Cálculo de la energía sísmica radiada por los terremotos

La energía sísmica radiada (ER) es un parámetro sísmico que ayuda en la comprensión de la física de ruptura en un terremoto. Esta junto con el momento sísmico escalar permiten comparar distintos terremotos. La energía total liberada durante dicha ruptura no solo lo hace en forma de ondas sísmicas, también se libera en forma de energía de fractura y de energía de fricción. Sin embargo, cuando solo hay observaciones sísmicas no es posible estimar la energía total liberada. A partir de estas, se puede calcular la energía sísmica radiada y un valor mínimo de la energía de fractura, que permiten obtener la eficiencia de radiación, parámetro importante en la caracterización de las propiedades dinámicas de un terremoto.

El principal y primer objetivo de esta Tesis Doctoral titulada Cálculo de la energía sísmica radiada por los terremotos es estimar la energía sísmica radiada a distintas profundidades en la región Ibero-Mogrebí (RIM). El segundo objetivo es comparar estos valores y analizarlos en función de diferentes parámetros como la profundidad del foco con los obtenidos para terremotos profundos (h>550 km) en zonas de subducción (Perú y Fiji). El tercer objetivo consiste en comparar ER a distancias regionales y telesísmicas para un mismo terremoto, y el cuarto objetivo es la estimación de la energía de fractura por unidad de superficie.

Para el cálculo de ER se utilizan dos métodos distintos, el primero se basa en la integración directa de las formas de onda observadas (método de “estación única”), para lo que es necesario corregir por la atenuación, el patrón de radiación y el factor de expansión geométrica, y el segundo en la integración de la MRF (Moment Rate Function).

En el primer método se realiza un estudio estación a estación de la energía sísmica radiada obtenida en cada una de ellas, utilizando registros tanto telesísmicos como regionales. Esto permite abordar el tercer objetivo de esta tesis.

Se han estudiado en total 16 terremotos: 13 en RIM, 1 en Perú y 2 en Fiji. En RIM se han seleccionado los terremotos profundos (h>620 km) de Granada de 2010 (Mw=6.2), 1990 (Mw=4.8) y 1993 (Mw=4.4), el superficial de Alborán de 2016 (Mw=6.4) y 9 terremotos de profundidad intermedia (40<h<110 km) ocurridos en el mar de Alborán entre 2009 y 2020 con Mw<4.0. En Perú se ha seleccionado el terremoto profundo (h=627 km) del 24 de agosto de 2018 (Mw=7.1) y en Fiji los del 19 de agosto (h= 600 km; Mw=8.2) y 6 de septiembre (h=687 km; Mw=7.9) de 2018.

Para terremotos con Mw<4.4, en RIM, el alto contenido de energía a altas frecuencias y el elevado ruido sísmico ha impedido estimar un valor aceptable de ER, con discrepancias superiores incluso a dos órdenes de magnitud. En aquellos con Mw entre 4.8 y 8.2, tanto en RIM como en Perú y Fiji e independientemente de la profundidad, se han obtenido valores de ER entre 1.8e10 y 9.6e16 J. Estos se han comparado entre ellos, a través de la energía escalada con valores entre 0.2e-5 y 8.7e-5, y con los estimados por diversos autores en distintas regiones obteniendo resultados compatibles.

Los resultados de esta Tesis, utilizando el método de “estación única” y en todas las regiones, muestran la importancia de la corrección por la atenuación y el efecto de sitio, encontrándose entre las principales causas de incertidumbre en la estimación de la energía sísmica radiada. En particular en RIM, han demostrado que los modelos propuestos a distancias regionales no son lo suficientemente precisos. El análisis estación a estación ha permitido reducir las incertidumbres introducidas por ambos fenómenos, y, en general, también ha reducido la discrepancia entre la estimación de ER con registros regionales y telesísmicos.

Los valores de ER calculados a partir de la MRF, en el superficial de 2016 y profundo de 2010 en RIM y en el profundo de Perú, se han comparado con los estimadas a partir del método de “estación única”. Las diferencias entre ambos métodos son comparables a las obtenidas por distintos autores, sin embargo, se ha observado que en el terremoto superficial estudiado esta discrepancia es inferior a un orden de magnitud, siendo superior en los terremotos profundos. Lo que podría indicar que la estimación de ER a partir de la MRF no es correcta para terremotos profundos.

