Modelado numérico de la respuesta sísmica 2d del valle de Caracas

VÍCTOR ROCABADO ¹, MICHAEL SCHMITZ ¹, HERBERT RENDÓN ¹, JEAN-PIERRE VILOTTE ², FRANCK AUDEMARD ¹, MONIKA SOBIESIAK ³, JEAN-PAUL AMPUERO ⁴ Y LEONARDO ALVARADO ¹

¹ Fundación Venezolana de Investigaciones Sismológicas – FUNVISIS, Apartado 76880, Final Calle Mara, Urb. El Llanito, Caracas, Venezuela.

² Institut du Physique du Globe – IPG, Paris, Francia

³ GeoForschungsZentrum – GFZ, Potsdam, Alemania

⁴ Eidgenössische Technische Hochschule – ETH, Zurich, Suiza

RESUMEN

Dentro del marco del proyecto de microzonificación sísmica de las ciudades de Caracas y Barquisimeto se han realizado en la ciudad de Caracas diversos estudios geofísicos, geológicos y geotécnicos. A objeto de estimar la respuesta sísmica del valle de Caracas, se definieron 4 sismos escenarios que podrían afectar la ciudad, ubicados al norte, sur, este y oeste de la misma. Se realizaron simulaciones numéricas a lo largo de 3 perfiles 2D distribuidos en dirección norte-sur y este-oeste tomando como datos de entrada la información más actual que se dispone de las características geológicas y geofísicas del valle de Caracas. Los resultados de las simulaciones permiten identificar los rangos de frecuencias para los cuales se observan las mayores amplificaciones de las ondas sísmicas, los cuales serán comparados con los valores de frecuencias naturales obtenidos mediante el método H/V. Las simulaciones se realizaron utilizando un código numérico 2D basado en el método de elementos espectrales. Los resultados obtenidos evidencian la presencia de efectos 2D en el valle de Caracas, y muy probablemente efectos 3D como resultado de la geometría de la cuenca sedimentaria, como por ejemplo, en las zonas de Los Palos Grandes y San Bernardino. Las simulaciones a lo largo de esta última evidencian posibles efectos de interferencia entre dos subcuencas asociadas. Actualmente se adelantan estudios con una red sismológica temporal instalada en diversas zonas de la ciudad que permitirán a futuro comparar los resultados experimentales con los resultados obtenidos en las simulaciones 2D y 3D.

Palabras clave: elementos espectrales, modelado numérico, respuesta sísmica, valle de Caracas, método H/V.

Numerical modelling of the 2d seismic response in the Caracas Valley

ABSTRACT

During the seismic microzoning project of Caracas and Barquisimeto cities several geological, geophysical and geotechnical studies were carried out in Caracas. In order to estimate the seismic response of the Caracas Valley, four seismic scenarios were defined for this study, located at the north, south, east and west of the city. For each scenario, 2D numerical simulations were carried out across 3 profiles, two in north-south direction and the other in west-east direction. The input for simulations is based on recent information obtained from geological and geophysical studies in the valley. The results obtained from numerical simulations allow us to identify the ranges of frequencies where the amplification factor of seismic waves propagation had maximum values, which will be compared with natural frequencies obtained from the H/V method. Numerical simulations were applied using a 2D numerical code based on the spectral element method. The results obtained show the presence of 2D effects in the valley response and probably 3D effects induced by the geometry of the sedimentary basin, such as the Palos Grandes and San Bernardino areas. The simulations across San Bernardino show possible effects of interference between two associated sub-basins. Currently, new studies are in progress with a temporal seismological network deployed in several zones of the city that will allow a future comparison of the experimental results with the results obtained from 2D and 3D simulations.

Keywords: spectral elements, numerical modelling, seismic response, Caracas valley, H/V method.

Recibido: julio de 2006 Revisado: diciembre de 2006

INTRODUCCIÓN

Posterior al terremoto de Caracas de 1967 y motivado por los fuertes efectos de sitio observados sobre todo en las zonas de San Bernardino y Los Palos Grandes se comienzan a realizar estudios geofísicos orientados a determinar las posibles causas de los daños observados en la ciudad durante el sismo. Los primeros estudios desarrollados por Weston (1969), incluyeron mediciones de sísmica de refracción y perforaciones geotécnicas (FUNVISIS, 1978), resultaron en un mapa de espesores de sedimentos para el valle de Caracas, que permitió observar dos zonas con una gran acumulación de sedimentos. La primera de estas se localiza en el área de San Bernardino con más de 100 metros de sedimentos, mientras que la segunda se ubica en la zona de Los Palos Grandes, en la cual los espesores de sedimentos superan los 300 metros (figura 1).

Figura 1. Mapa de espesores de sedimentos (Sánchez et al., 2005, basado en Weston, 1969 y Kantak et al., 2005).

