Análisis de series sísmicas y tasas de actividad sísmicaimplicaciones en peligrosidad sísmica

Résumé

Los terremotos son fenómenos naturales que liberan una gran cantidad de energía, la cual viaja en forma de ondas sísmicas que se propagan en todas las direcciones desde el interior de la Tierra. Cuando estas ondas alcanzan la superficie terrestre, se genera una sacudida sísmica del suelo cuyas consecuencias son a menudo perjudiciales para el ser humano, el medio ambiente y el medio construido. Los geofísicos estudian las causas de los terremotos para conocer mejor cómo se producen y mitigar esos efectos adversos. Para ello, consideran que los terremotos no son eventos aislados, sino que se relacionan e interaccionan con una serie de terremotos con los que comparten la misma ventana espaciotemporal y presentan características comunes o similares. Esta tesis trata del estudio de series sísmicas. Considero dos metodologías diferentes: la sismología estadística y los métodos basados en procesos físicos. El enfoque estadístico considera que un terremoto es un objeto puntual, con atributos que aparecen en los catálogos sísmicos, tales como las coordenadas hipocentrales, el tiempo origen y la magnitud. Estos atributos se tratan como variables aleatorias que siguen distribuciones de probabilidad. Por tanto, la calidad y homogeneidad del catálogo sísmico disponible afecta directamente a la validez e idoneidad de los modelos estadísticos que describen las distribuciones de probabilidad de los atributos de los terremotos. En esta tesis utilizo varios modelos estadísticos en ventanas espaciotemporales finitas y los aplico de forma individual o combinada, según cada caso estudiado. Por ejemplo, para estudiar la frecuencia de terremotos de una magnitud dada se usa la ley de Gutenberg-Richter y para analizar la variación temporal de ocurrencia de terremotos se aplica el modelo de Omori-Utsu y el modelo de secuencia de terremotos de tipo epidémico (en inglés epidemic type aftershock sequence, ETAS). El modelo ETAS es un proceso puntual en el cada sismo representa un punto con los atributos mencionados. Este modelo asume que todos los eventos pueden disparar réplicas potencialmente, como en un proceso de ramificación (en inglés, branching process). La aplicación del modelo ETAS proporciona estimaciones separadas de las tasas de actividad sísmica de fondo y de réplicas, que se asocian a diferentes tipos de fuentes, que son, respectivamente: (1) fuentes asísmicas como la carga tectónica, intrusiones rápidas de magma o fluidos in eventos de deslizamiento lento transitorios; y (2) fuentes sísmicas, como el disparo elástico entre dos terremotos, lo cual controla la ratio de ramificación. Las respectivas contribuciones de fuentes sísmicas y asísmicas, así como sus variaciones espaciotemporales, son determinantes para nuestro conocimiento de la naturaleza de series sísmicas. En suma, el resultado de la modelización estadística indica la naturaleza de los procesos de ramificación mediante parámetros cuantitativos. Además, estos parámetros caracterizan los cambios de tasas sísmicas (en el dominio temporal) y de densidad de terremotos (en el domino espacial), que son dos ingredientes importantes de la evaluación de la peligrosidad sísmica probabilista (en inglés probabilistic seismic hazard assessment, PSHA). El enfoque basado en procesos físicos, en cambio, requiere disponer de información sobre otros atributos sismológicos como fases sísmicas de sismogramas (para el proceso de relocalización previo), la distribución de deslizamientos sobre el plano de ruptura, el patrón regional de esfuerzos, etc. En esta tesis aplico el modelo de transferencia de esfuerzos estáticos de Coulomb (del inglés, Coulomb failure stress
CFS) para analizar la interacción entre terremotos, o entre un terremoto y posibles planos de ruptura en la corteza terrestre. Con objeto de analizar el disparo de réplicas (en inglés, aftershock triggering), estudio los canmbios de esfuerzos estáticos debidos a (1) eventos con una distribución de deslizamiento en el plano de ruptura determinada; y (2) procesos de deslizamiento sobre áreas extensas del interfaz de subducción (en inglés, subduction interface). Este enfoque supone modelizar los deslizamientos mencionados y mejorar la localización hipocentral para llegar a obtener resultados fiables. Los métodos empleados se aplican de manera individual o conjunta en el estudio de cuatro secuencias sísmicas, de distinta naturaleza que tienen lugar en diferentes zonas del mundo: (I) una serie sísmica de tipo enjambre, formada por muchos sismos de baja magnitud, que ocurre en el sur de España. La serie se divide en tres partes y se estudia con métodos estadísticos. Caracterizo este enjambre principalmente como resultado de un agente generador asísmico continuado, que se acelera en la fase de mayor actividad de la serie. Propongo la presencia de una fuente adicional en la zona, además de la carga tectónica y de disparo entre terremotos, que induce la actividad de tipo enjambre. (II) una secuencia de sismo principal y réplicas que se inicia con un doblete de terremotos grandes en el noroeste de Irán. En este caso se usa, de forma combinada, el método estadístico y la modelización de cambio de esfuerzos. Encuentro que los eventos menos energéticos están asociados a un agente generador asísmico. La secuencia de réplicas disparada por el doblete está de acuerdo con la localización hipocentral de las réplicas más profundas. (III) una serie cortical de tipo sismo principal y réplicas que ocurre en el sur de México. En este caso se investiga la hipótesis de que la serie sea disparada por un proceso de subducción asísmico (carga tectónica y eventos de deslizamiento lentos, o en inglés slow-slip events, SSEs) se estudia mediante modelización de
CFS. Los resultados muestran que el impacto del disparo de la carga tectónica antes del evento de deslizamiento lento no es evidente, pero tampoco se puede descartar. Por contra, la fase inicial del evento de deslizamiento lento presenta una influencia favorable leve pero clara para el disparo de esta serie sísmica. (IV) otra serie asociada a un terremoto grande en la zona de subducción de México. En este caso se modelizan los esfuerzos de Coulomb para determinar el posible disparo de las dos réplicas principales, que al parecer rompen diferentes asperezas cercanas a la ruptura principal. Seguidamente se aplica el método estadístico para determinar la variación espaciotemporal de tasas sísmicas en la zona la interfaz de la subducción antes y después de la ocurrencia de la serie sísmica. Los correspondientes mapas de tasas sísmicas se usan en sendos cálculo probabilistas de peligrosidad sísmica para calcular las tasas de excedencia de determinados niveles de movimiento fuerte, observándose un pequeño aumento de la aceleración esperada con las tasas actualizadas después de la serie. Los estudios desarrollados en esta tesis proporcionan una descripción más esclarecedora de determinados aspectos específicos de las series analizadas. Sin embargo, los procedimientos y conclusiones alcanzados se pueden utilizar en el estudio de otras series sísmicas en todo el mundo. Asimismo, se apunta el interés de incorporar las variaciones espaciotemporales de parámetros de sismicidad (tasas de actividad sísmica) para los métodos de estimación de peligrosidad que incorporan actualizaciones temporales de dichos parámetros.