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Fundada en 1962

SOC

IEDA

D GEOLOGICA DE CH

ILE

la serena octubre 2015

Estimación de amenaza de tsunami en brechas sísmicas usando modelos geodésicos de acoplamiento intersísmico

Juan González-Carrasco(1,2), Rafael Aránguiz(1,3), Juan Carlos Domínguez(1,4,5), Gabriel González(1,2), Rodrigo Cienfuegos(1,4) & Patricio Catalán(1,6)

(1) Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas, Universidad Católica del Norte, Avenida Angamos 0610, Antofagasta, Chile. (2) Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales (CIGIDEN) CONICYT/FONDAP/15110017, Avenida Vicuña Mackenna 4860, Santiago, Chile. (3) Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de la Santísima Concepción, Alonso de Ribera 2850, Concepción, Chile. (4)Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile, Avenida Libertador Bernardo OʼHiggins 340, Santiago, Chile. (5) Dirección de Obras Portuarias, Ministerio de Obras Públicas, OʼHiggins 451, Puerto Montt, Chile. (6) Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María, Avenida España1680, Valparaíso, Chile.

*email: jgonzal@alumnos.ucn.cl

Resumen. Los mapas de inundación por tsunami son una importante herramienta para el diseño de planes de evacuación, planificación territorial y evaluación de daños en infraestructura crítica. La estimación de amenaza de tsunami para el margen continental chileno se encuentra basada en modelos de dislocación simple para escenarios históricos, construidos usando leyes de escalamiento. Los eventos tsunamigénicos Mw 8.8, Maule, Chile y Mw 8.1, Pisagua, Chile muestran distribuciones heterogéneas, con parches de alto deslizamiento cosísmico correlacionadas con zonas acopladas durante la etapa intersísmica. Los modelos de acoplamiento intersísmico disponibles para la brecha de Maule son evaluados como predictores de los procesos de generación, propagación e impacto de tsunami en la zona costera. Para las estaciones mareográficas de Valparaíso, Talcahuano y Corral se observa una buena correlación para tiempos de arribo y amplitud máxima del tsunami. Para la brecha sísmica del norte de Chile son propuestos nuevos escenarios tsunamigénicos y su impacto en la ciudad de Iquique. El peor escenario tsunamigénico con una ruptura completa de la brecha genera inundaciones mayores, con runup entre 4 a 7 m, en las zonas de ZOFRI y Cavancha generando daños significativos en las vías de evacuación. Los tiempos de arribo para ambas áreas fluctúan entre 17 a 19 minutos posterior a la ocurrencia del terremoto.

Palabras Claves: mapas de inundación por tsunami, modelos de acoplamiento intersísmico, brecha sísmica, estimación amenaza tsunami.

1 Introducción

Los mapas de inundación por tsunami son una importante herramienta para el diseño de planes de evacuación en comunidades costeras, adicionalmente pueden ser utilizados como guía en la planificación territorial y evaluación de daños estructurales en puertos e infraestructura crítica (Borrero et al., 2003; Barberopoulou et al., 2011; Power et al., 2012; Mueller et al., 2015). La precisión en la estimación de la inundación está altamente

correlacionada con las condiciones iniciales del tsunami, e.g. deformación vertical del piso marino, volumen de agua desplazado y energía potencial (Bolshakova et al., 2011).

Actualmente, la construcción de los mapas de inundación por tsunami para el margen continental chileno se encuentra basada en modelos de dislocación simple para escenarios históricos, asociados a los parámetros sismotectónicos involucrados en la determinación del momento sísmico (Mo=µDA) (Geist, 2002), donde µ: módulo de cizalle; D: deslizamiento promedio y A: área de ruptura, pueden ser determinadas mediante relaciones empíricas de escalamiento (Wells & Coopersmith, 1994; Blaser et al., 2010). Si bien, dicha aproximación puede ser válida para eventos tsunamigénicos de campo lejano (Ward, 1980; Okal 1982), se observan problemas en la estimación de tsunamis locales, debido a la complejidad de los procesos de ruptura que pueden ser fundamentales en la variabilidad de la amplitud, inundación y runup de eventos tsunamigénicos de campo cercano.

Los eventos tsunamigénicos asociados a los terremotos Mw8.8, Maule, Chile y Mw 8.1, Pisagua, Chile muestran fuentes sísmicas con distribuciones heterogéneas con parches de alto deslizamiento correlacionados con zonas acopladas durante la etapa intersísmica (Moreno et al., 2011; Schurr et al., 2014).

El principal objetivo de este trabajo es evaluar la capacidad predictiva de los modelos de acoplamiento intersísmico (ISCM) basados en datos geodésicos (Moreno et al., 2011) comparados con modelos de falla con deslizamiento heterogéneo propuestos para el terremoto Mw 8.8 de Maule, Chile (Moreno et al., 2012). Además, como caso de estudio se proponen escenarios tsunamigénicos ISCM (Chlieh et al., 2011) en la brecha sísmica del norte de Chile y su impacto en la ciudad de Iquique (Aránguiz et al., 2015).

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2 Métodos y resultados

La estimación de la amenaza tsunamigénica en las brechas sísmicas analizadas fue realizada mediante la construcción de escenarios basados en distribución de acoplamiento intersísmico (ISCM), usados como fuente en la modelación numérica de tsunami.

2.1 Construcción de fuentes tsunamigénicas usando modelos de acoplamiento intersísmico.

La construcción de la fuente tsunamigénica es generada en base a una distribución de déficit de deslizamiento (Fig. 1), sumado a información geológica como profundidad de la zona de contacto interplaca (Hayes et al., 2012), rumbo, dirección de inclinamiento y buzamiento (Dziewonski et al., 1981, Ekström et al., 2012).

