Los terremotos pueden ser destructivos para ciudades distantes construidas sobre cuencas: ahora sabemos por qué.
Earthquakes can be destructive for distant cities built on top of basins – now we know why
Flat basins are favoured places to build cities. But seismic waves can get trapped in these basins, putting cities at risk from distant earthquakes.
Las cuencas planas son lugares favorecidos para construir ciudades. Pero las ondas sísmicas pueden quedar atrapadas en estas cuencas, poniendo a las ciudades en riesgo por terremotos distantes.
Sedimentary basins – depressions in Earth’s crust caused by tectonic activity – tend to be flat and are favoured places to build cities. But during earthquakes, they can become natural resonance chambers.
Las cuencas sedimentarias – depresiones de la corteza terrestre causadas por actividad tectónica – tienden a ser planas y son lugares propicios para construir ciudades. Pero durante los terremotos, pueden convertirse en cámaras naturales de resonancia.
Just like sound waves echoing around an empty hall, this means seismic waves can get trapped in these basins and bounce from side to side to create “seismic echoes”.
Al igual que las ondas sonoras que hacen eco en un salón vacío, esto significa que las ondas sísmicas pueden quedar atrapadas en estas cuencas y rebotar de lado a lado creando «ecos sísmicos.»
Depending on the shape and depth of the basin, these echoes can become amplified and be highly destructive.
Dependiendo de la forma y profundidad de la cuenca, estos ecos pueden amplificarse y ser altamente destructivos.
New Zealand’s capital city Wellington is built on a sedimentary basin and is an example of this phenomenon.
La capital de Nueva Zelanda, Wellington, está construida sobre una cuenca sedimentaria y es un ejemplo de este fenómeno.
In the 2016 magnitude 7.8 Kaikōura earthquake, Wellington’s central business district experienced shaking that exceeded design predictions. Even though the quake was located 80 kilometres from the city, it caused severe damage to infrastructure, with many multi-storey buildings damaged or destroyed.
En el terremoto de Kaikōura de magnitud 7.8 en 2016, el distrito central de negocios de Wellington experimentó sacudidas que superaron las predicciones de diseño. Aunque el sismo se localizó a 80 kilómetros de la ciudad, causó graves daños a la infraestructura, con muchos edificios de varios pisos dañados o destruidos.
Archival records also show that during the 1942 magnitude 7.3 Wairarapa quake, which was located about 80 kilometres north of Wellington, some 10,000 chimneys were destroyed in the city.
Los registros de archivo también muestran que durante el terremoto de Wairarapa de magnitud 7.3 en 1942, ubicado a unos 80 kilómetros al norte de Wellington, se destruyeron unas 10,000 chimeneas en la ciudad.
Our new research provides an updated model for the central Wellington basin.
Nuestra nueva investigación proporciona un modelo actualizado para la cuenca central de Wellington.
We found it is almost twice as deep (about 500 metres) than previously thought and that its shape is significantly different from the previous model. These differences go some way toward explaining why the shaking was stronger than expected.
Descubrimos que es casi el doble de profunda (unos 500 metros) de lo que se pensaba anteriormente y que su forma es significativamente diferente del modelo anterior. Estas diferencias contribuyen en cierta medida a explicar por qué las sacudidas fueron más fuertes de lo esperado.
The deadliest example from history
El ejemplo más mortífero de la historia
Historically, the most devastating example of seismic echoes, or trapped waves, was the 1985 Mexico City earthquake, which killed 8,000 people and destroyed high-rise buildings.
Históricamente, el ejemplo más devastador de ecos sísmicos, o ondas atrapadas, fue el terremoto de la Ciudad de México de 1985, que mató a 8.000 personas y destruyó edificios de gran altura.
The quake’s epicentre was 350 kilometres west of the city, but when waves of moderate amplitude arrived in the city, they became trapped in the low-wave-speed sediments of the basin on which it is built and became amplified.
El epicentro del sismo estuvo a 350 kilómetros al oeste de la ciudad, pero cuando las ondas de amplitud moderada llegaron a la ciudad, quedaron atrapadas en los sedimentos de baja velocidad de onda de la cuenca sobre la que está construida y se amplificaron.
As the waves bounced from side to side, they created a standing wave, similar to water waves in a bath.
A medida que las ondas rebotaban de lado a lado, crearon una onda estacionaria, similar a las olas del agua en una bañera.
As a result, the city experienced specific narrow zones of extreme destruction, underscoring the risk from even very distant earthquakes for cities built on sedimentary basins.
Como resultado, la ciudad experimentó zonas estrechas y específicas de destrucción extrema, lo que subraya el riesgo incluso de terremotos muy distantes para las ciudades construidas sobre cuencas sedimentarias.
Seismic echo chambers
Cámaras de eco sísmicas
Seismic waves become trapped and amplified for two main reasons.
Las ondas sísmicas quedan atrapadas y amplificadas por dos razones principales.
First, as the waves move from a fast wave-speed medium (solid basement rocks) to the low wave-speed of sedimentary rocks, the amplitude of the waves will increase to compensate for the drop in wave speed.
Primero, a medida que las ondas pasan de un medio de velocidad rápida (rocas basales sólidas) a la baja velocidad de las rocas sedimentarias, la amplitud de las ondas aumentará para compensar la caída en la velocidad de las ondas.
