Evaluación de amenaza sísmica en municipios del departamento de Cundinamarca. Oscar Iván Segura Hernández

Transcripción

1 Evaluación de amenaza sísmica en municipios del departamento de Cundinamarca Oscar Iván Segura Hernández Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnología, Ingeniería Civil Bogotá, Colombia 2015

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3 Evaluación de amenaza sísmica en municipios del departamento de Cundinamarca Oscar Iván Segura Hernández Tesis de investigación presentada como requisito parcial para optar al título de: Ingeniero Civil Director: (Ingeniero Civil) Héctor Alfonso Pinzón Codirector: (Magister en Geofísica) Miguel Lizarazo Calderón Línea de Investigación: Sismología (Suelos Geología) Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnología, Ingeniería Civil Bogotá, Colombia 2015

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5 La preocupación por el hombre y su destino siempre debe ser el interés primordial de todo esfuerzo técnico. Nunca olvides esto entre tus diagramas y ecuaciones. Albert Einstein

6 Agradecimientos A Dios y a mi familia por brindarme un amor incondicional, por protegerme durante todo mi camino y darme fuerzas para superar obstáculos y dificultades a lo largo de toda mi vida. Un agradecimiento singular debo a los profesores Miguel Lizarazo Calderón y Héctor Alfonso Pinzón que, como directores de esta tesis, me han orientado, apoyado y corregido en mi labor científica con un interés y una entrega que han sobrepasado, con mucho, todas las expectativas que espere en un docente. A la docente Marleny Monak por su valiosa colaboración durante la ejecución del trabajo realizado.

7 RESUMEN El conocimiento de la amenaza sísmica constituye una herramienta fundamental en el desarrollo de infraestructura y urbanismo de una ciudad, pues al brindar conocimiento en la reducción de los riesgos símicos se generan beneficios sociales y económicos a la población. Nuestro país presenta una sismicidad importante por estar ubicado en el límite entre las placas Caribe, Nazca y Suramérica, generándose, debido a esta condición, un sistema de fallas a lo largo del territorio que se encuentran en constante movimiento y por consiguiente, catalogado con un riesgo sísmico importante. En la presente tesis se realizará el análisis de amenaza sísmica para los municipios del departamento de Cundinamarca, por medio del cálculo de aceleraciones horizontales del terreno a partir de la ecuación propuesta por MacGuire (1974), que definirán el grado de amenaza sísmica de la misma. Mediante análisis de sismos relevantes ocurridos alrededor de la ciudad de Bogotá se obtendrán mapas cualitativos de vulnerabilidad sísmica para periodos de retorno de 475, 1000 y 2500 años que definirán las posibles zonas de asentamiento poblacional a futuro y centros urbanos que hoy en día se encuentran en riesgo ante posibles terremotos. Palabras clave: sismo, eventos, aceleración horizontal, período de retorno, ecuación de atenuación, tasa de recurrencia.

8 ABSTRACT Knowledge of seismic hazard is a tool based on the development of infrastructure and urbanism of a city, because by providing knowledge on reducing risks simian social and economic benefits to the population are generated. Our country has a significant seismicity to be located on the boundary between the Caribbean, Nazca and South America plates, generating due to this condition, a fault system along the territory that are in constant motion and therefore cataloged with a major seismic risk. In this thesis the analysis of seismic hazard for the municipalities of Cundinamarca was made, by calculations of horizontal ground acceleration from the equation proposed by McGuire (1974), which define the degree of seismic threat thereof. Through analysis of relevant earthquakes around Bogota qualitative seismic vulnerability maps for return periods of 475, 1000 and 2500 years that will define the possible areas of future human settlement and urban centers today are will be obtained risk against possible earthquakes. Keywords: earthquake, events, horizontal acceleration, return period, attenuation equation, recurrence rate.

9 CONTENIDO Pág. RESUMEN... 7 ABSTRACT... 8 LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABLAS GLOSARIO IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS MARCO CONTEXTUAL GEOGRAFÍA FÍSICA DIVISIÓN POLÍTICO-ADMINISTRATIVA POBLACIÓN ECONOMÍA SISMICIDAD MARCO CONCEPTUAL TECTÓNICA DE PLACAS FALLAS Fallas con desplazamiento vertical Fallas normales Fallas inversas y cabalgamientos Falla horizontal TERREMOTOS Ruptura y propagación de un terremoto SISMOLOGÍA Sismógrafos y sismogramas Ondas sísmicas Medición de las dimensiones sísmicas TECTÓNICA EN COLOMBIA Tectónica Regional Sistema de fallas intracontinentales SISMICIDAD EN COLOMBIA Sismicidad histórica Principales sismos históricos... 56

10 5.6.3 Sismicidad instrumental MARCO TEÓRICO RELACIÓN GUTENBERG RICHTER Cómo se mide el valor b? MODELO DE SISMICIDAD LOCAL DE POISSON LEYES DE ATENUACIÓN DEL MOVIMIENTO SÍSMICO PERIODO DE RETORNO METODOLOGÍA SISTEMA DE FALLAMIENTO ASIGNACIÓN DE EVENTOS SÍSMICOS PARAMETRIZACIÓN DE LAS FUENTES TASA DE EXCEDENCIA RELACIÓN DE ATENUACIÓN DE INTENSIDAD SÍSMICA CALCULO DE LA AMENAZA SÍSMICA MEDIANTE AJUSTE DE DATOS MAPA DE AMENAZA SÍSMICA RESULTADOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES A. ANEXO: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS.. Error! Marcador no definido. BIBLIOGRAFÍA

11 LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 4-1. Ubicación del Departamento de Cundinamarca Figura 4-2. División política administrativa del departamento de Cundinamarca Figura 4-3. Amenaza sísmica Departamento de Cundinamarca Figura 4-4. Mapa nacional de amenaza sísmica para un periodo de 475 años Figura 5-1. Placas tectónicas Figura 5-2. Falla de San Andrés Figura 5-3. Bloques diagrama que ilustran una falla normal Figura 5-4. Bloque de suelo que muestra el movimiento a lo largo de una falla inversa. 38 Figura 5-5. Bloque diagrama que ilustra las estructuras asociadas con las fallas con desplazamiento horizontal Figura 5-6. Rebote elástico Figura 5-7. Principio de funcionamiento del sismógrafo Figura 5-8. Ondas de cuerpo Figura 5-9. Determinación grafica de la magnitud de Richter Figura Fallas geológicas en Colombia Figura Mapa de las Estaciones Sismológicas Figura 6-1. Número acumulativo de sismos para toda la región del Pacífico Figura 6-2. Tasas de excedencia de fuentes para el modelo de sismicidad de Poisson. 65 Figura 7-1. Proyección de fallas en superficie Figura 7-2. Distribución de sismos en Colombia Figura 7-3. Catálogo de búsqueda USGS Figura 7-4. Catálogo de búsqueda IRIS Figura 7-5. Catálogo de búsqueda ISC Figura 7-6. Estadística de eventos por magnitud para la Falla Oriental Centro Figura 7-7. Tasa de excedencia para la Falla Figura 7-8. Profundidad de eventos Falla Figura 7-9. Aceleraciones máximas Falla para el lugar en estudio Figura Grilla de puntos Figura 8-1. Estadística de eventos por magnitud para todas las fallas Figura 8-2. Tasa de excedencia para la Falla Oriental Figura 8-3. Tasa de excedencia para la Falla Espíritu Santo Figura 8-4. Tasa de excedencia para la Falla Junin-Sambiambi Figura 8-5. Tasa de excedencia para la Falla Murindó Figura 8-6. Tasa de excedencia para la Falla Nido Bucaramanga Figura 8-7. Tasa de excedencia para la Falla Romeral... 97

12 Figura 8-8. Tasa de excedencia para la Falla Salinas Figura 8-9. Tasa de excedencia para todas las fallas Figura Aceleración máxima del terreno para un periodo de retorno de 475 años. 103 Figura 8-11 Aceleración máxima del terreno para un periodo de retorno de 1000 años 104 Figura Aceleración máxima del terreno para un periodo de retorno de 2500 años Figura Grado de amenaza sísmica para un periodo de 475 años

13 LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 4-1. Municipios del departamento de Cundinamarca Tabla 5-1. Sismos históricos ocurridos en Colombia Tabla 7-1. Calculo del parámetro β Tabla 7-2. Magnitud última esperada para cada fuente Tabla 7-3. Tasa de excedencia Falla Tabla 7-4. Aceleraciones mediante la ecuación de MacGuire Tabla 7-5. Calculo de la amenaza sísmica Tabla 8-1. Estadística de eventos por magnitud por falla Tabla 8-2. Parámetros de amenaza sísmica Tabla 8-3. Tasa de excedencia y periodo de retorno por falla Tabla 8-4. Aceleraciones máximas horizontales a nivel del terreno por municipio... 99

14 GLOSARIO ACELERACIÓN DE DISEÑO Cuantificación de la aceleración del terreno en un lugar de interés en términos de un valor único como el valor pico o la raíz cuadrada de la media de los valores al cuadrado. Esta aceleración se utiliza directamente en el diseño sísmico de obras de ingeniería o como dato para determinar un espectro de diseño. ACELERÓGRAFO Instrumento que permite registrar las aceleraciones a que se ve sometido el terreno durante la ocurrencia de un sismo. Este registro queda consignado en un acelerograma. ACELEROGRAMA Descripción en el tiempo de las aceleraciones a que estuvo sometido el terreno durante la ocurrencia de un sismo real. AMENAZA SÍSMICA Fenómeno físico asociado con un sismo, tal como el movimiento fuerte del terreno o la falla del mismo, que tiene el potencial de producir una pérdida. AMENAZA SÍSMICA PROBABILISTA Probabilidad que una amenaza sísmica específica, usualmente un parámetro de movimiento del terreno, exceda un nivel cuantificable en un sitio determinado y durante un tiempo de exposición dado. ANÁLISIS DE AMENAZA SÍSMICA Cálculo de la amenaza sísmica probabilista para uno o varios lugares que se ilustra usualmente mediante una curva o un mapa de amenaza sísmica. ANÁLISIS DE RIESGO SÍSMICO Cálculo del riesgo sísmico para uno o varios lugares que se ilustra usualmente mediante una curva de riesgo sísmico. Β, BETA (VALOR DE) Parámetro indicativo de la frecuencia relativa de ocurrencia de sismos de diferente tamaño. Es la pendiente de una línea recta dibujada en papel logarítmico aritmético, que relaciona el logaritmo de la frecuencia de ocurrencia, absoluta o relativa, con la magnitud del sismo o la intensidad mesosísmica medida en la escala de Mercalli Modificada. El valor de β indica la pendiente de la ecuación de Gutenberg Richter. CORTEZA - La capa rocosa exterior y más delgada de la superficie de la Tierra, cuyo espesor promedio es de 7 kilómetros bajo los océanos y de 70 kilómetros en el área continental. CURVA DE AMENAZA SÍSMICA Gráfico de la amenaza sísmica probabilista, usualmente especificada en términos de una probabilidad anual de excedencia, o de un

15 período de retorno versus un parámetro específico de movimiento del terreno para un sitio dado. CURVA DE RIESGO SÍSMICO Gráfico del riesgo sísmico, usualmente especificado en términos de una probabilidad anual de excedencia, o de un período de retorno versus una pérdida específica para un bien o un inventario de bienes. DAÑO Pérdida económica o destrucción causada por el sismo. DISTANCIA EPICENTRAL - Distancia entre un observador y el epicentro de un sismo, medida sobre la superficie de la Tierra. Distancia medida o calculada sobre la superficie de la Tierra entre un punto de observación y el epicentro de un sismo. DISTANCIA HIPOCENTRAL - Distancia calculada entre el hipocentro sísmico y un punto sobre la superficie de la Tierra. ELEMENTOS EN RIESGO Aquellos elementos del contexto social y material de una comunidad que puedan verse afectados con la ocurrencia de un sismo, tales como los habitantes, sus bienes, la actividad económica, los servicios públicos, etc. EPICENTRO - Punto exacto en la superficie que se localiza sobre el hipocentro de un sismo, representación en superficie de la ubicación de la fuente sísmica. ESTACIÓN SISMOGRÁFICA O SISMOLÓGICA - Sitio en donde uno o más sismógrafos son instalados con el fin de registrar ondas sísmicas. EVENTO SÍSMICO Liberación repentina de energía acumulada en la litosfera de la tierra que trae como consecuencia un sismo. FALLA - Superficie de contacto entre dos bloques que se desplazan o han sido desplazados en el pasado en forma diferencial uno con respecto al otro y que en el momento de formación estaban unidos. Se pueden extender espacialmente por varios cientos de km y en forma temporal por varios millones de años. FALLA ACTIVA Falla geológica que con base en información histórica, sismológica o geológica, manifiesta una alta probabilidad de ser capaz de producir un sismo. Alternativamente se define así: es una falla que es capaz, dentro del contexto de las suposiciones que se hacen en un análisis de amenaza o riesgo sísmico específico, de producir un sismo dentro de un lapso de tiempo determinado. FALLA GEOLÓGICA Ruptura, o zona de ruptura, en la roca de la corteza terrestre cuyos lados han tenido movimientos paralelos al plano de ruptura. FUENTE SISMOGÉNICA Véase "Zona Sísmogénicia".

16 GAL - Unidad de medida que representa la aceleración de un centímetro por unidad de tiempo (segundos) al cuadrado. HIPOCENTRO - Punto en el interior de la Tierra, en el cual se da inicio a la liberación de energía causada por la ruptura y generación de un sismo, este punto indica la localización de la fuente sísmica. INTENSIDAD Medida cualitativa o cuantitativa de la severidad del movimiento del terreno en un lugar específico, en términos de una escala tal como la de Intensidades de Mercalli Modificada, la de Intensidades de Rossi Forell, la de Intensidad Espectral de Housner, la de Intensidad de Arias, o de la Aceleración Pico. INTENSIDAD DE MERCALLI MODIFICADA Medida cualitativa de la severidad del movimiento o ruptura del terreno en un sitio específico, descrita en términos de una escala de doce grados. Tiene un rango de niveles de intensidad desde I, no sentido, hasta XII, daño cercano al total. INTERVALO MEDIO DE RECURRENCIA O INTERVALO PROMEDIO DE RECURRENCIA Tiempo promedio entre sismos o rompimientos en una falla, con características específicas tales como magnitud mayor que un valor dado, en una región determinada, en una falla o en una zona de fallamiento. LATITUD, LONGITUD - Las coordenadas geográficas son la latitud y la longitud, estas son tomadas desde la línea ecuatorial y el meridiano de Greenwich, la latitud va desde el ecuador hasta los polos geográficos de nuestro planeta, siendo positivo cuando nos dirigimos hacia el norte y negativo cuando nos dirigimos hacia el sur. La longitud por su parte va desde el meridiano de Greenwich, esta es una línea imaginaria trazada desde el polo sur al polo norte que pase por la ciudad de Greenwich en Inglaterra, esta se puede tomar como positiva si nos movemos hacia el ESTE o negativa si nos movemos hacia el OESTE. LEY DE ATENUACIÓN Ley que define el comportamiento de un parámetro descriptivo del movimiento producido por el sismo en función de la distancia a la fuente de liberación de la energía del mismo. MAGNITUD - Generalmente, el tamaño de los sismos se lo indica en términos de magnitud la cual está relacionada con la energía liberada en la fuente sísmica.

