Revisión/Review/Revisão

Espesores sedimentarios de cuencas urbanas como aporte a los estudios de microzonificación sísmica en Venezuela

Urban basins sedimentary thickness as a contribution to seismic microzonation studies in Venezuela

As espessuras sedimentares das bacias urbanas como contribuição para estudos de

microzoneamento sísmico na Venezuela

Introducción

Por su ubicación en el límite de las placas del Caribe y de Suramérica, gran parte del norte de Venezuela está sujeto a una moderada a alta amenaza sísmica, proveniente de las fallas tectónicas y la sismicidad asociada, la cual se ve reflejada en el mapa de zonificación sísmica de la norma vigente (COVENIN, 2001). El referido mapa representa los movimientos sísmicos en roca; sin embargo, las ondas sísmicas pueden sufrir modificaciones importantes en amplitud, duración y contenido de frecuencias cuando llegan a la superficie, en especial si se trata de cuencas sedimentarias, situación en la cual se ubican la mayoría de las ciudades en Venezuela y otras partes del mundo. En especial, sitios con espesores grandes de suelo son sujetos a amplificación del movimiento del terreno en comparación con los sitios en roca (e.g. Aki, 1993). Estas modificaciones de las ondas sísmicas por las condiciones geológicas se ven influenciadas por la forma y el contenido de las cuencas sedimentarias, es decir, el espesor sedimentario, las velocidades de propagación de las ondas sísmicas (sobre todo las ondas de corte), tanto en la parte somera (e.g. Boore, 2004), como profunda. 

Para estimar las características de las cuencas, y con ello los efectos de sitio, se pueden utilizar diferentes métodos geofísicos, entre los cuales destacan los métodos sísmicos, gravimétricos y, recientemente, métodos que aprovechan las vibraciones ambientales o microtremores (e.g. Nakamura, 1989; Bard, 1999; Louie, 2001). Con el fin de caracterizar las cuencas urbanas en Venezuela respecto a la variación de las vibraciones sísmicas en superficie, se realizaron desde mediados de los años 90 estudios de microzonificación sísmica, que se encuentran actualmente en diferentes estados de avance. En este trabajo haremos una revisión de los modelos de subsuelo existentes en los diferentes centros urbanos en Venezuela. 

Metodología 

Diferentes métodos geofísicos y geológicos, entre ellos, sísmica de refracción, ReMi, mediciones de ruido ambiental y gravimetría, junto con la integración de información de pozos, han sido utilizados para la elaboración de los modelos del subsuelo en las diferentes ciudades de Venezuela (Figura 1). En este contexto, los mapas de espesores de sedimentos juegan un rol importante en los proyectos de microzonificación sísmica, tal como se planteó para Caracas (Hernández et al., 2006).  

acelerográficos (Schmitz et al., 2011), fue integrada en un modelo gravimétrico basado en más de 1600 puntos de medición (Amarís et al., 2011).   

El nivel de detalle existente del modelo del subsuelo en las ciudades de estudio depende fuertemente de los avances en los estudios geofísicos en las diferentes ciudades. En cada caso se resume brevemente la metodología aplicada y las limitaciones en la determinación de las profundidades sedimentarias. 

Resultados por región 

La Gran Caracas (Área metropolitana de Caracas, Guarenas y Guatire, Ciudad Caribia, municipio Vargas). 

Como ejemplo para el desarrollo de los mapas de espesores de sedimentos podemos considerar el mapa de Caracas (Figura 2), producto de la integración de diferentes datos geofísicos, entre ellos, densas mediciones de ruido ambiental (Rocabado et al., 2006), en un modelado gravimétrico (Amarís et al., 2011). Destacan dos depocentros con un máximo de 360 m de espesor sedimentario en el este, y 240 m en el oeste, los cuales corresponden a zonas con períodos (T) máximos del suelo de 2.3 y 1.2 s, respectivamente. El mapa de espesores de sedimentos ha sido clasificado en rangos de espesores, acorde con la definición de las microzonas sísmicas y los respectivos espectros de respuesta en Caracas (Schmitz et al., 2011; Hernández et al., 2011). Se están realizando calibraciones del mapa de espesores mediante inversión 1D de la curva de elipticidad de ondas Raleigh proveniente de mediciones de ruido ambiental (Hurtado et al., 2016).  

