Modelado geofísico del basamento del área metropolitana de la ciudad de Mérida, Venezuela

CARLOS REINOZA^1,2, JAVIER SÁNCHEZ², MICHAEL SCHMITZ², STÉPHANIE KLARICA³

¹ Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Geológica, ULA Mérida 5101, Venezuela. email: creinoza@funvisis.gob.ve

² Fundación Venezolana de Investigaciones Sismológicas Apartado 76880, El Marqués 1070, Venezuela

³ Laboratorio de Geofísica, Facultad de Ciencias, ULA Mérida 5101, Venezuela

RESUMEN

El espesor de los sedimentos del área metropolitana de la ciudad de Mérida se cuantificó con base en el procesamiento e interpretación de datos geofísicos. A partir de datos gravimétricos se elaboró el mapa de anomalías de Bouguer para ρB=2,67g/cc y un nivel de referencia de 1500 metros sobre el nivel del mar, con un rango de variación de las anomalías entre –381,58 y –360,57 mGal. Se generó un modelo de densidad del subsuelo 3D coherente con la geología del área y datos geofísicos existentes, lo que permitió estimar un espesor máximo de 120 metros en la terraza de Mérida. Se realizaron modelos 1D y 2D de cinco perfiles sísmicos en la ciudad de Ejido, calculándose velocidades aparentes de ondas P y ondas S de 750-1115 m/s y 320-620 m/s, respectivamente para una primera capa con espesor máximo de 15 m. Para una segunda capa las velocidades varían entre 2080-2600 m/s para las ondas P y 550-830 m/s para las ondas S. El resultado final del estudio presenta la información compilada y generada mediante un Sistema de Información Geográfico.

Palabras Clave: espesor, sedimentos, datos gravimétricos, sísmica de refracción, modelo.

Geophysical modelling of basement: The Mérida metropolitan area, Venezuela

ABSTRACT

The thickness of soft sediments in metropolitan Merida city area was obtained from 3D gravimetric, 1D and 2D seismic refraction modelling. A Bouguer anomaly map was obtained with a Bouguer density of ρB=2.67 g/cc and a datum reference level of 1500 meters above sea level. Anomalies vary between –381.58 and –360.57 mGal. A tridimensional density model was generated based on geological and geophysical data. 1D and 2D models from five near surface seismic refraction profiles obtained in Ejido city showed the following results: apparent P and S waves velocities of 750-1115 m/s and 320-620 m/s to a first layer with a maximum thickness of 15 m. In a second layer the velocities are between 2080-2600 m/s to P waves and 550-830 m/s to S waves. The results were integrated in a geographic information system (GIS).

Keywords: Thickness, sediments, gravimetric data, refraction seismic, model.

Recibido: marzo de 2006 Revisado: diciembre de 2006

INTRODUCCIÓN

La Fundación Venezolana de Investigaciones Sismológicas (FUNVISIS) junto con otras instituciones nacionales e internacionales, viene promoviendo y desarrollando proyectos de microzonificación sísmica en diferentes ciudades del país (e.g.,Caracas, Barquisimeto, y Carora), las cuales presentan un moderado o alto riesgo sísmico. Este estudio tiene como objetivo adquirir nueva información geofísica del subsuelo de las ciudades de Mérida y Ejido con el fin de incorporarla dentro de un proyecto de microzonificación sísmica. Si bien se ha realizado un estudio relacionado en la ciudad de Mérida por otras instituciones (Ministerio de Obras Públicas, 1976), el actual crecimiento urbanístico y demográfico que ha originado la expansión de la ciudad hacia las poblaciones cercanas de Ejido y Tabay, y los posibles riesgos ante un evento sísmico o metereológico, indican la necesidad de imprimirle un carácter vigente y actual a un nuevo proyecto de microzonificación.

