Modelización 3D de la estructura, la cinemática y el comportamiento sismogénico del Sistema de Fallas de las Béticas Orientales. Aplicación a la amenaza sísmica
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Herrero Barbero, Paula
2023-A
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Resumen
Caracterizar la relación entre la ocurrencia de terremotos y la geometrı́a tridimensional, la cinemática y las tasas de deformación de las fallas de una región activa es esencial para la valoración de la peligrosidad sı́smica. En regiones con deformación lenta, el estudio de las fallas activas se complica debido a la baja disponibilidad de evidencias de actividad tectónica reciente, a menudo difusas o camufladas por los intensos procesos externos, y a un registro de sismicidad histórica escaso y poco preciso. El sistema de fallas de las Béticas Orientales (al que también nos referiremos como Zona de Cizalla de las Béticas Orientales), situado al sureste de la Penı́nsula Ibérica y que forma parte de la Zona de Cizalla de Trans-Alborán, es un buen ejemplo de un sistema activo formado por fallas con bajas tasas de deformación (la mayorı́a inferiores a 1 mm/año). La falta de estimaciones de tasas de deslizamiento y otros parámetros sı́smicos en algunas de sus secciones de falla, ası́ como su moderada a baja sismicidad, han hecho que, a menudo, se infraestimara el potencial de estas fallas de generar terremotos importantes. El terremoto de Mw 5.1 ocurrido en Lorca en Mayo del 2011, asociado a este sistema de fallas y causante de vı́ctimas y cuantiosos daños materiales, puso de manifiesto la necesidad de profundizar en el conocimiento del comportamiento sismogénico de estas fallas. Esta Tesis Doctoral aborda el estudio del sistema de fallas de las Béticas Orientales a diferentes escalas, centrándose en su estructura tridimensional, la estimación de tasas de deformación y la interacción de las estructuras, evaluando cómo afectarı́an a la distribución espacio-temporal de la sismicidad regional a largo plazo.
La primera parte de la investigación se centra en una de las fallas activas con mayor actividad de las Béticas Orientales: la Falla de Alhama de Murcia. La sismotectónica asociada a esta falla ha sido ampliamente estudiada en algunas de sus secciones, dado que presentan evidencias de actividad reciente; sin embargo, en su extremo noreste (sección Alhama de Murcia – Alcantarilla), cuyo relieve es menos prominente, sólo se habı́a estimado una tasa de levantamiento del frente montañoso hasta el momento, inferior a 0.07 mm/año (Silva et al., 2003). Su cercanı́a a grandes poblaciones como la ciudad de Murcia, que hace necesaria una evaluación de su peligrosidad, ası́ como su relación tecto-sedimentaria con la cuenca neógena que bordea, son objeto de interés en esta Tesis Doctoral. Para su estudio, se ha realizado una interpretación estructural de perfiles de sı́smica de reflexión, registros de sondeos y otros datos estructurales del sector suroccidental de la cuenca de Fortuna, presumiblemente controlada por la falla. La interpretación ha permitido construir un modelo 3D de la subcuenca y de la terminación NE de la Falla de Alhama de Murcia y otras pequeñas fallas cercanas hasta aproximadamente los 4 km de profundidad. El modelo estructural propuesto explicarı́a la formación de una zona de acomodación durante el Mioceno y permite discutir sobre el control de esta falla en la formación de la cuenca como una antigua falla extensional miocena. También se han identificado rasgos estructurales asociados a la inversión tectónica positiva de la cuenca que evidencian una reactivación transpresiva de la Falla de Alhama de Murcia entre el Tortoniense Tardı́o (7.6 Ma) y el Messiniense (5.3 Ma), acomodándose al régimen de esfuerzos neotectónico.
La interpretación sı́smica también ha proporcionado los marcadores necesarios para aplicar métodos cinemáticos de restitución de perfiles transversales a lo largo de la sección Alhama de Murcia – Alcantarilla, con el objetivo de estimar tasas de deslizamiento vertical y de acortamiento a largo plazo. La descomposición de orientaciones de convergencia regional a partir de datos geodésicos, combinados con las estimaciones obtenidas en el análisis de perfiles, ha permitido también estimar tasas de deslizamiento lateral. Estimamos ası́ una tasa de deslizamiento neto máxima de 0.32 (+0.18/–0.13) mm/a para los últimos 4.8-7.6 Ma, siendo ésta una tasa superior a la inferida hasta el momento en la sección. Las tasas estimadas a lo largo de la sección evidencian una disminución de la tasa de deslizamiento hacia la terminación noreste de la falla, apoyando la hipótesis de transferencia de la deformación entre la Falla de Alhama de Murcia con, al menos, la cercana Falla de Carrascoy, que estarı́a absorbiendo parte de la componente de acortamiento NNO-SSE durante el Plio-Cuaternario.
