Análisis espacial de la actividad sísmica reciente del sur de España

Resumen

El objetivo de la presente Tesis es la aplicación de diferentes técnicas de localización conjunta para la caracterización general de la actividad sísmica reciente del sur de España (década 1998-2007) y de las tendencias espacio-temporales de algunas series sísmicas recientes con el fin de determinar la fracturación dominante generadora de dicha actividad sísmica agrupada. La localización precisa de los terremotos es uno de los objetivos más importantes dentro de la Sismología desde que se dispone de datos sísmicos. Gracias a ella se puede obtener una visión preliminar de la distribución espacial de la actividad sísmica (sismicidad espacial) en una zona así como de las fallas o estructuras concretas generadoras de terremotos. El problema de la localización de los terremotos a partir de los tiempos de viaje continúa siendo una línea de investigación abierta dentro de la Sismología Moderna tras las mejoras obtenidas en la calidad y proceso de los datos. Actualmente, se intenta optimizar la precisión de las localizaciones mediante la obtención de mejoras en los modelos de Tierra, en las correcciones de estación y de tiempos de viaje foco-estación y en los métodos y algoritmos de localización. Los trabajos en los que se han aplicado nuevas técnicas de localización conjunta a la sismicidad ocurrida en diferentes partes del mundo son numerosos. En el caso de la Península Ibérica la aplicación de estas nuevas técnicas para la relocalización de todo un catálogo de terremotos de una zona o de la sismicidad ocurrida en un área extensa durante un periodo largo de tiempo ha sido escasa. Una excepción es el trabajo de Mezcua y Rueda (1997), quienes utilizaron la técnica de localización conjunta de hipocentros (JHD) para relocalizar la sismicidad ocurrida en el Mar de Alborán y zonas adyacentes durante el periodo 1950-1995. Por el contrario, sí se han hecho esfuerzos importantes por relocalizar con mayor precisión los eventos a escala local durante intervalos temporales cortos, por ejemplo series sísmicas o enjambres de terremotos, ocurridos principalmente en el sur de la Península Ibérica. En este sentido se pueden destacar, entre otros, los trabajos de Mezcua y Rueda (1994), Stich et al. (2001), Saccorotti et al. (2002), Ocaña et al. (2008b) y Carmona et al. (2008). Esta Memoria de Tesis Doctoral se ha organizado en cinco Capítulos más Referencias y Apéndices. En el Capítulo 1 se enmarca la zona de estudio, el sur de España, dentro del contexto geológico y sísmico de la Cordillera Bética. Esta zona constituye la zona de mayor actividad sísmica de la Península, con una sismicidad actual de carácter moderado pero donde han ocurrido terremotos históricos causantes de numerosos daños en el pasado, siendo los más importantes los de los años 1431 (dos terremotos ese año), 1522, 1680, 1804, 1829 y 1884 que alcanzaron una intensidad I ¿ IX (European Macroseismic Scale, EMS) y otros ocurridos en 1406, 1504, 1518, 1531, 1644, 1658, 1674, 1806 que alcanzaron una I ¿ VIII (EMS). La revisión de la actividad sísmica histórica e instrumental de las Béticas pone de manifiesto que se trata de una zona donde los eventos tienden a agruparse en el espacio y en el tiempo constituyendo diferentes formas de series sísmicas, razón por la cual estos eventos deben considerarse como fenómenos interrelacionados. El análisis de los principales episodios sísmicos ocurridos en la última década (1998-2007) en el sur de España muestra que, mayoritariamente, se trata de series de réplicas acompañando a un evento principal, aunque también se producen otras series en las que, debido a la homogeneidad de las magnitudes de los eventos involucrados, no se puede hablar de un terremoto principal, sino de un enjambre de terremotos. Los periodos sísmicos más importantes son doce: los enjambres sísmicos de 1998 (Iznájar, Córdoba), de 2000 (Loja, Granada), de 2000-2001 (Albuñol, Granada) y de 2005 (Cañete la Real, Málaga) y las