RESULTADOS DE MEDICIONES SÍSMICAS E IMPLICACIONES DE DINÁMICA DE SUELO EN TORNO AL HOSPITAL DR. ANTONIO PATRICIO DE ALCALÁ, CUMANÁ, ESTADO SUCRE, VENEZUELA

Michael Schmitz¹, Marcos Romero^{1, 2}, Francisco Bonvive³, Franck Audemard¹ y Jorge González¹

¹ Fundación Venezolana de Investigaciones Sismológicas –FUNVISIS-, Caracas, Fax: 0058-212-2579977; e-mail: funvisis@gob.ve ; www.funvisis.gob.ve

² Dirección actual: PDVSA, Maracaíbo; e-mail: romerom@pdvsa.com

³ UDO - Universidad de Oriente, Centro de Sismología, Cumaná; Fax: 0058-293-4516756; e-mail: abonvive@sucre.udo.edu.ve

RESUMEN

La traza de la falla de El Pilar cruza la ciudad de Cumaná, y en particular se ubica entre los cerros de Caigüire y el edificio principal del Hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá de Cumaná; éste último está ubicado a escasos 100 m de dichos cerros. Las interpretaciones geológicas existentes son contradictorias respecto a la ubicación exacta de la falla de El Pilar, por lo que se podría generar deformaciones permanentes en la estructura del hospital en caso de una ruptura cosísmica ubicada debajo de la misma. Con el objetivo de aportar información sobre la amenaza sísmica del hospital, construcción de 11 pisos que data de los años 60, se realizaron mediciones sísmicas en los alrededores del hospital, cuyos resultados hacen inferir que la traza de la falla de El Pilar se ubica a más de 100 m al sur del edificio principal del hospital, al pie de los cerros de Caigüire. Mediante el análisis de las ondas de corte se identificó además la presencia de estratos blandos, interpretados como sedimentos cuarternarios de la llanura aluvial costera o del cordón litoral, con velocidades sísmicas entre 150 y 280 m/s hasta una profundidad de 10 a 20 m. Debajo, un estrato con velocidades entre 325 y 520 m/s alcanza una profundidad de 25-65 m, seguido por una capa con velocidades de onda de corte entre 460 y 700 m/s,  interpretada como sedimentos plio-pleistocenos más consolidados. El análisis de los modelos estudiados indica que los espectros de respuesta para sismos muy cercanos, cercanos y lejanos muestran aceleraciones máximas en la superficie del perfil geotécnico estudiado que duplican en el caso más desfavorable (para sismos muy cercanos) los 0,40g, establecidos en el mapa de zonificación sísmica de la Norma Edificaciones Sismorresistentes como aceleración máxima en roca para la región. Con base en los resultados, se recomiendan estudios geológicos y geofísicos adicionales para la ubicación con certeza de la traza de la falla de El Pilar y una evaluación sismorresistente de la estructura del hospital.

Palabras clave: Refracción sísmica, espectros de respuesta, dinámica de suelo, Cumaná, Falla de El Pilar, Venezuela.

RESULTS FROM SEISMIC DATA AND IMPLICATIONS FOR SOIL DYNAMICS NEAR HOSPITAL DR. ANTONIO PATRICIO DE ALCALÁ, CUMANÁ, SUCRE STATE, VENEZUELA

ABSTRACT

The trace of the El Pilar fault crosses the city of Cumaná, and is located between the Caigüire hills and the main building of the Hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá, located only 100 m north of the hill foot. The existing geological interpretations are contradictory with respect to the exact location of the fault trace. Permanent deformations to the hospital structure might result in the case that a coseismic rupture would be located beneath the hospital. In order to better constrain the seismic hazard of the hospital, a 11-story building dating from the 1960's, seismic refraction measurements have been done around the hospital. The results indicate that the trace of the El Pilar fault should be located more than a 100 m south of the principal building, at the foot of the Caigüire hills. Through the analysis of the S-waves, the existence of soft soils, interpreted as Quaternary sediments from the coastal alluvial plain or sand barriers, was identified with seismic velocities of 150 and 280 m/s down to a depth of 10-20 m. Below, a layer with velocities between 325 and 520 m/s reaches down to 25-65 m in depth, followed by a layer with S-wave velocities of 460-700 m/s, interpreted as more consolidated Plio-Pleistocene sediments. The analysis of the models indicates, that the response spectra for very close, close and distant earthquakes generate maximum accelerations at the surface of the geotechnical soil profile that may double (in the most unfavorable case of very close earthquakes) the value of 0.40 g, established as the maximum acceleration (at rock surface) for the region in the seismic zoning map of the current seismic building code. Based on these results, additional geological and geophysical studies are recommended, aiming to better constrain the location of the active fault trace as well as the seismo-resistant behaviour of the hospital structure.

Keywords: Seismic refraction, response spectra, soil dynamics, Cumaná, El Pilar Fault, Venezuela

Recibido: 27/02/04               Revisado: 16/01/06              Aceptado: 21/02/06

1. INTRODUCCIÓN

La ciudad de Cumaná está ubicada en el límite entre las placas del Caribe y de Sudamérica con un movimiento relativo de 2 cm/a (e.g. Weber et al., 2001), constituido parcialmente por un sistema de fallas transcurrentes dexrales, de las cuales la falla de El Pilar es la más oriental en Venezuela. La traza de la falla de El Pilar cruza la ciudad de Cumaná (Paige, 1930; Ascanio, 1972; Soulas, 1986; Beltrán y Giraldo, 1989; Beltrán et al., 1996), que yace sobre sedimentos fluvio-deltaicos del río Manzanares y de la llanura costera (figura 1, Beltrán y Rodríguez, 1995). Las variaciones laterales en la sedimentación son muy marcadas con un gran número de meandros abandonados del río Manzanares en la llanura aluvial, en la cual se intercalan arenas del cordón litoral, así como sedimentos de los conos de deyección constituidos por arcillas, arenas y gravas, provenientes de los cerros de Caigüire, donde afloran sedimentos del Plio-Pleistoceno (Ascanio, 1972).

