2013 Saavedra Vargas, Andres Peña Renteria, William Ing. Civil VIII ORIGEN DE LOS TERREMOTOS Ing. Jorge Luis García Zuñiga - Ingeniería Antisísmica Origen de los Terremotos Teoría de la Tectónica De Placas y Generación De Terremotos Historia El origen de los terremotos ha sido asignado a causas muy diferentes a lo largo de la historia. En muchos casos, estas explicaciones han estado estrechamente vinculadas a las costumbres o creencias religiosas de los diferentes pueblos y han sido atribuidas a la acción de los dioses, por ejemplo, a Poseidón en al teogonía griega, o a la lucha entre deidades maléficas y protectoras1, en el antiguo folklore japonés, un gran siluro, Namazu, que habitaba bajo la Tierra al agitar su cuerpo producía los terremotos, esta actividad era controlada por un dios, Daimyojin, quien manejaba un gran mazo de piedra, cuando el Daimyojin se distraía, el Namazu se movía y el suelo templada2. Tampoco han faltado intentos de explicación más científica como los debidos filósofos presocráticos (S. V. a.C.) y a Aristóteles (S IV a.C.), quien consideraba que los terremotos eran producidos por masas de aire caliente que intentaban escapar del interior de la tierra. 3 Si bien la consideración de un terremoto como una respuesta elástica a fenómenos geológicos ya fue anunciada por Hooke en su "Discurso sobre Terremotos" (1668), se puede considerar que el planteamiento moderno se inicia a principios del siglo pasado, cuando los terremotos comienzan a vincularse con fallas geológicas observables en el terreno. Von Humboldt parece ser uno de los primeros defensores de este punto de vista que, sin embargo, no es compartido por Robert Mallet en su estudio del terremoto de Napóles de 1857, -trabajo considerado el inicio de la sismología moderna-, ni por Lyell (1868), quien describió la falla y la deformación producidas por terremotos. Para este autor, y en continuidad con las teorías del S XVII, los terremotos tenían un origen térmico; como manifestación de un proceso volcánico o 1 Fuente: HERRAIZ, M. (1997). Co ceptos Básicos de “is ología para I ge ieros . CISMID-UNI, p. 1. Fuente: BOLT, B. (1985). Terre otos . EDICIONES ORBIS S.A. p. 1. 3 Fuente: HERRAIZ, M. op. Cit., (1997). p. 1 2 Universidad Alas Peruanas Página 2 Origen de los Terremotos como resultado de la contracción y expansión térmicas. De todas formas, la relación entre los terremotos y las fallas fue abriéndose camino con los años, -en buena medida gracias a los trabajos de Gilbert (1884)-, de manera que a finales del siglo XIX ya era comúnmente aceptado que los sismos se originaban por el movimiento relativo de las dos partes de una fractura de la corteza terrestre. Sin embargo no fue hasta el 6 de enero de 1912, cuando Alfred Lothar Wegener (1880-1930), propuso la “teoría de la deriva continental”, esta teoría audaz y novedosa revolucionó las ideas que se tenían sobre la dinámica terrestre. Wegener (1929), establece que Sudamérica debió haber estado junto a África, formando con ella un único continente, escindido en el cretácico en dos partes que luego, como los fragmentos de un témpano agrietado, se separaron cada vez más en el curso del tiempo geológico, por tanto los dos bloques de estos dos concuerdan todavía en la actualidad. [Esta separación se dio por fuertes movimientos sísmicos a un nivel de cataclismos] De igual manera, Wegener planteó que la Antártida, Australia, y la India estaban unidas, lo mismo que Norteamérica Europa y Groenlandia. Wegener postulaba que hace aproximadamente 200 millones de años la corteza terrestre consistía de un solo continente único llamado Pangüa o Pangaea, el cual tiene significado “griego de todas las tierras”, Pangaea estaba rodeada de Phantalasa, que consistía del pacifico ancestral. Este continente sufrió continuas fracturas y se fue separando hasta formar dos continentes, Gondwana y Laurasia, y estos al disgregarse formarían la actual configuración de los continentes (véase figura 5). Universidad Alas Peruanas Página 3 Origen de los Terremotos FIGURA 1. Tres mapas clásicos de la teoría de la “deriva continental” del científico Alfred Lothar Wegener FUENTE: VELOZO, L. (2000). “Alfred Wegener, un científico visionario del siglo XX”. Revista de Geografía norte Grande. Si bien Wegener no pudo encontrar un mecanismo para explicar la deriva de