Investigación en Nuevos Métodos de Exploración Sísmica Pasiva con Aplicación al Cálculo de Escenarios de Movimiento Sísmico en el Campo de Dalías (Almería)

El objetivo de esta tesis es obtener el modelo de velocidades sísmicas de la cuenca del
Campo de Dalías. Este trabajo contribuye a suplir la falta de investigaciones sobre
caracterización de efectos de sitio en esta cuenca sedimentaria y abre además la
posibilidad de una predicción de escenarios de daños sísmicos. Teniendo en cuenta la
gran importancia de la velocidad de las ondas de cizalla (Vs) como un parámetro que
influye en los movimientos fuertes del suelo, y en algunos de los fenómenos inducidos
que experimentan las ondas sísmicas, se han empleado varias metodologías basadas en el
conocido como ruido ambiental sísmico para estimar con precisión la estructura Vs del
Campo de Dalías.

Un total de siete medidas de ruido sísmico fueron llevadas a cabo por medio de antenas
sísmicas con el objetivo de obtener las curvas de dispersión del modo fundamental de las
ondas superficiales tipo Rayleigh. Para ello se hizo uso además del método de
autocorrelación espacial (SPAC, por sus siglas en inglés). Los radios de apertura de
dichas antenas se adaptaron teniendo en cuenta los espesores de las unidades
sedimentarias de esta cuenca, que se conoce llegan hasta los 1000 metros en las zonas
más profundas del Campo de Dalías. Es por ello que dichas aperturas llegaron a variar
desde unas pocas decenas hasta varias centenas de metros. La falta de pozos o columnas
litoestratigráficas dentro de los límites de estas antenas sísmicas supuso, con
excepción del basamento geológico, un impedimento a la hora de interpretar los
perfiles de velocidad de cizalla en términos de unidades geológicas. Los modelos de
suelo resultantes de la inversión de las curvas de dispersión experimentales para
cada una de las siete mediciones llevadas a cabo indica que la VS del basamento
geológico se encuentra entre 2040 y 2800 m/s. Por otra parte, la estructura más
superficial de las dos zonas urbanas más importantes del área de estudio (El Ejido
y Roquetas de Mar) fue además estudiada a través del análisis de informes geotécnicos y la
aplicación del método de sísmica activa de ondas superficiales (MASW, por sus siglas en
inglés). Las curvas de dispersión obtenidas mediante este último método para el modo
fundamental de las ondas Rayleigh, aunque variando bastante de un núcleo urbano a otro,
cubrieron un ancho de banda en frecuencias desde 10 hasta 50 Hz. Siguiendo la
clasificación del Eurocode 8, los suelos de El Ejido pueden clasificarse de acuerdo al
parámetro Vs30 como suelos tipo B (360 < Vs30 < 800 m/s) mientras que en Roquetas se
pueden encontrar suelos tipo B y tipo C (Vs30 < 360 m/s).

La microzonación sísmica diseñada para la obtención de las frecuencias de
resonancia de las ondas S se llevó a cabo a través de una densificación de las
mediciones mediante estación única de ruido ambiental sísmico. Dichas
mediciones se distribuyeron en una cuadrícula proyectada sobre la superficie del
Campo de Dalías con dimensiones de 1 x 1 km. Los núcleos urbanos de El Ejido
y Roquetas de mar tuvieron sendas cuadrículas más densas de 250 y 400 metros.
El número total de mediciones de ruido sísmico con estación única alcanza las
388. La metodología basada en el cociente entre los espectros horizontal y
vertical (HVSR, por sus siglas en inglés) fue la elegida para analizar dicho
conjunto de medidas. El rango de frecuencias de resonancia obtenidas varía
desde los 0.2 Hz, observados en los picos HVSR con menor frecuencia, hasta los
27 Hz observados en los picos secundarios HVSR con mayor frecuencia. El
antinclinal y el sinclinal, que se sabe tienen dirección ENE-OSO y deforman el
basamento y los sedimentos más antiguos del Campo Dalías, se observan
claramente en la interpolación de las frecuencias HVSR fundamentales. Los
valores del conjunto de frecuencias HVSR obtenido son concordantes con las
posiciones de dichas deformaciones estructurales, variando entre 0.2 y 0.4 Hz en
la posición del sinclinal y entre 0.6 y 1.2 Hz en la del anticlinal.

