El sismo de Japón, de cual calza y a quien le avisó

23 03 2011

Así como los huracanes los sismos, cuando son grandes o tienen un efecto notable sobre la sociedad adquieren un nombre. De igual forma, cuando un sismo excede la magnitud 8 (esto no es una regla estricta ni mucho menos) se le llama megasismo. Entonces este muchacho que anda en boca de todos tiene nombre y apellido. Es el megasismo de Tohoku y ocurrió en la costa este de la isla de Honshu en Japón el 11 de marzo del 2011 a las 14:46 hora local. Mucho he escuchado en la radio, en la televisión y en internet sobre este evento, la mayoría bien informado, pero también he escuchado comentarios no del todo precisos. Como ese es el objetivo de este blog, con su permiso voy a poner las cosas en perspectiva.

Comencemos con la información más elemental que se puede tener de un sismo. El epicentro fue a 129 km al este de la ciudad de Sendai y a 32 km de profundidad (el pentágono negro en la figura 1). Es decir, allí comenzó el proceso de ruptura; pero al igual que el sismo de Sumatra del 2004 (M9.15) la zona de ruptura, la parte de la corteza que se fractura y se desplaza es enorme.

Figura 1, epicentro (pentágono negro) y mapa de deslizamientos (escala de colores) que indica cuanto se desplazaron las dos placas una respecto a al otra en la zona de fractura

Esto se entiende mejor mirando la figura 2, allí se tiene un corte de una zona de subducción típica, la litosfera oceánica (a la izquierda) empuja contra la litosfera continental (a la derecha), en la zona marcada en verde se tiene el contacto entre ambas y la fricción suelda la roca e impide su movimiento. Cuando se acumula suficiente energía, más de la que puede sostener la simple fuerza de fricción, se fractura la roca en el contacto y se desliza la placa oceánica respecto de la placa continental; esto es un un sismo de subducción. La proyección de esa linea verde (llamada zona sismogenética o zona de Benioff) es lo que se observa en color en el mapa de la figura 1 e indica cuanto se desplazaron las placas en en la zona de fractura. Dicha zona de ruptura tiene unos 800 km de longitud y una anchura de 80-100km y se observa que los desplazamientos llegan hasta los 25m, una cantidad nada deleznable.

Figura 2, esquema de una zona de subducción típica. La línea verde indica el contacto entre las placas y su proyección en superficie es la zona coloreada de la figura 1.

Lo cual nos lleva a un punto importante: ¿cómo se determina la magnitud de un sismo? La magnitud es un numero que condensa toda la información que hasta ahora hemos discutido y permite saber de forma rápida que tan grande fue un evento. Existen muchas escalas de magnitud que en otro momento discutiremos. La primer escala jamás diseñada fue la de Richter, su servicios a la sismología fueron importantes pero nos hemos despedido de ella y está prácticamente en desuso, aunque los periodistas insisten en darle el apellido de Richter a todas las magnitudes que citan. No, la magnitud mas común es la llamada magnitud de momento que no es otra cosa que el producto del área de ruptura, del deslizamiento promedio sobre la misma zona y de la rigidez de la roca que se fractura, así de simple. El problema claro esta, es que uno no puede ubicarse a 32km de profundidad y medir con su regla el área de ruptura y el desplazamiento, hay que hacerlo de forma indirecta a través de mediciones en superficie. Por ello, para los grandes evento toma horas e incluso días determinar una magnitud final. Precisamente esto ocurrió con el sismo de Tohoku, los primeros cálculos daban una magnitud de momento de 8.8 y 8.9 y una semana después se re-evaluó a 9.0.

En contexto historico este evento entró al salón de la fama de la sismología al erigirse como el 4o mayor sismo que ha medido el hombre desde que se tienen registros instrumentales confiables (100 años). Sus hermanos mayores son el sismo de Valdivia en Chile de M9.5 en 1960, el sismo de Prince William Sound, Alaska de M9.2 en 1964 y el sismo de Sumatra del 2004 de M9.15.

Ahora que ya se tiene una idea del tamaño de zapato del evento discutiré brevemente cuales fueron sus principales efectos.

