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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO POSGRADO EN CIENCIAS DE LA TIERRA ESTUDIO DE FUENTE FINITA DEL SISMO DE ACAMBAY DEL 19 DE NOVIEMBRE DE 1912 (M~7.0) CON BASE EN SISMOGRAMAS HISTÓRICOS ANALÓGICOS T E S I S: QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS DE LA TIERRA P R E S E N T A : Raúl Daniel Corona Fernández TUTOR DE TESIS: Dr. Miguel Ángel Santoyo García Galiano Instituto De Geofísica Unidad Morelia Morelia Michoacán, México, enero 2018 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. 1 Raúl Daniel Corona Fernández ÍNDICE Índice .............................................................................................................................................. 1 Índice de Tablas .............................................................................................................................. 2 Índice de Figuras ............................................................................................................................. 3 Resumen ......................................................................................................................................... 6 Abstract .......................................................................................................................................... 7 1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 8 2 INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA Y DE REGISTROS HISTÓRICOS ................................................ 12 2.1 Instrumentos de registro sismológico ........................................................................................... 12 2.2 Red sismológica en México en 1912 ............................................................................................. 14 2.3 Estaciones ................................................................................................................................... 15 2.3.1 Estación sismológica central de Tacubaya ......................................................................................................... 15 2.3.2 Estaciones de Primer Orden .............................................................................................................................. 16 2.3.2.1 Estación sismológica de primer orden de Zacatecas ................................................................................. 17 2.3.2.2 Estación sismológica de primer orden de Mérida ..................................................................................... 17 2.3.3 Estaciones de Segundo Orden ........................................................................................................................... 17 2.3.3.1 Estación sismológica de segundo orden Oaxaca ....................................................................................... 18 2.3.3.2 Estación sismológica de segundo orden de Guadalajara .......................................................................... 18 2.3.3.3 Estación sismológica de segundo orden de Mazatlán............................................................................... 19 2.4 Registros históricos del sismo de Acambay ................................................................................... 19 2.4.1 Características de los registros del sismo de Acambay ...................................................................................... 21 3 Digitalización y corrección de los sismogramas analógicos del sismo de Acambay ................... 24 3.1 Escaneo de los registros históricos y digitalización ........................................................................ 24 3.2 Correcciones a los sismogramas digitalizados ............................................................................... 26 3.2.1 Corrección por línea base e inclinación ............................................................................................................. 26 3.2.2 Corrección por curvatura ................................................................................................................................... 27 3.2.3 Corrección por distorsiones e irregularidades en la forma de onda y re-muestreo .......................................... 29 3.2.4 Corrección por respuesta instrumental ............................................................................................................. 30 4 Modelo directo e inversión de fuente ...................................................................................... 35 4.1 Modelo directo ........................................................................................................................... 35 4.1.1 Método DWN ..................................................................................................................................................... 35 4.1.2 Modelo de velocidades ...................................................................................................................................... 38 4.1.3 Características estructurales de la falla Acambay-Tixmadejé ............................................................................ 40 4.1.4 Consideraciones para realizar la Inversión lineal ............................................................................................... 41 4.2 Inversión lineal por mínimos cuadrados ....................................................................................... 42 4.3 Comprobación del método de inversión ....................................................................................... 45 5 Resultados ............................................................................................................................. 48 5.1 Sismogramas digitales corregidos del sismo de Acambay .............................................................. 48 2 Raúl Daniel Corona Fernández 5.1.1 Estación central Tacubaya ................................................................................................................................. 48 5.1.2 Estación de primer Orden Mérida ..................................................................................................................... 49 5.1.3 Estación de primer orden Zacatecas .................................................................................................................. 49 5.1.4 Estación de segundo orden Oaxaca ................................................................................................................... 50 5.1.5 Estación de segundo orden Guadalajara ........................................................................................................... 50 5.2 Inversión de fuente finita del sismo de Acambay .......................................................................... 51 5.2.1 Punto de nucleación 30-5 km ............................................................................................................................ 51 5.2.2 Nucleación 30-15, ..............................................................................................................................................53 6 Discusión y conclusiones ......................................................................................................... 56 Agradecimientos ........................................................................................................................... 58 Bibliografía ................................................................................................................................... 59 ANEXOS ........................................................................................................................................ 62 ANEXO I ................................................................................................................................................. 62 Imágenes sismogramas escaneados, digitalizados, corregidos por curvatura y por respuesta instrumental .............................................................................................................................................................. 62 ANEXO II ................................................................................................................................................ 66 Tablas de estatus de los sismogramas encontrados en el 2016 y tiempos de registro para cada uno de ellos .............................................................................................................................................................. 66 ANEXO III ............................................................................................................................................... 68 Imágenes de correcciones por respuesta instrumental ............................................................................ 68 ÍNDICE DE TABLAS Tabla1 Masas de sismógrafos tipo Wiechert y Bosch-Ömori con los que contaba la RSM .............................. 13 Tabla2 Estaciones de la Red Sismológica Mexicana (RSM) al año 1912 y el orden al que pertenecían ........... 14 Tabla3 Instrumentos de la estación sismológica central de Tacubaya (Urbina y Camcho, 1913 y Catalogo de Seismos de 1911-1913, 1914,). ............................................................................................................................. 16 Tabla4 Instrumentos de la estación sismológica primer orden de Zacatecas .................................................. 17 Tabla5 Instrumentos de la estación sismológica primer orden de Mérida....................................................... 