Figura 1. Marco geomorfológico y tectónico de la ciudad de Cumaná (Beltrán y Rodríguez, 1995); H = ubicación del hospital.

Cumaná ha sido afectada repetidamente por terremotos destructores en 1530, 1684, 1766, 1797, 1853, 1929 y 1997 (Grases, 1990; Audemard, 1999), siendo los daños de los dos últimos ampliamente documentados (eg. Paige, 1930; Mocquet et al., 1996; Rodríguez y Chacín, 1996; FUNVISIS et al., 1997). Los altos índices de daños ocurridos en Cumaná históricamente, se deben tanto a la alta sismicidad de la región (Villaseñor et al., 1992; Franke et al., 1993; Baumbach et al., 2004), como a la particularidad del subsuelo de la ciudad (Audemard, 1999). Los resultados de mediciones de microtremores muestran una buena relación entre la geología de superficie (figura 1), los valores de período predominante de vibración y factores de amplificación (Abeki et al., 1998, figura 2), y las intensidades de daños ocasionados por el sismo de Cariaco del año 1997 (Lang et al., 1999; 2004). Los resultados de las mediciones de ruido ambiental indican un período predominante de vibración del suelo mayor a 0,8 s para las zonas costeras y deltaicas (Abeki et al., 1998, figura 2), lo cual sugiere la existencia de espesores considerables de sedimentos blandos. Las velocidades sísmicas (ondas de corte) de las unidades geológicas en Cumaná han sido reportadas por Kantak et al. (1999) al sur de los Cerros de Caigüire con 300 m/s para los sedimentos cuaternarios y 550 m/s para los sedimentos plio-pleistocenos; en dichas investigaciones se usó una mandarria como fuente de energía, lo que limita el alcance en profundidad de estos datos.

Figura 2. Períodos predominantes de vibración del suelo (izquierda) y factores de amplificación estimados (derecha) en Cumaná mediante análisis de mediciones de ruido ambiental (Abeki et al., 1998).

El Hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá de Cumaná, cuyo cuerpo principal posee 11 pisos, fue construido en los años 60, momento en el cuál era vigente el código para las construcciones de 1955 que no tomaba en consideración edificaciones esenciales, siendo inaugurado en el año 1968. Debido a la cercanía de la falla de El Pilar, el hospital fue objeto de dos estudios de vulnerabilidad y sismorresistencia (OPS, 1994; 1995) respectivamente. Los autores de estos estudios destacan la necesidad de determinar la localización de la falla de El Pilar, cuya posición exacta en los alrededores del hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá no se había podido determinar porque el escarpe de la falla está cubierto por sedimentos cuaternarios, lo que impide su observación directa, mediante mediciones sísmicas. En este trabajo presentamos los resultados de las mediciones sísmicas realizadas en 5 perfiles alrededor del hospital, que permiten inferir que la traza de la falla de El Pilar se ubica al pie de los cerros de Caigüire, a más de 100 m al sur del edificio principal del hospital.

2.  FALLA DE EL PILAR EN LAS CERCANÍAS DEL HOSPITAL

La transferencia tipo "cola de caballo" entre los ramales norte y sur de la falla de El Pilar propuestos por Ascanio (1972; figura 3) y OPS (1994; figura 4) ha sido interpretada de forma diferente por Giraldo y Beltrán (1988) y Beltrán y Giraldo (1989). En esta última interpretación, los autores sugieren una posible continuación de la falla de El Pilar en línea recta debajo de los sedimentos cuaternarios (figura 5) y no al pie de los Cerros de Caigüire como propone Ascanio (1972; figura 3). Los Cerros de Caigüire, que se ubican entre las desembocaduras de los ríos Manzanares y Cautaro (figura 1), son formados por una estructura transpresiva, localizada entre dos ramales de la falla de El Pilar, donde afloran a lo largo de un relieve de dimensiones modestas (pocos kilómetros de largo y ancho) sedimentos de las formaciones Caigüire y Cumaná (figura 3; Ascanio, 1972) de edad plio-pleistocena, conformados principalmente por arenas y arcillas intercaladas con gravas y conglomerados.

Figura 3. Mapa geológico de los Cerros de Caigüire (Ascanio, 1972); el rectángulo negro indica la ubicación del edificio principal del hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá.

Figura 4. Esquema tectónico de la Falla de El Pilar en los alrededores del hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá (OPS, 1994).

Figura 5. Lineaciones tectónicas en los Cerros de Caigüire (Giraldo y Beltrán, 1988); H = ubicación del edificio principal del hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá.

Las edificaciones del hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá de Cumaná están ubicadas en las inmediaciones de la falla de El Pilar que bordea los Cerros de Caigüire por el Norte (figura 3), motivo por el cual se realizaron evaluaciones de la vulnerabilidad y de la sismorresistencia del hospital (OPS, 1994; 1995). En los respectivos informes se recomiendan un conjunto de medidas para disminuir su vulnerabilidad, ameritando mención la ejecución de mediciones sísmicas con el fin de precisar la localización exacta de la traza de la falla en las cercanías del hospital (figura 6; OPS, 1994). Las mediciones sísmicas presentadas en este trabajo responden a las recomendaciones hechas en esos informes.

Figura 6. Ubicación del hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá respecto a la ubicación inferida de la falla de El Pilar (OPS, 1994). En este informe se recomienda la realización de 3 líneas sísmicas perpendiculares a la falla para su mejor ubicación.