Papageorgiou y Kim (1991) realizan un modelado 2D de la respuesta sísmica sobre un perfil en Los Palos Grandes, propagando ondas SH a lo largo del modelo. El modelo utilizado por ellos no consideraba a la topografía y representaba los sedimentos de sólo un estrato sedimentario, correspondiente a la cuenca de Los Palos Grandes. En 2002 se comienzan a realizar simulaciones 2D de la respuesta sísmica del Valle de Caracas en perfiles norte-sur ubicados sobre las zonas de máximo espesor sedimentario (San Bernardino y Los Palos Grandes), incluyendo en esta ocasión un modelo con topografía y estratificado (2 estratos en San Bernardino y 3 estratos en Los Palos Grandes). Se utilizaron diferentes ángulos de ondas incidentes planas, en dirección norte o sur. La información detallada del subsuelo se obtuvo sobre la base de los períodos fundamentales de vibración (Abeki et al., 1995; Duval et al. 1998, Abeki et al., 1998, Enomoto et al., 2000, Rocabado et al., 2002) y velocidades sísmicas y densidades (Sánchez et al., 2005).

El modelado de la respuesta sísmica se llevó a cabo utilizando la técnica de elementos espectrales (Komatitsch y Vilotte, 1998). El método de elementos espectrales ha sido utilizado para simular propagación de ondas elásticas en estructuras geológicas reales, incluyendo topografía e interfaces internas en los sedimentos. En el presente trabajo se realizaron simulaciones sobre 3 perfiles, dos de ellos en dirección norte-sur y uno en sentido este-oeste propagando frentes de ondas planas (P y S).

Estudios de ruido ambiental

A partir de 1994 se comienzan a realizar mediciones de ruido ambiental en la ciudad de Caracas (Abeki et al., 1995), a objeto de obtener los períodos predominantes de suelo aplicando el método H/V (Bard, 1999; Nakamura, 1989). A través de los resultados obtenidos en estos trabajos, Abeki et al., (1995) lograron que los períodos predominantes delsuelo estén relacionados con el espesor de sedimentos presentes en el subsuelo. Duval et al., (1998), extendieron las mediciones al área que abarca entre Los Palos Grandes y San Bernardino. Se cubrieron ambas áreas con una alta densidad de observaciones, (un total de 184), relacionando los períodos fundamentales con la profundidad de sedimentos. Posteriormente, Abeki et al., (1998) y Enomoto et al., (2000) cubren el valle de Caracas con una malla de 500 m. Adicionalmente se densificaron las mediciones en el área de Santa Eduvigis y Sebucán cada 100 m (Rocabado, 2002). En el año 2002, las mediciones a espaciamiento 500 m se expandieron a la zona de Baruta (Espinoza y Suniaga, 2002) y El Hatillo. En el 2004 se disminuye el espaciamiento entre estaciones de 500m a 250m, cubriendo la totalidad del valle (Moros y Moreno, 2004).

Los valores de períodos predominantes obtenidos a partir de la relación H/V indican para el valle de Caracas un rango de variación entre 0,2 y 2,1 s (Rocabado, 2002; Moros, 2004; Moreno, 2004). Se observan dos importantes concentraciones de valores altos dentro del valle (figura 2), ubicadas principalmente sobre el área entre La Castellana - Dos Caminos en el este (mayor a 2s) y San Bernardino en el oeste (mayor a 1s), respectivamente.

Figura 2. Mapa de Periodos predominantes Área Metropolitana de Caracas, los máximos valores (mayor a 1 s) se localizan en las zonas de San Bernardino en el oeste y Los Palos Grandes, entre La Castellana y los Dos Caminos en el este.

En la zona de Baruta y El Hatillo los valores oscilan entre 0,2 y 0,5 s (Espinoza y Suniaga, 2002). Las zonas de El Paraíso, Ciudad Universitaria, Las Acacias, El Cementerio y El Valle, presentan valores máximos de 0,5 s.

Principales características del Método de Elementos Espectrales

Los elementos espectrales son esencialmente métodos de discretización para la solución aproximada de ecuaciones diferenciales parciales, basadas en interpolaciones de Lagrange usadas en conjunto con reglas particulares de cuadratura. Para los elementos espectrales se asume que la solución puede ser expresada como una serie de funciones de polinomios bases, que pueden aproximarse a la solución.

El método de elementos espectrales es una técnica de elementos finitos de alto orden que combina la flexibilidad geométrica de los elementos finitos con la alta precisión de los métodos espectrales, resolviendo la ecuación de onda en su forma lineal. El método incluye varias propiedades de computo favorables, tales como el uso de productos tensoriales, matrices de masa diagonales y adecuación para implementarse en sistemas de computación en paralelo. Por estas ventajas el método de elementos espectrales es una alternativa viable sobre métodos tradicionales tales como volúmenes finitos y elementos finitos.