17 Tabla6 Instrumentos de la estación sismológica de segundo orden de Oaxaca ............................................... 18 Tabla7 Instrumentos de la estación sismológica primer orden de Guadalajara ............................................... 18 Tabla8 Instrumentos de la estación sismológica primer orden de Mazatlán ................................................... 19 Tabla9 Coordenadas de los epicentros reportados para el sismo de Acambay por Urbina y Camacho (1913), y por el SSN, así como el punto medio para el trazo propuesto de la falla Acambay-Tixmadeje. ........................... 22 Tabla10 Resumen de los registros en las 6 estaciones de la RSM, en 1912 y al 2016. (En donde 0= No se registró; 1=Registro incompleto; 2=Registro completo; 3=Ilegible; Y ✓= se encontró el registro; = no se encontró/no existe. ............................................................................................................................................... 23 Tabla11 Constantes y parámetros para la corrección de los diez sismogramas digitalizados del sismo de Acambay. 25 Tabla12 Nomenclatura para los sismogramas digitales obtenidos del sismo de Acambay ............................ 33 Tabla13 Coordenadas del epicentro propuesto y de estaciones de la RSM en 1912 ..................................... 38 3 Raúl Daniel Corona Fernández Tabla14 Modelo de velocidades generalizado usado para el cálculo de los sismogramas sintéticos de las subfallas. 39 Tabla15 Características y consideraciones de las discretizaciones para el plano de falla, para el cálculo de los sismogramas sintéticos y la inversión lineal. ......................................................................................................... 43 Tabla16 Resumen de los resultados obtenidos de las inversiones en los 9 puntos de nucleación propuestos. Se reporta magnitud de momentos sísmico, ECM, y valor de amortiguamiento ................................................. 55 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Traza de la falla Acambay-Tixmadeje, fuente del sismo de Acambay. Además, epicentros calculados por Urbina y Camacho, (1913) y el reportado por el SSN. ...................................................... 9 Figura 2. Principio de inercia para Sismógrafos tipo Wiechert. Izquierda para un péndulo vertical, derecha para un péndulo horizontal. ..................................................................................................... 13 Figura 3. Principio de oscilación de masa alrededor de un eje horizontal, para sismógrafos tipo Bosch- Ömori ...................................................................................................................................................... 13 Figura 4. Distribución de las 6 estaciones de la RSM en el territorio nacional, en el año 1912. ........... 15 Figura 5. Representación gráfica del sismograma digitalizado de la componente vertical en la estación Oaxaca. El eje X es el tiempo en segundos (s) del sistema coordenado de digitalización, el eje Y es la amplitud original del sismograma en mm. ............................................................................................. 25 Figura 6. Transformación de coordenadas digitalizadas (x´, y´), a coordenadas de línea base cero. Donde Q es un punto cualquiera en el sismograma. (De Grabrovec and Allegretti,1994) ................................ 26 Figura 7. Transformación de las coordenadas con base en las distancias a la línea base cero a al nuevo eje coordinado de tiempo (De Grabrovec and Allegretti,1994) ............................................................. 28 Figura 8. Comparación entre la señal digitalizada antes de la corrección por curvatura (línea negra), y la serie de tiempo después de la corrección por curvatura (línea roja). Sismograma de la estación Oaxaca componente vertical. .............................................................................................................................. 28 Figura 9. Comparación entre la señal digitalizada antes de la corrección por curvatura (línea negra), y la serie de tiempo después de la corrección por curvatura (línea roja). Sismograma de la estación Oaxaca componente vertical. En donde se muestran las irregularidades en el trazo debido a que el tiempo no es ascendente en todos los puntos Q del sismograma. .......................................................................... 29 Figura 10. Ajuste lineal (línea negra) por intervalos a la traza resultante de la corrección por curvatura basada en el trabajo de Grabrovec y Allegretti (1994) (línea roja) a la corrección por interpolación lineal entre cada punto marcado en la línea base cero (línea verde). ............................................................. 30 Figura 11. Comparación entre las trazas del sismo sin corregir y corregida registradas en la estación de Oaxaca en el instrumento Wiechert componente vertical de 1,300 kg de masa. a) el registro análogo original, b) la traza sísmica antes de la corrección por curvatura, c) la traza después de la corrección.31 Figura 12. Espectro de la respuesta instrumental para sismógrafo Wiechert 80 kg, con nivel de agua al 30% .......................................................................................................................................................... 32 4 Raúl Daniel Corona Fernández Figura 13. Sismograma componente vertical en la estaciónOaxaca. a) traza corregida por curvatura; b) traza corregida por respuesta instrumental y cortada a 400 s. .............................................................. 33 Figura 14. Ejemplo para perfil entre el epicentro (Punto azul en el mapa) y la estación Oaxaca (punto rojo en el mapa), a la parte inferior izquierda se tiene el modelo de velocidad de onda de corte (km/s) a lo largo de ese perfil, a una profundidad máxima de 150 km, en la parte superior derecha se muestra el perfil topográfico. ................................................................................................................................ 39 Figura 15. Modelo de velocidades generalizado de tres capas sobre un semiespacio obtenido del trabajo de Spica et. al, (2016). La curva promedio de velocidad del perfil par onda S (curva roja), y para la onda P (curva negra). ....................................................................................................................................... 40 Figura 16. Trazo de la falla propuesto a partir de las referencias topográficas y descripciones realizadas por Urbina y Camacho (1913) y límite de las zonas urbanas más cercanas aledañas a la falla ............. 41 Figura 17. Características estructurales de la falla Acambay-Tixmadejé y trazo mapeado de la falla. Plano de falla discretizado a cada 4km en ambas direcciones. ........................................................................ 42 Figura 18. Representación gráfica de los 8 registros a invertir .............................................................. 44 Figura 19. Esquema para inversión de formas de onda por mínimos cuadrados, Ecuación 24. Modificada de Hartzell y Heaton (1983). ................................................................................................................... 45 Figura 20. Distribución de deslizamientos elipsoidal sobre el plano de falla propuesta para las observaciones sintéticas. Se presenta la distribución en contornos en la parte superior y en mallado en la parte inferior. ...................................................................................................................................... 46 Figura 21. Distribución de deslizamientos sobre el plano de falla obtenida con la metodología de inversión basada en la formulación de Hartzell y Heaton, 1983. Se presenta la distribución en contornos en la parte superior y en mallado en la parte inferior. ........................................................................... 47 Figura 22. Ajustes de formas de onda para la comprobación del método. La línea continua negra muestra las observaciones sintéticas y la línea continua azul (desplazada para su comparación) muestra el ajuste resultado del modelo de inversión para las 4 estaciones en sus 12 componentes. ................ 47 Figura 23. Sismogramas digitalizados y corregidos por respuesta instrumental registrados en la estación central de Tacubaya. ............................................................................................................................... 48 Figura 24. Sismogramas digitalizados y corregidos por respuesta instrumental registrados en la estación de primer orden en Mérida .................................................................................................................... 49 Figura 25. Sismogramas digitalizados y corregidos por respuesta instrumental registrados en la estación de primer orden en Zacatecas ................................................................................................................ 49 Figura 26. Sismograma digitalizado y corregido por respuesta instrumental registrado en la estación de segundo orden en Oaxaca. ..................................................................................................................... 50 Figura 27. Sismograma digitalizado y corregido hasta respuesta instrumental registrado en la estación de segundo orden en Guadalajara .......................................................................................................... 50 Figura 28. Distribución de los 9 puntos de nucleación propuestos a lo largo del plano de falla. Las coordenadas están en función del rumbo y el buzamiento. .................................................................. 