Efectos de los sedimentos y topografía en la respuesta sísmica y períodos fundamentales en la ciudad de Caracas

Rocabado, V (1), Schmitz, M (1), Vilotte, JP (2), Sánchez, J(1), Rendón, H (1), Ampuero, JP (2,3)

(1) FUNVISIS, Caracas, Venezuela (2) IPGP, Institut du Physique du Globe, Paris, Francia (3) actualmente ETH Zürich, Suiza

Resumen La ciudad de Caracas, capital de Venezuela, con una población superior a 3 millones de habitantes, tiene en su historia sísmica varios eventos destructores, el más reciente y el más estudiado fue el ocurrido el 29 de julio de 1967, con una magnitud de 6.5, que afecto diversas zonas de la ciudad, pero los mayores daños se concentraron en las zonas de San Bernardino (oeste) y Los Palos Grandes (este), zonas que se caracterizan por grandes espesores de sedimentos. A partir de 1994 se comienza a estudiar el Valle de Caracas a objeto de obtener los períodos predominantes y amplificaciones relativas del suelo, aplicando la técnica o relación H/V. Este primer estudio se concentró en la zona de los Palos Grandes. En 1995, se realizan nuevas mediciones que incluyen la zona de San Bernardino y Los Palos Grandes. En 1997 se inicia un proyecto con miras a realizar mediciones en todo el valle, se diseña una malla de medición con separación de 500m entre cada estación, la cual es finalizada en 1999. Con estos resultados fue posible obtener una relación entre el espesor de sedimentos y el período predominante del suelo. Para esta fase del proyecto los resultados obtenidos muestran una variación de los períodos de 0,2 en los bordes de la cuenca con un máximo de 2,1 s en Los Palos Grandes. En el 2000 se llevan a cabo nuevas mediciones a partir de un mallado más denso, concentrándose en la zona de Santa Eduvigis y Sebucán, en donde los valores de período oscilaron entre 0,8 y 2,1 s. En 2002 se realizan mediciones en las zonas de Baruta y El Hatillo, obteniendo una imagen completa de la distribución de períodos en toda la región capital. Adicionalmente a partir de 2002 se comienzan a realizar simulaciones en perfiles norte – sur, ubicados sobre las zonas de mayor acumulación de sedimentos en el valle de Caracas (San Bernardino y Palos Grandes) obteniendo la respuesta de estas acumulaciones sedimentarias ante la incidencia de una onda plana a diferentes ángulos. Los resultados obtenidos indican que las cuencas responden principalmente a su frecuencia fundamental, pero al comenzar a variar el ángulo de incidencia estas respuestas se ven aún más marcadas o disminuidas, dependiendo del ángulo en el cual haya incidido la onda. Introducción Posterior al terremoto de Caracas de 1967 se comienzan a realizar estudios geofísicos orientados a determinar las posibles causas de los daños observados en la ciudad durante el sismo (Weston, 1970, FUNVISIS 1978), motivado por los fuertes efectos de sitio observados sobre todo en las zonas de San Bernardino y Los Palos Grandes. Los primeros estudios son desarrollados por Weston INC (1969), obteniendo un mapa de espesores de sedimentos para el

Víctor Rocabado (vrocabado@funvisis.org.ve), Michael Schmitz (mschmitz@funvisis.org.ve), Jean Piere Vilotte (vilotte@ipgp.jussieu.fr

), Jean Paul Ampuero (jampuero@princeton.edu)

), Javier Sánchez (jsanchez@funvisis.org.ve), Herbert Rendón (hrendon@funvisis.org.ve

