geología superficial, frecuencias predominante de suelos y

geología superficial, frecuencias predominante de suelos y


GEOLOGÍA SUPERFICIAL, FRECUENCIAS PREDOMINANTE DE
SUELOS Y OBSERVACIONES DE LICUEFACCIÓN EN CURICÓ TRAS EL
TERREMOTO DEL MAULE 2010
Felipe Leyton
Depto. Ingeniería en Obras Civiles, Universidad Diego Portales
[email protected]
Manuel Arenas
Geólogo de Proyectos, Arcadis Chile
[email protected]
Juan Pablo Contreras
Depto. de Geología Regional, Sernageomin
[email protected]
RESUMEN
Una nueva interpretación de las gravas depositadas en Curicó permite explicar la presencia de
suelos arenosos, las que permitieron identificar algunos sectores con presencia de fenómenos
asociados a la licuefacción de suelos, impensadas en una localidad con predominancia de gravas.
Mediciones de microvibraciones realizadas previamente coinciden con estas observaciones,
mostrando la existencia de bajas frecuencias predominantes en dicha localidad. Se concluye lo
conveniente de complementar las observaciones de terreno de geología y mediciones de
microvibraciones para describir las propiedades dinámicas de una zona en estudio.
INTRODUCCIÓN. El proceso de licuefacción está comúnmente asociado con grandes terremotos,
como el Mw=8,8 ocurrido el 27 de febrero de 2010 a las 3:34 hora local (UTC-3). En términos
generales la licuefacción de un suelo ha sido definida como la transformación de éste desde un
estado sólido a un estado “licuado”, como consecuencia de un aumento en la presión de poros y
una pérdida brusca de su resistencia mecánica. La pérdida de la resistencia mecánica del suelo
implica que este se comporta momentáneamente de modo similar a un fluido, siendo capaz de
migrar generando importantes deformaciones en el sustrato (Rauch, 1997).
La licuefacción se genera principalmente en suelos arenosos que se encuentran saturados en
agua. Esta situación se observa usualmente en sectores ubicados cerca de ríos, en el borde
costero u otros cuerpos de agua, o bien en aquellos suelos donde existe un nivel freático muy
superficial. Por otro lado, requiere que los suelos posean baja compactación, por ejemplo,
aquellos terrenos formados donde existieron lagos o lagunas. De igual importancia es la
licuefacción en rellenos antrópicos deficientemente trabajados.
Cuando ocurre un sismo, la vibración eleva la presión de agua en los poros del suelo y si esta
llega a igualar o superar la fuerza de contacto entre los granos, la resistencia del suelo se reduce
a cero experimentando licuefacción. En este caso, la capacidad de carga del suelo es nula y
efectivamente el suelo se comporta durante la sacudida como un líquido y cualquier estructura
cimentada en él se hunde o sufre asentamientos diferenciales (INGEOMINAS, 2003).
La licuefacción induce daños severos en estructuras, edificios y líneas vitales afectando el
transporte de personas, distribución de mercancías, telecomunicaciones y suministros básicos,
agravando más aún la situación posterior al evento sísmico. Por estas razones, la zonificación del
peligro de licuefacción y su asimilación en las estrategias comunales de planificación territorial, es
uno de los aspectos vitales para la reducción del daño sísmico.
Para la confección del mapa de susceptibilidad a la licuefacción de la ciudad de Curicó se
consideraron tres variables: el tipo de suelo de fundación, la profundidad del nivel freático y los
datos empíricos donde se observó este proceso producto del sismo del 27 de febrero. La
información de terreno fue levantada entre el 5 y 12 de mayo de 2010, tiempo suficiente para
obtener una visión general.
GEOLOGÍA SUPERFICIAL. Con el fin de caracterizar el suelo de fundación se elaboró un mapa
geológico de superficie, escala 1:10.000, enfocado principalmente en el área urbana de la comuna
de Curicó (Figura 1). Como resultado del mapeo se determinó que los sedimentos sobre los
cuales se construyó la actual ciudad de Curicó corresponden principalmente a depósitos aluviales
provenientes del valle del Río Teno. Estos depósitos están caracterizados por tener cerca de 15%
de gravas, los que están incluidos en una matriz de arenas y limos, y forman una secuencia
característica grano creciente hacia el techo en sus depósitos distales (ej. Rust, 1979). Este
ambiente de depositación aluvial se modificó gradualmente en el tiempo hasta llegar a un
ambiente fluvial que es más encauzado, evidenciado hoy por el estero Huaiquillo y los depósitos
en forma de terrazas que existen en torno a él.
