Pedro Rivero, América Bendito y William Lobo Quintero

Departamento de Estructuras, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes, Mérida, Venezuela.

Se analiza la actividad sísmica registrada en el Occidente de Venezuela durante el período comprendido entre 1960 y el primer trimestre del año 2004, para detectar decrecimientos en la actividad sísmica que puedan preceder a la ocurrencia de sismos fuertes en la región. Las propiedades de esta quiescencia sísmica se determinan como función del tiempo y del espacio mediante el programa ZMAP, evaluando la significancia estadística en las variaciones de las tasas de sismicidad en diferentes ventanas de tiempo, respecto a una actividad de fondo. Los resultados muestran una posible quiescencia sísmica de catorce (14) meses de duración, que antecedió al sismo de 5.5 mb en el estado Lara, el 17.08.1991. Otra posible quiescencia sísmica se detectó en el estado Trujillo, ésta duró 57 meses y culminó en un sismo de 5.2 mb en 1993. Se registraron varias falsas alarmas en volúmenes que presentaron anomalías en la tasa de sismicidad debido a la disminución de registros durante el período considerado, y que finalizaron su proceso sin generar ningún sismo principal.

Palabras clave: Sismicidad, actividad precursora, quiescencia sísmica, falla Oca-Ancón.

We have analyzed the catalog of recent seismicity (1960-2004) in the western region of Venezuela, to detect decreases that can precede to the occurrence of strong earthquakes in the region. The properties of this quiescence were mapped as a function of time and space by a gridding technique using the ZMAP computer code, evaluating the statistical significance in the variations of the mean rate of earthquake in a volume, compared to the background rate in this same volume. The results show a possible precursory quiescence of 14 months before the 08.17.91 earthquake (5.5mb) in Lara state. Another possible seismic quiescence was detected in Trujillo state, this one lasted 57 months and culminated in an earthquake of 5.2mb in 1993. Some cases in which a decrease in seismicity was not followed by main shock were detected.

Keywords: Seismicity, precursory activity, seismic quiescence, Oca-Ancón fault.

Recibido: 01/12/04   Revisado: 24/05/05   Aceptado: 01/06/05

1. INTRODUCCIÓN

Cualquier estudio de amenaza sísmica debe pasar por la caracterización de la sismicidad de la región, haciendo uso de la información de sismicidad histórica e instrumental. En general, las investigaciones se orientan por la utilización de catálogos de sismicidad, los cuales contienen información acerca de las coordenadas epicentrales, hora, profundidad, magnitud de eventos y otras informaciones relacionadas a los niveles de daños producidos por algunos de estos eventos. El propósito fundamental de estos catálogos es proveer un registro de la distribución espacio-temporal de los sismos con su magnitud. Mientras más acertado es el registro mejor es la comprensión de los procesos tectónicos que derivan en grandes terremotos. Sin embargo, la mayoría de los catálogos no reportan consistentemente la sismicidad en función del tiempo y espacio. Esto representa un obstáculo para identificar los procesos tectónicos de la región y los patrones de sismicidad para estimaciones de riesgo sísmico, lo cual puede introducir importantes inconsistencias en las conclusiones finales de un análisis.

Los errores más frecuentes en los parámetros de un catálogo son ocasionados por problemas de compilación de la información o a la manera de cómo se determinan los distintos parámetros, entre los cuales se encuentran: a) cambios en la agencia que reporta el evento, b) introducción de nuevas herramientas de computación para el análisis, c) remoción o adición de estaciones sismográficas, d) cambios en la definición de la magnitud, e) diferencias en la corrección de las estaciones y f) inclusión o eliminación de información de las redes locales (Zúñiga y Wyss, 1995).