los continentes, tuvo el mérito de reunir toda la evidencia posible en su época para establecer sólidamente el movimiento horizontal de los continentes. Este mecanismo que Wegener nunca pudo explicar convincentemente, se puede entender ahora como la teoría tectónica, la cual propone que son las placas litosféricas, con los continentes asentados sobre ellas, las que se mueven, y no los continentes mismos.4 [La teoría de Wegener, “la deriva continental”, facilito la “teoría de la tectónica de placas”, la fundamentación de esta, concluyó la idea de Wegener]. En el movimiento de estas placas litosféricas, es en sus bordes de colisión, donde se producen los terremotos y en conjunto delinean las grandes unidades geográficas, placas litosféricas. (véase figura 6) 4 Fuente: PEREZ-MALVAEZ, C. et al. (2006). Nove ta y cuatro años de la Teoría de la Deriva Co ti e tal de Alfred Lothar Wege er . INTERCIENCIA. VOL. 31 N°7. pp. 536-542. Universidad Alas Peruanas Página 4 Origen de los Terremotos FIGURA 2. Actividad sísmica mundial. Los puntos representan los epicentros de terremotos significativos (After Bolt. 1988). FUENTE: KRAMER, S. (1996). “Geotechnical Earthquake Engineering”. EDITORIAL MEG WEIST, p. 27. El primer modelo mecánico para explicar este proceso fue establecido por Reid en1911, a partir del estudio de los movimientos de la falla de S. Andrés (California) ocurridos, en especial, durante el terremoto de S. Francisco de 1906. De acuerdo con esta teoría, -conocida como "modelo del rebote elástico"-, los sismos son el resultado de un proceso de deformación elástica y acumulación de esfuerzos en una zona de la corteza que se mantiene hasta que se supera la resistencia del material, lo que sucede cuando los esfuerzos de cizalla alcanzan valores próximos a 1 000 bares. En este momento la falla experimenta una dislocación, los esfuerzos se relajan total o parcialmente de forma súbita y la energía elástica acumulada se libera bruscamente. Las rocas deformadas por el esfuerzo "rebotan" a ambos lados de la falla y la deformación elástica desaparece. El terreno próximo a la falla sufre un desplazamiento, que en el caso de la falla de San Andrés y el terremoto de 1906, alcanzó, en algunas zonas, un valor de 6 metros. Parte de la energía liberada se disipa en fenómenos no elásticos en la zona de ruptura y parte se propaga en forma de ondas sísmicas que hacen vibrar el terreno. La generación de un sismo consta, por tanto, de Universidad Alas Peruanas Página 5 Origen de los Terremotos dos etapas: una de acumulación lenta de la energía elástica y otra de relajación súbita. Mientras que la primera puede prolongarse muchos años, la segunda dura únicamente decenas de segundos. Es importante señalar que Reid incluyó en su modelo la interrupción y el reinicio de la ruptura, marcados por la generación de vibraciones que se propagan como ondas sísmicas. Como veremos, la existencia de diversas fases en el proceso de ruptura y su reflejo en la creación de ondas de diferente frecuencia, son una de las aportaciones más importantes de los modelos modernos que explican el mecanismo sísmico. También conviene poner de manifiesto que la hipótesis, asumida generalmente en la estimación de la peligrosidad sísmica, de que la ocurrencia de terremotos sigue una distribución de Poisson en el tiempo (es decir, que los sismos son temporalmente independientes), discrepa de los presupuestos básicos del modelo de Reid. Todas las placas litosféricas, tienen un rasgo peculiar e inquietante: no están estáticas, se mueven constantemente, cuestión de centímetros, distancias cortas pero fatídicas; cuando ese deslizamiento continuo se interrumpe y se reinicia bruscamente, después de un lapso de años ocurre un sismo. No importa que dichas placas se deslicen una bajo otra, o lo hagan lateralmente o choquen frontalmente: el desenlace es inevitable: la corteza terrestre se estremece. En la zona donde ocurren los Universidad Alas Peruanas Página 6 Origen de los Terremotos movimientos, cientos de kilómetros cúbicos de roca son deformados, lo que permite la acumulación de energía potencial; en un determinado momento, los esfuerzos actuantes, al ser superiores a la fricción que los detiene, producen lo que se conoce como disparo sísmico5 [rebote elástico]. En las zonas donde el espesor de la litosfera