El primero y más notable es el tsunami que produjo. Cuando ocurre un evento bajo el mar, si este mueve el lecho marino de forma vertical genera olas, de forma similar a cuando uno sumerge sus manos en una alberca bruscamente. Mirando de nuevo la figura 1, no es sorprendente que este evento haya generado un tsunami pues la ruptura se propaga desde los 32km de profundidad hasta la superficie de la placa oceánica (la extrema derecha del mapa de deslizamientos termina donde intersecta el fondo del mar) lo cual indica que desplazo considerablemente el lecho marino.

En la zona local, es decir, alrededor del epicentro transcurre poco tiempo entre la generación del tsunami a unos 100km mar adentro y su arribo a la costa, solo minutos y hay poca oportunidad de dar aviso. Sin embargo a escala regional, a unos cientos de kilómetros del epicentro el tsunami impacta la costa decenas de minutos después lo cual da tiempo suficiente de alertar a la población (figura 3). A escala global la propagación lleva varias horas (figura 4) y usualmente la amplitud del tsunami se reduce sustancialmente aunque en casos particulares, la forma del lecho marino o el relieve de la costa puede amplificar el oleaje en zonas localizadas.

Figura 3, haz click para ver la animación de la propagación del tsunami a escala local y regional,

Figura 4, cálculo del tiempo de propagación en horas (contornos) y amplitud del tsunami (colores) en la cuenca del Pacífico.

El segundo gran efecto es la sacudida en si. El desplazamiento relativo de las dos placas no es liso y continuo, la interfase entre las dos es rugosa por lo cual al moverse una sobre la otra se generan vibraciones, estas son las ondas sísmicas. Se propagan por el interior de la corteza y el manto a unos cuantos kilómetros pro segundo. Los sismólogos usualmente cuantificamos la intensidad de una sacudida en términos de la aceleración pico o PGA por sus siglas en ingles en la dirección horizontal. Esto sencillamente significa la aceleración horizontal máxima a la cual fue sujeto un punto dado del planeta debido a la propagación de ondas sísmicas. En la figura 5 se observa un mapa cuyos colores indican la aceleración horizontal pico registrada por acelerómetros en Japón. Las unidades son gales, en honor de Galileo, un gal es un centímetro por segundo al cuadrado. La aceleración debido a la gravedad es aproximadamente 1000 gal y en el mapa observamos zonas con aceleraciones horizontales próximas a los 1000 gal e inclusive que registran hasta 2000 gal de aceleración horizontal. Esto no es trivial. Significa que aunque solo por un instante la aceleración en al dirección horizontal es entre una y dos veces mayor a la aceleración misma de la gravedad. Imagine la demanda, los esfuerzos que esto genera sobre una construcción.

Figura 5, aceleraciones pico en dirección horizontal registradas en estaciones acelerométricas en Japón.

Otro efecto importante aunque de menor impacto para la población es que al generarse el desplazamiento sobre la interfase entre las dos placas toda la superficie de la corteza alrededor de la zona de ruptura se desplaza. He escuchado a gente decir que toda la isla de Honshu se desplazo 6m al este, esto es un tanto exagerado, en la figura 6 se observa el desplazamiento registrado por estaciones permanentes de GPS en donde se ve que aunque en efecto, algunas estaciones registraron desplazamientos próximos a los 6m otras partes de la isla se movieron solo una fracción de ello. Esto es sensato pues la isla no es un bloque rígido es más bien un solido elástico en el cual las partes próximas al sismo se deforman más que las partes mas distantes.

Figura 6, desplazamiento registrado en estaciones eprmanentes de GPS.

Entonces, el sismos de Tohoku, aunque enorme e impresionante, no es un sismo diferente de los sismos que ocurren rutinariamente en las zonas de subducción salvo por ser de mayores dimensiones que la mayoría de los hasta ahora registrados. Lo verdaderamente especial de este evento es que ha sido el sismo mejor registrado de la historia, todo ello gracias a la inversión científica multi-millonaria que han hecho los japoneses durante años. El sismo fue registrado por las redes de acelerómetros Knet y KiKnet con un total de mas de 1500 instrumentos. Fue registrado por la red de GPS de alta precisión GEONET con mas de 2000 estaciones en el archipiélago Japones. Los inicios de la ruptura quedaron registrados en mas de 1000 sismómetros exquisitamente sensibles de la red Hi-net instalados en pozos a cientos de metros de profundidad, ademas fue registrado por sensores de presión y sismómetros en el fondo del océano, por no mencionar en miles de estaciones alrededor del mundo. Con ello, aunque la catástrofe humana ha sido enorme la ciencia de la sismología tiene en este evento una oportunidad sin parangón con la cual podremos avanzar a pasos agigantados.