Además, se ha propuesto que los cambios en las tasas de sismicidad presentes en la mayoría de los catálogos pueden ocurrir como parte de un proceso de preparación para grandes terremotos (Habermann, 1987). Si las variaciones de tasas de sismicidad pueden ser utilizadas como parte de un proceso de predicción sísmica, entonces debe distinguirse entre aquellas que son reales de las hechas por el hombre. Se comprende entonces la importancia que conlleva el conocer en detalle los datos de sismicidad, antes de hacer juicio sobre el riesgo de una zona.

2. CATÁLOGO DE SISMICIDAD DE LA REGIÓN

Para determinar las variaciones espacio-temporales de las tasas de sismicidad en la región Occidental de Venezuela, comprendida entre las coordenadas: latitud 5N a 13N y longitud –74W a -67W, se compiló un catálogo de sismicidad entre 1610 y el mes de marzo de 2004, de la base de datos de la Red Sismológica de los Andes Venezolanos (RedSAV, 1985-2004), de la Fundación Venezolana de Investigaciones Sismológicas (FUNVISIS, 1900-1999) y de la National Earthquake Information Center (NEIC, 1975-2004). El catálogo resultante contiene 7819 eventos sísmicos entre 1.5 y 6.4 de magnitud mb.

La distribución espacial de la sismicidad en la región para el período comprendido entre 1900 y 2004 se muestra en la Figura 1, donde se evidencia como la mayor parte de la sismicidad es producto de la actividad generada dentro del sistema de fallas de Boconó y como el nivel de registro es más numeroso en la región de los Andes venezolanos y particularmente dentro del estado Mérida, por las capacidades de detección aportadas por la red local RedSAV.

La Figura 2 muestra como a partir de 1960 se inicia un incremento en la capacidad de detección de la sismicidad regional, la cual se ve reforzada desde 1985, con la incorporación de los datos aportados por la RedSAV. Por tal motivo, el análisis de sismicidad de la región se realiza para el período comprendido entre 1960-2004 dada la mayor cantidad de eventos que aparecen en el catálogo y donde se tiene un reporte más homogéneo y continuo de la data.

3. CONSISTENCIA DEL CATÁLOGO A TRAVÉS DEL TIEMPO

La cantidad de sismos que aparecen en el catálogo compilado para la región, entre 1960 y 2004, se muestran en la Figura 3 de acuerdo a la magnitud del evento y al tiempo en años. Durante este período la sismicidad ha estado dominada por eventos de pequeña y mediana magnitud y su distribución en el tiempo presenta algunas variaciones, las más importantes parecen ser la ocurrida en el año 1985, a partir del cual la cantidad de eventos aumenta de manera significa y la ocurrida en el año 1999, donde se presenta una disminución de la cantidad de eventos dentro del catálogo.

El primer paso para el estudio de sismicidad consiste en la depuración del catálogo, para la eliminación de eventos dependientes. Se utiliza el algoritmo propuesto en Reasenberg (1985), codificado en ZMAP (Wiemer, 1996), el cual detecta 316 grupos con secuencias de eventos dependientes, que contienen 1152 eventos sísmicos y sustituye cada grupo por un evento principal que se incorpora al catálogo como evento independiente.

El segundo paso es establecer las variaciones del reporte de eventos con el tiempo. Para esto se utiliza el algoritmo GenAS (Generate AS) el cual sirve para encontrar todos los cambios significativos en las tasas de sismicidad haciendo uso de la función AS(t), mediante la comparación iterativa de las tasas de sismicidad entre dos períodos de tiempo consecutivos 1 y 2 (Habermann, 1983). La comparación se realiza mediante un nivel de confianza Z(t) que calcula la diferencia entre ambas tasas según la expresión:

donde R₁ es la tasa promedio del grupo de datos n₁ en el primer período (desde To hasta T), R₂ es la tasa promedio del grupo de datos n₂ en el segundo período (desde T hasta Te) y s_i son las varianzas. La ventana de tiempo establecida es de 1.0 año.