La ciudad de Curicó está construida, principalmente, sobre depósitos del Río Teno, tal como se
señaló, caracterizados por gravas en una matriz de arenas y arcillas. La presencia relativa de
ambos componentes varía fuertemente de materiales grueso en la zona Noreste, progresivamente
aumentando la presencia de materiales finos hacia los depósitos distales, hacia el Oeste. Estos
depósitos son cortados por varios canales inactivos y sectores con depósitos lacutres, todos los
cuales concentran materiales finos. Hacia el Sur, los depósitos aluviales transitan a terrazas
fluviales, tanto recientes como el activo correspondiente a la acción del Río Mataquito y el Estero
Huaquillo. En medio de la ciudad se encuentra un cerro isla correspondiente a rocas
volcanicosedimentarias cretácicas de la Formación Las Chilcas, que dan origen al Cerro Condel.
Figura 1: Mapa con la geología superficial de la ciudad de Curicó; se ha marcado la posición de la
Villa Galilea, Población Curicó, Centro Histórico y Hospital, mencionados en el texto. Se destacan
los depósitos aluviales, tanto distales como proximales, además de la presencia de canales
inactivos dentro de la ciudad.
OBSERVACIONES DE LICUEFACCIÓN. La zona más afectada por este fenómeno fue la Villa
Galilea (ver Figura 1), construida en 2008 y ubicada en el extremo norte de la zona urbana.
Producto del sismo éstas viviendas sufrieron serios daños, que se manifestó mediante la
generación de numerosas grietas, además de zonas de surgimiento de agua y sedimentos (golpes
de agua). Estas manifestaciones se observaron a una distancia de hasta 100 metros del canal
ubicado al norte de la población. El tipo de suelo de fundación donde está emplazada esta villa
corresponde a sedimentos arenosos con escasas gravas, asociado al abanico aluvial, pero en el
borde de la zona con canales activos.
Hacia el norte, en la localidad de Isla de Briones (fuera del mapa), se observaron grietas con
surgimiento de agua y arena, conocidas como “golpes de agua” (ver Figura 2). Otra zona afectada
por licuefacción es la Población Curicó, ubicada inmediatamente al Norte del cerro Condell (ver
Figura 1) y construida con posterioridad al terremoto de Valdivia de 1960. Ahí se produjo el
asentamiento diferencial del terreno generando grietas en el piso, lo que afectó a 50 viviendas
aproximadamente. Esta población ha sido fundada en una depresión con sedimentos finos con
características de un pantano, que también se ve afectada por anegamiento en períodos de
fuertes lluvias.
Finalmente en el centro histórico de la ciudad, específicamente en la calle Montt entre Membrillar y
Chacabuco, se observaron grietas que cortan el pavimento y algunas construcciones de
albañilería (Figura 3). Estas grietas están asociadas a licuefacción de baja intensidad,
condicionada principalmente por la presencia de depósitos arenosos asociados a canales
inactivos.
Con respecto a la profundidad del nivel freático, el otro factor decisivo para que se produzca la
licuefacción, actualmente se cuenta con escasa información para generar un mapa de la escala
pertinente para este trabajo. La información disponible ha sido tomada de la Hoja Rancagua de la
serie de Cartas Hidrogeológicas, escala 1:250.000 (Hauser, 1990) y las mediciones del nivel
estático de 9 pozos hídricos que datan desde el año 1955 hasta 1994. Esta información permite
estimar, como una primera aproximación, que en toda la ciudad de Curicó el nivel estático del
agua subterránea se encuentra a menos de 5 metros de profundidad. Además, en la Figura 3 se
presentan puntos donde se observó la napa en el mismo rango de profundidad.
Evidentemente la profundidad del nivel estático es una variable que depende directamente de las
estaciones del año. En el verano el nivel freático de las aguas subterráneas es más profundo que
en invierno debido a la recarga del sistema acuífero producto de las lluvias. Es por esto que el
escenario en el que se produjo el terremoto del 27 de Febrero (verano) no era el más favorable
para la ocurrencia del fenómeno de licuefacción.
Un caso emblemático es el del Hospital de Curicó (ver Figura 1), pues ahí el suelo de fundación es
propenso a la licuefacción (arenas finas y limos), pero este fenómeno no se produjo pues el agua
no estaba lo suficientemente cerca de la superficie. En esta zona se observó una fuerte
amplificación de las ondas sísmicas, lo que produjo grandes daños en los pisos inferiores. Estos
daños dejaron al Hospital con daño estructural, lo que impidió que éste continuara su labor normal
en los días posteriores al sismo.
Figura 2: Fotografías con claras evidencias de licuefacción en la ciudad de Curicó, tomadas entre
el 5 y 12 de mayo de 2010, tras el terremoto del Maule 2010.