Valle de Caracas, que permitió observar dos zonas con una gran acumulación de sedimentos, la primera de estas se localiza en el área de San Bernardino con más de 100 metros de sedimentos, mientras que la segunda se ubica en la zona de Los Palos Grandes, en la cual los espesores de sedimentos superan los 300 metros (figura 1). A partir de 1994 se comienzan a realizar mediciones de ruido ambiental en la ciudad de Caracas, (Abeki et al., 1995), en 17 puntos en el área de Los Palos Grandes. A través de los resultados de sus observaciones, se logró establecer que los períodos predominantes del suelo están relacionados con el espesor de sedimentos presentes en el subsuelo. Duval et al. (1998), extendieron las mediciones al área entre de Los Palos Grandes y en San Bernardino. Se cubrieron ambas áreas con una alta densidad de observaciones, (un total de 184), relacionando los períodos fundamentales con la profundidad de sedimentos. Posteriormente, Abeki et al., (1998), Enomoto et al., (2000) cubren el valle de Caracas con una malla de 500 m. Adicionalmente se densificaron las mediciones en el área de Santa Eduvigis y Sebucán cada 100 m (Rocabado, 2000). Para el año 2002, las mediciones a espaciamiento 500 m se expandieron a la zona de Baruta (Espinoza y Suniaga, 2002) y El Hatillo. En 1991 Papageorgiou y Kim realizan un modelado 2D de la respuesta sísmica sobre un perfil en Los Palos Grandes utilizando ondas SH, el modelo utilizado por ellos no incluía topografía y presentaba solo un estrato sedimentario, correspondiente a la cuenca de Los Palos Grandes. En 2002 se comienzan a realizar simulaciones 2D de la respuesta sísmica del Valle de Caracas en perfiles norte-sur ubicados sobre las zonas de máximo espesor sedimentario (San Bernardino y Los Palos Grandes), incluyendo en esta ocasión un modelo con topografía y estratificado (2 estratos en San Bernardino y 3 estratos en Los Palos Grandes). Se utilizaron diferentes ángulos de ondas incidentes planas, en dirección norte o sur. La información detallada del subsuelo se obtuvo en base a los períodos fundamentales de vibración (Rocabado et al., 2002) y velocidades sísmicas y densidades (Sánchez et al., 2004).

Figura 1: Mapa de espesores de sedimentos (Sánchez et al, 2004, basado en Weston, 1969 y Kantak, 2001) Mediciones de Ruido Ambiental Para obtener los valores de los períodos predominantes de suelo, se utilizó el Método de Nakamura (1989) o relación H/V (Bard, 1999), estas mediciones se realizaron a un espaciamiento de 500 m entre cada sitio, grabando por espacio de 5 minutos, utilizando para la adquisición de datos en una primera fase un sensor SPC-35N tres componentes perteneciente a la Universidad de Kanagawa (figura 2a) y un sismógrafo portátil Orion-Nanometrics y en una segunda fase, un sensor Guralp de 3 componentes, con un rango de operación de 30s – 50 Hz; el intervalo de muestreo utilizado fue de 100 mps (figura 2b).

Fig. 2a: Sensor SPC-35N tres componentes (izquierda) y consola de grabación (derecha).

Fig. 2b: Sensor Guralp 3 componentes (izquierda) y Sismógrafo Orion (derecha)

Para el procesamiento de estos datos, como primer paso se seleccionó una ventana de 30 segundos, a partir de las cuales se calculó el espectro de Fourier para cada una de las componentes (N - S, E - O y vertical), posteriormente la relación H/V fue calculada utilizando la división de las componentes horizontales entre la componente vertical (figura 3).

Fig. 3: Registro de 3 Canales (izquierda), Espectro de Fourier (derecha - arriba) y Relación H/V (derecha – abajo). Los valores de periodos predominantes obtenidos a partir de la relación H/V varían entre 0,1 y 2,1 s. Las zonas que presentan los mayores valores de período predominante corresponden a el área de San Bernardino, con valores máximos de 1,2 s y Los Palos Grandes zona que presenta los valores mayores de toda la ciudad, alcanzando 2.1 s. como valor máximo (figura 4).

Fig. 4: Mapa de periodos predominantes del suelo en Caracas. Modelado 2D de la respuesta sísmica

El modelado de la respuesta sísmica se llevó a cabo utilizando la técnica de elementos espectrales (Komatitsch & Vilotte, 1998) a lo largo de dos perfiles en dirección norte – sur (figura 5), el primero sobre la cuenca de San Bernardino (perfil NS-01) y el segundo en el área de Los Palos Grandes (perfil NS-03), para cada uno de estos se realizó la simulación con una onda plana (P y S) con ángulos de incidencia de 35º N, 60º N, 90º, 60º S y 35º S. El ángulo de incidencia (α) se calculó respecto a la horizontal en dirección a la fuente (figura 6)

Fig. 5: Ubicación de perfiles de modelado 2D de la respuesta sísmica en la ciudad de Caracas, en este trabajo se

presentan los resultados de los perfiles NS-01 y NS-03

SN

β = 60º α = 60º

Fig. 6: Medición del ángulo de incidencia α para el caso de una onda de 60º N, α = 60º y para una incidencia 60º S,

α = 120º (180 - β). Para una incidencia vertical, α = 90º.

Para cada una de las simulaciones fue necesario generar un modelo (figuras 7 y 8) con la información referente a número de estratos presentes, velocidades de onda P y S (Sánchez et al, 2004), así como la densidad de cada uno de los estratos (Sánchez, 2001). Adicionalmente se representa la topografía para cada uno de los perfiles a objeto de verificar los efectos que esta pudiese tener en las simulaciones.