51 5 Raúl Daniel Corona Fernández Figura 29. Distribución de deslizamientos sobre el plano de falla, en contornos en la parte superior y en mallado en la parte inferior, obtenida para el punto de nucleación 30-5 km identificado por el punto negro. Con un valor de amortiguamiento λ = 0.00015 y λ = 0.00015 vertical y horizontal respectivamente. Los deslizamientos se observan en cm. ..................................................................... 52 Figura 30. Ajustes entre los sismogramas observados (línea negra) y sintéticos (línea azul), para la inversión con punto de nucleación 30-5km. Se obtuvo un ECM de 0.073, y se una Magnitud de Momento calculada de Mw= 6.85. .......................................................................................................................... 52 Figura 31. Source time function para la distribución de deslizamientos con punto de nucleación en las coordenadas 30.5 .................................................................................................................................... 53 Figura 32. Distribución de deslizamientos sobre el plano de falla obtenida para el punto de nucleación 30-15km identificado por el punto negro, con un valor de amortiguamiento λ = 0.00015 y λ = 0.00015 vertical y horizontal respectivamente. Los deslizamientos se observan en cm. ..................... 54 Figura 33. Ajustes entre los sismogramas observados (línea continua negra) y sintéticos (línea punteada azul), para la inversión con punto de nucleación 30-15km. Se obtuvo un ECM de 0.064 y se una Magnitud de Momento calculada de Mw= 6.9. ..................................................................................... 54 Figura 34. Source time function para la distribución de deslizamientos con punto de nucleación en las coordenadas 30-15 dirección del rumbo y el buzamiento respetivamente........................................... 55 6 Raúl Daniel Corona Fernández RESUMEN El registro de la sismicidad en México comenzó a principios del siglo XX, con la inauguración en 1910 del Servicio Sismológico Nacional (SSN) a cargo del Instituto Geológico Mexicano. En 1912 existían en el territorio nacional seis estaciones sismológicas con diferentes instrumentos mecánicos de tipo Wiechert y Bosch-Omori de diferentes características, los cuales formaron la Red Sismológica Mexicana (RSM). El sismo de Acambay del 12 de noviembre de 1912 (M~7.0) es uno de los terremotos intraplaca cortical somero más grande del último siglo, ocurrido en la parte central de México y del cual se tiene registro. Este sismo dejó evidencia de una dislocación superficial (discontinuidad en la corteza) a lo largo de ~40 km sobre la falla Acambay-Tixmadejé, que marca el límite norte del graben de Acambay, en el Estado de México. Dichas dislocaciones alcanzaron hasta ~0.5 m, de acuerdo con las descripciones hechas por Urbina y Camacho (1913) en un reporte extraordinariamente detallado. En este reporte los autores realizaron un minucioso análisis sísmico, tectónico y geológico de la que ellos llamaron “la zona megaseísmica de Acambay-Tixmadejé”, y el cual incluye copias de los registros originales del sismo principal, su precursor y las réplicas en la mayoría de las estaciones de la RSM en 1912. En 2016, sólo once de los registros originales en papel ahumado de cinco estaciones fueron recuperados. En este trabajo, a partir de estos registros analógicos y usando metodologías estándar y ad-hoc, se obtuvieron las series de tiempo digitales de los sismogramas en un intervalo de muestreo constante y secorrigieron por respuesta instrumental en desplazamiento del terreno; lo anterior, con el objetivo de realizar un análisis para obtener la distribución de deslizamientos sobre el plano de falla de este sismo. Para cumplir con dicho objetivo, primero llevamos a cabo el escaneo digital de los sismogramas originales en alta resolución (1,200 ppp). Después, debido a las condiciones físicas de los mismos, se digitalizó puntualmente de forma manual siguiendo la traza del sismo de manera cronológica. Posteriormente se corrigieron por sesgos, tendencia, línea base cero, desigualdad en la velocidad de rotación del papel y curvatura debido al estilete, siguiendo el procedimiento propuesto por Grabrovec y Allegretti (1994) y adicionalmente una corrección específica adicional usando una aproximación lineal en cada cambio abrupto en la pendiente de la traza debido a irregularidades derivadas del registro mecánico y la digitalización. Los sismogramas se re-muestrearon a 100 muestras por segundo, usando un método spline de interpolación. Finalmente se corrigieron por respuesta instrumental (e.g. Brüstle et.al. 2014), obteniendo así los desplazamientos del terreno para cada instrumento y componente. Con las series de tiempo digitalizadas y corregidas, primer resultado de este trabajo, se realizó una inversión lineal por mínimos cuadrados con velocidad de ruptura constante (Vr=cte) a fin de obtener la distribución de deslizamientos sobre el plano de falla. Para esto, se consideró un plano de falla de 60x20km. Los sismogramas sintéticos fueron calculados con el método de número de onda discreto (DWN por sus siglas en ingles) y considerando un modelo de velocidades basado en la tomografía de velocidad de onda de corte de Spica et. al (2016). Cada sismograma observado, junto con sus similares sintéticos calculados, se filtraron en el ancho de banda correspondiente a los periodos de registro de cada instrumento, de acuerdo con el espectro de su respuesta instrumental. La inversión lineal se realizó con base en la formulación de Hartzell y Heaton (1983) y Mendoza y Hartzell (1989). Los resultados muestran una ruptura superficial con dos áreas de deslizamiento principales a lo largo de la falla. El momento sísmico total resultante muestra que este sismo tuvo una magnitud 𝑀𝑤 = 6.9. 7 Raúl Daniel Corona Fernández ABSTRACT The recording of seismicity in Mexico began during the first years of the XX century, following the inauguration of the Servicio Sismologico Nacional (SSN) by the Instituto Geologico Mexicano, in 1910. In 1912, they existed six seismological station across the national territory with Wiechert and Bosch-Omori instruments of different characteristics, which conformed the Seismological Mexican Network (RSM). The Acambay earthquake on November 19, 1912 (M~7.0) is one of the largest shallow cortical intraplate seismic event recorded in central Mexico in the last century. The earthquake left evidence of super dislocation of near 40km along the Acambay-Tixmadejé fault, northern limit of the Acambay graben, Estado de México. According to Urbina and Camacho (1913), such’s dislocation reached up to ~0.5m along some segments of the fault. In their highly detailed bulletin a seismic, tectonic, and geological analysis was performed of what they call “The mega seismic zone of Acambay-Tixmadejé”. This document includes copies of the original records of the main event, its foreshock and its aftershocks on most of the RSM stations. In 2016, only eleven of the original records on smoked paper of five stations were recovered. Using these analog recordings and by means of standard and ad-hoc methodologies, we obtained the digital evenly-sampled and corrected time series. Followings this, we performed an instrumental response correction of the seismograms in order to obtain the ground motion on the recording sites. Using these, we performed an analysis to obtain the slip distribution over the fault plane along the main rupture of this earthquake. To do this, we first carried out a high-resolution scanning of the original traces (1,200 dpi). Then, due to the condition of the seismograms we manually digitized them following the seismic trace in ascending time. Therefore, we corrected the distortions of seismic traces due to skews, uneven paper speed, non-zero baselines and pen curvature, following the Grabrovec and Allegretti (1994) procedure. Additional ad-hoc corrections were made using linear approximations when abrupt changes in traces occurred due trace irregularities by the mechanical register and the digitalization. After this, we resampled the unevenly digitized traces to a constant- time interval to 100 samples per second using a standard spline interpolation method. Finally, we performed an instrument correction procedure (Brüstle et.al. 2014), to obtain the actual ground motion for each instrument and component. Once digitised and corrected, the unclipped time series, first result of this investigation, were used to perform a linear finite-source inversion by least-squares for the slip distribution along the fault surface with constant rupture velocity (Vr=cte). To do this we assumed a fault surface of 60.0x 20.0 km. The synthetic seismograms were calculated using DWN method using the crustal structure model by Spica et. al., (2016). Each observed seismogram and its corresponding calculated synthetic traces were filtered in the bandwidth corresponding to the recording periods of each instrument, according to the spectrum of their instrumental response. The linear inversion was made based on formulation of Hartzell and Heaton (1983); and Mendoza and Hartzell (1989). Results shows a shallow (in some regions reaching the surface) rupture with two principal patches along the fault. Total seismic moment indicates that this earthquake had a magnitude of Mw=6.9. 