series de 1999 (Mula, Murcia), de 2002 (Gérgal, Almería), de 2002 y 2005 (La Paca, Murcia) de 2002 y 2007 (Morón de la Frontera, Sevilla) y de 2006 (Cañete la Real, Málaga). De todas estas secuencias cabría destacar, por un lado, la ocurrencia en un corto periodo de tiempo (sólo seis años, de febrero de 1999 a enero de 2005) de tres series sísmicas en la zona de Murcia y, por otro, la gran relevancia que cobra desde un punto de vista sísmico la zona de Morón de la Frontera, con una actividad que se ha intensificado en los dos últimos años con la ocurrencia de las series de enero y verano de 2007 y, además, otra nueva serie en octubre de 2008, fuera del periodo de análisis de esta Tesis. En el Capítulo 2 se presenta una revisión comparativa de las diferentes técnicas de localización individual y conjunta. Las técnicas tradicionales de localización individual de eventos, basadas en la linealización del problema de localización propuesta por Geiger (1912), se siguen empleando en la inmensa mayoría de los Centros por su fácil implementación, independencia y rapidez a la hora de determinar localizaciones. No obstante, estas localizaciones suelen estar sesgadas por la utilización de modelos de Tierra aproximados que no representan adecuadamente las heterogeneidades reales. Para reducir esos sesgos se presentan diferentes metodologías de determinación conjunta de hipocentros en las que para determinar la localización de un evento se considera la información proporcionada por un conjunto de eventos cercanos. Dentro de estas técnicas están el método de la doble diferencia, la localización con correcciones de estación y la localización con evento maestro. Los antecendentes del empleo de algunas de estas metodologías de localización conjunta a series sísmicas del sur de España incluyen, por ejemplo, Mezcua y Rueda (1994), que han aplicado a la serie de Palenciana (Córdoba) de 1989 una metodología basada en el cálculo de los tiempos S-P mediante una función de correlación cruzada en el dominio del tiempo. El algoritmo de relocalización de la doble diferencia ha sido aplicado por Gomis et al. (2008) a la serie de Gérgal de 2002, por Santoyo et al. (2008) a la serie de Adra-Berja de 1993-1994 y por Santoyo y Luzón (2008) a las tres series sísmicas ocurridas en Murcia (1999, 2002 y 2005). La técnica de localización con correlación cruzada y evento maestro ha sido usada por Stich et al. (2001) para localizar relativamente la sismicidad en el área Adra-Mar de Alborán en el periodo 1993-1998, incluyendo los dos terremotos principales de magnitud 4.9 y 5.0. Esta técnica ha sido también empleada por Saccorotti et al. (2002) y por Carmona et al. (2008) para relocalizar los enjambres de Agrón de 1988-1989 y de Iznájar de 1998, respectivamente. En la presente Tesis se han escogido dos de estas técnicas para la relocalización conjunta de la sismicidad del sur de España a escala regional y local. Por una parte, se ha seleccionado la metodología de los términos de estación específicos de la fuente (Richards-Dinger y Shearer, 2000) que permite corregir los sesgos en las localizaciones debidos a variaciones laterales en el modelo de velocidad y que puede aplicarse a un conjunto grande de eventos ocurrido en una zona extensa. Con ella se ha relocalizado la sismicidad relevante (md ¿ 2.5) del sur de España en la década 1998-2007 (Capítulo 3). Por otro lado, para el estudio detallado de series sísmicas recientes ocurridas en la zona de estudio, se ha elegido la técnica de correlación cruzada en el dominio del tiempo y localización con evento maestro, que permite obtener familias de eventos semejantes, corregir los tiempos de llegada mediante la comparación de parejas con formas de onda similares y, al determinarse tiempos más precisos, calcular localizaciones relativas con menores incertidumbres (Capítulo 4). En el Capítulo 3 se presenta la técnica de localización conjunta usando términos correctores de estación tanto estáticos (aquellos que asignan un valor fijo para cada estación) como