Mejora de catálogos sísmicos mediante modelización 3D, relocalización y detección con «machine learning». Aplicación al Sistema Bético Rifeño

La región Íbero-Maghrebí, una de las zonas con mayor actividad sísmica del Mediterráneo occidental, se presenta como un área con una amplia variedad de dominios tectónicos, desarrollados durante una compleja historia tectónica hasta la actualidad, dentro del contexto de la convergencia entre las placas Africana y Euroasiática. En esta región, la sismicidad más común es de magnitud baja a moderada, repartida de manera difusa en toda la zona. No obstante, también ocurren eventos de mayor magnitud (e.g.: terremoto de Lorca en 2011 o terremoto de Al Hoceima 2016) asociados claramente a estructuras sismogénicas de más entidad, como las que conforman los Sistemas de Fallas de TransAlborán y Béticas Orientales, un corredor de fallas que va desde el norte de África, atravesando el mar de Alborán y cortando las Béticas Orientales hasta el este de la península ibérica. En esta situación, la obtención de catálogos sísmicos de suficiente calidad es esencial para la monitorización y vigilancia sísmica, así como para la realización de estudios científicos que traten de entender la tectónica activa a nivel local o regional.

Entre los aspectos clave que se consideran a la hora de establecer la calidad de los catálogos, destaca el número de terremotos y el cálculo de localizaciones hipocentrales fiables, sobre los que la red sísmica y el modelo de velocidades empleado en los cálculos tienen gran influencia. Teniendo esto presente, esta Tesis Doctoral se plantea con el ánimo explorar metodologías novedosas para la obtención de catálogos de terremotos con una incertidumbre de localización reducida en la región Íbero-Maghrebí, empleando en el proceso técnicas que faciliten la adquisición y el procesado de datos de manera automática.

Primeramente, aunque el uso de modelos unidimensionales ha demostrado ser útil para el cálculo de hipocentros, en ocasiones pueden resultar inadecuado. Esto puede ocurrir sobre todo en el caso de su uso en áreas como la región Íbero-Maghrebí, donde la presencia de distintos dominios corticales (algunos limitados de forma neta por grandes fallas) puede provocar alteraciones en la propagación de ondas sísmicas debido a la variación lateral de velocidades. Esto conllevaría una localización subóptima del hipocentro, que presentaría sesgos y una mayor incertidumbre. Para solventar esta limitación, es posible aplicar un modelo tridimensional que refleje de manera aceptable las heterogeneidades del subsuelo y, en consecuencia, las variaciones laterales de velocidad.

Con el objetivo de comprobar el efecto que supondría realizar los cálculos de localización de hipocentros en la región Íbero-Maghrebí teniendo en cuenta estas heterogeneidades, se han seguido una serie de pasos para crear un modelo de velocidades sintético de onda P (mTAB3D). Los pasos necesarios para la construcción de este modelo se llevaron a cabo durante la primera parte de la investigación realizada durante la Tesis Doctoral, e implicaron una revisión bibliográfica para extraer los datos necesarios, la modelización de las geometrías de los dominios geológicos a distintas profundidades y la incorporación de los valores de velocidad basadas en relaciones empíricas. El modelo mTAB3D presenta una extensión de 607 x 443 x 204 km^3 (x, y, z), y fue construido prestando especial atención a las características más importantes del area de estudio, como el adelgazamiento cortical progresivo hacia el SE de la península ibérica, la rotura de la lámina de subducción en los márgenes Ibérico y Maghrebí, o la presencia de diversas cuencas sedimentarias.

Posteriormente, en una segunda etapa de la Tesis Doctoral, se realizó un primer ensayo de mTAB3D usándolo como base para el cálculo de los tiempos de viaje y la estimación de la localización de hipocentros de varios terremotos ocurridos en los Sistemas Bético-Rifeños en los últimos años. Los resultados, comparados con sus equivalentes recogidos en el catálogo de la Red Sísmica Nacional, dan lugar a ubicaciones con una incertidumbre más baja y un residuo de tiempos de origen más ajustado. En un siguiente paso, se calcularon las relocalizaciones de dos catálogos dentro de la región de estudio: un catálogo continuo de terremotos ocurridos en el área de las Béticas Orientales (2018-2022), y un catálogo de terremotos de magnitud mayor a 2.5 de la serie sísmica de Al Idrisi (2016). Los nuevos hipocentros presentan incertidumbres constreñidas y ubicaciones más coherentes considerando la geometría de las estructuras presentes en cada zona.

