Análisis sismotectónico de la convergencia Caribe, Nazca, Suramérica: Implicaciones para el peligro sísmico de Colombia
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Arcila Rivera, María Mónica Matilde
2025-A
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Resumen
En Colombia, el peligro sísmico está asociado a la convergencia de las placas litosféricas de Caribe, Nazca y Suramérica, las cuales dan origen a eventos con un alto potencial destructivo, en particular, por las condiciones de exposición y vulnerabilidad en el territorio nacional. Es por ello que durante los últimos 50 años se han desarrollado importantes esfuerzos para estudiar el peligro sísmico, dando como resultado varios modelos a escala nacional y regional.
No obstante, los modelos existentes no hacen un análisis integral de la sismotectónica del país, por lo que las estimaciones del riesgo sísmico actuales tienen limitaciones técnicas y metodológicas con implicaciones en el uso y las decisiones que se soportan en este campo del conocimiento, siendo de interés para esta tesis, las relacionadas con las evaluaciones del peligro sísmico.
Para reducir las limitaciones de conocimiento y disponer de criterios robustos para el estudio del peligro sísmico en Colombia, esta tesis se enfoca en el análisis sismotectónico de la convergencia de las placas Caribe, Nazca, Suramérica, teniendo en cuenta información sismológica, geodésica, geofísica y tectónica disponible.
Se parte de un análisis de sismicidad, llevando a cabo interpretaciones de los rasgos más relevantes y considerando que el conocimiento en profundidad de la estructura de la litósfera es fundamental para postular modelos sismotectónicos.
Posteriormente, se presentan las metodologías y los resultados de los análisis de esfuerzos y deformación a partir de los mecanismos focales de terremotos y de las velocidades instantáneas de Sistemas de Posicionamiento Global (GPS). Esto permite evidenciar, además, perturbaciones locales relacionadas con heterogeneidades corticales y topográficas, así como información sobre la magnitud relativa de las principales tensiones.
A partir de los análisis del comportamiento termal y reológico de la corteza, se realizan estimaciones de flujos de calor, temperatura del Moho y gradientes geotérmicos, lo que va a permitir mejorar las definiciones de la profundidad de las zonas sismogénicas en Colombia.
Finalmente, se llevan a cabo análisis del potencial sísmico, en donde se implementan dos metodologías para relacionar las tasas de deformación estimadas, con cuantificaciones de productividad sísmica de la corteza en el noroeste de Suramérica, siendo este un insumo fundamental para el conocimiento en el país, pues se constituyen en una alternativa novedosa para ser empleada en las evaluaciones de la peligrosidad sísmica.
The seismic hazard in Colombia is due to the convergence of the Caribbean, Nazca, and South American tectonic plates. This convergence leads to phenomena with high destructive potential, particularly given the vulnerability conditions present within the national territory. Consequently, over the past 50 years, significant efforts have been dedicated to the study of seismic hazards, leading to the development of various models at both the national and regional levels.
However, the existing models do not provide a comprehensive analysis of the seismotectonics of the country. As a result, the current seismic risk estimates exhibit technical and methodological limitations, which have significant implications for decision-making within this discipline. Specifically, those limitations related to seismic hazard assessments are of particular interest for this thesis.
This thesis focuses on the seismotectonic analysis of the convergence of the Caribbean, Nazca, and South American plates. It incorporates information from seismological, geodetic, geophysical, and tectonic datasets. The objective is to reduce knowledge gaps and establish robust criteria for studying seismic hazards in Colombia.
The starting point of this work is an analysis of seismicity aimed at enhancing our understanding of the lithosphere’s structure, as this knowledge is fundamental for postulating seismotectonic models. This analysis involves interpreting the most relevant features of seismic events.
The methodology and results of the stress and deformation analysis are presented, based on the focal mechanisms of earthquakes and the instantaneous velocities obtained from Global Positioning Systems (GPS). This analysis provides calculations of the relative magnitude of the principal stresses and reveals local disturbances associated with crustal and topographic heterogeneities.
Estimates of heat fluxes, Moho temperature, and geothermal gradients are obtained from the analysis of the thermal and rheological behavior of the crust. This information will enhance the definitions of the depth of seismogenic zones in Colombia.
Finally, seismic productivity analyses are conducted using two methodologies to relate the estimated deformation rates to quantifications of seismic productivity in the crust of Northwestern South America. This analysis provides essential insights for understanding the region, as it represents a novel alternative for use in seismic hazard assessments.
