Custom services
Spanish (pdf)
Article in xml format
Article references
Send this article by e-mail
Cited by SciELO 
Similars in
SciELO 
Permalink
INTRODUCCIÓN
La región suroriental de Cuba constituye la zona de mayor peligrosidad sísmica del país (Álvarez, Lindholm y Villalón 2016). Por su ubicación cercana a la frontera de la placa del Caribe con la placa de Norteamérica (Figura 1) ha sido afectada por los terremotos más significativos que han ocurrido en Cuba a lo largo de la historia (Cotilla y Córdova 2010a, 2010b; Cotilla 2003). La sismicidad se concentra a lo largo de la falla Oriente donde principalmente predomina un movimiento lateral de rumbo con transtensión en la cuenca de Cabo Cruz y comprensión en el cinturón deformado de Santiago (Moreno, Grandison y Atakan 2002; Calais y Mercier de Lepinay 1991). Esta zona de falla puede generar terremotos de magnitudes superiores a 7, lo cual ha ocurrido en el pasado con al menos 2 terremotos fuertes en 1766 y 1852, ambos ubicado en la vecindad de la ciudad de Santiago de Cuba.
Figura 1 Mapa tectónico del Caribe. NGF:Nipe-Guacanayabo Fault, NHT: North Hispaniola Trench, PRT: Puerto Rico Trench, GMP: Gonave Microplate, HB: Hispaniola Block, MCSC: Mid Cayman Spreading Center, LMT: Los Muertos Trench, SCFB: South Caribbean Fold Belt, SADB: South America Deformed Belt, NPDB: Northern Panama Deformed Belt, MAT: Middle America Trench, SMBF: Santa MartaBucaramanga Fault, BF: Bocono Fault, SPOF: San Sebastian-El Pilar-Oca Fault System, SAR: San Andres Rift, OF: Oriente Fault, CT: Cayman Trough, WF: Walton Fault, EPGF: Enriquillo Plantain Garden Fault, SF: Swan Fault, Y.Basin: Yucatan, C.Basin: Colombia, V.Basin: Venezuela Basin, MPASS: Mona Passage, APASS: Anegada Passage, CF: Camaguey Fault, TF: Trocha Fault, PF: Pinar Fault, PFZ: Pedro Fault Zone.
La simulación del movimiento del terreno provocada por los terremotos es una herramienta muy útil para los ingenieros civiles en el diseño de estructuras sismorresitentes (Sharbati et al. 2018; D’Amico et al. 2017). Este procedimiento es muy usado en zonas donde no existen o son muy escasos los registros reales de aceleración en el que se puedan caracterizar los parámetros de magnitud, distancia epicentral y respuesta del suelo. El objetivo principal es obtener uno o varios escenarios de la respuesta espectral de la aceleración del terreno para ser usado en los cálculos del riesgo sísmico de una zona o ciudad determinada. Los resultados obtenidos en la modelación del riesgo sísmico en términos de daños materiales y humanos se emplean en la confección de los planes de respuesta a un sismo de gran intensidad.
Este estudio se enfoca en la potencialidad de la zona de falla Oriente para la generación del movimiento del terreno en Cuba oriental y particularmente en la ciudad de Santiago de Cuba. En este caso fue seleccionado un segmento de la falla Oriente cercano a la ciudad de Santiago de Cuba. Los cálculos se realizaron con dos escenarios posibles de terremotos de magnitud 7.0 y 7.3 respectivamente, con lo que se obtuvieron los espectros de aceleración del terreno en varios puntos de Cuba oriental y un mapa de sacudida (ShakeMap) de la ciudad de Santiago de Cuba.