dependientes de la fuente (en los que la función correctora depende de la posición del foco sísmico). En ciertas situaciones, como cuando la sismicidad aparece fuertemente agrupada en el espacio en una región pequeña comparada con las distancias fuente-receptor o cuando los errores en el modelo de velocidad empleado están confinados a grandes profundidades, se pueden emplear las correcciones de estación estáticas, es decir, se puede asignar un valor corrector para cada estación. Una generalización de este caso es el de las correcciones de estación específicas de la fuente, en el que a cada estación se le asigna una función dependiente de la fuente que permite mejorar las localizaciones relativas entre eventos cercanos sin necesidad de resolver el modelo de velocidad. Esta variante puede aplicarse a situaciones más generales como, por ejemplo, la localización de la sismicidad en una región extensa que contiene heterogeneidades laterales significativas en el modelo de velocidad. El algoritmo para la determinación de ambos tipos de correcciones es bastante similar en el planteamiento. En primer lugar se determinan los términos de estación estáticos de los residuos de todos los eventos a cada estación. Los eventos se relocalizan considerando esos términos de estación. Con las nuevas localizaciones se determinan nuevos términos de estación y así sucesivamente (Shearer, 1997). Si se trata de términos de estación dependientes de la fuente los términos de estación ya no se determinan a partir de todos los eventos, sino que se aplica algún criterio para considerar únicamente los terremotos más próximos (Astiz et al., 2000; Richards-Dinger y Shearer, 2000; Lin y Shearer, 2005). Esta metodología se ha aplicado a la sismicidad del sur de España ocurrida durante el periodo 1998-2007, al principio del cual se comenzó a desplegar la red de Banda Ancha del Instituto Andaluz de Geofísica (IAG), que ha mejorado la cobertura regional de estaciones y ha permitido registrar un mayor número de eventos sísmicos. Se han usado los programas incluidos en el paquete COMPLOC (Lin y Shearer, 2006) que calculan los términos de estación específicos de la fuente a partir de la metodología propuesta por Lin y Shearer (2005), tomando como eventos próximos al terremoto en consideración, aquellos incluidos en una esfera centrada en el evento prueba cuyo radio se disminuye con cada iteración. Se ha seleccionado un conjunto inicial de 4100 eventos con magnitud duración md ¿ 2.5 y se han usado los registros de un total de cincuenta y cinco estaciones sísmicas que han aportado 26096 lecturas de fases P y 17447 lecturas de fases S. Estas estaciones, tanto de banda ancha como de corto periodo, pertenecen en su mayoría al IAG, pero en zonas y para periodos con poca cobertura de estaciones sísmicas por parte del mencionado Centro, en especial para las series sísmicas recientes, se ha añadido información de estaciones pertenecientes al Instituto Geográfico Nacional (IGN), al Real Instituto y Observatorio de la Armada (ROA) y a Geofon. Partiendo de los criterios iniciales impuestos al programa de localización comploc.f (como por ejemplo, un mínimo de cinco fases necesarias para el cálculo de la relocalización y una distancia máxima fuente-receptor igual a 100 km) finalmente se han relocalizado 2705 eventos, en su mayoría de la zona central de la Cordillera Bética y zona centro-norte del Mar de Alborán. En estas zonas se ha contado con un mayor número de estaciones en funcionamiento durante el periodo estudiado y, por tanto, un mayor número de eventos y de lecturas disponibles. En general, las localizaciones obtenidas muestran una mayor agrupación espacial de la sismicidad siendo además muy clara la identificación de la mayoría de las series sísmicas relevantes ocurridas durante esa década. Además, a partir de los términos de estación estáticos, se han podido distinguir en la zona más superficial bajo las estaciones sísmicas algunas anomalías de velocidad: negativas, por ejemplo, en la