La región de estudio comprende el área metropolitana de la ciudad de Mérida, municipios Libertador y Campo Elías del estado Mérida, el cual se encuentra en los Andes venezolanos (figuras 1 y 2). (Las coordenadas mostradas en las figuras pertenecen a la proyección La Canoa PSAD 56). Este estudio comprende una evaluación geofísica del área mediante la aplicación de (1) métodos gravimétricos, para generar un modelo 3D del basamento sobre el cual suprayacen los sedimentos de la terraza, y (2) métodos sísmicos, para evaluar la distribución de las velocidades de las ondas sísmicas y específicamente de las ondas de corte en la ciudad de Ejido.

Figura 1. Ubicación relativa del área de estudio.

Figura 2. Área de estudio con relieve sombreado, ubicación de las Ciudades de Mérida y Ejido (vista hacia el Norte).

La geología del área está conformada por la Asociación Sierra Nevada del Proterozoico Superior, la Asociación Tostós de edad paleozoica tardía, la Formación Sabaneta del Carbonífero Superior-Pérmico Inferior, la Formación Palmarito perteneciente al Carbonífero Superior-Pérmico Medio, la Formación La Quinta de edad jurásica, la Formación Mucujún de edad mio-pliocena y suelos transportados que conforman la terraza de Mérida, sedimentos aluviocoluviales de la periferia noroeste de la terraza, conos y terraza-valles del Pleistoceno.

MEDICIONES GRAVIMÉTRICAS

Se realizaron 189 mediciones gravimétricas con los gravímetros La Coste y Romberg G-322 y SCINTREX CG-5. La adquisición de los datos se realizó mediante dos campañas. La primera campaña fue realizada por el Instituto Nacional de Geología y Minas (INGEOMIN) y la segunda por FUNVISIS.

El procesamiento preliminar de la datos gravimétricos consistió en el cálculo de gravedad observada, para lo cual fue necesario realizar las correcciones por deriva instrumental y el efecto de marea lunisolar (Longman, 1959). Los datos de gravedad observada fueron referidos a la estación 3A.317 de la Red Gravimétrica Nacional de la antigua División de Geodesia de la Cartografía Nacional. A partir de estos datos, se realizó el cálculo de la anomalía de Bouguer para un nivel de referencia de 1500 m.s.n.m y se generó el mapa de curvas de anomalias de Bouguer (figura 3), para una densidad de reducción de 2,67 g/cc, valor representativo de las rocas que conforman la zona de estudio (Hospers y Van Wijnen, 1958; Ministerio de Obras Públicas, 1976). Los valores de anomalía de Bouguer observados se encuentran entre –381,58 y –360,57 mGal y la tendencia regional tiene orientación SO-NE, aumentando su valor en dirección NOSE. Los valores máximos se ubican en los alrededores del cauce del río Chama, al sureste de la terraza de la ciudad de Mérida. En la terraza donde esta asentada la mayor parte de la ciudad de Mérida, se presentan valores entre -371 y -366 mGals. Al norte del área se observan los valores mínimos localizados sobre los afloramientos de las formaciones Palmarito y Mucujún (Ministerio de Obras Públicas, 1976; Ferrer, 1996; Almeida y Sánchez, 2004).

Figura 3. Mapa de Anomalía de Bouguer de la Ciudad de Mérida basado en 189 mediciones gravimétricas, interpolado con el método de Kriging.

Mediante aproximación polinómica se realizó la separación de las componentes regional y residual de la anomalía de Bouguer (figuras 4 y 5). La regresión polinómica es usada para definir direcciones a gran escala y asociaciones en los datos, no se considera un interpolador ya que no tiende a predecir valores desconocidos en el eje Z. A partir de los datos de anomalía de Bouguer se realizó la regresión polinómica para diferentes grados, posteriormente se definió cualitativa y cuantitativamente (cálculo de bondad de ajuste) la regresión polinómica de tercer grado, la cual muestra la mejor correlación con las estructuras geológicas presentes en el área.