Un análisis cuantitativo sobre la variabilidad en la forma de los cocientes
espectrales HVSR fue llevado a cabo usando hasta dos años de medición
continua de ruido ambiental sísmico en tres estaciones sísmicas instaladas en el
Campo de Dalías. A pesar de que no se han observado cambios que
comprometan la robustez del método HVSR a la hora de identificar las
frecuencias predominantes de sitio, las correlaciones observadas entre la
variabilidad de los cocientes HVSR y los ciclos del agua subterránea del Campo
de Dalías añaden a esta metodología la posibilidad de ser usada como
herramienta de monitoreo especialmente sensible a los cambios de velocidad de
cizalla del medio. La capacidad atribuida al HVSR, al usarse en conjunto con las
metodologías de inversión, para estimar estructuras de velocidad sísmica 1-D
hizo posible el modelado pseudo tridimensional del Campo de Dalías. Para ello
se hizo uso del conjunto de medidas de estación única obtenidas en la cuadrícula
de dimesiones 1 x 1 km. El modelado de los cocientes HVSR bajo la suposición
de campos difusos (DFA, por sus siglas en inglés), y aplicado a la cuadrícula
principal de medidas, permitió obtener los modelos de velocidad de cizalla
individuales 1-D a través de la inversión de los cocientes HVSR. Los problemas
asociados a la no unicidad de dichas inversiones se han visto aliviados gracias a
toda la información geológica proveniente de pozos distribuidos por toda la
llanura costera del Campo de Dalías, lo cual ayudó también a construir una
relación entre la frecuencia fundamental del cociente HVSR y la profundidad al
basamentos geológico.

La simulación de un movimiento del suelo asociado a un terremoto fue llevada
a cabo con el objetivo de probar el modelo tridimensional resultante de las
inversiones de los cocientes HVSR. Los sismogramas de tres estaciones
acelerométricas instaladas en el momento del terremoto de control elegido (un
evento con MW 4.1 sucedido en Noviembre del 2010) se utilizaron para
comparar los registros reales y simulados. La comparación entre las formas de
onda observadas y aquellas simuladas mediante un modelado tridimensional a
través de diferencias finitas fue la base de dicha prueba. La similitud entre las
amplitudes espectrales observadas y modeladas para las tres estaciones analizas
es satisfactoria. Este resultado confirma la capacidad de las metodologías
basadas en la medición de ruido sísmico ambiental a la hora de construir
modelos tridimensionales de suelo mediante estrategias coste-efectivas.

Capítulo 8. Conclusiones y Recomendaciones para Investigaciones Futuras

8.1 Introducción

Esta tesis ha explorado la combinación de técnicas sísmicas principalmente pasivas para
construir modelos del subsuelo fiables en la cuenca del Campo de Dalías (CDB). En un
contexto de potente cobertura sedimentaria, el espectro amplio del ruido sísmico
ambiental (Capítulo 2.2) ha permitido obtener imágenes de la estructura subterránea desde
los niveles más superficiales hasta el basamento geológico, que según datos de sondeos
independientes se encuentra a más de 1000 metros de profundidad (Capítulo 3.2).
La compleja evolución geológica del CDB, compartida con otras depresiones internas
béticas, ha supuesto un desafío tanto para esta investigación como para las metodologías
empleadas. La deformación de los sedimentos, las fallas activas, la presencia de acuíferos
en materiales detríticos y las heterogeneidades laterales a pequeña escala asociadas a
depósitos volcánicos son algunos de los retos planteados por la geología local. Como
objetivo principal, esta tesis ha buscado establecer una clasificación del terreno
orientada a la evaluación de la peligrosidad sísmica futura. Por ello, tanto el diseño de
las campañas de adquisición como la selección metodológica (Capítulos 2 y 4) han sido
cuidadosamente justificadas para responder a dicha finalidad. A continuación, se
presentan las principales conclusiones derivadas del análisis y discusión de los
resultados mostrados en los capítulos 5 a 8.