La segunda parte de la investigación incorpora la información cinemática, la geometrı́a y las tasas estimadas en la sección norte de la Falla de Alhama de Murcia a un modelo 3D que incluye todas las principales fallas de las Béticas Orientales. El objetivo es analizar, de manera integral, cómo interaccionan las fallas del sistema en función de sus propiedades fı́sicas, para explorar, a continuación, sus implicaciones en la sismicidad a largo plazo, en el comportamiento de la rotura cosı́smica y en la peligrosidad sı́smica. La metodologı́a empleada ha sido la generación de sismicidad sintética de larga duración basada en el modelo fı́sico de las fallas del sistema. En esta Tesis se ha empleado el simulador cuasi-dinámico de terremotos RSQSim (Richards-Dinger y Dieterich, 2012) que emplea la fı́sica de las interacciones de esfuerzos y las ecuaciones de fricción dinámica de ‘tasa y estado’ para reproducir los procesos que controlan la nucleación y propagación de la rotura. Los catálogos sintéticos de terremotos de 100 ka de duración obtenidos superan las limitaciones del catálogo sı́smico histórico, que es escaso e impreciso comparado con los largos periodos intersı́smicos que caracterizan las fallas de movimiento lento de la región. De esta manera, las simulaciones de múltiples ciclos sı́smicos muestran que todas las fallas del sistema son capaces de generar terremotos de magnitud Mw ≥ 6.0 durante un perı́odo de 100 ka, llegando a alcanzarse magnitudes Mw > 7.0 en las fallas de Alhama de Murcia, Carboneras y Bajo Segura, con tiempos inter-evento por encima de los 5000 años. Además, eventos de magnitudes 5.0<Mw≤6.0 podrı́an ocurrir en intervalos de tiempo de menos de 1000 años (menos de 100 años para magnitudes Mw < 5.5), de acuerdo con el análisis del catálogo simulado con mejor ajuste.
Esta investigación aporta un conocimiento de gran interés sobre el posible comportamiento de la rotura durante estos eventos excepcionales y cómo influyen las propiedades fı́sicas de las fallas en la sincronización de sus ciclos sı́smicos. En este sentido, las simulaciones sugieren que todas las fuentes sı́smicas de las Béticas Orientales serı́an fı́sicamente capaces de propagar roturas multi-sección, llegando a romper toda su longitud en el caso de las fallas de Alhama de Murcia, Carboneras y Carrascoy. Asimismo, el modelo de sismicidad sintética sugiere que la generación más probable de grandes terremotos de Mw > 6.7 en las Béticas Orientales serı́a como consecuencia de un “salto” de la rotura entre fallas cercanas del sistema. La transferencia de esfuerzos estáticos entre fallas no solo controla la propagación de roturas complejas en el campo cercano, sino también la generación de secuencias de eventos de gran magnitud que contribuyen a la gran variabilidad de intervalos intersı́smicos observada en el catálogo sintético. Estas observaciones demuestran la fuerte influencia de la ventana temporal de análisis al evaluar el potencial sismogénico de un sistema de fallas y apoyan que las áreas lentas que parecen estar “silenciadas” durante tiempos históricos pueden encontrarse en un perı́odo de quiescencia pero no ser inactivas.
Los resultados tienen implicaciones directas en la amenaza sı́smica de la región, que hemos abordado parcialmente en esta Tesis Doctoral mediante la elaboración de escenarios de intensidad de movimiento del terreno desde una aproximación determinista. Se han estimado los escenarios más desfavorables de aceleración pico (PGA (g)) para las magnitudes máximas obtenidas en las simulaciones con RSQSim, ası́ como otros escenarios adicionales correspondientes a otras magnitudes recurrentes contenidas en el catálogo sintético. Adicionalmente, se ha incorporado el posible efecto de amplificación debido a las propiedades dinámicas de los suelos de la región, para lo cual se ha elaborado un mapa geotécnico a gran escala de las formaciones superficiales implicadas. De esta forma, se concluye que algunas áreas urbanas de las Béticas Orientales presentan una especial susceptibilidad a alcanzar valores de aceleración PGA de hasta 0.6 g en el caso más extremo, debido a la cercanı́a a fallas con elevado potencial de generar terremotos de elevada magnitud (fundamentalmente, las fallas de Alhama de Murcia, Carboneras y Bajo Segura) y por el emplazamiento en potentes suelos de consistencia muy blanda altamente susceptibles a la amplificación del movimiento del terreno durante un terremoto. Estas zonas se encuentran principalmente en la vega media-baja del rı́o Segura (Orihuela, Torrevieja), en la cuenca de Murcia (Murcia capital), en el corredor del Guadalentı́n (Lorca, Alcantarilla), y en la cuenca de Nı́jar (Almerı́a).
De esta Tesis Doctoral se revela la importancia crucial de considerar a las fallas de un sistema de manera conjunta a la hora de evaluar la peligrosidad sı́smica de una región, valorando sus interacciones en el tiempo y en el espacio, y cómo varı́an los parámetros geométricos, cinemáticos y las tasas de deformación a lo largo del sistema. También nos aporta una visión a largo plazo de la historia sı́smica de estas fallas de las Béticas Orientales, explorando el comportamiento de la rotura en terremotos de los que no tenemos precedentes históricos. Este trabajo motiva una futura investigación centrada en el comportamiento dinámico de los terremotos, para lo que es necesario seguir ahondando en el conocimiento de la geometrı́a en profundidad de las fallas de las Béticas Orientales y la estimación de tasas de deslizamiento a largo plazo allá donde la información disponible sigue siendo limitada, quizá mediante procedimientos similares a los expuestos en esta Tesis Doctoral para el extremo NE de la Falla de Alhama de Murcia.