La tercera parte de la investigación consistió en explorar metodologías novedosas para la detección e identificación de terremotos. Aquí, se estudiaron algunos procedimientos de machine learning basados en modelos de redes neuronales entrenados específicamente para este fin. Durante algunos ensayos que pretendían estudiar las capacidades de los distintos modelos disponibles, los que mejor rendimiento obtuvieron fueron PhaseNet y EQTransformer, sobre todo cuando se empleaban para conseguir un catálogo sísmico combinado. Tras esto, se ideó un procedimiento que incorporaba la posibilidad de detección de terremotos mediante el uso de estos modelos de redes neuronales, y la posterior relocalización de los hipocentros empleando mTAB3D. Esta metodología se aplicó sobre datos de instrumentos de la Red Sísmica Nacional para obtener un catálogo de terremotos ocurridos durante los años 2018 y 2019. Se evidenciaron ciertas limitaciones, como la no optimización de los modelos de redes neuronales para la detección en el área de estudio, o uso de menores tiempos de llegadas. No obstante, se confirmó que esta metodología permite conseguir un catálogo de terremotos que presentaba una proporción importante de hipocentros con incertidumbres relativamente bajas, incluso bajo esas circunstancias desfavorables.

Finalmente, en análisis posteriores, se estudia el potencial e interés de esta propuesta metodológica, que aúna las técnicas de machine learning y el cálculo de hipocentros mediante modelos de velocidad tridimensionales, para el desempeño en otras tareas relacionadas con el estudio sismotéctonico y la monitorización sísmica en la región Íbero-Maghrebí, con especial foco a las limitaciones existentes y algunas vías para solventarlas a modo de tareas a futuro.

1.- Recopilación de datos para la creación de modelos de velocidades tridimensionales:

El primer paso para la creación de un modelo de velocidades tridimensional implica la búsqueda de información lo más detallada posible dentro de la región de estudio. Esta tarea puede implicar una gran inversión de tiempo, pero es necesaria para dotar de la resolución suficiente al modelo sintético que se usará. Para la creación de mTAB3D, enmarcado en la región Íbero-Maghrebí, se han consultado diversas fuentes de datos (e.g.: sísmica de reflexión/refracción, gravimetría, cartografías geológicas de detalle, etc.), de las que se ha extraído información suficiente para crear modelo.

Aunque es posible que exista cierto sesgo en cuanto al número de estudios centrados en ubicaciones concretas, dando lugar a que la resolución alcanzada en algunos sectores mejor estudiados no sea la misma de otras zonas menos exploradas, siempre existe la opción de incorporar información en versiones posteriores mTAB3D. Esto ayudará a modelar con más detalle la geometría de ciertos cuerpos que puedan influenciar la propagación de ondas y, en consecuencia, aproximándolo más a la realidad en cuanto a su aplicación posterior a la relocalización de terremotos.

Adicionalmente, a pesar de que los valores de velocidad de onda P son coherentes con la litología asignada, así como con la evolución que se les supondría en profundidad, siempre es posible refinar estos datos para lograr un mejor ajuste que represente más fielmente la variación lateral de la velocidad de ondas, incluso dentro del mismo cuerpo.

Para finalizar, el modelo sintético mTAB3D representa a nivel regional la variedad de dominios corticales que existe en la región Íbero-Maghrebí y mar de Alborán, así como su geometría y la velocidad de ondas P correspondiente. Se ha prestado atención a algunas particularidades como las variaciones de espesor cortical, las roturas de lámina de subducción en el margen Ibérico y norte de África, o la presencia de cuencas sedimentarias de espesor variable repartidas por toda el área de estudio. Esto convierte a mTAB3D en una herramienta útil a la hora de su utilización en tareas que impliquen la inversión de tiempos de llegada de ondas sísmicas, como la localización de terremotos.

2.- Funcionamiento del modelo mTAB3D y su aplicación a la región Íbero-Maghrebí:

Para comprobar la idoneidad de mTAB3D en su aplicación a la inversión de hipocentros, se han realizado diversos ensayos que incluían diferentes supuestos, empleando únicamente tiempos de llegada recogidos en el catálogo de la Red Sísmica Nacional. En estos ensayos, se ha relocalizado un catálogo continuo entre 2018 y 2022 de terremotos de las Béticas Orientales, una zona con relativamente buena cobertura dentro de la Red Sísmica Nacional, y otro catálogo correspondiente a la serie sísmica del mar de Alborán durante el año 2016, ubicada cerca del borde sur de mTAB3D, donde el menor número de estaciones y la geometría de la red podrían dificultar el cálculo de localizaciones fiables.