El método es implementado mediante el uso de producto tensorial de los interpoladores de Lagrange dentro de cada elemento, donde los nodos de estas funciones de forma son cubiertos con ceros polinomiales de Legendre (puntos de Gauss-Lobatto) mapeados desde el dominio de referencia [-1,1]x[-1,1], para cada elemento. Para funciones suavizadas puede demostrarse que el resultado de las interpolaciones converge con rapidez exponencial cuando se aumenta el orden de interpolación.

Elección de escenarios y elaboración de modelos

Para cada una de las simulaciones se utilizaron diversos sismos escenarios localizados en el norte, oeste, este y sur de la ciudad de Caracas (figura 3, tabla 1), ubicados sobre los principales sistemas de fallas de la región central del país (Vilotte et al., 2007; Sobiesiak et al., 2005). A partir de estos escenarios se obtuvo el ángulo de incidencia respecto a la horizontal (α), este ángulo se forma entre la dirección del frente de propagación de ondas planas y el plano horizontal.

Figura 3. Ubicación de escenarios seleccionados (1-4). Se localizan principalmente sobre la Falla de San Sebastián (para los eventos del norte, este y oeste) y la Falla de La Victoria (para el evento ubicado al sur), (Vilotte et al., 2007).

Tabla 1: Escenarios seleccionados, indicando los sistemas de fallas asociado y el ángulo de incidencia seleccionado para la simulación (Vilotte et al., 2007). Escenario Sistema de Fallas Distancia (km) Rango de ángulos incidentes en Caracas

Para cada una de las simulaciones fue necesario generar un modelo con la información referente a: número de estratos presentes, velocidades de onda P y S (Sánchez et al, 2005), así como la densidad de cada uno de los estratos (Sánchez  al., 2001). Adicionalmente se representa la topografía para cada uno de los perfiles a objeto de verificar los efectos que ésta pudiese tener en las simulaciones (figura 4).

Figura 4. Modelo del estratificado utilizado para el perfil NS-3 señalando los diferentes estratos sedimentarios (S1, S2 y S3). Por debajo del modelo estratificado se observa el mallado generado para este perfil sobre el cual se realizó la propagación de ondas. Abajo se muestra un mapa con la ubicación de los tres perfiles realizados.

En el perfil norte-sur 1 se utilizó para la simulación un modelo elástico multiestratificado de 2 capas sedimentarias que incluye la topografía. La capa superior (S1) está caracterizada por una velocidad de onda P de 850 m/s de onda S 450 m/s y por una densidad de 1,8 gr/cm³. El segundo estrato sedimentario (S2) posee los siguientes parámetros: Vp=1800m/s, Vs=650 m/s y ρ=2,1 gr/cm³. El basamento rocoso presenta los siguientes valores: Vp=3800 m/s, Vs=2200 m/s y ρ=2,6 gr/cm³. La fuente utilizada para la simulación corresponde a ondas planas P y S de posición variable entre norte y sur de cada perfil, a objeto de simular posibles eventos sísmicos localizados en los sistemas de fallas cercanos a Caracas.

En el caso de los perfiles norte-sur 3 y este-oeste, se diseñó un modelo con 3 capas sedimentarias y topografía real a lo largo del perfil. Los dos primeros estratos son iguales a los del perfil 1, al igual que el basamento rocoso. Se introduce una capa sedimentaria profunda (S3) con los siguientes parámetros geofísicos: Vp=2300 m/s, Vs=850 m/s y ρ=2,4 gr/ cm³. La fuente utilizada para la simulación corresponde a una onda plana de posición variable entre norte-sur y oesteeste, considerando ondas P y S.

Un detalle del modelo utilizado en el perfil NS-3 así como los parámetros geofísicos utilizados para cada uno de ellos se muestra en la figura 4. Estos parámetros son similares para cada uno de los perfiles simulados.

RESULTADOS DE SIMULACIÓN 2D

Perfil Norte-Sur 1:

Onda incidente P desde el norte, a=22º

El resultado obtenido al propagar una onda P a un ángulo de incidencia de 22º (figura 5) indica que las mayores amplificaciones bajo esta configuración ocurren en el rango de frecuencias de 1,5 Hz en el área de San Bernardino, de 2,5 Hz en el área de Los Caobos y de 5 Hz en la zona comprendida entre San Bernardino y Los Caobos. Analizando los sismogramas sintéticos obtenidos, se puede observar que en los extremos de la cuenca existe una importante generación de ondas superficiales, originadas mayoritariamente por los efectos de la forma de la cuenca.