Characterizing the relationship between the occurrence of earthquakes and the three-dimensional geometry, kinematics and deformation rates of the faults of an active region is essential for the seismic hazard assessment. In areas with slow deformation, the study of active faults is complex due to the scarce evidence of recent tectonic activity, often vague or covered by intense surface processes, and a limited and inaccurate historical seismic record. The Eastern Betic Fault System (also known as the Eastern Betic Shear Zone), is located southeast of the Iberian Peninsula and belongs to the Trans-Alboran Shear Zone. It is a good example of an active system formed by faults with low deformation rates (mostly, less than 1 mm/yr). The lack of slip-rates and other kinematic data in some of their fault sections, as well as their moderate to low seismicity, have often led to an underestimation of the seismogenic potential of these faults to generate major earthquakes. The Mw 5.1 Lorca earthquake that occurred in May 2011, associated with this fault system and causing fatalities and significant material damage, revealed the urgent need to going into detail about the seismogenic behavior of these faults. This dissertation addresses the study of the Eastern Betic Fault System at different scales, focusing on its 3D structure, the estimation of deformation rates and the fault interactions, and evaluating how the latter influence the spatio-temporal distribution of long-term seismicity.
The first part of this research focuses on one of the most active faults in the Eastern Betics: the Alhama de Murcia Fault. The seismotectonics of this fault has been widely studied in some of its sections, since they present evidence of recent activity. However, in the northeastern termination (Alhama de Murcia – Alcantarilla section), with less prominent relief, only an uplift rate from the mountain fronts had been estimated so far, which is less than 0.07 mm/year (Silva et al., 2003). Its proximity to big towns such as the spanish city of Murcia, which makes the hazard analysis necessary; as well as its tecto-sedimentary relationship with the bounded neogene basin, are some of the motivations of this dissertation. For this research, a structural interpretation of seismic reflection profiles, well records and other structural data of the southwestern sector of the Fortuna basin (presumably controlled by the Alhama de Murcia Fault) has been carried out. The interpretation has allowed the construction of a 3D model of the sub-basin and the NE termination of the Alhama de Murcia Fault and other small nearby faults. The proposed structural model would explain the formation of an accommodation zone during the Miocene and allows discussing the control of the Alhama de Murcia Fault in the basin evolution as a former extensional fault. Structural features associated with the positive tectonic inversion of the basin have also been identified, showing a transpressive reactivation of the Alhama de Murcia Fault between the Late Tortonian (7.6 Ma) and the Messinian (5.3 Ma) to accommodate the neotectonic stress regime.
The seismic interpretation provides the necessary markers to apply kinematic methods of cross-sections restoration along the Alhama de Murcia – Alcantarilla section for the estimation of long-term dip-slip and shortening rates. The decomposition of regional GPS convergence vectors, combined with the results obtained in the sequential restorations, also allow us to estimate strike-slip rates. Thus, we estimate a maximum net-slip rate of 0.32 (+0.18/-0.13) mm/yr for the last 4.8-7.6 Ma, being a higher rate than the one inferred so far in the section. The rates estimated along the section show a decrease in the slip rate towards the northeast termination of the fault, supporting the hypothesis of a deformation transfer between the Alhama de Murcia Fault with, at least, the nearby Carrascoy Fault, which would be accomodating part of the NNW-SSE shortening component during the Plio-Quaternary.
The second part of the investigation incorporates the kinematic information, the geometry and the estimated slip rates in the northern section of the Alhama de Murcia Fault to a 3D model that also includes all the main faults of the Eastern Betics. The objective is to analyze the implications of the fault interactions on long-term seismicity, on the behavior of the coseismic ruptures, and on the seismic hazard. We generate long-term synthetic seismicity based on a fault-based 3D model of the Eastern Betics, and through the quasi-dynamic earthquake simulator RSQSim (Richards-Dinger and Dieterich, 2012). The RSQSim simulator is based on a boundary element formulation that integrates rate- and state-dependent friction to reproduce the physical processes that control rupture nucleation and propagation. The 100 ka synthetic earthquakes catalogs obtained overcome the limitations of the historical earthquake catalog, which is scarce and incomplete compared to the long inter-seismic periods of the slow-moving faults in the region. The multi-cycle simulations show that all the faults of the system are capable of generating Mw ≥ 6.0 earthquakes during a period of 100 ka, reaching magnitudes of Mw > 7.0 in the Alhama de Murcia, Carboneras and Bajo Segura faults, with inter-event times that could reach down to 5000 years. Therefore, we cannot rule out the occurrence of earthquakes of larger size than the low to moderate magnitudes recorded in the brief historical-instrumental earthquake catalog. Furthermore, events of magnitudes 5.0 < Mw ≤ 6.0, which have been quite destructive recently in this region, could occur in time intervals of less than 1000 years (less than 100 years for Mw < 5.5 events) according to the analysis of the best-fit simulated catalog.
This research is pointing to interesting insights about the possible rupture behavior during these exceptional events and how the fault properties influence the timing of their seismic cycles. In this sense, the simulations suggest that all the seismic sources of the Eastern Betics would be physically capable of propagating the rupture beyond the section where the earthquake is nucleated, even rupturing its entire length in the case of the Alhama de Murcia, Carboneras, and Carrascoy faults. Likewise, the synthetic seismicity model suggests that the most probable generation of large earthquakes of magnitude Mw > 6.7 in the Eastern Betics would be as a consequence of a «jumping» rupture between nearby faults of the system. Static stress transfer between faults not only controls the propagation of complex ruptures in the near field, but also the generation of large-magnitude sequences of events that contribute to the large variability of interseismic intervals observed in the synthetic catalog. These observations demonstrate the strong influence of the time window when evaluating the seismogenic potential of a fault system and support that slow areas that appear to be ’muted’ during historical times may be just in a period of quiescent but not be inactive.