Área metropolitana de Barquisimeto – Cabudare y otras ciudades del estado Lara (Carora, Duaca, El Tocuyo, Quíbor). 

En Barquisimeto y Cabudare, que formaron parte del Proyecto de Microzonificación sísmica de Caracas y Barquisimeto en los años 2005 a 2009, se elaboró un mapa de espesores sedimentarios con su respectivo mapa de microzonas, basados en datos sísmicos de refracción, mediciones de ruido ambiental y datos gravimétricos (Reinoza et al., 2011; figura 4), los cuales fueron utilizados para la determinación de los espectros de respuesta en estas ciudades. El perfil de velocidades fue reinterpretado analizando los datos sísmicos (Reinoza et al., 2011) con la metodología ReMi y se realizó una calibración de los resultados de las metodologías sísmicas mediante el análisis de los datos de un sismo (Mw = 6.4, Tucacas 29 de septiembre de 2009) registrados en un observatorio acelerográfico instalado en la terraza aluvial de Barquisimeto en el marco del proyecto (Morales et al., 2015). Los espesores sedimentarios varían fuertemente entre la terraza de Barquisimeto con máximo 140 m (T de 1,0 s) y la cuenca de tracción de Cabudare con más de 380 m (T de 2,5 s) (Rocabado et al., 2007). En el norte de Barquisimeto, la zona de Tamaca/El Cují, el espesor de los sedimentos alcanza 250 m en el centro, disminuyendo considerablemente hacia el este en El Cují, con períodos fundamentales del suelo entre 0,65 y 1,5 s (Ávila et al., 2012). 

Ciudades en el estado Trujillo (Trujillo, Valera, Boconó).

Desde el año 2011 se realiza el proyecto de Investigación aplicada a la gestión del riesgo sísmico en el estado Trujillo, con fines de planificación urbana, en el marco del cual se han realizado mediciones de ruido ambiental y gravimétrica con el fin de determinar los períodos fundamentales del suelo y los espesores sedimentarios para la microzonificación sísmica. En Boconó se realizaron 106 mediciones de ruido ambiental que arrojaron valores del período predominante del suelo entre 0,4 y 1,2 s con los valores más altos en el centro de la ciudad, correspondiente a la zona distal del abanico aluvial (Calderón el al., 2014, figura 8). Del modelado gravimétrico se determinan espesores sedimentarios entre 50 y 150 m, con un máximo de 200 m en las cercanías del cauce del río Boconó (León et al., 2016, figura 8). 

generalmente entre 20 y 100 m y muestran valores máximos en el orden de 130 m en el sur de la ciudad (Cárdenas et al., 2015). Se observan valores de período fundamental del suelo entre 0,6 y 0,9 s con espesores sedimentarios de 70 a 120 m para San Antonio y períodos entre 0,2 y 1,5 s y espesores sedimentarios entre 25 y 240 m para Ureña; los mayores valores se encuentran en las zonas sur, centro-sur, este y norte con valores mayores que 1 s, mientras que las zonas oeste y sureste están caracterizadas por un rango de períodos entre 0,3 y 0,8 s (Molina et al., 2015). 

Ciudades en el estado Sucre (Cumaná, Cumanacoa, Carúpano, Cariaco, Güiria).