Tabla 1 Parámetros de entrada usados para la modelación. Detalles sobre los parámetros y su influencia en la modelación pueden ser encontrados en Motazedian y Atkinson (2005) y la documentación del programa EXSIM
MATERIALES Y MÉTODOS
La modelación fue realizada con el programa EXSIM (Motazedian y Atkinson 2005; Boore 2009) con parámetros de entrada tomados de las referencias o calculados con un análisis de los registros de terremotos locales (Tabla 1). Primero se calculó el movimiento del terreno en roca para una malla regular de puntos que cubrían gran parte de la zona oriental de Cuba y luego se aplicó el espectro de amplificación del suelo en varios puntos de la ciudad de Santiago de Cuba (Rivera et al. 2015).
Existen dos parámetros de entrada necesarios en el proceso de modelación, (1) la caída de esfuerzos (stress-drop) y (2) la relación de atenuación de las ondas sísmicas (Qo, Qalpha y Kappa). Estos parámetros fueron investigados para el área de estudio como se describe a continuación.
Caída de esfuerzos y atenuación
Para obtener la caída de esfuerzos se procesaron los espectros de la fuente (Havskov y Ottemoller 2008) de cientos de terremotos locales obteniéndose un promedio de 35 bars. Para comprobar si este valor era adecuado para el área se modelaron la aceleración pico (PGA) de seis terremotos de magnitudes mayores a 4 (Tabla 2) y se compararon con la observación real. La estación seleccionada fue Rio Carpintero por ser la más cercana a la ciudad de Santiago de Cuba. Los valores de PGA observado es el resultado del promedio de las dos componentes horizontales.
Los resultados para diferentes valores de caída de esfuerzos usado en la validación se muestran en la Tabla 3 y Figura 2. Es evidente que la modelación con 15 bars subestima los datos observados y la de 50 bars lo sobrestima. Note en la Figura 2 que el radio entre el PGA modelado y observado para diferentes distancias debe de estar cerca de 1 para que tengan valores parecidos. En este caso la caída de esfuerzo de 35 bars tiene cocientes cercanos a 1 para casi todas las distancias con excepción del evento más cercano que se encuentra a 25 km aproximadamente de la estación de Rio Carpintero. A esta corta distancia cualquier variación en la profundidad del foco podría variar abruptamente los valores calculados de PGA, por lo que esta incongruencia podría estar asociado a errores de localización del evento.
La relación de atenuación fue obtenida con el uso de los programas qlg y automag del paquete SEISAN (Havskov y Ottemoller 2008). Se seleccionaron 24 eventos de magnitudes mayores a 3.5 registrados por más de seis estaciones desde julio 2010 a junio 2014. Todos los eventos están localizados a lo largo de la zona de la falla oriente. Los resultados obtenidos para la función de atenuación fueron los siguientes: Qo=185, Qalpha=0.5 y kappa=0.03.
RESULTADOS
La Figura 3 (A y B) muestra la aceleración pico (PGA) del movimiento simulado del lecho rocoso debido a un terremoto de magnitud Mw = 7.0 con caída de esfuerzos de 35 bars. Debido a la ubicación de la ruptura, el valor de aceleración más fuerte ocurre en alta mar. Sin embargo, se espera una sacudida del terreno que excede los 100 cm/s2 en una gran área del sur de Cuba oriental, principalmente la ciudad de Santiago de Cuba, lo cual puede afectar seriamente las construcciones vulnerables.
Dado que la mayor parte del entorno construido en las ciudades de Cuba oriental son casas y edificios de baja altura, el potencial de daño de los terremotos está controlado en gran medida por la sacudida del terreno a frecuencias mayores a 3.3 Hz o periodos menores a 0.3 segundos. Por lo tanto, se presentó también la distribución de sacudidas del terreno para la aceleración espectral máxima (PSA) a una frecuencia de 3.3 Hz (Figura 3 C y D). Se encontró que las aceleraciones espectrales en suelo rocoso superan los 200 cm/s2 en una gran área del sur de Cuba, incluidas partes de la ciudad de Santiago de Cuba.