17 MAPA DE AMENAZA SÍSMICA Mapa que muestra contornos de un parámetro específico de movimiento del terreno para una amenaza sísmica probabilista o un período de retorno. MÁXIMO POSIBLE Mayor valor posible de una variable. Se determina explícitamente de la suposición de que no existe la posibilidad de tener valores mayores e implícitamente de la suposición de que las variables asociadas están limitadas en su rango de valores posibles. El valor "máximo posible" puede expresarse en forma determinista o probabilista. MOVIMIENTO DEL TERRENO Descripción cuantitativa de la vibración del terreno causada por un sismo, usualmente dada en términos de un acelerograma o un espectro de respuesta. PARÁMETRO DE LA FUENTE Una variable o parámetro que describe una característica física en la fuente de liberación de la energía causante del sismo, tal como la magnitud, el descenso del esfuerzo, el momento sísmico o el desplazamiento de la falla. PARÁMETRO DE MOVIMIENTO DEL TERRENO Parámetro característico de movimiento del suelo tal como la aceleración pico, la velocidad pico y el desplazamiento pico (parámetros pico) o las ordenadas del espectro de respuesta o del espectro de Fourier (parámetros espectrales). PERÍODO DE RETORNO Tiempo promedio que transcurre entre las ocurrencias de un movimiento del terreno con un nivel específico en un lugar determinado. Numéricamente es igual al inverso de la probabilidad anual de excedencia. PLACA (TECTÓNICA) - Divisiones de la litósfera de la Tierra, también llamadas placas litosféricas, extensas y relativamente rígidas, que se mueven en relación con otras placas de la litósfera. Las placas interactúan entre ellas en zonas denominadas límites de placa convergentes, divergentes, y Transformantes. PROBABILIDAD DE EXCEDENCIA Probabilidad de que un nivel específico de amenaza o riesgo sísmico sea excedido en un lugar o región durante un lapso de tiempo determinado. RELACIÓN DE ATENUACIÓN Ecuación que define la relación entre un parámetro de movimiento del terreno, la magnitud y la distancia de la fuente sísmica al sitio. Estas ecuaciones son usualmente derivadas del análisis de registros sísmicos.

18 RELACIÓN DE GUTEMBERGRICHTER Relación empírica entre N, el número esperado de sismos por año con magnitudes mayores que m, la magnitud sísmica, para una zona fuente específica. SISMICIDAD Descripción de sismos en relación con el espacio, el tiempo y el tamaño. La sismicidad en una zona fuente o región específica usualmente se cuantifica en términos de una relación Gutenberg Richter. SISMO (TEMBLOR, TERREMOTO) Vibración de la corteza terrestre causada por la liberación abrupta de energía acumulada en la litosfera de la tierra. El movimiento causado por el sismo puede variar desde un movimiento violento en algunos lugares hasta un movimiento imperceptible en otros. TASA DE ACTIVIDAD SÍSMICA Valor medio del número de sismos con características similares por unidad de tiempo, por ejemplo magnitud mayor que 6, que se originan en una falla o región específica. ZONA DE SUBDUCCIÓN Zona de convergencia de dos placas de la corteza terrestre caracterizada por el empuje de una placa por debajo de la otra. ZONA SÍSMICA Región en la cual los requisitos de diseño sismo resistente de obras de ingeniería son uniformes. ZONA SISMOTECTÓNICA Una zona sismogénica en la cual ha sido posible identificar el proceso tectónico causante de sus sismos. En general estas zonas corresponden a franjas de fallamiento.

19 INTRODUCCIÓN Colombia se ubica en una de las regiones de mayor actividad sísmica del planeta debido a la interacción de cuatro placas: Suramérica, Caribe, Nazca y Cocos; lo que supone una constante generación de terremotos. Podría decirse que la geomorfología de Colombia tiene características únicas. La misma dinámica ha formado diversas estructuras geológicas, un buen número de volcanes y fallas activas. Por esta razón, se hace necesario conocer los efectos que los eventos sísmicos producen en el territorio nacional y evitar posibles catástrofes que involucren tanto pérdidas materiales como vidas humanas. En nuestro país el peligro sísmico es un tema preocupante que requiere responsabilidad e interés nacional. Las grandes obras de ingeniería, todo tipo de instalaciones industriales y en general de la infraestructura están expuestas a la amenaza sísmica en gran parte del territorio nacional y representa un problema mayor debido a los graves daños ocasionados históricamente por los sismos. Así pues, es necesario realizar estudios detallados de factores de riesgos potenciales en el diseño y construcción de estructuras o edificaciones. El análisis del terreno donde se construirán las edificaciones, así como sus características de construcción deberían ser imprescindibles ante el planteamiento de realización de cualquier obra de ingeniería. Es claro que los efectos de un sismo dependen de sus características intrínsecas, tales como la magnitud, el tipo de falla generadora, la profundidad del epicentro; pero también dependen en gran medida de las condiciones locales del sitio afectado. En los años recientes se han logrado importantes avances en el reconocimiento de diferentes agentes que inciden directamente en el peligro sísmico de la nación. La incorporación de estos nuevos antecedentes, junto con una mejor comprensión de la actividad sísmica relacionada con fallas activas, los avances en sismotectónica y la 19

20 incidencia de sismos ocurridos contribuyeron a la elaboración de la Norma Sismo Resistente del Este trabajo de grado presenta una evaluación probabilística de la amenaza sísmica de los municipios del departamento de Cundinamarca, utilizando la ecuación de atenuación propuesta por MacGuire (1974) en función de la distancia hipocentral y la magnitud Ms del evento, para cada una de las fuentes sismogénicas que amenacen la zona de estudio. Debido a que en la actualidad no se cuenta con ecuaciones robustas de atenuación para Colombia, se hace necesaria la utilización de ecuaciones desarrolladas en otras partes del mundo; es decir, que fueron desarrolladas en geologías y procesos tectónicos diferentes. Para evaluar aceleraciones pico en roca se utilizaron datos instrumentales de 1963 a 2015; se analizaron sismos en el área entre latitudes 0 N a 9 N y entre longitudes 78 W y 71 W, en todas las profundidades y magnitudes MS mayores a 4. Se caracterizaron las fallas: Romeral, Salinas, Murindó-Atrato, Espíritu Santo, Frontal Cordillera Oriental Central, Junin-Sambiambi y Nido Bucaramanga; puesto que son las fuentes con mayor actividad sísmica y con mayor peligrosidad para el área en estudio. Finalmente, mediante análisis probabilístico modificado por Cornell (1968), se obtuvieron mapas cualitativos de vulnerabilidad sísmica para periodos de retorno de 475, 1000 y 2500 años que definirán las posibles zonas de asentamiento poblacional a futuro y centros urbanos que hoy en día se encuentran en riesgo ante posibles terremotos. 20

21 1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA La demarcación geográfica del territorio Colombiano genera una situación preocupante puesto que aquellas zonas de amenaza sísmica alta e intermedia involucran regiones de mayor desarrollo socioeconómico con la mayor parte de la población total. Colombia, al estar localizada en una de las zonas sísmicas más activas de la Tierra, (conocido como Anillo Circumpacífico, ya que convergen la Placa de Nazca, la Placa Suramericana y la Placa del Caribe), posee condiciones de vulnerabilidad ante movimientos tectónicos. De esta manera, es pertinente que cada diseño y construcción que se realice se fundamente en estudios sísmicos que minimicen el riego de colapso de las mismas. Debido a la localización geográfica de Colombia y sus accidentes geográficos se generan movimiento de placas que pueden producir grandes daños en la infraestructura y pérdida de vidas. La amenaza a toda la población del país, propiedades e infraestructura de servicios públicos alcanza grandes dimensiones que deben ser tenidas en cuenta. La labor del ingeniero debe enfocarse a la protección de la vida humana ante sismos, evitando emplazar poblaciones e infraestructura en zonas de amenaza critica; suministrando estudios de amenaza sísmica del territorio nacional; reconociendo áreas que por su naturaleza son susceptibles a procesos gravitacionales de remoción en masa; generando infraestructura segura que no colapsen en caso de temblores. Desde otro punto de vista, Bogotá tiene una de las dinámicas de crecimiento urbano más complejas del país, no obstante no está ofreciendo las condiciones óptimas de bienestar para toda la población; las oportunidades son pocas y el costo de vida es alto. Adicionalmente debe tenerse en cuenta el proceso actual de migración desde el sector urbano hacia las cabeceras municipales, lo que generara un desarrollo urbano prometedor, de tal manera que el progreso de estos municipios debe estar sustentado en estudios de toda índole (símico, geológico, ambiental, sanitario, administrativo, entre otros). 21

22 2. JUSTIFICACIÓN Las personas buscan persistentemente elevar su calidad de vida y bienestar, de esta migran a zonas (departamentos, ciudades, municipios y zonas rurales) en donde se presenten mayores y más confiables oportunidades de mejorar; por ejemplo, obtener fácilmente acceso a la educación, a la vivienda, a los servicios de salud, obtener un buen empleo e ingresos elevados. De hecho, un estudio del DANE (2000) revela que más del 50% de la migración del país tiene como destino las capitales y áreas metropolitanas. El fenómeno de migración de la población colombiana está impulsado por aquellos lugares que exhiben ventajas económicas, sociales y culturales propias de las grandes áreas urbanas y que son las más importantes receptoras de migrantes. No obstante, los espacios de asentamiento en la ciudad de Bogotá escasean, lo que impulsa a la migración de la población hacia la periferia. De las Áreas Metropolitanas en Colombia, la sabana de Bogotá es de las más habitadas y aquella que recibe más población migrante al año. El boom de la construcción en municipios aledaños a Bogotá continúa y cada vez con más fortaleza como así lo indican las cifras: solamente el 15% examina la posibilidad de comprar vivienda en Bogotá y alrededor del 85% de los hogares que buscan un sitio para vivir en Cundinamarca prefiere los municipios de Tabio, Soacha, Mosquera y Funza entre otros.. A esta conclusión llegó el séptimo estudio de Demanda de Vivienda en Bogotá y la Región, realizado por Coordenada Urbana, según el cual las tres cuartas partes de las ventas de vivienda nueva en el departamento durante 2013 se concentraron en Soacha, Mosquera, Madrid, Chía y Cajicá. Este crecimiento de la vivienda y construcción en municipios aledaños a Bogotá ha concordado también con la progresiva relocalización de empresas, que encuentran en los municipios de la Sabana no solamente nuevas y mejores oportunidades de difusión, sino menores costos de servicios públicos, así como bajos costos en la tierra y mejor ubicación dentro del mercado. 22

23 Cundinamarca al estar ubicada según la NSR-10 en una zona de amenaza sísmica intermedia-alta necesita de un conocimiento más elaborado sobre este peligro, lo que implica gestionar estudios para la reducción del riesgo sísmico del departamento con respecto a las aceleraciones máximas esperadas. Esto implica que deben evaluarse los probables niveles de peligro sísmico, analizando los principales factores como lo son: factores tectónicos, sismológicos y geológicos, entre otros. Todo lo anterior con el objetivo de encontrar lugares con el menor riesgo posible para ser poblados a futuro, brindar estudios de amenaza sísmica para las regiones con posible desarrollo urbano que puedan ser implementaos en los POT municipales y de esta manera reducir en lo máximo daños a la infraestructura que se ocasionan ante un evento telúrico. 23

24 3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Evaluar la amenaza sísmica regional para los municipios de Cundinamarca a partir del análisis de datos sismológicos incorporando la ecuación de atenuación más conveniente de acuerdo al conocimiento del área en estudio y considerando los parámetros de recurrencia y actividad sísmica suministrados por la fuente. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Cuantificar el efecto de la tectónica y la sismicidad en los municipios de Cundinamarca por medio de la estimación de la amenaza sísmica, la cual estará representada por valores de aceleración máxima horizontal del terreno. Estudiar estadísticamente la frecuencia y magnitud de la sismicidad en la zona. Determinar la amenaza símica para los puntos deseados dentro de la zona en estudio. Elaborar Mapas de Amenaza Sísmica para los municipios del departamento de Cundinamarca. Reconocer las posibles áreas de ubicación de infraestructura en los municipios de Cundinamarca a partir del análisis de amenaza sísmica. 24

25 4. MARCO CONTEXTUAL Cundinamarca, departamento de Colombia localizado en el centro del país. Limita al norte con el departamento de Boyacá, al este con los departamentos de Boyacá y Meta, al sur con los departamentos de Meta, Huila y Tolima, y al oeste con el departamento de Tolima, del que le separa el río Magdalena. Figura 4-1. Ubicación del Departamento de Cundinamarca Fuente: Enciclopedia online 4.1 GEOGRAFÍA FÍSICA Cundinamarca tiene una extensión de km² y posee una gran variedad climática, desde los fríos del páramo de Sumapaz (4.500 m.s.n.m), Chingaza y Choachí en la Cordillera Oriental (sur); así mismo, la altiplanicie de la Sabana de Bogotá y más al norte 25