es menor, en general en el fondo de los océanos [corteza oceánica], el magma que se encuentra a presión y en estado líquido debajo de la litosfera fluye hacia arriba a través de las discontinuidades de las placas. La emersión del magma produce empujes sobre las placas adyacentes a la falla; estos empujes se reflejan en los extremos expuestos de las placas donde se generan grandes presiones en las zonas de contacto; donde entra en contacto una placa oceánica con una continental, la primera de menor espesor y mayor densidad se hunde bajo la segunda, ocasionando su desaparición, a este proceso se le llama, subducción, (véase figura 7) durante el proceso se forma una fosa paralela a la costa, pero en el contacto de dos placas continentales que se mueven en sentidos opuestos, se suele producir una elevación, o sea ambas placas se doblan hacia arriba dando lugar a la formación de las grandes cadenas montañosas (véase figura 8)6 [como el caso de la cordillera del Himalaya, producto de la colisión de la placa India contra la placa de Euroasia]. 5 6 Fuente: DÍAZ, A. (2005). Di á ica de “uelo . EDITORIAL LIMUSA S.A. p. 85. Fuente: DÍAZ, A. (2005). Di á ica de “uelo . EDITORIAL LIMUSA S.A. p. 88. Universidad Alas Peruanas Página 7 Origen de los Terremotos FIGURA 3. Corte esquemático de la corteza oceánica FUENTE: BOLT, B. (1985). “terremotos”. EDICIONES ORBIS S.A. p. 72. FIGURA 4. Colisión de la placa india con la placa Euroasia. FUENTE: “the Himalayas: two continents collide”. U.S.G.S. http://pubs.usgs.gov/gip/dynamic/himalaya.html Universidad Alas Peruanas Página 8 Origen de los Terremotos Acerca del mecanismo de los terremotos, el lugar donde se presenta el inicio del movimiento repentino se llama hipocentro, es decir la zona profunda de la corteza terrestre donde tiene lugar esa perturbación; también se le conoce como foco sísmico. El área terrestre, en una dirección vertical al hipocentro, se denomina epicentro7. Ahora bien, si constantemente se está creando una nueva placa, ¿qué ocurre con la antigua?; pues estas grandes áreas de placas móviles son absorbidas en algún lugar, y se cree que el cementerio de las placas son las fosas oceánicas asociadas a continentes que avanzan o a los arcos de islas. En estos lugares, zonas de subducción, las capas superficiales de roca se sumergen en el interior de la tierra y a grandes profundidades, la temperatura y la presión aumentan, y la litosfera que se hunde se transforma gradualmente hasta que llega a estar mezclada y absorbida por rocas más profundas. Esta explicación plantea una nueva pregunta: ¿cuál es la causa de los esfuerzos diferenciales que provocan la deformación del terreno y la acumulación de tensiones en la superficie de la Tierra?. La respuesta está vinculada a la dinámica de la litosfera terrestre y, más en concreto, a la teoría de la tectónica de placas. Según ella, la litosfera está dividida en un conjunto de placas independientes que se desplazan arrastradas por las corrientes de convección de la astenosfera, con velocidades relativas de unos pocos centímetros al año. Se pueden distinguir unas 17 placas importantes de las que 6 se consideran principales. En todas ellas el interior es estable y los márgenes inestables. Estos márgenes pueden ser de tres tipos: divergentes, convergentes y de deslizamiento horizontal. 7 Fuente: DÍAZ. A. (2005). Di á ica de “uelo . EDITORIAL LIMUSA S.A. p. 88. Universidad Alas Peruanas Página 9 Origen de los Terremotos Los bordes divergentes son zonas de expansión en las que se crea corteza oceánica a lo largo de una cordillera volcánica submarina situada en medio de un océano. Estas cordilleras, conocidas como dorsales oceánicas, se extienden a lo largo de miles de kilómetros y a veces, como en el caso de Islandia, dan lugar a la formación de islas. El material que procedente del manto es expulsado a la superficie del fondo oceánico, se sitúa a uno y otro lado de la zona de fisura y se aleja de ella a medida que el proceso eruptivo continúa produciendo nuevos aportes. Las placas tienden a separarse arrastradas por la convección del manto que tiene sentidos distintos a uno y otro lado de la dorsal, dando lugar a la formación o ampliación de los océanos. La actividad sísmica que se genera en este proceso tectónico es de moderada magnitud y con profundidades hipocentrales