terminación occidental de la Cordillera Bética y en el campo de Gibraltar, y positivas en ciertos sectores alrededor de la Cuenca de Granada. Tras la relocalización, los residuos han disminuido considerablemente y se ha obtenido una distribución de profundidades más realista. La relocalización relativa de la sismicidad regional indica que la mayoría de los terremotos son poco profundos (h ¿ 20 km) y es destacable la existencia de un gradiente de profundidad que va desde eventos someros en la Cordillera Bética central, en la Depresión de Granada, a terremotos intermedios (entre 50 y 90 km) en el sur de la provincia de Málaga y zonas costeras del Mar de Alborán. Estas mejoras son también notables en la distribución espacial de los eventos de las series sísmicas relocalizadas, que se traducen en valores de profundidad menos dispersos: 8-18 km para el enjambre de 1998 (Iznájar), 0-10 km para la serie de 2000-2001 (Albuñol), 2-24 km para la de 2002 (Gérgal), 0-25 km para las de 2002 y 2005 (La Paca), 0-20 km para las de 2005 y 2006 (Cañete la Real) y un doble rango, 0-5 km y 20-40 km, para las dos series de 2007 (Morón de la Frontera), aunque el valor más realista de profundidad para estos terremotos es el más somero. En el Capítulo 4 se presenta la metodología de localización relativa usando correlación cruzada de las formas de onda y considerando un evento maestro, así como su aplicación a la relocalización de las series sísmicas más recientes de las Béticas: la de 2005 de La Paca (Murcia) y las de enero y verano de 2007 de Morón de la Frontera (Sevilla). Los resultados de la primera serie han sido ya publicados en la revista Physics of the Earth and Planetary Interiors bajo el título "Spatial analysis of the La Paca, SE Spain, 2005 seismic series through the relative location and principal componente analysis" (Ocaña et al., 2008b; véase Apéndice C). Básicamente, los pasos seguidos en la aplicación de esta metodología de localización relativa han sido los siguientes: localización individual con el programa Hypocenter (Lienert y Havskov, 1995) de los eventos de cada una de las series a partir de las formas de onda de estaciones sísmicas cercanas (IAG, IGN, Geofon y proyecto TOPOIBERIA) buscando conseguir en cada caso la mejor distribución posible de estaciones en torno a la zona epicentral; búsqueda de terremotos con formas de onda fuertemente coherentes dentro de cada serie mediante el análisis de correlación cruzada en el dominio del tiempo de las fases P y S entre pares de eventos; organización de los terremotos similares en familias de multipletes aplicando el algoritmo de equivalencia de clases de Maurer y Deichmann (1995); elección de un evento maestro representativo para cada familia; determinación de los retardos (diferencias de tiempos de llegada de las fases P y S entre el evento maestro y el resto de multipletes incluidos en la familia) mediante análisis de correlación cruzada en el dominio del tiempo; localización relativa de los multipletes de cada familia en función del maestro utilizando los retardos estimados anteriormente y la técnica de inversión de descomposición en valores singulares. Los posibles planos de fractura predominantes en las series determinados a partir de las localizaciones relativas se han comparado con los obtenidos mediante la caracterización espacio-temporal aplicando Análisis de Componentes Principales (ACP) y con la información de mecanismos focales disponibles para cada serie. Para la serie de La Paca de 2005, con 262 eventos (1.2 ¿ md ¿ 4.8) ocurridos en tres semanas (29/01/2005-20/02/2005) se han obtenido dieciséis familias con entre 3 y 25 multipletes cada una, que incluyen a 118 de los terremotos seleccionados originalmente. Las localizaciones relativas determinadas tienen precisiones de varias centenas de metros en el plano horizontal, y de hasta varios kilómetros en profundidad por la falta de estaciones sísmicas a distancias cortas. En consecuencia los planos determinados son prácticamente verticales. El acimut