8 Raúl Daniel Corona Fernández 1 INTRODUCCIÓN En México desde la época prehispánica se tienen relatos y descripciones de los daños causados por grandes sismos. Sin embargo, no fue hasta principios del siglo XX que se instalaron los primeros sismógrafos y se comenzaron a tener registros sismográficos de los eventos sísmicos en el país. Fue entonces que se tuvo la capacidad cuantitativa para continuar estudiando estos fenómenos con base en el análisis de las fases que presentan los registros y compartir información con los países que eran parte en aquel momento, de la Asociación Sismológica Internacional conformada por dieciocho países en abril de 1904 (Muñoz- Lumbier, 1918). El objetivo de la asociación consistía en estudiar los aspectos cuantitativos más importantes de la sismología, para lo cual se comenzó la instalación de redes sismológicas en dichos países con los instrumentos sismológicos más modernos para la época (e.g. Muñoz-Lumbier, 1918). En México se instalaron las primeras estaciones sismológicas y se inauguró el Servicio Sismológico Mexicano en agosto de 1910, el cual estaba a cargo del Instituto Geológico de México. El plan original del Ing. José G. Aguilera, presentado al gobierno, era instalar, por una parte, una estación central (véase apartado 2.3.1) en el Distrito Federal, para registrar todo tipo de sismos. Así mismo, instalar también seis estaciones de primer orden (véase apartado 2.3.2) para registro de sismicidad regional y telesismos y más de cincuenta estaciones de segundo orden (véase apartado 2.3.3) principalmente para registro de sismicidad regional, en las zonas que se conocían como sísmicamente activas en México. Para 1912 se contaba con sólo 6 estaciones en el territorio nacional. Debido a la situación política, social y económica complicada en la que se encontraba el país, así como al levantamiento revolucionario que comenzó dos años antes, no se pudo seguir con el plan del Ing. Aguilera. Estas circunstancias hacen aún más valiosa la información documentadapor la gente del Servicio Sismológico Mexicano de los diferentes eventos sísmicos que ocurrieron en la época. El 19 de noviembre de 1912 a las 7:55 h hora local, al sur de la ciudad de Acambay en el estado de México, tuvo lugar uno de los sismos intraplaca de mayor magnitud del último siglo en México, el cual causó fuertes daños a las poblaciones aledañas al epicentro, dejando evidencia superficial del rompimiento de la falla que lo había ocasionado. En abril de 1913 Fernando Urbina y Heriberto Camacho analistas de la estación central del Servicio Sismológico Mexicano, publicaron el boletín geológico número 36 en donde se documentaron aspectos geológicos, geográficos y tectónicos de lo que ellos llamaron “la zona mega-seísmica de Acambay-Tixmadejé”, y que es la principal referencia bibliográfica con la que contamos. A partir de la información documentada en el este boletín, se sabe la zona epicentral de este sismo está delimitada, al menos en superficie, alrededor de los 19.9°N y -99.9°W, área donde se observó la ruptura en superficie de la falla Acambay-Tixmadejé, que es la estructura predominante al norte del graben de Acambay. Ésta tiene una longitud de entre 35 y 40 km con una orientación casi Este-Oeste (78°NW; de Urbina y Camacho 1913). Tiene un buzamiento de entre 60° y 70° al sur, con evidencia de estrías en los planos de falla que indican un desplazamiento normal puro (dip-slip) (Suter et. al., 1995). En la falla se observaron dislocaciones superficiales maximas que van de los 0.2 a los 0.5 m (Urbina y Camacho, 1913). 9 Raúl Daniel Corona Fernández Urbina-Camacho (1913), también realizaron un análisis de los registros sísmicos de las entonces seis estaciones de la Red Sismológica Mexicana (RSM) en donde se determinó la dirección del primer impulso y la duración de la primera fase (es decir el tiempo de S-P), y con las cuales hicieron una estimación de la localización epicentral de este sismo ( Figura 1). La intensidad en la escala de Cancani, se realizó con base en información recopilada de las poblaciones afectadas por el terremoto, dividiendo el territorio en 5 zonas: central, norte, sur, oriente y poniente (Urbina y Camacho, 1913 pp. 81-83). Con esta información concluyeron que las isosistas fueron paralelas al rumbo de la falla en lugar de ser cerradas. Posteriormente la traza de la falla fue representada gráficamente por Suter et. al (1995) y Singh et. al. (2011) a partir de las referencias descritas por Urbina y Camacho. El servicio sismológico nacional (SSN) da una localización del sismo de Acambay al sureste de la ciudad con el mismo nombre (Figura 1). Figura 1. Traza de la falla Acambay-Tixmadeje, fuente del sismo de Acambay y epicentros calculados por Urbina y Camacho, (1913) y el reportado por el SSN (SSN., 2017). La falla Acambay-Tixmadejé, es parte un sistema de fallas normales que se ubica al norte del graben de Acambay con orientación casi Este-Oeste (Suter, et. al., 1995,1996, 2001) las cuales se extienden hasta Morelia, y tienen interacción tectónica con el Cinturón Volcánico Trans-Mexicano (CVTM). Esta falla está documentada con un deslizamiento puramente normal promedio de 0-17 mm/año (Suter et. al., 1995; Langridge et. al., 2000). Existen tres fallas principales dentro del graben de Acambay: la falla Pastores al sur, falla del centro del graben (Temascalcingo) y Falla Acambay-Tixmadejé al norte. Según Rodríguez-Pascua et. al., (2012) las tres tuvieron desplazamiento cosísmico durante el sismo del 19 de noviembre de 1912 y esta última falla es la que presentó evidencia superficial de dislocaciones. De hecho la falla Acambay-Tixmadeje es la que ha presentado mayor actividad desde el cuaternario y los mayores daños e intensidades se reportaron en las poblaciones circundantes a la misma. * ciudades Epicentros estimados Traza de la falla 10 Raúl Daniel Corona Fernández En la falla de Acambay-Tixmadejé ocurrieron al menos cuatro sismos durante el Holoceno, con un deslizamiento promedio de ~0.6m por evento y un intervalo de recurrencia de 3,600 años (Ortuño et. al, 2015 y Langridge et. al., 2000). El análisis estructural realizado por Norini et. al., (2010), reveló que la falla Acambay-Tixmadejé es una estructura con planos de movimiento normal y transcurrente (dip-slip y strike-slip) inclinados hacia la depresión tectónica, y que podría ser detonadora de inestabilidades gravitacionales en los bloques de la falla. El potencial sismogénico de la zona representa una amenaza sísmica no solamente para la población cercana al graben de Acambay (~100,000 personas; Sunye-Puchol et. al., 2015), sino también para las ciudades con mayor densidad de población del centro del país (CDMX., Querétaro, Morelia, entre otras), y que están en un radio circundante al epicentro del sismo de Acambay de aproximadamente 100 km. Es por esto que un estudio cuantitativo de la fuente de este sismo resulta altamente pertinente, a fin de realizar entre otros, estimaciones y cálculos de aceleraciones máximas posibles, así como calcular la magnitud de momento sísmico total para este sismo, entre diversos enfoques que se pueden dar a los resultados del trabajo. Astiz (1980), retoma un estudio de carácter sismológico en la zona, analizando el sismo ocurrido en febrero de 1979. Del análisis de este sismo obtuvo como resultados el mecanismo focal, los ejes de tensión y una estimación del área de ruptura de la falla en donde ocurre el evento (una falla al sur y paralela a la falla Acambay-Tixmadeje fuente el sismo de Acambay). Gutenberg y Richter (1958), con base en la información con la que contaban, fijaron la profundidad del sismo de Acambay en 80km; sin embargo, Astiz, (1980) realizó un comparativo entre el sismo de 1912 y el de 1979, y concluyó que ambos eventos fueron someros. En un estudio relativamente reciente de paleosismicidad asociada al sismo de Acambay y su interacción con la sismicidad del cinturón volcánico (Langridge, et. al., 2000) se estimó una tasa promedio de deslizamiento de la falla Acambay-Tixmadejé de ~0.17±0.02 mm/año, y concluyen que la deformación predominante en el graben es en dirección N-NE con movimiento normal (dip-slip) con una componente vertical, asociando estos resultados al peligro sísmico en el graben de Acambay. Langridge, et. al., (2013) analizaron los eventos paleosísmicos ocurridos en el graben específicamente en la falla Pastores, con la información de eventos previos se calcularon las características sísmicas que podría alcanzar un sismo en la falla Pastores con ruptura superficial, tales como una magnitud máxima de 6.7-6.8, deslizamiento promedio de 30 cm e intervalos de recurrencia 10-15 mil años. Singh et. al. (2011), realizaron una estimación de movimiento del terreno y aceleraciones máximas posibles que se tendrían en la Ciudad de México, para un sismo de 𝑀𝑤~7, simulándolo a partir de los registros de los sismos ocurridos el 15 de diciembre de 2003 y el 18 de mayo del 2010, en la estación DHIG del SSN, cerca de la ciudad de Actopan a una distancia de ~120 km de la ciudad, distancia aproximadamente similar a la de la zona epicentral del sismo de Acambay. En su trabajo concluyen que en caso de que se repitiera el evento de 1912, las aceleraciones y velocidades calculadas (entre 2.7 y 9.7 𝑐𝑚 𝑠2 y entre 1.1 y 3 𝑐𝑚 𝑠 cerca de la zona de Ciudad Universitaria) deberían de ser aproximadamente válidas para un sismo en Acambay. Hacen así mismo una comparación con los resultados de la escala de intensidades de Cancani reportados por Urbina y Camacho (1913) concluyendo que existe buena coincidencia en los resultados. Con la escala de intensidades ESI-07 (Enviromental Seismic Intensity scale 2007), se creó un nuevo mapa de isosistas comparado con las de la escala de intensidades de Cancani, reportando intensidades máximas de VIII-X 11 Raúl Daniel Corona Fernández(Rodríguez-Pascua et. al., 2012). La escala ESI-07 está basada en los