Desde el año 2009 se está desarrollando el proyecto de microzonificación sísmica de Cumaná, durante el cual se realizaron 225 mediciones de ruido ambiental, que permitieron  identificar los mayores valores de períodos fundamentales del suelo al noroeste de la ciudad (cercanías del casco central y al sur de la desembocadura del río Manzanares) y hacia el este del cerro Caigüire (en la zona de El Peñon) con valores entre 1,0 y 1,4 s (Figura 9; Aray et al., 2015). Los períodos de vibración promedio corresponden a 0,6 s para la zona central de la ciudad (sur del cerro Caigüire) con una tendencia de disminución de los períodos hacia las colinas al sur de la ciudad y al norte del cerro Caigüire. El mapa de espesores sedimentarios (Figura 9) evidencia una tendencia de incremento hacia el este de la ciudad (El Peñón, aeropuerto) con valores superiores a 300 m correspondientes a sedimentos Cuaternario. El promedio de los espesores de sedimentos es de 100 m para la zona central (oeste del cerro Caigüire) con una tendencia de disminución hacia el sur, donde aflora la Formación Barranquín sobre las colinas que bordean la ciudad. Con la integración gravimétrica se derivan espesores sedimentarios entre 100 y 200 m para la zona centro e inferiores a 100 m para Los Bordones, mientras que los espesores de sedimentos pre-cretácicos alcanzan hasta 600 m (Aray et al., 2015; Sánchez-Rojas et al., 2017); los espesores sedimentarios en Cumanacoa son considerablemente menores (Bonive et al., 2009). Resultados de la inversión de curvas de ellipticidas de ondas de Rayleigh de datos de ruido ambiental en Cumaná (Farías, 2017) indican un máximo espesor de 400 m para los sedimentos Cuaternarios y hasta 750 m incluyendo los sedimentos Terciarios de la Formación Caigüire. 

espesor sedimentario aplicando las fórmulas de Kramer (1996) o Rocabado et al. (2011). Para Caracas se realizó una inversión de datos de ruido (Hurtado et al., 2016) para calcular, de esta manera, perfiles 1D de Vs en los sitios de los registros. En el futuro, esta metodología podrá aplicarse para otras ciudades para las cuales se cuenta con un número importante de registros de ruido ambiental que cumplen los requisitos para la inversión. En muchos casos se cuenta con mediciones y modelos gravimétricos 3D, en los cuales se han integrado las informaciones geofísicas y geológicas disponibles. Se podrán afinar iterativamente, en la medida que se dispone de nuevas informaciones del subsuelo, los modelos gravimétricos de manera de mejorar y detallas el conocimiento de las cuencas sedimentarias, en las cuales están asentadas muchas de las ciudades en Venezuela.

En el caso en que se disponga de proyectos de microzonificacion sísmica finalizado, con el desarrollo de espectros de respuesta en superficie para las diferentes microzonas, tal como es en Caracas y en Barquisimeto/Cabudare, estos resultados podrán ser utilizados como complemento de la norma sísmica vigente (COVENIN, 2001); en la actualización de la norma (López et al., 2017) se está considerando que los espectros resultantes de proyectos de microzonificación sísmica reemplacen los espectros de la norma para la zona de estudio. En Caracas  (Coronel et al., 2011) y en Barquisimeto (Schmitz et al., 2017) se adelantan actividades de implementación de los resultados de los estudios de microzonificación sísmica mediante la formulación de ordenanzas sísmicas locales, que se encuentran en discusión en los respectivos concejos municipales. 

En el caso de que no se cuente todavía con el proyecto de microzonificación sísmica con espectros de respuesta elaborados, los espesores sedimentarios pueden servir de orientación para el cálculo de la respuesta en superficie. Adicionalmente a la información sobre la calidad del suelo superficial, en la versión actualizada de la norma sismorresistente se propone que los espectros de diseño consideren la profundidad al basamento rocoso (López et al., 2017). 

Actualmente se encuentra en desarrollo el nuevo mapa de amenaza sísmica de Venezuela (Hernández et al., 2017) que permitirá, junto con la información sobre las profundidades de las cuencas sedimentarias reportadas en este trabajo, el desarrollo de los espectros de respuesta en superficie, o sea, en el marco de proyectos de microzonificación sísmica, aplicando las consideraciones previstas en la actualización de la norma sismorresistente.  