Figura 5. Resultados perfil norte-sur 1. Arriba: Amplificaciones obtenidas por rango de frecuencias, ondas P (izquierda) y S (derecha), para ángulo de incidencia de 22º N. Abajo: Sismogramas sintéticos obtenidos para desplazamiento vertical (Ux) y horizontal (Uz) para ondas P (izquierda) y S (derecha).

Onda incidente S desde el norte, a=22º

Un esquema similar, pero simulando la propagación de una onda S con un ángulo de incidencia de 22º (figura 5), evidencia mayores amplificaciones en comparación con una onda P. Las mayores respuestas en cuanto a amplificación se observan a 2 Hz en el extremo sur de la cuenca de San Bernardino, manteniendo este patrón de respuestas hasta 4 Hz. El extremo norte de la cuenca presenta respuestas moderadas. De igual manera el área de Los Caobos y San Agustín del Sur evidencian fuertes amplificaciones entre 2,5 y 3 Hz, disminuyendo hacia frecuencias mayores. Analizando los sismogramas sintéticos se observa que la generación de ondas superficiales se concentra mayoritariamente hacia los extremos sur de la cuenca de San Bernardino y Los Caobos (componente Ux).

Perfil Norte-Sur 1:

Onda incidente P desde el sur, a=34º

Al propagar una onda P proveniente del sur a 34º (figura 6), se observa que las mayores amplificaciones suceden a 1,5 Hz en la cuenca de San Bernardino y a 4,5 Hz en el alto que separa a la subcuenca de Los Caobos de la cuenca de San Bernardino. Existen respuestas menores hacia el borde norte de la cuenca de San Bernardino entre 2 y 4 Hz. Analizando los sismogramas sintéticos se evidencia que la generación de ondas superficiales ocurre en mayor cantidad hacia la zona norte y central de la cuenca.

Figura 6. Resultados perfil norte-sur 1. Arriba: Amplificaciones obtenidas por rango de frecuencias, ondas P (izquierda) y S (derecha), para ángulo de incidencia de 34º S. Abajo: Sismogramas sintéticos obtenidos para desplazamiento vertical (Ux) y horizontal (Uz) para ondas P (izquierda) y S (derecha).

Onda incidente S desde el sur, a=34º

La simulación propagando una onda S a 34º sur (figura 6), presenta como principal característica la ausencia de amplificaciones en la cuenca de San Bernardino en su frecuencia fundamental (1,5 Hz). Los mayores valores de amplificación observados se encuentran por encima de los 3 Hz, principalmente en la subcuenca de Los Caobos y San Agustín del Sur, mientras que la cuenca de San Bernardino evidencia fuertes respuestas entre los 3 y 4,5 Hz, mayoritariamente hacia el extremo norte de la misma. En los sismogramas sintéticos se observa generación de ondas superficiales hacia los extremos de la cuenca de San Bernardino, lo que indica que los efectos de la forma de la cuenca influencian en gran manera la aparición de estas ondas.

Perfil Norte-Sur 2:

Onda incidente P desde el norte, a=22º

Los resultados obtenidos al simular una onda P con un ángulo de incidencia de 22º (figura 7), evidencian respuestas en amplificaciones menores a 8 para la frecuencia natural de la cuenca de Los Palos Grandes (1 Hz), con respuestas similares entre 2 y 5 Hz hacia el extremo sur de la cuenca. Los sismogramas generados indican la generación de ondas superficiales pero no tienen un efecto directo en los valores de amplificación obtenidos.

Figura 7. Resultados perfil norte-sur 2. Arriba: Amplificaciones obtenidas por rango de frecuencias, ondas P (izquierda) y S (derecha), para ángulo de incidencia de 22º N. Abajo: Sismogramas sintéticos obtenidos para desplazamiento vertical (Ux) y horizontal (Uz) para ondas P (izquierda) y S (derecha).

Onda incidente S desde el norte, a=22º

La simulación de onda S a 22º (figura 7), presenta un comportamiento completamente opuesto a la simulación de ondas P: los valores de amplificación obtenidos alcanzan un máximo de 20 entre los 2,5 y 5 Hz, concentrándose hacia el centro y sur de la cuenca, mientras que el extremo norte de la cuenca presenta amplificaciones de 10 y 15, entre 1,5 y 5 Hz, no se observan respuestas significativas en la frecuencia natural de la cuenca (menor a 1 Hz). En los sismogramas generados se observa una importante generación de ondas superficiales provenientes del borde norte de la cuenca, que pueden ser el causal de los altos valores observados hacia el sur de la cuenca.

Perfil Norte-Sur 2:

Onda incidente P desde el sur, a=34°

El resultado obtenido en esta simulación (figura 8), presenta respuestas moderadas en amplificación, principalmente a frecuencias menores de 1 Hz, y entre 3,5 y 5 Hz, concentradas mayoritariamente hacia el extremo norte y central de la cuenca. Es importante destacar la presencia de amplificaciones significativas para frecuencias superiores a 5 Hz, en la zona central de la cuenca. A partir de los sismogramas sintéticos se observa que la generación de ondas superficiales en este caso no es significativa.