Esto conduce a otro punto de discusión importante que es el de la predicción. En más de cien de años de sismología instrumental uno pensaría que ya seriamos capaces de predecir estos grandes eventos, pero no.

Para hacer una predicción es necesario ubicar señales precursoras, acorralarlas, encontrar ese algo que adivine la inminencia de uno de estos sismos. A lo largo de los años han existido numerosos candidatos para ser precursor de un megasismo, emisiones de gases, cambios en las propiedades eléctricas de las rocas, anomalías electromagnéticas,etc., sin embargo después de un cuidadoso escrutinio ninguno de ellos ha sido demostrado un precursor. Es verdad que en ocasiones, los grandes sismos son precedidos por sismos más pequeños en la mima zona, y este evento es un excelente ejemplo de ello, dos días antes hubo un evento de M7.2 (y al menos 3 de M6-6.5) con epicentro casi idéntico al megasismo del 11 de marzo. Sin embargo el problema radica en como distinguir un evento que es precursor de un evento común y corriente. Un sismo de M7.2 no es poca cosa, recuerde que el sismo de Haití fue de M7.1, así que ¿cómo saber que ese sismo de M7.2 del 9 de marzo no era un evento aislado si no un ave de mal agüero? La respuesta es que el estado actual de la ciencia no permite hacer esa distinción pues los eventos de esa magnitud son rutinarios en las zonas de subducción. Por esta razón y algunas otras el tema de la predicción entre la comunidad sismológica es prácticamente letra muerta.

Esto no significa que quedamos indefensos y a merced de los estertores del planeta. Si bien no es posible aun decir cuando y en donde ocurrirá el siguiente gran temblor, nuestro conocimiento del fenómeno sísmico es amplísimo.

Sabemos por ejemplo en que zonas del planeta es mas probable que ocurran grandes sismos, en las zonas de subducción, como el Pacifico Mexicano, o en las grandes fallas transformantes como California o Turquía. Conocemos además las matemáticas y la física necesaria para saber que esperar cuando ocurra un gran sismo. Sabemos que las ondas sísmicas pueden quedar atrapadas en las grandes cuencas como la Ciudad de México o Los Angeles y que su reverberación puede ser muy destructiva, o que los sedimentos blandos de un lecho lacustre o costero pueden amplificar las vibraciones. Más aun sabemos que esas reverberaciones o amplificaciones ocurre con frecuencias particulares, además sabemos que las estructuras son afectadas por energía sísmica de frecuencias específicas. Así pues sabemos lo suficiente para pronosticar que dado un sismo de tal o cual característica en una región geográfica determinada las estructuras de cierto tipo se verán más afectadas que otras. Los ingenieros sísmicos y estructurales han pasado décadas estudiando los modos de falla de las construcciones humanas y como prevenirlos así como el acoplamiento entre las estructuras y el terreno.

No, no estamos indefensos, nuestra primera linea de defensa es la elaboración de códigos de construcción que intentan prever y obligar a los constructores a diseñar y construir estructuras que resistan las sacudidas que razonablemente se pueden esperar en alguna parte del planeta.

Testamento de ello es que a pesar de las enormes aceleraciones observadas en Japón hubo muy pocos colapsos debidos a la sacudida y eso es producto de un código robusto y de buenas prácticas de construcción.

La segunda línea de defensa son los sistemas de alerta temprana. Aunque en la zona inmediatamente adyacente a un megasismo es imposible dar aviso de la sacudida que se avecina, las ondas sísmicas viajan a una velocidad finita, entonces si se determinan acertadamente las dimensiones del evento en los primeros segundos después de su origen se puede dar aviso a las zonas un poco mas alejadas. Esto tiene dos metas, uno avisar a la población civil y dos, quizás más importante, avisar a objetivos de primera importancia como centrales eléctricas, sistemas de transporte colectivo o grandes fábricas de la inminencia de la sacudida para que puedan detener sus operaciones de forma adecuada. Con ello se pueden proteger millones de dolares de infraestructura además de salvar vidas.