La Figura 4 muestra los resultados de aplicar el algoritmo GenAS al catálogo depurado entre 1960 y 2004. Los cambios en la sismicidad son resaltados por líneas horizontales que corresponden a una banda de magnitud particular y tiempo de ocurrencia. Valores de Z mayores de 2.57 indican que existe una variación con un grado de confiabilidad superior al 99%. Los valores positivos indican un decrecimiento y los valores negativos un incremento en la tasa de sismicidad. Puede notarse como los mayores cambios que afectan diferentes valores de magnitudes ocurren en distintos períodos de tiempo.

Uno de los cambios más importantes, con un valor de Z igual a -10, ocurre durante el año de 1985 y afectó a las magnitudes comprendidas entre 2.0 y 6.0. Este incremento en la tasa de sismicidad registrado por el algoritmo dentro del catálogo de sismicidad, puede explicarse por la incorporación de los datos de RedSAV, que representó un aumento en la capacidad de detección de sismos, incrementando la cantidad de eventos registrados e incluidos dentro del catálogo compilado para la región. La Figura 4 también muestra dos períodos de decrecimiento en la tasa de sismicidad que alcanzan valores superiores a Z=3.0, y afectan al orden de pequeñas magnitudes, entre 1994 y 1999. Lo relevante de esta variación en estos dos períodos, es que se producen dentro del grupo de datos más recientes, de mayor confiabilidad.

La Figura 5 revisa la evolución de la tasa de sismos por año en el curso de los últimos cuarenta y cuatro (44) años. Como se observa en la Figura 5 (superior), existe un incremento en la cantidad de eventos reportados a partir de 1986, respecto a los registrados durante el período comprendido entre 1960 y 1985, que incluye magnitudes entre 2 y 5 mb, para toda la región considerada. La gráfica intermedia de la Figura 5, muestra la comparación entre los períodos 1985-1995 y 1996-2004, donde se observa que en este último período se ha producido una disminución en la tasa de sismos por año correspondientes a magnitudes comprendidas entre 2.5 y 3.5; al mismo tiempo que se ha incrementado el registro de sismos para magnitudes comprendidas entre 3.6 y 4.5 mb. Cuando se compara la tasa de sismicidad anual para los mismos períodos (1985-1995 y 1996-2004), pero excluyendo la data registrada en Colombia, se evidencia que el decrecimiento registrado en la gráfica intermedia de la Figura 5, está asociado a la sismicidad registrada en nuestro país y que el incremento en el registro de sismos con magnitudes de 3.5 a 4.5 se debe a los eventos provenientes, fundamentalmente, de la sismicidad asociada al Nido de Bucaramanga, Colombia.

Para determinar el tiempo donde ocurren las máximas variaciones en la tasa de sismicidad de la región durante el lapso de 1985 a 2004 y su significancia estadística, se aplica la función Long Term Average, LTA (Habermann, 1997) al catálogo depurado de eventos dependientes. Esta función utiliza la ecuación 1 de la función AS(t), pero evalúa diferentes períodos de tiempo, de acuerdo a la siguiente expresión:

donde R_all es la tasa promedio del grupo de datos desde el comienzo hasta el final del período (to hasta te), Rwl es la tasa promedio para el grupo de datos dentro de una ventana de tiempo twl (t hasta twl), si son las varianzas y ni son el número de muestras para las cuales los dos promedios son comparados.

El resultado se presenta en la Figura 6(a) para una longitud de ventana de 1 año. El algoritmo detecta dos picos máximos con valores de Z positivos que indican decrecimientos de la tasa de sismicidad. Uno de éstos se produce en el año 1990.8 (Septiembre de 1990) con un valor de Z igual a 5.32 y el otro, de mayor significancia, se produce en el año 1999 y alcanza un valor de Z igual a 14.4.

