Simulación Metodológica de un Detector de Sismos

2. Antecedentes
3. Planteamiento del
   problema
4. Justificación
5. Marco
   Teórico
6. Sismógrafo
7. Sismos
8. Origen. Tipos de
   sismos
9. Registro de intensidad de
   sismos
10. Distribucion
    geográfica
11. Costo del
    material
12. Metodología
13. Propuesta del
    sistema
14. Conclusiones
15. Referencias
    bibliográficas

Introducción.

Los volcanes activos son
fuente generadora de una gran variedad de señales
sísmicas. En el Popocatepetl (en Puebla, cerca de la
ciudad de México,
México), por ejemplo, se identifican tres tipos de
señales: eventos
Vulcano-teutónicos (VT), eventos de periodo largo (LP) y
eventos híbridos. Los eventos Vulcano-teutónicos
(VT) son señales sísmicas que se asemejan
claramente a los eventos de tipo teutónicos regionales,
tienen frecuencias típicas de 5 Hertz o mas y las fases de
P y S son claramente reconocibles.

Estos eventos VT se producen en la roca sólida
originando fracturas o fallas de corte muy similares a los
producidos por los eventos teutónicos como los de
subducción. Ejemplo de un evento Vulcano-teutónico
(VT) registrado en la estación PPX el día 96/12/02.
El primer cuadro es el sismo grama en cm/s. El cuadro central es
el espectrograma típico de un VT, calculado con una
ventana móvil de 1.28 s. El cuadro inferior es el espectro
de amplitud de Fourier (figura 1).

Figura 1. Análisis gráfico de un sismo
Vulcano-teuctónico.

Los eventos de periodo largo (LP) son eventos con
frecuencias características en un rango de 1.0 a 5 Hertz.
La fase de la onda P no esta bien definida, es emergente, y no se
identifica fase S. Se asocia el origen de los LP a efectos de
trayectoria. La generación de estos eventos esta
relacionada con la fluctuación de presion causada por la
inestabilidad del transporte de
masa y las condiciones termodinámicas de los fluidos.
Ejemplo de un evento de periodo largo (LP) registrado en la
estación PPX el día 95/12/01. El primer cuadro es
el sismo grama en cm/s. El cuadro central es el espectrograma
calculado con una ventana móvil de 1.28 s. El cuadro
inferior es el espectro de amplitud de Fourier (figura
2).

Figura 2. Análisis
gráfico de un sismo de Largo Periodo

Los eventos híbridos son eventos con componentes
en las altas y bajas frecuencias, por ello se les denominan
híbridos. En las altas frecuencias tienen fases impulsivas
de P y S. Generalmente presentan amplitudes de P y S menores a
las que presentan los eventos Vulcano-teutónicos. Ejemplo
de un evento híbrido registrado en la estación de
periodo corto PPM el día 95/03/02. El primer cuadro es el
sismo grama en cm/s. El cuadro central es el espectrograma
calculado con una ventana movil de 1.28 s. El cuadro inferior es
el espectro de amplitud de Fourier (figura 3).

Figura 3. Análisis
gráfico de un sismo Híbrido.

Otra señal que se identifica en los registros
sísmicos del Popocatepetl en México es el tremor.
Este tipo de señal se ha identificado varios volcanes
activos. Ejemplo de un evento de tremor registrado en la
estación PPP el día 95/02/01. El primer cuadro es
el sismo grama en cm/s. El cuadro central es el espectrograma
calculado con una ventana móvil de 1.28 s. El cuadro
inferior es el espectro de amplitud de Fourier (figura
4).

Figura 4. Análisis
gráfico de untremor.

Antecedentes.

Los sismos se han
presentado en diversas zonas del mundo, ocasionando gran
pérdida de vidas humanas, edificaciones domésticas
e industriales, construcciones cívicas y de uso por la
sociedad
(ejemplo, puentes) y un gran daño al
medio
ambiente. A continuación se presenta un historial de
los sismos ocurridos en el mundo (tabla 1).

Tabla 1. Secuencia historial de sismos en el
mundo.

Planteamiento
del problema.