Dicho sistema existe en muchos países, siendo el sistema de alerta temprana de Japón el más avanzado y funcionó adecuadamente (figura 7). En México existe el Sistema de Alerta Sísmica (SAS) que ha funcionado satisfactoriamente a lo largo de los años, pero su cobertura es muy limitada ya que actualmente solo monitorea un segmento de la costa de Guerrero, es menester ampliarlo.

Figura 7, tiempos de aviso en segundos del sistema de alerta temprana de Japón.

Se puede tener también un sistema de alerta temprana de tsunami pero esto es un animal un poco más espinoso. No todos los sismos en zona de subducción generan un tsunami, solo aquellos que generan un desplazamiento vertical importante del fondo marino. Como discutimos por allá en uno de los primeros párrafos no es fácil medir de forma rápida los parámetros del sismo como área de ruptura o cantidad de deslizamiento de forma rápida. Por ello es complicado, más no imposible, dar aviso sobre si un sismo dado genero o no un tsunami, aunque dicho sistema existe en Japón y supuestamente tarda 10 minutos en generar una alerta, no he podido tener acceso a información sobre su desempeño durante este evento.

Con esto termino, parece que dada la destrucción (especialmente la debacle nuclear) y perdida de vida que hubo en Japón nos falta aun mucho camino por recorrer. Cierto, pero los japoneses llevan décadas preparándose y este era el sismo de sus peores pesadillas. Cuando había reuniones de protección civil, de sismólogos, de políticos e ingenieros y tocaban el tema de los terremotos, estoy seguro que era un evento como este el que los ponía a temblar. Fue un monstruo, una de esas cicatrices que marcan a una generación. A pesar de ello creo que al final del día es una victoria, pírrica quizás, pero victoria al fin para la ciencia y la ingeniería nipona, pues de no contar con sistemas de alerta, con códigos de construcción adecuados y con una sociedad civil bien preparada para lidiar con una emergencia las fosas comunes estarían llenas y a reventar. Haití es de nuevo la referencia obligada. Un sismo que liberó 800 veces menos energía prácticamente erradico al país del mapa. La reflexión termina aquí, sabemos lo suficiente de ciencia e ingeniería sobre el fenómeno sísmico y bien haríamos los que vivimos en zonas de peligro en dejar los alardes de lado y preguntarnos con honestidad si hemos hecho, como hicieron los japoneses, todo lo posible por estar listos.

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9 respuestas

24 03 2011
zitonguito

Excelente post, solo me quedo la duda de entonces si la escala de Richter es obsoleta, cual es la escala adecuada para medir un sismo ?

24 03 2011
Diego Melgar

Hay muchas escalas de magnitud, pero la más popular es la magnitud de momento sísmico. El momento sismico se calcula como

Mo=A*d*m

donde A es el área de ruptura, d el deslizamiento promedio sobre la falla y m la rigidez de la roca. Una vez que calculas esta cantidad la magnitud de momento (Mw) se obtiene con

Mw=0.67*(log(Mo)-9.1)

donde log es el logaritmo. El articulo de wikipedia (http://tinyurl.com/y982blq) está bastante decente.

4 04 2011
Alejandro Hurtado

Excelentes comentarios!!

9 04 2011
Sistemas de alerta sísmica, como funcionan y cuanto tiempo de aviso podemos esperar « Develando las geociencias

[...] tiempo de aviso podemos esperar 9 04 2011 En la entrada de hace unas semanas sobre el sismo de Tohoku en Japón mencioné brevemente que el asunto de la predicción de temblores es letra muerta entre [...]

9 06 2012
ricardo

estimado amigo: excelente tu información solamente te comento que la aceleracion máxima registrada durante el terremoto de 1985 en el centro SCOP en xola y eje central no es de 800 gales si no de 176 gales. esta en el registro oficial del sismologico nacional que la aceleracion pico registrada fue de 18% la aceleracion de la gravedad, mientras que en CU se tiene 4% aproximadamente 40 gales. checalo. soy estudiante de geofisica de la unam

9 06 2012
Diego Melgar

Gracias. Con mucho gusto lo verifico si me indicas en donde puedo obtener esos registros.

9 06 2012
Diego Melgar

Me como mis propias palabras, tienes razón, de hecho en el registro que tengo en otra entrada esta esa información. https://cuicatlali.wordpress.com/2012/03/27/el-sismo-de-1985-vs-el-de-2012-duelo-de-titanes/ . Gracias por apuntar el error.

25 05 2013
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