This research has direct implications on the regional seismic hazard, which we partially address in this dissertation through the estimation of ground motion intensity scenarios from a deterministic approach. Worst-case scenarios of peak ground acceleration (PGA (g)) are estimated for the maximum magnitudes obtained with the RSQSim simulations, as well as other additional scenarios corresponding to recurrent magnitudes contained in the synthetic catalog. Additionally, the possible site amplification is added to the scenarios on rock. For this purpose, we perform a large-scale geotechnical map of the multiple dynamic soil properties in this wide region. According to the results, it is concluded that some urban areas of the Eastern Betics show a special susceptibility to reaching PGA values of up to 0.6 g in the worst cases, due to the proximity to faults with a high seismogenic potential (principally, the Alhama de Murcia, Carboneras and Bajo Segura faults), and the site on thick and very soft soils (silty clays) highly related to ground amplification during an earthquake. These areas are mainly located in the Bajo Segura basin (e.g., towns of Orihuela and Torrevieja), in the Murcia basin (city of Murcia), in the Guadalentin corridor (Lorca, Alcantarilla), and in the Nijar basin (Almeria).
This dissertation reveals the importance of jointly considering all the faults of a system when evaluating the seismic hazard of a region, assessing their time-space interactions, and how the geometry, kinematics and slip rates vary throughout the system. This research also provides us with a long-term view of the seismic history of these Eastern Betic faults, exploring the rupture behavior during earthquakes for which we have no historical precedent. This PhD Thesis motivates future research focused on the dynamic behavior of earthquakes, for which it is necessary to continue delving into the knowledge of the in-depth fault geometry and the estimation of long-term slip rates wherever the available information is still limited, perhaps through procedures similar to those exposed in this dissertation for the NE end of the Alhama de Murcia Fault.
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Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xii
Índice de figuras xx
Índice de tablas xxii
Resumen xxiii
Abstract xxvii
1 Introducción 1
1.1 Presentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Antecedentes: Investigación previa en las Béticas Orientales . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Motivación y objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Estructura de la Tesis Doctoral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
1.5 Software y licencias empleadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Marco geológico 17
2.1 Contexto tectónico de la Cordillera Bética: dominios estructurales y cuencas neógenas . . . .17
2.1.1 Evolución tectónica en las Béticas Orientales a partir del Mioceno Superior. . . . . . 19
2.2 La Zona de Cizalla de las Béticas Orientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1 Sismotectónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.2 Principales zonas de falla de la ZCBO: estructura, cinemática, tasas de deformación y
sismicidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Análisis estructural de la sección NE de la Falla de Alhama de Murcia: inversión tectónica y 29
estructura profunda
3.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Marco geológico local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 Estratigrafı́a de la cuenca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 Estructura de la cuenca en relación con la geometrı́a de las fallas . . . . . . . . . . 37
3.3 Interpretación estructural a partir de datos geofı́sicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.3.1 Conjunto de datos geológicos y de sı́smica: adquisición y tratamiento . . . . . . . . . 39
3.3.1.1 Cartografı́a geológico-estructural de la zona de estudio . . . . . . . . . . . . .40
3.3.1.2 Perfiles de sı́smica de reflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.1.3 Sondeos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
3.3.2 Interpretación de unidades litoestratigráficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.3 Interpretación estructural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.4 Modelo estructural 3D del sector suroccidental de la cuenca de Fortuna . . . . . . . . 49
3.4 Implicaciones de la interpretación sı́smica en la geometrı́a e inversión de la sección NE
de la Falla de Alhama de Murcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
3.5 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Distribución de la tasa de deslizamiento reciente en la terminación NE de la Falla
de Alhama de Murcia 55
4.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Metodologı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
4.2.1 Restitución secuencial de cortes geológicos transversales . . . . . . . . . . . . . . .59
4.2.2 Análisis 3D del desplazamiento vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
4.3 Resultados: estimación de tasas de deslizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4 Discusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
4.4.1 Criterios asumidos para las estimaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.2 Comparación de los resultados obtenidos con los datos geológicos y geodésicos . . . . .74
4.4.3 Distribución de la tasa de deslizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5 Simulaciones de sismicidad sintética en la Zona de Cizalla de las Béticas Orientales. 83
5.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 Fuentes sismogénicas en la Zona de Cizalla de las Béticas Orientales . . . . . . . . . . . . 88
5.3 Metodologı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.1 Modelo de deformación y geometrı́a 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.2 Propiedades friccionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3.3 Simulación de terremotos sintéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
5.3.3.1 Simulador RSQSim: formulación y aproximaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3.3.2 Parámetros de entrada de las simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
5.4 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5 Discusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.5.1 Análisis de magnitudes y tiempos entre eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
5.5.2 Modelización de terremotos de pequeña a moderada magnitud . . . . . . . . . . . . . . 110
5.5.3 Modelización de terremotos de gran magnitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.5.4 Segmentación de las fallas y extensión de la rotura sı́smica . . . . . . . . . . . . . 114