La generación de sismos ha provocado grandes
pérdidas humanas, económicas y un gran deterioro en
el medio ambiente. Esto
ha motivado a investigadores a diseñar y fabricar
dispositivos de detección en zonas donde se considera es
el epicentro del sismo, para poder obtener
alguna señal que indique la menor sensación de un
movimiento y
con ello dar aviso a autoridades y a la población. Existe una gran diversidad de
sistemas
electrónicos de detección de sismos, que ayudan a
la prevención de desastres, por lo que es necesario
tomarlos en cuenta para evitar principalmente pérdidas
humanas y económicas que influyen en las economías
de los países afectados por este tipo de fenómenos
naturales.

Debido a la preocupación pro ser al ciudad de
Mexicali y principalmente en el Valle donde se realizan
actividades agrícolas, como una zona con influencia de
movimientos sísmicos; existe la propuesta de la
realización de una metodología para el desarrollo de
un sensor que pueda detectar mínimos movimientos en
algunas zonas más propensas de esta zona de la
República Mexicana.

La metodología consiste en el análisis y
diseño
de suelos en la
región, zonas más propensas a al generación
de sismos y la propuesta del diseño y desarrollo del
sistema
electrónico. Es por eso, la pregunta, si se requiere de
prevenir en Mexicali, de la generación de un
sismo?.

Justificación.

La zona de la República Mexicana donde se
encuentra localizada la ciudad y el valle de Mexicali, es un
área donde se generan sismos a diversas escalas, donde los
últimos cinco años, se han registrado a
pequeña escala, algunos
investigadores mencionan que puede ocurrir uno de gran escala con
posibles desgracias de pérdidas humanas y
económicas. Las autoridades de gobierno han
estado
elaborando planes de contingencia ambiental, informando a la
población de lo que es necesario realizar antes, en el
transcurso y después de un sismo.

La prevención de este tipo de fenómenos
naturales, es parte fundamental para evitar desgracias que puedan
afectar la economía de la
región. La preocupación por pensar en que ocurra
una desgracia muy grave, nos levó a realizar una propuesta
metodológica del diseño y fabricación de un
sistema de detección anti-sísmico para poder
detectar pequeños movimientos en algunas áreas de
al región, ya sea bajo superficies de
casas-habitación, instituciones
de gobierno, educativas, salud o alguna otra y de
empresas, que
se tienen alrededor de 150 en la ciudad de Mexicali y su
valle.

El costo del sistema
electrónico propuesto no es muy costoso, por lo cual
justifica su desarrollo y con ello que se puede lograr una
vinculación muy establecida entre autoridades de Conalep
Mexicali I y autoridades de diversas dependencias de
gobierno.

Marco
Teórico.

La corteza terrestre experimenta casi continuamente
pequeños e imperceptibles movimientos de
trepidación, sólo registrables por aparatos
especiales de extraordinaria sensibilidad. Pero a veces, estos
movimientos de trepidación, conmoción u
oscilación, son más intensos y se manifiestan como
sacudidas bruscas, ordinariamente repetidas, que el hombre
percibe directamente o por los efectos que producen.

Con el nombre general de sismos o seísmos se
designa a todos estos movimientos convulsivos de la corteza
terrestre, que se clasifican en micro sismos, cuando son
imperceptibles; macro sismos, cuando son notados por el hombre y
causan daños en enseres y casas, y mega sismos, cuando son
tan violentos que pueden producir la destrucción de
edificios, la ruina de ciudades enteras y gran número de
víctimas. Los macro sismos y mega sismos son los conocidos
con el nombre de terremotos o
temblores de tierra.

El estudio de los fenómenos sísmicos es el
objeto de la Sismología. El origen del 90 % de los
terremotos es tectónico, relacionado con zonas fracturadas
o fallas, que dejan sentir sus efectos en zonas extensas. Otro
tipo están originados por erupciones volcánicas y
existe un tercer grupo de
movimientos sísmicos, los llamados locales, que afectan a
una región muy pequeña. Éstos se deben a
hundimientos de cavernas, cavidades subterráneas o
galerías de minas; trastornos causados por disoluciones de
estratos de yeso, sal u otras sustancias, o a deslizamientos de
terrenos que reposan sobre capas arcillosas.