26 el valle de Ubaté y Simijaca. Los sectores planos y cálidos del departamento corresponden al valle del Magdalena y la parte de los Llanos Orientales. El territorio cundinamarqués lo bañan los ríos Magdalena, Guavio, Guatiquía, Blanco, Bogotá, Apulo, Seco, Humea, Negro y Sumapaz y las lagunas de Chingaza, Cucunuba, Fúquene, Guatavita, Suesca y Ubalá. Así mismo, existen varios embalses generadores de energía, como el de El Nuña, Guavio, Neusa, La Regadera, Sisga y Tominé. 4.2 DIVISIÓN POLÍTICO-ADMINISTRATIVA Cundinamarca está dividida en 15 provincias: Almeidas, Alto Magdalena, Bajo Magdalena, Gualivá, Guavio, Magdalena Centro, Medina, Oriente, Rionegro, Sabana Centro, Sabana Occidente, Soacha, Sumapaz, Tequendama y Ubaté (Figura 4-2); creadas para facilitar la administración del departamento. Dentro de ellas se asientan 117 municipios y el Distrito Capital de Bogotá (Tabla 4-1). La relación entre Bogotá y Cundinamarca es compleja pues aunque el primero es capital del segundo, sólo comparten los Tribunales de justicia de Bogotá y Cundinamarca. Por el contrario, ni el gobernador ni la asamblea departamental tienen jurisdicción sobre Bogotá ni son elegidos por los bogotanos. Tabla 4-1. Municipios del departamento de Cundinamarca Municipios de Cundinamarca # Nombre Provincias Altitud Área (Km2) Habitantes Latitud Longitud 1 Yacopí Rionegro Puerto Salgar Bajo Magdalena Simijaca Ubaté Cajicá Sabana Centro Susa Ubaté Fúquene Ubaté Guachetá Ubaté Paime Rionegro Cáqueza Oriente La Palma Rionegro San Cayetano Rionegro Guaduas Bajo Magdalena Lenguazaque Ubaté Villagómez Rionegro El Peñón Rionegro

27 16 Villapinzón Almeidas Pacho Rionegro La Peña Gualivá Une Oriente Nimaima Gualivá Venecia Sumapaz Zipaquirá Sabana Centro Quebradanegra Gualivá Tibirita Almeidas Supatá Gualivá Nocaima Gualivá La Vega Gualivá Villeta Gualivá Subachoque Sabana Occidente Manta Almeidas San Francisco Gualivá Tocancipá Sabana Centro Sasaima Gualivá Carmen de Carupa Ubaté Tabio Sabana Centro Cachipay Tequendama San Juan de Rioseco Magdalena Centro Vergara Gualivá Sopó Sabana Centro Gachetá Guavio Beltrán Magdalena Centro Guayabal de Síquima Magdalena Centro Agua de Dios Alto Magdalena Guasca Guavio El Rosal Sabana Occidente Chaguaní Magdalena Centro Ubalá Guavio Tenjo Sabana Centro Facatativá Sabana Occidente Madrid Sabana Occidente Cota Sabana Occidente Anapoima Tequendama Arbeláez Sumapaz Junín Guavio La Calera Guavio Zipacón Sabana Occidente Gachalá Guavio Quipile Tequendama Funza Sabana Occidente Ubala2 Guavio Paratebueno Medina Cabrera Sumapaz Bituima Magdalena Centro Pulí Magdalena Centro Mosquera Sabana Occidente La Mesa Tequendama Tena Tequendama

28 68 Fómeque Oriente Medina Medina Jerusalén Alto Magdalena San Antonio del Tequendama Tequendama Chipaque Oriente Albán Gualivá Soacha Soacha Anolaima Tequendama El Colegio Tequendama Tocaima Alto Magdalena Granada Sumapaz Guataquí Alto Magdalena Ubaque Oriente Sibaté Soacha Viotá Tequendama Silvania Sumapaz Chía Sabana Centro Nariño Alto Magdalena Caparrapí Bajo Magdalena Girardot Alto Magdalena Fusagasugá Sumapaz Ubaté Ubaté Chocontá Almeidas , Quetame Oriente Pasca Sumapaz Ricaurte Alto Magdalena Tibacuy Sumapaz Guayabetal Oriente Nilo Alto Magdalena Fosca Oriente Gutiérrez Oriente Apulo Tequendama Pandi Sumapaz San Bernardo Sumapaz Útica Gualivá Bojacá Sabana Occidente Topaipí Rionegro Vianí Magdalena Centro Cucunubá Ubaté Sutatausa Ubaté Tausa Ubaté Choachí Oriente Suesca Almeidas Cogua Sabana Centro Nemocón Sabana Centro Machetá Almeidas Sesquilé Almeidas Gachancipá Sabana Centro Guatavita Guavio Gama Guavio

29 Figura 4-2. División política administrativa del departamento de Cundinamarca Fuente: Instituto Geográfico Agustín Codazzi 29

30 4.3 POBLACIÓN Según cálculos del DANE, en el año 2013, Cundinamarca contaba con habitantes, distribuidos en los 117 municipios, sin incluir su capital Santafé de Bogotá, Distrito Capital, que es a su vez la capital colombiana. La ciudad contaba en el 2013 con habitantes, procedentes de toda Colombia y del exterior; concentrando el 20% del total de población de todo el país. Los municipios que presentan un mayor incremento y explican el crecimiento del departamento son: Soacha, Facatativá, Zipaquirá, Fusagasugá, Girardot, Chía, Mosquera, Funza, Madrid y Cajicá. Estos diez municipios ubicados en la Sabana de Bogotá concentran en más del 80% el crecimiento de Cundinamarca, pero en especial Soacha que presenta una participación en el total de la población del departamento de casi un 20%. 4.4 ECONOMÍA Económicamente este departamento vive de la industria, el comercio, los servicios, el turismo, la explotación minera y las actividades agropecuarias. Las tres primeras están centradas en Bogotá y en los municipios cercanos. La ganadería es de leche y los derivados lácteos se procesan en diversas industrias. En cuanto a la agricultura, se cultiva caña de azúcar, café, maíz, frijol, yuca, plátano, verduras, legumbres y árboles frutales. Estas actividades agropecuarias se desarrollan en todo el territorio, pero destacan los municipios de Anapoima, Cajicá, Chía, Choachí, Facatativá, Zipaquirá, Guaduas, Madrid, Girardot y Soacha, así como los alrededores de la capital. La floricultura está muy desarrollada en la Sabana de Bogotá y se exporta a Europa y Estados Unidos. El turismo se desarrolla en diversos puntos del departamento, como Santafé de Bogotá, Zipaquirá, Guatavita, Melgar, Guaduas, Anapoima y Villeta. En minería se explota el carbón y la sal en Zipaquirá, Zipacón, Ubaté, Sesquilé y Nemocón. 30

31 4.5 SISMICIDAD La sismicidad en el departamento de Cundinamarca y regiones aledañas es alta comparada con otras zonas del país. Este proceso es ocasionado por la liberación de grandes cantidades de energía, producto de la acumulación de esfuerzos en regiones tectónicas. La energía liberada por las ondas sísmicas puede generar en superficie algunos procesos como movimientos en masa, licuefacción y deformaciones que son los que causan los mayores daños sobre la población, su economía e infraestructura. Según el Servicio Geológico Colombiano (antes Ingeominas) la amenaza sísmica en la región de Cundinamarca está asociada principalmente, con el sistema de fallas del Borde Llanero, y en menor medida con las fallas del Valle Medio del Magdalena (Figura 4-4). El sismo más reciente que ha afectado a Cundinamarca ocurrió el 19 de enero de 1995, con epicentro cerca a Tauramena (Casanare), afectando principalmente los municipios limítrofes con Boyacá y Casanare, como Tibirita, Manta y Junín, causando averías en decenas de viviendas. De acuerdo con el Atlas Básico de amenaza sísmica del departamento de Cundinamarca, se observa que el territorio tiene zona de amenaza sistémica intermedia y alta con aceleraciones horizontales del terreno entre 0.1g y 0.4g para un periodo de retorno de 475 años (Figura 4-3). En el mapa se distinguen cuatro grandes zonas de aceleración sísmica; la zona de mayor vulnerabilidad se ubica entre las provincias de Medina Guavio, oriente y la zona sur de la provincia del Sumapaz y los municipios con amenaza alta son: Cabrera, Caqueza, Chipaque, Choachi, Fomeque, Fosca, Gachala, Gacheta, Gama Guasca, Guayabetal, Gutiérrez, Junín, Macheta, Manta Medina, Paratebueno, Quetame, San Bernardo, Tibirita, Ubala, Ubaque, Une, Venecia, los otros municipios se clasifican como amenaza intermedia. 31

32 Figura 4-3. Amenaza sísmica Departamento de Cundinamarca Fuente: Atlas de Cundinamarca, dimensión ambiental, Secretaria de Planeación. 32

33 Figura 4-4. Mapa nacional de amenaza sísmica para un periodo de 475 años. Fuente: Instituto Colombiano de Geología y Minería. 33

34 5. MARCO CONCEPTUAL 5.1 TECTÓNICA DE PLACAS La tectónica de placas puede definirse como una teoría compuesta por una gran variedad de ideas que explican el movimiento observado de la capa externa de la Tierra por medio de los mecanismos de subducción y de expansión del fondo oceánico, que a su vez, generan los principales rasgos geológicos de la Tierra, entre ellos los continentes, las montañas y las cuencas oceánicas. La teoría explica que la litosfera está rota en fragmentos, llamados placas. La litosfera se encuentra por encima de la región más dúctil del manto, conocida como la astenosfera. Las placas se mueven unas con respecto a las otras y cambian continuamente en el tiempo geológico de tamaño y forma. No se sabe con certeza que causa los esfuerzos que producen los movimientos de placas, pero se cree que estos son producidos por la transferencia convectiva de calor en el manto. Un ejemplo de este proceso ocurre cuando se hierve agua. El fluido más cercano a la fuente de calor se expande, se vuelve menos denso y tiende por lo tanto a subir a la superficie donde se enfría y es desplazado hacia el fondo por las nuevas parcelas ascendentes 1. De esta manera se establece un proceso continuo de ascenso y descenso del líquido en celdas permanentes formadas por las corrientes del fluido. Se reconocen siete placas principales (Figura 5-1): la placa Norteamericana, la Sudamericana, la del Pacífico, la Africana, la Euroasiática, la Australiana y la Antártica. La mayor es la placa del Pacífico, que abarca una porción significativa de la cuenca del océano Pacífico. Las placas de tamaño mediano son la Caribeña, la de Nazca, la Filipina, la Arábiga, la de Cocos, la de Scotia y la de Juan de Fuca. 1 ESPÍNDOLA, J. M. Terremotos y ondas sísmicas. Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Geofísica. México,

35 Figura 5-1. Placas tectónicas Fuente: Estrada, Luis A. Sismología para Ingenieros. Universidad nacional de Tucuman FALLAS Se entiende por falla a una estructura tectónica a lo largo de la cual se ha producido una fractura y un desplazamiento diferencial de los materiales adyacentes. En sismología e ingeniería sísmica el interés se centra en las fallas activas y en las fallas capaces. La falla activa es aquella estructura tectónica en la que: 1) ha habido al menos un movimiento en la superficie o cerca de ella en los últimos años, o movimientos con recurrencia en los últimos años; 2) existe constancia instrumental de la ocurrencia de sismos relacionados con la falla; 3) hay relación con fallas potenciales que satisfacen las dos características anteriores 2. La falla potencialmente activa es la que no tiene indicios de actividad en el campo de esfuerzos actuales, pero que en una etapa anterior fue activa. Mientras que una falla se 2 RODRÍGUEZ, Mario Octavio. Un recorrido por la sismología de Cuba. Cotilla Editorial Complutense, p. 35

36 define capaz cuando la generación de deformaciones es permanente en o cerca de la superficie, una falla es no activa cuando no se ajusta al conjunto de las tres anteriores. Si bien las fallas que sufren desplazamientos cuando sucede un terremoto son activas, no todas las fallas activas generan terremotos, algunas son capaces de moverse asísmicamente, es decir sin que esté asociada a ninguna actividad sísmica 3. Figura 5-2. Falla de San Andrés Fuente: Fallas con desplazamiento vertical Las fallas en las que el movimiento es fundamentalmente paralelo al buzamiento (o inclinación) de la superficie de falla se denominan fallas con desplazamiento vertical. Es común denominar a la superficie rocosa que está inmediatamente por encima de la falla el techo y a la superficie de roca inferior, el muro. 3 AKI, Keiiti y W. H. K. Lee. Determination of three-dimensional velocity anomalies under a seismic array using first P arrival time from local earthquakes: 1. A homogeneous initial model, J. Geophys. Res., 81 (no. 23)

37 Los dos tipos principales de fallas con desplazamiento vertical se denominan fallas normales y fallas inversas. Además, cuando una falla inversa tiene un ángulo de buzamiento (inclinación) menor de 45, se denomina cabalgamiento. A continuación consideraremos estos tres tipos de falla Fallas normales Las fallas con desplazamiento vertical se clasifican como fallas normales cuando el bloque de techo se desplaza hacia abajo en relación con el bloque de muro (Figura 5-3). La mayoría de las fallas normales tienen buzamientos de unos 60, que tienden a disminuir con la profundidad. Figura 5-3. Bloques diagrama que ilustran una falla normal 4 Fuente: TARBUCK & LUTGENS. Ciencias de la Tierra: Una introducción a la geología física. El movimiento de las fallas proporciona a los geólogos un método de determinación de la naturaleza de las fuerzas que actúan en el interior de la Tierra. Las fallas normales indican la existencia de esfuerzos tensionales que separan la corteza. Esa separación 4 A. Estratos rocosos antes de la falla. B. Movimiento relativo de los bloques desplazados. El desplazamiento puede continuar formando un relieve montañoso limitado por fallas a lo largo de millones de años y que representa muchos episodios de fracturación espaciados en el tiempo. C. Cómo puede la erosión modificar el bloque levantado. D. Finalmente el período de deformación acaba. 37

38 puede llevarse a cabo o bien por levantamiento, que hace que la superficie se estire y rompa, o bien mediante fuerzas horizontales opuestas Fallas inversas y cabalgamientos Ocurren en áreas donde las rocas se comprimen unas contra otras (fuerzas de compresión). El bloque superior se desliza hacia arriba (asciende) sobre el bloque inferior 5. Las Fallas de Cabalgamiento son un tipo especial de falla inversa y ocurren cuando el ángulo de la falla es muy pequeño. Hay que recordar que las fallas inversas tienen buzamientos superiores a 45 y que los cabalgamientos inferiores a 45. Mientras que las fallas normales aparecen en entornos tensionales, los cabalgamientos son resultado de fuertes esfuerzos compresivos. En esos ambientes, los bloques de la corteza se desplazan uno hacia el otro, moviéndose el techo hacia arriba con respecto al muro. La formación de cabalgamientos es más pronunciada en las zonas de subducción y otros bordes convergentes, donde las placas están colisionando. Figura 5-4. Bloque de suelo que muestra el movimiento a lo largo de una falla inversa Fuente: de desplazamiento horizontal 5 AGENCIA NACIONAL DE HIDROCARBUROS. Conceptos básicos de geología y geofísica. Ministerio de Minas y Energía. Colombia