5.5.4.1 Roturas multi-sección y roturas completas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5.4.2 Roturas multi-falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.5.5 Secuencias de terremotos de gran magnitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.5.6 Ventajas y limitaciones de la simulación de terremotos en las Béticas Orientales . . .123
5.6 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
6 Análisis determinista de la peligrosidad sı́smica en las Béticas Orientales a partir
de sismicidad sintética a largo plazo. 127
6.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
6.2 Metodologı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2.1 Modelo de sismicidad sintética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
6.2.1.1 Definición de escenarios sı́smicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.2 Modelo de atenuación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
6.2.3 Análisis del efecto local por amplificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.2.3.1 Caracterización geotécnica de suelos en las Béticas Orientales . . . . . . . . .139
6.2.3.2 Zonificación de la respuesta sı́smica: factores de amplificación . . . . . . . . 148
6.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
6.3.1 Escenarios deterministas de PGA más desfavorables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.3.2 Escenarios de PGA para magnitudes especı́ficas basadas en periodos de retorno
del catálogo sintético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
6.4 Discusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.4.1 Implicación del modelo de fallas y de sismicidad sintética en los resultados . . . . .163
6.4.2 Implicación del modelo de atenuación: comparación con estudios previos . . . . . . . .165
6.4.3 Implicación de los escenarios de PGA con efecto local en los principales núcleos
urbanos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.4.4 Sı́ntesis de limitaciones y prospectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
6.5 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175
7 Discusión final y perspectivas futuras 177
7.1 Metodologı́a y flujo de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177
7.2 Tasas de deformación a largo plazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
7.3 Estructura tridimensional de las fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.3.1 Implicaciones de la estructura 3D del extremo noreste de la Falla de Alhama de Murcia 187
7.3.2 Complejidades geométricas 3D en el Sistema de fallas de las Béticas Orientales . . . .189
7.4 Interacción entre fallas y comportamiento de la rotura sı́smica . . . . . . . . . . . . . . .192
7.5 Evolución espacio-temporal de la sismicidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.6 Aplicación al estudio de la amenaza sı́smica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.7 Posibles lı́neas de investigación futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207
8 Conclusiones finales 211
9 Conclusions 219
Bibliografı́a 226
Anexo A Análisis estructural de la subcuenca de Mula-Archena 253
A.1 Cartografı́a geológica-estructural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
A.2 Interpretación de perfiles de sı́smica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Anexo B Simulaciones de sismicidad sintética en las Béticas Orientales. 265
B.1 Datos adicionales y cálculos de IR paleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265
B.2 Información detallada sobre las fallas del modelo 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267
B.3 Parámetros de entrada de la simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275
Anexo C Análisis determinista de la peligrosidad sı́smica en las Béticas Orientales 277
C.1 Clasificación geotécnica de las formaciones superficiales de las Béticas Orientales. . . . .277
C.2 Escenarios de PGA en condiciones de roca (Vs = 750 m/s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Sobre la interpretación estructural de la terminación NE de la Falla de Alhama de Murcia.
La evolución tectónica reciente de la Falla de Alhama de Murcia en su sección NE está estrechamente relacionada con el desarrollo y la inversión tectónica de la cuenca de Fortuna durante el Mioceno. La integración e interpretación de perfiles de sísmica de reflexión, sondeos y otros datos geológico-estructurales del sector suroccidental de la cuenca (subcuenca de Mula-Archena) proporciona observaciones estructurales con implicaciones en los modelos de falla propuestos en relación con la geometría y la evolución de la cuenca:
• Una reactivación transpresiva de la Falla de Alhama de Murcia en el Mioceno tardío podría explicar el buzamiento del plano de falla interpretado (∼59º) y los rasgos estructurales identificados, posiblemente asociados a una inversión tectónica positiva localizada. La componente vertical del deslizamiento, en relación con la orientación de los esfuerzos, es compatible con esta interpretación.
• El análisis de la interpretación sísmica ayuda a restringir un rango preferente de edad entre el Tortoniense tardío (7.6 Ma) y el Messiniense (5.3 Ma) para la reactivación transpresiva de la Falla de Alhama de Murcia.
• La escasa resolución de los datos sísmicos bajo el basamento Bético (a partir de ∼4 km) dificulta concluir la presencia de una falla normal de bajo ángulo que separe el basamento del relleno de la cuenca. Aún así, este modelo estructural explicaría la formación de una zona de acomodación y las estructuras invertidas típicas observadas.
• Alternativamente, sugerimos la presencia de un sistema de fallas heredadas de alto buzamiento que penetran en el basamento, relacionadas con la zona de falla de Alhama de Murcia, que no sólo podrían acomodar el desplazamiento a mayor profundidad, sino también permitir la reactivación de la falla con la cinemática sinestral-inversa dominante actualmente.
• En relación con la génesis de la cuenca de Fortuna, con nuestros datos no podemos descartar o respaldar si la cuenca miocena, en su sector suroccidental, se desarrolló como una cuenca verdaderamente extensional controlada por una gran falla normal, o si fallas transcurrentes conjugadas controlaron la formación de la cuenca. Para resolver el papel de la Falla de Alhama en la evolución de la cuenca de Fortuna en el Mioceno se necesita abordar nuevas investigaciones.
• La interpretación estructural de los perfiles de sísmica de reflexión y los datos de sondeos de la subcuenca de Mula-Archena, junto a la construcción de un modelo tridimensional, conducen a un mejor entendimiento de la relación tectono-sedimentaria entre la cuenca de Fortuna y las fallas interpretadas, principalmente, la Falla de Alhama de Murcia. También nos proporcionan los rasgos estructurales y marcadores necesarios para aplicar técnicas de restitución de secciones transversales para la posterior estimación de tasas de deslizamiento.
Sobre la estimación de tasas de deslizamiento a largo plazo en el extremo NE de la Falla de Alhama de Murcia.