Figura 8. Resultados perfil norte-sur 2. Arriba: Amplificaciones obtenidas por rango de frecuencias, ondas P (izquierda) y S (derecha), para ángulo de incidencia de 34º S. Abajo: Sismogramas sintéticos obtenidos para desplazamiento vertical (Ux) y horizontal (Uz) para ondas P (izquierda) y S (derecha).

Onda incidente S desde el sur, a=34º

En el caso de ondas S con ángulo de incidencia de 34º sur (figura 8), las respuestas en amplificación son elevadas, concentrándose entre los 3 y 5 Hz, afectando mayoritariamente la zona central de la cuenca y el extremo sur de la misma; la frecuencia natural de la cuenca no se ve afectada. A partir de los sismogramas sintéticos se puede observar que la creación de ondas superficiales es significativa, principalmente en la zona central de la cuenca de Los Palos Grandes. Esto evidencia que los efectos de rebote asociados a la morfología de la cuenca son de gran importancia.

Perfil Este-Oeste:

Onda incidente P desde el oeste, α=37º

La simulación realizada en el perfil este-oeste para ondas P con un ángulo de incidencia de 37º (figura 9), presenta respuestas en el rango de frecuencias de 2,5 a 4 Hz, ubicándose las mayores amplificaciones hacia los extremos oeste y este del perfil. En el extremo oeste las mayores amplificaciones se encuentran entre 3,5 y 5 Hz, localizadas en el área de Catia. La zona de Los Palos Grandes presenta respuestas moderadas en su frecuencia fundamental y amplificaciones superiores a 10 en el extremo este entre 3 y 3,5 Hz. Las ondas superficiales generadas, visibles en los sismogramas sintéticos, se observan hacia el extremo oeste del perfil, en el área de la cuenca de Los Palos Grandes.

Figura 9. Resultados perfil este-oeste. Arriba: Amplificaciones obtenidas por rango de frecuencias, ondas P (izquierda) y S (derecha), para ángulo de incidencia de 37º O. Abajo: Sismogramas sintéticos obtenidos para desplazamiento vertical (Ux) y horizontal (Uz) para ondas P (izquierda) y S (derecha).

Onda incidente S desde el oeste, α=37º

En el caso de simulación de ondas S (figura 9) con un ángulo de incidencia de 37º propagándose sobre el modelo en sentido oeste-este, las respuestas obtenidas son significativamente mayores a las de ondas P. La cuenca de Los Palos Grandes presenta altas amplificaciones entre los 2,5 y 5 Hz, estas respuestas se extienden entre los límites este y oeste de la cuenca, la zona central del perfil, aproximadamente en el sector de Plaza Venezuela – Los Caobos indican fuertes amplificaciones a los 3 Hz. Hacia la zona de Catia, en el extremo oeste del perfil, las amplificaciones obtenidas son elevadas en los rangos de frecuencia de 3,5 y 4 Hz. Del análisis de los sismogramas sintéticos se observa que las ondas superficiales generadas se ubican hacia el extremo este del perfil, sobre la cuenca de Los Palos Grandes, lo que guarda relación con los elevados valores de amplificación obtenidos en el área.

Perfil Este-Oeste:

Onda incidente P desde el este, α=43º

En el caso de propagación de ondas provenientes del este con un ángulo de incidencia de 43º (figura 10), específicamente ondas P, los resultados obtenidos no indican la presencia de grandes factores de amplificación. Las principales respuestas se encuentran entre 1,5 y 3 Hz para la zona de Plaza Venezuela – Los Caobos, mientras que la cuenca de Los Palos Grandes presenta amplificaciones elevadas a los 5 Hz, en el extremo oeste de la cuenca. La zona de Catia no presenta respuestas significativas asociadas a este ángulo de propagación. Los sismogramas sintéticos indican la creación de ondas superficiales en la zona de la cuenca de Los Palos Grandes.

Figura 10. Resultados perfil este-oeste. Arriba: Amplificaciones obtenidas por rango de frecuencias, ondas P (izquierda) y S (derecha), para ángulo de incidencia de 43º E. Abajo: Sismogramas sintéticos obtenidos para desplazamiento vertical Ux) y horizontal (Uz) para ondas P (izquierda) y S (derecha).

