Repercusiones de los Seísmos o Terremotos: La Importancia de la Respuesta No Lineal de los Suelos

La Noticia que vamos a abordar hoy nos informa de la gran importancia de los suelos en las repercusiones de un terremoto sobre ciudades, industrias e infraestructuras (en este caso, el devastador acaecido recientemente en Japón y que afectó a la  central nuclear de Fukushima I). De acuerdo a los autores, la respuesta de la superficie terrestre depende de los tipos de suelos y subsuelos. Dependiendo de su naturaleza, el impacto puede llegar a ser más o menos severo. Así por ejemplo, los medios edáficos y regolitos muy porosos y que albergan agua en abundancia resultan ser sumamente peligrosos (hidroedafología). En consecuencia,a la hora de elegir y construir los emplazamientos se requiere conocer muy bien estos recursos naturales, lo cual ayudaría a mitigar los efectos de las catástrofes. No soy experto en el tema, por lo que pensaba que se trataba de una noticia novedosa. De hecho la nota de prensa, defendía tal novedad. Sin embargo, al navegar por Internet me percaté que se trataba de otra falacia, existiendo abundante información al respecto. Otra vez vendiendo viejo vino en nuevas botellas, aunque personalmente desconociera este tipo de investigaciones. Por tanto, nos veremos obligados a abundar en este tema un futuros post (así aprenderé yo también). La única novedad estriba en que los autores analizaron los datos de un seísmo de magnitud nueve, es decir enorme. Punto y final. En cualquier caso, si podemos ofreceros unas cuantas reflexiones como adelanto de lo que escribiremos en un futuro próximo. Una respuesta no-lineal nos indica que en materia de impactos no son proporcionales los flujos o fuerzas, es decir en este caso, la magnitud del terremoto. Dependiendo de las características del suelo y subsuelo serán mayores o menores. Por lo tanto, no es lo mismo construir instalaciones peligrosas en territorios homogéneos que áreas muy heterogéneas. En las últimas las predicciones serán ostensiblemente más difíciles. Por otro lado,la disposición concreta de las capas de materiales edáficos, regolito y depósitos sedimentarios en la zona implicada puede ser tan importante o más que su propia composición. Todo ello requiere un inventario georeferenciado muy preciso en los espacios geográficos que corren altos riesgos sísmicos. Más aun, en función de los factores referidos, la respuesta al temblor puede ser inmediata o dilatarse durante años, lo que dificulta más aun las predicciones o escenarios de los impactos post catástrofes. Dicho de otro modo, en estos casos no se puede asegurar que después de la tempestad venga la calma. Finalmente, cabría precisar que se entiende en estos estudios por suelos, ya que más que hacer referencia a los edafotaxa, tal cual los entendemos hoy, viene a dar cuenta de lo que en su día denominamos la geoderma o zona crítica terrestre. Resumiendo, que la edafología de los desastres naturales resulta ser otra disciplina pendiente (como la que aborda sus repercusiones sobre la salud) en el ámbito de la ciencia del suelo, ahora bien bajo una nueva óptica.

Los Tipos de suelo condicionan los efectos devastadores de los terremotos (liquefacción). Fuente: Universidad de Sydney

Francamente, debo reiterar, una vez más, que la comunidad científica padece del contagio propagandístico que afecta a todas las esferas sociales. Se me antoja que ya importa más el contenido que el continente. Un tema muy serio cuando hablamos de la indagación científica. Efectivamente, existen una multitud de estudios al respecto, eso sí, la mayor parte de ellos en la lengua del imperio (el suahili). Vuelvo a repetir que os mostraremos más información básica en otros post. Ahora bien, nos interesa enfatizar que cuando los expertos en esta materia hablan de suelos se refieren al conjunto suelo-regolito-agua subterránea y sedimentos porosos subyacentes. Nos referimos pues a lo que hoy se denomina zona critica terrestre (ZCT). Pues bien, se trata otro dato que abunda en la necesidad de ampliar las fronteras del suelo, como se ha propuesto en EE.UU., con el proyecto que versa sobre la  ZCT o en suahili la “Earth’s Critical Zone”. Hablamos de un verdadero cambio de paradigma al que ineludiblemente deberemos hacer frente, por cuanto atesora numerosas ventajas sobre el actual, tanto desde el punto de vista de la ciencia básica, como aplicada.

Seguidamente os reproduzco la nota de prensa original y una traducción personal muy libre de los fragmentos que se me antojan más importantes. Sin embargo, debéis personarme mi ignorancia a la hora de traducir ciertos vocablos, por cuento no soy experto en mecánica de suelos y temas afines. ¡Mil perdones!. En cualquier caso repito una vez más que abordaremos los aspectos fundamentales relacionados con los suelos y sus repercusiones con los impactos de los seísmos. Hace tan solo unas semanas que tal controversia salió a la luz tras los estragos causados en Lorca por un terremoto de escasa magnitud, pero que afectó a un suelo y subsuelo vulnerables ante este tipo de episodios (en la noticia arriba enlazada no se da cuenta de ellos, aunque en otras sí, como esta).