efectos que dispara el sismo como fallamiento superficial, levantamiento o subsidencia tectónica (efectos primarios), derrumbes, licuefacción, agrietamiento, desplazamientos, tsunamis y anomalías hidrogeológicas (efectos secundarios), (Michetti. et. al 2007). Suter et. al., (1995,1996) estimaron una magnitud de ondas superficiales 𝑀𝑠=6.7, Singh et. al. (1984) reportaron 𝑀𝑠=7.0 a partir de las amplitudes máximas en los registros de la estación central. Rodríguez-Pascua et. al (2017), estimaron la localización del área de la zona epicentral del sismo, con base en la dirección de movimiento del terreno, datos arqueo-sismológicos considerando la geometría de la ruptura y las descripciones de Urbina y Camacho (1913). Ellos determinaron que la zona epicentral puede estar localizada en la zona de traslape de máximas intensidades reportadas y ésta coincide con el máximo desplazamiento cosismico de la falla Tixmadejé-Acambay cercano al poblado Tixmadejé. Estos, entre otros estudios de la zona del graben de Acambay, han proporcionado información sobre el sistema de fallas y los posibles mecanismos focales de estas, sin embargo, no se cuenta con un estudio de fuente finita del sismo de Acambay de 1912 y no se ha calculado cuantitativamente la magnitud de momento sísmico (𝑀𝑤 ) ni la distribución de deslizamientos sobre el plano de falla, pues no se ha realizado un trabajo a partir de los registros originales análogos del sismo. Es por eso que, al ser un sismo de gran magnitud y en una zona donde la población en las principales ciudades del centro del país ha tenido un crecimiento importante en el último siglo, resulta importante realizar un estudio de carácter cuantitativo de la falla a partir de los registros sísmicos análogos originales. Para lograr el objetivo planteado, fue necesario seguir por una parte metodologías ya conocidas y altamente probadas, y por la otra algunas otras que ajustamos a las necesidades específicas que surgieron durante el desarrollo de este trabajo, tanto en el proceso de digitalización como en la corrección de los sismogramas análogos originales, para así obtener las series de tiempo en un intervalo constante y en amplitudes reales de movimiento del suelo después de la corrección por respuesta instrumental. Dichas metodologías se detallan en el capítulo tres. Para realizar la inversión lineal de fuente finita se usaron las formulaciones de Hartzell y Heaton (1983) con amortiguamiento, considerando nueve diferentes puntos de nucleación, tres al este de la falla, tres al centro y tres al oeste de la misma variando su profundidad. De esta mismo forma se fueron obteniendo y presentado los resultados, variando el valor del factor de amortiguamiento en cada caso. Con los resultados obtenidos en este trabajo se obtuvo la distribución de deslizamientos sobre el plano de falla y se calculó la magnitud de momento sísmico 𝑀𝑤 , como trabajo posterior se propone analizar de qué manera podría afectar a la CDMX y ciudades aledañas si ocurriera un evento de magnitud similar en la zona del graben de Acambay. 12 Raúl Daniel Corona Fernández 2 INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA Y DE REGISTROS HISTÓRICOS 2.1 INSTRUMENTOS DE REGISTRO SISMOLÓGICO Los sismógrafos tienen como objetivo medir el movimiento de un punto sobre la superficie o el interior de la tierra en las tres direcciones espaciales, ya sea por un tiempo específico o continuamente. Así, estos instrumentos nos dan una representación gráfica de estos movimientos que llamamos sismos o temblores (e.g. Muñoz Lumbier, 1919). En su mayoría, las estaciones sismológicas de la RSM en 1912 estaban equipadas con instrumentos mecánicos tipo Wiechert “por la ventaja de uniformidad que proveían, su solidez y facilidad de manejo, el fácil acceso a sus refacciones en caso de pérdida o deterioro y por ser uno de los mejores de la época” (Muñoz Lumbier, 1919). Los instrumentos tipo Wiechert fueron diseñados bajo el principio de masa inercial o estacionaria (Figura 2) en donde, al producirse un movimiento del suelo, la masa que cuelga de forma pendular tiende a permanecer inmóvil en virtud de su inercia (Muñoz Lumbier, 1919). Durante el movimiento del terreno el péndulo oscila con un periodo propio fundamental, el cual se determina en función del desplazamiento en mm que se logre medir entre el centro inercial y la desviación de la masa característica del instrumento durante dicho movimiento. El péndulo está dispuesto de tal manera que pueda oscilar en un solo plano, es decir una plataforma únicamente movible en sentido horizontal o vertical. Si esta plataforma se mueve, mientras un cilindro receptor gira, el grafico inscrito por el estilete sobre papel blanco con una tenue capa de humo negro, será la representación del movimiento del suelo. Para preservar el registro, el papel ahumado se fijaba con una laca especial y se dejaba secar (Muñoz Lumbier, 1919). El registro de instrumentos mecánicos Wiechert requiere masas considerablemente grandes capaces de dominar, con su inercia, la fricción que se presenta entre las conexiones de la masa con la suspensión, entre el estilete y el cilindro receptor, etc. Aunado a esto en la unión del estilete y el péndulo existe un sistema de amortiguamiento, el cual restringe a la masa para actuar como estacionaria y evita una contribución del periodo de oscilación del estilete sobre el trazo. El amortiguamiento se obtiene usando la resistencia del aire dentro de un espacio cerrado, o la de un líquido viscoso, o la de un campo magnético (Muñoz Lumbier, 1919). Para cumplir con acuerdos de la Asociación Sismológica Internacional (ASI) y con el fin de obtener registros de la sismicidad regional y mundial, se instalaron en el territorio nacional estaciones sismológicas con instrumentos de diferentes masas, es decir diferentes periodos propios de oscilación, listados en la Tabla1. También se instalaron algunos instrumentos mecánicos de tipo Bosch de registro fotográfico, que en realiad no eran usados debido a su alto costo para grabar y revelar los registros. Así mismo se instalaron péndulos tipo Bosch-Ömori horizontales que no requerían grandes masas y tenían como ventaja una lenta oscilación que no dependía de las dimisiones del péndulo. Estos se diseñaron basados en el principio de la oscilación de una masa alrededor de un eje horizontal (Figura 3), que afirma que, al estar el mecanismo en un plano vertical pasando por su eje, por poco que se mueva, este tiende a volver a su estado inicial después de una serie de oscilaciones, debido al amortiguamiento en sus extremos (Muñoz Lumbier, 1919). Las constantes de sensibilidad, periodo, longitud del péndulo, longitud del estilete y relación de amortiguamiento de cada instrumento, dependen fuertemente de la masa asignada, pero también del lugar en donde se fue emplazado. Por otra parte para evitar que el ruido ambiental influyera en los registros, los pabellones en donde se instalaban los instrumentos eran aislados y provistos de un ambiente controlado de temperatura y humedad, libre de movimientos de aire, con dos edificaciones, una protectora y una interior bajo el nivel del suelo tanto 13 Raúl Daniel Corona Fernández como fuera necesario para regular su temperatura. Ambas construcciones no estaban conectadas entre sí por ninguna estructura, esto excluía ruidos ocasionados por el medio ambiente alrededor de la estación, vibraciones y corrientes de aire. Tabla1 Masas de sismógrafos tipo Wiechert y Bosch-Ömori con los que contaba la RSM Figura 2. Principio de inercia para Sismógrafos tipo Wiechert. Izquierda para un péndulo vertical, derecha para un péndulo horizontal. Figura 3. Principio de oscilación de masa alrededor de un eje horizontal, para sismógrafos tipo Bosch-Ömori Sismógrafos tipo WiechertSismógrafos tipo Bosch-Ömori Horizontales, masa en [kg] Verticales, masa en [kg] Horizontales, masa en [kg] 17,000 1,300 10 1,200 80 200 125 14 Raúl Daniel Corona Fernández 2.2 RED SISMOLÓGICA EN MÉXICO EN 1912 En la segunda conferencia sismológica internacional, se discutieron los estatutos para la organización de la Asociación Sismológica Internacional (ASI), la cual quedo constituida el 1 de abril de 1904 y fue integrada por dieciocho países, incluido México. Dentro de los objetivos principales de la asociación estaba el estudio de los problemas fundamentales de la sismología para cuya solución se decidió aumentar y mejorar la instrumentación sismológica mundial (Muñoz Lumbier, 1918). El gobierno de los Estados Unidos Mexicanos como parte de esta asociación aprobó el proyecto presentado por el Ingeniero José Guadalupe Aguilera, director del Instituto Geológico, en el año 1909, para la creación del Servicio Sismológico Nacional (SSN). Dicho proyecto proponía la instalación de una red sismológica a cargo de esta institución, la cual debía comprender una estación central, mínimo seis estaciones de primer orden y más de cincuenta de segundo orden (los órdenes de las estaciones se define en los apartados 2.3.2 y 2.3.3) a lo largo del territorio nacional, con el fin de registrar y estudiar la sismicidad tanto local, regional como telesismica. Fue así como el 5 de septiembre de 1910 se inauguró el SSN y quedó bajo el cargo del Instituto Geológico Nacional dependiente de la Secretaría de Minería y Fomento, con dos estaciones y varias más ya en proceso de instalación. Sin embargo el proyecto original no se pudo concretar, debido a la situación política, social y económica complicada en la que se encontraba el país, así como al levantamiento revolucionario que comenzó en el país dos años antes, por lo que entre 1910 y 1912 sólo se lograron instalar seis estaciones (Figura 4 , Tabla2). Posteriormente, en 1913 se instaló la estación de primer orden de Monterrey, Nuevo León y hasta el año 1921 comenzó la segunda fase de instalación de estaciones en Veracruz, Veracruz en 1921, Manzanillo, Colima en 1923, ambas de segundo orden y Chihuahua en 1927 de primer orden. Siete instrumentos de algunas estaciones todavía operan en la actualidad y constituyen probablemente, el sistema más antiguo de América que ha operado por mayor tiempo en forma continua (SSN, 2017). Estación Orden Año de instalación Tacubaya, Distrito Federal Central 1910 Oaxaca, Oaxaca Segundo 1910 Mazatlán, Sinaloa Segundo 1910 Mérida, Yucatán Primero 1911 Guadalajara, Jalisco Segundo 1912 Zacatecas, Zacatecas Primero 1912 Tabla2 Estaciones de la Red Sismológica Mexicana (RSM) al año 1912 y el orden al que pertenecían 15 Raúl Daniel Corona Fernández Figura 4. Distribución de las 6 estaciones de la RSM en el territorio nacional, en el año 1912. Cada estación debería contar con observadores y corresponsales, nombrados por el director del Instituto Geológico, y ellos serían los encargados de transmitir a la estación central todos los datos relacionados con los sismos percibidos en la localidad en que se encontraran, tales como intensidad, dirección (localización aproximada con el método Galitzin), tiempo origen y tiempo de fases principales, estragos o perjuicio causados etc. (Muñoz Lumbier, 1919). 