Las aguas de los mares son agitadas por los movimientos
sísmicos cuando éstos se producen en su fondo o en
las costas. A veces sólo se percibe una sacudida, que es
notada en las embarcaciones; pero con frecuencia se forma por
esta causa una ola gigantesca que se propaga por la superficie
con la misma velocidad que
la onda de la marea y que al estrellarse en las costas pueden
ocasionar grandes desastres.

Estas grandes olas sísmicas se llaman de
translación y también tsunamis, nombre con que se
las designa en Japón o maremotos. Un terremoto se origina
debido a la energía liberada por el movimiento
rápido de dos bloques de la corteza terrestre, uno con
respecto al otro. Este movimiento origina ondas
teóricamente esféricas ondas sísmicas, que
se propagan en todas las direcciones a partir del punto de
máximo movimiento, denominado hipocentro o foco, y del
punto de la superficie terrestre situado en la vertical del
hipocentro a donde llegan las ondas por primera vez, el
epicentro.

Desde el hipocentro se generan dos tipos de
ondas:

-Ondas primarias, ondas P (por ser las primeras en
producirse) o longitudinales, que consisten en vibraciones de
oscilación de las partículas sólidas en la
dirección de propagación de las
ondas. Por producir cambios de volumen en los
materiales
se les llama también de compresión; son las de
mayor velocidad y se propagan en todos los medios.

-Ondas secundarias, ondas S (por ser las segundas en
llegar) o transversales, son las que producen una
vibración de las partículas en dirección
perpendicular a la propagación del movimiento. Pueden
vibrar en un plano horizontal o vertical, no alteran el
volumen, son más lentas que las ondas P y no se propagan
a través de los fluidos. Se conocen con el nombre de
ondas de cizalla o distorsión.

    La interferencia de estos frentes de
ondas con la superficie terrestre origina un tercer tipo de
ondas, denominadas superficiales u ondas L. Son más lentas
y al viajar por la periferia de la corteza tienen una gran
amplitud, siendo las causantes de los mayores
desastres.

Se distinguen dos tipos: ondas Love, con movimiento
perpendicular a la dirección de propagación,
llamadas también de torsión, y ondas Rayleigh cuyo
movimiento es elíptico con respecto a la dirección
de las ondas.

Sismógrafo.

Las vibraciones se detectan mediante unos instrumentos
llamados sismógrafos. Unos
son péndulos verticales de gran peso, que inscriben el
movimiento por medio de una aguja o estilete, sobre un papel
ahumado. Otros son horizontales y al oscilar por la sacudida
sísmica trazan un gráfico con una aguja sobre un
papel ahumado arrollado a un tambor o cilindro que gira
uniformemente.

El gráfico puede ser también
señalado mediante un rayo de luz que incide
sobre un papel fotográfico, en el cual van marcados los
intervalos de tiempo por
horas, minutos y segundos. Otros son péndulos invertidos
llamados astáticos, constituidos por una gran masa, que
permanece inmóvil, apoyada sobre un
vástago.

En la actualidad los sismógrafos son
electromagnéticos, recogiéndose el registro de los
movimientos en cintas magnéticas que se pueden procesar y
digitalizar por medio de computadoras.
Mediante diversas observaciones y la comparación de
datos de
diferentes observatorios, se pueden trazar sobre un mapa las
líneas isosistas, que unen los puntos en que se ha
registrado el fenómeno con la misma intensidad y las
homosistas, que unen todos los puntos en que la vibración
se aprecia a la misma hora.

En cada observatorio debe haber diferentes tipos de
sismógrafos: dos horizontales, orientados según el
meridiano y el paralelo del lugar y uno vertical; para que sea
posible apreciar todas las particularidades de cualquier
movimiento sísmico. Los sismogramas son las gráficas marcadas por el estilete del
sismógrafo, o el rayo luminoso, sobre el papel del tambor
giratorio. En un sismograma se pueden diferenciar varias partes
según la proximidad o lejanía del epicentro
respecto al observatorio.

Sismos.

Se denomina sismo, seísmo o
terremoto a las sacudidas o movimientos bruscos del
terreno generalmente producidos por disturbios tectónicos
o volcánicos. En algunas regiones de América
se utiliza la palabra temblor para indicar movimientos
sísmicos menores y terremoto para los de mayor
intensidad. En ocasiones se utiliza maremoto
para denominar los sismos que ocurren en el mar.
La ciencia que
se encarga del estudio de los sismos, sus fuentes y de
cómo se propagan las ondas sísmicas a través
de la Tierra
recibe el nombre de
sismología.