A pesar de todo, en general, los resultados de los hipocentros conseguidos con mTAB3D presentan una incertidumbre más baja cuando se comparan con resultados obtenidos con un modelo 1D regional. Esta mejora de mTAB3D resalta más cuando nos referimos a aquellos terremotos de menor magnitud que han sido detectados por pocas estaciones y de los que se dispone de menos tiempos de llegada. Por lo común, se ha notado también que el cálculo de inversión llevado a cabo con mTAB3D desplaza los hipocentros hacia zonas coherentes con la presencia y orientación de estructuras con evidencias de actividad reciente, lo que resulta de gran interés cuando se trata de establecer relaciones sismogénicas.

Este modelo 3D también se ha empleado para la inversión de los tiempos de llegada detectados por modelos de redes neuronales durante los años 2018 y 2019 en toda su zona de extensión. Tras el filtrado de aquellos terremotos que cumplían con unos requisitos mínimos de calidad, se ha encontrado que los resultados obtenidos permitían el análisis con cierto detalle de la sismicidad de algunas de las zonas de la región Íbero-Maghrebí. En el caso de las series sísmicas de Albudeite (Región de Murcia) y Jódar (Jaén), el nivel alcanzado ha permitido realizar un estudio sismogénico de más resolución, interpretando posibles fuentes y causas de la sismicidad.

3.- Inversión de hipocentros y la obtención de catálogos sísmicos de alta precisión:

La mejora de la precisión y exactitud de la localización de terremotos son parámetros importantes a la hora de optimizar la calidad de los catálogos sísmicos. Los factores que normalmente afectan a la fiabilidad de la localización son errores derivados del picado de los tiempos de llegada. En esta Tesis se ha mostrado cómo pueden lograrse terremotos con baja incertidumbre de localización mediante la inversión de hipocentros, en un proceso que combina la aplicación de modelos 3D de velocidades (mTAB3D) y el cálculo mediante técnicas de localización no-lineales (NonLinLoc). En circunstancias ideales, con abundantes tiempos de llegada repartidos de forma radialmente homogénea, ha sido posible lograr un cálculo de la inversión que ofrezca hipocentros con incertidumbres inferiores a 1 km, referido tanto a error horizontal como vertical.

Para el resto de la sismicidad más frecuente, de baja o muy baja magnitud con pocos tiempos de llegada disponibles, también se ha podido recuperar una localización hipocentral con una certeza aceptable. En el conjunto total, una vez clasificados los resultados de los tres catálogos analizados (Béticas Orientales, mar de Alborán y modelos de redes neuronales), se ha encontrado que un buen número de hipocentros presentan un error de localización inferior a 5 km, que es uno de los requisitos imprescindibles, según se recoge en criterios seguidos por agencias internacionales, para ser incorporados a catálogos que contengan eventos caracterizados por una alta calidad de la localización.

Las aplicaciones derivadas de los catálogos sísmicos de alta precisión que se pueden lograr mediante el cálculo de técnicas de localización no-lineal y modelos 3D de velocidades contemplan la revisión de espesores de corteza sismogénica, la delimitación de zonas de actividad sísmica donde las fallas presenten escasa definición de la traza cartográfica, o determinación de áreas con mayor bloqueo dentro de un sistema de fallas. Como aplicaciones más concretas a la industria, la obtención de catálogos de alta precisión en zonas explotadas para almacenamiento de fluidos, permite estimar con más detalle la evolución espacio-temporal de la sismicidad inducida por la variación de esfuerzos que produce la inyección de fluidos en el subsuelo.

4.- Rendimiento de los modelos de redes neuronales en tareas de detección de terremotos:

En esta Tesis Doctoral se ha explorado el funcionamiento de varios modelos de redes neuronales en su aplicación a la detección de señales sísmicas: GPD, PhaseNet, EQT_original, y EQT_conservador. Tras los ensayos realizados para el estudio de la región Íbero-Maghrebí, empleando el software easyQuake, se observó que los mejores resultados se obtenían usando los modelos PhaseNet y EQT_conservador, en cuanto al número de terremotos extraídos y el porcentaje de coincidencia con un catálogo de referencia de la Red Sísmica Nacional. En un paso posterior, se consiguió mejorar el rendimiento combinando los resultados de ambos modelos para crear un catálogo mixto con mayor número de terremotos y un porcentaje de coincidencia mejorado en comparación a cada modelo por separado.