N S

m)

Elev

ació

n (

Distancia (m)

Fig. 7: Modelo utilizado en el perfil NS-01 San Bernardino con los valores de velocidad de onda P y S para cada una de las capas.

S

Fig. 8: Modelo utilizado en el perfil NS-03 Los Palos Grandes, indicando los valores de velocidades de ondas P y S para cada de las capas.

N

m)

Elev

ació

n (

Distancia (m)

Simulaciones 2D Perfil Norte – Sur 1, San Bernardino – Onda P Los resultados obtenidos para una onda plana P para el perfil norte – sur 1, que se extiende desde la cuenca de San Bernardino y el Centro en el norte hacia el sur cortando la subcuenca conformada por el Cementerio y El Valle, se muestran en las figuras 9 a 12.

Fig. 9: Onda P, ángulo 35.1º N Fig. 10: Onda P, ángulo 35.1º S Utilizando una onda P a un ángulo de 35.1º N (figura 9), se observa que la cuenca de San Bernardino responde mayoritariamente en su frecuencia fundamental (1.5 Hz aprox.), no obstante es importante destacar el efecto asociado a la subcuenca de El Cementerio localizada mas al sur, la cual presenta una frecuencia fundamental de 2.5 Hz con fuertes repuestas a 3.5 Hz. Bajo esta configuración las respuestas mas significativas se obtienen de la subcuenca. Utilizando una onda P a un ángulo de 35.1º S (figura 10), se observa que la cuenca de San Bernardino responde mayoritariamente en su frecuencia fundamental (1.5 Hz aprox., similar al caso de incidencia norte). El efecto de la subcuenca se ver aun mas marcado que para la incidencia norte, observándose una respuesta muy marcada a los 4.5 Hz, con menor respuesta en la frecuencia fundamental de la subcuenca.

Fig. 11: Onda P, ángulo 60º N Fig. 12: Onda P, ángulo 60º S

Al variar el ángulo de incidencia a 60º N (figura 11), se observa que las respuestas asociadas a ambas cuencas se ven disminuidas, en comparación a las obtenidas en 35.1º. Sin embargo, se siguen observando respuestas en las frecuencias fundamentales de cada cuenca (1.5 Hz y 2.5 Hz). Para una incidencia de 60º S (figura 12), la cuenca de San Bernardino responde principalmente en su frecuencia fundamental (1.5 Hz), observándose alineamiento de respuestas para frecuencias mas altas. Por otra parte, la subcuenca asociada presenta una marcada respuesta para las altas frecuencias (4.5 Hz), en su parte norte, manteniendo su respuesta en 2.5 Hz como frecuencia fundamental. Simulaciones 2D Perfil Norte – Sur 1, San Bernardino – Onda S Para el caso de una onda plana incidente tipo S, los resultados obtenidos se muestran en las figuras 13 a 17.

Fig. 13: Onda S, ángulo 35.1º N Fig. 14: Onda S, ángulo 35.1º S Al momento de simular una incidencia de 35.1º N (figura 13) para el caso de ondas S, la respuesta obtenida difiere al caso de ondas P. En este caso la cuenca de San Bernardino es la que presenta las mayores respuestas, en este caso la respuesta para la frecuencia fundamental de la cuenca (1.5 Hz) se atenúa enormemente, mientras que la respuesta para altas frecuencias (entre 3.5 y 4.5 Hz) es muy marcada. La subcuenca de El Cementerio, no presenta respuestas marcadas bajo esta onda incidente. Al cambiar la dirección de incidencia de norte - sur (figura 14), se observan variaciones significativas en la respuesta de cada una de las cuencas. Mientras San Bernardino mantiene su respuesta para altas frecuencias y se excita su frecuencia fundamental a 1.5 Hz, la subcuenca asociada presenta una fuerte respuesta cerca de su frecuencia fundamental (3 Hz), siendo esta la mayor respuesta obtenida para todo el conjunto de simulación.

Fig. 15: Onda S, ángulo 60º N Fig. 16: Onda S, ángulo 60º S Al variar la incidencia de la onda a 60º N (figura 15), la respuesta del sistema varia, para el caso de la cuenca de San Bernardino observamos una mayor repuesta en su frecuencia fundamental de 1.5 Hz en comparación a las altas frecuencias, donde la respuesta obtenida es menor. Mientras que la subcuenca presenta una marcada repuesta en su frecuencia fundamental de 2.5 Hz, así como también para altas frecuencias, observando la mas significativa a los 4.5 Hz aproximadamente. Al cambiar la dirección de incidencia del frente de ondas, 60º S (figura 16), se observa que ambas cuencas presentan respuestas en sus frecuencias fundamentales, mientras que para el espectro de altas frecuencias solo la cuenca de San Bernardino presenta las mayores respuestas.