3.  MEDICIONES SÍSMICAS

3.1  Trabajos de campo

En febrero del 2001 se llevó a cabo la adquisición de los datos de sísmica de refracción en torno al Hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá de Cumaná, Estado Sucre, con el registro de un total de 5 líneas sísmicas, identificadas como Hospital (H), Fundasalud (F), Pantalla (P), Club (C) y Liceo (L), de entre 144 y 550 m de longitud (figura 7), con el fin de definir las velocidades sísmicas en los alrededores del hospital y tener indicios para la ubicación de la traza activa de la falla de El Pilar. La ubicación de los perfiles sísmicos fue determinada siguiendo las recomendaciones de OPS (1994; figura 6), con algunas modificaciones debido a las condiciones de terreno y el objetivo de las investigaciones. Como fuente de energía para los registros se usaron cargas de explosivo (pentolita) con peso variable entre 100 g y 500 g, las cuales fueron colocadas en pozos de entre 1 y 3 m de profundidad. Los registros se efectuaron con un sismógrafo de 48 canales (Geometrics StrataView), con un espaciamiento entre geófonos entre 3 y 10 m, con un número variable de puntos de disparo a lo largo de los perfiles. Los receptores utilizados son geófonos horizontales (frecuencia natural de 28 Hz) en el perfil Club (C) y geófonos verticales (frecuencia natural de 30 Hz) en los demás perfiles. En la tabla 1 se resumen los parámetros de adquisición de los perfiles.

Figura 7a. Mapa de ubicación de las líneas sísmicas en torno al hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá. Los nombres de los perfiles son: H = Hospital, F = Fundasalud, P = Pantalla, C = Club y V = Liceo-Vertical (ubicados en el inicio de los perfiles; los círculos indican las ubicaciones de los disparos)

Figura 7b. Vista oblícua desde noroeste con la distribución de los perfiles alrededor del hospital.

Tabla 1. Geometría de los registros sísmicos en Cumaná días 10/02/2001 y 11/02/2001.

3.2  Procesamiento de los datos sísmicos

El procesamiento y modelado de los perfiles se realizó con el programa REFLEX, definiendo en primera instancia la geometría de cada perfil. Posteriormente, se grafican las trazas sísmicas y se editan, para poder obtener las primeras (ondas P) y segundas (ondas S) llegadas, asignándole un valor de tiempo a determinada amplificación. Con la información de las llegadas se procedió a realizar el control de los tiempos de las llegadas. El programa REFLEX permite presentar todas las dromocrónicas en un mismo gráfico y así controlar los tiempos de las ondas.

Para la obtención de velocidades y profundidades aparentes del medio, se realizaron modelos 1D, los cuales dieron una primera aproximación de la disposición de las capas en el subsuelo para su posterior modelado en 2D mediante el trazado de rayos. El módulo de modelado 2D permite la variación de los parámetros de los cuales dependen los tiempos de llegada, o sea, velocidad de las capas y profundidad de la interfase. Cuando hay coincidencia entre las llegadas calculadas por el programa y las realizadas por el intérprete, se finaliza el modelo del subsuelo bajo este perfil.

3.3  Análisis de los datos sísmicos

En los registros se observa una relación señal/ruido variable, como consecuencia del alto nivel de ruido sísmico y de las limitaciones en la cantidad de carga explosiva usada en los pozos, debido a que estos se encuentran ubicados en una zona densamente urbanizada. Los datos originales se presentan en Romero et al. (2002). A continuación, se presenta el análisis de las secciones sísmicas correspondientes a cada uno de los perfiles (para su ubicación y dimensión ver figura 7 y tabla 1), basado en las correlaciones de las llegadas observadas.

Debido a la saturación de agua, en los registros de las ondas P no se puede diferenciar estratos dentro de los sedimentos saturados. Por esta razón, nos apoyamos en la interpretación de los estratos mas profundos en el análisis de las llegadas de las ondas de corte. En los registros de las ondas P fue posible identificar una primera capa con velocidades sísmicas entre 300 y 500 m/s, que es interpretada como sedimentos blandos de la llanura aluvial con intercalaciones con arenas del cordón litoral y en partes relleno artificial. En la parte sur del perfil "Pantalla" estos valores aumentan a 580-680 m/s, lo que podría interpretarse como intercalaciones de arcillas, arenas y gravas de un cono de deyección de los Cerros de Caigüire. A una profundidad entre 3 y 6 m este estrato es seguido por velocidades entre 1750 y 2000 m/s, lo que corresponde a sedimentos saturados en agua. No fue posible identificar estratos mas profundos en los registros de la onda P.

3.3.1   Perfil Hospital (H)

El perfil H de 360 m de longitud, cuya orientación es este-oeste, está ubicado al norte del hospital (figura 7). Para el modelo obtenido a partir de las ondas S (figura 8), se observaron tres capas. La primera capa se presenta en los primeros 150 m del perfil con rangos de velocidades entre 240 y 215 m/s y al final de la misma con velocidades entre 180 y 150 m/s. La profundidad al este del perfil es de 20 m y al oeste de 9 m. En la segunda capa, la velocidad en los primeros 200 m está alrededor de los 360 m/s, observando una disminución al extremo oeste del perfil con una velocidad alrededor de los 350 m/s y siendo las profundidades en este extremo de 49 m y de 62 m al extremo este, respectivamente. La velocidad de las ondas S de la tercera y última capa varía entre 530 y 480 m/s.

Figura 8. Arriba: Secciones sísmicas del perfil Hospital (H) con los disparos a 13 m (izquierda) y a 358 m (derecha) y las llegadas (cruces) de las ondas P (0 - 200 ms) y S (0 - 1100 ms). Debajo: Control de tiempo de las llegadas de las ondas S (izquierda) y modelo de velocidades de ondas S (derecha).