Respecto a la energía de fractura estudiada en RIM, se han obtenido valores negativos para los profundos de 2010 y 1990, y el superficial de 2016. Lo que podría ser consecuencia de la gran complejidad tectónica de la región del mar de Alborán.

El principal objetivo de esta Tesis es estudiar 𝐸𝑅 de terremotos ocurridos a distintas profundidades en la región Ibero-Mogrebí y comparar los resultados con los estimados para terremotos profundos (h>500 km) en zonas de subducción (regiones de Perú y Fiji). Los otros dos objetivos son comparar los resultados de ER a distancia regional y telesísmica para un mismo terremoto y estudiar la energía de fractura en la región Ibero-Mogrebí.
Los resultados obtenidos permiten extraer las siguientes conclusiones:
• El estudio detallado de la relación señal/ruido (SNR) es un paso fundamental para poder determinar la frecuencia de corte en los espectros de amplitud y eliminar la sobreestimación de ER a altas frecuencias
• Las diferencias obtenidas en el cálculo de 𝐸𝑅 utilizando observaciones a distancias telesísmicas y regionales, ponen de manifiesto las diferencias de hasta 1 orden de magnitud, en el caso del terremoto superficial de Alborán de 2016. Por otra parte, es evidente la influencia del efecto de sitio en algunas de las estaciones utilizadas, que se traduce en mayor amplitud en los registros y, en consecuencia, en una sobreestimación de ER. Sería conveniente tener estudios detallados de los emplazamientos de las estaciones para poder corregir por el efecto de sitio.
• El uso de valores empíricos de Q se ha mostrado insuficiente para una corrección correcta de la atenuación, en especial en el caso de los terremotos de profundidad intermedia con Mw<5.0.
• Los valores de ER obtenidos para los terremotos profundos de Granada de 2010 (Mw=6.2) y 1990 (Mw=4.8), y el superficial de Alborán de 2016 (Mw=6.4), a distancia telesísmica, son compatibles con los obtenidos por otros autores y metodologías. Es importante destacar que se ha podido calcular ER para terremotos de Mw<5.0, pero debido a su alto contenido de energía a altas frecuencias (f>1.5 Hz) y a su bajo SNR, los resultados muestran una elevada dispersión (mayor a dos órdenes de magnitud) y se han tenido que eliminar más del 50% de los terremotos seleccionados a priori por un escaso número de estaciones disponibles.
• La estimación de ER se ha realizado utilizando dos métodos distintos para el terremoto superficial de 2016 y los profundos de 2010 de RIM y de 2018 de Perú. Las diferencias entre ambos valores son comparables a las obtenidas por distintos autores en otras regiones, con una mayor discrepancia en los dos terremotos profundos. Esto podría indicar que la estimación de ER a partir de la MRF no es adecuada para este tipo de terremotos.
• Se han obtenido valores de la energía de fractura por unidad de superficie negativos para los terremotos profundos de 2010 y 1990, y superficial de 2016 en RIM. La mayoría de estudios en los que se calcula esta energía se han realizado para terremotos superficiales, pero el haber obtenido también en S1 un valor negativo podría ser consecuencia de la gran complejidad de la zona del mar de Alborán.
Los resultados y conclusiones obtenidas en esta Tesis son un claro reflejo de la gran complejidad sismotectónica de la región del mar de Alborán.
Como futuro trabajo derivado de los resultados obtenidos, se proponen distintas líneas de investigación:
▪ Desarrollo de un modelo de atenuación mediante la comparación de sismogramas sintéticos y observados, teniendo en cuenta los modelos propuestos hasta el momento.
▪ Ampliar los registros de terremotos de profundidad intermedia y magnitud moderada que ocurren en el sur de la península y mar de Alborán, por ejemplo, mediante campañas marinas con OBS (Ocean-bottom seismometer) en la región.
▪ Estudio de la energía de fractura en terremotos profundos en regiones en las que la ocurrencia de estos sea más frecuente que en el sur de la península Ibérica, con la finalidad de estudiar las condiciones de las hipótesis propuestas por distintos autores para el cálculo de esta energía.