También se mostró el movimiento simulado del suelo en lecho rocoso debido a un evento Mw = 7.3 para caída de esfuerzos de 35 bars (Figura 4). Por el aumento de la longitud de la ruptura, un área más grande se ve afectada por la sacudida fuerte del terreno. Sin embargo, el nivel máximo de PGA en tierra es comparable al encontrado para el evento de magnitud 7.0. Se hace la misma observación para el PSA a una frecuencia de 3.3 Hz (Figura 4 C, D), aunque para este parámetro de magnitud y sacudida del suelo, hay una débil influencia de directividad de ruptura en la distribución del movimiento del terreno.
Figura 3 PGA (A,B) y PSA a 3.3 Hz (C,D) para Mw=7.0. Mapas inferiores muestran valores de algunos puntos seleccionados.
Se seleccionaron varias localidades (Tabla 4), principalmente municipios en el oriente de Cuba, para calcular la simulación del movimiento del terreno. Los valores para el escenario de dos terremotos, M7.0 (Tabla 5) y M7.3 (Tabla 6) se muestran en la Figura 5. Los valores más altos de movimiento del terreno corresponden a las localidades de Verraco, Siboney y Santiago de Cuba con PGA entre 100 cm/s2 y 200 cm/s2 en el caso de M7.0 y entre 150 cm/s2 y 250 cm/s2 para M7.3. Los valores de PSA a 3.3 Hz para estas localidades se encuentran entre 190 cm/s2 y 340 cm/s2 para M7.0 y entre 276 cm/s2 y 358 cm/s2 en el caso de M7.3.
Figura 4 PGA (A,B) y PSA a 3.3 Hz (C,D) para Mw=7.3. Mapas inferiores muestran valores de algunos puntos seleccionados.
Figura 5 PGA en roca para algunas localidades de Cuba oriental. Mw=7.0 (izquierdo) y Mw=7.3 (derecho).
Mapa de sacudida (ShakeMap) de la ciudad de Santiago de Cuba
Los datos de amplificación del sitio están disponibles para una cuadrícula regular que cubre la ciudad de Santiago de Cuba. Los espectros se han derivado de modelos de amplificación de suelo 1D (Sanò y Pugliese 1991) y 2D (Sanò 1996) basados en mapas geológicos regionales, mapas ingenieros geológicos de suelo, perfiles geológicos regionales y datos de pozos profundos (Rivera et al. 2015). La información de amplificación espectral del sitio se presenta en la Figura 6 con la amplificación promedio en diferentes bandas de frecuencias. A partir de estas cifras, está claro que se puede esperar una gran amplificación (hasta un factor de 2) en varias partes de la ciudad, especialmente en períodos inferiores a 0,5 segundos.
Figura 6 Factor promedio de amplificación espectral del suelo en la ciudad de Santiago de Cuba para diferentes rangos de periodos (segundos): (A) 0.05-0.15, (B) 0.15-0.25, (C) 0.25-0.35, (D) 0.35-0.45.
Para tener referencias de diferentes partes de la ciudad se seleccionaron ocho puntos para calcular el movimiento del terreno en roca para el escenario M7.0 (Tabla 7 y Figura 7). Se observan cambios significativos en los valores del movimiento del terreno al moverse desde puntos cercanos a la línea de costa hasta el centro de la ciudad. Esto indica que los valores de movimiento del suelo podrán cambiar drásticamente a distancias cortas cuando los sitios se encuentran cerca de la fuente del terremoto.
Tabla 7 Valores del movimiento del terreno en roca para magnitud Mw=7.0 de algunos puntos de la ciudad de Santiago de Cuba
Además, se muestran los valores del movimiento del terreno en roca de varios puntos de la ciudad de Santiago de Cuba para el escenario M7.3 (Tabla 8).