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8.2 Estacionariedad de HVSR

✦ El análisis de estacionariedad realizado con observaciones a largo plazo (Capítulo 5)
descarta sesgos asociados al carácter puntual de las medidas HVSR en el CDB. Las
fluctuaciones diarias vinculadas a la actividad humana solo afectan significativamente a
las amplitudes espectrales a partir de los 2 Hz. En consecuencia, los picos fundamentales
de HVSR por debajo de 1 Hz no se ven sistemáticamente alterados ni en frecuencia ni en
amplitud por la hora de adquisición.

✦ Sin embargo, en la estación permanente EJDN, las frecuencias HVSR superiores a 2 Hz sí
muestran variabilidad en amplitud coherente con los ciclos de actividad antrópica. El
análisis de dependencia azimutal confirma que tanto los picos fundamentales como los
secundarios presentan estabilidad en frecuencia y polarización en todos los registros de
largo plazo.

✦ Se amplía el uso de HVSR al estudiar correlaciones entre la variabilidad de la forma del
pico HVSR y variables climáticas. Además de la frecuencia y amplitud del pico, se
consideran parámetros como el ancho del pico y la frecuencia del valle. En estaciones
como NBAL, se evidencian correlaciones significativas entre episodios de viento fuerte
(>10 m/s) y el ensanchamiento del pico HVSR (coeficientes de correlación de hasta 0.7).
En EJDN, el análisis a medio plazo (6 meses) indica una correlación inversa (hasta -0.6)
entre la velocidad del viento y la amplitud de los picos superiores. También se
identifican correlaciones puntuales entre la variación del nivel freático y la forma
del pico HVSR, y a más largo plazo se observa una estacionalidad coherente con los
ciclos hidrológicos.

✦ Las desviaciones estándar observadas en la frecuencia fundamental durante los registros
prolongados no comprometen la robustez del método HVSR para identificar la frecuencia
predominante del sitio. Las correlaciones encontradas respaldan el potencial del HVSR
como herramienta de bajo coste para el seguimiento de niveles freáticos, aunque se
advierte que otros mecanismos (e.g., cambios en la velocidad sísmica) también afectan su
respuesta. Para una mayor precisión, se recomienda complementar HVSR con técnicas
multiestación.

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8.3 Imágenes de ondas Rayleigh

✦ Los arreglos sísmicos 2-D desplegados permiten inferir perfiles VS entre 0.5 y 13 Hz con
buena resolución (Tabla 6.3). Las curvas de dispersión obtenidas con la técnica MSPAC
muestran que todos los arreglos son capaces de muestrear el basamento geológico.

✦ Aunque no existen sondeos en el interior de los arreglos, los más cercanos permiten
restringir el número de capas y el espacio de búsqueda para la inversión de las curvas.
Se estima que el complejo Alpujárride presenta velocidades de onda S entre 2040 y 2800 m/s.

✦ En la Sierra de Gádor, se detecta una meseta de velocidad entre 7 y 10 Hz, atribuida
a filitas intercaladas entre dolomías cristalinas. Esta inversión de velocidad es
coherente con datos geotécnicos obtenidos en Roquetas de Mar, donde las filitas presentan
valores SPT-N más bajos que las calcarenitas pliocenas.

✦ La metodología MASW diferencia entre las zonas urbanas: El Ejido muestra valores de VS30
superiores a 360 m/s en todos los perfiles, mientras que en Roquetas de Mar se registran
valores tan bajos como 279 m/s en perfiles del norte, asociados a depósitos aluviales y
niveles freáticos más someros.

✦ Los depósitos costeros del sur de Roquetas (calcarenitas pliocenas, terrazas marinas)
mejoran las condiciones del terreno, haciéndolas comparables a las de El Ejido.

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8.4 Análisis conjunto de sondeos y curvas HVSR

✦ Las inversiones de velocidad detectadas en los perfiles HVSR se interpretan también como
presencia de filitas triásicas, coherente con columnas estratigráficas cercanas.

✦ La ambigüedad inherente a las inversiones HVSR se reduce gracias a la información de
sondeos, especialmente la posición de interfaces litológicas.