A pesar de que la utilización de estos modelos generó un catálogo representativo en cuanto a la sismicidad que ocurre en la región de estudio, también es cierto que el ajuste resultó no ser perfecto cuando se comparó con la sismicidad registrada por la Red Sísmica Nacional. Entre las posibles causas se determinó dos que podrían tener una gran influencia en el resultado. Primero, tanto PhaseNet como EQT_conservador fueron entrenados a partir de conjuntos de datos distintos a los de la Red Sísmica Nacional, por lo tanto, es de esperar que no estén optimizados para ser aplicados de manera directa a las formas de onda registradas por las estaciones de la Red Sísmica Nacional. Segundo, el número de estaciones empleado es inferior al número total de instrumentos presentes en la región Íbero-Maghrebí (tanto estaciones de banda ancha como acelerómetros), por lo tanto, en ocasiones el rendimiento de las detecciones y asociaciones se ha podido ver comprometido por la falta de datos en alguna zona o periodos concretos.

Para atajar esto a futuro, se ha planteado la posibilidad de entrenar un modelo de redes neuronales usando datos provenientes del catálogo de la Red Sísmica Nacional y formas de onda de todas las redes sísmicas con estaciones desplegadas en el área Íbero-Maghrebí. Trabajos que han recopilado información relativa a otras regiones del mundo para el entrenamiento de estos modelos y su aplicación a la detección demuestran que es una estrategia válida, optimizando los resultados de los catálogos generados.

5.- Propuesta metodológica para la aplicación a las rutinas de monitorización y vigilancia sísmica:

Durante el desarrollo del trabajo realizado para esta Tesis Doctoral, se ha definido una estrategia metodológica basada en las experiencias observadas, y que ha permitido describir una propuesta metodológica aplicada a la creación de catálogos sísmicos en la región Íbero-Maghrebí. Esta propuesta se basa en la utilización de técnicas de machine learning para la detección de terremotos, y una posterior localización empleando el modelo de velocidades mTAB3D para conseguir un catálogo lo más completo y representativo posible del área de estudio.

El flujo de trabajo formulado puede emplearse para extraer un subconjunto de eventos con alta calidad de la localización, que pueden ser empleados en estudios de más detalle para analizar el comportamiento y la evolución espacio-temporal de la sismicidad dentro del área de estudio.

El enfoque práctico de esta aproximación se ha planteado para un posible uso en paralelo dentro de la metodología rutinaria de monitorización sísmica que se lleva a cabo por la Red Sísmica Nacional. A pesar de los probables inconvenientes analizados, se entiende que el uso complementario de ambos procedimientos puede resultar beneficioso y productivo a la hora de llevar a cabo las tareas de vigilancia dentro de una zona con evidentes riesgos sísmicos como la región Íbero-Maghrebí.

6.- Limitaciones, ventajas y perspectivas futuras del trabajo realizado en esta Tesis Doctoral:

Se han desprendido una serie de ideas que tienen relación con los obstáculos encontrados en la aplicación de las metodologías llevadas a cabo para obtener los resultados del trabajo en el que se sustenta esta Tesis Doctoral. Entre otros, el más destacable podría resultar la heterogeneidad de la red sísmica empleada en cuanto a la distribución espacio-temporal de instrumentos. Esto ha supuesto una serie de limitaciones tanto para las relocalizaciones como para las detecciones de terremotos que han podido reducir el potencial de los resultados logrados.

No obstante, y teniendo en cuenta todos los impedimentos encontrados, se ha concluido una gran utilidad de los dos productos principales que se han extraído de esta investigación: el modelo de velocidades mTAB3D, y la metodología combinada de detección y relocalización hipocentral. Sus aplicaciones no quedan restringidas a las explicadas aquí, como se ha analizado para otros posibles fines alternativos que podrían servir para la mejora del conocimiento de la región Íbero-Maghrebí.

Finalmente, se valoraron algunas vías de trabajo futuras para que continuar la investigación y dinámicas aprendidas. Varias de ellas centradas en perfeccionar la relocalización de hipocentros y las técnicas de detección. Entre estos objetivos, sobresalen las propuestas de mejora de mTAB3D, incrementando su extensión e incorporando nuevos datos para el modelado, la revisión del catálogo sísmico de la región de estudio para conseguir un subconjunto de eventos con menor incertidumbre, y el entrenamiento de un modelo de redes neuronales optimizado con datos extraídos de estaciones presentes en el sur de la península Ibérica, mar de Alborán y norte de África.