Figura 4. Mapa de Anomalía de Bouguer de la Ciudad de Mérida.

Figura 5. Mapa de Componente Residual según polinomio de tercer grado.

El mapa de componente regional (figura 4) presenta curvas de isoanomalías orientadas SO-NE, coherente con las principales estructuras y alineamientos del área. El valor mínimo observado es de -381 mGal en el NE de la zona de estudio, los valores aumentan hasta -366 mGal hacia el SE a razón de 1,8 mGal/km, lo que pudiese indicar una disminución del espesor de la Asociación Sierra Nevada de NO a SE.

El mapa de la componente residual (figura 5), presenta curvas orientadas en dirección SO-NE. Los valores aumentan desde el NO hacia el SE. Los gradientes son muy variables en toda el área y no se observa una tendencia característica. Se muestran dos mínimos de valores -5 y -7 mGal ubicados en los sectores Santa Rosa y La Vuelta respectivamente, como respuesta a un posible aumento del espesor de sedimentos. Entre las coordenadas locales 258000m E y 262000m E (referidas al datum La Canoa PSAD 56), se observaron máximos relativos de 2 y 3 mGal, localizados sobre los afloramientos de las Formaciones Palmarito y Mucujún (Ministerio de Obras Públicas, 1976; Ferrer, 1996; Almeida y Sánchez, 2004). Hacia el SSE, se nota un aumento de los valores de las isoanomalías hasta 6 mGal, a medida que los espesores de la terraza disminuyen y aflora la Asociación Sierra Nevada, lugar donde se encuentra la cuenca del Río Chama.

Finalmente se generó el modelo tridimensional de la terraza mediante el programa IGMAS (3D Interactive Gravity and Magnetic Application System) (Götze y Lahmeyer, 1988;Schmidt y Götze, 1998).

MODELADO TRIDIMENSIONAL

El modelo inicial se generó a partir de información obtenida de mapas geológicos previos publicados por el Ministerio de Obras Públicas (1976), Ferrer (1996) y Almeida y Sánchez (2004). Los espesores y disposición de las formaciones y sedimentos se controlaron mediante cortes geológicos de la terraza de Mérida (Ministerio de Obras Públicas, 1976; Almeida y Sánchez, 2004), el mapa de profundidad del aluvión al lecho rocoso y datos de tres pozos de profundidad somera (Ministerio de Obras Públicas, 1976). Los valores de densidades asignadas a cada formación son coherentes con los propuestos en el estudio de microzonificación de la ciudad de Mérida (Ministerio de Obras Públicas, 1976) y a la litología predominante de cada formación. El modelo final fue optimizado mediante inversión gravimétrica de propiedades físicas (densidad) que posee el programa IGMAS.

El modelo tridimensional se construyó a partir de 25 secciones ajustadas a base de anomalías residuales (figura 6). En la figura 7 se muestra una de estas secciones, la sección 15 (S15) con dirección NO-SE está definida por las siguientes coordenadas locales (258433,48m E – 954358,06m N) y (264107,84m E – 946618,31m N) (La Canoa PSAD 56). Se muestran tres cuerpos de densidades 2,67 (Pcis2), 2,75 (Pcis3) y 2.84 g/cc (Pcis4) de noroeste a sureste hasta los 2000 metros de profundidad, pertenecientes a la Asociación Sierra Nevada. No se conoce de alguna referencia más allá de lo presentado en este trabajo que plantee la presencia del cuerpo central Pcis3 de densidad 2,75 g/cc, sin embargo, se ha considerado, ya que su disposición y densidad se ajustan perfectamente para el modelo. Sobre estos cuerpos suprayacen de NO a SE las formaciones Mucujún y Palmarito (Almeida y Sánchez, 2004), y a menor profundidad se observan los sedimentos pertenecientes a la terraza de la ciudad de Mérida, identificados como unidades Q1 y Q2 (Ministerio de Obras Públicas, 1976). El mayor espesor estimado de los sedimentos cuaternarios con esta sección 2D es de aproximadamente 100 metros.