3.3.2  Perfil Fundación (F)

El perfil F de 144 m de longitud, cuya orientación es norte-sur, está ubicado al este del hospital (figura 7). La primera de las tres capas observadas en este modelo (figura 9) presenta velocidades alrededor de los 200 m/s al extremo norte y 250 m/s al sur, con moderada variación lateral de velocidades. La profundidad varía de 13 m al norte a 8 m al Sur del modelo. En la segunda capa las velocidades varían entre 325 m/s en el norte y 340 m/s en el sur del perfil. No hay buena resolución para la determinación de la tercera capa, ya que su existencia está evidenciada por pocas trazas, lo que conlleva una incertidumbre en su definición. El tope de la tercera capa se ubica alrededor de 25 m, buzando hacía el Norte, con velocidades de ondas de corte entre 460 (sur) y 520 m/s (norte).

Figura 9. Arriba: Secciones sísmicas del perfil Fundación (F) con los disparos a 0 m (izquierda) y a 144 m (derecha) y las llegadas (cruces) de las ondas P (0 - 100 ms) y S (0 - 450 ms). Debajo: Control de tiempo de las llegadas de las ondas S (izquierda) y modelo de velocidades de ondas S (derecha).

3.3.3  Perfil Club (C)

El perfil C de 240 m de longitud, cuya orientación es sur-norte, está ubicado al oeste del hospital (figura 7). Se observan tres capas en el modelo de las ondas de corte (figura 10). La primera muestra velocidades en los primeros 100 m alrededor de los 230 m/s y una reducción de la velocidad al final del perfil alrededor de los 120 m/s. La profundidad de la capa es alrededor de los 10 m. La segunda capa presenta velocidades comprendidas entre los 460 y 430 m/s en los primeros 100 m y entre 480 y 520 m/s en la parte norte del perfil. La profundidad de la segunda capa es de 48-50 m. La tercera y última capa observada muestra velocidades alrededor de los 620 m/s en los primeros 100 m del perfil y de 700 y 680 m/s en el resto del perfil.

Figura 10. Arriba: Secciones sísmicas del perfil Club (C) con los disparos a 0 m (izquierda) y a 240 m (derecha) y las llegadas (cruces) de las ondas S (0 - 600 ms). Debajo: Control de tiempo de las llegadas de las ondas S (izquierda) y modelo de velocidades de ondas S (derecha).

3.3.4  Perfil Liceo (L)

El perfil L de 144 m de longitud, tiene orientación sur-norte y está ubicado al oeste del hospital (figura 7). En el modelo de las ondas de corte (figura 11) se observan tres capas. La primera capa muestra en la zona central del perfil las mayores velocidades, las cuales están alrededor de los 280 m/s, bajando hacía el sur y el norte a 190 y 160 m/s, respectivamente. La profundidad de esta capa varía entre 2 m en el sur y 5 m en el norte. La segunda capa muestra poca variación de velocidades a lo largo del perfil, entre 370 y 410 m/s, teniendo las mayores velocidades al norte del perfil. La profundidad de la capa, cercana a los 30 m,  no se puede determinar con mucha confiabilidad, ya que la línea es corta. Por último, la tercera capa, con una velocidad de las ondas de corte de 620 m/s, se evidencia únicamente por pocas trazas.

Figura 11. Arriba: Secciones sísmicas del perfil Liceo (L) con los disparos a 0 m (izquierda) y a 131 m (derecha) y las llegadas (cruces) de las ondas P (0 - 100 ms) y S (0 - 400 ms). Debajo: Control de tiempo de las llegadas de las ondas S (izquierda) y modelo de velocidades de ondas S (derecha).

3.3.5  Perfil Pantalla (P)

El perfil P de 550 m de longitud, tiene orientación norte-sur y está ubicado al oeste del hospital (figura 7). El modelo obtenido con base en las ondas de corte (figura 12) consta de tres capas. La primera de las mismas presenta velocidades entre 150 y 250 m/s para los primeros 200 m y rangos de velocidades entre 280 y 360 m/s en el resto del perfil. La profundidad de la capa varía desde 16 m en el norte del perfil, la cual se mantiene, excepto por una leve reducción de la profundidad alrededor de  los 100 m de longitud, hasta los 400 m del perfil donde asciende hasta los 10 m en el extremo sur del perfil. Cabe destacar que se cuenta con registros solamente en los primeros 470 m del perfil (ver tabla 1), y se realizó un disparo adicional a 550 m del inicio del perfil. La segunda capa presenta rangos de velocidades, para los primeros 300 m entre 390 y 430 m/s y de 450 y 500 m/s para el final del perfil. La profundidad de esta capa está alrededor de los 55 m en los 370 m iniciales del perfil y a partir de allí el ascenso es continúo hasta los 40 m de profundidad en el extremo sur. La tercera capa está caracterizada por un rango de velocidades entre 600 y 570 m/s. Entre los 380 y 480 m del perfil, se observan cambios importantes, tanto en las velocidades de los diferentes estratos como en sus espesores. De tal manera, existe material de mayor velocidad sísmica más cercano a la superficie al sur de este sector que mas al norte, lo que podría asociarse a efectos relacionados a la existencia de la falla de El Pilar (figura 12).

Figura 12. Arriba: Secciones sísmicas del perfil Pantalla (P) con los disparos a 0 m (izquierda) y a 550 m (derecha) y las llegadas (cruces) de las ondas P (0 - 300 ms) y S (0 - 1100 ms). Debajo: Control de tiempo de las llegadas de las ondas S (izquierda) y modelo de velocidades de ondas S (derecha). En la parte sur del modelo se visualiza un ascenso en la profundidad de los estratos, lo que podría asociarse a la existencia de la falla de El Pilar en esta ubicación.