2.3 ESTACIONES Como ya se mencionó el proyecto original era instalar, además de la estación central, mínimo seis estaciones de primer orden y el resto serian estaciones de segundo orden distribuidas en todo el territorio nacional, así como un número considerable de observadores y corresponsales que enviaran la información a la estación central en cada una de ellas. 2.3.1 Estación sismológica central de Tacubaya La estación sismológica central de Tacubaya (actualmente el museo de Geofísica) se localiza al Noroeste de la ciudad de México, en la delegación Miguel Hidalgo en las coordenadas 19°24'18'' latitud N, 99°11'37'' longitud W y a 2,320m sobre el nivel medio del mar (snmm) (Figura 4). Fue inaugurada el 5 de septiembre de 1910 estando a cargo del Instituto Geológico Nacional dependiente de la secretaria de Minería y Fomento. La estación central tenía como objetivo registrar todos los movimientos del suelo. Para que la estación cumpliera satisfactoriamente su misión fue equipada con los mejores instrumentos sismológicos de principios del siglo XX, de manera que pudiera registrar sismos locales, regionales o telesismos. En la Tabla3 se listan los instrumentos que se encontraban en dicha estación y sus principales constantes características de amortiguamiento y periodo natural a principios de 1912. Localización de estaciones sismológicas en 1912 Estaciones Zona epicentral 16 Raúl Daniel Corona Fernández Los sismógrafos en la estación central eran de registro en papel ahumado tipo Wiechert y Bosch-Omori, y de registro fotográfico Bosch. Cada instrumento tiene diferente periodo natural de oscilación y sensibilidad, y estaban distribuidos en tres pabellones, en los cuales adicionalmente se instalaron un barógrafo, termógrafo e hidrógrafo de la marca Richard (Urbina-Camacho, 1913). Contaba con instrumentos Wiechert horizontales de 17,000kg, 1,200 kg, 200kg y 125kg de masa e instrumentos verticales de 1,300kg y 80kg de masa. Además, dos péndulos horizontales Bosch-Omori de 10kg de masa y dos más de 200kg de registro fotográfico. Para la carga de acumuladores que se empleaba en el registro del tiempo de los instrumentos, se contaba con relojería Siemens-Schuckertwerke (Muñoz Lumbier, 1919). En esta estación, además, se recogían, discutían y catalogaban los sismogramas enviados por las otras estaciones de la RSM, se hacia el análisis y estudio de los sismos regionales y telesismicos registrados, y se complementaba para cada temblor con las descripciones, noticias y datos transmitidos por los observadores en cada una de las otras estaciones. Esta información posteriormente se enviaba a la estación Central Internacional de Estrasburgo (Muñoz Lumbier, 1919). Instrumentos Wiechert Componente Masa [kg] Relación de Amortiguamiento Periodo T₀ [s] N-S 17000 1.4 1.50 E-W 17000 2.0 1.50 N-S 1200 4.0 8.60 Horizontal E-W 1200 4.0 9.60 N-S 200 -- 5.00 E-W 200 -- 5.00 N-S 125 3.0 5.50 E-W 125 3.0 5.00 Vertical Z 1300 4.0 4.00 Z 80 4.0 4.00 Bosch- Ömori Péndulos horizontales N-S 10 -- 1.73 E-W 10 -- 1.73 Bosch Péndulos horizontales N-S 200 -- 0.56 E-W 200 -- 0.56 Tabla3 Instrumentos de la estación sismológica central de Tacubaya (Urbina y Camcho, 1913 y AguileraA. et., al, 1914) 2.3.2 Estaciones de Primer Orden Las estaciones sismológicas de primer orden estaban destinadas principalmente al registro de sismos de bajas amplitudes y de larga duración, es decir los telesismos, aunque debido a su sensibilidad y periodos de oscilación natural, también registraban la sismicidad regional (Muñoz Lumbier, 1919). Se establecieron las estaciones de Mérida, Zacatecas hasta 1912, y Chihuahua en 1927, quedando pendiente una en Ciudad Juárez y Guaymas (Muñoz Lumbier, 1919). 17 Raúl Daniel Corona Fernández 2.3.2.1 Estación sismológica de primer orden de Zacatecas La estación sismológica de primer orden de Zacatecas se encontraba al Noreste de la ciudad de Zacatecas, en el estado del mismo nombre, en las proximidades del observatorio meteorológico del cerro de la Bufa en las coordenadas 22°46´32.8´´ N, latitud; 102°.32´57´´ W longitud a 2,610m snmm (Figura 4). Fue inaugurada el 16 de septiembre de 1912 y fue parte de las primeras estaciones de la RSM del Servicio Sismológico Nacional. La estación de primer orden fue equipada con sismógrafos Wiechert con una masa de 1,200kg para el instrumento de componentes horizontales y de 1,300kg en la componentevertical. Registraba con relojes de conexiones eléctricas. La ubicación de esta estación, cercana al observatorio, facilitaba su mantenimiento por el mismo personal y se encontraba alejada del ruido ambiental de la ciudad. En la Tabla4 se listan los instrumentos que se encontraban en dicha estación y sus principales constantes características de amortiguamiento y periodo natural a principios de 1912 (Muñoz Lumbier, 1919). Instrumentos Componente Masa [kg] Relación de Amortiguamiento Periodo T₀ [s] Wiechert Horizontal N-S 1200 4.0 4.0 E-W 1200 4.0 4.0 Vertical Z 1300 4.0 2.0 Tabla4 Instrumentos de la estación sismológica primer orden de Zacatecas 2.3.2.2 Estación sismológica de primer orden de Mérida La estación sismológica de primer orden de Mérida se encontraba al sur de la ciudad de Mérida, Yucatán al SE del panteón municipal en las coordenadas 20°56´51.6´´ N latitud; 89°36´59.9´´ W longitud a 6.35m snmm, (Figura 4). Se inauguró el 5 de febrero 1911 y fue parte de las primeras estaciones de la RSM del Servicio Sismológico Nacional. La estación de primer orden fue equipada con sismógrafos Wiechert, de 1,200kg en las componentes horizontales y de 1,300kg en la componente vertical, recibiendo el tiempo por un reloj de contactos. Esta fue la primera estación de primer orden y se tomó como modelo para las posteriores, debido a sus estructura y distribución. En la Tabla5 se listan los instrumentos que se encontraban en dicha estación y sus principales constantes características de amortiguamiento y periodo natural a principios de 1912 (Muñoz Lumbier, 1919). Instrumentos Componente Masa [kg] Relación de Amortiguamiento Periodo T₀ [s] Wiechert Horizontal N-S 1200 4.0 5.0 E-W 1200 4.0 5.0 Vertical Z 1300 4.0 1.5 Tabla5 Instrumentos de la estación sismológica primer orden de Mérida 2.3.3 Estaciones de Segundo Orden Las estaciones de segundo orden estaban destinadas a registrar la sismicidad regional y local y se debían establecer en lugares del país sísmicamente conocidos en esa época como eran las sierras, sistemas montañosos 18 Raúl Daniel Corona Fernández etc., de manera que se pudiera estudiar la influencia de la topografía, la tectónica y la geología en cada localidad (Muñoz Lumbier, 1919). 2.3.3.1 Estación sismológica de segundo orden Oaxaca La estación sismológica de segundo orden de Oaxaca se encontraba al sureste de la ciudad de Oaxaca en la Hacienda de San Miguel en las coordenadas 17°01'13.59” latitud N; 96°42'32.5” longitud W a 1570.85m snmm, (Figura 4). Fue inaugurada en 1910 y es parte de las primeras tres estaciones sismológicas en México. La estación de segundo orden fue equipada con sismógrafos Wiechert de 200kg para las componentes horizontales y de 80kg en la componente vertical y recibía el tiempo de un reloj de contactos. Es una de las estaciones con mejor iluminación debido al gran número de ventanas. Su construcción está orientada a los cuatro puntos cardinales. En la Tabla6 se listan los instrumentos que se encontraban en dicha estación y sus principales constantes características de amortiguamiento y periodo natural a principios de 1912 (Muñoz Lumbier, 1919). Instrumentos Componente Masa [kg] Relación de Amortiguamiento Periodo T₀ [s] Wiechert Horizontal N-S 200 5.0 4.8 E-W 200 4.5 5.0 Vertical Z 80 5.0 4.0 Tabla6 Instrumentos de la estación sismológica de segundo orden de Oaxaca 2.3.3.2 Estación sismológica de segundo orden de Guadalajara La estación sismológica de segundo orden de Guadalajara se localizaba al norte de la ciudad de Guadalajara Jalisco en terrenos del parque de San Rafael en las coordenadas 20°40’45’’ latitud N, 103°20’25’’ longitud W. Se inauguró en el segundo semestre del 1912. (Figura 4). La estación de segundo orden fue equipada con sismógrafos Wiechert, de 125kg en las componentes horizontales y de 80kg en la componente vertical y registraba el tiempo con un reloj de