En este trabajo empleamos la interpretación sı́smica, la toma de datos estructurales en campo, la restitución de secciones transversales, el análisis de desplazamiento vertical 3D y la descomposición de orientaciones GPS para estudiar la terminación norte de la Falla de Alhama de Murcia (sección Alhama de Murcia – Alcantarilla) y estimar sus tasas de deslizamiento a largo plazo. Las principales conclusiones son las siguientes:
• En esta zona, la falta de evidencias geomorfológicas que muestren actividad reciente ha propiciado la escasez de datos de deslizamiento y la limitación de parámetros geométricos estimados hasta el momento. La mayor parte de los materiales deformados cerca de la falla son anteriores al Plioceno y muchos manifiestan un cierto control tectónico, por lo que se hace necesario estimar tasas de deformación a largo plazo mediante marcadores pre-Cuaternarios.
• Para obtener tasas de deslizamiento a favor del buzamiento (‘dip-slip’) y tasas de acortamiento, en esta investigación se han aplicado satisfactoriamente métodos cinemáticos de restitución de perfiles transversales a lo largo de la traza de la sección Alhama de Murcia–Alcantarilla. Se estiman una tasa máxima de deslizamiento a favor del buzamiento de 0.20 (+0.05/–0.04) mm/a y una tasa de acortamiento de 0.10 (+0.03/–0.02) mm/a al SO de la sección (sector Librilla).
• Los valores estimados a partir de las restituciones se combinaron con vectores de movimiento GPS regionales para estimar las tasas de deslizamiento lateral (max. 0.23(+0.21/–0.16) mm/a en el sector Librilla). Se calcula un ratio tasa deslizamiento según buzamiento / tasa de deslizamiento lateral de 0.86 en al SO de la sección, siendo una relación bastante superior a la estimada en la sección sur de esta falla, lo que denotarı́a un mayor dominio de la componente vertical del deslizamiento concentrada en una única traza en la terminación NE.
• Estimamos una tasa de deslizamiento neto máxima de 0.32 (+0.18/–0.13) mm/a en el sector suroeste de la sección de falla, y una tasa de deslizamiento neto mı́nima de 0.05 (+0.03/–0.02) mm/a en el sector noreste (últimos 4.8–7.6 Ma), usando para el cálculo de la componente lateral un rango preferente de vectores de convergencia GPS (cabeceo sobre el plano de falla: 25º-58º NE) de acuerdo a los datos cinemáticos y sismotectónicos disponibles.
• Los resultados de la restitución de perfiles, junto a un análisis 3D de desplazamiento vertical, evidencian una disminución de la tasa de deslizamiento hacia el extremo noreste de la Falla de Alhama de Murcia. La distribución de la tasa de deslizamiento a lo largo de la sección norte de la falla apoya la hipótesis de transferencia de deformación entre la Falla de Alhama de Murcia con, al menos, la cercana Falla de Carrascoy, que estarı́a absorbiendo parte de la componente de acortamiento NNO-SSE durante el Plio-Cuaternario.
• Las tasas de deslizamiento a largo plazo y los rasgos geométricos interpretados en la terminación norte de la Falla de Alhama de Murcia (tramo Alhama de Murcia–Alcantarilla) en esta investigación son importantes para futuros trabajos con implicaciones en la amenaza sı́smica, debido especialmente a su proximidad a la densamente poblada ciudad de Murcia y a su interacción con otras fallas de las Béticas Orientales al norte del valle del Guadalentı́n.
Sobre el estudio de las interacciones y el comportamiento de la rotura sı́smica en las fallas de las Béticas Orientales.
El código cuasi-dinámico de simulación de terremotos RSQSim, utilizado en esta investigación, reproduce los procesos que controlan la nucleación y propagación de la rotura sı́smica a partir de la geometrı́a 3D de las fallas de las Béticas Orientales, su cinemática, sus tasas de deslizamiento a largo plazo y las propiedades de fricción dinámica de Dieterich (1979). La aplicación de las simulaciones de terremotos nos ha permitido generar catálogos sı́smicos sintéticos de 100 ka de duración. Estos modelos sintéticos persiguen superar las limitaciones del actual registro instrumental, que abarca un periodo de tiempo muy breve, y del catálogo de terremotos históricos, que puede resultar impreciso y escaso comparado con los largos periodos intersı́smicos que caracterizan las fallas de movimiento lento de la región. El análisis de esta sismicidad de larga duración basada en las propiedades fı́sicas de las fallas del sistema nos aporta interesantes conclusiones:
• El catálogo sintético óptimo obtenido en este estudio se correlaciona bien estadı́sticamente con relaciones empı́ricas, con datos de sismicidad regional real en términos de frecuencia anual acumulada, y con los intervalos de tiempo de recurrencia promedio estimados a partir de datos paleosı́smicos. A partir del análisis de la distribución de frecuencias-magnitudes, se ha calculado una magnitud de completitud de Mc 4.6, a partir de la cual la sismicidad sintética generada por las grandes fallas modelizadas se asume que es representativa de la sismicidad de la región.
• El catálogo de terremotos sintéticos con el mejor ajuste muestra una buena correlación con el catálogo histórico con respecto a las tasas de ocurrencia anual estimadas para terremotos Mw ≤ 6.0. Se estima una tasa de 0.07 eventos/año para terremotos de magnitud Mw 5.0-5.4, semejantes al severo terremoto de Lorca de 2011 (Mw 5.1).