La gráfica del número acumulado de eventos registrados por RedSAV y por Funvisis, durante el período 1985-2000, mostrada en la Figura 6(b), evidencia como ambas curvas presentan una aparente irregularidad durante el intervalo 1990-1995, que parece corresponder a la anomalía registrada por el algoritmo LTA (Bendito, 2001). Con la incorporación de nuevos aparatos de registros y el mejoramiento de la red nacional cabe esperar un incremento en la cantidad de eventos registrados y reportados, y no lo contrario. El hecho de que los catálogos de ambas redes (regional y nacional) presenten el mismo fenómeno en el mismo período de tiempo, hace parecer improbable que pueda deberse a problemas de compilación de los datos del catálogo, a problemas de detección por fallas en la red telemétrica o por el cierre de estaciones. Es posible entonces que la causa pueda ser atribuida a un proceso tectónico natural. Para intentar explicar este fenómeno se debe ubicar espacialmente el decrecimiento en la actividad sísmica.

4. EVALUACIÓN DE ACTIVIDAD SÍSMICA PRECURSORA

Se delimita el catálogo dentro de una ventana de tiempo comprendida entre 1990 y 1992, para la evaluación de la variación en la tasa de sismicidad detectada en 1990.8 por el algoritmo LTA. La distribución espacial de los eventos para este período se muestra en la Figura 7(a). Luego de una cuidadosa revisión se determinó que la variación es producto de la sismicidad asociada a un volumen de 30 km de radio con centro en las coordenadas: longitud -70.0W, latitud 10N. Esto puede comprobarse con la gráfica de la Figura 7(b), la cual muestra el número acumulado de sismos en el tiempo para la región durante el período 1990-1993. En esta figura se nota un cambio de pendiente en la recta, la cual se produce a mediados del año 1990 y dura un período de 14 meses, aproximadamente. Esta actividad anómala en la tasa de sismicidad es la reportada por el algoritmo LTA en la Figura 6. Este período culmina con un sismo el día 17.08.91, en las cercanías de Curarigua, distrito Torres del estado Lara, con magnitud 5.4 mb (RedSAV). La misma figura muestra como se produce un incremento en la actividad sísmica asociada a las réplicas del sismo principal, y luego la línea adopta una pendiente similar al inicio del reporte. La línea segmentada representa el número acumulado de eventos en la región excluyendo los sismos generados en el volumen anómalo ilustrado en la Figura 7(a). Es evidente entonces que éste es el responsable del decrecimiento de la tasa de sismicidad observado en la región durante este período de tiempo.

Las características de este fenómeno permiten suponer una posible asociación con una actividad sísmica precursora, en la cual se tiene una actividad de fondo que se mantiene aproximadamente estable y previo a un fuerte (ó moderado) evento se observa un significativo decrecimiento en la tasa de eventos de baja magnitud en un restringido segmento de una zona sismogénica, seguido de un incremento en la actividad por la generación de las réplicas, tal como se observa en la Figura 8(b).

Este volumen es responsable de la mayor parte de la sismicidad generada en el estado Lara y ha producido varios sismos de magnitud superior a 5 mb, los dos últimos el 17.08.91 de 5.5 mb, y el 29.12.95 de 5.1 mb, tal como se muestra en la Figura 8(a). A pesar de que la curva de sismos acumulados entre 1985 y 2004 para la subregión, evidencia algunas características similares entre estos dos eventos, el sismo del 29.12.95 no parece presentar evidencias que permitan suponer alguna actividad precursora previa a su ocurrencia. Sin embargo, queda registrado un incremento en la sismicidad del volumen por las réplicas posteriores.

No todos los eventos moderados o fuertes suelen ser precedidos de alguna actividad precursora. La detección de quiescencia sísmica y su definición en tiempo y espacio, se alcanza en mejor medida si una gran cantidad de eventos está disponible para el análisis y su registro se mantiene homogéneo por espacio de varios años, incluyendo eventos de pequeña magnitud. Para intentar probar la hipótesis de que este evento ha sido precedido por quiescencia, se requiere de aproximadamente 5 años o más de información sísmica instrumental previa de alta calidad. Para el estudio de actividad precursora en el terremoto de Irpina, Italia del 23 de noviembre de 1980 con magnitud ML=6.9 se estimó necesario hasta 10 años de información sísmica previa por cuanto en sismos de esta magnitud la actividad de quiescencia puede tomar varios años (Wyss et al., 1997).