contactos. Debido a un enjambre de sismos que se sintieron en la ciudad de Guadalajara en los meses de mayo y junio de 1912, se apresuró la construcción de esta estación para el registro de la sismicidad local. En la Tabla7 se listan los instrumentos que se encontraban en dicha estación y sus principales constantes características de amortiguamiento y periodo natural a principios de 1912 (Muñoz Lumbier, 1919). Instrumentos Componente Masa [kg] Relación de Amortiguamiento Periodo T₀ [s] Wiechert Horizontal N-S 125 5.0 3.0 E-W 125 5.0 3.5 Vertical Z 80 4.0 4.5 Tabla7 Instrumentos de la estación sismológica primer orden de Guadalajara 19 Raúl Daniel Corona Fernández 2.3.3.3 Estación sismológica de segundo orden de Mazatlán La estación sismológica de segundo orden de Mazatlán se localizaba al sur de la ciudad de Mazatlán Sinaloa situada en el cerro del Vigía en las coordenadas 28°11´17.13´´ latitud N, 106°23´37.5´´ longitud W a 76m snmm (Figura 4). Se inauguró el 5 de septiembre de 1910 a la par de la estación central siendo las primeras de la RSM. La estación de segundo orden fue equipada con sismógrafos Wiechert, de 200kg en las componentes horizontales y de 80kg en la componente vertical y para marcar el tiempo un reloj de contactos. La estación se encuentra junto a un observatorio, y fue inaugurada con motivo de la celebración del centenario de la independencia. En la Tabla8 se listan los instrumentos que se encontraban en dicha estación y sus principales constantes características de amortiguamiento y periodo natural a principios de 1912 (Muñoz Lumbier, 1919). Instrumentos Componente Masa [kg] Relación de Amortiguamiento Periodo T₀ [s] Wiechert Horizontal N-S 200 5.0 5.0 E-W 200 5.0 5.0 Vertical Z 80 4.0 5.0 Tabla8 Instrumentos de la estación sismológica primer orden de Mazatlán 2.4 REGISTROS HISTÓRICOS DEL SISMO DE ACAMBAY Desde la instalación de las estaciones sismológicas en 1910, se comenzó a elaborar un catálogo de la sismicidad en el país en el cual se documentaron datos tales como la fecha y hora del evento, los tiempos de arribo de la onda P y S así como de las ondas superficiales de mayor amplitud, el periodo medido en el registro, la distancia al epicentro, el desplazamiento real en micrones y su magnitud según la escala de intensidades de Cancani. Estos datos se obtenían a partir de las mediciones en los registros en papel ahumado, los cuales se almacenaban y catalogaban después de su análisis. La principal referencia bibliográfica con la que se cuenta del sismo de Acambay es el boletín de Urbina-Camacho publicado en 1913, en el cual, además de las descripciones geográficas, geológicas y tectónicas, testimonios y mediciones realizadas, en los anexos existen fotocopias de los registros originales del sismo, con lo cual supimos que información era la debíamos buscar. La sismicidad ocurrida en el país y en el mundo que se pudo registrar en la RSM desde la instalación de las primeras estaciones en 1910 hasta fechas recientes, se conservaba almacenada en la estación central a cargo aun del SSN. Durante el 2010 toda esta información se trasladó a la Biblioteca Conjunta de Ciencias de la Tierra (BCCT) de la UNAM debido a la remodelación de la estación para dar paso al museo de geofísica. Los registros, de los cuales se tiene la información proporcionada por los analistas de cada estación en sus diferentes etapas, están almacenados y catalogados en la BCCT por año, y en algunos casos particulares por estación. Así mismo, en la biblioteca se encuentran los catálogos del Servicio Geológico Mexicano, en donde se reportaba toda la actividad sísmica del país registrada de manera semestral, así como boletines especiales para la mayoría de los sismos más importantes. Esta información constituye la base del catálogo de sismicidad durante aquella época en el país. 20 Raúl Daniel Corona Fernández Resultado dela búsqueda e investigación bibliográfica, se encontraron diecisiete de los veintitrés registros del sismo de Acambay en las 6 estaciones de la RSM (Tabla10) (10 de los diferentes instrumentos de la estación central, 3 de la estación Zacatecas, 2 de la estación Mérida, 3 de la estación Oaxaca, 3 de la estación Guadalajara y 3 de la Estación Mazatlán). Debido a la magnitud del sismo varios registros se encuentran incompletos o saturados. Del total de registros con los que se cuenta en la actualidad, ocho son de la estación central de Tacubaya (seis horizontales y dos verticales), tres de la estación de Zacatecas (dos horizontales y un vertical), dos registrados en Mérida (horizontales), uno de los tres de la estación de Oaxaca (vertical), tres de la estación en Guadalajara (dos horizontales y un vertical) y ninguno de los registros de la estación en Mazatlán. De los ocho instrumentos en la estación central de Tacubaya, sólo seis estaban en operación cuando ocurrió el sismo de Acambay. El instrumento horizontal de 200kg Bosch-Omori horizontal Este-Oeste y el Bosch de registro fotográfico no operaban en ese momento. En el Wiechert horizontal de diecisiete toneladas, el movimiento del terreno fue tan fuerte que el estilete salió de tambor de registro y sólo se grabó el primer impulso en ambas componentes (Norte-Sur; Este-Oeste), lo mismo sucedió con los Wiechert de 1,200kg y 1,300kg horizontal y vertical respectivamente. Los únicos registros completos o con suficiente tiempo de registro (Tabla10) que se tiene de la estación central son en el Wiechert de 125 y 80 kg horizontal y vertical respectivamente y en Bosch-Omori horizontal Norte-Sur. Este último no fue posible usarlo, pues en la imagen de alta calidad se observó que la forma de onda era demasiado irregular en el trazo del sismo. Es probable que el estilete no estuviese firme al momento del registro lo cual impidió su digitalización y corrección. Debido a la cercanía de la estación central al epicentro, en los sismogramas se observan grandes desviaciones que ocurrieron a una alta velocidad en periodos cortos; ésto saturó la señal y complicó seguir el trazo al momento de su digitalización (de la cual se hablará en el capítulo 3), por lo cual a pesar de tener los registros completos sólo se logró digitalizar el tren de ondas P en los tres registros utilizables de esta estación. En la estación de primer orden de Mérida, el instrumento Wiechert vertical de 1,300kg no estaba operando, por lo cual sólo se registró en el Wiechert horizontal en ambas componentes con un tiempo de registro de aproximadamente 1,200s. En la estación de primer orden de Zacatecas, el sismo se registró en ambos instrumentos Wiechert (horizontal y vertical), aunque en la componente Norte-Sur después de aproximadamente 70 segundos, al principio de la fase S, el estilete se salió del tambor de registro. Las formas de onda, especialmente para los registros de esta estación, fueron fuertemente perturbados por las marcas de tiempo, lo cual complicó seguir el trazo completo en la componente Este-Oeste y sólo se lograron digitalizar cerca de 73s para no tener amplitudes o formas de onda incorrectas. En la estación de segundo orden de Guadalajara el instrumento horizontal operaba de manera normal, sin embargo, el mecanismo de la componente Norte-Sur estaba entorpecido y no se obtuvo el registro. En la componente Este-Oeste el registro quedo limitado en las ondas superficiales por los topes de la masa del péndulo. El registro de la componente vertical en el Wiechert de 80kg, el estilete comenzó a grabar después de los primeros arribos, pues el tambor de registro no tenía papel al momento. Por lo cual de esta estación sólo se digitalizó la componente Este-Oeste. Para la estación de Oaxaca el sismo se registró completo en ambos instrumentos Wiechert de 200kg y 80kg horizontal y vertical respectivamente; sin embargo, sólo se encontró el registro de la componente vertical en la BCCT. 21 Raúl Daniel Corona Fernández De la estación de Mazatlán, aunque se logró registrar en ambos instrumentos, horizontal y vertical, no se encontró ningún registro en la BCCT. Las constantes, tiempos de registros y estatus de los registros se pueden ver en el ANEXO II. 2.4.1 Características de los registros del sismo de Acambay Como ya se mencionó, el sismo de Acambay ocurrió a principios del siglo XX, por lo cual los registros tienen algunas características que los hacen diferentes a los registros actuales en sismógrafos de banda ancha, y algunas otras que son iguales. Hablando específicamente de las polaridades en las componentes para los registros horizontales, si el impulso era positivo (es decir hacía la parte superior del papel), este indicaba dirección norte o este; si el impulso era negativo (es decir hacia la parte baja del papel), este indicaba sur u oeste. Para los registros verticales, si el impulso se inscribía hacía arriba del papel, este era negativo, y positivo si se trazaba hacía la parte baja del papel (Urbina y Camacho, 1913). Dicha convención, en la actualidad, es contraria en cuanto a polaridad, pero el significado de impulso positivo (compresión) y negativo (contracción) sigue siendo el mismo. Hablando del método de localización, a principios del siglo XX se utilizaba el método del príncipe Galitzin para localizar la zona epicentral del sismo, pero con una variante a como se utiliza en la actualidad. Como sabemos la convención actual indica que, si el primer impulso de la onda P en la componente vertical es positivo, la dirección que marquen las componentes horizontales indicara la dirección de propagación del frente de onda (lo que se conoce como zona de compresión) y si el impulso es negativo en la componente vertical es negativa, la dirección que marquen las componentes horizontales