Onda incidente S desde el este, α=43º

Las respuestas obtenidas al propagar ondas S a 43º este (figura 10), se concentran principalmente sobre la cuenca de Los Palos Grandes y en la zona de Catia en el extremo oeste del perfil. Los valores de amplificación obtenidos en la zona de Los Palos Grandes se concentran entre los 1,5 y 5 Hz, mayoritariamente en el borde oeste de la cuenca. La zona de Plaza Venezuela – Los Caobos, presenta amplificaciones moderadas en su frecuencia natural, alrededor de 2,5 Hz, mientras que la zona de Catia concentra las respuestas entre los 4 y 4,5 Hz. Los sismogramas sintéticos indican que las ondas superficiales generadas se concentran mayoritariamente en la zona de Los Palos Grandes.

RESULTADOS

Al comparar los resultados obtenidos en cada una de las simulaciones, se identificaron aspectos relevantes asociados con el tipo de onda que se propaga en el modelo y los efectos que la topografía y la geometría de la cuenca pueden inducir sobre la respuesta sísmica del valle. Para cada uno de los ángulos de incidencia considerados en las simulaciones se dispone de respuestas para un tren de ondas P y S, para determinar que tipo de ondas generan las mayores amplificaciones y en que rango de frecuencias. En todos los casos, las mayores amplificaciones se obtienen para ondas S, aunque los rangos de frecuencia en los cuales se observanestas respuestas son muy similares tanto para ondas P como ondas S. Otro aspecto importante observado es que las ondas P generan mayores amplificaciones en la frecuencia natural de la cuenca tanto para Los Palos Grandes como para San Bernardino. La frecuencia natural de ambas cuencas identificadas en los modelos, coincide con la frecuencia natural obtenida a partir de la relación H/V proveniente de mediciones de ruido ambiental realizadas en la ciudad (figura 2).

El perfil norte-sur 1 presenta una configuración particular de dos cuencas asociadas, la cuenca principal corresponde a San Bernardino (120 m de profundidad) mientras que la subcuenca es el área de Los Caobos y San Agustín del Sur (80 m profundidad). Las simulaciones realizadas tanto para ondas P y S evidencian que la cuenca principal induce respuestas considerables en la subcuenca, observable principalmente en propagaciones de ondas provenientes del norte (figuras 5 y 6). Esta condición de subcuencas asociadas se repite en el perfil este-oeste, en donde las propagaciones de ondas provenientes del este evidencian que la cuenca de Los Palos Grandes, induce amplificaciones considerables en el área de Los Caobos y Catia (figuras 9 y 10)

La geometría de la cuenca en muchas ocasiones actúa como generador de ondas superficiales una vez que el tren principal de ondas rebota en la base de los sedimentos y llega a la superficie (Komatitsch y Vilotte, 1998: Komatitsch et al., 1998, 1999). Los efectos más notorios se observan en el perfil norte-sur 1, donde el alto que separa la cuenca de San Bernardino de la subcuenca de Los Caobos funciona como difractor de ondas superficiales, generando complejos patrones de ondas en las simulaciones.

Las zonas que concentraron los principales daños durante el sismo de Caracas de 1967, fueron hacia el oeste: San Bernardino, Los Caobos y San Agustín del Sur mientras que hacia el este: Los Palos Grandes, ubicadas sobre las principales cuencas de la ciudad. Los efectos observados en este sismo, ubicado al norte de la ciudad, pueden ser comparados con las simulaciones generadas para los perfiles Norte-Sur 1 y 2, correspondientes a fuentes ubicadas al norte del perfil.

Bajo esta configuración, las simulaciones sobre el perfil nortesur 1 indican que al propagar ondas P las mayores amplificaciones se obtienen en la frecuencia natural de la cuenca que es de 1,5 Hz (figura 5). En el caso de odas S las respuestas se concentran en el rango de frecuencias comprendido entre 2 y 4 Hz. Las ondas superficiales que se observan en los sismogramas sintéticos, se concentran en la zona de San Bernardino y San Agustín del Sur, lo cual guarda relación con el nivel de daños observado durante el sismo de 1967 en el área (FUNVISIS, 1978).

En el caso del perfil Norte-Sur 2, al propagar ondas P, se obtiene como principal resultado amplificaciones en la frecuencia natural de la cuenca (< 1 Hz), mientras que para las ondas S se amplifican los rangos de frecuencias entre 1 y 5 Hz. Se observa que el uso de un modelo detallado de velocidades introduce cambios respecto a la respuesta de la cuenca utilizando un modelo simplificado (Papageorgiou y Kim 1991; Semblat et al., 2002; Schmitz et al., 2002). Las ondas superficiales que se observan en los sismogramas sintéticos se generan en la parte norte de la cuenca, tal como lo discuten Papageorgiou y Kim (1991), y se concentran sobre el centro de la cuenca, lo que guarda relación con los daños observados en Los Palos Grandes durante el sismo de 1967.