El programa ZMAP se utiliza para identificar cambios significativos en la tasa de sismicidad como función del espacio y del tiempo alrededor del evento ocurrido el 17.08.91 (5.5 mb) en el Distrito Torres, Estado Lara. Se consideran los datos del catálogo comprendido entre 1985 y 2004 y se construye una malla rectangular con nodos separados a cada 0.02 grados. En cada punto nodal (x,y) se seleccionan los 100 eventos más cercanos y se calcula la función LTA usando los valores de Z de la ecuación (4), considerando una ventana de tiempo de un (1) año. Para visualizar sobre un mapa los cambios de sismicidad se asigna a cada valor de Z un color y se plotea en el tiempo t.

Los resultados se muestran en las gráficas de la Figura 9. Para el mes de enero de 1991 (siete meses antes del evento principal) se hace notorio un decrecimiento de la sismicidad señalada por las tonalidades asignadas a los valores positivos de Z cercanos a 8.00 en un área situada aproximadamente a 40 km del epicentro y que se extiende hacia el noroeste. Posterior al evento principal, en Enero de 1993, se registra un incremento en la tasa de sismicidad hacia el este del sistema de Fallas Oca-Ancón, mientras que el resto de la región mantiene condiciones típicas de sismicidad de fondo, no se evidencian valores altos de Z y ninguna anomalía importante parece existir en el resto de la región. Para enero de 1996, se mantiene cierta normalidad en la sismicidad excepto una anomalía presente sobre un volumen ubicado en las coordenadas: longitud -70W, latitud 10N, el cual registra un incremento en la sismicidad, dado por las tonalidades asignadas a los valores negativos de Z, probablemente debido a los eventos posteriores al sismo del 29.12.95.

Figura 9. Variación espacial de la tasa de sismicidad evaluada en diferentes períodos de tiempo, mediante la función LTA

A comienzos del año 1999 comienza a aparecer una amplia zona con decrecimiento en la sismicidad que abarca el estado Táchira, el estado Mérida, y algunos sectores de la traza de la falla de Boconó. En el mes de enero de 2000, la misma anomalía comienza a afectar el sector este del sistema de fallas Oca-Ancón, específicamente sobre la sección VE-01d. En esta zona se reportan los valores más altos de Z, y parece así explicar el porqué del decrecimiento (Z=14.4) detectado por el algoritmo LTA para el año de 1999, mostrado en la Figura 6(a).

Esta misma situación se mantiene sobre la sección VE-01d del sistema de fallas Oca-Ancón para el mes de enero de 2001, enero de 2002 y enero de 2003 (Figura 9). Para esta última fecha, el resto de la región no parece presentar ninguna anomalía importante.

El catálogo contiene información limitada pero aparentemente suficiente para evaluar otra posible actividad precursora en otro punto de la geografía de la región estudiada, dentro del período comprendido entre 1985 y 2000. Tal es el caso de un sismo ocurrido el 31.12.93, reportado por Funvisis con magnitud 5.2 mb, en el distrito Betijoque, estado Trujillo. Tal como puede verse en la Figura 10, se tiene una actividad de fondo constante hasta el 21.03.89 (1989.4), fecha a partir de la cual se observa un decrecimiento de la actividad sísmica registrada que culmina con el evento principal del 31.12.93, y luego un incremento por efecto de las réplicas, que finaliza el mes de junio de 1994 (1994.5).