Origen.

El origen de la gran mayoría de los terremotos se
encuentra en una liberación de energía producto de la
actividad volcánica
o a la tectónica de placas. Los terremotos
tectónicos se suelen producir en zonas donde la
concentración de fuerzas generadas por los límites de
las
placas tectónicas dan lugar a
movimientos de reajuste en el interior y en la superficie de
la
Tierra.

Es por esto que los sismos de origen tectónico
están íntimamente asociados con la formación
de fallas
geológicas. Suelen producirse al final de
un ciclo denominado ciclo sísmico, que es el
periodo de tiempo durante el cual se acumula deformación
en el interior de la Tierra
que más tarde se liberará repentinamente.
Dicha liberación se corresponde con el terremoto, tras el
cual, la deformación comienza a acumularse
nuevamente.

A pesar de que la tectónica de placas y la
actividad volcánica son la principal causa por la que se
producen los terremotos, existen otros muchos factores que pueden
dar lugar a temblores de tierra: desprendimientos de rocas en las
laderas de las montañas, hundimiento de cavernas,
variaciones bruscas en la
presión atmosférica
por ciclones
e incluso actividad humana. Estos mecanísmos generan
eventos de baja magnitud que generalmente caen en el rango de
microsismos, temblores que solo pueden ser detectados por
sismógrafos.

El punto interior de la Tierra donde se produce el sismo
se denomina foco sísmico o hipocentro, y el punto
de la superficie que se halla directamente en la vertical del
hipocentro- y que, por tanto, es el primer afectado por la
sacudida -recibe el nombre de epicentro.

El movimiento sísmico se propaga mediante ondas
elásticas (similares al sonido), a partir
del hipocentro. Las
ondas sísmicas se presentan en tres
tipos principales: dos de ellas son ondas de cuerpo que solo
viajan por el interior de la Tierra y el tercer tipo corresponde
a ondas superficiales, y son las responsables de la
destrucción de obras y pérdida de vidas
humanas.

• Ondas longitudinales, primarias o P: Tipo de
  ondas de cuerpo que se propagan a una velocidad de entre 8 y 13
  kilómetros por segundo y en el mismo sentido que la
  vibración de las partículas. Circulan por el
  interior de la Tierra, atravesando tanto líquidos como
  sólidos. Son las primeras que registran los aparatos de
  medida o sismógrafos, de ahí su nombre "P" o
  primarias.
• Ondas transversales, secundarias o S: Son
  ondas de cuerpo más lentas que las anteriores (entre
  cuatro y ocho kilómetros por segundo) y se propagan
  perpendicularmente sentido de vibración de las
  partículas. Atraviesan únicamente los
  sólidos y se registran en segundo lugar en los aparatos
  de medida.
• Ondas superficiales: Son las más lentas
  de todas (3,5 kilómetros por segundo) y son producto de
  la interacción entre las ondas P y S a lo
  largo de la superficie de la Tierra. Son las que producen
  más daños. Se propagan a partir del epicentro y
  son similares a las ondas que se forman sobre la superficie del
  mar. Este tipo de ondas son las que se registran en
  último lugar en los sismógrafos.

Tipos de
sismos.

Los principales tipos de sismos se presentan a
contnuación:

• Volcánicos: directamente relacionados
  con las erupciones volcánicas. Son de poca intensidad y
  dejan de percibirse a cierta distancia del
  volcán.
• Tectónicos: originados por ajustes en
  la litosfera. El hipocentro suele encontrarse localizado a 10
  ó 25 kilómetros de profundidad, aunque algunos
  casos se llegan a detectar profundidades de hasta 70
  kilómetros.
• Batisismos: su origen no está del todo
  claro, caracterizándose porque el hipocentro se
  encuentra localizado a enormes profundidades (300 a 700
  kilómetros), fuera ya de los límites de la
  litosfera.

Registro de
intensidad de sismos.