CONCLUSIONES

De las simulaciones de la respuesta sísmica realizadas en el perfil norte – sur 1 y 2, así como el este-oeste, se identifican en la mayoría de los casos respuestas en la frecuencia fundamental de cada una de las cuencas estudiadas al propagar ondas P. En el caso de San Bernardino es 1,5 Hz y para Los Palos Grandes esta es menor a 1 Hz.

Para cada una de las simulaciones, el parámetro que afecta en mayor grado las respuestas obtenidas es el tipo de onda que se propaga en el modelo, siendo las ondas S las que generaron las mayores amplificaciones en cada uno de los perfiles.

La forma de la cuenca y su topografía inducen en algunos casos efectos de borde, aumentando los valores de amplificación obtenidos en los extremos de la cuenca y generando ondas superficiales.

Al comparar las frecuencias fundamentales obtenidas a partir de las simulaciones numéricas con las obtenidas a través del método H/V, se observa que existe una clara correspondencia entre ambas.

El modelado de la respuesta sísmica para el perfil norte– sur 1 (San Bernardino), evidencia los efectos del acoplamiento entre dos cuencas, donde la cuenca principal de San Bernardino ejerce efectos sobre la subcuenca de Los Caobos. Lo cual evidencia la presencia no sólo de efectos 2D, sino 
de posibles efectos 3D inducidos por la geometría de la cuenca. Este mismo efecto se logra ver en el perfil esteoeste, en el cual la cuenca de Los Palos Grandes ejerce efectos sobre la zona sur de la cuenca de San Bernardino.

El método de elementos espectrales es una herramienta eficiente para el estudio de propagación de ondas elásticas en medios estratificados y con topografía. La complejidad de los modelos que pueden ser simulados permite a esta técnica convertirse en una herramienta muy útil para aplicaciones de interés geofísico en el ámbito de amenaza sísmica y estudios de microzonificación.

AGRADECIMIENTOS

Estos estudios se han llevado a cabo en el marco de los proyectos ECOS-Nord 99000257/V99U01 y ECOS-Nord PI2004000347. A los revisores José Choy y José Leonardo Álvarez por el esfuerzo realizado por mejorar esta contribución con sus constructivos comentarios, observaciones y sugerencias.

REFERENCIAS

1. ABEKI, N., ENOMOTO, T., GUEVARA, T. Y VILLEGAS, Z., (1995): Fundamental concept for Seismic microzonation and preliminary surveys of microtremor observations in Caracas and Cumaná City, Venezuela. II Coloquio Internacional sobre «Microzonificación Sísmica» y V Reunión de Cooperación Iberoamericana, Cumana, Venezuela, 12 al 16 de junio de 1995, Resumen.        [ Links ]

2. ABEKI, N., SEO, K., MATSUDA, I., ENOMOTO, T., WATANABE, D., SCHMITZ, M., RENDÓN, H. AND SÁNCHEZ, A., (1998): Microtremor observations in Caracas city, Venezuela. 2nd International Symposium on Effect of Surface Geology on Seismic Motion, Yokohama, 6 pp.        [ Links ]

3. BARD, P.Y., (1999): Microtremor measurements: a tool for site effect estimation? In: Irikura, K., Kudo, K., Okada, H. and Sasatani, T. (eds.), The Effects of Surface Geology on Seismic Motion - Recent progress and new Horizon on ESG Study, Volume 3, Balkema, Rotterdam, p. 28.        [ Links ]

4. DUVAL, A.-M., MÉNEROUD, J.-P., VIDAL, S. AND SINGER, A., (1998): Relation between curves obtained from microtremor and site effects observed after Caracas 1967 earthquake. 11th European Conference on Earthquake Engineering, Rotterdam, (CD), p. 9.        [ Links ]

5. ENOMOTO, T., SCHMITZ, M., MATSUDA, I., ABEKI, N., MASAKI, K., NAVARRO, M., ROCABADO, V., Y SÁNCHEZ, A., (2000): Seismic risk assessment using soil dynamic characteristics in Caracas, Venezuela. 6th International Conference on Seismic Zonation, Palm Springs, CDROM, p. 6.        [ Links ]

6. ESPINOZA, V., SUNIAGA, J., (2002): Mediciones de ruido ambiental en el Valle de Caracas (Municipio Baruta). Informe de Pasantías. FUNVISIS – UCV. Inédito.        [ Links ]

7. FUNVISIS, (1978): Segunda Fase del Estudio del Sismo ocurrido en Caracas el 29 de Julio de 1967. Ministerio de Obras Públicas, Comisión Presidencial para el Estudio del Sismo, FUNVISIS, Caracas, Venezuela, Volumen A, p. 517.        [ Links ]

8. KANTAK, P., SCHMITZ, M. AND AUDEMARD, F., (2005): Sediment thickness and a west-east geologic cross section in the Caracas Valley. Revista de la Facultad de Ingeniería. Vol. 20. 85-98.        [ Links ]