En todos los perfiles se observa una marcada diferencia en la profundidad de penetración de las ondas P y de las ondas S, ya que las ondas P se ven afectadas por la saturación de los estratos con agua, tal como fue observado por otros autores (e.g. Dasios et al., 1999). La saturación de agua no sólo limita la profundidad de penetración de las ondas P, sino que reduce también el contraste de velocidades entre las diferentes litologías. Por esta razón se analiza con más detalle las ondas S para obtener información a mayor profundidad. Para el perfil "Club" (figura 10) se calcularon la relación de Poisson y la relación Vp/Vs (figura 13). La relación de Poisson muestra un incremento fuerte al llegar al estrato saturado de agua (6 m de profundidad) y un leve decrecimiento con la profundidad. Sólo en los primeros metros (sedimentos blandos sin saturación de agua) se ubica debajo de 0,4. La relación Vp/Vs muestra todavía mas claramente la influencia del nivel freático entre 6 y 8 m de profundidad con un incremento a valores alrededores de 8. Al aumentar la velocidad de ondas S considerablemente a los 12 m de profundidad (de 230 a 430 m/s), la relación Vp/Vs baja a valores de 4, decreciendo hasta un valor de 2,5 a los 60 m de profundidad, lo que confirma la presencia de agua en los estratos a esta profundidad.

Figura 13. Velocidad de ondas S (Km/s; rombos negros) versus profundidad del perfil "Club" (figura 10) comparado a la relación de Poisson (a) y a la relación Vp/Vs (b) estimados (círculos blancos).

4.  ANÁLISIS DE LOS ESPECTROS DE RESPUESTA DE PERFILES GEOTÉCNICOS

Para sismos fuertes, Rosenbluth y Ovando (1991) evidenciaron una correlación clara entre la distribución de los daños ocurridos en una zona y la geología del sitio. Las condiciones del suelo determinan las características de un sitio ante la ocurrencia de un sismo, lo que implica que entre sitios cercanos pueden haber variaciones importantes en su respuesta sísmica. En Venezuela, para efectos de ingeniería se diferencia sedimentos de roca, en función de que las velocidades de onda de corte sean inferior o superior a 500 m/s respectivamente (COVENIN, 2001). Esta norma de edificaciones sismorresistentes en Venezuela considera la velocidad de propagación de las ondas de corte como un factor importante para la caracterización del suelo.

Basado en las velocidades sísmicas obtenidas en el perfil "Hospital", se realizó un análisis dinámico correspondiente a un modelo equivalente lineal del perfil geotécnico del sitio, a través del cual se obtiene la respuesta espectral máxima en la superficie del perfil. Comparando este resultado, en el cuál influye el espectro suministrado en la base y la estructura del suelo, con el valor de aceleración A0 del mapa de zonificación sísmica de la Norma COVENIN (2001), se puede estimar la amenaza sísmica con fines de microzonificación, sin que se relacione este espectro directamente con los espectros de diseño.

Los espectros de repuesta fueron calculados para una perfil de suelo generalizado (tabla 2) en los alrededores del hospital, considerando 3 casos de estudio diferentes, sismos muy cercanos entre 1 y 6 km de distancia, sismos cercanos entre 6 y 15 km de distancia y sismos lejanos entre 15 y 60 km de distancia, usando un grupo de acelerogramas disponibles en el "PEER Strong Motion Database". Los acelerogramas pertenecen a afloramientos rocosos o con propiedades similares a la roca y corresponden a sismos producidos por fallas de movimiento transcurrente dextral, similar a los de la falla de El Pilar (tabla 3). Los valores utilizados del peso unitario, del modulo de corte y de la curva de amortiguamiento se basan en estimaciones (De Santis y Hernández, 1999; Alvarado et al., 2001; para comparación ver González et al., 2004), por falta de datos de perforaciones geotécnicas disponibles.

Tabla 2. Perfil típico Hospital de Cumaná. Nivel freático: 5 m, número de capas: 10; los valores utilizados del peso unitario, del módulo de corte y de la curva de amortiguamiento se basan en estimaciones, debido al hecho que no están disponibles datos de perforaciones geotécnicas. Estas estimaciones fueron realizadas según los datos disponibles en un ambiente sedimentario similar en la localidad de Cariaco (De Santis y Hernández, 1999; Alvarado et al., 2001). Los acelerogramas usados para los cálculos corresponden a los sismos indicados en la tabla 3.

Tabla 3. Registros acelerográficos usados para el análisis dinámico (fuente: PEER Strong Motion Database).

A continuación se detallan los resultados de este análisis para los modelos estudiados, para los cuales se usaron 12 acelerogramas para sismos muy cercanos, 3 para sismos cercanos y 4 para sismos lejanos (figura 14). Para sismos muy cercanos se observa que el período fundamental del depósito se encuentra alrededor de 0,80 s, con aceleraciones máximas en superficie cercanas a 0,90 g (900 m/s2), además se advierten para T= 3 s aceleraciones próximas a 0,80 g. El espectro promedio obtenido muestra para los registros de sismos muy cercanos una aceleración que alcanza un máximo de 0,52 g para 0,80 s. Para sismos cercanos, se observan dos valores de período notables, en 0,70 s y 1,50 s, con aceleraciones máximas en superficie de 0,65 g y 0,71 g respectivamente. El espectro promedio obtenido muestra una aceleración máxima de 0,54 g para los dos valores de períodos señalados. Para sismos lejanos, se observan también dos valores notables de período, en 0,20 s, y 1,30 s con aceleraciones en superficie de 0,49 g y 0,66 g respectivamente. En el espectro promedio los valores máximos obtenidos son de 0,28 g.

Figura 14. Espectro de respuesta en superficie considerando el perfil típico (tabla 2) para un total de 19 registros acelerográficos (tabla 3), agrupados en 3 rangos de distancias: a) sismo muy cercano (1-6 km de distancia), b) sismo cercano (6-15 km de distancia) y c) sismo lejano (15-60 km de distancia). La línea negra corresponde al espectro promedio.