Las observaciones de licuefacción se resumen en los siguientes tipos, presentados en la Figura 3:
1. Claras evidencias de licuefacción
2. Observaciones de asentamiento diferencial y/o daños en pavimentos
3. Evidencias de profundidad de napa, siempre a menos de 5 m de profundidad
Figura 3: Fotografía aréra de la ciudad de Curicó. Los círculos marcan los puntos de medición de
microvibraciones, siendo el color proporcional a la frecuencia predominante estimada y el tamaño
es proporcional a la amplitud de RHV medida. Los rombos marcan las observaciones relacionadas
con la licuefacción.
FRECUENCIA FUNDAMENTAL DE LOS SUELOS. En la ciudad de Curicó se realizaron más de
130 puntos de medición de microvibraciones (ver Figura 3) usando un geófono de 3 componentes,
con una frecuencia fundamental de 4,5 Hz, usando exitosamente en este tipo de estudios (Leyton
et al., 2010). En cada punto se grabaron microvibraciones por un período de 20 minutos,
recomendado en estudios de microzonificación (Bard y SESAME WP02, 2005). Posteriormente,
se procedió a procesar los datos siguiendo la misma metodología: se subdivide el largo total en
subventanas de 1 min, lo que permite tener resultados confiables hasta 0,05 Hz. Luego, se
procede a calcular la transformada S (Stockwell et al., 1996) y suavizarla con un filtro homogéneo
en escala logarítmica (Konno y Ohmachi, 1998), con la cual se puede hacer la razón espectral de
la horizontal sobre la vertical (REHV). Cabe resaltar que en este estudio se combina toda la
energía de la horizontal sumando coherentemente el aporte de las dos componentes (Leyton et
al., 2011). Dado que se utilizan subventanas de 1 min, obteniéndose un total de 20 subventanas
sin superposición, es posible estimar el error de cada valor mediante el cálculo de la desviación
estándar, lo que se hace en el logaritmo.
En la Figura 4 se presentan ejemplos de cálculos de REHV, cada uno de ellos presenta 3 paneles
los que permiten hacer una estimación robusta de la frecuencia predominante y son discutidos en
Leyton et al. (2011). Brevemente, el panel inferior presenta el promedio geométrico de la
horizontal combinada (línea gruesa) y de cada una de componentes por separado (líneas
discontinuas); en gris se presenta el error estimado mediante la desviación estándar de cada
punto. En el panel del medio se presenta el número de ventanas que excede el valor marcado de
la razón H/V siguiendo la escala del borde derecho. Siguiendo este razonamiento, el negro se
marca el valor donde se tiene el mismo número de ventanas con un valor superior que uno
inferior, es decir, en negro se marca la mediana. Finalmente, en el panel superior se muestran los
resultados de cada una de las subventanas utilizadas. De esta manera, si existe un pico claro,
éste se debería observar en todas las ventanas seleccionadas, tal como se aprecia en el primer y
tercer ejemplo de la Figura 4.
Todos los resultados obtenidos se presentan con círculos en la Figuras 3 y 5, el color es
proporcional a la frecuencia predominante (ver escala en el borde inferior derecho), mientras que
el tamaño es proporcional a la amplitud de la razón H/V.
Figura 4: Ejemplos de resultados de proceso de las microvibraciones mediante la metodología de
la razón espectral de la componente horizontal sobre la vertical (REHV). Se presentan ejemplos
de pico claro, pico de baja amplitud, pico de gran amplitud señalando una bja frecuencia
predominante y curva plana.
RESULTADOS. En la Figura 5 se muestra un resumen de los resultados obtenidos en este
estudio. De esta Figura es posible ver que en la unidad aluvial distal, con material fino, se
observaron la mayor cantidad de efectos de licuefacción; esta zona coincide con la presencia de
bajas frecuencias predominantes (menores de 2,0 Hz) y los canales inactivos. En la zona de
aluvial proximal, donde se aprecia un predominio de curvas planas, no se observan efectos de
licuefacción. Efectos similares se observan en el secto fluvial, tanto activo como en transición al
aluvial. Estos últimos se caracterizan por altas frecuencias predominantes. Estas observaciones
han hecho clasificar la zona aluvial distal fino como altamente susceptible a licuefacción.
Leyton et al. (2012) recientemente ha presentado evidencia que la zona con materiales finos
(aluvial distal) presentó niveles de daño producto del terremoto del Maule 2010 superiores a los
observados en la zona de material grueso (aluvial proximal). Ello pone un énfasis mayor en este
tipo de estudios de manera de prevenir los efectos producidos por grandes terremotos.
Figura 5: Mapa con la geología superficial de Curicó. Se presentan las las estimaciones de la
frecuencia fundamental (círculos), donde el color es proporcional a la frecuencia, según la escala
del borde derecho. Los rectángulos marcan las observaciones relacionadas con licuefacción (ver
detalles en el texto).