39 5.2.4 Falla horizontal También conocida como fallas de rumbo, es en las que el desplazamiento dominante es horizontal y paralelo a la dirección de la superficie de la falla, se denominan fallas de desplazamiento horizontal o desgarres. Debido a su gran tamaño y a su naturaleza lineal, muchas fallas de desplazamiento horizontal tienen una traza que es visible a lo largo de una gran distancia. Muchas grandes fallas de desplazamiento horizontal, denominadas fallas transformantes, atraviesan la litosfera y acomodan el movimiento entre dos grandes placas de corteza. Una de las fallas transformantes mejor conocida es la falla San Andrés, en California. Figura 5-5. Bloque diagrama que ilustra las estructuras asociadas con las fallas con desplazamiento horizontal Fuente: TERREMOTOS Un terremoto es la vibración de la Tierra producida por una rápida liberación de energía. Lo más frecuente es que los terremotos se produzcan por el deslizamiento de la corteza terrestre a lo largo de una falla. La energía liberada irradia en todas las direcciones desde su origen, el foco o hipocentro, en forma de ondas. Aun cuando la energía de las ondas sísmicas se disipa rápidamente conforme se alejan del foco, instrumentos sensibles localizados por todo el mundo registran el acontecimiento. 39

40 Normalmente, los terremotos se producen a lo largo de fallas preexistentes que se formaron en el pasado lejano a lo largo de zonas de fragilidad de la corteza terrestre. La mayor parte del movimiento que se produce a lo largo de las fallas puede explicarse acudiendo a la teoría de la tectónica de placas 6. Figura 5-6. Rebote elástico 7 Fuente: TARBUCK & LUTGENS. Ciencias de la Tierra: Una introducción a la geología física. 6 TARBUCK, Edward y LUTGENS, Frederick. Ciencias de la Tierra: Una introducción a la geología física. Madrid: Pearson Educación, p. 7 A medida que la roca se deforma, se dobla, almacenando energía elástica. Cuando se ha deformado más allá de su punto de ruptura, la roca se rompe, liberando la energía almacenada en forma de ondas sísmicas. 40

41 5.3.1 Ruptura y propagación de un terremoto Durante los terremotos pequeños, el deslizamiento total se produce a lo largo de una superficie de falla comparativamente pequeña o en un segmento pequeño de una falla mayor. Así, la zona de ruptura puede propagarse rápidamente y la vida del terremoto es corta. Por el contrario, los grandes terremotos implican el deslizamiento a lo largo de un segmento grande de una falla, que algunas veces puede medir varios cientos de kilómetros de longitud, y por tanto, su duración es más prolongada. Por ejemplo, la propagación de la zona de ruptura a lo largo de una falla de 300 kilómetros de longitud duraría alrededor de 1,5 minutos. Por consiguiente, las fuertes vibraciones que la acompañan producidas por un terremoto grande no sólo serían más fuertes, sino que también durarían más que las vibraciones producidas por un terremoto pequeño. Los grandes terremotos son a veces seguidos de un cierto número de réplicas, es decir temblores menores que ocurren después del principal y que se originan en las proximidades de este. A veces se continúan por varios días, semanas, meses y hasta años. Generalmente, la frecuencia en la ocurrencia de las réplicas (que hasta supera los cien por día) decrece con el tiempo. El terremoto principal es precedido a veces durante varios días o semanas por temblores precursores, que generalmente son más pequeños. No siempre ocurre el modelo precursor-principal-réplica. Otra forma de liberación de energía es la de los temblores enjambre. Son un gran número de temblores que ocurren en un área determinada durante semanas o meses. No hay un terremoto principal, aunque suele aumentar la frecuencia hasta un máximo y luego gradualmente desaparecen 8. También son comunes en zonas volcánicas. Es de destacar que la acumulación de energía es bastante lenta, toma meses, años y a veces décadas (dependiendo de la magnitud del terremoto) hasta que supera la resistencia elástica de la roca. Por otro lado, la liberación de energía ocurre en fracción de segundos o pocos minutos para los terremotos más grandes. 8 ESTRADA, Luis A. Sismología para Ingenieros. Universidad Nacional de Tucuman

42 5.4 SISMOLOGÍA La sismología es la ciencia que estudia los terremotos y los fenómenos asociados con ellos. En sus inicios, era una mera ciencia observacional, hasta que en el último siglo tuvo un gran avance por el desarrollo tecnológico alcanzado 9. Este desarrollo se ve hoy en la exploración sísmica para el petróleo, la evaluación del riesgo sísmico, la planificación en el uso del suelo, incluyendo la localización segura de plantas de energía nuclear, grandes presas, puentes, etc. Quizá una de sus más valiosas contribuciones al entendimiento de nuestro planeta lo constituya su aprobación a la llamada tectónica de placas Sismógrafos y sismogramas El simple mecanismo de los primeros sismógrafos, instrumentos que registran los terremotos, ha evolucionado hasta los delicados y sensibles instrumentos de registro digital que hoy tenemos en la actualidad. En principio al menos, los sismógrafos, no son muy diferentes de los dispositivos utilizados por los chinos antiguos. Estos dispositivos tienen una masa suspendida libremente de un soporte que se fija al terreno (Figura 5-7). Cuando la vibración de un terremoto lejano alcanza el instrumento, la inercia de la masa suspendida la mantiene relativamente estacionaria, mientras que la Tierra y el soporte se mueven. El movimiento de la Tierra con respecto a la masa estacionaria se registra en un tambor giratorio o una cinta magnética. El instrumento mostrado en la Figura 5-7 A. está diseñado para permitir la oscilación de la masa de un lado a otro y, de este modo, la detección del movimiento horizontal del terreno. Normalmente, se utilizan dos sismógrafos horizontales, uno orientado de norte a 9 ESTRADA, Luis A. Sismología para Ingenieros. Universidad Nacional de Tucuman

43 sur y otro de este a oeste. El movimiento vertical del terreno puede detectarse si la masa se suspende de un muelle, como se muestra en la Figura 5-7 B. Los registros obtenidos con los sismógrafos, denominados sismogramas proporcionan mucha información relativa al comportamiento de las ondas sísmicas. La propagación (transmisión) de la energía puede compararse con la sacudida que experimenta la gelatina en un tazón cuando se coge una cucharada. La gelatina tendrá un solo modo de vibración, pero los sismógrafos revelan que el deslizamiento de una masa de roca genera dos grupos principales de ondas sísmicas. Uno de esos grupos de ondas que viajan sobre la parte externa de la Tierra se conoce como ondas superficiales. Otros viajan a través del interior de la Tierra y se denominan ondas de cuerpo. Las ondas de cuerpo se dividen a su vez en dos tipos, que se denominan ondas primarias o P y ondas secundarias o S. Figura 5-7. Principio de funcionamiento del sismógrafo 10 Fuente: TARBUCK & LUTGENS. Ciencias de la Tierra: Una introducción a la geología física. 10 La inercia de la masa suspendida tiende a mantenerla inmóvil, mientras que el tambor de registro, que está anclado al lecho de roca, vibra en respuesta a las ondas sísmicas. Por tanto, la masa estacionaria proporciona un punto de referencia a partir del cual se puede medir la cantidad de desplazamiento que ocurre cuando las ondas sísmicas atraviesan el suelo que está por debajo. 43

44 5.4.2 Ondas sísmicas Las ondas de cuerpo se dividen en ondas P y S por su modo de viajar a través de los materiales. Las ondas P son ondas que empujan (comprimen) y tiran (expanden) de las rocas en la dirección de propagación de la onda. Los sólidos, los líquidos y los gases se oponen a un cambio de volumen cuando son comprimidos y recuperarán elásticamente su forma cuando cesa la fuerza. Por consiguiente, las ondas P, que son ondas compresivas, pueden atravesar todos esos materiales. Por otro lado, las ondas S sacuden las partículas en ángulo recto con respecto a la dirección en la que viajan. A diferencia de las ondas P, las ondas S cambian transitoriamente la forma del material que las transmite. Dado que los fluidos (gases y líquidos) no responden elásticamente a cambios de forma, no transmitirán las ondas S. Figura 5-8. Ondas de cuerpo 44

45 El movimiento de las ondas superficiales es algo más complejo. A medida que las ondas superficiales viajan a lo largo del suelo, hacen que éste se mueva y todo lo que descansa sobre él, de manera muy parecida a como el oleaje oceánico empuja un barco. Además de su movimiento ascendente y descendente, las ondas de superficie tienen un movimiento lateral similar a una onda S orientada en un plano horizontal. Este último movimiento es particularmente peligroso para los cimientos de las estructuras Medición de las dimensiones sísmicas Los sismólogos utilizan fundamentalmente dos medidas diferentes para describir las dimensiones de un terremoto: la intensidad y la magnitud. La intensidad es una medida del grado de temblor del terreno en un punto determinado basada en la cantidad de daños producidos. La escala de intensidad modificada de Mercalli utiliza los daños de los edificios para calcular la intensidad del temblor del terreno para un terremoto local Escala de intensidad de Mercalli modificada I. No sentido, excepto por algunas personas bajo circunstancias especialmente favorables. II. Sentido sólo por unas pocas personas en reposo, especialmente en los pisos elevados de los edificios. III. Sentido con bastante nitidez en los interiores, especialmente en los pisos superiores de los edificios, pero muchas personas no lo reconocen como un terremoto. IV. Durante el día, sentido en interiores de edificios por muchas personas, en los exteriores por muy pocas. Sensación de que un camión pesado haya chocado contra el edificio. V. Sentido por casi todo el mundo, muchos se despiertan. A veces se observan cambios en los árboles, los postes y otros objetos altos. VI. Sentido por todos; muchos se asustan y salen a la calle. Algunos muebles pesados se mueven; pocos casos de paredes caídas o chimeneas dañadas. Poco daño. 45

46 VII. Todo el mundo corre a la calle. Daño despreciable en los edificios de diseño y construcción buenos; de ligero a moderado en las estructuras de construcción ordinaria; considerable en los edificios pobres o con estructuras mal diseñadas. VIII. Daño ligero en estructuras especialmente diseñadas; considerables en edificios sustanciales ordinarios con derrumbamiento parcial; grande en estructuras mal construidas (caída de chimeneas, columnas, monumentos, muros). IX. Daño considerable en estructuras especialmente diseñadas. Los edificios son desplazados de sus cimientos. Se abren grietas en el suelo. X. Se destruyen algunas estructuras de madera bien construidas. La mayoría de las estructuras de albañilería y madera se destruyen. Se abren muchísimas grietas en el terreno. XI. Quedan de pie muy pocas estructuras, si queda alguna. Se destruyen los puentes; grandes fisuras en el terreno. XII. Daño total. Se ven ondas en el suelo. Los objetos son lanzados al aire Magnitud La magnitud se calcula a partir de los registros sísmicos y estima la cantidad de energía liberada en el origen de un terremoto. Utilizando la escala de Richter se determina la magnitud de un terremoto midiendo la amplitud (desplazamiento máximo) de la mayor onda sísmica registrada (Figura 5-9). Para expresar la magnitud se utiliza una escala logarítmica, en la cual a un incremento de 10 en la vibración del terreno corresponde un aumento de 1 en la escala de magnitud Otras magnitudes El objetivo original de Richter era modesto, ya que sólo intentó clasificar los terremotos del sur de California (terremotos de foco poco profundo) en grupos de magnitud grande, media y pequeña. Así, la magnitud de Richter se diseñó para estudiar los terremotos próximos (o locales) y se indica con el símbolo (ML), en el que M corresponde a magnitud y L, a local. 46

47 Figura 5-9. Determinación grafica de la magnitud de Richter Fuente: TARBUCK & LUTGENS. Ciencias de la Tierra: Una introducción a la geología física. Con el tiempo, los sismólogos modificaron el trabajo de Richter y desarrollaron nuevas escalas de magnitud. Cada una especificaba un tipo particular de onda y un período (tiempo entre la llegada de las crestas de onda) para calcular la magnitud. Una escala de ese tipo, como la magnitud de onda superficial (MS), mide la amplitud de la mayor onda superficial con un período cercano a los 20 segundos. Aunque la magnitud superficial proporciona un buen cálculo de la fuerza de los terremotos poco profundos de tamaño moderado, no funciona con los terremotos con foco profundo. Por tanto, se desarrolló una magnitud de onda del cuerpo (mb) para describir los terremotos con grandes profundidades focales y los situados a gran distancia de la estación de control. En los últimos años, los sismólogos han estado utilizando una medida más precisa denominada magnitud del momento (MW). La magnitud del momento se utiliza en la actualidad para calcular las dimensiones de los terremotos medianos a grandes. Se calcula utilizando el desplazamiento medio de la falla, el área de la superficie de falla y la resistencia a la cizalla de la roca fallada. 47

48 5.5 TECTÓNICA EN COLOMBIA Colombia es un país con gran complejidad geológica por la confluencia de varias placas tectónicas: Nazca, Caribe, Cocos y Suramericana. En especial ha sido de interés el estudio del cinturón de fuego del Pacífico, que en Colombia se presenta en la subducción de la placa Nazca en Suramérica 11. Además de la actividad sísmica permanente del Pacífico Colombiano resultado de la interacción entre la placa de Nazca y Suramericana, la dinámica de esta última con la placa del Caribe es responsable de la alta producción sísmica en Colombia. Otra fuente importante de sismos es el Nido de Murindó y el Nido de Bucaramanga, que se considera como el segundo en actividad permanente en el mundo. Pese a las numerosas fuentes sismogénicas en el país, la permanente liberación de energía potencial elástica transformada en radiación sísmica de baja magnitud contribuye a regular la energía y disminuir la probabilidad de ocurrencia de catástrofes por eventos de altas magnitudes Tectónica Regional El territorio nacional, desde el punto de vista geodinámico, hace parte de los andes del Norte, una zona relativamente ancha y de carácter orogénica situada entre tres grandes placas. Al S-E de los andes se encuentra la placa de Sudamérica, que abarca gran parte del océano atlántico y el continente Suramericano. La placa Caribe y Nazca situadas al norte y al occidente del Los Andes respectivamente, las cuales corresponden a placas oceánicas de afinidad basáltica 12. La Placa Caribe presenta una zona de subducción y penetra a una velocidad de 1 a 2 cm por año con un movimiento E-SE, mientras que la Placa de Nazca tiene un movimiento en dirección al E y el norte de Los Andes corresponde a un bloque con movimiento al NE, 11 CÁRDENAS BRICEÑO, Christian Michael y GARZÓN PRADO, Yineth Daniela. Modelo de Poisson para la ocurrencia y magnitud espacio -temporal de los sismos en Colombia. 24 de octubre de ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE INGENIERÍA SÍSMICA, INGEOMINAS. Estudio de amenaza sísmica de Colombia Colombia,