Fig. 17: Onda S, ángulo 90º Al realizar la simulación con una onda tipo S incidente vertical (figura 17), las mayores respuestas se obtienen para las frecuencias fundamentales de cada una de las cuencas, las respuestas para altas frecuencias se ven atenuadas, observando zonas de altas respuestas a 4 Hz en el caso de San Bernardino y 3 Hz para El Cementerio.

Simulaciones 2D perfil Norte – Sur 3, Los Palos Grandes – Onda P Los resultados obtenidos para una onda plana P para el perfil norte – sur 3, que se extiende desde la cuenca de Los Palos Grandes en el norte hacia Santa Paula en el sur, se muestran en las figuras 18 a 21.

Fig. 18: Onda P, ángulo 35.1º N Fig. 19: Onda P, ángulo 35.1º S

La simulación realizada para la cuenca de Los Palos Grandes con un ángulo de incidencia de 35.1º N (figura 18) muestra marcadas respuestas para altas frecuencias (4 Hz), no obstante se ve claramente la respuesta a la frecuencia fundamental de la cuenca (menor a 1Hz), se observan además una gama de respuestas menores en el rango de 2 Hz aprox. Al variar la dirección de propagación del frente de onda, en este caso desde el sur a 35.1º S (figura 19), se observa que la cuenca presenta una repuesta muy marcada en su frecuencia fundamental (1 Hz aprox.) de igual manera se observan respuestas para frecuencias cercanas a 4.5 Hz. hacia la zona central de la cuenca.

Fig. 20: Onda P, ángulo 60º N Fig. 21: Onda P, ángulo 60º S Al utilizar un ángulo de incidencia de 60º N (figura 20), las mayores respuestas se observan en las altas frecuencias (4 Hz), principalmente hacia el extremo norte de la cuenca, la respuesta

observada en la frecuencia fundamental es similar a la obtenida para un ángulo de incidencia de 35º N (figura 18). Para el caso de una incidencia de 60º S (figura 21), la respuesta de la cuenca es más compleja que la observada para 60º N, se observan respuestas marcadas en todo el espectro de frecuencias, desde la frecuencia fundamental (menor a 1Hz) hasta altas frecuencias (4 y 5 Hz) hacia el extremo norte de la cuenca. Simulaciones 2D perfil Norte – Sur 3, Los Palos Grandes – Onda S Las respuestas obtenidas para la simulación de un frente de ondas tipo S se muestran en la figuras 22 a 26.

Fig. 22: Onda S, ángulo 35.1º N Fig. 23: Onda S, ángulo 35.1º S Al momento de simular un frente de ondas S propagándose desde el norte a 35.1º (figura 22), se observan marcadas respuestas para frecuencias superiores a 3 Hz, hacia los extremos norte y sur de la cuenca principalmente, la zona central parece no estar afectada por altas frecuencias, destacando únicamente valores cercanos a la frecuencia fundamental de la cuenca en 1.3 Hz. En el caso de propagación desde el sur a 35.1º (figura 23), la respuesta de la cuenca se concentra solo en altas frecuencias (4 Hz), la respuesta asociada a la frecuencia fundamental de la cuenca no se observa. Los mayores efectos se localizan hacia el extremo norte de la cuenca, con respuestas menores hacia el extremo sur.

Fig. 24: Onda S, ángulo 60º N Fig. 25: Onda S, ángulo 60º S Para la simulación de un frente de onda proveniente del norte, en este caso a 60º (figura 24), las mayores respuestas se encuentran localizadas hacia el extremo sur de la cuenca, caracterizado por altas frecuencias entre 4 y 5 Hz, la frecuencia fundamental de la cuenca se observa (1 Hz) pero a menor escala. Al variar la dirección de propagación a 60º sur (figura 25), se observa que la cuenca responde hacia los extremos norte (4 Hz) y sur (3.5 Hz), mientras que la frecuencia fundamental (1 Hz) presenta una respuesta de mayor importancia si se compara con la anterior dirección de propagación.