indicara de donde viene el frente de onda (lo que se conoce como zona de distención). Los instrumentos sismológicos horizontales a principios del siglo XX, vistos de frente a los tambores de registro, tienen un peso en la parte superior de la masa pendular, sobre la traza del plano vertical que divide las dos direcciones horizontales en donde están las varillas que llevan las vibraciones al estilete (Urbina-Camacho, 1913). Al existir un movimiento del suelo, la masa pendular se moverá en el plano de dirección de propagación de ondas ya sea NW-SE o NE-SW. Si el pequeño peso está entre esta línea vertical que representa el eje del péndulo y el registro del instrumento, la masa se inclinará hacia el lado contrario a la propagación del frente de onda, y si estas se colocan sobre la traza indicada pero hacia la parte posterior del instrumento, la masa se inclinará en la dirección de propagación del frente de onda (Urbina-Camacho, 1913). Lo anterior se refiere a que, debido al peso que está por encima de la masa dispuesto de tal manera que su movimiento fuera contrario al del péndulo y unido a los mecanismos de registro, las componentes horizontales registraban el movimiento de la masa en direcciones contrarias a la dirección del frente de onda del sismo, contrario a los registros actuales. Esta información fue de vital importancia para hacer coincidir las polaridades con las de los registros actuales y seguir a delante con los modelos directo e inverso. En el boletín de Urbina y Camacho (1913) se reporta una localización del epicentro a partir de la diferencia en tiempo de las fases S-P, medidas en los registros y las polaridades de los instrumentos Wiechert horizontal de 125 kg y vertical de 80 kg en la estación central Tacubaya. Los tiempos medidos variaron entre 12 y 15s en el instrumento horizontal y vertical respectivamente, por lo cual se reportaron dos posibles epicentros, calculados con la fórmula de Omori ajustada en 1911 (Ecuación 1), con un azimut de NW 58°07’, obteniendo distancias de 125 y 147 km, las coordenadas reportadasse enlistan en la Tabla9 y se observan en la Figura 1. 22 Raúl Daniel Corona Fernández 𝑥(𝑘𝑚) = 7.27 𝐾𝑚 𝑠 ∗ (𝑆 − 𝑃) + 38 𝐾𝑚 (Ecuación 1) Con las observaciones reportadas en la zona afectada por el sismo, en donde se encontraron evidencias de deslizamientos en superficie, se delimitó el área en donde se debe encontrar el epicentro. En el catálogo de sismicidad histórica del SSN, se reporta un epicentro al sur de Acambay, el cual se lista en la Tabla9, junto con los calculados por Urbina ya Camacho (1913). Epicentro N W Urbina y Camacho S-P=12s 19.826111° -99.924444° Urbina y Camacho S-P=15s 19.930556° -100.10444° Servicio Sismológico Nacional 19.930000° -99.830000° Punto medio del trazo de la falla 19.949045° -99.880056° Tabla9 Coordenadas de los epicentros reportados para el sismo de Acambay por Urbina y Camacho (1913), y por el SSN, así como el punto medio para el trazo propuesto de la falla Acambay-Tixmadeje. 23 Raúl Daniel Corona Fernández Estación Instrumento Componente Masa [kg] Registro en 1912 Registro al 2016 Tiempo de registro en papel Tiempo de registro digitalizado TACUBAYA Wiechert N-S 1,7000 1 ✓ 3.56 0.00 E-W 1,7000 1 ✓ 3.56 0.00 N-S 1,200 1 0.00 0.00 E-W 1,200 1 ✓ 3.53 0.00 N-S 200 0 0.00 0.00 E-W 200 0 0.00 0.00 N-S 125 2 ✓ 196.50 25.00 E-W 125 2 ✓ 187.50 30.00 Z 1,300 1 ✓ 3.27 0.00 Z 80 2 ✓ 15.00 32.00 Bosch- Omori N-S 10 1 ✓ 50.00 0.00 E-W 10 0 0.00 0.00 Bosch N-S 200 0 0.00 0.00 E-W 200 0 0.00 0.00 MERIDA Wiechert N-S 1,200 2 ✓ 1500.00 1500.00 E-W 1,200 2 ✓ 1500.00 1500.00 Z 1,300 0 0.00 0.00 ZACATECAS Wiechert N-S 1,200 1 ✓ 70.00 70.00 E-W 1,200 2 ✓ 76.50 76.5.00 Z 1,300 2 ✓ 582.00 582.00 OAXACA Wiechert N-S 200 2 0.00 0.00 E-W 200 2 0.00 0.00 Z 80 2 ✓ 720.00 720.00 GUADALAJARA Wiechert N-S 125 1 ✓ 0.00 0.00 E-W 125 2 ✓ 512.00 95.00 Z 80 1 ✓ 25.00-900.00 0.00 MAZATLAN Wiechert N-S 200 2 0.00 0.00 E-W 200 1 0.00 0.00 Z 80 2 0.00 0.00 Tabla10 Resumen de los registros en las 6 estaciones de la RSM, en 1912 y al 2016. (En donde 0= No se registró; 1=Registro incompleto; 2=Registro completo; 3=Ilegible; Y ✓= se encontró el registro; = no se encontró/no existe. 24 Raúl Daniel Corona Fernández 3 DIGITALIZACIÓN Y CORRECCIÓN DE LOS SISMOGRAMAS ANALÓGICOS DEL SISMO DE ACAMBAY Con la ayuda del personal de la BCCT, quienes se han encargado de organizar los registros sísmicos por año, se pudieron encontrar diecisiete sismogramas del sismo de Acambay registrados en las 6 estaciones en sus diferentes componentes, de los cuales, al revisarlos y cotejarlos con la información bibliográfica sólo diez resultaron ser convenientes para realizar el proyecto de investigación y cumplir con los objetivos. Estos registros se escanearon en alta resolución, para su posterior digitalización y corrección. 3.1 ESCANEO DE LOS REGISTROS HISTÓRICOS Y DIGITALIZACIÓN Debido a las características del papel ahumado que contiene los registros, los cuales son angostos (18-22cm) y largos (50-200cm), y al deterioro de los mismo por el paso de los años, se realizó un escaneo de alta calidad a 1,200 pixeles por pulgada (ppp), con una escala a lo ancho del registro en cm visible en la imagen digital como referencia, teniendo especial atención y cuidado a su preservación para que no sufrieran mayor daño al pasar por el escáner. La resolución está en función de la dimensión de la traza, es improbable encontrar trazas más delgadas que 0.1mm en papel ahumado, entonces para tener una buena definición de la traza en una imagen digitalizada, se debe tener al menos tres pixels cubriendo el ancho del trazo (Batlló et. al., 2008). Recientemente, el procesamiento de imágenes con una computadora estándar y la gestión de bases de datos que contienen miles de estos archivos de gran tamaño se convirtió más funcional (Batlló et. al., 2008). Antes de la digitalización de las trazas, es útil optimizar las características de la imagen mejorando el contraste, el brillo y otros parámetros ajustables dentro de un software estándar del proceso de la imagen. Al tener imágenes de alta calidad el tamaño que ocupan en disco es también mayor, lo cual representó un reto para visualizarlas en diversos softwares de digitalización de procesos automáticos y manuales. Por esta razón se decidió que las imágenes fueran digitalizadas puntualmente de manera manual en un software comercial que tuviera la capacidad de carga de imágenes de alta resolución. Este software interactivo permite asignar valores limite a dos extremos opuestos de la imagen creando un plano X, Y, de esta manera cada punto marcado sobre la imagen tendrá una coordenada en este plano. Los valores se asignaron a partir de las mediciones realizadas directamente al papel que contiene cada sismograma, el eje X representa el tiempo a lo largo de la traza medida del sismograma, y la escala se calculó con respecto a la distancia entre las marcas de tiempo (las cual representan un minuto) en cada registro; el eje Y representa la amplitud, la cual se determinó con la escala auxiliar con la cual fueron escaneadas las imágenes (Tabla11). Los cálculos de tiempo y mediciones de amplitud se realizaron para los diez registros que contenían información suficiente para cumplir con el objetivo del proyecto. De ellos se obtuvo entonces la representación digital de los sismogramas, siguiendo el trazo en orden ascendente de tiempo tal y como fueron marcados en el papel ahumado en 1912. Aunque los valores marcados sobre las imágenes no representan el tiempo ascendente real, debido a la curvatura de los sismogramas, era necesario que así fueran digitalizados para su correcta corrección. Así al final se obtuvieron un archivo en ASCII de dos columnas para cada sismograma, una para el tiempo en s y otra para las amplitudes en mm. 25 Raúl Daniel Corona Fernández Estación Componente / masa (kg) Amplitud de los registros (mm) α ° Longitud del estilete (mm) Periodo Natural (s) Razón de amortigua miento 𝜖 A Constante de calibración TACUBAYA N-S/125 219.4 0.1200 160 5.5 3.0 880 E-W/125 219.4 -0.0900 160 5.0 3.0 850 Z/80 217.8 0.0900 150 4.0 4.0 850 GUADALAJARA E-W/125 219.4 0.0030 160 3.5 3.0 288 ZACATECAS N-S/1,200 224.0 0.0000 433 6.0 4.0 264 E-W/1,200 223.5 0.0000 433 6.0 4.0 264 Z/1,300 222.6 0.0000 550 1.6 4.0 240 OAXACA Z/80 219.0 0.00075 150 4.0 5.0 402 MÉRIDA N-S/1,200 215.7 -0.1300 433 5.0 5.0 127 E-W/1,200 217.6 -0.0050 433 5.0 5.0 155 Tabla11 Constantes y parámetros para la corrección de los diez sismogramas digitalizados del sismo de Acambay. Las representaciones graficas de dichos sismogramas están en el ANEXO I. En la Figura 5 se muestra la comparación de una imagen del sismograma análogo (registro en papel ahumado) con la señal digital de la componente vertical registrada en el instrumento Wiechert de 80 kg en la estación de Oaxaca. Figura 5. Representación gráfica del sismograma digitalizado de la componente vertical en la estación Oaxaca. El eje X es el tiempo en segundos (s) del sistema coordenado de digitalización, el eje Y es la amplitud original del sismograma en mm. 26 Raúl Daniel Corona Fernández 3.2 CORRECCIONES A LOS SISMOGRAMAS DIGITALIZADOS Debido a la naturaleza mecánica de los sismógrafos que registraron este sismo y el sesgo añadido por la digitalización manual, fue necesario realizar diferentes correcciones a las señales digitalizadas, para tener un producto final de características similares a los registros actuales. Dichas correcciones van desde irregularidades en el trazo original, hasta curvatura del mismo. Posteriormente se realizó también la corrección por respuesta instrumental. Varias de estas correcciones,
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