49 respecto a una Placa Suramericana estática 13. Esta convergencia de placas en el sector NW de Suramérica crea una zona de deformación continental definida por cabalgamientos en dirección NE-SE. Este movimiento entre placas produce una serie de fallas de sentido SW NE, como la falla de Romeral, Cauca-Patía, Soapaga y la del borde este de la Cordillera Oriental. También se originan fallas de rumbo, como la falla de Bucaramanga-Santa Marta que desplazó la Sierra Nevada de Santa Marta, un ente tectónico de la Cordillera Central, hacia el noroeste por varios kilómetros. Debido a las fallas se genera gran esfuerzo y acumulación de energía que, al liberarse, da origen a un considerable número de sismos en la zona Sistema de fallas intracontinentales Gran parte de la energía acumulada por la convergencia de la Placa Sudamericana y Nazca se disipa a lo largo de grandes sistemas de fallas intracontinentales, las cuales se evidencian a lo largo y ancho de las cordilleras (Figura 5-10). Estas fallas en su mayoría son de tipo inversa y de rumbo, y tienen generalmente una dirección paralela al eje de las Cordilleras (SW-NE), y son las responsables en gran manera de la sismicidad superficial en nuestro territorio. Cabe resaltar que el sistema de fallas Romeral, que limita el flanco oriental del Valle del Cauca (flanco occidental de la Cordillera Central) y el Sistema del Piedemonte Llanero, que bordea el flanco oriental del Cordillera Oriental, se extienden desde el Ecuador hasta el norte de Colombia, con diversos segmentos de falla de gran longitud, conectados entre sí. A continuación se describe detalladamente cada una de las fallas que son relevantes en el presente estudio. 13 JIMÉNEZ DÍAZ, Giovanny. Análisis de la deformación y modelo estructural basado en datos paleomagnéticos y cinemáticos en el sector sur del valle superior del magdalena (anticlinal de la hocha). Estudio para optar por el título de Master en Geología. Bogotá, Colombia. Julio De CAMACHO, Orlando. Anatomía geológica de COLOMBIA. Sociedad Colombiana de Geología. Bogotá, Colombia

50 Sistema de fallas del Piedemente Llanero El sistema de fallas del Piedemonte Llanero conforma uno de los sistemas de fallas más activos de los Andes del Norte, y por ello diversos estudios han recomendado estudios más detallados, debido a que este sistema de fallas representa una posible fuente sismogénica de alta capacidad destructiva. A lo largo de la margen oriental de la Cordillera Oriental, se prolonga una amplia zona de fallamiento de tipo compresional conocido como Sistema del Piedemonte Llanero o Sistema Frontal de la Cordillera Oriental que está asociado con la reactivación de antiguas fallas normales originadas durante una fase extensiva de edad Jurásica y Cretácea 15. El sistema de fallas del Piedemonte llanero ha sido identificado como un antiguo sistema de fallas normales que ha tenido una reactivación compresional de desplazamiento inverso del orden de 20 km durante el Cenozoico 16. La región se caracteriza por presentar una alta actividad sísmica con de magnitud variada y de profundidades focales hasta unos 60 km que son asociables a la actividad de esta zona de fallamiento. Además, análisis de los principales rasgos geomorfológicos señalan una alta actividad neotectónica, lo que indica que el proceso orogénico en la cordillera no ha cesado Sistema de Fallas Romeral El Sistema de Fallas de Romeral se conoce como una zona de cizalla de primer orden, la cual se extiende cerca de 1600 km desde el este de la ciudad de Barranquilla en el norte de Colombia hasta el sureste de la ciudad de Talara al noroeste de Perú. Este sistema separa rocas de afinidad oceánica al occidente, de rocas continentales al oriente. Esta diferencia indica que este sistema de fallas corresponde probablemente a una 15 KARNMER, A y MOJICA. J. Una comparación de la tectónica del Basamento de las cordilleras Central y Oriental. Geología Colombiana, No DURÁN TOVAR, Juan Pablo y BRICEÑO G, Luis Alberto. Tomografía de qc en un sector del piedemonte llanero comprendido entre los departamentos de Meta y Cundinamarca. Primer simposio Colombiano de sismología

51 paleosutura asociada con un proceso de obducción que se produjo durante el cretácico inferior (120 Ma) 17, y que en Colombia es el responsable de la orogenia de la cordillera occidental. El sentido actual de movimiento del sistema de romeral parece ser lateral derecho en los tramos situados al sur de Armenia. Más al norte (Medellín) el sentido de movimiento podría invertirse (lateral izquierdo) en razón del cambio de dirección general del sistema (N-NW). El sismo de Popayán del 31 de marzo de 1983 es un ejemplo de actividad tectónica superficial a lo largo de un segmento de falla mediano asociado a este sistema. Esta zona de falla está compuesta casi siempre por tres fallas paralelas o subparalelas que se entrecruzan en varios puntos Falla salinas Está ubicada al costado oriental del Magdalena Medio, en el departamento de Santander, en una región de alta sismicidad. Se considera una falla de tipo inverso con buzamiento al este cuya traza se aprecia en la zona central del país con rumbo sensiblemente norte sur y longitud superior a 150 km. Esta falla afecta el flanco este de la Cordillera Oriental Nido de Bucaramanga El Nido de Bucaramanga corresponde a una de las regiones sismogénicas más activas de la Tierra. Se induce que el Nido apareció como consecuencia de una alta concentración de esfuerzos causados por la convergencia entre las placas Caribe, Nazca y Sudamericana. La existencia de este tipo de fuentes sísmicas es un fenómeno aislado en la sismicidad de las regiones continentales no solo de Suramérica sino del mundo entero. 17 CHICANGANA, Germán. La zona de fallas de romeral: una zona de subducción extinta deformada y cizallada que sirve de contacto entre una litosfera oceánica y una continental en el norte de Suramérica. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Geociencias, Postgrado Geología. 51

52 El área de mayor actividad sísmica en Santander está limitada a un área relativamente pequeña, cerca de unos km 2, entre las coordenadas W y N, aproximadamente. La distribución de la densidad focal en la región muestra que la gran mayoría de los terremotos con magnitud Ms mayor a 4 tienen su origen en una zona de profundidad intermedia entre los 140 y los 170 km 18. Solo en el intervalo de tiempo entre 1964 y 1973, la oficina para la localización de epicentros (USA), informó de 189 terremotos con epicentros en esta región y profundidad de entre 140 y 175 km y magnitudes mayores o iguales a 4.2. El más reciente sismo de gran magnitud se presentó, de acuerdo al reporte del Servicio Geológico Colombiano, el día 10 de marzo de 2015 a las 3:55 pm con magnitud de 6.6 Mw con epicentro a 7.4 Km al noreste de la cabecera municipal de los Santos, Santander. La profundidad del sismo fue de 161 Km. El movimiento telúrico afectó por algunas horas la señal de internet y telefonía, sin graves daños a la infraestructura. Estudios de proceso sísmico temporal han mostrado que la distribución del número de terremotos en el tiempo no es constante, sino que se observa un crecimiento cuasiperiódico de la actividad sísmica con relación a un cierto nivel promedio 19. En los terremotos de la litósfera (H< 100 km), se puede apreciar claramente una agrupación notable en intervalos de tiempo aproximadamente iguales a 4 años, mientras que los terremotos de mayor profundidad (H > 100 km) parecen agruparse en intervalos de 7 a 8 años aproximadamente. Este crecimiento periódico de la sismicidad no se puede considerar como premonitorios o replicas de un terremoto mayor, ya que en la región no se registran terremotos de gran magnitud y además el aumento de la sismicidad se prolonga por tiempo bastante largo. 18 CORAL-GOMEZ, C. Estructura interna y sismicidad del territorio Colombiano. Memorias VI Congreso Latinoamericano de Geología, Bogotá CORAL-GOMEZ, C y SARMIENTO-ROJAS, L. Resultados preliminares del estudio de parámetros en la región de Santander (Colombia). Rev CIAF,

53 Esta forma de distribución temporal de sismos, con largos períodos de aumento en la frecuencia sísmica, es semejante al tercer tipo en la clasificación de Mogi (1963) o sea, el número de terremotos en la unidad de tiempo crece hasta un máximo, el cual se sostiene durante algún tiempo y luego decrece sin que se presente una sacudida fuerte principal. El territorio de la zona epicentral alrededor del Nido de Bucaramanga se caracteriza por un alto grado de fracturamiento y múltiples plegamientos y fallas. Además, de las fallas principales existe una serie de fallas de segundo orden que cruzan la región en diferentes direcciones. Paralelamente a la Cordillera Oriental se extienden las principales fallas de la región, conocidas como falla de Santa Marta-Bucaramanga y la falla Suarez, con rumbo en dirección noroeste y noreste respectivamente Falla Espíritu Santo La Falla Espíritu Santo de dirección NE-SW constituye prácticamente el límite NW entre la Cordillera Central y el área plana de la región del Cauca Inferior que se extiende hasta la población de El Banco. En los Mapas geológicos de GEOTEC (1988) y el Servicio Geológico Colombiano (1988) es muy claro el recorrido de la falla, por 200 km desde El Banco hasta la población de Cáceres. Luego se extiende por otros 150 Km desde la población de Cáceres hasta Sabanalarga cerca de Liborina (10 Km al Norte de Santa Fé de Antioquia) 21. Ha sido clasificada como una falla de rumbo con desplazamiento lateral derecho, su tasa de actividad ha sido estimada por Woodward-Clyde Consultants como del orden de 0.2 mm/año, separándose del sistema romeral-cauca en la población de Liborina, departamento de Antioquia. 20 CORAL-GÓMEZ, C. La convergencia de placas en el noroccidente suramericano y el origen del Nido de Bucaramanga. Departamento de Geociencias de la Universidad Nacional. Bogotá, UJUETA-LOZANO, G. Tectónica de bloques, delimitados por lineamientos de dirección NO-SE y NNE- SSO a NE-SO en el norte y nordeste de Colombia y en el noroccidente de Venezuela. Geología Colombiana, Bogotá

54 Falla Murindó-Atrato Este accidente limita el flanco oriental de la cuenca sedimentaria del río Atrato del arco de Dabeiba situado al este. Su trayectoria es más o menos paralela a la falla Bahía Solano. Es una falla de tipo inverso con componentes de rumbo lateral derecho y buzamiento al este 22. Se considera que el terremoto de Murindó de magnitud 7.3 ML, ocurrido el 18 de octubre de 1992 y muchos otros que ocurrieron desde 1883, están asociados con la actividad a lo largo de esta falla. No hay superficie de ruptura conocida asociada con el terremoto de Murindó Falla Junin-Sambiambi Este sistema de fallas limita el flanco oeste de la Cordillera Occidental y se extiende desde el sur de Colombia hasta la falla de Garrapatas. Además del segmento de Junin- Sambiambi cabe destacar la falla el Tambor, que corresponde a la traza más occidental del sistema. El movimiento de estas fallas es de tipo inverso, poniendo en contacto sedimentitas, metamorfitas y vulcanitas oceánicas en el bloque colgante con turbiditas en el bloque yacente. El plano de falla principal buza al este y la convergencia de deformación es hacia el oeste GARZÓN VARÓN, Fernando. Modelamiento estructural de la zona límite entre la microplaca de Panamá y el bloque norandino a partir de la interpretación de imágenes de radar, cartografía geológica, anomalías de campos potenciales y líneas sísmicas. Tesis de Maestría. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE INGENIERÍA SÍSMICA, INGEOMINAS. Estudio de amenaza sísmica de Colombia Bogotá, Colombia

55 Figura Fallas geológicas en Colombia. Fuente: Estudio de amenaza sísmica de Colombia Asociación colombiana de ingeniería 55

56 5.6 SISMICIDAD EN COLOMBIA Sismicidad histórica Se entiende como sismicidad histórica todos los eventos ocurridos entre 1566 (primer sismo) y 1922 (primer sismógrafo en el país). Cabe resaltar que algunos eventos, como el generado en Tumaco año 1906, fue registrado por estaciones fuera del país y fueron catalogados como sismicidad histórica 24. Hasta ahora el documentos más completo sobre la sismicidad histórica en Colombia fue desarrollado por Ramírez (1975), donde se describe que el primer evento sísmico en Colombia fue ubicado por el Instituto Geofísico de la Universidad Javeriana, en una posición cercana a Santander de Quilichao en el año 1566, y cuya energía causo daños en las ciudades de Cali y Popayán 25. Cabe resaltar que la sismicidad histórica se determinó de diversas formas y por diferentes entidades, lo cual genera controversia entre las posiciones y variedad en los criterios, es por tanto que posee una baja confiabilidad. La información suministrada no cuenta con la localización exacta de los eventos (coordenadas epicentrales y profundidad), pues cada sismo fue asignado a la población donde se generó mayores daños, no obstante es un referente para la validación de la información mediante estudios posteriores Principales sismos históricos Colombia ha sufrido un considerable número de terremotos a lo largo de su historia; si bien es cierto, no existían registros sismográficos de los eventos comprendidos entre 1566 y 1922, sin embargo sirven de análisis para comprender el contexto sismotectónico 24 I CONGRESO LATINOAMERICANO Y SEGUNDO COLOMBIANO DE SISMOLOGÍA. Estudio de sismicidad regional para el análisis de la amenaza sísmica para Bogotá RAMÍREZ, J.E. historia de los terremotos en Colombia. Instituto Geográfico Agustin Codazzi. Bogotá,