Fig. 26: Onda S, ángulo 90º En el caso de una incidencia vertical (figura 26), las mayores respuestas se observan hacia el centro de la cuenca, principalmente para altas frecuencias (cercanas a 4 Hz), los extremos de la cuenca no presentan respuestas significativas y la frecuencia fundamental de la cuenca (1 Hz) no presenta grandes respuestas. Conclusiones Los mayores períodos fundamentales se encuentran asociados a los sitios en donde la profundidad de sedimentos es mayor, tal es el caso de San Bernardino (150 m), los cuales oscilan entre 0,8 seg., y 1,1 seg., al igual que Los Palos Grandes (340 m), con valores que van de 0,8 seg. a 2,1 seg. Existe una relación directa entre el espesor de sedimentos y período fundamental de suelo, indicando que a mayor profundidad se observan mayores valores de período. De las simulaciones de la respuesta sísmica realizadas en el perfil norte – sur 1 y 3 se identifican en la mayoría de los casos respuestas en la frecuencia fundamental de cada una de la cuencas estudiadas, en el caso de San Bernardino es 1,5 Hz y para Los Palos Grandes esta es menor a 1 Hz. Al variar los ángulos de incidencia de los frentes de ondas y el tipo de onda incidente (P o S) las respuestas obtenidas en cada perfil varían, aumentando o disminuyendo las amplificaciones obtenidas.

Las frecuencias fundamentales obtenidas mediante las simulaciones para cada uno de los perfiles coinciden con los valores de frecuencia (período) obtenidas a partir de mediciones de ruido ambiental. El modelado de la respuesta sísmica para el perfil norte – sur 1, San Bernardino, evidencia los efectos de dos cuencas asociadas, donde la cuenca principal de San Bernardino ejerce efectos sobre la cuenca de El Cementerio. Referencias Abeki, N., Enomoto, T., Guevara, T. y Villegas, Z. (1995). Fundamental concept for Seismic microzonation and preliminary surveys of microtremor observatios in Caracas and Cumaná City, Venezuela. II Coloquio Internacional sobre “Microzonificación Sísmica” y V Reunión de Cooperación Iberoamericana, Cumana, Venezuela, 12 al 16 de junio de 1995, Resumen. Abeki, N., Seo, K., Matsuda, I., Enomoto, T., Watanabe, D., Schmitz, M., Rendón, H. y Sánchez, A. (1998). Microtremor observations in Caracas city, Venezuela. 2nd International Symposium on Effect of Surface Geology on Seismic Motion, 1-3 de diciembre 1998, Yokohama, p 6. Bard, P.Y., 1999. Microtremor measurements: a tool for site effect estimation? In: Irikura, K., Kudo, K., Okada, H. and Sasatani, T. (eds.), The Effects of Surface Geology on Seismic Motion - Recent progress and new Horizon on ESG Study, Volume 3, Balkema, Rotterdam, 1251-1279. Duval, A.-M., Méneroud, J.-P., Vidal, S. and Singer, A., 1998. Relation between curves obtained from microtremor and site effects observed after Caracas 1967 earthquake. 11th European Conference on Earthquake Engineering, Rotterdam, (CD), pp. 1-9. Enomoto, T., Schmitz, M.., Matsuda, I.., Abeki, N., Masaki, K.,Navarro, M., Rocabado, V. and Sánchaz, A., 2000. Seismic risk assessment using soil dynamic characteristics in Caracas, Venezuela. 6th International Conference on Seismic Zonation, Palm Springs, Nov. 12-15, 2000, CD-ROM, 6pp. Espinoza, V., Suniaga, J., Mediciones de ruido ambiental en el Valle de Caracas (Municipio Baruta). Informe de Pasantías. FUNVISIS – UCV. Junio 2002. FUNVISIS, 1978. Segunda Fase del Estudio del Sismo ocurrido en Caracas el 29 de Julio de 1967. Ministerio de Obras Públicas, Comisión Presidencial para el Estudio del Sismo, FUNVISIS, Caracas, Venezuela, Volumen A, pp. 517. Kantak P, 2001. Espesores de los Sedimentos y Principales Unidades Geológicas del Valle de Caracas. International Workshop “Study on Countermeasures for Earthquake Disaster in Caracas” (1999 – 2001), Caracas, Venezuela, Serie Técnica Nº 01-2001, FUNVISIS, 99-104. Nakamura Y., 1989. A Method for Dynamic Characteristics Estimation of Surface using Microtremor on the Ground Surface. QR of RTRI, Vol 30, No 1. Papageorgiou, A.S. and Kim, J., 1991, Study of the propagation and amplification of seismic waves in Caracas valley with reference to the 29 July 1967 earthquake: SH waves. BSSA, 81, 2214-2233.0 Rocabado, V., 2002. Periodos fundamentales del suelo de la ciudad de Caracas a partir de mediciones de ruido ambiental. Tesis de grado. Publicado en CD GEOS 35 (2002) UCV, Caracas.

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