• Las simulaciones muestran que las fuentes sismogénicas con mayor número de eventos nucleados son la Falla de Alhama de Murcia y la Falla de Carboneras. Este hecho se debe a sus tasas de deslizamiento superiores a 1 mm/año en alguna de sus secciones y, posiblemente, a una cinemática de deslizamiento lateral dominante que parece favorecer la propagación de la rotura entre secciones de la misma falla.
• Según el modelo sintético, sólo alrededor del 10 % de los eventos simulados tiene una magnitud mayor de MW 5.0, pero todas las fallas del sistema son fı́sicamente capaces de generar terremotos de magnitud M W ≥6.0 durante un perı́odo de 100 ka.
• Los catálogos sintéticos muestran varios eventos de magnitud Mw ≥ 7.0 en la Falla de Alhama de Murcia (magnitud máxima Mw 7.4) y la Falla de Carboneras (magnitud máxima Mw 7.6), con tiempos inter-evento de entre 5000 y 40000 años; y un evento de magnitud Mw 7.1 en la Falla del Bajo-Segura. La Falla de Carrascoy, ubicada al NE del sistema de fallas, como la Falla del Bajo Segura y con una distribución de magnitudes muy similar, registra un terremoto sintético máximo de Mw 6.9. El simulador basado en la fı́sica reproduce menos sismicidad en la Falla de Palomares y en la Falla de Los Tollos, con magnitudes máximas simuladas de Mw 6.7 y Mw 6.6, respectivamente.
• Aunque los grandes terremotos de magnitud Mw ≥ 6.0 en el Sistema de fallas de las Béticas Orientales tendrı́an tiempos inter-evento de unos pocos miles (en el caso de las fallas de Alhama y Carboneras) a decenas de miles de años, eventos de magnitudes 5.0<Mw<6.0, que han resultado bastante destructivos recientemente en esta región, podrı́an ocurrir en intervalos variables de tiempo de menos de 1000 años (menos de 100 años para magnitudes Mw ≤ 5.5) de acuerdo con el análisis del catálogo simulado.
• Las simulaciones de múltiples ciclos sı́smicos realizadas en este estudio sugieren que todas las fuentes sı́smicas del Sistema de fallas de las Béticas Orientales serı́an teóricamente capaces de propagar la rotura más allá de la sección donde se nuclea el terremoto. Sin embargo, observamos que sólo las fallas de Alhama de Murcia, Carboneras y Carrascoy (además de Los Tollos, que tiene una única sección) son capaces de generar una rotura completa de la falla. El modelo de sismicidad sintética sugiere que la generación más probable de grandes terremotos de magnitud Mw > 6.7 en las Béticas Orientales serı́a como consecuencia de un “salto” de la rotura entre fallas cercanas del sistema.
• El catálogo simulado muestra encadenamientos de la rotura (que no implican necesariamente la rotura completa de ambas fallas) entre la Falla de Carboneras y la sección sur de la Falla de Palomares con un tiempo de recurrencia variable de menos de 20.000 años; y ”saltos” de la rotura menos frecuentes entre la Falla de Alhama de Murcia con la fallas paralelas de Los Tollos y la sección norte de Palomares por transferencia de esfuerzos estáticos. No se pueden descartar otras combinaciones de roturas complejas si consideramos además la transferencia de esfuerzos dinámicos (i.e., propagación de ondas) no considerada en nuestro modelo, además de un mayor número de complejidades geométricas en las fallas (ramas secundarias, stepovers, etc.).
• A pesar de su menor actividad, la Falla de Los Tollos parece tener un papel de enlace entre las otras fallas del sistema de las Béticas Orientales, ya que observamos que está involucrada en la mayorı́a de las roturas multi-falla. Esto se puede asociar a su cercanı́a a las secciones al sur de la Falla de Alhama de Murcia con mayor potencial de encadenar una gran rotura conjunta, y su orientación óptima con respecto a ellas. No se puede descartar, por tanto, que paleo-roturas superficiales identificadas en fallas como ésta pudieran asociarse a terremotos complejos nucleados inicialmente en la Falla de Alhama de Murcia.
• La gran variabilidad de los tiempos entre eventos observados a lo largo de sucesivos ciclos sı́smicos, especialmente entre terremotos de Mw > 6, evidencian cómo las interacciones entre fallas próximas condicionan la distribución espacio-temporal de la sismicidad, ya sea mediante roturas complejas que se transfieren a otras fallas cercanas, como a través de secuencias (clusters) de eventos de gran magnitud que inducen una variación en los intervalos intersı́smicos. En el catálogo sintético simulado de 100 ka de duración se han identificado hasta 14 secuencias de un par de eventos nucleados en la misma falla o en fallas próximas (<30 km) en periodos de tiempo inferiores a 27 años entre los eventos implicados.
• Las observaciones de la sismicidad sintética de larga duración demuestran la fuerte influencia de la ventana temporal de análisis y apoyan que las áreas lentas que parecen estar “silenciadas” durante tiempos históricos pueden encontrarse en un perı́odode quiescencia pero no ser inactivas. Por tanto, no deberı́a descartarse la ocurrencia de terremotos mayores que las magnitudes bajas a moderadas registradas en el breve catálogo histórico-instrumental de terremotos, especialmente al evaluar la peligrosidad sı́smica regional en el sureste de España.
Sobre la estimación de la amenaza sı́smica en las Béticas Orientales.