57 del país. En la tabla 5-1 se presenta un resumen de los sismos históricos ocurridos en Colombia, con fecha y ubicación probable. Tabla 5-1. Sismos históricos ocurridos en Colombia Fuente: Estudio de amenaza sísmica de Colombia Asociación colombiana de ingeniería sísmica. 57

58 5.6.3 Sismicidad instrumental En el año 1922 fue puesto en funcionamiento el primer sismógrafo en el territorio nacional, lo que dio inicio a una red sismográfica que evolucionó con el paso del tiempo. Solamente hasta el año 1993 se fundó la Red Sismológica Nacional, la cual cuenta en la actualidad con 18 estaciones de corto período y 13 de banda ancha operadas por el Servicio Geológico Colombiano, además de 70 estaciones activas operadas por la Red Nacional de Acelerógrafos de Colombia (RNAC) que apoyan la actividad sismológica. En la Figura 5-11 se muestra la red de estaciones sismográficas en el territorio nacional. Figura Mapa de las Estaciones Sismológicas Fuente: Red Sismológica Nacional de Colombia. 58

59 6. MARCO TEÓRICO 6.1 RELACIÓN GUTENBERG RICHTER Los primeros estudios estadísticos de sismicidad fueron hechos por Gutenberg y Richter en Ambos postularon, en base a la estadística de leyes de recurrencia, que la relación entre Log N y M debía ser lineal; donde M es la magnitud y N el número de sismos con magnitud mayor que M. Se definió así la ley de Gutenberg-Richter, que representa la frecuencia de ocurrencia de sismos en la zona, frente a su magnitud. log N = a bm (Ecuación 1) El parámetro b es la pendiente de la relación, que representa la proporción entre el número de sismos grandes y pequeños en la zona; y a es la ordenada en el origen, a partir de la cual se puede estimar la tasa anual de terremotos que superan una magnitud o intensidad de referencia. Esta fórmula nos dice por ejemplo, que si en un tiempo determinado ocurren sismos de magnitud 3, en el mismo tiempo ocurrirán 900 de magnitud 4 y 81 de magnitud 5, de manera que la razón del número de sismos de cualquier magnitud, entre el de la magnitud inmediata, siempre será constante. Si hacemos una gráfica del logaritmo del número de sismos contra la magnitud, la relación de Gutenberg y Richter es una recta como la que se muestra en la Figura 6-1. Sin embargo, vemos en ella que los puntos que representan las observaciones no se 26 GUTENBERG, B y RICHTER, C. Seismicity of the Earth and Associated Phenomena.Princeton Univ. Press

60 ajustan a ésta en el caso de magnitudes muy pequeñas o muy grandes, por lo cual se usa el método de mínimos cuadrados 27. Figura 6-1. Número acumulativo de sismos para toda la región del Pacífico 28 Fuente: NAVA, Alejandro. Terremotos Cuando b aumenta, disminuye la proporción de sismos grandes frente a pequeños, mientras que si b disminuye, aumenta la proporción de sismos grandes frente a pequeños. Udías y Mezcua (1986) sugieren también que el valor b está relacionado con las características físicas de cada región, de modo que un valor alto de b implica un predominio de sismos de pequeña magnitud, es decir, la región posee poca resistencia para la acumulación de esfuerzos, mientras que una valor bajo de b implica un predominio de sismos de magnitud mayor, es decir, corresponde a un medio con mayor resistencia 29. Si b=1 el número de terremotos aumenta por un factor de 10 para cada caída en la unidad de la magnitud. Por ejemplo, si en una región existe 1 evento sísmico por año de magnitud M=6 entonces deberíamos esperar unos 10 eventos por año de la magnitud M=5; unos 100 de magnitud M =4, etc. 27 WYSS, M. Estimating maximum expectable magnitude of earthquakes from fault dimensions. Geology, vol pp La línea recta representa la relación G-R. 29 UDÍAS, A y MÉZCUA, J. Fundamentos de Geofísica. Ed. Alhambra Universidad

61 Esta ley es adoptada generalmente para definir la recurrencia de sismos de una zona y su correcta estimación, requiere disponer de observaciones en un amplio intervalo de tiempo. Si la relación se establece para cortos periodos de observación, es improbable que recoja los mayores terremotos ocurridos en la zona, ya que son menos frecuentes. Podría asumirse para éstos, un periodo de recurrencia basado en extrapolación de relaciones lineales desde terremotos más pequeños, pero los resultados que así se obtendrían serían muy poco fiables, ya que la extrapolación de relaciones lineales puede conducir a magnitudes extremadamente grandes y muy poco realistas 30. Para cada región hay un límite en el tamaño del máximo terremoto que puede ocurrir, dependiendo de las características geológicas y del sistema de fallas. Por esta razón, y para tener en cuenta ese límite superior, se han propuesto distintas modificaciones a la ley de Gutenberg-Richter, tales como relaciones cuadráticas o Máxima Verosimilitud Cómo se mide el valor b? Existen dos formas para calcular este parámetro. 1. Ajuste de mínimos cuadrados. 2. Máxima verosimilitud Método de mínimos cuadrados Para calcular el valor de b, este método realiza un ajuste de la distribución de frecuencia y magnitud de sismos. Este debe abarcar los datos que se extiende a partir del punto máximo de curvatura de esta distribución hasta la máxima magnitud de los datos sísmicos. La figura 6-1 representa el cálculo del valor b por el método de mínimos cuadrados. 30 BELÉN, Benito y JIMÉNEZ, Esther. Peligrosidad Sísmica. Física de la tierra

62 Método de máxima verosimilitud El método de máxima verosimilitud estima el valor de b basado en una magnitud media de sismos Aki (1965) y Utsu (1965) 31. El método ajusta la recta al valor medio de los datos sobre la magnitud mínima de homogeneidad, incluida la máxima magnitud observada y normalizada, a partir de la siguiente expresión: b = n i=1 log 10 e ( Mi n ) M min y a = log 10 N + b M min (Ecuación 2) Donde: N: Número de sismos con magnitud mayor que Mmin Mmin: Magnitud mínima. Mi: Magnitud de cada evento. Aki (1965) también determinó el error para calcular b con un 95% de confianza es db = b 1,96 N (Ecuación 3) Años después, el método de máxima verosimilitud fue modificado por McGuire (2004) 32, el cual demostró reflejar con una mayor calidad el valor de ambos parámetros si se compara con el método de regresión lineal, el cual ha sido utilizado ampliamente a nivel mundial y además utilizado en previos estudios por la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. Determinó el valor b de la siguiente manera: β = N N i=1 (M M 0 ) (Ecuación 4) 31 AKI y UTSU. A method for determining the value of b in a formula logn=a-bm showing the magnitudefrequency relation for earthquakes (in Japanese with english abstract), Geophys. Bull. Hokkaido Univ MCGUIRE, R. Seismic hazard and risk analysis. Oakland CA, USA: EERI,

63 Donde: N: número de eventos analizados con magnitud superior a M 0 M: magnitud de cada evento. M o : magnitud de umbral o mínima. Junto con su coeficiente de variación (Cv), dado que se trata de una variable aleatoria. CV = 1 N 1 (Ecuación 5) Así mismo calculo la actividad sísmica en una escala de tiempo determinada. El valor de este parámetro es la tasa de actividad anual a partir del número de eventos con magnitud mayor o igual a la umbral dividido entre la ventana de tiempo en el cual serán analizados. λ = N t (Ecuación 6) El parámetro b describe la pendiente de la regresión logarítmica siguiendo la definición de la ecuación de regresión de magnitudes establecida por Gutemberg y Richter que tiene la forma: N(m) = e (λ βm) (Ecuación 7) 6.2 MODELO DE SISMICIDAD LOCAL DE POISSON La actividad de la i-ésima fuente sísmica se especifica en términos de la tasa de excedencia de las magnitudes, λi (M), generadas por esta fuente. La tasa de excedencia de magnitudes mide qué tan frecuentemente se generan temblores con magnitud superior a una específica (Figura 6-2). Para la mayor parte de las fuentes sísmicas, la función λi (M) es una versión modificada de la relación de Gutenberg y Richter (1944). En 63

64 estos casos, la sismicidad queda descrita de la siguiente manera (Cornell 1968) 33 : λ (M) = λ 0 e βm e βm u e βm 0 e βm u (Ecuación 8) Donde: λ (M): tasa de excedencia por magnitud. Mu: magnitud última esperada M: magnitud de cada evento M o : magnitud de umbral o Inicial λ y β: parámetros que definen la tasa de excedencia de cada fuente Estos parámetros, diferentes para cada fuente o región, se estiman por medio de procedimientos estadísticos, que incluyen información sobre regiones tectónicamente similares a las del país, más información experta, especialmente sobre el valor de Mu, la máxima magnitud que puede generarse en una fuente. Para ello puede utilizarse la relación entre la longitud de ruptura observada en superficie (Lr) y la magnitud del terremoto que ha generado 34 Mu = Log (Lr) (Ecuación 9) Donde: Mu: magnitud última esperada (Ms) Lr: longitud de ruptura de la fuente (Km) Esta expresión es utilizada, a falta de más información, a la hora de estimar la máxima magnitud que podría llegar a generar si rompiera en toda su longitud, tomando como 33 CORNELL, A. Engineering Seismic Risk Analysis. Bulletin Seismological Society of America. Vol. 58, No. 5, October WELLS, D.L. y COPPERSMITH, K.J. New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement. Bulletin of the Seismological Society of America,

65 valor la longitud de la falla o de la traza máxima observada 35. La fórmula anterior es un valor medio de lo observado con independencia del tipo de falla, siendo válida para valores de Lr en el rango1,3 a 432 km. Figura 6-2. Tasas de excedencia de fuentes para el modelo de sismicidad de Poisson Fuente: Modelos de evaluación de amenazas naturales y selección. ECAPRA. De esta manera, cada una de las fuentes sismogénicas queda caracterizada mediante una serie de parámetros de sismicidad, los cuales se determinan con base en la información sísmica disponible. Los parámetros definidos son los siguientes: Valor beta: se identifica mediante el parámetro β que representa la pendiente del tramo inicial de la curva de recurrencia de magnitudes. Magnitud máxima Mu: se estima con base en la máxima longitud de ruptura posible de cada una de las fuentes y en otras características morfotectónicas. 35 SANZ DE GALDEANO, C y LÓPEZ CASADO, C. Seismic potential of the main active faults in the Granada Basin (Southern Spain). Pure and Applied Geophysics

66 Tasa de recurrencia de sismos con magnitud mayor que M (λ): corresponde al número promedio de eventos por año de sismos con magnitud mayor que M que se producen en una determinada fuente. El modelo de cálculo de la amenaza sísmica se adelanta con base en las fuentes sismogénicas regionales (fallas intraplaca y subducción) de acuerdo con la información existente y con estudios previos realizados en países Centroamericanos LEYES DE ATENUACIÓN DEL MOVIMIENTO SÍSMICO La atenuación del movimiento sísmico se define como la capacidad del terreno para amortiguar el movimiento generado por las ondas sísmicas conforme éstas se alejan del foco sísmico 37. Las expresiones de atenuación son ecuaciones semiempíricas que relaciona Magnitud-Distancia-Intensidad Sísmica (aceleración, velocidad o desplazamiento); estas relaciones se obtienen ajustando curvas a los datos de movimientos sísmicos ocurridos en diferentes regiones, por lo que las expresiones así obtenidas reflejan las características geotectónicas de la región analizada. La atenuación de la energía relaciona propiedades del sismo, características de la respuesta del suelo y otros parámetros como son: la distancia al hipocentro o al epicentro del sismo, el medio en que se propaga la onda, frecuencia del movimiento ondulatorio, la magnitud del evento, etc. Estos dos últimos son de vital importancia para la ingeniería, ya que se utilizan en el cálculo de las fuerzas sísmicas que actúan sobre una estructura. La gran complejidad del proceso de desplazamiento de los trenes de onda y la disipación de la energía asociada, han obligado a los ingenieros que deben manejar el problema, a realizar estudios de regresión sobre muestras de aceleraciones pico, en función de la distancia y la magnitud 36 CONSORCIO EVALUACIÓN DE RIESGOS NATURALES PARA AMÉRICA LATINA. Consultores en Riesgos y Desastres. Modelos de evaluación de amenazas naturales y selección. Colombia GARCÍA, J D. Atenuación Sísmica: Aplicación a Terremotos Intraplaca en México Central. Trabajo de Investigación para obtener el grado de Doctorado, Facultad de Ciencias Físicas, Universidad Complutense de Madrid, Madrid, España

67 del sismo que lo originó, con el fin de estimar los parámetros de aceleración, velocidad y desplazamiento máximos del suelo esperados en un sitio, ante un sismo de cierta magnitud y distancia conocida 38. Las leyes de atenuación se pueden comprender fácilmente mediante dos aspectos, que son: A una misma distancia, se espera tener la misma intensidad sísmica (aceleración, velocidad, desplazamiento del terreno). La intensidad sísmica disminuye conforme la distancia aumenta y viceversa. No obstante, hay que tener en cuenta que la respuesta dinámica del terreno está fuertemente influenciada por las condiciones de resistencia del terreno, en particular, es especialmente compleja la respuesta de suelos finos de consistencia blanda y media 39. De esta manera, las estructuras que se encuentran construidas sobre este tipo de materiales y en geoformas tipo valle, cañón y ladera experimentan un nivel de daño debido a la amplificación de la señal sísmica. Sin embargo, cabe mencionar que en suelos de carácter granular también se presenta amplificación de la señal como lo es en caso de depósitos aluviales. Por lo anterior, en la amplificación entran en juego dos tipos de respuesta: la primera influenciada por las propiedades y características del perfil del subsuelo y la segunda que tiene que ver con la configuración geométrica de la geoforma o efecto topográfico. La aceleración, desde otro punto de vista, está relacionada con la fuerza de un terremoto en un sitio determinado y es un parámetro usado en Ingeniería Civil para calcular la fuerza a que debe diseñarse una estructura para que sea capaz de soportar distintos tipos de terremotos. Entre mayor es este valor, mayor es el daño probable que puede causar un sismo. 38 MARTÍNEZ, S. PACHÓN, S y OJCDA, A. SERVICIO GEOLÓGICO COLOMBIANO. Ecuaciones de atenuación vs datos acelerográficos. Primer simposio colombiano de sismología DÍAZ, Milena y ALFARO, Andrés. Mapas de isoaceleración para Colombia utilizando la nueva generación de ecuaciones de atenuación. Revista de la Escuela Colombiana de Ingeniería. Colombia

