Estructura de velocidades de ondas de corte mediante arreglos de microtemblores de largo periodo

XIII JORNADAS GEOTÉCNICAS DE LA INGENIERÍA COLOMBIANA
Y VI FORO SOBRE LA GEOTÉCNICA DE LA SABANA DE BOGOTÁ
DETERMINACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE VELOCIDADES DE ONDAS DE
CORTE MEDIANTE ARREGLOS DE MICROTEMBLORES DE LARGO
PERIODO
Andrés José Alfaro Castillo
y
Toshiaki Yokoi
International Institute of Seismology and Earthquake Engineering, IISEE
RESUMEN
La evaluación de los efectos locales es una de las labores más importantes en la ingeniería
sismológica. Con el fin de realizar dicha evaluación es necesario determinar la estructura de
velocidades de ondas de corte del sitio. Adicionalmente, en algunas cuencas sedimentarias, es
importante conocer la estructura de los sedimentos profundos, debido a la amplificación de ondas
de largo periodo. Existen varias técnicas para lograr este propósito, probablemente la menos
costosa es utilizando la componente vertical de los microtemblores mediante un arreglo de
sismógrafos. Mediante la utilización de varias técnicas de optimización es posible la inversión de
las velocidades de fase de las ondas Rayleigh y se puede obtener el perfil de las ondas de corte
(Vs). En la mayoría de los casos se utiliza el método de los mínimos cuadrados para realizar la
inversión. Recientemente, los métodos heurísticos se están utilizando para invertir las velocidades
de fase en la exploración con microtemblores.
En este estudio se realizaron siete arreglos de microtemblores en la ciudad de Tsukuba
(Japón), ubicada en la parte Nororiental de la cuenca sedimentaria de Kanto, con el fin de
determinar la estructura de velocidades. Para determinar las curvas de dispersión de las
velocidades de fase se utilizó el método de la autocorrelación espacial SPAC en un rango de
frecuencias de 0.3 a 5.0 Hz. La determinación de los perfiles alcanzó una profundidad de 750m.
La comparación de los resultados con una perforación en el centro del arreglo mostró la
efectividad del método. La obtención de los perfiles de Vs, la posibilidad de alcanzar importantes
profundidades en áreas urbanas y su bajo costo, comparado con los métodos convencionales de
prospección geofísica, hacen del Método de Exploración con arreglos de microtemblores, una
herramienta atractiva y útil para estudios de microzonificación en países en vías de desarrollo.
Palabras clave: Microtemblores, Medición mediante arreglos, Cuenca del Kanto, Tsukuba,
SPAC, Velocidad de ondas de corte, Microzonificación Sísmica.
1. Introducción
La geometría de la estructura del subsuelo, los tipos de suelo y la variación de sus
propiedades con la profundidad, las discontinuidades laterales y la topografía del terreno pueden
producir grandes amplificaciones de la señal sísmica e incrementar el daño durante terremotos
destructivos. Por esta razón, cuando se realizan estudios de microzonificación sísmica es muy
importante conocer en forma detallada la geometría y la estructura de velocidades de ondas de
corte Vs en depósitos aluviales y diluviales, y saber la ubicación del basamento rocoso.

Andrés Alfaro y Toshiaki Yokoi

Usualmente la Vs se determina en el terreno mediante la utilización de técnicas
convencionales de prospección sísmica (reflexión, refracción, perforaciones: down-hole, up-hole
y cross-hole) o en el laboratorio, mediante ensayos dinámicos en muestras de suelo. El uso de los
métodos convencionales de exploración
presenta algunas dificultades cuando se requiere
determinar la estructura profunda de los sedimentos. Por ejemplo, en campañas de reflexión o
refracción, se necesitan fuentes externas como explosivos o equipos vibratorios, lo cual algunas
veces no es fácil de realizar en zonas urbanas. Adicionalmente, las dimensiones de los arreglos
que se requieren dependen de la profundidad de interés y en zonas urbanas puede ser difícil su
despliegue. A lo que hay que sumar que el costo de la prospección geofísica a profundidad es
costoso, por lo tanto, en la mayoría de los casos en los estudios de microzonificación sísmica, se
limita la profundidad a las capas con velocidades menores a 400 m/s (Basamento rocoso en
Ingeniería) y no el verdadero reflector profundo de las ondas incidentes, que tiene velocidades
mayores a 3.000 m/s (Basamento Rocoso sísmico). Por otra parte, el costo de realizar
perforaciones profundas es elevado y los resultados son válidos para un único sitio.

Las técnicas que utilizan microtemblores se han venido consolidando en las últimas
décadas como buenas herramientas para el reconocimiento y la investigación de estructuras
superficiales y profundas del suelo (Alfaro 2005a, 2005b). Hay varias técnicas que utilizan los
microtemblores, durante los últimos años la relación espectral Horizontal Vertical (HVSR) se ha
utilizado en todo el mundo principalmente debido al artículo de Nakamura (1989) con el fin de
determinar los periodos predominantes para clasificación del tipo de suelo (Alfaro et al., 2001;
Bhattarai, 2005 ). La HVSR generó toda una serie de debates debido a la falta de robustez en la
teoría (Horike et al., 2001), sin embargo, Arai y Tokimatsu (2000, 2004) desarrollaron una
técnica que permite la determinación de la estructura de Vs mediante la inversión de la relación
H/V. Ellos desarrollaron una formulación completa ensamblando las ondas superficiales con el
fin de realizar la inversión.

En esta investigación se utilizó la técnica de arreglos de microtemblores, debido a que es
una teoría robusta y ha sido usada en diferentes partes del mundo, principalmente en Japón,
adicionalmente con el fin de utilizar el método propuesto por Morikawa et al. (2004), método de
Autocorrelación Espacial de dos estaciones 2sSPAC, el cual genera resultados con similar calidad
utilizando