COMENTARIOS FINALES. El presente estudio muestra datos recientes de efectos de licuefacción
producidos por el terremoto del Maule 2010 en la ciudad de Curicó. Estas observaciones son
posibles de explicar considerando recientes reintepretaciones de la geología superficial y
estimaciones de la frecuencia predominante mediante mediciones de microvibraciones.
De los antecedentes entregados es posible ver que los efectos de licuefacción se produce en
zonas donde se encuentra materiales finos, parte de un abanico aluvial que va depositando este
tipo de materiales en la zona distal. La presencia de estos materiales se ve correlacionada con
frecuencias predominantes menores a 2,0 Hz, con claros picos; zonas con materiales gruesos son
caracterizadas por curvas REHV planas. Tal como se mencionó, recientemente Leyton et al.
(2012) presentó clara evidencia que los suelos en la zona distal presentó mayores niveles de daño
después del terremoto del Maule 2012, comparada con la zona distal proximal.
Estos resultados ponen en evidencia la importancia de este tipo de estudios, considerando
geología superficial y estimación de la frecuencia predominante mediante microvibraciones para
prevenir los destructivos efectos de los grandes terremotos.
AGRADECIMIENTOS. Los autores quisieran agradecer la colaboración de J. Maripangui por su
invaluable aporte en la toma de datos de microvibraciones. Este estudio fue parcialmente
financiado por el proyecto Fondecyt 1100551. Las figuras fueron hechas usando el software Qgis
y GMT.
REFERENCIAS
• Bard, P.Y., and SESAME-Team (2005) Guidelines for the implementation fo the H/V
spectral ratio technique on ambient vibrations-measurements, processing and
interpretations, in SESAME European research project EVG1-CT-2000-00026, deliverable
D23.12, edited, available at http://sesame-fp5.obs.ujf-grenoble.fr.
• Blair, T. C., and McPherson, J. G. (1994) Alluvial fans and their natural distinction from
rivers based on morphology, hydraulic processes, sedimentary processes and facies
assemblages. Journal of Sedimentary Research, Vol. A64, Nº 3, pp. 450-489.
• Hauser, A. 1990. Hoja Rancagua : VI región, Carta Hidrogeológica de Chile, n.1, escala
1:250.000. SERNAGEOMIN. 65 p. Santiago.
• INGEOMINAS, 2003. Memoria explicativa del mapa de zonificación geotécnica por
licuación del área urbana del Municipio de Tumaco y sus zonas aledañas. Instituto de
Investigación e Información Geocientifica, Minero-Ambiental y Nuclear. INGEOMINAS.
Bogotá, Colombia. 5 p.
• Konno, K., y T. Ohmachi (1998) Ground-motion characteristics estimated from spectral ratio
between horizontal and vertical components of microtremor, Bull. Seism. Soc. Am., 88(1),
228-241.
• Leyton, F., Sepúlveda, S.A., Astroza, M., Rebolledo, S., González, L., Ruiz, S., Foncea, C.,
Herrera, M., Lavados, J. (2010) Zonificación Sísmica de la cuenca de Santiago, Chile, X
Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Antisísmica, Universidad de Chile, Santiago,
Chile.
• Leyton, F., Montalva, G., Ramirez, P. (2011) Towards a Seismic Microzonation of
Concepción Urban area based on Microtremors, Surface Geology, and Damage observed
after the Maule 2010 earthquake. First Results. 4th IASPEI/IAEE Internationa Symposium
Effects of Surface Geology on Seismic Motion, August 23-26, Santa Barbara, CA, USA.
• Leyton, F., Sepúlveda, S.A., Contreras, J.P, Rebolledo, S., Astroza, M., Ruiz, S. (2012)
Microtremors' HVSR and its correlation with surface geology and damage observed after
the 2010 Maule earthquake (Mw 8.8) at Curicó and Talca, Central Chile. Enviado a
Engineering Geology.
• Nakamura, Y. (1996) Real-time information systems for hazard mitigation, 11th Conf. on
Earthquake Engineering, Acapulco, Mexico.
• Nakamura, Y. (2000) Clear identification of Nakamura's technique and its application, 12th
World Conference on Earthquake Engineering, Auckland, New Zealand.
• Rauch, A. (1997) EPOLLS: An Empirical Method for Predicting Surface Displacements Due
to Liquefaction-Induced Lateral Spreading in Earthquakes. Unpublished PhD Thesis,
Virginia Polytechnic Institute, Virginia. 262 p.
• Rust, B.R. (1979) Facies Models 2: Coarse alluvial deposits. In: Walker, R.G. (ed.) Facies
Models. Geoscience Reprint Series 1. Kitchener, Ontario, Canada, pp. 9-21.
• Stockwell, R. G., L. Mansinha, y R. P. Lowe (1996). Localization of the complex spectrum:
the S transform. IEEE Trans. Signal Process., 44, 998–1001.