Los aparatos utilizados para el registro gráfico
de los movimientos sísmicos reciben el nombre de

sismógrafos, y la gráfica donde va
quedando plasmada la amplitud y duración del paso de las
ondas, sismograma. La intensidad se mide por los efectos
destructivos que ha tenido el seísmo sobre los bienes humanos
y para ello se emplean unas escalas cualitativas que expresan en
"grados" los anteriores efectos. Las más empleadas son las
de Mercalli y Richter:

• Escala de Richter:
  una escala logarítmica
  que se usa para medir la energía liberada por un
  terremoto.
• Escala de Mercalli:
  es una escala cualitativa usada para medir "intensidad" o
  los efectos causados por terremotos en edificios,
  construcciones y personas.

Se denominan curvas isosistas a las que unen los
puntos donde el terremoto ha tenido igual intensidad y se
sitúan rodeando al epicentro. Las curvas homosistas
son las que unen los puntos donde el terremoto se ha sentido a la
misma hora.

Distribucion
geográfica.

No todas las regiones de la Tierra son igualmente
propensas a las sacudidas sísmicas. Estudiando la distribución del hipocentro de los
distintos terremotos que han tenido lugar a lo largo de la
historia, se ha
dividido la superficie terrestre en tres zonas
distintas:

• Regiones sísmicas: zonas débiles
  de la corteza terrestre muy propensas a sufrir grandes
  movimientos sísmicos. Suelen coincidir con regiones
  donde se levantan cadenas montañosas de reciente
  formación.
• Regiones penisísmicas: ondas en las que
  sólo se registran terremotos débiles y no con
  mucha frecuencia.
• Regiones asísmicas: zonas muy estables
  de la corteza terrestre en las que raramente se registran
  terremotos.

Costo del
material.

El material propuesto para el desarrollo del sistema
detector de sismos, consiste de lo siguiente:

Metodología.

El método de
estudio de la propuesta para el diseño y
fabricación de un sistema detector de sismos, consiste en
el análisis de lo siguiente:

a). Tipo de suelo en
Mexicali. Las características del tipo de suelo es
la ciudad de Mexicali y su valle, es arcilloso y arenoso en la
mayor cantidad de la región. Con este tipo de suelo, se
contemplan los movimientos sísmicos que son más
propensos que los de suelo tipo rocoso.

b). Análisis del epicentro. Las zonas
donde se han detectado una mayor cantidad y el grado mayor de
los movimientos sísmicos, ocurre en el centro de la
región del valle de Mexicali.

c). Desarrollar la propuesta del sistem detector de
sismos a autoridades de Conalep Mexicali I y de
gobierno.

Propuesta del
sistema.

El sistema detector de sismos consiste de dispositivos
electrónicos, siendo un tema con el cual fuimos asesorados
por el M.C. Gustavo López Badilla. A continuación
se muestran nuestras propuestas:

PROPUESTA GENERAL DEL SISTEMA DETECTOR
DE SISMOS.

PROPUESTA ESPECIFICA DEL SISTEMA
DETECTOR DE SISMOS.

Conclusiones.

Los sistemas de detección de sismos son muy
importantes para prevenir desastres
naturales que puedne ocasionar graves pérdidas humanas
y económicas, afectando la economía de las regiones
afectadas. Es por eso que éste estudio de investigación se resume en lo
siguiente:

•Prevención antisísmica en zonas
sísmicas como la ciudad de Mexicali.

•Metodología de detección con un
detector con dispositivos electrónicos
sencillos.

•El costo del sistema es accesible.

•Propuesta para ser aplicada en actividades de
campo.

Referencias
bibliográficas.

1. Centro Nacional de Prevención de Desastres
(CENAPRED), Antecedentes históricos de sismos,
2004.

2. Martinez, Antonio; Historia de Baja California;
2000.

3. González Arturo y Herrera Jorge; Sistema de
detección electrónicosñ 1998.

4. Nuñez Oscar y Beltrán Samuel;
Dispositivos de detección remota (Sensores);
1999.

M.C. Gustavo López
Badilla1

Jesús Abraham Alcántara de
Santiago2,

Cesar Flores
García2,

Ivonne Fuentes Galindo2,

Mario Cesar Hurtado
López2,

María Verónica Lugo
Castorena2,

Heriberto Yañez
Guerrero2.

1 Investigador Académico, CONALEP,
Mexicali I, Mexicali, Baja California, México.

2 Estudiantes de Productividad,
CONALEP, Mexicali I, Mexicali, Baja California,
México.