9. KOMATITSCH D. AND VILOTTE J.P., (1998): The spectral element method: An Efficient tool to simulate the seismic response of 2D and 3D geological structures. BSSA. Vol 88. No. 2. pp. 368-392.        [ Links ]

10. KOMATITSCH, D., VILOTTE J.P., VAI, R., CASTILLO-COVARRUBIAS, J.M. AND SÁNCHEZ-SESMA F.J., (1999): The spectral element method for elastic wave equations-application to 2-D and 3-D seismic problems. IJNME, 45, pp. 1113-1164.        [ Links ]

11. MORENO, F., (2004): Relación entre el Período Fundamental de vibración de suelo y el espesor de sedimentos en la parte oeste de la ciudad de Caracas, Municipio Libertador, mediante la aplicación del método de Nakamura en una malla de 250 metros. Trabajo Especial de Grado – Universidad Central de Venezuela.        [ Links ]

12. MOROS, L., (2004): Relación entre el período fundamental de vibración del suelo y el espesor de sedimentos en el Este de la ciudad de Caracas, mediante la aplicación del método de Nakamura a datos obtenidos en una malla de mediciones de 250 metros. Trabajo Especial de Grado – Universidad Central de Venezuela.        [ Links ]

13. NAKAMURA, Y., (1989): A method for dynamic characteristics estimation of surface using microtremor on the ground surface. QR of RTRI, Vol 30, No 1.        [ Links ]

14. PAPAGEORGIOU, A.S. AND KIM, J., (1991): Study of the propagation and amplification of seismic waves in Caracas valley with reference to the 29 July 1967 earthquake: SH waves. BSSA, 81, pp. 2214-2233.        [ Links ]

15. ROCABADO, V., (2002): Períodos fundamentales del suelo de la ciudad de Caracas a partir de mediciones de ruido ambiental. Tesis de grado. Publicado en CD GEOS 35 (2002) UCV, Caracas.        [ Links ]

16. ROCABADO, V., SCHMITZ, M., GONZÁLEZ, J., ANDRADE, L., VILORIA, A., ENOMOTO, T., ABEKI, N., DELGADO, J., (2002): Seismic microzoning study in Barquisimeto, Venezuela. 12th European Conference on Earthquake Engieneering, London. Resumen extendido. P. 7.        [ Links ]

17. SÁNCHEZ, J., ORIHUELA, N., MEZA, R., AMBROSIO, R., (2001). Modelaje gravimétrico de la cuenca de Los Palos Grandes. In: Proceedings of the International Workshop «Study on Countermeasures for Earthquake Disaster in Caracas» (1999-2001), Caracas, Venezuela, Serie Técnica FUNVISIS No. 1, pp. 158-165.        [ Links ]

18. SÁNCHEZ, J., SCHMITZ, M. Y CANO, V., (2005). Mediciones sísmicas profundas en Caracas para la determinación del espesor de sedimentos y velocidades sísmicas. Boletín Técnico del Instituto de Materiales y Modelos Estructurales. Vol 43. pp. 49-67.        [ Links ]

19. SEMBLAT, J.F., DUVAL, A.M. AND DANGLA, P., (2002): Seismic site effects in a deep alluvial basin: numerical analysis by the boundary element method. Computers and Geotechnics, 29, pp. 573-585.        [ Links ]

20. SOBIESIAK, M., ALVARADO, L. AND VÁSQUEZ, R., (2005): Recent seismicity in northeastern Venezuela and tectonic implications. Revista de la Facultad de Ingeniería. Vol. 20. pp. 75-84.        [ Links ]

21. SCHMITZ, M., ENOMOTO, T., AMPUERO, J.-P., ROCABADO, V., KANTAK, P., SÁNCHEZ, J., RENDÓN, H., GONZÁLEZ, J., ABEKI, N., VILOTTE, J.-P., NAVARRO, M. AND DELGADO, J., (2002): Seismic microzoning study in Chacao district, Caracas, Venezuela. 12th European Conference on Earthquake Engineering, London, 9-13 September 200. Resumen extendido, pp. 10.        [ Links ]

22. VILOTTE, J.P., H. RENDÓN, M. SCHMITZ, M. SOBIESIAK, J-P. AMPUERO, V. ROCABADO AND F. A. AUDEMARD, (2007): Seismicity, earthquake scenarios, and seismic response for the Caracas sedimentary basin, Venezuela. En preparación.        [ Links ]

23. WESTON GEOPHYSICAL ENGINEERS INTERNATIONAL INC, (1969): Investigaciones Sísmicas en el Valle de Caracas y en el Litoral Central (bajo la planificación y supervisión de la Comisión Presidencial para el Estudio del Sismo), Caracas, p. 22.        [ Links ]