5.  DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

Se determinaron las velocidades de propagación de las ondas sísmicas a lo largo de 5 perfiles sísmicos en torno al hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá de Cumaná. En los modelos de las ondas P destaca el nivel freático con profundidades entre 3 y 6 m. Debido a la saturación de agua no se puede observar diferencias en las velocidades de las ondas P dentro de los sedimentos saturados.

Los modelos de las ondas de corte están representados por tres capas. La capa más superficial tiene una velocidad sísmica entre 150 y 280 m/s, interpretado como sedimentos cuarternarios de la llanura aluvial costera. En la parte sur del perfil "Pantalla" las velocidades aumentan hasta 360 m/s (figura 12), lo que podría interpretarse como intercalaciones de arcillas, arenas y gravas próximos al cono de deyección de los cerros de Caigüire, tal como fue observado en el modelo de las ondas P. La profundidad de esta primera capa varía entre 10 y 20 m; solo en el perfil "Liceo" sube hasta 2 m de profundidad. La segunda capa está representada por velocidades entre 325 y 520 m/s hasta una profundidad de 25-65 m, interpretadas como sedimentos de la llanura aluvial o del cordón litoral. Las profundidades obtenidas en los dos perfiles cortos (F y L, de 144 m de longitud, con 25 y 30 m de profundidad respectivamente) no son muy confiables, ya que hay pocas llegadas de la última capa, con velocidades de la onda de corte entre 460 y 700 m/s. Esta última capa es interpretada como sedimentos plio-pleistocenos de las formaciones Caigüire y Cumaná, principalmente compuestos por arenas y arcillas intercaladas con gravas y conglomerados.

No se observan cambios laterales muy bruscos en los modelos sísmicos. Sin embargo, en el modelo de las ondas de corte del perfil "Pantalla" se presenta un levantamiento de las capas mas profundas hacia la superficie en el sur del perfil (figura 12). Se observa este cambio entre los 380 y 480 m del perfil, lo que podría asociarse a una estructura de "pop up" de los Cerros de Caigüire, en concordancia con una estructura en flor positiva, lo que eleva material con velocidades sísmicas más altas hacia la superficie. Esta estructura podría indicar la presencia de la traza activa de la falla de El Pilar en este sector (figura 15). Esta interpretación ubicaría la traza activa de la falla de El Pilar al pie de los Cerros de Caigüire, a más de 100 m al sur de la estructura principal del hospital (figura 7), lo que estaría acorde con la interpretación de Giraldo y Beltrán (1988) y OPS (1994) (figura 15).

Figura 15a. Mapa de ubicación de las líneas sísmicas en torno al hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá y posición de la falla de El Pilar en el perfil "Pantalla" (zona de rayado fino). Los nombres de los perfiles son: H = Hospital, F = Fundasalud, P = Pantalla, C = Club y L = Liceo. Se indican las profundidades en metros  de los estratos con velocidad de ondas de corte mayor a 500 m/s, lo que corresponde al tope de los sedimentos plio-pleistocenos de las formaciones Caigüire y Cumaná. Ubicación de la traza de la falla de El Pilar según los diferentes autores: (a) Giraldo y Beltrán (1988; trazo segmentado) (b) Giraldo y Beltrán (1988); (c) OPS (1994), con margen de error (rayado grueso). Los lineamientos indicados por Ascanio (1972;    

Figura 15b. Vista oblicua desde noroeste con los modelos de velocidad de los perfiles "Hospital" y "Pantalla" en el norte y oeste del hospital. El cambio de profundidad en las capas 2 y 3 del perfil "Pantalla" podría asociarse a la posición de la falla de El Pilar.

Con el fin de ubicar con certeza la traza de la falla de El Pilar, se recomienda la realización de mediciones geofísicas adicionales como radar de suelo, gravimetría y tomografía eléctrica, para que se puedan comparar sus resultados con los de la sísmica (figuras 7 y 12). En las adyacencias del hospital se recomienda una evaluación neotectónica detallada mediante el análisis de fotos aéreas y recopilación en campo, para la definición de un lugar óptimo para la ejecución de una trinchera de evaluación paleosísmica con el fin de definir con evidencias directas la ubicación de la traza de la falla de El Pilar, con base en la interpretación conjunta de las investigaciones geológicas y geofísicas anteriormente descritas.

Los niveles máximos de aceleración en la superficie obtenidos de los modelos indican la presencia de materiales no consolidados sobre la roca equivalente. Estos valores de aceleración generados por todos los modelos superan a los valores de aceleraciones máximas en roca previsto en el Capítulo 4 de la Norma COVENIN de Edificaciones Sismorresistentes (COVENIN, 2001), que señala valores de 0,40g para la zona. Asimismo, los valores obtenidos en los modelos de los espectros de respuesta en superficie (en sus máximos entre 0,60 y 0,90 g para los diferentes escenarios) se encuentran debajo de los valores de aceleración de diseño máximo para edificaciones esenciales previsto en la norma vigente para un suelo S2 de aproximadamente 1,20 g. Sin embargo, se debe tomar en cuenta que la construcción del hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá de Cumaná es antigua, lo que dificulta el control sobre los valores originales considerados para el diseño de su estructura. Además, su construcción data de los años 60, momento en el cuál, el código vigente para las construcciones en el país era el de 1955 (para conocer el desarrollo de las normas entre 1939 y 1955, ver Grases et al., 1984), que si bien contenía especificaciones de diseño y construcción sismorresistente, eran mucho menos exigentes que las previstas en la norma vigente en la actualidad (COVENIN, 2001).