This is similar to a tsunami wave that travels across the deep ocean with a small amplitude but high speed, and then, as it comes closer to shore in shallow water, slows down but dramatically increases in amplitude.
Esto es similar a una ola de tsunami que viaja por el océano profundo con una pequeña amplitud pero alta velocidad, y luego, al acercarse a la costa en aguas poco profundas, disminuye su velocidad pero aumenta drásticamente su amplitud.
This interchange between wave amplitude and speed is to do with the energy of the waves, which must remain constant.
Este intercambio entre la amplitud y la velocidad de la onda tiene que ver con la energía de las ondas, la cual debe permanecer constante.
The second reason for the amplification of seismic waves in a basin is resonance – when the wavelengths of the incoming seismic waves are similar to either the vertical and horizontal dimensions of the basin.
La segunda razón de la amplificación de las ondas sísmicas en una cuenca es la resonancia: cuando las longitudes de onda de las ondas sísmicas entrantes son similares a las dimensiones verticales y horizontales de la cuenca.
If the basin has steep sides, an edge effect is also generated where strong amplification can occur close to the edge of the basin due to a buildup of different wave types.
Si la cuenca tiene lados empinados, también se genera un efecto de borde donde puede ocurrir una fuerte amplificación cerca del borde de la cuenca debido a la acumulación de diferentes tipos de ondas.
Perhaps the most surprising of our findings is the shape of the basin under Wellington. Its effective western edge is not the Wellington Fault, as previously assumed.
Quizás lo más sorprendente de nuestros hallazgos es la forma de la cuenca bajo Wellington. Su borde occidental efectivo no es la Falla de Wellington, como se asumió anteriormente.
Instead, the edge cuts across the basin at a high angle to the Wellington fault and follows the line of two previously identified, low-activity faults – the Terrace and Lambton faults.
En cambio, el borde cruza la cuenca en un ángulo alto con respecto a la falla de Wellington y sigue la línea de dos fallas previamente identificadas y de baja actividad: las fallas Terrace y Lambton.
These differences between the new and old basin models have significant impacts on the predicted shaking Wellington might expect. In particular, there will be an effect linked to the newly described edge, and the predicted amplification will be higher for a deeper basin.
Estas diferencias entre los modelos antiguos y nuevos de la cuenca tienen impactos significativos en el movimiento sísmico predicho que Wellington podría experimentar. En particular, habrá un efecto vinculado al borde recién descrito, y la amplificación predicha será mayor para una cuenca más profunda.
We used a 3D model of the basin in a computer simulation for the shaking at frequencies of 0.7 Hertz (the dominant shaking frequency recorded during past quakes) . We found that the amplifications of horizontal ground motion could be 2.5-3 times the background level adjacent to the western edge of the basin.
Utilizamos un modelo 3D de la cuenca en una simulación informática del movimiento por sismos a frecuencias de 0.7 Hertz (la frecuencia dominante de sacudida registrada durante terremotos pasados) . Encontramos que las amplificaciones del movimiento horizontal del suelo podrían ser de 2.5 a 3 veces el nivel de fondo adyacente al borde occidental de la cuenca.
When we compared this predicted pattern of amplified shaking to where the actual damaged buildings were located during the Kaikōura earthquake, we observed some correlation with the western edge of the basin.
Cuando comparamos este patrón predicho de sacudida amplificada con la ubicación de los edificios dañados reales durante el terremoto de Kaikōura, observamos cierta correlación con el borde occidental de la cuenca.
However, we need to be cautious when making this comparison as this pattern could be linked to other factors, such as the distribution of reclaimed land and clustering of inadequately designed buildings.
Sin embargo, debemos ser cautelosos al hacer esta comparación, ya que este patrón podría estar vinculado a otros factores, como la distribución de tierras recuperadas y la agrupación de edificios diseñados inadecuadamente.
Our study nevertheless highlights two key points.
Nuestro estudio, no obstante, destaca dos puntos clave.
First, simple geophysical methods can now be used in urban areas to map out the depth and shape of basins that cities are built on. From these models, we can then generate computer simulations to predict the location of amplified shaking.
Primero, ahora se pueden utilizar métodos geofísicos simples en áreas urbanas para mapear la profundidad y forma de las cuencas sobre las que están construidas las ciudades. A partir de estos modelos, podemos generar simulaciones informáticas para predecir la ubicación de sacudida amplificada.
This will lead to more granular zoning for what parts of cities may be more vulnerable.
Esto conducirá a una zonificación más granular de qué partes de las ciudades pueden ser más vulnerables.
The second key point is higher awareness of the risk to cities built on sedimentary basins from not only local, but also distant earthquakes.
El segundo punto clave es una mayor conciencia del riesgo para las ciudades construidas sobre cuencas sedimentarias no solo por terremotos locales, sino también por los distantes.
Timothy Stern has received funding from the NZ Earthquake Commission (EQC) for the initial gravity survey; QuakeCore for some of the seismic work; and from an internal Victoria University grant for student stipend support.
Timothy Stern recibió financiación de la Comisión de Terremotos de Nueva Zelanda (EQC) para el estudio gravimétrico inicial; QuakeCore para parte del trabajo sísmico; y una beca interna de la Universidad Victoria para el apoyo estipendial estudiantil.
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