Determinar la magnitud máxima del modelo de sismicidad es un paso fundamental previo a la evaluación de la peligrosidad y, por ello, en este trabajo exploramos cómo se manifestarı́an en el terreno los grandes terremotos menos frecuentes que se nuclean en las simulaciones de sismicidad sintética basada en las propiedades fı́sicas de las fallas y la interacción de esfuerzos. Desde una aproximación determinista y empleando modelos de atenuación (principalmente, las ecuaciones de Akkar et al. (2014)), se han elaborado escenarios de intensidad del movimiento del suelo en términos de aceleraciones pico alcanzadas, PGA (g). Asimismo, incorporamos a la evaluación el posible ‘efecto suelo’ debido a la respuesta sı́smica a las propiedades dinámicas del terreno (principalmente, velocidades de ondas Vs30), que pueden inducir un fenómeno de amplificación del movimiento del terreno durante el terremoto. Para ello, se ha realizado una clasificación geotécnica regional de los materiales geológicos sobre los que se emplazan áreas urbanas densamente pobladas. De los escenarios obtenidos, se concluye:
• Los terremotos que alcanzan las mayores magnitudes en el catálogo sintético, con hipocentros en la Falla de Carboneras (Mw 7.6), la Falla de Alhama de Murcia (Mw 7.4) y la Falla de Bajo Segura (Mw 7.1), producirı́an unas aceleraciones PGA ligeramente superiores a 0.6 g en el entorno más próximo a la traza, según los escenarios estimados. En los tres casos se estima un incremento notable de valores de PGA por amplificación debido a la presencia de suelos blandos próximos.
• En la Falla del Bajo Segura, el efecto de la amplificación llega a incrementar hasta 0.2 g las medidas de PGA estimadas en roca, siendo persistente hacia el norte de la traza debido a potentes suelos arcillosos saturados que rellenan buena parte de la Cuenca del Bajo Segura. Estos suelos se han clasificado en nuestro análisis como suelos especiales (Clase VI) con muy alto potencial de amplificación (Vs <150 m/s). Sobre ellos, se estiman valores de PGA de 0.31±0.01 g en la ciudad de Orihuela para un escenario de terremoto máximo en la Falla del Bajo Segura aunque, por cercanı́a a la fuente, las aceleraciones estimadas en Torrevieja serı́an superiores (0.48±0.06 g).
• En la Falla de Alhama de Murcia, observamos un incremento de valores de PGA de hasta 0.1 g, especialmente significativo sobre el plano de falla. Esto revela un importante efecto de bloque de techo en las fallas con moderado buzamiento, que no observamos en la falla subvertical de Carboneras. El escenario muestra una aceleración máxima de 0.59±0.02g en la ciudad de Lorca. No obstante, los valores alcanzados en la ciudad de Murcia, a pesar de la distancia, serı́an significativos (0.33±0.01 g) debido al emplazamiento sobre potentes arcillas y limos saturados similares a los de la cuenca del Bajo Segura.
• Al SO del sistema, el efecto local se hace notable en la Cuenca de Nı́jar (incremento >0.1 g) debido a suelos blandos (arcillas y limos; 150<Vs<200 m/s) con alto potencial de amplificación (Clase V), llegando a alcanzarse valores de PGA de 0.50±0.07 g. No obstante, un terremoto máximo en la Falla de Carboneras presenta una distribución de PGA que se atenúa a menor distancia de la fuente que en las fallas de Alhama de Murcia y Bajo Segura. En la ciudad de Almerı́a, situada parcialmente sobre suelos de naturaleza similar, se alcanza en nuestro escenario máximo una aceleración media de 0.37±0.06 g.
• Los diversos escenarios propuestos muestran que, aunque las mayores aceleraciones se alcanzan, lógicamente, en las magnitudes máximas, el efecto sitio se hace especialmente relevante a menores magnitudes, aún siendo menor el PGA en roca. Un terremoto simulado Mw 6.1-6.2 en las fallas de Carboneras y Bajo Segura alcanzarı́an, de acuerdo con el principal modelo de atenuación escogido, aceleraciones del terreno ligeramente superiores 0.5 g debido a la influencia del tipo de suelo presente en las cuencas que limitan estas fallas, y de en torno a 0.42 g sobre la Falla de Alhama de Murcia.
• Algunas zonas de la región de estudio parecen ser más susceptibles a alcanzar valores de PGA muy altos debido a la combinación de una elevada magnitud del evento, su cercanı́a a la fuente sı́smica, y por el emplazamiento de suelos de consistencia muy blanda con capacidad de amplificar el movimiento del terreno. En este sentido, las grandes roturas sı́smicas que podrı́an producirse en las fallas que bordean el Valle del Guadalentı́n suponen una enorme incidencia en la peligrosidad de esta zona densamente poblada, donde se localizan los municipios de Lorca (90k hab.), Alcantarilla (40k hab.) y Totana (30k hab.).
• En la cuenca de Murcia y sur de la cuenca del Bajo Segura, los valores relativos alcanzados también son notables y denotan una fuerte influencia de los factores asignados de amplificación por la presencia de potentes depósitos de suelos blandos arcillosos. Parte de estos depósitos de naturaleza fluvial-aluvial, los que poseen una granulometrı́a más arenosa, también pueden ser susceptibles a la licuefacción de acuerdo con estudios previos. En esta zona también son susceptibles a la amplificación los depósitos arenosos costeros (Clases IV-V), sobre los que se asientan parcialmente áreas urbanas como Torrevieja (más de 80.000 habitantes).