RESUMEN xxi
ABSTRACT xxiii
CAPÍTULO 1 25
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 25
1.1 ESTUDIOS SISMOTECTÓNICOS 26
1.2 ESFUERZOS Y CAMPOS DE ESFUERZOS 27
1.3 ANTECEDENTES Y ESTUDIOS PREVIOS 30
1.4 INTERÉS Y OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 33
1.5 ESTRUCTURA Y MEMORIA DE LA TESIS 34
CAPÍTULO 2 37
CONTEXTO TECTÓNICO 37
2.1 LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA 38
2.2 SINTESIS TECTÓNICA 38
2.3 MODELOS PREVIOS 40
CAPÍTULO 3 47
ANÁLISIS DE LA SISMICIDAD 47
3.1 ANÁLISIS REGIONAL 48
3.2 ANÁLISIS NACIONAL 54
CAPÍTULO 4 63
ANÁLISIS DE ESFUERZOS Y DEFORMACIÓN 63
4.1 METODOLOGÍA 65
4.1.1 Estados de esfuerzo a partir de mecanismos focales de terremotos 65
4.1.2 Deformación a partir del campo de velocidades obtenido por técnicas geodésicas 70
4.2 RESULTADOS 73
4.2.1 Estados de esfuerzos 73
4.2.2 Velocidades y tensor de deformación 79
4.3 DISCUSIÓN 86
4.4 ESFUERZOS EN SUBDUCCIÓN 90
CAPÍTULO 5 95
APROXIMACIÓN AL COMPORTAMIENTO REOLÓGICO Y TERMAL DE LA CORTEZA 95
5.1 APROXIMACIÓN A LA ESTRUCTURA TERMAL 95
5.1.1. Profundidad de la temperatura de Curie 95
5.1.2 Espesor del Moho 98
5.1.3 Flujo de Calor 104
5.1.4 Temperatura en el Moho 107
5.1.5 Gradiente geotérmico cortical 110
5.2 APROXIMACIÓN AL COMPORTAMIENTO REOLÓGICO 112
5.2.1 Aproximación estadística 112
5.2.2 Perfiles reológicos 125
5.3 DISCUSIÓN 128
CAPÍTULO 6 131
POTENCIAL SÍSMICO DE LA CORTEZA 131
6.1 CONFORMACIÓN DE LAS BASES DE DATOS 131
6.1.1 Catálogo sísmico 133
6.1.2 Tasas de deformación 135
6.2 PROBABILIDAD DE OCURRENCIA DE SISMOS POR TASAS DE DEFORMACIÓN 135
6.2.1 Caracterización de la ocurrencia de terremotos 136
6.2.2 Caracterización de la distribución de probabilidad de las deformaciones de la corteza 138
6.2.3 Cálculo de la probabilidad condicionada de ocurrencia de sismos para diferentes niveles de deformación 139
6.3 PROBABILIDAD DE OCURRENCIA DE SISMOS POR TASAS DE DEFORMACIÓN POR AÑO 140
6.3.1 Análisis del catálogo sísmico 142
6.3.2 Estimación de la productividad sísmica por rango de deformación, en términos de densidad de eventos producidos por año 146
6.3.3 Análisis de la distribución del parámetro b por rango de tasa de deformación (strain rate) 148
6.3.4 Estimación del valor de Mmáx en función de la tasa de deformación (strain rate) 149
6.4 APLICACIÓN PARA LA ESTIMACIÓN DEL PELIGRO SÍSMICO 151
CAPÍTULO 7 155
CONCLUSIONES 155
REFERENCIAS 159
Este capítulo final reúne los principales aportes respecto al contexto geodinámico regional, y en los resultados de los análisis de esfuerzo y deformación, de la reología y del potencial sísmico de la corteza, junto con posibles aplicaciones para la estimación del peligro sísmico de Colombia.
* Contexto Geodinámico Regional
El contexto tectónico de Colombia, marcado por la interacción de las placas de Caribe, Nazca y Suramérica, y los diversos bloques o zonas entre ellos y que acomodan la deformación, muestra una placa Caribe cercanamente estacionaria, una placa de Nazca desplazándose en dirección este-noreste a velocidades del orden de 50 mm/a, y una placa de Suramérica desplazándose en dirección norte a velocidades de 20 mm/a.