Figura 10. Subregión del estado Trujillo y número acumulado de sismos entre 1985 y 2000, indicando la posible actividad precursora para el sismo del 31.12.93

Dentro de los catálogos de sismicidad de una región, también es frecuente la aparición de quiescencia sísmica no seguida por un sismo principal. Para la detección de estas falsas alarmas dentro del Occidente de Venezuela, se utiliza el concepto de cubo de alarma propuesto por Wyss y Wiemer (1997), como un intento para visualizar tasas de decrecimiento anómalas en tiempo y espacio en una sola figura, combinando la técnica de mallado en el espacio y la técnica de ventanas de tiempo deslizantes.

Los resultados de aplicar el procedimiento durante el período 1985-2000 considerando ventanas de tiempo de 1 año y volúmenes con 100 eventos, se muestran en la Figura 11. Las alarmas se señalan mediante círculos y la longitud de la ventana de tiempo especificada mediante una línea. El nivel de alarma se declara cuando el valor de Z=10 para visualizar todas las anomalías de quiescencia tanto o más significativas que la supuesta actividad precursora, previa al sismo del 17.08.91, en el distrito Torres, estado Lara, que alcanzó un valor de Z=8.6. La Figura 11(a) muestra la ubicación espacio-temporal de dos (2) grupos anómalos, cuya ubicación geográfica se presenta en la Figura 11(b).

Figura 11. (a) Cubo de alarma para volúmenes anómalos con Z>10.3, (b) Ubicación espacial de los volúmenes anómalos, señalados por pequeños círculos

Uno de los volúmenes, ubicado al noreste de la ciudad de Mérida, sobre un sector de la falla de Boconó, presentó un decrecimiento en la tasa de sismicidad que se inició en 1998.2 y finalizó en 2000.5, con un valor máximo de Z igual a 10.7, en 1998.8. El volumen está centrado en las coordenadas: longitud –70.65W y latitud 8.90N, y cubre un radio de 18 km, aproximadamente. El segundo volumen, centrado en las coordenadas: longitud –69.5W y latitud 9.50N, presentó un proceso anómalo durante el período 1989.8-1992.0, con un valor máximo de Z igual a 8.0, en 1990.2. Ambos volúmenes, con una anomalía en la tasa de sismicidad debido a la disminución de registros durante el período considerado, finalizaron su proceso sin generar ningún sismo principal.

El catálogo contiene evidencias de otras falsas alarmas que tienen menor significancia al umbral definido para construir la Figura 11. Estos grupos aparecen cuando se disminuye el umbral del nivel de alarma. Ordenando los valores de Z en la base de datos considerada, puede determinarse el número de grupos de alarma como función del nivel de alarma. Un grupo de alarma se define como un grupo de nodos que reportan un valor de Z por encima de un nivel de alarma específico, separados por un tiempo no mayor que la longitud de ventana (1 año, en este caso). En general, a medida que disminuye el umbral de significancia aumenta la cantidad de grupos de alarma, tal como se muestra en la Figura 12(a).

Otra característica útil para establecer las propiedades de un fenómeno precursor es la relación entre el volumen espacio-tiempo cubierto por una alarma V_a, al volumen total espacio-tiempo, V_total. Ambos contienen volúmenes individuales que no son independientes pero se solapan en tiempo y espacio. El porcentaje F de espacio-tiempo cubierto por las alarmas se define como (ZMAP, 1999):

donde R_x,y es el radio del círculo que contiene 100 eventos en cada punto de la malla; T_total es la longitud de tiempo del catálogo en años y T_alarma la longitud de tiempo de la alarma declarada.

En la Figura 12(b) se dan los resultados de la relación en porcentaje del volumen de alarma sobre el volumen total como función del nivel de alarma, para una ventana de tiempo igual a Tw=1 año. El relativo vacío del cubo de alarma de la Figura 11(a) ilustra los resultados de esta última: sólo un pequeño porcentaje de 0.01% de espacio-tiempo es ocupado por las alarmas sobre un nivel de Z ³ 10.0, mientras que las alarmas sobre un nivel de Z=8.0 ocupan un 0.3% aproximadamente.

5. CONCLUSIONES