68 De las 197 ecuaciones de atenuación recopiladas por Douglas (2001) se seleccionaron aquellas que incluyen un amplio espectro de condiciones del medio geofísico, por haber sido utilizados en su determinación registros de regiones de subducción (de las costas de Norte, Centro o Suramérica), registros mundiales, entre otros 40. Sería deseable y recomendable contar con ecuaciones propias que respondan a las fuentes sismogénicas, a los mecanismos de falla y a la geología de los Andes Colombianos. Mientras ello no ocurra se seguirán utilizando ecuaciones provenientes de otras latitudes, con las limitaciones que ello supone. A continuación se presenta una breve descripción de las ecuaciones más representativas: Esteva (1993) utiliza registros del occidente de Norteamérica 41 : a = 1230e 0,80M (R + 25) 2,00 (Ecuación 10) donde R es la distancia epicentral en km y la aceleración a se expresa en cm/s 2. Donovan (1973) utiliza registros del occidente de Estados Unidos 42 : a = [1,320e 0,58M (R + 25) 1,52 ] x 1,55 (Ecuación 11) donde R es la distancia epicentral en km y la aceleración a se expresa en cm/s 2. MacGuire (1974) no define el mecanismo de la fuente; utiliza registros del occidente de Estados Unidos 43 : 40 DOUGLAS, J. A. Comprehensive Worldwide Summary of Strong-Motion Attenuation Relationships for Peak Ground Acceleration and Spectral Ordinates (1969 to 2000). London: Imperial College of Science, Technology and Medicine, ESTEVA, L. Seismic Risk and Seismic Design. En: Hansen, R. J. (edit.). Seismic Design for Nuclear Power Plants. s. l.: The MIT Press, 1993, p DONOVAN, N. C. A Statistical Evaluation of Strong-Motion Data including the February 9, 1971 San Fernando Earthquake. En: Proc. Fifth World Conf. Earthq. Eng., 1, 1973, p

69 a = 472,3e 0,610M (R + 25) 1,301 (Ecuación 12) donde R es la distancia hipocentral en km y la aceleración a se expresa en cm/s 2 (Gal). Goldsack et al. (1976) utilizaron registros de Chile y Perú 44 : a = 4290e 0,8Ms ((R ) 0,5 + 25) 2 (Ecuación 13) donde R es la distancia epicentral en km y la aceleración a se expresa en cm/s 2. Aptikaev y Kopnichev (1980) utilizan registros de Hawaii, Guatemala, Nicaragua, Chile, Perú, Argentina, Italia, Grecia, Rumania, Asia Central, India y Japón 45 : log a = α 1 M + α 2 log R + α 3 (Ecuación 14) donde la aceleración se expresa en gales y la distancia R en km Joyner y Boore (1981) utilizan registros del occidente de Norteamérica 46 : log y = α + βm log r + br (Ecuación 15) donde y está dada en g. La distancia r está expresada en km. M es la magnitud MW. 43 MACGUIRE, R. K. Seismic Structural Response Risk Analysis, Incorporating Peak Response Regressions on Earthquake Magnitude and Distance. s. l.: MIT, Department of Civil Engineering, Research Report R74-51, GOLDSACK, A., LABBE, J.C. y SARAGONI, G.R. Algunas relaciones macrosísmicas para la evaluación del riesgo sísmico en Chile. Memorias, Segunda Jornada Chilena de Sismología e Ingeniería Antisísmica APTIKAEV, F. y KOPNICHEV, J. Correlation between Seismic Vibration Parameters and Type of Faulting. En: Proc. Seventh World Conf. on Earthq. Eng., 1, 1980, p JOYNER, W. B. y BOORE, D. M. Peak Horizontal Acceleration and Velocity from Strong-Motion Records Including Records from the 1979 Imperial Valley, California, Earthquake. En: Bulletin of the Seismological Society of America, 71(6),

70 Dahle, Bungum y Kvamme (1990) utilizaron registros en sitios de roca y ecuación representativa de sismos intraplaca 47 : ln a = c 1 + c 2 M + c 4 R + ln G(R, R 0 ) (Ecuación 16) donde la aceleración se expresa en m/s2 y la distancia R en km. 6.4 PERIODO DE RETORNO El periodo de retorno se define como el tiempo promedio que transcurre entre la ocurrencia de un movimiento del terreno con un nivel específico de magnitud en un lugar determinado. Para garantizar la seguridad de las estructuras ante eventos sísmicos, es necesario determinar la máxima intensidad del movimiento del terreno que puede ocurrir en un tiempo de exposición o vida útil esperada en la estructura. Es posible obtener el periodo de retorno mediante la siguiente ecuación: q = 1 (1 1 T ) t (Ecuación 17) Para efectos del Reglamento NSR 10, se toma como sismo de diseño un evento cuyos efectos en el lugar de interés tienen una probabilidad de sólo 10% de ser excedidos (es decir, que la probabilidad de que esto no suceda es 90%) en un lapso de 50 años, lo cual conduce a un período promedio de retorno de 475 años. El diseño sismo resistente tiene dentro de sus objetivos la protección de la vida ante la ocurrencia del sismo de diseño. Otros periodos de retorno usados comúnmente son 1000 años con 5% de excedencia y 2500 años con una excedencia del 2%. 47 DAHLE, A. BUNGUM, H y KVAMME, L. B. Attenuation Modelling Based on Intraplate Earthquake Recordings. En: Proc. Ninth European Conf. Earthq. Eng., 4-A, 1990, p

71 7. METODOLOGÍA Para el desarrollo del proyecto se realizaran básicamente 7 items que se presentarán en orden consecutivo a través del capítulo, los cuales son: Georeferenciación y digitalización del Sistema de Fallamiento Asignación de eventos sísmicos a cada una de las fallas Parametrización de las fuentes Tasa de excedencia para cada una de las fuentes Relación de atenuación de intensidad sísmica Calculo de la amenaza sísmica mediante correlación y ajuste de datos Mapas de amenaza sísmica A modo de ejemplo se analizará por completo la Falla y se determinará la amenaza sísmica para un solo punto en la ciudad de Bogotá con latitud y longitud SISTEMA DE FALLAMIENTO La información sobre el sistema de fallas activas en Colombia utilizadas en este estudio fue suministrada por Servicio Geológico Colombiano (Antes Ingeominas) y usada en el Estudio General de Amenaza Sísmica de Colombia de La Figura 7-1 corresponde a la localización y caracterización de las fallas geológicas proyectadas en la superficie con actividad comprobada y probable. Se señaló mediante colores cada una de las fallas analizadas en el presente estudio, las cuales son relevantes por presentar la mayor tasa de actividad sísmica y por su alta peligrosidad en la región de Cundinamarca en cuanto a magnitud y cercanía. 71

72 Figura 7-1. Proyección de fallas en superficie 72

73 Figura 7-2. Distribución de sismos en Colombia 7.2 ASIGNACIÓN DE EVENTOS SÍSMICOS La asignación de los eventos se hizo de manera sectorizada y mediante cuadrantes de 0.5 x 0.5 a través de cada una de las fallas para garantizar una caracterización adecuada. Con el fin de obtener un mayor grado de confiabilidad en la información usada para la asignación y asociación de eventos sísmicos a Fallas activas en Colombia, se utilizaron diferentes catálogos que provienen de diferentes fuentes de información: 73

74 Catálogo USGS. El Programa de Peligrosidad Sísmica desarrollado por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) recoge, monitorea, analiza, y proporciona información imparcial sobre la salud de nuestros ecosistemas y el medio ambiente, los peligros naturales, los recursos naturales, y los impactos del cambio climático, entre otros. USGS monitorea eventos sísmicos a partir de una variedad de estaciones sismográficas operadas a nivel regional, nacional y global, así mismo, ofrece varias maneras de obtener listas de terremotos en tiempo real, además de mapas basados en la Web y las páginas con eventos telúricos. La Figura 7-2 explica las opciones básicas del catálogo. Catálogo IRIS. El Instituto de Investigación en Sismología (IRIS) es un consorcio de más de 120 universidades en el mundo dedicadas a la explotación de las instalaciones de la ciencia para la adquisición, gestión y distribución de los datos sismológicos. IRIS cuenta con múltiples herramientas en línea que le permiten aprender sobre la sismicidad mundial y regional. Así mismo cuenta con un navegador interactivo que permite la búsqueda de terremotos de manera detallada y con características específicas (fecha, ubicación, magnitud, entre otros). Ver figura 7-3. Catálogo ISC. El Centro Sismológico Internacional (ISC) se creó en 1964 con el propósito principal de compilar los eventos sísmicos y generar un registro definitivo de la sismicidad de la Tierra. Los datos se recogen a partir de más de 130 agencias en todo el mundo y están disponibles en línea poco después del evento sísmico. Los datos incluyen ubicaciones hipocentro, datos de fase, medidas de amplitud, magnitudes, mecanismo focal, etc. Ver figura

75 Figura 7-3. Catálogo de búsqueda USGS Fuente: 75

76 Figura 7-4. Catálogo de búsqueda IRIS Fuente: Figura 7-5. Catálogo de búsqueda ISC Fuente: 76

77 Número de eventos La Figura 7-5 muestra la estadística de eventos por magnitud que fueron asignados a la Falla entre los años 1963 a Figura 7-6. Estadística de eventos por magnitud para la Falla Oriental Centro 25 Estadística de eventos por magnitud Falla Magnitud (Ms) 7.3 PARAMETRIZACIÓN DE LAS FUENTES Después de asignarse los eventos del catálogo a cada uno de las fallas se procede a su parametrización hallando los valores de λ y β. Los parámetros se determinan a partir del método de máxima verosimilitud como ya se vio anteriormente, al demostrar una mayor certeza en los resultados en ambos parámetros en comparación con el método de regresión lineal. Para la parametrización de las fallas se estableció una magnitud inicial o de umbral (M o ) igual a 4 Ms ya que una magnitud inferior a esta no causa daños considerables, además de la eliminación automática de un gran número de réplicas registradas. El primer parámetro a determinar es λ, el cual describe la actividad de la falla en una escala de tiempo determinada, que para este estudio se estableció en años. 77

78 λ = N t Donde: t: número de años entre el primer y último evento. N: número de eventos analizados con magnitud superior a M 0 Posteriormente se determina el parámetro β, el cual muestra la capacidad que tiene una fuente sísmica de generar eventos de grandes magnitudes, la cual aumenta conforme este parámetro toma valores menores. Se calcula como: Donde: β = N N i=1 (M M 0 ) N: número de eventos analizados con magnitud superior a M 0 M: magnitud de cada evento (Ms). M o : magnitud de umbral (Ms) Para el caso de la Falla Frontal se obtuvieron un total de 147 eventos en el intervalo de tiempo ( ) lo que da un λ= Para determinar β se hizo la tabla 7-1, la cual facilita los cálculos para determinar este parámetro. Tabla 7-1. Calculo del parámetro β Magnitud Eventos Mayores que M-Mo

79 Total eventos 147 Σ (M-Mo) De esta manera el parámetro β= Adicionalmente, al parámetro β se le determina su coeficiente de variación (Cv). CV = 1 N 1 = = Un último dato a calcular es la magnitud última esperada (M u ), la cual representa la máxima magnitud que puede generar la falla. Para el caso de este parámetro se debe considerar la longitud de ruptura de cada fuente así como de las características morfotectónicas. La longitud de ruptura para cada falla fue suministrada por estudios previos de INGEOMINAS y recopiladas en el Estudio General de Amenaza Sísmica de Colombia Se calcula de la siguiente manera: 79

80 Mu = LOG (Lr) Donde: Mu: magnitud última esperada (Ms) Lr: longitud de ruptura de la fuente (Km) Tabla 7-2. Magnitud última esperada para cada fuente Fuente: Estudio de amenaza sísmica de Colombia Asociación colombiana de ingeniería Según la Tabla 7-2, la magnitud última esperada para la Falla Oriental Centro es de 8 Ms. 7.4 TASA DE EXCEDENCIA Una vez parametrizadas las fuentes se determina la tasa de excedencia de magnitudes, la cual proporciona información acerca de la frecuencia de generación de sismos en 80

81 cierta fuente con magnitud superior a una dada. Para este estudio la función de excedencia es una versión modificada de la relación de Gutenberg y Richter (1994). Se determina de la siguiente manera (Cornell 1968): Donde: λ (M) = λ 0 e βm e βm u e βm 0 e βm u λ (M): tasa de excedencia por magnitud. Mu: magnitud última esperada (Ms) M: magnitud de cada evento (Ms). M o : magnitud de umbral (Ms) λ y β: parámetros que definen la tasa de excedencia de cada fuente La Tabla 7-3 y la Figura 7-6 muestran la tasa de excedencia para la Falla Frontal Cordillera. Tabla 7-3. Tasa de excedencia Falla Magnitud λ (M)

82 Eventos/año Figura 7-7. Tasa de excedencia para la Falla 10 Tasa de excedencia para la Falla y = e x R² = Magnitud (Ms) 7.5 RELACIÓN DE ATENUACIÓN DE INTENSIDAD SÍSMICA Puesto que no se tienen ecuaciones de atenuación dentro del contexto nacional, se debe recurrir a ecuaciones desarrolladas para otras latitudes. En el presente estudio se usó la ecuación de MacGuire (1974) por ser la más acorde con las variables en estudio, ya que relaciona la aceleración del terreno, la magnitud (Ms) y distancia hipocentral; sin tener en cuenta otros parámetros de carácter geológico o tectónico. Las aceleraciones horizontales se determinaron mediante la ecuación de MacGuire: a = e 0.610M (r + 25)