Si bien un factor importante es asegurar de que no haya deformaciones permanentes en la estructura por eventual interferencia con la ruptura cosísmica (si la traza de la ruptura en superficie pasara por la estructura del hospital), es de suma importancia modelar el comportamiento estructural del hospital desde el punto de vista sismorresistente para poder evaluar su vulnerabilidad ante la ocurrencia de un sismo, el cual puede estar tanto muy cerca como hasta no más de una decena de kilómetros. Para un mejor ajuste en la determinación de los espectros de respuesta, se recomienda analizar las perforaciones geotécnicas existentes o, en su defecto, realizar más perforaciones para comprobar estos datos. Para poder emitir un juicio en relación al comportamiento estructural del hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá, es necesario realizar una evaluación sismorresistente de la estructura. Para esto será preciso levantar toda la información necesaria tal como: Planos de arquitectura, estructura e instalaciones, etc.

Teniendo en cuenta el nivel freático elevado en las cercanías del hospital y considerando la certera ocurrencia de fenómenos de licuación de sedimentos en la zona en sismos históricos en 1530, 1684, 1797, 1853, 1900, 1929 y 1997 (Rodríguez et al., 2002), se recomienda además un estudio para evaluar el potencial de licuación de los sedimentos en los alrededores del hospital.

6.  AGRADECIMIENTOS

En la realización de las mediciones sísmicas participaron estudiantes y profesionales del Centro de Sismología de la Universidad de Oriente (J. Avendaño, R. Contreras, entre otros) y de FUNVISIS (L. Alvarado, V. Rocabado), a los cuáles agradecemos sus esfuerzos. Se agradece a J. Avendaño (UDO) la organización del estudio de campo. Las mediciones fueron financiadas por FUNDASALUD Sucre. Las perforaciones y voladuras fueron realizadas por la compañía DEMOVOLCA y CAVIM (T. Primero), respectivamente. Agradecemos el apoyo logístico de Defensa Civil Sucre en la realización de las mediciones en esta zona urbana con mucho movimiento de vehículos y de personas. El sismógrafo usado en las mediciones fue donado a FUNVISIS por la cooperación alemana (GTZ) en ocasión del 200 aniversario de la llegada de Alexander v. Humboldt a Sudamérica. Los acelerogramas usados en el modelado dinámico provienen del "PEER Strong Motion Database". M. Peña apoyó en la elaboración de las figuras.

Este artículo es una contribución presentada en el “III Coloquio sobre Microzonificación Sísmica” celebrado en Caracas del 15 al 18 de Julio 2002. El proceso de edición fue llevado a cabo por Franck A. Audemard M., Michael Schmitz y José Antonio Rodríguez A. (FUNVISIS), con el apoyo de dos revisores externos, a los cuales se les agradece su contribución para la mejora del artículo.

7.  REFERENCIAS

1. Abeki, N., Watanabe, D., Hernández, A., Pernía, A., Schmitz, M., Avendaño, J., 1998. Microtremor observations in Cumaná city, Venezuela. In: Irikura et al. (eds.), The Effects of Surface Geology on Seismic Motion, Balkema, Rotterdam, 613-618.        [ Links ]

2. Alvarado, L., González, J., Schmitz, M., Lüth, S. 2001. Investigaciones sísmicas de escala micro y macro en Cariaco. International Workshop Study on Countermeasures for Earthquake Disaster in Caracas (1999-2001), Caracas, Venezuela, 2000, Serie Técnica, FUNVISIS, Caracas, 17-26.        [ Links ]

3. Ascanio, G. 1972. Geología de los cerros de Caiguire, Cumaná, Estado Sucre. IV Congreso Geologico Venezolano, Caracas 1969, Tomo III, 1279-1288.        [ Links ]

4. Audemard, F.A. 1999. Nueva percepción de la sismicidad histórica del segmento en tierra de la falla de El Pilar, Venezuela Nororiental, a partir de primeros resultados paleosísmicos. VI Congreso Venezolano de Sismología e Ingeniería Sísmica, Mérida, Venezuela, 11 pp (en formato CD).        [ Links ]

5. Baumbach, M., Grosser, H., Romero, G., Rojas, J.L., Sobiesiak, M., Welle, W. 2004. Aftershock pattern of the July 9, 1997 Mw=6.9 Cariaco earthquake in Northeastern Venezuela. Tectonophysics, 379, 1-23.        [ Links ]

6. Beltrán, C., Giraldo, C. 1989. Aspectos neotectonicos de la región nororiental de Venezuela. VII Congreso Geológico Venezolano, Barquisimeto, Venezuela, 1000-1021.        [ Links ]

7. Beltrán, C., Rodríguez, J.A. 1995. Ambientes de sedimentación fluvio-deltaica y su influencia en la magnificación de daños por sismos en la ciudad de Cumaná, Venezuela. II Coloquio Internacional de Microzonificacion Sismica, Corporiente, Cumaná, Venezuela, 12 pp (sin publicar).        [ Links ]

8. Beltrán, C., Singer, A., Rodríguez, J.A. 1996. The El Pilar Fault active trace (northeastern Venezuela): neotectonic evidences and paleoseismic data. III ISAG, St. Malo, Francia, 153-156.        [ Links ]

9. COVENIN, 2001. COVENIN 1756-98, Revisión 2001, Edificaciones Sismorresistentes, Ministerio de Desarrollo Urbano-FUNVISIS, 71 pp + 123 pp comentarios.        [ Links ]

10. Dasios, A., McCann, C., Astin, T.R., McCann, D.M., Fenning, P. 1999. Seismic imaging of the shallow subsurface: shear-wave case histories. Geophysical Prospecting, 47, 565-591.        [ Links ]

11. De Santis, F., Hernández, R. 1999. Caracterización de los suelos que licuaron durante el sismo del 9 de Julio de 1997 en Cariaco, Estado Sucre. VI Congreso Venezolano de Sismología e Ingeniería Sísmica, Mérida, Venezuela, 10 pp (en formato CD).        [ Links ]