Conclusiones

Para las diferentes zonas del país, en este trabajo se reportan los avances en la evaluación del subsuelo, enfocados en los períodos predominantes del suelo y los espesores sedimentarios. Entre los métodos geofísicos y geológicos, nos enfocamos en los resultados de mediciones de ruido ambiental y de gravimetría que han sido aplicados en ciudades venezolanas ubicadas en cuencas sedimentarias, con el fin de caracterizar las condiciones de subsuelo en el marco de proyectos de microzonificación sísmica. Para las ciudades Caracas y Barquisimeto ya existen resultados de los proyectos de microzonificación sísmica que incluyen la definición de las microzonas y el desarrollo de espectros de diseño en superficie. En ambas ciudades existen avances para la implementación de los resultados en ordenanzas municipales.  

Ya existen modelos detallados del espesor sedimentario, basados tanto en mediciones de ruido ambiental y sísmicas como en mediciones y modelado gravimétrico en las ciudades Guarenas y Guatire, Carora, Duaca, El Tocuyo, Quíbor, área metropolitana de Mérida, Trujillo, Valera, Boconó, Valencia, Maracay, área metropolitana de Barcelona y Cumaná. Para estas ciudades faltaría, para completar los estudios de microzonificación sísmica, el cálculo detallado de la amenaza sísmica, la definición de las microzonas de igual respuesta sísmica y el desarrollo de los espectros de diseño en superficie. Para las ciudades Tucacas, Valle de la Pascua, Lagunillas, San Juán, municipio Vargas, Ciudad Caríbia, San Cristóbal, Michelena, Lobatera, Rubio, Ureña, San Antonio, Carúpano, Cariaco, Cumanacoa y Güiria, existen principalmente los análisis de los mediciones de ruido ambiental con la información de los períodos predominantes del suelo y estimados de los espesores sedimentarios, que podrán ser utilizados en el marco de la aplicación de la actualización de la norma sismorresistente. 

Los mayores espesores de sedimentos se determinaron con 600 m para Barcelona y espesores de más de 300 m para Caracas, Caraballeda, Cabudare, Chichiriviche, Maracay, Lagunillas, San Juán, Valera, Cumaná y Güiria. Pero también para las otras ciudades y sectores de las ciudades con espesores menores cercanos de 300 m (cómo por ejemplo, Guarenas, Guatire, Valencia, Ureña) hay  que tomar en cuenta la posibilidad del desarrollo de amplificaciones por efectos de cuenca en caso de un terremoto. 

Agradecimientos 

Gran parte de los estudios reportados en este trabajo fueron coordinados por la Fundación Venezolana de Investigaciones Sismológicas (FUNVISIS). Sin embargo, solo fueron posibles con el esfuerzo de muchas personas provenientes de diferentes instituciones, a los cuales se agradece sus esfuerzos. El financiamiento proviene de diferentes proyectos de investigación, que se enumeran a continuación: Investigaciones aplicadas a la gestión integral del riesgo en espacios urbanos (FONACIT 2007000939); Microzonificación sísmica en las ciudades Caracas y Barquisimeto (FONACIT-BID II 200400738); Estructura de velocidades de ondas S, patrón de atenuación y respuesta sísmica 3-D en el valle de Caracas y un estudio comparativo con Cumaná (FONACIT/ECOS-Nord Nr. 2004000347); Microzonificación sísmica Ciudad Socialista, Ecológica y Sustentable Camino de los Indios; Microzonificación sísmica de algunas ciudades del estado Lara;  Microzonificación sísmica de Guarenas y Guatire (Cooperación con Cuba, VII y X Comisión Mixta); Microzonificación sísmica de Cumaná (LOCTI); Investigación aplicada a la gestión del riesgo sísmico en las ciudades de Valera, Trujillo y Boconó, estado Trujillo, con fines de planificación urbana (FONACIT 2011001400); Microzonificación sísmica de Carúpano y GNL (CIGMA) con financiamiento de PDVSA. 

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