Figura 6. Ubicación de las 25 secciones para la construcción del modelo tridimensional.

Figura 7. Sección 15 (S15). Vista detallada de los sedimentos cuaternarios (Q1 y Q3).

A partir del modelado 3D se generó un mapa isópaco de espesor de sedimentos (figura 8), donde se observa una variación de los espesores entre 0 y 150 metros, encontrándose los máximos valores al noroeste del Río Albarregas, donde actualmente está emplazada la Universidad Nacional Abierta, parte del Núcleo La Liria (ULA) y alrededores. Los espesores de sedimentos aumentan considerablemente desde el noreste hasta el centro de la terraza de la ciudad de Mérida. Desde dicha posición en dirección SE los espesores de sedimentos disminuyen hasta desaparecer. En el sector El Arenal, en las afueras de la ciudad, el espesor de sedimentos alcanza hasta los 160 metros. Existe cierta incertidumbre sobre la validez de este espesor por la poca densidad de estaciones gravimétricas en este sector al momento de la adquisición. El modelo 3D constituye una excelente herramienta para visualizar de manera integrada los resultados.

Figura 8. Mapa Isópaco de Sedimentos Cuaternarios para el Área Metropolitana de la ciudad de Mérida.

MEDICIONES DE SÍSMICA REFRACCIÓN

Se realizaron 5 perfiles sísmicos de refracción somera de 108 metros de longitud en la ciudad de Ejido (figura 9).

Figura 9. Mapa de la ubicación de los perfiles.

El procesamiento y visualización de los datos sísmicos se realizó en el programa Reflex© (Sandmeier, 1998), el cual permitió la identificación y selección de las primeras llegadas de las ondas primarias y de corte, y además la construcción de modelos 1D (figura 10). Se generaron modelos bidimensionales para cada perfil mediante el paquete RAYINVR, el cual emplea un algoritmo para el trazado de rayos y cálculo de amplitudes en un medio bidimensional, basándose en un modelo de velocidad parametrizado (Zelt y Smith, 1992), con el objeto de generar modelos bidimensionales para cada perfil (figuras 11 y 12).

Figura 10. Ejemplo de un modelo 1D del Perfil TR.

Figura 11. Trazado de rayos (arriba) y cálculo de tiempos de llegada (abajo) de ondas P.

Figura 12. Modelo 2D para velocidades de ondas P

Para lograr un mejor ajuste de los modelos se aplicó inversión sísmica de la velocidad y profundidad de las interfaces. La ventaja de la inversión sobre el método de «ensayo y error», es que esta genera estimaciones en la resolución de parámetros inciertos y no-únicos (Zelt y Smith, 1992). Los resultados obtenidos de esta interpretación indican que para los perfiles P1, P2, TR y MO, los valores de velocidad de ondas P en una primera capa oscilan entre 750 y 920 m/s, mientras que para las ondas S las velocidades varían entre 320 y 620 m/s, dicha capa presenta un espesor entre 5 y 8 m. Para una segunda capa de sedimentos se encontraron velocidades entre 2400 y 2600 m/s de ondas P, mientras que para ondas S varían entre 560 y 1300 m/s (tabla 1).

Tabla 1. Resultados obtenidos a partir de los estudios de sísmica de refracción en la ciudad de Ejido. * No se determinaron velocidades de onda S.8

A diferencia de los perfiles anteriores el espesor de la primera capa varía entre 11 y 15 metros para el Perfil RIO. La primera y segunda capa registraron valores de velocidades de ondas P de 1115 m/s y 2080 m/s, respectivamente.

De acuerdo a la clasificación estipulada por la Norma COVENIN 1756-01, «Edificaciones Sismorresistentes» (2001), se determinó que las capas de todos los perfiles se tipifican como: Suelos Tipo S1, los cuales se corresponden a suelos duros, muy duros, densos o muy densos.