12. Franke, M., Quijada, P., Gajardo, E., Muñoz, M.I., Villaseñor, A. 1993. Microsismicidad y amenaza sísmica de la región nororiental de Venezuela. VIII Seminario Latinoamericano de Ingeniería sismoresistente y Primeras Jornadas Andinas de Ingeniería Estructural, Merida, Venezuela, S 80-90.        [ Links ]

13. FUNVISIS et al., 1997. Evaluación preliminar del sismo de Cariaco del 09 de Julio de 1997, Estado Sucre, Venezuela (versión revisada). FUNVISIS. 123 pp + 5 anexos.        [ Links ]

14. Giraldo, C., Beltrán, C. 1988. Evaluación del campo de esfuerzos durante el Cuaternario en la región nororiental de Venezuela (Proyecto CONICIT S1-1161).  FUNVISIS, 68 pp.        [ Links ]

15. González, J., Schmitz, M., Audemard, F.A., Contreras, R., Mocquet, A., Delgado, J., De Santis, F. 2004. Site effects of the 1997 Cariaco, Venezuela earthquake. Engineering Geology, 72 (1-2), 143-177.  doi:10.1016/j.enggeo.2003.07.002.         [ Links ]

16. Grases, J. 1990. Terremotos destructores del Caribe. 1502-1990. 1º ed., Orcyt-Unesco, Montevideo, Uruguay, 132 pp.        [ Links ]

17. Grases, J., López, O.A., Hernández, J. 1984. Edificaciones Sismorresistentes, Manual de Aplicación de las Normas. FONDUR, Caracas, 236 pp.        [ Links ]

18. Kantak, P., Schmitz, M., Ramos, C., Montilla, A., Rojas, J. 1999. Bericht über refraktionsseismische Messungen in Cumaná zur Bestimmung der seismischen Geschwindigkeiten. (Informe sobre mediciones sísmicas de refracción para la determinación de las velocidades sísmicas en la ciudad de Cumaná – en alemán). FUNVISIS, Caracas, 22 pp.        [ Links ]

19. Lang, D. H., Raschke, M., Schwarz, J. 1999. The Cariaco, Venezuela, Earthquake of July 09, 1997: Aftershock Measurements, Macroseismic Investigations and Engineering Analysis of Structural Damage. VI Congreso Venezolano de Sismología e Ingeniería Sísmica, Mérida, Venezuela, 12pp (en formato CD).        [ Links ]

20. Lang, D.H., Raschke, M., Schwarz, J. 2004. The Cariaco, Venezuela, earthquake of July 09, 1997: strong-motion recordings, site response studies and macroseismic investigations. Schriftenreihe der Bauhaus-Universität Weimar, 116 pp.        [ Links ]

21. Mocquet, A., Beltrán, C., Lugo, M., Rodríguez, J.A., Singer, A. 1996. Seismological interpretation of the historical data related to the 1929 Cumaná earthquake, Venezuela. III ISAG, St. Malo, Francia, 203-206.        [ Links ]

22. OPS (Grases, J., Malaver, A. y Giraldo, C.), 1994. Estudio de la vulnerabilidad del hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá, Cumaná, Estado Sucre. Organización Panamericana de Salud, Caracas.        [ Links ]

23. OPS, 1995. Evaluación sismorresistente del hospital Dr. Antonio Patricio de Alcalá, Cumaná, Estado Sucre. Organización Panamericana de Salud, Caracas, volumen 1, 132 pp.        [ Links ]

24. Paige, S. 1930. The earthquake at Cumaná, Venezuela, January 17, 1929. Bulletin of the Seismological Society of America, 20, 1-10.        [ Links ]

25. Rodríguez, J.A., Chacín, C.A. 1996. Contribución al estudio del sismo de Cumaná del año 1929 -compilación y notas. Boletín de Historia de las Geociencias en Venezuela, 58, 1-77.        [ Links ]

26. Romero, M., Schmitz, M., Bonvive, F., Rocabado, V., Audemard, F.A., González, J., Avendaño, J. 2002. Mediciones sísmicas en torno al hospital Dr. Antonio Patricio Alcalá, Cumaná, Estado Sucre. FUNVISIS-UDO, Informe inédito.        [ Links ]

27. Rodríguez, L.M., Audemard, F.A., Rodríguez, J.A. 2002. Casos históricos y contemporáneos de licuación de sedimentos inducidos por sismos en Venezuela desde 1530. Memorias del III Coloquio de Microzonificación Sísmica y III Jornadas Venezolanas de Sismología Histórica, Caracas, 2002, Serie Técnica, 1-2002, FUNVISIS, Caracas, 230-233.        [ Links ]

28. Rosenbluth, E., Ovando, E. 1991. Geotechnical lessons learned from Mexico and other recent earthquakes (state of the art paper). Proc. 2nd International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics, St. Louis, Missouri, USA.        [ Links ]

29. Soulas, J.P. 1986. Neotectónica y tectónica activa en Venezuela y regiones vecinas. VI Congreso Geológico Venezolano, Caracas, 1985, Vol. 10, 6639-6656.        [ Links ]

30. Villaseñor, A., Muñoz, M.I., Franke, M. and Gajardo, E. 1992. Estudios de microsismicidad en el norte de Venezuela: 3. zona nororiental. VI Congreso Venezolano de Geofísica, Caracas, 529-535.          [ Links ]

31. Weber, J.C., Dixon, T.H., DeMets, C., Ambeh, W.B., Jansma, P., Mattioli, G., Saleh, J., Sella, G., Bilham, R., Perez, O. 2001. GPS estimate of relative plate motion between the Caribbean and south american plates, and geologic implications for Trinidad and Venezuela. Geology, 29, 75-78.        [ Links ]