Juan José Ibáñez

Study of Soil Effects from March 11 Japan Earthquake Could Improve Building Design

ScienceDaily (July 18, 2011) — Japan’s March 11 Tohoku Earthquake is among the strongest ever recorded, and because it struck one of the world’s most heavily instrumented seismic zones, this natural disaster is providing scientists with a treasure trove of data on rare magnitude 9 earthquakes. Among the new information is what is believed to be the first study of how a shock this powerful affects the rock and soil beneath the surface.

Analyzing data from multiple measurement stations, scientists at the Georgia Institute of Technology found that the quake weakened subsurface materials by as much as 70 percent. That nonlinear response from the top layer of Earth’s crust affected how the movement of faults deep beneath the surface was delivered to buildings, bridges and other structures.

(…) Este desastre natural ha proporcionado a los científicos un tesoro de datos, ya que en raras ocasiones se ha monitorizado un terremoto de magnitud 9. Entre la nueva información, de lo que parece ser el primer estudio de esta naturaleza se nos informa acerca de cómo afectó a la cobertura de suelos y las rocas subyacentes.

Al Analizar datos de múltiples estaciones de medición, los científicos del Instituto de Tecnología de Georgia descubrieron que el terremoto debilitó los materiales del subsuelo hasta en un 70 por ciento, así como de que la respuesta de la capa superior de la corteza terrestre afectada no lineal, lo cual repercutía en los efectos que dañaron a los edificios, puentes y otras estructuras.

Understanding how the soil responds to powerful earthquakes could be important to engineers and architects designing future buildings to withstand the level of acceleration measured in this quake. The information will also help seismologists develop new models to predict the effects of these rare and extremely powerful events.

«The degree of nonlinearity in the soil strength was among the largest ever observed,» said Zhigang Peng, an associate professor in Georgia Tech’s School of Earth and Atmospheric Sciences. «This is perhaps not too surprising because the ground shaking generated by this earthquake — acceleration as much as three times the Earth’s gravity — is also among the highest ever observed.»

La comprensión de cómo el suelo responde a los terremotos de gran alcance puede ser importante para que los ingenieros y arquitectos  diseñen con una mayor eficacia los futuros edificios, con vistas a soporten los debastadores efectos de los terremotos. De paso, esta información también ayudará a los sismólogos a desarrollar nuevos y mejores modelos predictivos de los daños causados por tales eventos de alta magnitud y baja frecuencia.

«El grado de no linealidad de la resistencia del suelo se encontraba entre uno de los más grandes jamás observado», dijo Peng Zhigang, profesor asociado en la Escuela de Tecnología de Georgia de la Tierra y Ciencias Atmosféricas. «Esto quizá no sea demasiado sorprendente, por cuanto el movimiento del suelo generado por el terremoto – la aceleración de hasta tres veces la gravedad de la Tierra – también está entre las más altas jamás observadas.»

Peng and graduate student Chunquan Wu were among the first scientists to examine data recorded by the high-quality seismometers that are part of the Japanese Strong Motion Network KIK-Net. The stations have accelerometers both on the surface and in boreholes located on bedrock far beneath it. The researchers chose to study data from six stations that have strong velocity contrasts between the surface soil layers and the underlying bedrock.

«In this study, we were trying to understand the relationship between soil nonlinearity and peak ground acceleration (PGA), which is a measure the ground shaking,» said Wu. «We want to understand what parameters control this kind of response.»

By comparing data on the acceleration of motion from sensors on the bedrock to comparable information from surface sensors, they were able to study how the properties of the soil changed in response to the shaking. The researchers computed the spectral ratios of each pair of station measurements, and then used the ratios to track the temporal changes in the soil response at various sites at different levels of peak ground acceleration.

“Con este estudio, intentamos comprender la relación entre la no-linealidad de la respuesta del suelo y aceleración pico (PGA), que es una medida indicativa de la sacudida que afectó a la tierrad», dijo Wu. «Queremos entender los parámetros de control de este tipo de respuesta.»

Al comparar los datos sobre la aceleración del movimiento de los sensores en la base a la información comparable de los sensores de superficie, se pudieron analizar los cambios de las propiedades de los suelos y sedimentos subyacentes inducidos por la catástrofe. Los investigadores calculan los coeficientes espectrales de cada par de mediciones de la estación (superficie-subsuelo), para luego utilizar tal información a la hora de estudiar los cambios temporales en la respuesta del suelo acaecidos en varias localidades diferentes frente a los niveles del pico de aceleración.

«The shear modulus of the soil was reduced as much as 70 percent during the strongest shaking,» Wu explained. «Typically, near the surface you have soil and several layers of sedimentary rock. Below that, you have bedrock, which is much harder than the surface material. When seismic waves propagate, the top layers of soil can amplify them.»