Figura1. Distribución de deslizamiento basada en modelos de acoplamiento intersísmico propuesto por Moreno et al., 2011 para la brecha sísmica de Maule, Chile.

2.2 Simulación numérica de tsunamis

Las simulaciones numéricas fueron realizadas usando el modelo Neowave 2D (Fig. 2) (Yamazaki et al., 2009, 2011), bidimensional y de profundidad integrada, que describe ondas dispersivas usando términos de presión no hidrostática. El modelo utiliza un coeficiente de Manning n=0.025 para describir el fondo marino. La cobertura temporal del modelo es de 6 horas con un intervalo de 1 minuto. El esquema de simulación se basa en grillas anidadas en un sistema de coordenadas esférico con 120”,

30”, 60”, 1” de arco de resolución. Para la construcción de los modelos de elevación se utiliza información GEBCO (http://www.gebco.net), cartas náuticas y topografía LIDAR de 2 y 5 metros de resolución. Las condiciones iniciales del tsunami fueron definidas a partir de los modelos de falla finita (Moreno et al., 2012) usando superposición mediante la formulación de Okada (1985).

Figura2. Condición inicial de tsunami simulada basada en modelos de acoplamiento intersísmico propuesto por Moreno et al., 2011 para la brecha sísmica de Maule.

2.3 Resultados

Para el caso de estudio del terremoto Mw 8.8, Maule, Chile fueron modelados los escenarios tsunamigénicos cosísmico (Moreno et al., 2012) e intersísmico (Moreno et al., 2011) ambos basados en información geodésica para la brecha sísmica analizada. Los registros de nivel del mar analizados corresponden a las localidades Valparaíso, Talcahuano y Corral (Fig. 3). Para el caso de la fuente de tsunami intersísmica, se observó una buena estimación de los tiempos de arribo y amplitud máxima, existiendo un desfase asociado a procesos de resonancia en plataforma y bahías (Catalán et al., 2015).

En la brecha sísmica del norte de Chile, fue analizado el segmento remanente asociado al área de ruptura del terremoto Mw 8.1, Pisagua, Chile usando el modelo de acoplamiento intersísmico propuesto por Chlieh et al., 2011. El escenario tsunamigénico estimado es Mw 8.75 (Fig. 4), generando una inundación mayor (> 4m) en el área portuaria y en playa Cavancha, mientras en la Zona Franca (ZOFRI) se observa una altura de inundación máxima de 2 m, con un área inundada de aproximadamente 760.000 m2, cubriendo cerca de un 50%

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AT 4 Impacto de las GeocIencIas en la socIedad

de la totalidad del complejo comercial. El análisis temporal de la inundación muestra que la primera onda alcanza la infraestructura a los 19 minutos posterior al terremoto, tomando cerca de los 4 minutos en inundar completamente el área involucrada (Fig. 5). Los resultados modelados del peor escenario muestran un runup máximo de 4.7 m.

Figura3. Comparación de datos reales, escenarios cosísmico e intersísmico para las localidades de Valparaíso, Talcahuano y Corral.

El área de playa Cavancha es impactada 17 minutos después de la ocurrencia del terremoto, mientras que la segunda onda arriba 7 minutos más tarde inundando la mayor parte de la zona. El máximo runup alcanzado en el área es de 6.8 m (Fig. 5).

Figura4. Distribución de deslizamiento basada en modelo de acoplamiento intersísmico propuesto por Chlieh et al., 2011 para la brecha sísmica del norte de Chile.

Las principales vías de evacuación en la zona de península de Cavancha son cerradas sólo 21 minutos después del terremoto, siendo dañadas severamente por la inundación y las altas velocidades de flujo alcanzadas.

Figura5. Inundación en Iquique basado en el escenario de ruptura total de la brecha sísmica del norte de Chile.

3 Discusión

Los modelos de acoplamiento intersísmico propuestos para las brechas sísmicas de Maule y Norte de Chile muestran una correcta respuesta (Moreno et al., 2011; Schurr et al., 2014) en estimar las zonas de máximo desplazamiento ocurridas durante los terremotos de Mw 8.8, Maule, Chile y Mw 8.1, Pisagua, Chile. La estimación de la distribución de desplazamiento es una herramienta útil para la construcción de escenarios tsunamigénicos, usados en la simulación de la generación, propagación e impacto de un tsunami en zonas costeras.

Para la brecha sísmica de Maule se observa un buen ajuste entre los registros de nivel del mar medidos y el escenario tsunamigénico intersísmico generado, principalmente en los tiempos de arribo y altura máxima. Dichos parámetros podrían tener una alta dependencia de la distribución de deslizamiento, aunque es necesario analizar otros procesos hidrodinámicos involucrados.

En la zona de la brecha del norte de Chile se observa aún un potencial tsunamigénico mayor, con un escenario tsunamigénico de alto impacto sobre la ciudad de Iquique. Los tiempos de arribo del tsunami modelado indican un tiempo menor a 19 minutos para impacto, pudiendo implicar un rediseño de las estrategias de emergencia, centrándose en procesos de evacuación vertical en edificios cercanos a la zona costera.

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Agradecimientos

La investigación fue financiada por el Proyecto Nº15110017 FONDAP 2011 “Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales” (CIGIDEN) y por el Programa de Doctorado en Ciencias mención Geología de la Universidad Católica del Norte (UCN).

Referencias

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