Tabla 8 Valores del movimiento del terreno en roca para magnitud Mw=7.3 de algunos puntos de la ciudad de Santiago de Cuba
La Figura 8 muestra el escenario del mapa de sacudidas para la ciudad de Santiago de Cuba utilizando los espectros de amplificación del sitio para ambos escenarios de terremotos fuertes. Tenga en cuenta que en el punto definido como centro de Santiago se obtiene un factor de amplificación de aproximadamente 2 (Tabla 9). La mayoría de los valores de PGA (Figura 8 A y B) en el centro de la ciudad están entre 150 cm/s2 y 300 cm/s2 y los valores en algunos puntos aumentan hasta 400 cm/s2. Los valores de PSA a 3,3 Hz o período de 0,3 segundos (Figura 8 C y D) superan los 480 cm/s2 en varios puntos de la ciudad para ambos escenarios de terremotos, lo que tiene un efecto significativo en los edificios de baja a mediana altura de la ciudad.
Figura 8 PGA y PSA a 3.3 Hz para la ciudad de Santiago de Cuba usando la amplificación espectral del suelo. Mw=7.0 (A,C) y Mw=7.3 (B,D).
DISCUSIÓN
Realizar un estimado confiable en el parámetro de caída de esfuerzos a utilizar para la modelación de escenario de terremotos fuertes es fundamental debido a que tiene una influencia significativa en los valores del movimiento del terreno que se obtienen. Por ejemplo, en el centro de Santiago de Cuba se observa que los valores de PGA, usando una caída de esfuerzos de 35 bars, aumentan 63 % cuando se usa 70 bars (Tabla 10).
Tabla 10 Aceleración pico en roca (PGA) para diferentes caídas de esfuerzos (stress-drop) en algunos puntos de la ciudad de Santiago de Cuba. No se usó la amplificación espectral del suelo
Este tipo de trabajo se considera como un estudio de peligro sísmico determinístico (Mase 2020, Zhang et al. 2021) que resulta muy adecuado en zonas de baja actividad sísmica a diferencia de los estudios de peligro sísmico probabilísticos (Candia et al. 2019). Estos últimos pueden subestimar los valores de aceleración del terreno esperado debido a la falta de evidencias históricas de terremotos fuertes, ya que los cálculos dependen de lo que ha sucedido en el pasado. Existen zonas en el mundo donde la tasa anual de deformación de la corteza a lo largo de una falla tectónica es muy lenta, por lo que muchas veces no tienen evidencias de terremotos fuertes en un catálogo de 500 años de historia. Pero esto no quiere decir que está exento de un terremoto fuerte, solo que puede haber sucedido cientos de años atrás.
Otra desventaja de los estudios de peligro sísmico probabilísticos es que no tienen en cuenta la influencia del lapso del tiempo ocurrido desde el último terremoto fuerte en una zona determinada. Por ejemplo, luego de que una falla tectónica libera toda la deformación acumulada provocando un terremoto de gran magnitud, necesitaría muchos años en volverse a repetir si se considera una baja tasa de deformación anual. Si un terremoto fuerte en una zona de baja sismicidad ha ocurrido recientemente implica que la probabilidad de que se pueda repetir en el tiempo de vida útil que tiene una edificación específica es muy baja.
CONCLUSIONES
Los dos escenarios de terremotos considerados en este estudio con hipocentro ubicado a unos 30 km al sureste de la ciudad de Santiago de Cuba indican que es posible obtener PGA en suelo rocoso de la ciudad entre 100 cm/s2 y 180 cm/s2. Municipios como San Luis, La Maya y Palma, el PGA podrá alcanzar valores entre 50 cm/s2 y 75 cm/s2. Para el escenario de terremoto de M7.3, el municipio de Guamá (Chivirico) podrá alcanzar valores de PGA de hasta 190 cm/s2.
El mapa de sacudidas para la ciudad de Santiago de Cuba muestra grandes valores de aceleración del terreno en varios puntos de la ciudad cuando se considera la respuesta espectral del suelo, particularmente en el casco histórico, una de las zonas más vulnerables, donde el PGA podrá alcanzar valores de 375 cm/s2 para ambos escenarios de terremotos. El PSA a 3.3 Hz podrá afectar a edificios de baja y media altura con valores superiores a 480 cm/s2.