Nonlinear response from soils is not unusual, though it varies depending on their composition. Similar but smaller effects have been seen in other earthquake-prone areas such as California and Turkey, Wu said. The shallow layers of Earth’s upper crust can be complex, composed of varying types of soil, clay particles, gravel and larger rock layered in sediments.

«El módulo de corte de la tierra se redujo hasta en un 70 por ciento durante el temblor más fuerte», explicó Wu. «Por lo general, cerca de la superficie del terreno aparecen varias capas de suelo y rocas sedimentarias. Más abajo aun aparece el material litológico más duro que el sobreyacente. Cuando las ondas sísmicas se propagan, las capas superiores del suelo pueden amplificarlas.»

La respuesta no lineal de los suelos no es inusual, aunque varía en función de su composición. Efectos similares aunque menores se han detectado en otras zonas propensas a terremotos como California y Turquía, dijo Wu. Las capas superficiales de la corteza superior de la Tierra puede ser complejas al estar compuestas de diferentes tipos de suelo, cantidades de de arcilla, grava, grandes bloques de rocas y sedimentos de diferentes comportamientos.

Because the March 11 quake lasted an unusually long time and generated a wide range of ground motions of greatly varying strengths, it provided an unprecedented data set to scientists interested in studying nonlinear soil behavior.

Beyond the immediate effect of the strongest shock, the researchers were interested in how the soils recover their strength after the shaking stops. That recovery time can vary from fractions of a second to several years, Wu said.

«It is still not clear whether there could be longer recovery times at certain sites,» Wu noted. «This is a function of soil type and other factors.»

If the soils are very porous, water can lengthen the recovery. «For porous media, the ground shaking could cause water to go into the pores, which will also reduce the shear modulus of the soil. If water is involved, the recovery time will be much longer.»

Más allá del efecto inmediato de las sacudidas más violentas fuertes golpes, los investigadores se interesaron en saber como los suelos se recuperan después del temblor. El tiempo de recuperación puede variar desde fracciones de segundo hasta varios años, dijo Wu.

«Todavía no está claro si podría ser más largo el tiempo de recuperación en algunos sitios que en otros», señaló Wu. «Posiblemente tal hecho dependa del tipo de suelo y otros factores.» Cuando el suelo resulta ser muy poroso el agua que albergan puede retardar su recuperación. «En los medios porosos, el temblor de tierra podría causar la entrada del agua en los poros, lo que también reduciría el módulo de corte de la tierra. Si el agua está involucrada, el tiempo de recuperación será mucho más largo.»

Soil response to aftershocks, which ranged up to magnitude 7.9 after the main Tohoku earthquake, was also studied.

Information developed by the Georgia Tech researchers will be provided to seismologists developing new hazard models of very powerful earthquakes. Knowing how soils respond to strong shaking is also important to predicting how motion deep within the Earth will be translated to structures built on the surface.

Respuesta del suelo a las réplicas sísmicas, que llegaron a alcanzar una magnitud de 7.9 después de que el terremoto principal de Tohoku, también fue estudiada. La información proporcionada por los investigadores de Georgia Tech será de gran ayuda para que los los sismólogos desarrollen nuevos modelos de riesgo ante los terremotos de mayor magnitud. Saber cómo responden a los suelos fuertes sacudidas también a la hora de predecir cómo el movimiento profundo de la Tierra se traslada a las construcciones humanas.

«Understanding how soil loses and regains its strength during and after large earthquakes is crucial for better understanding and predicting strong ground motions,» Peng noted. «This, in turn, would help earthquake engineers to improve the design of buildings and foundations, and could ultimately help to protect people in future earthquakes.»

«La comprensión de cómo el suelo pierde y recupera «estructura física original (Solidez) durante y tras los grandes terremotos resulta ser crucial a la hora de mejorar nuestra comprensión y predicción de  los movimientos de tierra firme tras los terremotos», señaló Peng. «Esto, a su vez, ayudar a los ingenieros expertos en  terremotos con vistas a mejorar el diseño de los edificios y sus cientos, y en última instancia, a proteger a las personas de los devastadores efectos de terremotos futuros.»

The findings were reported in a special issue of the journal Earth, Planets and Space (EPS). The research was sponsored the National Science Foundation (NSF) and by the Southern California Earthquake Center (SCEC).

Story Source: The above story is reprinted (with editorial adaptations by ScienceDaily staff) from materials provided by Georgia Institute of Technology Research News, via EurekAlert!, a service of AAAS.

Journal Reference: Chunquan Wu and Zhigang Peng. Temporal changes of site response during the Mw 9.0 Tohoku Earthquake in Japan. Earth, Planets and Space, 2011 (in press) [link).

Ver también de los mismos autores el siguiente pdf:

http://www.terrapub.co.jp/journals/EPS/pdf/free/inpress/201106002.pdf