✦ A partir de 67 sondeos y 20 puntos gravimétricos se establece una relación empírica
entre la frecuencia fundamental y la profundidad al basamento triásico, con un valor de
R² de 0.94.

✦ Se promedia la velocidad sísmica para diferentes unidades litoestratigráficas: 668 m/s
(conglomerados cuaternarios), 735 m/s (calcarenitas pliocenas), 1302 m/s (miocenas)
y 2459 m/s (basamento triásico). No obstante, la solapación de desviaciones estándar
impide su identificación inequívoca sin apoyo de sondeos.

✦ Se detectan inversiones de velocidad asociadas a flujos de lava y conglomerados calcáreos
en niveles intermedios, confirmadas por sondeos. Estas estructuras escapan a la resolución
del muestreo actual.

✦ La caracterización no invasiva persigue un equilibrio entre realismo y precisión.
Al comparar modelos invertidos con distintas formas del pico HVSR (NBAL y SWBS),
se observa que los cambios relativos son mayores para VS que para VP o densidad.
El error en VS puede alcanzar el 56%, aunque disminuye al 26% en capas profundas.

✦ Las observaciones MASW concuerdan con los picos de alta frecuencia HVSR en Roquetas de
Mar, validando su uso complementario para investigaciones geotécnicas.

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8.5 Inversiones conjuntas de curvas HVSR y de dispersión

✦ La combinación HVSR + dispersión amplía la banda de frecuencias resoluble. Los arreglos
4 y 5 demuestran que el HVSR extiende la información a frecuencias <1 Hz, permitiendo
detectar estructuras profundas.

✦ En áreas sin datos geológicos previos, la inversión conjunta es la opción preferente.
En zonas con sondeos, la inversión HVSR sola ya ofrece buenos modelos. Sin embargo, en
casos con inversión de velocidad, la inversión conjunta es más fiable (ej. arreglo 1).

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8.6 Caracterización de la resonancia

✦ La zonificación sísmica de El Ejido y Roquetas de Mar se basa en una malla regular de
medidas monostación. Esta regularidad es clave para la interpolación y modelado sísmico 3D
posterior (Capítulo 7).

✦ Las frecuencias de resonancia varían entre 0.2 y 27 Hz. Las más altas cobran relevancia
por la baja altura de los edificios predominantes.

✦ El 44% de las curvas HVSR del CDB presentan múltiples picos fundamentales. En Roquetas
hay más curvas multipico (50%) que en El Ejido (30%). Los picos secundarios en El Ejido no
superan 1.2 Hz, mientras que en Roquetas llegan a 9.4 Hz.

✦ No se observa una correlación clara entre los tipos de curvas HVSR y las variables
geofísicas a escala de malla 1×1 km, aunque sí diferencias entre zonas urbanas.

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8.7 Modelado 3D con HVSR

✦ La comparación con perfiles gravimétricos muestra buena correspondencia en la
profundidad al basamento triásico.

✦ La distribución espacial cruda de frecuencias HVSR también refleja las formas
estructurales: los anticlinales alcanzan 0.6–1.2 Hz; los sinclinales, 0.2–0.4 Hz.

✦ Se detecta un desplazamiento dextral del eje anticlinal que coincide con la Falla de
Loma del Viento, respaldado por anomalías de Bouguer previas.

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8.8 Simulaciones de movimiento fuerte

✦ El modelo pseudo-3D interpolado a partir de la malla 1×1 km se valida con simulaciones
numéricas del sismo Mw 4.1 ocurrido en el CDB. Se comparan registros simulados y reales
en 3 estaciones acelerométricas.

✦ La celda de 50 m y un VS mínimo de 414 m/s permiten resolver frecuencias de hasta 1.38
Hz. Las discrepancias mayores aparecen por encima de 1–2 Hz.

✦ Las amplitudes espectrales filtradas a 1 Hz entre registros reales y simulados muestran
buena concordancia. Solo Almerimar presenta discrepancias, probablemente por
heterogeneidades subkilométricas no captadas.

✦ Se recomienda un muestreo más denso en esa zona y un enfoque de simulación de banda
ancha para evaluar frecuencias más altas en futuros estudios de peligro sísmico.