CONCLUSIONES

A partir de los datos gravimétricos adquiridos se determinó que en el área de estudio los valores de anomalías de Bouguer se encuentran entre –381,58 y –360,57 mGal calculados para una B=2,67g/cc y un nivel de referencia de 1500 m.s.n.m. Específicamente en la terraza donde está asentada la mayor parte de la ciudad de Mérida, el rango de valores es de -371 y -366 mGals. Los máximos valores de anomalía de Bouguer observados se ubican en los alrededores del cauce del río Chama, al sureste de la terraza de la ciudad de Mérida. Al norte se observan los valores mínimos que se corresponden con los afloramientos de las Formaciones Palmarito y Mucujún. Se determinó a partir del modelado gravimétrico tridimensional un espesor máximo de 120 metros para los sedimentos de la terraza de Mérida, específicamente al noroeste del Río Albarregas, donde actualmente se emplaza la Universidad Nacional Abierta y parte del núcleo La Liria de la Universidad de Los Andes. Se consideró un cuerpo de densidad de 2,75 g/cm3 infrayaciendo a la Formación Palmarito, sobre la que reposa la terraza de Mérida. Este cuerpo puede formar parte de la Asociación Sierra Nevada o bien constituir una unidad con densidad similar. Las secciones del modelado gravimétrico 3D presentan considerables diferencias con los perfiles bidimensionales gravimétricos del estudio de microzonificación sísmica de la ciudad de Mérida (Ministerio de Obras Públicas, 1976), el modelo actual cuenta con mayor cantidad de unidades geológicas, control con perforaciones geotécnicas, mapas de espesor del aluvión al lecho rocoso e información geológica actualizada. Además, las 25 secciones que componen el modelado tridimensional representan una mayor cobertura del área que los 3 perfiles bidimensionales del mencionado estudio.

En los perfiles sísmicos realizados en la ciudad de Ejido, se identificaron 2 capas en los modelos sísmicos 2D. La primera capa correspondiente a los perfiles P1, P2, TR y MO, posee un espesor que varía entre 5 y 8 m con velocidades de ondas P en el rango de 750-920 m/s y de ondas S de 320-620 m/s. La segunda capa presenta velocidades de ondas P en el rango de 2400-2600 m/s y de ondas S entre los 560-1300 m/s. Con respecto al perfil RIO, ubicado en el sector La Vega, se determinó para la primera capa un espesor que varía entre 11 y 15 metros con velocidades de ondas P de 1115 m/s para dicha capa y de 2080 m/s para la segunda capa. Para este perfil no se pudo determinar velocidades de ondas S. La longitud de los perfiles, la energía de la fuente sísmica empleada y las condiciones del terreno permitió alcanzar profundidades máximas de 12 a 25 metros.

AGRADECIMIENTOS

Manifestamos nuestro agradecimiento al personal del área de Geofísica del Instituto Nacional de Geología y Minas (INGEOMIN), al Laboratorio de Geofísica de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Los Andes, a la Escuela de Ingeniería Geológica (ULA); al Prof. Fernando Mazuera y estudiantes, por su participación en las mediciones de campo. Demás miembros y tesistas del Departamento de Sismología de FUNVISIS. Se agradece a los profesores Carlos Izarra (Universidad Simón Bolivar) e Inírida Rodríguez (Universidad Central de Venezuela) por las sugerencias sobre el manuscrito.

REFERENCIAS

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2. FERRER , C. (1996): Evolución de un segmento de la falla de Boconó durante el Pleistoceno, implicaciones tectónicas y sedimentológicas del sector Tabay-Estánquez (Estado Mérida). Tesis de maestría Postgrado de Ciencias Geológicas, Universidad Central de Venezuela, Caracas. Mapa Geológico Escala 1:25000.        [ Links ]

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