Esta convergencia de placas en la esquina noroeste de Suramérica se resuelve principalmente con la subducción de la placa litosférica de Nazca bajo el occidente de Suramérica, con una sismicidad característica de Wadati-Benioff; y una convergencia con subducción débil y colisión entre las placas de Caribe y Suramérica. También se ha postulado la placa Maracaibo (paleocaribe), que podría explicar la sismicidad de profundidad intermedia altamente concentrada en el nido sísmico de Bucaramanga, donde los procesos en la fuente sísmica son variables, a diferencia de lo observado en otras zonas con sismicidad a esas profundidades, que se relacionan con procesos de subducción de una placa oceánica.
* Esfuerzo y Deformación
El análisis conjunto de los datos de mecanismos focales y de GPS permite describir a una escala regional el régimen de esfuerzos dominante, la orientación del máximo acortamiento horizontal y su relación con la tectónica a lo largo de grandes regiones, mostrando perturbaciones locales relacionadas con heterogeneidades corticales y topográficas. Estos mapas igualmente brindan información sobre la magnitud relativa de las principales tensiones.
Los resultados de esfuerzo y deformación actual para el territorio colombiano, obtenidos con el Modelo de Deslizamiento a partir de mecanismos focales de terremotos y del tensor tasa de velocidad de deformación, muestran un origen directamente relacionado con los límites de placas y son consistentes con un esquema sismotectónico caracterizado por la convergencia de los bloques Andino, Coiba y Panamá en el noroccidente de Colombia, por la convergencia W-E de las placas de Nazca y Suramérica y sus relaciones con la placa Caribe.
De los análisis realizados se pueden reconocer las zonas continentales que mejor acomodan la deformación debida a la convergencia entre placas y bloques litosféricos, implicando aquellas que principalmente están en regímenes compresivos a transpresivos, y que exhiben una mayor velocidad de deformación.
Las zonas de contacto entre la placa Nazca subducente y el bloque Andino, que presentan un régimen dominante entre compresivo y transpresivo serían zonas claramente acopladas. Estas zonas se encuentran segmentadas por áreas de régimen extensional que corresponderían con un menor acoplamiento entre las placas.
Donde la densidad de información es apropiada, se puede reconocer la consistencia de los resultados, tanto para las direcciones de máximo acortamiento, como para los regímenes tectónicos.
* Reología de la Corteza
Se han integrado datos gravimétricos, magnéticos, térmicos y sísmicos para establecer una serie de secciones corticales y perfiles reológicos como aproximación a la transición del comportamiento frágil-dúctil en la corteza en Colombia.
Los perfiles reológicos estimados indican un estado de esfuerzo frágil hasta la corteza inferior del territorio colombiano, que coincide con los histogramas de profundidades del catálogo sísmico evaluado. Estos resultados son una información muy valiosa como una primera aproximación general de la reología de Colombia de carácter regional y con aplicación a la estimación de la peligrosidad sísmica.
* Potencial Sísmico de la Corteza
Los resultados del análisis del potencial sísmico de la corteza y de las definiciones de tasas de actividad derivadas de la deformación validan la relación entre la tasa de deformación y la productividad sísmica total y su independencia con respecto al periodo de estudio.
Los resultados obtenidos del análisis del parámetro b y de Mmáx en función de la tasa de deformación (strain rate) indican que las zonas de alta deformación en Colombia presentan una gran componente asísmica, lo que es compatible con los estudios de Corredor (2003).
Los análisis de la productividad sísmica y las definiciones de tasas de actividad derivadas de la deformación constituyen una nueva aproximación que podrá ser usada entre otras para evaluar el peligro sísmico de Colombia.
* Aplicación al Cálculo del Peligro Sísmico
Si bien el propósito principal de esta tesis no fue realizar una nueva estimación del peligro sísmico para Colombia, los resultados que aquí se han descrito representan un aporte para una actualización del más reciente modelo realizado por Arcila et al. (2020).
La caracterización de regímenes y orientaciones de los esfuerzos definidos tanto de los mecanismos focales de terremotos como de las velocidades de GPS, y las tasas de deformación, junto con la determinación de la estructura termal y el comportamiento reológico, contribuyen a una revisión del modelo de zonas sismogénicas para la sismicidad cortical, donde se podrá acotar de mejor manera la transición de la deformación, y el espesor sismogénico.
Igualmente, formular un modelo alternativo para la sismicidad suavizada contribuye a reducir la incertidumbre derivada de la forma en que se realiza la delimitación de las fuentes corticales.
La estimación del potencial sísmico de la corteza a partir de tasas de deformación favorece la identificación de fuentes potenciales de futuros terremotos, que constituye el fin último de las estimaciones del peligro sísmico.
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