de los planos obtenidos tiene un valor predominante N145°±17°E y existen otras dos tendencias N6°±6°E y N40°±7°E, valores que concuerdan con los determinados mediante ACP (N145°±3°E, N42°±4°E y N14°±4°E) y con los obtenidos a partir de los planos nodales de los tensores momento sísmico de los eventos de mayor magnitud de la serie (Stich et al., 2006; Benito et al., 2007). Estos conjuntos de planos caracterizan fallas conjugadas. Estas fallas forman parte de un cinturón mayor de deformación de cizalla distribuida que se extiende desde el sureste de España a lo largo del Mar de Alborán. La orientación N349°E de eje de esfuerzos principal ¿1 en el cinturón de cizalla (Stich et al., 2006) está próxima a la bisectriz del ángulo agudo que forman las direcciones de los planos de los multipletes N145°E y N6°E, lo que representa una coincidencia entre la deformación local y las condiciones de esfuerzos regionales medias. Para la serie de Morón de la Frontera de enero de 2007, con 157 eventos (1.0 ¿ md ¿ 3.5) en las tres semanas posteriores a la ocurrencia de los dos eventos principales (2 de enero, Mw 3.6), se han obtenido ocho familias de entre 3 y 27 multipletes cada una, que agrupan a 76 de los eventos de la serie. Los planos de mejor ajuste presentan buzamientos casi verticales y direcciones predominantes: N49°±19°E, N160°±10°E, N5°±6°E y N29°±8°E. La dirección de la familia 1 (N49°E), que incluye a uno de los eventos principales de la serie, es similar a la orientación N44°E de uno de los planos nodales del mecanismo focal de dicho terremoto. La principal tendencia obtenida con ACP, presente a lo largo de toda la serie (N14°±6°E) así como otras dos tendencias adicionales (N159°E y N37°E) son similares a los planos definidos por los epicentros. Además, las direcciones N37°E y N29°E coinciden, aproximadamente, con la de un plano nodal del tensor momento sísmico del otro evento principal del 2 de enero (Stich 2008, comunicación personal). Por tanto, combinando la información obtenida de la localización relativa y del ACP se determinan los planos de falla de los dos eventos principales de la serie. Para la segunda serie de 2007 compuesta por 309 eventos (1.1 ¿ md ¿ 4.5) ocurridos del 30 de junio al 30 de septiembre, se reconocen un total de catorce familias de 3 a 33 multipletes, que aglutinan a 87 de los eventos de la serie. Los errores en profundidad dificultan el análisis por el bajo buzamiento de los planos. Las principales tendencias obtenidas son: N42°±16°E, N107°±12°E, N138°±11°E y N175°±7°E, similares a dos de las calculadas con el análisis ACP: una tendencia inicial N110°±2°E (equivalente en la N107°±12°E) y otra final N129°±1°E (que se corresponde con la N138°±11°E). Estas tendencias, además, son similares a las de algunos de los mecanismos focales calculados para los eventos más grandes (Stich 2008, comunicación personal). Finalmente, en el Capítulo 5 se recopilan las principales conclusiones obtenidas. Por un lado, se han determinado mejores localizaciones relativas entre eventos cercanos tras la aplicación de los términos de estación específicos de la fuente al corregir los sesgos en los tiempos de llegada de las fases debidos a heterogeneidades laterales en el modelo tridimensional de velocidad. Por otra parte, se ha seleccionado y aplicado una metodología de localización con evento maestro y correlación cruzada de formas de onda para identificar multipletes y obtener retardos precisos de las ondas P y S entre eventos maestro-esclavo de cada familia. Los nuevos parámetros hipocentrales relocalizados para las series de La Paca (2005) y las dos series de Morón (2007) tienen alta precisión, especialmente en el plano horizontal, y las familias relocalizadas tienen extensiones de decenas de metros o pocas centenas de metros. Se han determinado las tendencias espaciales predominantes que son, en las tres series estudiadas, próximas a las estimadas con técnicas ACP y a partir de los mecanismos focales de los terremotos principales de cada una de ellas.