inferiores a 70 km. Dado que la superficie de la tierra no aumenta, es necesario que existan procesos de destrucción de litosfera que compensen el material creado en las dorsales oceánicas (Le Pichón, 1968). Este mecanismo compensador ocurre en los márgenes convergentes, que son las zonas en las que tiene lugar el encuentro de dos placas. Cuando una de ellas corresponde a litosfera oceánica, puede producirse un fenómeno de subducción por el que la placa oceánica se introduce por debajo de aquélla con la que se encuentra, que a su vez puede ser de tipo oceánico o continental. La placa buzante penetra en la astenosfera y el manto superior hasta que las elevadas presiones y las grandes temperaturas hacen que sea absorbida. La zona del fondo oceánico en la que se inicia la subducción se llama trinchera y muchas veces va acompañada de una línea paralela de volcanes situados en el interior del continente (como sucede en el Sur del Perú) si la convergencia es con una placa continental, o por un arco de islas si es con una oceánica. En este proceso, los terremotos se originan tanto en las áreas de ambas placas próximas a la línea de encuentro, como en las partes de la placa buzante que conservan suficiente rigidez para soportar grandes esfuerzos. Estas regiones se conocen con el nombre de zonas de Wadati - Benioff en honor de sus primeros Universidad Alas Peruanas Página 10 Origen de los Terremotos investigadores. Esta diversidad de fuentes sísmicas hace que la profundidad de los terremotos asociados varíe desde unos pocos kilómetros cerca de la costa hasta 600700 km, ya en el interior del continente. Las magnitudes pueden ser muy grandes, y los mecanismos de tipo normal o inverso. Un ejemplo representativo de este tipo de bordes lo constituye la subducción de la placa de Nazca bajo la placa de América del Sur. En ella se han originado muchos terremotos devastadores, como los que asolaron diversas zonas del Perú en 1604, 1687, 1746, 1784 y 1868, ó el más reciente ocurrido en Chile en 1960. La subducción de esta placa en el norte y centro del Perú tiene lugar con un ángulo de buzamiento pequeño, próximo a 10°, mientras que al Sur no supera los 30° (Barazangi y Isacks, 1976; 1979; James y Snoke, 1994; Norabuena et al., 1994). La edad estimada para la zona de subducción es de 32 millones de años (Ma) para la parte norte y 42 para la parte sur, y su velocidad se evalúa en 4.3 y 4.5 cm/año, respectivamente (Scholz y Campos, 1995). Para ambas variables se trata de valores discretos: las zonas de subducción más viejas (Tonga, Honshu, Java) superan los 115 Ma, y las más jóvenes (México, Centro América, Sur de Chile) se sitúan en torno a los 20 Ma. Las mayores velocidades alcanzan 10 cm/año (Tonga, Honshu) y las más pequeñas son del orden de 3 cm/año (Guerrero). Universidad Alas Peruanas Página 11 Origen de los Terremotos Distribucion de placas tectónicas. Las flechas señalan la dirección de su movimiento Universidad Alas Peruanas Página 12 Origen de los Terremotos CONCLUSIONES - Conviene señalar que no siempre la subducción genera una actividad sísmica tan importante como la que ocurre en las zonas de Chile y Perú. Así, en las Islas Marianas el fenómeno tiene características diferentes: el ángulo de buzamiento es mayor y los terremotos no alcanzan magnitudes tan notables. - Finalmente, algunos de los terremotos vinculados al proceso eruptivo de un volcán no responden al mecanismo descrito en este apartado sino que tienen un carácter marcadamente explosivo. Por ello se acostumbra a diferenciar entre terremotos de origen tectónico y terremotos volcánicos. - Como dato adicional, en los bordes descritos tienen lugar cerca del 95% de los terremotos de origen tectónico. El resto ocurre en el interior estable de las placas. Se trata de los sismos intraplaca que algunas veces, como en los terremotos de Nuevo Madrid (Missouri 1811-1812), Charleston (Carolina del Sur, 1886) o Pekín (1980), pueden tener una gran magnitud. Aunque no existe unanimidad sobre este punto, se cree que estos terremotos, -sobre todo los que se originan en la zona más interna de las placas (mid-plate earthquakes)ocurren en zonas de fragilidad, en las que se liberan los esfuerzos que han sido generados en los bordes de la placa y transmitidos a través de ella. Universidad Alas Peruanas Página 13