83 Profundidad (Km) Donde: a: aceleración horizontal del terreno (cm/s 2 ) (gal) M: magnitud del evento (Ms) r: distancia hipocentral (Km) En vista de que se trata de un proceso representativo, es decir, los epicentros no solo pueden ocurrir en los centros de las fuentes, sino con igual probabilidad, en cualquier punto dentro de la falla. Es decir, que dentro de cualquier punto de la falla puede ocurrir un sismo y para todos los puntos existe la misma probabilidad de ocurrencia, pues solo existe una única caracterización para la fuente. De esta manera, la distancia a usar en la ecuación de atenuación será la mínima entre el punto de análisis y cada una de las fuentes, teniendo en cuenta la profundidad a la cual se empiezan a general los eventos. Analizando las profundidades de los sismos caracterizados para la Falla Frontal Cordillera, se obtiene que a los 15 Km empieza a generarse el 90% de los eventos, siendo este porcentaje seguro para ser usado dentro del estudio. Figura 7-8. Profundidad de eventos Falla 1000 Profundidad de eventos Falla Magnitud (Ms) Así pues, las aceleraciones a partir de la ecuación de MacGuire para el lugar de estudio en Bogotá son: 83

84 Tabla 7-4. Aceleraciones mediante la ecuación de MacGuire Lugar de estudio Distancia a la fuente (km) Bogotá Magnitud (Ms) Acelera (Gal) CALCULO DE LA AMENAZA SÍSMICA MEDIANTE AJUSTE DE DATOS Una vez determinadas las aceleraciones en el punto de análisis para cada una de las magnitudes (desde M 0 a M max ), se puede relacionar a la tasa de excedencia de la fuente sísmica y de esta manera obtener un ajuste entre aceleraciones horizontales y periodos de retorno, entendiendo este último como el inverso de la tasa. 84

85 Para llevar a cabo el ajuste se hicieron diversas regresiones entre las aceleraciones horizontales (y) y periodos de retorno (x). Se obtuvo la mejor relación mediante una regresión potencial que presenta la siguiente forma. y = a x b (Ecuación 18) En este caso se resuelve linealizando la función tomando logaritmos: log y = log a + b log x (Ecuación 19) Considerando las nuevas variables Y = log y, X= log x, entonces la nueva ecuación quedaría de la forma: Y= A +B X Así pues, la solución final quedaría como: a = antilog A y b = B (Ecuación 20) La Tabla 7-5 muestra los periodos de retorno y aceleraciones para cada una de las magnitudes. Así mismo, la Figura 7-8 modela la amenaza sísmica para el lugar en estudio generada por la Falla. Tabla 7-5. Calculo de la amenaza sísmica Magnitud λ (M) T retorno Acelera (Gal)

86 Aceleración (Gales) Figura 7-9. Aceleraciones máximas Falla para el lugar en estudio. 450 Aceleraciones máximas Falla y = x R² = Periodo de retorno (años) Mediante la ecuación generada se determinan las aceleraciones esperadas para un periodo de retorno de 475, 1000 y 2500 años, las cuales son gal, gal y gal respectivamente. 86

87 7.7 MAPA DE AMENAZA SÍSMICA Para realizar los mapas de amenaza sísmica en los municipios de Cundinamarca se hizo necesario la utilización de los Sistemas de Información Geográfica o SIG, para lo cual se usó el software ArcGIS, el cual provee una completa plataforma de información que permite crear, analizar, almacenar y difundir datos, modelos y mapas, entre otros. La evaluación de la amenaza sísmica en todo el departamento requeriere determinar la aceleración en varios puntos que abarquen la totalidad de la zona, por lo cual se hizo una grilla entre 3.44 a 6 latitud y -73 a -75 longitud mediante la utilización del software ArcGIS. La grilla está conformada por 3315 puntos distanciados cada 0.04 o 4.44 Km; distancia prudente para generar datos confiables teniendo en cuenta el área de los municipios (Figura 7-9). Cada punto se analizará con la metodología anteriormente desarrollada y para cada una de las fallas en estudio. Finalmente se escogerá la mayor aceleración en cada punto y para cada periodo de retorno (475,1000 Y 2500 años), para así elaborar 4 mapas de amenaza sísmica que abarquen todos los municipios del departamento de Cundinamarca. 87

88 Figura Grilla de puntos 88

89 8. RESULTADOS Siguiendo la metodología y procedimiento descrito en el numeral anterior, en la Tabla 8-1 y Figura 8-1 se presenta la estadística de eventos por magnitud de cada una de las fallas. Tabla 8-1. Estadística de eventos por magnitud por falla. Magnitud (Ms) Frontal Cordillera 0riental Central Espíritu Santo Junin- Sambiambi Eventos por Falla Murindo- Atrato Nido- Bucaramanga Romeral Salinas Total

90

91 Número de eventos Figura 8-1. Estadística de eventos por magnitud para todas las fallas 160 Estadística de eventos por magnitud para todas las Fallas Espíritu Santo Junin-Sanbiambi Murindo Atrato Nido Bucaramanga Romeral Salinas Magnitud (Ms)

92

93 Se ve notablemente que el Nido de Bucaramanga es el lugar donde más sismos se han presentado entre los años 1962 al 2015, con un total de 1194 sismos cuyas intensidades, en un 99%, varían entre los 4 Ms y los 5.3 Ms. Le sigue la Falla Murindó-Atrato con un total de 332 sismos cuyas intensidades, en un 96%, varían entre los 4 Ms y los 5.4 Ms. En un tercer lugar se encuentra la Falla con un total de 147 sismos cuyas intensidades, en un 95%, varían entre los 4 Ms y los 5.3 Ms. Las fallas Espíritu Santo, Romeral, Salinas y Junin-Sambiambi presentaron 72, 64, 59 y 55 sismos respectivamente. Por otra parte, 5 de las 7 Fallas han presentado sismos con magnitudes máximas entre los 6.6 Ms y los 7 grados Ms. Las fallas que han generados las máximas magnitudes registradas son, Romeral, Murindó-Atrato, Nidos Bucaramanga y Espíritu Santo magnitudes de 7, 6.9, 6.7, 6.6 y 6.6, respectivamente. En la Tabla 7-2 la Asociación Colombiana de Ingeniería plantea como magnitud última para la Falla Espíritu Santo 6.5 Ms, no obstante se aumenta a 7 Ms, puesto que esta magnitud ya se superó por un evento sísmico ocurrido. Este mismo planteamiento se realizó con el Nido Bucaramanga pasando de una magnitud última de 6.5 Ms a 7 Ms. La Tabla 8-2 plantea los parámetros necesarios por falla para determinar la amenaza sísmica. Tabla 8-2. Parámetros de amenaza sísmica Frontal Cordillera Oriental Centro Espíritu Santo Junin- Sambiambi Murindo- Atrato Nido Bucaramanga Romeral Salinas Fecha inicial Fecha final Magnitud Max (Ms) Magnitud Mín (Ms) Total eventos Profundidad Km (90%) Mo Mu Λo Β Cv

94 El Nido Bucaramanga es un sitio muy peculiar pues presenta gran cantidad de sismos, un total de 24 sismos aproximadamente por año como lo indica su parámetro λo y de baja magnitud según su parámetro β de Su explicación radica en que un valor alto de β implica un predominio de sismos de pequeña magnitud, es decir, la región posee poca resistencia para la acumulación de esfuerzos. Esto mismo ocurre con la falla Frontal Cordillera y Junin-Sambiambi. Por el contrario, la Falla Espíritu Santo tiene una ocurrencia de 1.7 sismos por años, sin embargo es una fuente que genera más cantidad de sismos grandes en comparación con la magnitud mínima establecida de 4 Ms; esto se evidencia en su parámetro β de La Tabla 8-3 muestra la tasa de excedencia y período de retorno por falla. Tabla 8-3. Tasa de excedencia y periodo de retorno por falla. Magnitud (Ms) Oriental Central λ (M) Periodo retorno (años) λ (M) Espíritu Santo Periodo retorno (años) Junin- Sambiambi λ (M) Periodo retorno (años) Murindo-Atrato λ (M) 94 Periodo retorno (años) Nido Bucaramanga λ (M) Periodo retorno (años) λ (M) Romeral Periodo retorno (años) λ (M) Salinas Periodo retorno (años)

95 Eventos/año Eventos/año A continuación, de La Figura 8-2 a la Figura 8-8 se presenta la Tasa de excedencia para cada una de las fallas. Figura 8-2. Tasa de excedencia para la Falla Oriental Tasa de excedencia para la Falla y = e x R² = Magnitud (Ms) Figura 8-3. Tasa de excedencia para la Falla Espíritu Santo 10 Tasa de excedencia para la Falla Espíritu Santo 1 y = e x R² = Magnitud (Ms) 95

96 Eventos/año Eventos/año Figura 8-4. Tasa de excedencia para la Falla Junin-Sambiambi 10 Tasa de excedencia para la Falla Junin-Sanbiambi 1 y = e -1.85x R² = Magnitud (Ms) Figura 8-5. Tasa de excedencia para la Falla Murindó 10 Tasa de excedencia para la Falla Murindó 1 y = e x R² = Magnitud (Ms) 96

97 Eventos/año Eventos/año Figura 8-6. Tasa de excedencia para la Falla Nido Bucaramanga 100 Tasa de excedencia para la Falla Nido Bucaramanga 10 1 y = e x R² = Magnitud (Ms) Figura 8-7. Tasa de excedencia para la Falla Romeral 10 Tasa de excedencia para la Falla Romeral 1 y = e x R² = Magnitud (Ms) 97

98 Eventos/año Eventos/año Figura 8-8. Tasa de excedencia para la Falla Salinas 10 Tasa de excedencia para la Falla Salinas 1 y = e -2.19x R² = Magnitud (Ms) Figura 8-9. Tasa de excedencia para todas las fallas Tasa de excedencia para todas las falla Salinas Nido Bucaramanga Romeral Espíritu Santo Junin-SanBiambi Murindo-Atrato Magnitud (Ms) 98

99 La Figura 8-9 indica que las fallas Murindó-Atrato y Nido Bucaramanga son aquellas con mayor probabilidad de generar sismos. La línea tendencia de esta última, indica que es aquella con probabilidad superior de generar sismos grandes, superiores a 7 Ms, en un futuro. Esta misma tendencia se ve reflejada en la falla y Romeral. Por el contrario, la Falla Salinas presenta la menor probabilidad de generar sismos, tanto grandes como pequeños, sin embargo puede afectar en gran manera al departamento de Cundinamarca debido a su cercanía. La Tabla 8-4 muestra las aceleraciones máximas horizontales a nivel del terreno para cada uno de los municipios del departamento de Cundinamarca ordenadas de mayor a menor. Tabla 8-4. Aceleraciones máximas horizontales a nivel del terreno por municipio Aceleración Maxíma (gal) Nombre Cod 475 años 1000 años 2500 años Guayabetal Ubalá Gachalá Ubalá Quetame Medina Gama Fosca Gutiérrez Gachetá Junín San Juan de Rioseco Cáqueza Fómeque Salinas Salinas Salinas Guaduas Salinas Salinas Salinas Chaguaní Salinas Salinas Salinas Tibirita Manta Vianí Salinas Salinas Salinas Ubaque Caparrapí Salinas Salinas Salinas 99

100 Bituima Salinas Salinas Salinas Une Choachí Quipile Salinas Salinas Salinas Paratebueno Yacopí Salinas Salinas Salinas Chipaque Machetá Pulí Salinas Salinas Salinas Beltrán Salinas Salinas Salinas Cabrera La Palma Salinas Salinas Salinas Puerto Salgar Salinas Salinas Salinas Útica Salinas Salinas Salinas Quebradanegra Salinas Salinas Salinas Villeta Salinas Salinas Salinas Guayabal de Síquima Salinas Salinas Salinas Anolaima Salinas Salinas Salinas Villapinzón Venecia La Calera Albán Salinas Salinas Salinas Cachipay Salinas Salinas Salinas Sasaima Salinas Salinas Salinas Guasca Chocontá Guatavita San Bernardo La Mesa Salinas Salinas Salinas Pasca Jerusalén Salinas Salinas Salinas Sesquilé Topaipí Salinas Salinas Salinas Anapoima Salinas Salinas Salinas La Peña Salinas Salinas Salinas Gachancipá Suesca Pandi Sopó

101 Nimaima Salinas Salinas Salinas Arbeláez Apulo Salinas Salinas Salinas Tocancipá Zipacón Salinas Salinas Salinas Nocaima Salinas Salinas Salinas Fusagasugá Sibaté El Colegio Salinas Salinas Salinas Tena Salinas Salinas Salinas Soacha Nemocón Facatativá Salinas Salinas Salinas Lenguazaque Cucunubá Vergara Salinas Salinas Salinas Chía Bojacá Salinas Salinas Salinas La Vega Salinas Salinas Salinas Cajicá Cota El Peñón Salinas Salinas Salinas Silvania Tibacuy Guachetá Guataquí Salinas Salinas Romeral Tocaima Salinas Salinas Salinas Funza San Antonio del Tequendama Granada Zipaquirá Cogua Tausa Sutatausa Mosquera Salinas Salinas Paime Salinas Salinas Salinas Ubaté Tabio Tenjo

102 San Francisco Salinas Salinas Salinas Viotá Salinas Madrid Nilo Villagómez Salinas Salinas Salinas Nariño Romeral Romeral Romeral Fúquene El Rosal Salinas Girardot Romeral Romeral Romeral Subachoque Carmen de Carupa Ricaurte Romeral Romeral Romeral Susa Agua de Dios Salinas Supatá Salinas Salinas Simijaca Pacho San Cayetano Romeral Esto sugiere que los 10 municipios con las mayores aceleraciones a nivel del terreno son: Guayabetal, Ubala2, Gachalá, Ubalá, Quetame, Medina, Gama, Fosca, Gutiérrez y Gachetá valores entre 524 y 345 Gales para un período de retorno de 475 años; todos afectados por Falla. Cabe resaltar que de los 117 municipios, 68 están en amenaza sísmica debido a la Falla Oriental Centro, 46 debido a la Falla Salinas y tan solo 3 debido a la Falla Romeral. Finalmente, de la Figura 8-10 a la Figura 8-12 se representan mediante mapas las aceleraciones máximas a nivel del terreno para periodos de retorno de 475, 1000 y 2500 años. La Figura 8-13 representa cualitativamente la amenaza sísmica del departamento de Cundinamarca en tres categorías: alta, intermedia y baja; para una observación más generalizado y facilitar así el análisis. 102

103 Figura Aceleración máxima del terreno para un periodo de retorno de 475 años 103

104 Figura 8-11 Aceleración máxima del terreno para un periodo de retorno de 1000 años 104

105 Figura Aceleración máxima del terreno para un periodo de retorno de 2500 años 105

106 Figura Grado de amenaza sísmica para un periodo de 475 años. 106