaciones de la elipticidad
en un amplio rango de frecuencias comprendido aproximadamente entre 0.01 y 0.30 Hz.

La robustez de las estimaciones de la elipticidad se refleja en la coherencia que presentan
las medidas derivadas de los telesismos y del ruido sísmico en el rango de frecuencias
en el que se solapan. Además, se ha comprobado la dependencia de las medidas frente a
diferentes parámetros (magnitud y profundidad en el caso de telesismos, distancia y back
azimuth) sin encontrarse ningún patrón claro, cumpliendo con las expectativas teóricas.

Los mapas de elipticidad obtenidos están de acuerdo en líneas generales con la geología
superficial, mostrando valores relativamente bajos en la Zona Cantábrica, los Macizos
Vascos y las sierras de La Demanda y Cameros, y valores más altos en las cuencas ceno-
zoicas del Duero y Ebro. Otro rasgo notable de estos mapas, más difícil de interpretar,
es la existencia de valores relativamente altos al norte de la Cordillera Cantábrica, defi-
niendo una región alargada en dirección E-O que atraviesa toda la región estudiada y que
se ha interpretado como producidos por la presencia de la corteza inferior del margen
cantábrico/europea indentada en la corteza ibérica.

Conclusiones relativas al estudio de funciones receptoras:

Se ha escrito un programa informático que permite calcular de forma automática las
funciones receptoras para un gran número de terremotos. El programa estima la hora de
llegada aproximada de las ondas P telesísmicas, por lo que no es necesario picarlas a
mano. Además, para corregir posibles deficiencias en la rotación de las formas de onda,
se ha implementado el método propuesto por Wilde-Piórko et al. (2017).

Para el análisis propiamente dicho de las funciones receptoras, se han desarrollado otros
dos programas. El primero permite analizarlas de forma interactiva y determinar el es-
pesor cortical mediante la técnica H-κ (Eaton et al., 2006; Zhu y Kanamori, 2000). El
segundo está enfocado a la pseudomigración en profundidad de las funciones receptoras
(CCP stacking).

Los programas de funciones receptoras desarrollados en el marco de este trabajo han sido
agrupados y dotados de una interfaz gráfica de usuario (GUI) para facilitar el procesado
y análisis. El programa interactivo se denomina Rfun, y se puede acceder al código en
https://github.com/aolivarc/Rfun.

Las funciones receptoras se pueden ver afectadas por la anisotropía cortical y la geome-
tría de las discontinuidades sísmicas en las inmediaciones de las estaciones de registro,
en función del back azimuth y la distancia epicentral de los terremotos. Para evitar estos
efectos, y así facilitar la modelización directa y la incorporación de las funciones recep-
toras a la inversión conjunta, se ha escrito un programa que realiza una descomposición
armónica y aisla su componente isótropa.

El análisis H-κ de las funciones receptoras refleja las importantes variaciones del es-
pesor cortical que tienen lugar a lo largo y ancho de la región estudiada. Al norte de la
Cordillera Cantábrica, la corteza alcanza espesores de más de 50 km, con una geometría
aproximadamente coincidente a la propuesta por Pedreira et al. (2007), condicionada por
el patrón de indentación de la corteza del margen cantábrico (equivalente lateral de la
corteza europea). El mapa de espesor cortical muestra también un ligero engrosamiento
bajo las sierras de La Demanda y Cameros (la parte más septentrional de la Cordillera
Ibérica). Bajo los Macizos Vascos, el espesor cortical presenta valores de entre 32 y 36
km. Podría ser que la conversión de P a S de mayor importancia en esta zona no tu-
viese lugar en la discontinuidad de Mohorovičić, debido a la elevada complejidad de la
estructura cortical en esta zona (DeFelipe et al., 2018; Pedreira et al., 2003).

Los perfiles en dirección SO-NE extraídos del CCP stack reflejan la inclinación de la
Moho ibérica hacia el norte, así como el ligero engrosamiento cortical bajo las sierras
de La Demanda y Cameros. Hacia el norte, estos perfiles muestran algunos conversores
más someros, que podrían estar relacionados con la indentación de la corteza inferior
del márgen Cantábrico, aunque carecen de una clara continuidad y su interpretación es
complicada.

Conclusiones relativas a la inversión conjunta de los tres conjuntos de datos (velocidad
de fase de las ondas superficiales, elipticidad de ondas Rayleigh, funciones receptoras):

Los datos adquiridos en este trabajo han sido invertidos de forma conjunta mediante un
algoritmo no lineal de tipo simulated annealing (Kirkpatrick et al., 1983). La innovación
principal ha sido la incorporación de una regla de aceptación de nuevas soluciones, que evita
tener que realizar operaciones entre las funciones de coste de los distintos conjuntos de
datos. Las nuevas soluciones propuestas por el algoritmo son siempre aceptadas si mejora
el ajuste de todos los datos en conjunto.

Se ha escrito un programa informático para realizar la modelización directa de las ve-
locidades de fase de las ondas superficiales y de la elipticidad de las ondas Rayleigh,
basado en el método de ortonormalización propuesto por R. Wang (1999) que resuelve
las inestabilidades numéricas de la formulación original del método de propagación de
matrices desarrollado por Haskell (1953).

Las velocidades de fase de los distintos modos de las ondas superficiales se combinan
para calcular las curvas de dispersión aparentes, por lo que la inversión conjunta tiene en
cuenta la posible contribución de los modos superiores de las ondas superficiales. Esto
puede ayudar a incrementar la resolución de los modelos (R. Xia et al., 2003), constreñir
la presencia de inversiones de velocidad (Gucunsky y Woods, 1992; R. Xia et al., 2003)
e incrementar la profundidad de investigación (Socco et al., 2010).

El resultado de la inversión conjunta es un modelo detallado de velocidades de ondas S
de la cuenca Vasco-Cantábrica y las regiones adyacentes. El modelo es coherente con la
geología superficial y aporta nuevas evidencias sobre la existencia y continuidad lateral
de la importante raíz cortical bajo la Cordillera Cantábrica.

Además de proporcionar información contrastable con las observaciones geológicas y
geofísicas previas, el modelo de velocidad de ondas S presentado en este estudio solventa
una carencia en el conocimiento de la zona de estudio, cuya caracterización sísmica
estaba basada principalmente en estudios de fuente activa (refracción y reflexión de gran
ángulo), los cuales sólo aportan información acerca de la velocidad de las ondas P.